Статья 'Разработка и применение САПР в сфере систем телекоммуникаций' - журнал 'Кибернетика и программирование' - NotaBene.ru
по
Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > О журнале > Требования к статьям > Редакция и редакционный совет > Порядок рецензирования статей > Политика издания > Ретракция статей > Этические принципы > Политика открытого доступа > Оплата за публикации в открытом доступе > Online First Pre-Publication > Политика авторских прав и лицензий > Политика цифрового хранения публикации > Политика идентификации статей > Политика проверки на плагиат
Журналы индексируются
Реквизиты журнала

Публикация за 72 часа - теперь это реальность!
При необходимости издательство предоставляет авторам услугу сверхсрочной полноценной публикации. Уже через 72 часа статья появляется в числе опубликованных на сайте издательства с DOI и номерами страниц.
По первому требованию предоставляем все подтверждающие публикацию документы!
ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Кибернетика и программирование
Правильная ссылка на статью:

Разработка и применение САПР в сфере систем телекоммуникаций

Кручинин Сергей Владимирович

кандидат политических наук

старший научный сотрудник, ООО "ВЭЛБОРН"

394066, Россия, г. Воронеж, ул. Задонье, 9, оф. 14

Kruchinin Sergei Vladimirovich

PhD in Politics

senior scientific researcher, "VELBORN" Ltd. 

394066, Russia, g. Voronezh, ul. Zadon'e, 9, of. 14

siblis@yandex.ru
Другие публикации этого автора
 

 

DOI:

10.7256/2306-4196.2014.1.10622

Дата направления статьи в редакцию:

18-01-2014


Дата публикации:

1-2-2014


Аннотация: Статья посвящена принципам разработки и применения систем автоматизированного проектирования (САПР) в сфере систем, сетей и устройств телекоммуникаций. Особое внимание уделяется необходимости применения специализированных систем автоматизированного проектирования, специально разработанных для конкретных разновидностей систем и сетей телекоммуникаций. В то время, как общепринятые технологии, имея большую аудиторию в лице всего сообщества пользователей сети Интернет, имея технологическую мощность оборудования позволяют направить все научно-технические ресурсы на развитие данных технологий и программного обеспечения, нишевые архитектуры телекоммуникационных сетей нуждаются в отдельном исследовании и разработке. Нами предложено использование САПР для разработки топологии нишевых вычислительных сетей, обосновано такое решение, предложена и опробована методология разработки таких САПР и сделаны выводы об эффективности такого решения. В исследовании нами использованы методы математического моделирования, теории множеств и графов, методы проектирования программного обеспечения и системного программирования. В целях подтверждения результатов исследования используется эксперимент. Научная новизна заключается в том, что область нишевых, узкоспециализированных вычислительных сетей незаслуженно игнорируется в научной литературе, и не достаточно представлена в научных публикациях, оставаясь прерогативой инженерной разработки. Используемые в разработке нишевых систем связи технологии и методики не получают научной проработки и не доводятся до научной общественности. Данная статья обобщает опыт разработки САПР для проектирования нишевых систем телекоммуникаций и использования ее, подводя своеобразный итог предыдущей работе автора.


Ключевые слова: САПР, системы телекоммуникаций, нишевые системы телекоммуникаций, топология телекоммуникаций, телекоммуникации, CAD, networks, network topology, теория множеств, теория графов

УДК:

004.72+[681.516:658.512]

Abstract: The article is devoted to the principles of the development and application of computer-aided design (CAD) in the area of systems, networks and telecommunications devices. Particular attention is paid to the need for specialized computer-aided design, specifically designed for exact types of systems and telecommunication networks. At that time, conventional technology, with a large audience in the face of the whole community of Internet users, with the technological capacity of the equipment allows to direct all scientific and technical resources for the development of these technologies and software, the telecommunication architecture of networks require a separate research and development. The author proposes the use of CAD software for layout networks justifies this decision, tests methodology for the development of such CAD and draws a conclusions about the effectiveness of such a decision. In the study, the author uses the methods of mathematical modeling, theory of sets and graphs, methods of software design and system programming. In order to confirm the results of the study the author uses an experiment. Scientific novelty lies in the fact that the area of niche networks undeservedly ignored in the scientific literature, and not sufficiently represented in scientific publications, being the prerogative of engineering design. Used in the development of niche communications the technologies and methodologies do not receive scientific study and communicated to the scientific community. This article summarizes the experience of the development of CAD for designing niche telecommunications systems and the use of it, becoming a summing up the previous work of the author.



Keywords:

CAD, telecommunications system, niche telecommunication systems, topology of telecommunications, telecommunications, computer-aided design, networks, network topology, set theory, graph theory

Область применения и выбор способа проектирования

Помимо общепринятой архитектуры, применяемой в сети Интернет, с ее набором стандартов RFC, протоколов стека TCP/IP, аппаратного и программного обеспечения, опыта использования существует целая отрасль специализированных систем передачи данных и файлов, которая, к сожалению, недостаточно освещена в научно-технической литературе. Как правило это автономные, не связанные с сетью Интернет, специализированные системы и комплексы. В наше время широко используются методы автоматической настройки, маршрутизации, но тем не менее, операции по проектированию, регистрированию адресов, имен и ручной настройки вовсе не исключается из необходимых действий по развитию и поддерживанию сетей. Тем более, данный аспект усиливается и становится важным в проектировании специализированных систем, особенно в том случае, когда из-за специфики используемого оборудования (штучные, опытные образцы, разнообразие поколений опытных устройств, и разовые, выполненные на заказ устройства), роль ручной настройки даже возрастает по сравнению с применяемой в стандартных сетях.

Потому, в целях создания простого и надежного инструмента, авторы выбрали подход, заключащийся в создании системы автоматизированного проектирования (САПР), программное обеспечение которого спроектировано и реализовано с учетом потребностей подобных сетей. Как показано в [1] проектирование, в особенности, с применением САПР, является важным этапом разработки сложных технологических объектов. Нами было показано, что разработка САПР и ее эксплуатация при создании специализированных вычислительных сетей является важным элементом ее жизнедеятельности.

Область применения САПР - системы связи, изолированные от сети Интернет, обладающие гетеротипными устройствами связи, не обладающие явной централизацией и с дублированием высокоскоростных, но менее надежных каналовов низкоскоростными, но высоконадежными.

В [2] нами была подробно описана специфика вышеуказанных сетей.

Как показал наш практический опыт использования, подобную сеть можно спроектировать только вручную, просчитывая узлы телекоммуникаций и линии связи. Специфика архитектуры таких сетей исключает возможность самонастройки. И, как показывает наш дальнейший опыт, применение САПР значительно упрощает процесс ручного проектирования топологии сети и ускоряет процесс подготовки исходных данных. Полученные в САПР исходные данные конвертируются в технологические данные и настроечную информацию для аппаратного и программного обеспечения вычислительной сети.

Проектирование САПР

Как было показано в [2] специфика построения рассматриваемых вычислительных сетей такова, что она исключает однородность используемых программных и аппаратных решений. В таких условиях невозможно выстроить специализированное решение, заточенное на узкий класс решаемых задач и применяемого оборудования. Требуется создание более универсального, расширяемого решения. Это послужило основной сложностью в проектировании и разработки программного обеспечения.

Были разработаны математическая модель контролируемых устройств[3] и математическая модель мультиграфа телекоммуникационной сети и иерархия классов[4], которые позволили формально описать данные, используемые в САПР. Совокупность устройств была представлена в виде множеств, которые могут быть сгрупированы в соответствии со свойствами применяемых устройств[3]. Разработанная модель множеств позволяет построить мультиграф, добавив помимо элементов множеств связи между ними. Подобный мультиграф является информационной моделью сети связи. Таким образом, работая в САПР пользователь с помощью графического интерфейса преобразует неформализованные данные о используемом телекоммуникационном оборудовании и линиях связи в формализованное описание, представленное программной реализацией математической модели сети, представленной в виде иерархии экземпляров класса, хранимых в памяти ЭВМ при работе САПР.

Исходя из полученных моделей была реализована иерархия классов в программном обеспечении, но для обмена данными встал вопрос о представлении данных помимо математического описания и иерархической системы экземпляров классов в памяти ЭВМ в виде файлов, а соответственно о языке разметки. Мы можем выделить основные классы иерархии классов, используемых в программировании. Это класс-родитель (платформа), базовый класс, наследующие его графические классы: объект (соответствует множеству свойств телекоммуникационного устройства в математической модели и конкретному сетевому устройству в топологии сети), коннектор (соответствует вершине графа в математической модели и порту или каналу подключения в топологии сети), линия (соответствует дуге графа и линии или каналу связи в топологии сети).

На основе предложенных моделей нами был разработан язык описания топологии вычислительных сетей [5]: NTDL - network topology description language. Язык основан на XML и позволяет формализовать математическую модель топологии вычислительной сети, формируемой в виде графических схем, в виде элементов языка XML. Язык позволяет описывать как разработанные нами математические модели (применительно к топологии сети, т.е. множества, соответствующие набором состояний устройств, вершины графов и дуги имеют соответствующий технический смысл как отображение топологии сети), так и собственно инженерные схемы топологий сети, которые могут использоваться в проектировании. NTDL также позволяет создавать шаблоны типовых схем (как фрагментов топологии сети, представляющих графы с вершинами и дугами, так и устройств, представляющих собой множество его свойств), которые позволяют в дальнейшем создавать топологии сети по принципу конструктора.

Таким образом, нами была создана математическая модель в виде множеств и графов, реализована система классов на языке C++ для представления этой модели в памяти и обработки ее, разработана графическая система нотации (схожая с интуитивно-понятной нотацией, используемой в программе Microsoft Visio), реализован язык для хранения и обмена данными о топологии сети.

Использование САПР

Полученный опыт разработки САПР позволил не только объединить в рамках одного исследования разнообразные подходы (математическое моделирование с привлечением теории множеств и графов, разработка и проектирование программного обеспечения, языки разметки XML) но и получить инструмент, ускоряющий разработку топологии вычислительных сетей.

Пользователь, на основе поставленной задачи о разработке топологии вычислительной сети и перечня используемого оборудования готовит в визуальной среде САПР схему с применением графических элементов. Затем в автоматическом режиме САПР генерирует настроечные данные для применения устройствами и программным обеспечением сети. И уже затем эти данные с помощью соответствующих утилит настройки загружаются в телекоммуникационные устройства и программное обеспечение используемых в сети ЭВМ.

В [6] изложена методика расчета времени настройки сети, в т.ч. и с применением САПР.

Самый простой способ настройки - настройка сети из двух элементов. В этом случае число линий связи от 1 до 4 (с использованием дублирующих, проводных и радио- каналов, высокоскоростных и низкоскоростных). Ручная задача разработки настроечных данных тривиальна и являестя по сути учебной задачей.

В случае для 10 устройств, число связей возрастает не в 10 раз, а больше, так как например, пр применении одного из видов связи точка-точка с маршрутизацией мы добавляем уже 10 линий связи, плюс два проводных канала (но с настройками для каждой станции), и один проводной канал может остаться на все 10 станций в случае использования его в совместном доступе. Разработать вручную настройки для данной структуры уже является рутинной, трудоемкой задачей, сопряженной с неизбежными ошибками ввиду человеческого фактора.

Попробуем посчитать скорость разработки из фактических затрат на использование САПР. Около 10 минут тратится на разработку адресной схемы для каждого устройства. Итого 100 минут, не считая настройки.

Рассмотрим автоматизированный расчет. Понадобится 10 минут только на проектирование сети в САПР, а данные для каждого комплекта создаются автоматически.

Причем рассмотренный вариант является идеализированным, так как в виду человеческого фактора и использования полевых условий время на обслуживание системы связи из 40 абонентов производит к трудозатратам в 2-3 суток вручную и 3-4 часа времени при использовании САПР[7].

Кроме того, использование САПР позволяет упростить рутинные операции, а также устранить повторение однотипных действий. Благодаря декомпозиции схем на типовые фрагменты-шаблоны (шаблоны устройств и шаблоны схем) становится возможным собирать рабочие топологии телекоммуникационных сетей в режиме конструктора из заранее подготовленных шаблонов.

Выводы

Таким образом в решении поставленной задачи были пройдены следующие этапы:

- анализ специфики применяемых телекоммуникационных систем;

- выбор метода решения проблемы настройки таких систем;

- разработка САПР:

  • разработка математических моделей, описывающих системы телекоммуникаций;
  • разработка системы классов для реализации обработки топологий сети в программном обеспечении;
  • разработка программного обеспечения, включая реализацию системы классов;
  • разработка XML-языка для хранения и обработки элементов топологии сети;

- создание опытных образцов топологии сети;

- создание шаблонов устройств и типовых элементов сетей;

- эксплуатация.

Разработка программного обеспечения также включала в себя нескольлко этапов:

  • разработка первых рабочих прототипов;
  • разработка универсальной библиотеки для реализации классов на язке C++ с использованием библиотеки QT [8];
  • разработка прикладного обеспечения САПР с применением вышеуказанной библиотеки;
  • разработка утилит для настройки конкретных моделей устройств и версий программ.

Таким образом мы описали этапы разработки и особенности применения САПР для проектирования и настройки топологии сетей специализированных телекоммуникационных систем.

Библиография
1.
Новакова Н.Е., Горячев А.В., Горячев А.А., Васильев А.А., Монахов А.В. Система управления проектами в автоматизированном проектировании // NB: Кибернетика и программирование.-2013.-4.-C. 1-13. URL: http://www.e-notabene.ru/kp/article_8301.html
2.
Кручинин С.В., Зотов С.В., Вишняков А.В. К вопросу выбора между специализированностью и универсальностью в проектировании САПР (на примере САПР систем связи) // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2012. Т. 4. № 13. С. 177-180.
3.
Кручинин С.В. Математическая модель контролируемых устройств // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2013. Т. 17. № 14 (117). С. 19-20.
4.
Кузнецов А.М. Математическая модель мультиграфа телекоммуникационной сети и иерархия классов // Научно-исследовательские публикации. 2013. № 1. С. 87-93.
5.
Вишняков А.В., Кручинин С.В., Кручинина М.Ю. Язык описания топологии вычислительных сетей NTDL // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2012. № 15 (102). С. 126-130.
6.
Вишняков А.В., Зотов C.В., Кручинин С.В., Кручинина М.Ю. Опыт разработки архитектуры программного обеспечения САПР вычислительных сетей // Теория и техника радиосвязи. 2013. № 1. С. 98-104.
7.
Вишняков А.В. Опыт настройки системы связи транспортных средств // Научно-исследовательские публикации. 2013. № 1. С. 56-65.
8.
Кручинин С.В., Кузнецов А.М., Зотов С.В. Графическое ядро визуализации и анализа инженерных схем. // Свидетельство о государственной регистрации программа для ЭВМ № 2011618938 от 27.09.2011. – Москва. – Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
9.
Денисенко В.А., Нагоев З.В., Нагоева О.В. Проектирование компьютерной системы на основе рекурсивной когнитивной архитектуры для задачи синтеза интеллектуального поведения агента // Программные системы и вычислительные методы. - 2013. - 3. - C. 264 - 267. DOI: 10.7256/2305-6061.2013.3.9138.
10.
Арзамасцев С.В., Коновалов А.В., Муйземнек О.Ю., Канюков С.И. Свойства, методы и события объектов интегрированной интеллектуальной САПР ТП ковки на молотах // Программные системы и вычислительные методы. - 2013. - 3. - C. 245 - 249. DOI: 10.7256/2305-6061.2013.3.10542.
References (transliterated)
1.
Novakova N.E., Goryachev A.V., Goryachev A.A., Vasil'ev A.A., Monakhov A.V. Sistema upravleniya proektami v avtomatizirovannom proektirovanii // NB: Kibernetika i programmirovanie.-2013.-4.-C. 1-13. URL: http://www.e-notabene.ru/kp/article_8301.html
2.
Kruchinin S.V., Zotov S.V., Vishnyakov A.V. K voprosu vybora mezhdu spetsializirovannost'yu i universal'nost'yu v proektirovanii SAPR (na primere SAPR sistem svyazi) // Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2012. T. 4. № 13. S. 177-180.
3.
Kruchinin S.V. Matematicheskaya model' kontroliruemykh ustroistv // Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2013. T. 17. № 14 (117). S. 19-20.
4.
Kuznetsov A.M. Matematicheskaya model' mul'tigrafa telekommunikatsionnoi seti i ierarkhiya klassov // Nauchno-issledovatel'skie publikatsii. 2013. № 1. S. 87-93.
5.
Vishnyakov A.V., Kruchinin S.V., Kruchinina M.Yu. Yazyk opisaniya topologii vychislitel'nykh setei NTDL // Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2012. № 15 (102). S. 126-130.
6.
Vishnyakov A.V., Zotov C.V., Kruchinin S.V., Kruchinina M.Yu. Opyt razrabotki arkhitektury programmnogo obespecheniya SAPR vychislitel'nykh setei // Teoriya i tekhnika radiosvyazi. 2013. № 1. S. 98-104.
7.
Vishnyakov A.V. Opyt nastroiki sistemy svyazi transportnykh sredstv // Nauchno-issledovatel'skie publikatsii. 2013. № 1. S. 56-65.
8.
Kruchinin S.V., Kuznetsov A.M., Zotov S.V. Graficheskoe yadro vizualizatsii i analiza inzhenernykh skhem. // Svidetel'stvo o gosudarstvennoi registratsii programma dlya EVM № 2011618938 ot 27.09.2011. – Moskva. – Federal'naya sluzhba po intellektual'noi sobstvennosti, patentam i tovarnym znakam.
9.
Denisenko V.A., Nagoev Z.V., Nagoeva O.V. Proektirovanie komp'yuternoi sistemy na osnove rekursivnoi kognitivnoi arkhitektury dlya zadachi sinteza intellektual'nogo povedeniya agenta // Programmnye sistemy i vychislitel'nye metody. - 2013. - 3. - C. 264 - 267. DOI: 10.7256/2305-6061.2013.3.9138.
10.
Arzamastsev S.V., Konovalov A.V., Muizemnek O.Yu., Kanyukov S.I. Svoistva, metody i sobytiya ob''ektov integrirovannoi intellektual'noi SAPR TP kovki na molotakh // Programmnye sistemy i vychislitel'nye metody. - 2013. - 3. - C. 245 - 249. DOI: 10.7256/2305-6061.2013.3.10542.
Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи


Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.
Сайт исторического журнала "History Illustrated"