Автоматические системы управления и связь

 

Стандарт  Х.75 применяется при рассмотрении процесса обмена информацией в международных  сетях связи с коммутацией  пакетов или взаимодействия в  сети передачи данных разных конфигураций как шлюз.

Стандарт  Х.25 используется при рассмотрении управления потоком сообщений и  контроля ошибок в сетях передачи данных. Он определяет правила взаимодействия между абонентским устройством  пользователя и аппаратурой образования  канала, с одной стороны, и узлами коммутации пакетов сети связи, с  другой стороны. Он реализуется за счёт трёх нижних уровней эталонной модели взаимодействия открытых систем. Например, на канальном уровне – протоколом HDLC, предназначенным для регламентирования процедуры управления линией, на физическом уровне – Х.21. Стандарты Х.400 и Х.25 реализуются в сети передачи данных специального назначения.

Стандарт  RS-232 для сетей передачи данных определяет состав и назначение цепей (линий), используемых при последовательном вводе (выводе) сообщений между аппаратурой передачи данных и оконечным оборудованием данных, а также технические требования к ним в соответствии со стандартами V.24 и V.28. Этот стандарт применяется для синхронной или асинхронной передачи данных по некоммутируемым и коммутируемым каналам связи.

Программное обеспечение автоматизированных систем выполняет координацию работы основных звеньев и элементов сети.

Сетевое программное  обеспечение подразделяется:

– на общее;

– системное;

– специальное.

Общее программное  обеспечение образуется из компонентов  базового программного обеспечения  отдельных компьютеров, входящих в  состав сети, и включает в себя операционные системы, системы автоматизации  программирования и системы технического обслуживания.

Системное программное  обеспечение представляет собой  комплекс программных средств, поддерживающих и координирующих взаимодействие всех ресурсов сети как единой системы.

Специальное программное обеспечение предназначено  для максимального удовлетворения пользователей программами часто  решаемых задач.  
Содержит прикладные программы пользователя, ориентированные на специфику его предметной области.

Ведущая роль в программном обеспечении принадлежит  операционным системам. Сетевая операционная система включает в себя набор  управляющих и обслуживающих  программ, которые создают условия  для распределения потоков заданий  между узлами автоматизированной системы, контроль работоспособности элементов  сети, защиту данных и вычислительных ресурсов от несанкционированного доступа, а также выполнения ряда других функций.

В большинство  сетевых операционных систем встроена поддержка протоколов TCP/IP, IPX/SPX, NetBEUT.

Протоколы  TCP/IP ввиду высокой надёжности управления сетью и универсальности в части используемых компьютеров и операционных систем являются базовыми протоколами для сети Интернет.

Отличительная особенность протоколов SPX/IPX состоит в том, что с помощью этих протоколов осуществляется маршрутизация, которая обеспечивает кратчайший путь для передачи данных по сети и гарантированное установление надёжной связи при этой передаче.

Протокол  NetBEUT простой. Он обеспечивает высокую скорость работы, но в нём отсутствует маршрутизация, и его поддерживают только операционные системы IBM и Microsoft.

Функциональные  возможности операционных систем расширяются  с помощью утилит, которые используются операционной системой для выполнения прикладных функций.

В состав информационного  обеспечения автоматизированных систем входят базы данных и знаний. Для  работы с сетевыми базами данных используют системы управления базами данных (СУБД).  

 

5.1.2. Базы данных. Системы управления базами данных

 

База данных обеспечивает хранение информации и  представляет собой поименованную  совокупность данных, организованных по определённым правилам, включающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными. Централизованная база данных хранится в памяти одной  автоматизированной системы. Если эта  система является компонентом сети, то возможен распределённый доступ к  централизованной базе данных.

Распределённая  база данных состоит из нескольких частей, которые хранятся в различных  ЭВМ вычислительной сети. Работа с  такой базой осуществляется с  помощью системы управления распределённой базой данных.

Базы данных по способу доступа к данным подразделяются на базы данных с локальным доступом  и базы данных с удалённым (сетевым) доступом. В системах централизованных баз данных с сетевым доступом применяются следующие архитектуры:

– файл-сервер;

– клиент-сервер.

Архитектура системы БД с сетевым доступом предполагает выделение одной из машин сети в качестве центральной (сервер файлов). Файл-серверная распределённая обработка данных показана на рис. 5.4 [1]. На сервере хранится совместно используемая централизованная БД. Все другие машины сети выполняют функции рабочих станций, с помощью которых поддерживается доступ пользовательской системы к централизованной базе данных. Файлы базы данных в соответствии с пользовательскими запросами передаются на рабочие станции, где производится их обработка. При большой интенсивности доступа к одним и тем же данным производительность автоматизированной системы падает. Пользователи могут также создавать на рабочих станциях локальные БД с монопольным доступом.

 

                    

 

Рис. 5.4. Взаимосвязи основных компонентов  файл-серверной сети

 

Клиент-серверная  двухуровневая распределённая обработка  данных показана на рис. 5.5 [1]. Как видно из данного рисунка, на рабочей станции находятся средства пользовательского интерфейса и программы приложений. На сервере баз данных хранятся СУБД и файлы базы данных. Рабочие станции (клиенты) посылают серверу запросы на интересующие их данные, сервер выполняет извлечение и предварительную обработку данных. По сравнению с ранее рассмотренным вариантом существенно уменьшается трафик сети и обеспечивается прозрачность доступа всех приложений к файлам базы данных.

 

 

Рис. 5.5. Взаимосвязи основных компонентов  двухуровневой клиент-серверной  сети

 

Клиент-серверная  многоуровневая распределённая обработка  данных представлена на рис. 5.6 [1]. В этом случае на рабочей станции находятся только средства пользовательского интерфейса, на сервере приложений – программы приложений, а на сервере баз данных хранятся СУБД и файлы базы данных. Серверы выполняют всю содержательную обработку данных. Вместо рабочих станций могут использоваться сетевые компьютеры. Если серверов приложений и серверов баз данных в сети несколько, то сеть становится  клиент-серверной многоуровневой.

 

     

       

Рис. 5.6. Взаимосвязи основных компонентов  трёхуровневой клиент-серверной  сети

 

Ядром любой  базы данных является модель базы данных, представляющая собой множество  структур данных, ограничений целостности  и операций манипулирования данными. С помощью модели базы данных представляются объекты предметной области и  взаимосвязи между ними.

В настоящее  время рассматриваются следующие  модели базы данных:

– иерархическая;

– сетевая;

– реляционная;

– объектно-ориентированная.

В иерархической  модели рис. 5.7 [14] данные представляются в виде древовидной (иерархической) структуры. Она удобна с иерархически упорядоченной информацией и громоздка для информации со сложными логическими связями.

 

                   

 

Рис. 5.7. Иерархическая модель базы данных

 

Сетевая модель (рис. 5.8) означает представление данных в виде произвольного графа [14]. Достоинством сетевой и иерархической моделей  баз данных является возможность  их эффективной реализации по показателям  затрат памяти и оперативности. К  недостаткам сетевой модели базы данных можно отнести высокую  сложность и жёсткость схемы  БД, построенной на её основе.

 

         

               

Рис. 5.8. Сетевая модель базы данных

 

В реляционной  модели базы данных (рис. 5.9) отношения  представляются в виде двумерной  таблицы [14]. Такая форма представления  данных более привычна для человека, поэтому большинство моделей  БД – реляционные. Основным элементом  такой БД является таблица, которая  обладает следующими свойствами:

– столбцы в таблице однородные, т. е. элементы каждого столбца имеют одинаковую природу;

– столбцам однозначно присвоены имена;

– в операциях с таблицей её строки и столбцы могут просматриваться в любой очередности и в любом порядке.

 

 

                

Рис. 5.9. Реляционная модель базы данных

 

Достоинствами реляционной модели базы данных является её простота, удобство реализации на ЭВМ, наличие теоретического обоснования  и возможность формирования гибкой схемы БД, допускающей настройку  при формировании запросов. Реляционная  модель используется в основном в  БД среднего размера. При увеличении числа таблиц в базе данных заметно  падает скорость её работы.

Объектно-ориентированные  БД объединяют в себе две модели базы данных: реляционную и сетевую. Они используются для создания крупных  БД со сложными структурами данных.

Системы управления базами данных разделяются по используемой модели данных на следующие типы: иерархические, сетевые, реляционные и объектно-ориентированные. По характеру использования СУБД делят на персональные и многопользовательские.

К персональным СУБД относятся Visual FoxPro, Paradox, dBase, Access и др. Многопользовательские СУБД представляют, например, Oracle и Informix.

Многопользовательские СУБД включают в себя сервер БД и  клиентскую часть, работают в неоднородной вычислительной среде, допускают разные типы ЭВМ и различные операционные системы, поэтому на их базе создаются  информационные системы, функционирующие  по технологии клиент-сервер.

Управляющим компонентом СУБД является ядро, выполняющее  следующие функции управления:

– данными  во внешней памяти;

– буферами оперативной памяти;

– транзакциями.

Транзакция  представляет собой последовательность операций над БД, которая рассматривается  СУБД как единое целое. При выполнении транзакция может быть либо успешно  завершена, и СУБД зафиксирует произведённые  изменения во внешней памяти, либо ни одно из изменений не отразится  в БД.

Язык СУБД включает подмножество команд из языка  описания данных и языка манипулирования  данными. Структурированный язык запросов (SQL) обеспечивает манипулирование данными и определение схемы реляционной модели БД, является стандартным средством доступа к серверу БД.

Для обработки  команд пользователя или операторов программ в СУБД используются интерпретаторы команд и компиляторы.

Обязательным  условием успешного функционирования БД является её целостность, означающая, что база содержит полную и непротиворечивую информацию, необходимую и достаточную  для корректного функционирования приложений. Обеспечение безопасности достигается шифрованием прикладных команд, защитой паролем, поддержкой уровней доступа к базе данных.

Поддержка взаимодействия с Windows-приложениями позволяет СУБД внедрять в отчёт сведения, хранящиеся в файлах, созданных в других приложениях. Для этого для среды Windows разработаны такие механизмы, как DDE и OLE.

 

5.2. Многомашинные комплексы и вычислительные сети

 

5.2.1. Высокопроизводительные вычислительные системы. Мультипроцессорные вычислительные системы               

 

Вычислительная  система (ВС) представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенных для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Отличительной особенностью ВС является наличие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку.

Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических  и программных ресурсов. Основой  развития ВС служат экономические факторы. В пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности ЭВМ выражается квадратичной зависимостью – законом Гроша [15]:

 

 

                                   С_эвм = К₁ ∙ П²_эвм,                                             (5.1)

 

где С_эвм – стоимость ЭВМ; К₁ – коэффициент пропорциональности; зависящий от технического уровня развития вычислительной техники; П_эвм – производительность ЭВМ.

Построение вычислительных систем позволяет сохранить затраты.  
Так, для них используется линейная формула [15]

 

 

height: 33pt; z-index: 0;">

                                   С_вс = К₂ ∙ ,                                              (5.2)