Software & Systems

При организации курсового и дипломного проектирования для студентов технических специальностей чрезвычайно важно обеспечить поисково-исследовательский творческий характер всего процесса учебного проектирования с целью развития у студентов не только практических навыков инженера-проектировщика современных технически сложных систем, но и навыков инженера-исследователя.

Достичь этого в таком предметном курсе как, например, "Информационно-вычислительные сети" довольно трудно из-за ограниченности времени, отводимого на курсовое проектирование, и повышенной сложности вопросов, связанных с проектированием и оценкой параметров вычислительных сетей. Большинство возникающих при этом задач характеризуется многокритериальностью и мультипараметризмом.

Создание специального инструментария, предоставляемого в распоряжение будущего инженера-системотехника в качестве орудия исследования и творчества, позволяет разрешить возникающие трудности. При этом студент-проектировщик имеет возможность целенаправленного поиска, просмотра и исследования различных вариантов проектируемой вычислительной сети. Это позволяет ему отбрасывать неудачные структурные, архитектурные решения и выбирать (создавать) наиболее целесообразные и оптимальные. При этом достигается существенная экономия временных ресурсов, а сам процесс проектирования приобретает творческий характер, способствующий повышению качества обучения.

Такой подход позволяет ставить перед студентами достаточно сложные и близкие к реальным задачи проектирования, прививать им навыки исследовательской работы.

Программный инструментальный комплекс (ПИК) NET-PRO/L, созданный на кафедре ВТ в Таганрогском государственном радиотехническом университете (ТРТУ), служит перечисленным целям и предназначен для организации курсового и дипломного проектирования по теме "Распределенные информационно-вычислительные сети" (РИВС).

Рассмотрим организацию РИВС (рис. 1) с точки зрения пользователя ПИК.

Обозначения:

· центр вертикальной сети, в котором располагаются один или несколько host-компьютеров;

О концентратор (мультиплексор) данных;

– канал передачи данных (канал связи);

 магистральный (высокоскоростной) канал связи;

О абонентский пункт, в котором расположены один или несколько абонентских терминалов (ЭВМ).

Проектируемая РИВС состоит из фрагментов следующих типов:

1) вертикальная (региональная) сеть передачи данных (СПД), которая покрывает часть общей территории (регион), подлежащей объединению в РИВС;

2) горизонтальная СПД, которая объединяет отдельные вертикальные сети в единую РИВС.

Для организации целенаправленного топологического синтеза РИВС студент-проектировщик при работе с ПИК использует 2 геометрических уровня проектирования:

· вертикальный (региональные сети);

· горизонтальный (горизонтальная сеть).

Вначале проектируются региональные сети (т.е. решаются вертикальные задачи), а затем горизонтальная сеть (т.е. решается горизонтальная задача).

ПИК состоит из общего программного монитора (ОПМ), инструментальной и расчетной частей. ОПМ реализует общее управление комплексом, интерфейс с пользователем и взаимодействие инструментальной и расчетной частей ПИК.

Инструментальная часть предназначена для реализации вспомогательных средств поддержки общего процесса проектирования. В ее состав входят следующие подсистемы:

· генерации неповторяющихся индивидуальных технических заданий на проектирование;

· контекстно зависимой помощи;

· поддержки баз данных и ведения проекта;

· поддержки пользовательского текстово-графического интерфейса;

· отображения карты исследуемого региона на экране монитора;

· генерации результирующих форм и отчетов по выполняемому проекту.

В расчетную часть входят:

- подсистема решения вертикальной задачи;

- подсистема решения горизонтальной задачи.

Рассмотрим подсистемы расчетной части.

Подсистема решения вертикальной задачи служит для организации проектирования региональных сетей.

Подсистема решения горизонтальной задачи предназначена для организации проектирования РИВС на основе данных, полученных в ходе решения отдельных вертикальных задач. При этом центры региональных сетей являются исходными данными для горизонтальной задачи.

Для обеспечения наглядности процесса проектирования в ПИК реализуется "окно карты", которое отображает в виде географической карты взаимное расположение и соединение городов (узлов) синтезируемой сети.

Рассмотрим действия студента-проектировщика при работе с ПИК. При любом вхождении в ПИК он должен выбрать рабочий директорий. Это позволяет ему при работе в локальной вычислительной сети использовать общий диск сервера для хранения всех промежуточных результатов, а при работе на автономных ЭВМ сохранять все промежуточные результаты на личной дискете. При этом наличие самого ПИК на этой дискете не требуется.

При первом вхождении студент регистрируется и для него генерируется индивидуальное техническое задание на проектирование. Каждый студент, регистрирующийся в ПИК, может принять самое активное участие в процессе формирования задания на проектирование. При этом большая часть задания генерируется в ПИК автоматически, а оставшаяся задается (выбирается) самим студентом.

Вначале автоматически генерируется случайное число регионов (от 7 до 10), которые должны войти в проектируемую РИВС. Затем случайным образом из базы данных городов выбирается требуемое количество файлов регионов. База данных городов содержит 133 региона, составленных по принципу административно-территориального разделения. Регионы включают в себя информацию более чем о 2500 городах России, Украины и Белоруссии с населением не менее 10000 человек.

После этого студент должен выбрать топологию РИВС, которую он будет исследовать. В качестве этого параметра можно выбрать как основные виды топологий ("звезда", "кольцо", "дерево"), так и оптимальную топологию. В первом случае студент должен синтезировать РИВС заданной топологии, а во втором исследовать все основные виды топологий и синтезировать РИВС оптимальной топологии.

После выбора вида топологии студенту необходимо выбрать критерий оптимизации, т.е. параметр, который будет минимизироваться при синтезе сети. В качестве критерия оптимизации можно выбрать общую стоимость сети, суммарную длину каналов связи сети, а также максимальную среднюю задержку в сети.

ПИК сохраняет сгенерированное техническое задание во внешнем и внутреннем представлениях.

Внешнее представление служит для просмотра и вывода документа на печать. Помимо указанных параметров, оно содержит:

- общее количество регионов и городов;

- географические координаты каждого города;

- величину трафика, генерируемого в каждом городе для передачи в другие города;

- таблицу зависимости стоимости каналов связи от их длины и пропускной способности;

- форму отчетности по выполнению проекта;

- список литературы, необходимой для изучения в ходе проектирования.

Внутреннее представление предназначено для возможности сохранения технического задания и его последующего восстановления при повторном входе пользователя в ПИК.

После генерации задания студент может сразу же приступить к проектированию. С помощью меню (рис. 2) он выбирает требуемый регион.

Выберите регион для работы

Синтез вертикальной СПД для региона #1 (17 городов)

Синтез вертикальной СПД для региона #2 (20 городов)

Синтез вертикальной СПД для региона #3 (15 городов)

Синтез вертикальной СПД для региона #4 (18 городов)

Синтез вертикальной СПД для региона #5 (20 городов)

Синтез вертикальной СПД для региона #6 (19 городов)

Синтез вертикальной СПД для региона #7 (18 городов)

Синтез вертикальной СПД для региона #8 (18 городов)

Синтез горизонтальной СПД

Закончить работу с программой

Рис. 2

После этого запускается подсистема решения вертикальной задачи, а внешний вид экрана примет вид, изображенный на рисунке 3.

Цифрами на данном рисунке обозначены:

1 - меню;

2 - окно карты;

3 - окно подсказки;

4 - окно стоимости сети;

5 - окно параметров выделенного курсором канала.

Меню предназначено для реализации основных функций проектирования региональной сети:

· установить новый центр региональной сети;

· создать (уничтожить) канал связи;

· изменить пропускную способность канала связи;

· установить (удалить) концентратор данных;

· произвести машинную оптимизацию текущего варианта сети;

· рассчитать стоимость текущего варианта сети.

Пункт меню Параметры предназначен для изменения основных параметров топологии проектируемой региональной сети. Данный пункт содержит подменю, вид которого изображен на рисунке 4. Темным прямоугольникомвыделен текущий пункт меню.

Параметры Оптимизация Расчет сети ОтчетРешениеЗавершить

Установить новый центр СПД

Создать канал связи

Уничтожить канал связи

Изменить пропускную способность

Удалить концентратор в городе

Установить концентратор в город

Рис. 4

Реализуя основные функции проектирования с помощью описанного меню, студент проектирует региональную сеть, при этом в качестве критерия оптимизации выступает стоимость. Пункт меню Оптимизация можно использовать для автоматической генерации начального (квазиоптимального) варианта сети (рис. 5). Затем, вручную изменяя топологию и параметры сети, студент формирует оптимальный вариант. "Последствия" выполняемых функций незамедлительно отображаются в "окне карты", что дает пользователю возможность оперативно оценить свои действия и в случае необходимости изменить стратегию проектирования.

Пункт меню Решение позволяет сохранять все промежуточные варианты на диске и в случае необходимости загружать их для дальнейшего использования. При повторном входе в регион автоматически загружается последнее сохраненное решение.

После получения оптимального решения студент сохраняет его и формирует отчет по данному региону с помощью пункта меню Отчет. Формируемый отчет включает в себя:

- местонахождение центра сети;

- месторасположение концентраторов;

- параметры каналов связи

После того как студент проработал все регионы (синтезировал в каждом из них вертикальную сеть), ОПМ предоставляет студенту возможность приступить к задаче горизонтального синтеза, для чего загружается подсистема горизонтального синтеза, а экран принимает вид, изображенный на рисунке 6. Цифрами на рисунке обозначены:

1 - окно карты;

2 - окно подсказки;

3 - меню;

4 - окно параметров текущего (выделенного) канала;

5 - окно параметров сети;

6 - текущий (выделенный) город;

7 - текущий (выделенный) канал связи.

В окне карты отображается географическое расположение городов (центров региональных сетей) и наличие каналов связи между ними.

В окне подсказки отображается информация, разъясняющая при работе пользователя в меню смысл его отдельных пунктов, а также основные возможные действия пользователя при нахождении его в окне карты.

В окне параметров канала отображаются параметры текущего канала связи.

Окно параметров сети предназначено для отображения основных параметров сети.

Рис. 5.

Рис. 6

Работая с меню, пользователь имеет возможность в интерактивном режиме реализо-вать набор функций проектирования:                · построить сеть основных топологий типа "звезда", "кольцо", "дерево" минимальной стоимости и рассчитать их интегральные характеристики; · синтезировать базовый вариант горизонтальной сети и рассчитать его интегральные характеристики; · просмотреть любой маршрут в сети; · выделить самое длинное использован-ное ребро сети и самое короткое неиспользованное; · изменить допустимое количество переприемов; · изменить длину сообщений, передаваемых по сети;

· просмотреть основные характеристики сети и каналов связи на экране;

· сохранить промежуточное решение на диске и загрузить любое предыдущее решение с диска;

· вывести отчет о результатах проектирования в файл (на диск) и на принтер.

Проектируя и исследуя различные варианты сети, студент выбирает решения (одно или несколько), которые на его взгляд оптимальны в соответствии с техническим заданием, после чего генерирует окончательный отчет о результатах проектирования. На рисунке 7 показан вид экрана при синтезе ячеистой (распределенной) топологии горизонтальной сети.

Отчет о результатах проектирования включает в себя основные характеристики каналов связи и сети в целом. Для каналов выводятся следующие матрицы: смежности, тяготения передачи информации, пропускных способностей, трафиков, стоимости, загрузки, задержки при передаче сообщений. Для сети в целом выводятся: общее количество городов, стоимость, загрузка, трафик, средняя и максимальная задержки и т.д. Кроме этого, выводится таблица маршрутизации передачи сообщений между всеми городами сети.

После генерации отчетов процесс проектирования считается законченным, однако есть возможность вернуться и продолжить его с целью дальнейшей доработки.

При разработке комплекса были учтены все пожелания и требования, предъявляемые к программам подобного рода. В большинстве своем функции описанного комплекса, по мнению авторов, не имеют аналогов.

Таблица 1

Требования ПИК к программно-аппаратным средствам

Таблица 2

Технические характеристики ПИК

ПИК NET-PRO/L прошел успешную апробацию на кафедре ВТ ТРТУ и кафедре автоматизированных систем обработки информации и управления СПбГЭТУ. В дальнейшем ПИК может быть тиражирован и использован вузами России для обеспечения технологии компьютерного обучения.