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

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.

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.

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.

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.