Этапы моделирования. Создание моделей

Процесс решения задач осуществляется в несколько этапов:
Содержательная постановка задачи. Вначале нужно осознать задачу, четко сформулировать ее. При этом определяются также объекты, которые относятся к решаемой задаче, а также ситуация, которую нужно реализовать в результате ее решения. Это - этап содержательной постановки задачи. Для того, чтобы задачу можно было описать количественно и использовать при ее решении вычислительную технику, нужно произвести качественный и количественный анализ объектов и ситуаций, имеющих к ней отношение. При этом сложные объекты, разбиваются на части (элементы), определяются связи этих элементов, их свойства, количественные и качественные значения свойств, количественные и логические соотношения между ними, выражаемые в виде уравнений, неравенств и т.п. Это - этап системного анализа задачи, в результате которого объект оказывается представленным в виде системы.
Следующим этапом является математическая постановка задачи, в процессе которой осуществляется построение математической модели объекта и определение методов (алгоритмов) получения решения задачи. Это - этап системного синтеза (математической постановки) задачи. Следует заметить, что на этом этапе может оказаться, что ранее проведенный системный анализ привел к такому набору элементов, свойств и соотношений, для которого нет приемлемого метода решения задачи, в результате приходится возвращаться к этапу системного анализа. Как правило, решаемые в практике задачи стандартизованы, системный анализ производится в расчете на известную математическую модель и алгоритм ее решения, проблема состоит лишь в выборе подходящего метода.
Следующим этапом является разработка программы решения задачи на ЭВМ. Для сложных объектов, состоящих из большого числа элементов, обладающих большим числом свойств, может потребоваться составление базы данных и средств работы с ней, методов извлечения данных, нужных для расчетов. Для стандартных задач осуществляется не разработка, а выбор подходящего пакета прикладных программ и системы управления базами данных.
На заключительном этапе производится эксплуатация модели и получение результатов.

Таким образом, решение задачи включает следующие этапы:
1. Содержательная постановка задачи.
2. Системный анализ.
3. Системный синтез (математическая постановка задачи)
4. Разработка или выбор программного обеспечения.
5. Решение задачи.

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ.

В зависимости от вида передаваемых данных телекоммуникационные сети делятся на:
- аналоговые сети;
- цифровые сети.
К современным телекоммуникационным сетям предъявляются два основных требования:
- интеграция - возможность передачи в сети данных разных типов (неоднородного трафика), предъявляющих разные требования к качеству передачи;
- высокие скорости передачи за счет использования широкополосных каналов связи (построения широкополосных сетей передачи данных).
В зависимости от назначения в структуре современных телекоммуникационных сетей выделяют несколько уровней иерархии :
- абонентские сети, представляющие собой домашние, офисные и корпоративные сети на основе LAN или WAN;
- сети доступа, объединяющие потоки от нескольких абонентских сетей в единый поток, направляемый в магистральную сеть;
- магистральная сеть, представляющая собой высокоскоростную широкополосную сеть на основе первичных транспортных сетей (волоконно-оптических, спутниковых и т.д.).

Каналы электросвязи.

Да, как это ни тривиально, для осуществления дистанционной связи требуются каналы. По принципу действия таковые делятся на следующие категории:

Симплексные, передающие что-либо, но ничего не принимающие в ответ.То есть, односторонние. Сюда относятся радио и телевидение.

Полудуплексные, способные передавать и принимать по очереди. Например, рации.

Дуплексные, умеющие передавать и принимать одновременно. Пример — телефон.

Чтобы в один физический канал внести несколько линий передачи, применяется мультиплексирование — разделение оных линий по частоте, по способу кодирования,по времени, по длине волны (по спектру). Пример — синхронная трансляция аудио и видео.

По реализации каналы связи делятся на:

1. беспроводные(радиосвязь);

2. оптоволоконные;

3. проводные.

Спутниковые, естественно, относятся к беспроводным. То бишь, к радиоканалам.

По среде размещения и существования, кроме космических, каналы бывают подводными (межконтинентальные кабели на дне океана), подземными (зарытые кабели), наземными (столбы с проводами) и воздушными (радиоволны). По применяемой технологии — непрерывными и дискретными

Виды сетей

Телекоммуникационные сети по своему масштабу делятся на три основных

Каналы электросвязи

Полудуплексные, способные передавать и принимать по очереди.Например, рации.

Дуплексные, умеющие передавать и принимать одновременно. Сам собой напрашивается пример — телефон. Кстати, касаемо радиосвязи, такой режим называется именно телефонным.

По реализации каналы связи делятся на:

1. беспроводные(радиосвязь);

2. оптоволоконные;

3. проводные.

Спутниковые, естественно, относятся к беспроводным. То бишь, к радиоканалам.

Виды сетей

Телекоммуникационные сети по своему масштабу делятся на три основных вида:

Локальные, обозначаемые как Local Area Network (LAN). Абоненты находятся на небольшом расстоянии, до десяти (от силы пятнадцати) километров друг от друга. Максимум — сеть WiMAX с передатчиком на крыше высокого здания,обслуживающая пару районов города.

Региональные, они же Metropolitan Area Network (MAN), связывают абонентов огромного города или даже страны.

Глобальные, Wide Area Network (WAN), охватывают страны и континенты. Это спутниковая связь, радиосвязь, телефонные сети и, естественно, интернет.

Классификация по принципу передачи данных такова:

Последовательные сети, с ретрансляцией, когда информация движется от одного узла к другому по цепочке.

Широковещательные сети, без ретрансляции, когда один узел (в компьютерных системах — какой-нибудь концентратор) что-то отправляет всем абонентам.

На практике полным-полно гибридных сетей, разветвлённых, расширенных и дополненных различными способами, в зависимости от конкретных потребностей, так что классификация весьма условная.

Сетевые компоненты

Существует множество сетевых устройств, которые можно использовать для создания, сегментирования и усовершенствования сети.

I. Сетевые карты
Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) - это периферийное устройство компьютера, непосредственно взаимодействующее со средой передачи данных, которая прямо или через другое коммуникационное оборудование связывает его с другими компьютерами. Это устройство решает задачи надежного обмена двоичными данными, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, по внешним линиям связи. Как и любой контроллер компьютера, сетевой адаптер работает под управлением драйвера операционной системы.

В большинстве современных стандартов для локальных сетей предполагается, что между сетевыми адаптерами взаимодействующих компьютеров устанавливается специальное коммуникационное устройство (концентратор, мост, коммутатор или маршрутизатор), которое берет на себя некоторые функции по управлению потоком данных.

Сетевой адаптер обычно выполняет следующие функции:

• Оформление передаваемой информации в виде кадра определенного формата. Кадр включает несколько служебных полей, среди которых имеется адрес компьютера назначения и контрольная сумма кадра.

• Получение доступа к среде передачи данных. В локальных сетях в основном применяются разделяемые между группой компьютеров каналы связи (общая шина, кольцо), доступ к которым предоставляется по специальному алгоритму (наиболее часто применяются метод случайного доступа или метод с передачей маркера доступа по кольцу).

• Кодирование последовательности бит кадра последовательностью электрических сигналов при передаче данных и декодирование при их приеме. Кодирование должно обеспечить передачу исходной информацию по линиям связи с определенной полосой пропускания и определенным уровнем помех таким образом, чтобы принимающая сторона смогла распознать с высокой степенью вероятности посланную информацию.

• Преобразование информации из параллельной формы в последовательную и обратно. Эта операция связана с тем, что в вычислительных сетях информация передается в последовательной форме, бит за битом, а не побайтно, как внутри компьютера.

• Синхронизация битов, байтов и кадров. Для устойчивого приема передаваемой информации необходимо поддержание постоянного синхронизма приемника и передатчика информации.

Сетевые адаптеры различаются по типу и разрядности используемой в компьютере внутренней шины данных - ISA, EISA, PCI, MCA.

Сетевые адаптеры различаются также по типу принятой в сети сетевой технологии - Ethernet, Token Ring, FDDI и т.п. Как правило, конкретная модель сетевого адаптера работает по определенной сетевой технологии (например, Ethernet).

В связи с тем, что для каждой технологии сейчас имеется возможность использования различных сред передачи, сетевой адаптер может поддерживать как одну, так и одновременно несколько сред. В случае, когда сетевой адаптер поддерживает только одну среду передачи данных, а необходимо использовать другую, применяются трансиверы и конверторы.

Трансивер (приемопередатчик, transmitter+receiver) - это часть сетевого адаптера, его оконечное устройство, выходящее на кабель. В вариантах Ethernet'а оказалось удобным выпускать сетевые адаптеры с портом AUI, к которому можно присоединить трансивер для требуемой среды.

Вместо подбора подходящего трансивера можно использовать конвертор, который может согласовать выход приемопередатчика, предназначенного для одной среды, с другой средой передачи данных (например, выход на витую пару преобразуется в выход на коаксиальный кабель).

II. Повторители и усилители.
Как говорилось ранее, сигнал при перемещении по сети, ослабевает. Чтобы предотвратить это ослабление, можно использовать повторители и (или) усилители, которые усиливают сигнал, проходящий через них.

Повторители (repeater) используются в сетях с цифровым сигналом для борьбы с затуханием (ослаблением) сигнала. Когда репитер получает ослабленный сигнал, он очищает этот сигнал, усиливает и посылает следующему сегменту.

Усилители (amplifier), хоть и имеют схожее назначение, используются для увеличения дальности передачи в сетях, использующих аналоговый сигнал. Это называется широкополосной передачей. Носитель делится на несколько каналов, так что разные частоты могут передаваться параллельно.

Обычно сетевая архитектура определяет максимальное количество повторителей, которые могут быть установлены в отдельной сети. Причиной этого является феномен, известный как «задержка распространения». Период, требуемый каждому повторителю для очистки и усиления сигнала, умноженный на число повторителей, может приводить к заметным задержкам передачи данных по сети.

III. Концентраторы
Концентратор (HUB) представляет собой сетевое устройство, действующее на физическом уровне сетевой модели OSI, служащее в качестве центральной точки соединения и связующей линии в сетевой конфигурации «звезда».

Существует три основных типа концентраторов:

• пассивные (passive);

• активные (active);

• интеллектуальные (intelligent).

Пассивные концентраторы не требуют электроэнергии и действуют как физическая точка соединения, ничего не добавляя к проходящему сигналу).

Активные требуют энергию, которую используют для восстановления и усиления сигнала.

Интеллектуальные концентраторы могут предоставлять такие сервисы, как переключение пакетов (packet switching) и перенаправление трафика (traffic riuting).

IV. Мосты
Мост (bridge) представляет собой устройство, используемое для соединения сетевых сегментов. Мосты можно рассматривать как усовершенствование повторителей, так как они уменьшают загрузку сети: мосты считывают адрес сетевой карты (MAC address) компьютера-получателя из каждого входящего пакета данных и просматривают специальные таблицы, чтобы определить, что делать с пакетом.

Мост функционирует на канальном уровне сетевой модели OSI.

Мост функционирует как повторитель, он получает данные из любого сегмента, но он более разборчив, чем повторитель. Если получатель находится в том же физическом сегменте, что и мост, то мост знает, что пакет больше не нужен. Если получатель находится в другом сегменте, мост знает, что пакет надо переслать.

Эта обработка позволяет уменьшить загрузку сети, поскольку сегмент не будет получать сообщений, которые к нему не относятся.

Мосты могут соединять сегменты, которые используют разные типы носителей (10BaseT, 10Base2), а также с разными схемами доступа к носителю (Ethernet, Token Ring).

V. Маршрутизаторы
Маршрутизатор (router) представляет собой сетевое коммуникационное устройство, работающее на сетевом уровне сетевой модели, и может связывать два и более сетевых сегментов (или подсетей).

Он функционирует подобно мосту, но для фильтрации трафика он использует не адрес сетевой карты компьютера, а информацию о сетевом адресе, передаваемую в относящейся к сетевому уровню части пакета.

После получения этой информации маршрутизатор использует таблицу маршрутизации, чтобы определить, куда направить пакет.

Существует два типа маршрутизирующих устройств: статические и динамические. Первые используют статическую таблицу маршрутизации, которую должен создавать и обновлять сетевой администратор. Вторые – создают и обновляют свои таблицы сами.

Маршрутизаторы могут уменьшить загрузку сети, увеличить пропускную способность, а также повысить надежность доставки данных.

Маршрутизатором может быть как специальное электронное устройство, так и специализированный компьютер, подключенный к нескольким сетевым сегментам с помощью нескольких сетевых карт.

Он может связывать несколько небольших подсетей, использующих различные протоколы, если используемые протоколы поддерживают маршрутизацию. Маршрутизируемые сетевое обладают способностью перенаправлять пакеты данных в другие сетевые сегменты (TCP/IP, IPX/SPX). Не маршрутизируемый протокол – NetBEUI. Он не может работать за пределами своей собственной подсети.

VI. Шлюзы

Шлюз (gateway) представляет собой метод осуществления связи между двумя и более сетевыми сегментами. Позволяет взаимодействовать несходным системам в сети (Intel и Macintosh).

Другой функцией шлюзов является преобразование протоколов. Шлюз может получить протокол IPX/SPX, направленный клиенту, использующему протокол TCP/IP, на удаленном сегменте. Шлюз преобразует исходный протокол в требуемый протокол получателя.

Шлюз функционирует на транспортном уровне сетевой модели.

Типы сетевой топологии

Под топологией сети понимается описание ее физического расположения, то есть то, как компьютеры соединены в сети друг с другом и с помощью каких устройств входят в физическую топологию.

Существует четыре основных топологии:

• Bus (шина);

• Ring (кольцо);

• Star (звезда);

• Mesh (ячейка).

Шина

Физическая топология шина, именуемая также линейной шиной, состоит из единственного кабеля, к которому присоединены все компьютеры сегмента.

Сообщения посылаются по линии всем подключенным станциям вне зависимости от того, кто является получателем. Каждый компьютер проверяет каждый пакет в проводе, чтобы определить получателя пакета. Если пакет предназначен для другой станции, то компьютер отвергает его. Если пакет предназначен данному компьютеру, то он получит и обработает его.
Главный кабель шины, известный как магистраль, имеет на обоих концах заглушки (терминаторы) для предотвращения отражения сигнала. Обычно в сетях с шинной топологией используется два типа носителя: толстый и тонкий Ethernet.

Недостатки:

• трудно изолировать неполадки станции или другого сетевого компонента;

• неполадки в магистральном кабеле могут привести к выходу из строя всей сети.

Кольцо

Топология Ring (кольцо) используется в основном в сетях Token Ring и FDDI (волоконно-оптических).
В физической топологии «кольцо» линии передачи данных фактически образуют логическое кольцо, к которому подключены все компьютеры сети.

Доступ к носителю в кольце осуществляется посредством маркеров (token), которые пускаются по кругу от станции к станции, давая им возможность переслать пакет, если это нужно. Компьютер может посылать данные только тогда, когда владеет маркером.

Так как каждый компьютер при этой топологии является частью кольца, он имеет возможность пересылать любые полученные им пакеты данных, адресованные другой станции.

Недостатки:

• неполадки на одной станции могут привести к отказу всей сети;

• при переконфигурации любой части сети необходимо временно отключать всю сеть.

Звезда

В топологии Star (звезда) все компьютеры в сети соединены друг с другом с помощью центрального концентратора.

Все данные, которые посылает станция, направляются прямо на концентратор, который пересылает пакет в направлении получателя.

В этой топологии только один компьютер может посылать данные в конкретный момент времени. При одновременной попытке двух и более компьютеров переслать данные, все они получат отказ и будут вынуждены ждать случайный интервал времени, чтобы повторить попытку.

Эти сети лучше масштабируются, чем другие сети. Неполадки на одной станции не выводят из строя всю сеть. Наличие центрального концентратора облегчает добавление нового компьютера.

Недостатки:

• требует больше кабеля, чем остальные топологии;

• выход из строя концентратора выведет из строя весь сегмент сети.

Mesh

Топология Mesh (ячейка) соединяет все компьютеры попарно.
Сети Mesh используют значительно большее количество кабеля, чем другие топологии. Эти сети значительно труднее устанавливать. Но эти сети устойчивы к сбоям (способны работать при наличии повреждений).

Смешанные топологии

На практике существует множество комбинаций главных сетевых топологий. Рассмотрим основные из них.
- Смешанная топология Star Bus (звезда на шине) объединяет топологии Шина и Звезда
- Топология Star Ring (звезда на кольце) известна также под названием Star-wired Ring, поскольку сам концентратор выполнен как кольцо.
Эта сеть идентична топологии «звезда», но на самом деле концентратор соединен проводами как логическое кольцо.
Также как и в физическом кольце, в этой сети посылаются маркеры для определения порядка передачи данных компьютерами.
- Поскольку реализация настоящей топологии Mesh в крупных сетях может быть дорогой, сеть топологии Hybrid Mesh может предоставить некоторые из существенных преимуществ настоящей сети Mesh.
В основном применяется для соединения серверов, хранящих критически важные данные.

Современные телекоммуникационные системы обычно обслуживаются целыми семействами или стеками протоколов. Последние — это многоуровневые системы, в основе которых лежит разбиение, или декомпозиция, телекоммуникационных процессов, включая оборудование и программное обеспечение, на отдельные уровни (слои). В такой иерархической структуре каждый уровень обслуживается нижележащим и в свою очередь предоставляет сервисы следующему за ним уровню. Причем жизнеспособность всей конструкции зависит в первую очередь от согласованности их взаимодействия. Избыточность числа уровней столь же нежелательна, как и их недостаток. Ибо в первом случае возможно повторение части операций, а во втором — пропуск в модели существенных особенностей всей системы.

С понятием протокола тес-но связано понятие интерфейса. Часто их рассматривают как синонимы, однако иногда и различают. Так, программно-аппаратный комплекс, обслуживающий два смежных уровня в пределах одного узла, называют ин-терфейсом, а набор протоколов, отвечающий за взаимодействие двух одноименных уровней двух узлов, — протоколом. В широком смысле слова под интерфейсом по-нимают способ взаимодействия объектов, а в более конкретном, техническом, — параметры, процедуры и характеристики этого взаимодействия.

Понимая в целом суть декомпозиции, многие тем не менее считают многоуровневый подход сугубо формальным. Поэтому прежде, чем переходить к описанию семиуровневой модели открытых систем, семейства протоколов TCP/IP и других стеков протоколов, плодотворность примененияпринципа декомпозиции в связи имеет смысл проиллюстрировать на примере, в качестве которого рассмотрим систему передачи SDH.

Система SDH соответствует самому нижнему физическому уровню стеков протоколов OSI и TCP/IP, которые будут обсуждаться ниже, и представляет собой четырехуровневую иерархическую структуру, благодаря чему повреждения удается обнаружить с точностью до регенератора, избегая появления лавины сигналов. На двух рисунках на предыдущей странице приведены структурная схема линии SDH и ее многоуровневое представление.

Другой пример — эволюция подсистем сигнализации и передачи в телефонной связи. Напомним, любой состоявшийся телефонный разговор — это результат успешной работы подсистем сигнализации и передачи: первая отвечает за установление соединения, его удержание и рассоединение после отбоя, а вторая обеспечивает передачу голоса.

На ранних этапах развития связи эти подсистемы были подобны сиамским близнецам, но в дальнейшем неудобства такой слитности стали ощущаться все более явственно.

В эпоху аналоговых систем единственным способом организации подсистемы сигнализации была передача сигналов управления и взаимодействия, индивидуальных для каждого телефонного канала, в спектре частот того же канала. Передача осуществлялась по специальному выделенному каналу сигнализации — сначала в полосе частот самого телефонного канала (так называемая внутриполосная сигнализация), а затем вне ее, на частотах 3825 или 3850 Гц.

Причем каналы сигнализации могли быть только узкополосными, особенно при внутриполосной передаче, во избежание взаимных помех телефонного сигнала и канала сигнализации. Практически это выглядело так: в составе индивидуального оборудования каждого телефонного канала кроме преобразователей телефонного сигнала предусматривались гораздо более сложные дополнительные блоки передачи и приема канала сигнализации.

В результате проблема сигнализации превратилась в настоящий кошмар для связистов.

Ситуация улучшилась с переходом на цифровые системы передачи, когда удалось отказаться от индивидуальных устройств сигнализации для каждого телефонного канала и перейти на групповой принцип сигнализации для каждой группы из 24 каналов в системе Т-1 и 30 каналов в системе Е-1 (он получил название «сигнализация по выделенному каналу»). В качестве такого канала в системе передачи Е-1 выделен 16-й канальный интервал, по которому услуги сигнализации предоставляются для всех 30 телефонных каналов.

Однако, хотя в общих затратах на систему связи доля сигнализации уменьшилась, разделение подсистем передачи и сигнализации стало возможным только в системе ISDN, появление которой завершает переход к полностью цифровой сети в результате замены аналоговой абонентской линии на цифровую абонентскую линию DSL. Цифровизация всего соединения между абонентами позволила применить в системе ISDN новый принцип сигнализации, основанный на полном разделении подсистем передачи и сигнализации. Причем новая система сигнализации, получившая название Signaling System 7 (SS7), опирается на пакетную передачу.

Сигнализация в системе SS7 передается по специально выделенным цифровым каналам на скорос-ти 64 Кбит/c. Они образуют сеть сигнализации на базе пакетной передачи. Благодаря такому разделению систему сигнализации SS7 удалось реализовать в виде двух подсистем — подсистемы сетевой службы (Network Service Part) и подсистемы пользователя (User Part).

Многоуровневая архитектура протокола SS7 обеспечивает возможность автономной модернизации отдельных компонентов, а его универсальность позволяет реализовать самые разнообразные приложения, включая телефонию, передачу данных, сервисы ISDN, услуги для абонентов мобильной связи, а также функции сетевого управления и обслуживания.