Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Факультет радиотехники и электроники

Кафедра системного анализа и управления в медицинских системах

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Информатика»

Тема: «Классификация вычислительных сетей. Модель взаимодействия открытых систем. Универсальные программы обработки данных в числовом и аналитическом виде и решения расчетных задач»

Разработал(а) cтудент(ка) М. И. Данилов

Руководитель канд. техн. наук, доц. Ю. Е. Сумина

2015

Оглавление

• Введение
• Глава 1
• 1.1 Классификация вычислительных сетей
• 1.1.1 По территориальной распространенности
• 1.1.2 По скорости передачи
• 1.1.3 По типу среды передачи
• 1.1.4 Топологии компьютерных сетей
• 1.1.5 Одноранговые и иерархические сети
• 1.2 Модель взаимодействия открытых систем
• Глава 2. Универсальные программы обработки данных в числовом и аналитическом виде и решения расчетных задач
• 2.1 История создания MathCad
• 2.2 История версий MathCad
• 2.3 Системные требования
• 2.4 Программное обеспечение
• 2.5 Назначение
• 2.6 Интерфейс
• 2.7 Графика
• 2.8 Использование компонентов
• Заключение
• Список используемой литературы
• Введение
• Компьютеры появились в жизни человека не так уж давно, но почти любой человек может с твердой уверенностью сказать, что будущее - за компьютерными технологиями.

Процесс развития персонального компьютера движется с постоянно увеличивающимся ускорением, в связи с чем в ближайшем будущем компьютеры станут обязательным и незаменимым атрибутом любого предприятия, офиса и большинства квартир. Вхождение России в мировое информационное пространство влечет за собой широчайшее использование новейших информационных технологий, и в первую очередь, компьютерных сетей. При этом резко возрастают и качественно видоизменяются возможности пользователя как в деле оказания услуг своим клиентам, так и при решении собственных организационно-экономических задач.

Уместно отметить, что современные компьютерные сети являются системой, возможности и характеристики которой в целом существенно превышают соответствующие показатели простой суммы составляющих элементов сети персональных компьютеров при отсутствии взаимодействия между ними. За последние годы глобальная сеть Интернет превратилась в явление мирового масштаба.

Целью данной курсовой работы является знакомство с основами построения и функционирования компьютерных сетей, изучение организации работы компьютерных сетей. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

- знакомство с компьютерными сетями, выделение их особенностей и отличий; вычислительный компьютерный программа mathcad

- знакомство с эталонной моделью взаимодействия открытых систем;

- изучение программ обработки данных и программ для решения расчетных задач.

Глава 1

1.1 Классификация вычислительных сетей

Вычислительная (компьютерная) сеть - совокупность компьютеров и терминалов, соединенных с помощью каналов связи в единую систему, удовлетворяющую требованиям распределенной обработки данных.

Все многообразие компьютерных сетей можно классифицировать по группе признаков:

1) Территориальная распространенность;

2) Ведомственная принадлежность;

3) Скорость передачи информации;

4) Тип среды передачи;

5) Топология;

6) Организация взаимодействия компьютеров.

1.1.1 По территориальной распространенности

В зависимости от территориального расположения абонентских систем вычислительные сети можно разделить на три основных класса:

· глобальные сети(WAN - Wide Area Network);

· региональные сети(MAN - Metropolitan Area Network);

· локальные сети(LAN - Local Area Network).

Глобальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на различных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Глобальные вычислительные сети позволят решить проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к этим ресурсам. Глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых пользователей.

Региональная вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Она может включать абонентов внутри большого города, экономического региона, отдельной страны. Обычно расстояние между абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки - сотни километров.

Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной вычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному месту. К классу локальных вычислительных сетей относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов и т. д. Протяженность такой сети можно ограничить пределами 2-2,5 км. Локальные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью.

Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии. Они обеспечивают мощные, экономически целесообразные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам. Локальные вычислительные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональные сети - объединяться в составе глобальной сети и, наконец, глобальной сети могут также образовывать сложные структуры.

Персональные компьютеры, ставшие в настоящее время непременным элементом любой системы управления, привели к буму в области создания локальных вычислительных сетей. Это, в свою очередь, вызвало необходимость в разработки новых информационных технологий.

Ведомственная принадлежность

По принадлежности различают ведомственные и государственные сети.
Ведомственные принадлежат одной организации и располагаются на ее территории.

Государственные сети - сети, используемые в государственных структурах.

1.1.2 По скорости передачи

По скорости передачи информации компьютерные сети делятся на низко-, средне- и высокоскоростные.

· низкоскоростные (до 10 Мбит/с),

· среднескоростные (до 100 Мбит/с),

· высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с);

Для определения скорости передачи данных в сети широко используется бод.

Единица скорости передачи сигнала, измеряемая числом дискретных переходов или событий в секунду. Если каждое событие представляет собой один бит, бод эквивалентен бит/сек (в реальных коммуникациях это зачастую не выполняется).

1.1.3 По типу среды передачи

По типу среды передачи сети разделяются на:

o проводные (коаксиальные, на витой паре, оптоволоконные )

o беспроводные (с передачей информации по радиоканалам, в инфракрасном диапазоне).

1.1.4 Топологии компьютерных сетей

Введем определения.

Узел сети представляет собой компьютер, либо коммутирующее устройство сети. Способ соединения компьютеров в сеть называется её топологией.

Наиболее распространенные виды топологий сетей:

Таблица 1 - Виды топологии сетей

Кольцевая сеть	Сеть, в которой каждая рабочая станция соединяется с двумя другими рабочими станциями, образуя кольцо. Как правило, данные передаются в одном направлении.
Звездообразная сеть	Каждый компьютер при топологии «звезда» подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратор, который находятся в центре сети. В функцию концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем компьютерам сети
Общая шина	В этом случае компьютеры подключаются к единому кабелю. Передавая, информация может распространяться обе стороны. В такой топологии все станции прослушивают все сообщения в кабели.
Древовидная сеть	Топология «дерево» является более сложной реализацией топологии «звезда». Между двумя узлами существует только один маршрут. Для создания этой топологии необходим, чтобы концентраторы нижнего уровня подключались к концентраторам верхнего уровня.
Смешанная сеть	Характерна для крупных сетей. В таких сетях необходимо выделить отдельную произвольно связанную фрагменты, имеющие типовую топологию

1.1.5 Одноранговые и иерархические сети

С точки зрения организации взаимодействия компьютеров, сети делят на одноранговые (Peer-to-Peer Network) и с выделенным сервером (Dedicated Server Network).

Одноранговые сети. Все компьютеры одноранговой сети равноправны. Любой пользователь сети может получить доступ к данным, хранящимся на любом компьютере.

Достоинства одноранговых сетей:

1.Наиболее просты в установке и эксплуатации.

2.Операционные системы DOS и windows обладают всеми необходимыми функциями, позволяющими строить одноранговую сеть.

Недостатки:

В условиях одноранговых сетей затруднено решение вопросов защиты информации. Поэтому такой способ организации сети используется для сетей с небольшим количеством компьютеров и там, где вопрос защиты данных не является принципиальным.

Иерархические сети

В иерархической сети при установке сети заранее выделяются один или несколько компьютеров, управляющих обменом данных по сети и распределением ресурсов. Такой компьютер называют сервером. Любой компьютер, имеющий доступ к услугам сервера называют клиентом сети или рабочей станцией.

Сервер в иерархических сетях - это постоянное хранилище разделяемых ресурсов. Сам сервер может быть клиентом только сервера более высокого уровня иерархии. Поэтому иерархические сети иногда называются сетями с выделенным сервером.

Серверы обычно представляют собой высокопроизводительные компьютеры, возможно, с несколькими параллельно работающими процессорами, с винчестерами большой емкости, с высокоскоростной сетевой картой (100 Мбит/с и более).

Иерархическая модель сети является наиболее предпочтительной, так как позволяет создать наиболее устойчивую структуру сети и более рационально распределить ресурсы. Также достоинством иерархической сети является более высокий уровень защиты данных.

К недостаткам иерархической сети, по сравнению с одноранговыми сетями, относятся:

1.Необходимость дополнительной ОС для сервера.

2.Более высокая сложность установки и модернизации сети.

3. Необходимость выделения отдельного компьютера в качестве сервера.

Две технологии использования сервера

Различают две технологии использования сервера: технологию файл-сервера и архитектуру клиент-сервер.

В первой модели используется файловый сервер, на котором хранится большинство программ и данных. По требованию пользователя ему пересылаются необходимая программа и данные. Обработка информации выполняется на рабочей станции.

В системах с архитектурой клиент-сервер обмен данными осуществляется между приложением-клиентом (front-end) и приложением-сервером (back-end). Хранение данных и их обработка производится на мощном сервере, который выполняет также контроль за доступом к ресурсам и данным. Рабочая станция получает только результаты запроса. Разработчики приложений по обработке информации обычно используют эту технологию.

Использование больших по объему и сложных приложений привело к развитию многоуровневой, в первую очередь трехуровневой архитектуры с размещением данных на отдельном сервере базы данных (БД). Все обращения к базе данных идут через сервер приложений, где они объединяются.

1.2 Модель взаимодействия открытых систем

Открытая система - система, взаимодействующая с другими системами в соответствии с принятым стандартом. Эта модель представляет собой рекомендации для построения стандартов совместимых сетевых программных продуктов.

Современные сети построены по многоуровневому принципу. Сетевое взаимодействие компьютеров в сети описывается с помощью эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnect). Она была разработана в начале 80-х годов международной организацией по стандартизации ISO как архитектурная модель передачи информации по сети. Модель регламентирует взаимодействие локальных и глобальных сетей, создает основу для стандартизации программных и аппаратных средств. Такой подход обеспечивает возможности передачи информации между различными типами локальных и глобальных сетей, позволяет устройствам одного производителя взаимодействовать с устройствами других производителей. Не все разработчики сетевого оборудования и программного обеспечения в точности следуют этой модели, однако она дает основы для понимания способов взаимодействия сетевых компонент.

Модель описывает структуру уровней сети, каждый из которых обеспечивает выполнение определенной части сетевых функций при обмене данными между компьютерами. Модель подразделяет работающее оборудование и процессы, происходящие при объединении компьютеров в сеть, в соответствии с логикой их работы. Каждый из уровней выполняет свою специфическую задачу, тем самым, обеспечивая функционирование всей системы в целом.

Под открытыми системами в рассматриваемом контексте понимают локальные и глобальные сети, построенные на основе доступных для всех (открытых) правил и спецификаций. Стандарт описывает структуру самих открытых систем, требования к ним, их взаимодействие. Модель OSI состоит из семи уровней, каждый из которых представляет определенный этап процесса сетевой коммуникации. На каждом уровне действует протокол - набор правил и соглашений, регламентирующий обмен информацией по сети. Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизированных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет сервисы, предоставляемые данным уровнем соседнему уровню. В сущности, протокол и интерфейс выражают одно и то же понятие, но традиционно в сетях за ними закреплены разные области действия: протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы - модулей соседних уровней в одном узле. Средства каждого уровня должны обрабатывать, во-первых, свой собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями.

Компьютеры, участвующие в обмене, должны работать по одним и тем же протоколам, чтобы в результате передачи вся информация восстанавливалась в первоначальном виде. Сетевые протоколы управляют разными аспектами передачи информации: физической связью, доступом к различным ресурсам, разбиением передаваемого сообщения на пакеты, выбором маршрута для передачи данных, выявлением ошибок и др. Группы сходных протоколов, имеют имена, соответствующие уровню модели OSI, на котором работают: сетевой, транспортный и т.п.

Нормативы OSI описывают следующие моменты функционирования сети :

· взаимодействие сетевых устройств, в том числе устройств, использующих разные протоколы;

· принципы действия и способы физического соединения сетевых устройств;

· методы обеспечения правильности передачи данных;

· способы поддержания непрерывного потока данных в сетевых устройствах;

· способы представления данных в виде электрических сигналов при передаче по сетевой среде.

Многоуровневая структура используется для упрощения и упорядочения большого количества протоколов, создания сетевых систем из модулей программного обеспечения, выпущенных разными производителями. Цель нижестоящего уровня - предоставление услуг вышестоящему. Каждый уровень взаимодействует только с теми уровнями, которые находятся рядом с ним (выше и ниже него). Верхний уровень модели соответствует работающему в данный момент приложению, нижний - непосредственной передаче сигналов по каналу связи.

Потоки информации в модели организованы так, что каждый уровень предполагает, что он напрямую взаимодействует с одноименным уровнем другого узла. Между одноименными уровнями компьютеров сети существует виртуальная (логическая) связь. Реальную же, физическую связь (кабель, радиоканал) абоненты одной сети имеют только на самом нижнем, физическом уровне. В передающем компьютере информация проходит все уровни, начиная с верхнего и заканчивая нижним. В принимающем компьютере полученная информация совершает обратный путь: от нижнего уровня к верхнему.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов .

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней - как правило, чисто программными средствами.

Согласно модели, средства взаимодействия делятся на семь уровней:

Ш прикладной ( HTTP,FTP,SMTP) - обеспечивает поддержку прикладных процессов конечных пользователей и определяет уровень прикладных задач, реализуемых в данной ВС. Этот уровень содержит также все необходимые элементы сервиса для прикладных программ и некоторые задачи сетевой операционной среды;

Ш представительный (ASCII,EBCDIC,JPEG) - определяет синтаксис данных в модели, т.е. представление данных. Он гарантирует представление данных в кодах и форматах, принятых в системе. Этот уровень может быть объединен с прикладным;

Ш сеансовый (RPC, PAP) - реализует управление и поддержку сеанса связи между двумя абонентами через коммуникационную сеть. Сеансовый уровень поддерживает и завершает сеанс связи;

Ш транспортный (TCP, UDP,SCTP) - обеспечивает взаимодействие между процессами и сетью. Он устанавливает логические каналы между процессами и обеспечивает передачу по этим каналам информационных пакетов, которыми обмениваются процессы. Пакет - это группа байтов, передаваемых абонентами;

Ш сетевой (IPv4, IPv6,IPsec,AppleTalk) - определяет интерфейс оконечного оборудования данных пользователя с сетью коммуникации пакетов. Он также отвечает за маршрутизацию пакетов в коммуникационной сети и за связь между сетями - реализует межсетевое взаимодействие;

Ш канальный (PPP, IEEE 802.2,L2TP, ARP) - реализует процесс передачи информации по информационному каналу. Информационный канал - логический канал, устанавливаемый между двумя ЭВМ, соединенными физическим каналом. Канальный уровень обеспечивает управление потоками данных в виде кадров, в которые упаковываются информационные пакеты, обнаруживает ошибки передачи и реализует алгоритмы восстановления информации в случае обнаружения сбоев или потерь данных;

Ш физический (DSL, USB,Ethernet) - выполняет все необходимые процедуры в канале связи. Его основная задача - управление аппаратурой передачи данных и подключенными к ней каналами связи.

Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств. Взаимодействие компонентов модели OSI можно проиллюстрировать на следующем примере. Пусть приложение обращается с запросом к прикладному уровню, например к файловой службе. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата. Обычное сообщение состоит из заголовка и поля данных. Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо передать через сеть прикладному уровню машины-адресата, чтобы сообщить ему, какую работу надо выполнить. В рассматриваемом случае заголовок должен содержать служебную информацию о месте нахождения файла и о типе операции, которую необходимо над ним выполнить. Поле данных сообщения может быть пустым или содержать данные, которые необходимо записать в удаленный файл. Для того чтобы доставить эту информацию по назначению, необходимо пройти ряд этапов, выполняемых нижележащими уровнями.

После формирования сообщения прикладной уровень направляет его вниз по стеку представительному уровню. Протокол представительного уровня на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию - заголовок представительного уровня, в котором содержатся указания для протокола представительного уровня машины-адресата. Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок, и т.д. Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который собственно и передает его по линиям связи машине-адресату. К этому моменту к сообщению добавлены заголовки и концевики всех уровней.

Когда сообщение по сети поступает на компьютер-адресат, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок со служебной информацией своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню.

Физический уровень описывает физические среды передачи данных (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель), преобразует данные в передаваемый сигнал (биты), соответствующий среде. Этот уровень распознает физическую структуру сети, учитывает характеристики физических сред: полосу пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие, определяет уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта. Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером.

Одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи в том случае, если используются разделяемые линии связи. Другой задачей является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames), содержащие поля с адресной и управляющей информацией. Фрейм содержит признак начала кадра, адрес устройства или передающего узла, отправляющего кадр ( адрес источника), адрес устройства или принимающего узла, получающего кадр (адрес назначения), управляющую информацию для контроля коммуникационного процесса, данные, информацию для обнаружения ошибок (контрольные данные), трейлер (концевик) или признак конца кадра. Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность битов в начало и конец каждого кадра. При этом путем обработки всех байтов кадра вычисляется контрольная сумма и добавляется к нему. Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальные уровни двух устройств связаны логически благодаря используемым протоколам. Протоколы канального уровня обеспечивают доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети той топологии, для которой они разработаны. Они используются компьютерами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются сетевыми адаптерами. Они реализуют различные протоколы локальных сетей, в зависимости от этого делятся на адаптеры Ethernet, Token Ring, FDDI и т.д.

Канальный уровень содержит два важных подуровня: более высокий - управление логическим соединением (logical link control, LLC) и более низкий - протокол управления доступом к передающей среде (media access control, MAC). Подуровень LLC обеспечивает надежность коммуникаций путем установки канала передачи данных между двумя узлами поддержки устойчивости этого канала. Подуровень MAC распознает физический адрес (адрес устройства), называемый MAC-адресом, содержащийся в каждом кадре. Например, на каком-либо компьютере подуровень МАС проверяет каждый кадр, поступающий на него, и передает его более высокому уровню только в том случае, если адрес совпадает. В противном случае кадр отбрасывается.

Для обеспечения качественной транспортировки сообщений в сетях любых топологий и технологий возможностей канального уровня оказывается недостаточно, поэтому в модели OSI решение этой задачи возлагается на два следующих уровня - сетевой и транспортный.

Сетевой уровень служит для доставки данных между сетями, которые могут использовать различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей, например, отличаться технологией. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны. Одной из главных является задача выбора наилучшего пути передачи сообщений между сетями - задача маршрутизации . Выбор маршрута может осуществляться как по суммарной длине пути передачи, так и по другим критериям, например надежности передачи. Решаются также задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и защита от нежелательного трафика между сетями.

На сетевом уровне определяется два вида протоколов: сетевые (routed protocols), реализующие продвижение пакетов через сеть, и протоколы маршрутизации (routing protocols) . Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Транспортный уровень обеспечивает приложениям или верхним уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса , предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное - способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается самими приложениями и протоколами более высоких, чем транспортный, уровней, а с другой стороны, этот выбор зависит от того, насколько надежной является система транспортировки данных в сети, обеспечиваемая уровнями, расположенными ниже транспортного - сетевым, канальным и физическим. Так, например, если качество каналов передачи связи очень высокое и вероятность возникновения ошибок, не обнаруженных протоколами более низких уровней, невелика, то целесообразно использовать один из более простых сервисов транспортного уровня, не предусматривающих проверки правильности доставки пакетов, квитирование и другие способы повышения надежности. Протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети - компонентами их сетевых операционных систем

Нижние уровни модели OSI решают транспортные задачи. Их так и называют - транспортной подсистемой. Эти уровни реализуются в виде аппаратных средств и программного обеспечения. Три верхних уровня работают с приложениями. Процессы, протекающие на уровне пользователя и приложения, взаимодействуют с коммуникационными компонентами прикладного программного обеспечения.

Сеансовый уровень обеспечивает управление сеансом обмена данными: фиксирует, какая из сторон является активной в текущий момент, предоставляет средства синхронизации, передает запросы и сообщения приложений, находящихся на разных компьютерах. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Уровень представления связан с формой передаваемой по сети информации, содержание остается неизменным. Средства этого уровня позволяют протоколам прикладного уровня преодолеть различия в представлении текста, данных или кодах символов, например кодов ASCII. Функции уровня гарантируют, что информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, будет прочитана прикладным уровнем другой системы. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому обеспечивается секретность обмена данными, а также сжатие, распаковка, кодирование. Примером одного из протоколов является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня.

Глава 2. Универсальные программы обработки данных в числовом и аналитическом виде и решения расчетных задач

Вычислительная мощь компьютера позволяет использовать его как средство автоматизации научной работы. Для решения специализированных расчетных задач используют программы, написанные специально. Так же в научной работе встречается широкий спектр задач ограниченной сложности, для решения которых можно использовать универсальные средства, например:

a) подготовка научно-технических документов, содержащих текст и формулы, записанные в привычной для специалистов форме;

b) вычисление результатов математических операций, в которых участвуют числовые константы, переменные и размерные физические величины;

c) решение уравнений и систем уравнений (неравенств);

d) статистические расчеты и анализ данных;

e) построение двумерных и трехмерных графиков;

f) тождественные преобразования выражений (в том числе упрощение), аналитическое решение уравнений и систем;

g) дифференцирование и интегрирование, аналитическое и численное;

h) решение дифференциальных уравнений;

i) проведение серий расчетов с разными значениями начальных условий и других параметров.

К универсальным программам, пригодным для решения таких задач, относится, например, программа MathCad, которая представляет собой автоматизированную систему, позволяющую динамически обрабатывать данные в числовом и аналитическом (формульном) виде.

MathCad - система компьютерной алгебры из класса систем автоматизированного проектирования, ориентированная на подготовку интерактивных документов с вычислениями и визуальным сопровождением, отличается лёгкостью использования и применения для коллективной работы.

2.1 История создания MathCad

Mathcad был задуман и первоначально написан Алленом Раздовом из Массачусетского технологического института (MIT), соучредителем компании Mathsoft, которая с 2006 года является частью корпорации PTC (Parametric Technology Corporation).

Mathcad имеет интуитивный и простой для использования интерфейс пользователя. Для ввода формул и данных можно использовать как клавиатуру, так и специальные панели инструментов.

Некоторые из математических возможностей Mathcad (версии до 13.1 включительно) основаны на подмножестве системы компьютерной алгебры Maple (MKM, Maple Kernel Mathsoft). Начиная с 14 версии -- использует символьное ядро MuPAD.

Работа осуществляется в пределах рабочего листа, на котором уравнения и выражения отображаются графически, в противовес текстовой записи в языках программирования. При создании документов-приложений используется принцип WYSIWYG (What You See Is What You Get -- «что видишь, то и получаешь»).

Несмотря на то, что эта программа, в основном, ориентирована на пользователей-непрограммистов, Mathcad также используется в сложных проектах, чтобы визуализировать результаты математического моделирования путём использования распределённых вычислений и традиционных языков программирования. Также Mathcad часто используется в крупных инженерных проектах, где большое значение имеет трассируемость и соответствие стандартам.

Mathcad достаточно удобно использовать для обучения, вычислений и инженерных расчетов. Открытая архитектура приложения в сочетании с поддержкой технологий .NET и XML позволяют легко интегрировать Mathcad практически в любые ИТ-структуры и инженерные приложения. Есть возможность создания электронных книг (e-Book).Количество пользователей в мире -- около 1.8 млн.

2.2 История версий MathCad

· Mathcad 1.0

· Mathcad 6

· Mathcad 7

· Mathcad 8

· Mathcad 2000 (версия 9)

· Mathcad 2001 (версия 10)

· Mathcad 2001i («интерактивный»)

· Mathcad 11-11.2a

· Mathcad 12

· Mathcad 13-13.1

· Mathcad 14

· Mathcad 15

· Mathcad Prime 1.0

· Mathcad Prime 2.0

· Mathcad Prime 3.0

2.3 Системные требования

· Процессор: 32-битный или 64-битный (x86-64, EM64T) с тактовой частотой 400 МГц или выше (рекомендуется 700 МГц).

· 256 МБ оперативной памяти (рекомендуется 512 Мб).

· 1,75 Гб свободного дискового пространства (350 Мб для Mathcad, 1,4 Гб для временных файлов во время установки).

· Графическая карта SVGA или выше.

· Монитор XGA с разрешением 1024Ч768 (или выше) c 24-битными (или больше) цветами.

· Мышь или другое совместимое указывающее устройство.

2.4 Программное обеспечение

§ Операционная система: Windows XP (SP1, SP2, SP3), Windows Vista (SP1), Windows 7 или Windows XP x64 (SP2), Windows Vista x64 (SP1), Windows 7 x64, Windows 8

§ Microsoft .NET Framework 3.5

§ MSXML 4.0 SP2

§ Microsoft Data Access Components 2.8

§ Internet Explorer 5.0

2.5 Назначение

Mathcad относится к системам компьютерной алгебры, то есть средств автоматизации математических расчетов. В этом классе программного обеспечения существует много аналогов различной направленности и принципа построения. Наиболее часто Mathcad сравнивают с такими программными комплексами, как Maple, Mathematica, MATLAB, а также с их аналогами MuPAD, Scilab, Maxima и др. Впрочем, объективное сравнение осложняется в связи с разным назначением программ и идеологией их использования.

Система Maple, например, предназначена главным образом для выполнения аналитических (символьных) вычислений и имеет для этого один из самых мощных в своем классе арсенал специализированных процедур и функций (более 3000). Такая комплектация для большинства пользователей, которые сталкиваются с необходимостью выполнения математических расчетов среднего уровня сложности, является избыточной. Возможности Maple ориентированы на пользователей -- профессиональных математиков; решения задач в среде Maple требуют не только умения оперировать какой-либо функции, но и знания методов решения, в неё заложенных: во многих встроенных функциях Maple фигурирует аргумент, задающий метод решения.

То же самое можно сказать и о Mathematica. Это одна из самых мощных систем, имеет чрезвычайно большую функциональную наполненность (есть даже синтезирование звука). Mathematica обладает высокой скоростью вычислений, но требует изучения довольно необычного языка программирования.

Разработчики Mathcad сделали ставку на расширение системы в соответствии с потребностями пользователя. Для этого назначены дополнительные библиотеки и пакеты расширения, которые можно приобрести отдельно и которые имеют дополнительные функции, встраиваемые в систему при установке, а также электронные книги с описанием методов решения специфических задач, с примерами действующих алгоритмов и документов, которые можно использовать непосредственно в собственных расчетах. Кроме того, в случае необходимости и при условии наличия навыков программирования в C, есть возможность создания собственных функций и их прикрепления к ядру системы через механизм DLL.

Mathcad, в отличие от Maple, изначально создавался для численного решения математических задач, он ориентирован на решение задач именно прикладной, а не теоретической математики, когда нужно получить результат без углубления в математическую суть задачи. Впрочем, для тех, кому нужны символьные вычисления и предназначено интегрированное ядро Maple (с версии 14 -- MuPAD). Особенно это полезно, когда речь идет о создании документов образовательного назначения, когда необходимо продемонстрировать построение математической модели, исходя из физической картины процесса или явления. Символьное ядро Mathcad, в отличие от оригинального Maple (MuPAD), искусственно ограничено (доступно около 300 функций), но этого в большинстве случаев вполне достаточно для решения задач инженерного характера.

Более того, опытные пользователи Mathcad обнаружили, что в версиях до 13 включительно есть возможность не слишком сложным способом задействовать почти весь функциональный арсенал ядра Maple (так называемые «недокументированные возможности»), что приближает вычислительную мощность Mathcad к Maple.

2.6 Интерфейс

Основное отличие Mathcad от аналогичных программ -- это графический, а не текстовый режим ввода выражений. Для набора команд, функций, формул можно использовать как клавиатуру, так и кнопки на многочисленных специальных панелях инструментов. В любом случае -- формулы будут иметь привычный, аналогичный книжному, вид. То есть особой подготовки для набора формул не нужно. Вычисления с введенными формулами осуществляются по желанию пользователя: или мгновенно, одновременно с набором, либо по команде. Обычные формулы вычисляются слева направо и сверху вниз (подобно чтению текста). Любые переменные, формулы, параметры можно изменять, наблюдая воочию соответствующие изменения результата. Это дает возможность организации действительности интерактивных вычислительных документов.

В других программах (Maple, MuPAD, Mathematica) вычисления осуществляются в режиме программного интерпретатора, который трансформирует в формулы введенные в виде текста команды. Maple своим интерфейсом ориентирован на тех пользователей, кто уже имеет навыки программирования в среде традиционных языков с введением сложных формул в текстовом режиме. Для пользования Mathcad можно вообще не быть знакомым с программированием в том или ином виде.

Mathcad задумывался как средство программирования без программирования, но, если возникает такая потребность -- Mathcad имеет довольно простые для усвоения инструменты программирования, позволяющие, впрочем, строить весьма сложные алгоритмы, к чему прибегают, когда встроенных средств решения задачи не хватает, а также когда необходимо выполнять серийные расчёты.

Отдельно следует отметить возможность использования в расчетах Mathcad величин с размерностями, причём можно выбрать систему единиц: СИ, СГС, МКС, английскую, или построить собственную. Результаты вычислений, разумеется, также получают соответствующую размерность. Пользу от такой возможности трудно переоценить, поскольку значительно упрощается отслеживание ошибок в расчетах, особенно в физических и инженерных

2.7 Графика

В среде Mathcad фактически нет графиков функций в математическом понимании термина, а есть визуализация данных, находящихся в векторах и матрицах (то есть осуществляется построение как линий, так и поверхностей по точкам с интерполяцией), хотя пользователь может об этом и не знать, поскольку у него есть возможность использования непосредственно функций одной или двух переменных для построения графиков или поверхностей соответственно. Так или иначе, механизм визуализации Mathcad значительно уступает таковому у Maple, где достаточно иметь только вид функции, чтобы построить график или поверхность любого уровня сложности. По сравнению с Maple, графика Mathcad имеет ещё такие недостатки, как: невозможность построения поверхностей, заданных параметрически, с непрямоугольной областью определения двух параметров; создание и форматирование графиков только через меню, что ограничивает возможности программного управления параметрами графики.

Однако следует помнить об основной области применения Mathcad -- для задач инженерного характера и создания учебных интерактивных документов возможностей визуализации вполне достаточно. Опытные пользователи Mathcad демонстрируют возможность визуализации сложнейших математических конструкций, но объективно это уже выходит за рамки назначения пакета.

Взаимодействие с другими программами

Mathcad интегрируется с программами SmartSketch, VisSim/ Comm PE, Pro/ENGINEER.

Приложение SmartSketch позволяет инженерам, дизайнерам, архитекторам, чертежникам, системным и сетевым администраторам работать с точными чертежами и графиками.

VisSim/Comm PE --это Windows-приложение для моделирования аналоговых, цифровых или смешанных систем сообщения на сигнальном или физическом уровне.

2.8 Использование компонентов

В документах-программах Mathcad есть возможность вставки модулей (component) других приложений для расширения возможностей визуализации, анализа данных, выполнение специфических вычислений.

Для расширенной визуализации данных предназначен компонент Axum Graph. Для работы с табличными данными -- Microsoft Excel.

Компоненты Data Acquisition, ODBC Input позволяют пользоваться внешними базами данных.

Предлагаются также бесплатные модули (add-in) для интеграции Mathcad с программами Excel, AutoCAD.

Для статистического анализа предназначен компонент Axum S-PLUS Script.

Значительное расширение возможностей пакета достигается при интеграции со сверхмощным приложением MATLAB.

Заключение

Сегодня вычислительные сети продолжают развиваться, причем достаточно быстро. Разрыв между локальными и глобальными сетями постоянно сокращается во многом из-за появления высокоскоростных территориальных каналов связи, не уступающих по качеству кабельным системам локальных сетей. В глобальных сетях появляются службы доступа к ресурсам, такие же удобные и прозрачные, как и службы локальных сетей. Подобные примеры в большом количестве демонстрирует самая популярная глобальная сеть - Internet. Для решения задач все чаще используются компьютеры.

Изменяются и локальные сети. Вместо соединяющего компьютеры пассивного кабеля в них в большом количестве появилось разнообразное коммуникационное оборудование - коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы. Благодаря такому оборудованию появилась возможность построения больших корпоративных сетей, насчитывающих тысячи компьютеров и имеющих сложную структуру. Возродился интерес к крупным компьютерам - в основном из-за того, что после спада эйфории по поводу легкости работы с персональными компьютерами выяснилось, что системы, состоящие из сотен серверов, обслуживать сложнее, чем несколько больших компьютеров. Поэтому на новом витке эволюционной спирали мэйнфреймы стали возвращаться в корпоративные вычислительные системы, но уже как полноправные сетевые узлы, поддерживающие Ethernet.

Список используемой литературы

1.Александер,Б. Руководство по технологиям объединенных сетей/ Б. Александер, Т. Аллен, М. Карлинг, -4 издание- :Вильямс,2005.-1040с.

2.Герасименко, В.Г. Учебное пособие / В.Г. Герасименко, Нестеровский И.П.- В. : ВГТУ ,1998.-124с.

3.Камалян ,А.К. Компьютерные сети и средства защиты информации / Камалян А.К., Кулев С.А., Назаренко К.Н. -В :ВГАСУ, 2003.-119с.

4. Курносов, А.П. Практикум по информатике/ А.П. Курносов В: ВГАСУ, 2001.- 173 с.

5.Макарова,Н.В. Информатика: Учебник для высших учебных заведений / Под ред. Н.В.Макаровой.- М.: Финансы и статистика, 2000.-203 с.

6.Малышев, Р.А. Локальные вычислительные сети: Учебное пособие/ РГАТА. - Рыбинск, 2005. - 83 с.

7. Олифер, В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы /В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. - СПб.: Питер, 2002.- 672 с

8. Симонович, С.В.Информатика. Базовый курс/ С.В. Симонович и др. -- СПб.: издательство "Питер", 2000. -- 640 с.

9.Филимонов,А.Построение мультисервисных сетей Ethernet/А.Филимонов-М.:BHV,2007.-592с.

10.Хомоненко,А.Д. Основы современных компьютерных технологий / Под ред. А.Д. Хомоненко.- СПб.: Корона-принт, 2011.- 448с.

Размещено на Allbest.ru

...