· Незначительным качественным шагом вперед является гипертекстовое исполнение электронного учебника, которое требует больших трудозатрат, но позволяет сделать текст более компактным для подготовленного учащегося и достаточно полным для человека, начинающего обучение.

· С развитием средств мультимедиа стали появляться автоматизированные учебные курсы, в которых лекция перед телекамерой читается ведущим в данной области специалистом или актером с хорошей внешностью и дикцией. Такой путь мало отличается от обычной аудиторной лекции, кроме возможности потенциального расширения количества слушателей.

· Лучшие из существующих автоматизированных учебных курсов содержат в обучающей части элементы мультипликации для более эффективного понимания сложных процессов, средства контроля усвоения материала, а также оперативную связь с преподавателем-консультантом (тьютором).

Общим и существенным недостатком всех перечисленных путей создания автоматизированных учебных курсов является пассивная роль обучаемого, которому, как и в традиционной системе образования, приходится только слушать либо читать, что обеспечивает низкий эффект усвоения изучаемого материала. Кроме того, рассмотренные выше способы построения автоматизированных курсов заменяют лишь лекционную часть традиционного курса, предполагая, что где-то в другом месте и в другое время теоретическая часть, курса будет закреплена на практических занятиях, а также экспериментально - путем выполнения цикла лабораторных работ. Правда, к тому времени уже основательно забывается теоретическая часть и этот разрыв во времени, а также искусственное деление объекта на части (теоретическая, практическая, лабораторная) не способствует эффективности обучения.

Принципы создания автоматизированных учебных курсов нового типа

В предлагаемом подходе к созданию автоматизированных учебных курсов авторы рекомендуют следовать следующим основным принципам:

Принцип "единства и комплексности объектов изучения" включает следующие основные положения:

· Каждый базовый учебный курс фундаментальной подготовки не делится искусственно на лекционную часть - "у доски", практическую часть — "в аудитории", лабораторную часть -"за стендом". Учебный процесс рассматривается как единый во времени и в пространстве и комплексный по содержанию (т.е. все этапы обучения могут быть реализованы на одном рабочем месте без разрыва во времени).

· Компьютеризированный комплексный цикл обучения включает средства изучения основ теории, структурно-конструктивных особенностей объектов, выполнения практических заданий, математического и компьютерного моделирования изучаемых объектов, автоматизированного лабораторного практикума, обработки результатов моделирования и эксперимента.

· Для инженерной подготовки является обязательным компьютерное моделирование изучаемых физических процессов и последующая экспериментальная проверка полученных результатов. При этом учащийся должен овладеть современными методами математической оценки адекватности используемых математических моделей и методами идентификации параметров математических моделей на основе проведенных экспериментальных исследований.

· Средства обучения нового поколения можно рассматривать не в виде отдельных понятий "объект", "стенд", "модель", "методические средства" и т.д., а как их неразрывную совокупность в виде комплекса аппаратных, программных, научных и методических средств, обеспечивающих полноценное изучение объектов в составе программно-технических и научно-методических комплексов по направлениям подготовки.

· Компьютеризированный учебный курс может быть реализован как в режиме прямого общения учащегося с преподавателем, который в реальном времени излагает основы теории и тут же иллюстрирует их средствами моделирования и эксперимента, так и в режиме самостоятельного изучения, когда учащийся самостоятельно выбирает время и последовательность изучения материала, исходя из собственных возможностей, а не следуя к жесткому регламенту образовательного учреждения.

Принцип "интеллектуализации объекта и средств обучения"

Общение человека со сложным оборудованием станет более эффективным и комфортным, если это оборудование будет иметь хотя бы простейший "интеллект", способный в любой момент дать информацию о текущем состоянии оборудования, направленно изменять это состояние, а также хранить в своей памяти типовые и оптимальные режимы работы. При этом наибольший эффект следует ожидать от интеллектуализации сложных технологических процессов и технических систем.

В общем случае можно выделить следующие признаки интеллектуальных технических систем, которые характеризуются наличием:

· сенсорной подсистемы, позволяющей судить о состоянии как самого объекта изучения, так и окружающей его среды;

· памяти, в которой сохраняется модель поведения объекта изучения и данные, необходимые для его функционирования;

· анализатора (вычислителя), предназначенного для выработки реакций на внешние воздействия.

Применительно к сложным техническим системам интеллектуализацию можно определить как процесс преобразования различных видов данных, происходящий в многоуровневой информационной среде и позволяющий эффективно решать задачи управления, диагностики и прогнозирования качества функционирования данной системы. При этом целесообразно выделять:

· интеллектуальную подсистему объектного уровня, где решаются задачи измерения параметров и управления объектом в реальном масштабе времени;

· интеллектуальную подсистему модельного уровня, где также в реальном масштабе времени решаются задачи идентификации параметров математических моделей, диагностики и прогнозирования состояния и, как результат - принимаются решения об изменении режимов управления объектом, вплоть до прекращения его функционирования.

Особенностью объектного уровня является наличие распределенного интеллекта, интегрированного в датчики, регуляторы, контроллеры. Такой подход позволяет резко снизить требования к быстродействию, объему памяти и стоимости распределенных вычислительных средств.

Принцип "распределения информационных и технических ресурсов"

В предлагаемой концепции построения автоматизированных учебных курсов предусматривается комплексный подход к объекту изучения, предполагающий изучение необходимого объема инвариантных фактографических материалов (справочно-информационные сведения, описание принципа действия, конструктивных особенностей, математическое описание и модельный анализ изучаемых физических процессов), а также обязательное экспериментальное исследование объекта с последующим математическим анализом полученных результатов. Все эти составляющие процесса обучения имеют различную информационную нагрузку на средства обучения.

В компьютерных технологиях наиболее доступными являются информационные ресурсы, которые легко хранятся и тиражируются на компактных носителях информации. Поэтому в настоящее время нет необходимости загружать компьютерные сети передачей инвариантных составляющих автоматизированных учебных курсов. Все это легко тиражируется и распространяется, например, на лазерных компакт-дисках.

Сложнее обстоит дело с доступом к техническим ресурсам, для чего, как минимум, необходимо реальный физический объект исследования превратить в источник доступной и управляемой информации, что и составляет суть принципа телекоммуникационного доступа к техническим ресурсам. Для практического воплощения этого принципа необходима последовательная реализация ряда мер, обеспечивающих синтез лабораторного оборудования нового поколения. В случае дистанционного доступа к лабораторному оборудованию подход к его автоматизации коренным образом меняется. При этом полностью исключаются любые неавтоматизированные операции как при управлении объектом, так и на этапе контроля его параметров.

Объект изучения должен стать "полностью управляемым" и "информационно прозрачным". Это означает, что любой значимый для изучения объекта параметр управления должен быть доступен для варьирования в широких пределах по любому заданному алгоритму, а любой значимый параметр контроля должен быть доступен для измерения с требуемой точностью.

Все это предъявляет повышенные требования к гибкости и перестраиваемоcти средств управления и измерения, которые могут быть реализованы практически только при условии интеллектуализации, т.е. применения в их составе высокопроизводительных микропроцессорных устройств с использованием технологии цифровых сигнальных процессоров. Наиболее важные узлы исследовательского оборудования: источники питания, нагрузочные устройства, регуляторы, сенсорные подсистемы и т.д. должны изначально проектироваться с программно перестраиваемой структурой и адаптивно перестраиваемыми параметрами.

Перечисленные выше особенности подготовки лабораторного оборудования нового поколения показывают, что оно должно быть уникальным по содержанию и исполнению, а, следовательно, и дорогостоящим. Иногда в качестве такого лабораторного оборудования могут применяться специально доработанные научные стенды как наиболее полно отвечающие задачам углубленного изучения физических процессов. Понятно, что широкое тиражирование такого оборудования практически невозможно, поэтому наиболее целесообразно обеспечить удаленный доступ к нему большого количества пользователей. В этом и заключается принцип распределения информационных ресурсов, находящихся в прямом пользовании каждого обучаемого, и технических ресурсов, находящихся в коллективном пользовании многих.

Рекомендации по синтезу структуры автоматизированного учебного курса нового типа

Структурно предлагаемый автоматизированный учебный курс по любому учебному направлению реализуется средствами программно-технического и научно-методического комплекса, который представляет собою совокупность нескольких функциональных подсистем, среди которых:

· объектная подсистема;

· информационно-измерительная подсистема;

· управляющая подсистема;

· моделирующая подсистема;

· программно-методическая подсистема;

· телекоммуникационная подсистема;

· удаленное рабочее место пользователя.

В рамках объектной подсистемы перечень объектов изучения рекомендуется делать открытым и последовательно развиваемым. Полный перечень должен соответствовать концепции базовой подготовки и учитывать особенности организации образовательного процесса в каждом учебном заведении. Конкретный набор объектов изучения формируется из перечня, регламентированного соответствующим учебным направлением

В качестве объектов изучения рекомендуется рассматривать специально разработанные физические модели-аналоги, а не промышленные образцы, поскольку промышленный образец всегда проектируется на эффективное выполнение узкой прикладной задачи, не содержит дополнительных информационных каналов и каналов управления и поэтому не соответствует задачам обучения. Лишь физическая модель-аналог, выполненная с соблюдением критериев подобия, снабженная многочисленными, физически разнородными информационными каналами и каналами управления - способна дать критериальные соотношения для выявления фундаментальных закономерностей изучаемых процессов.

Физические модели-аналоги объектов изучения, как правило, должны выполняться с изменением геометрических и энергетических показателей, чтобы исключить трудности размещения оборудования (лабораторные площади, энергосети, средства защиты и пр.). При этом изменение может быть любым, если оно не искажает изучаемые процессы и не создает трудности работы с объектом (съем информации, управление).

Исследователь должен иметь возможность реализации любого разумного режима функционирования объекта, кроме аварийных режимов. Для реализации такого подхода необходима многоуровневая система вычислительных средств:

· на объектном уровне - это, как правило, мультипроцессорная подсистема, построенная по идеологии цифровых сигнальных процессоров;

· на верхнем уровне — это сервер комплекса, выполняющий функции обслуживания внутренних и внешних информационных потоков и связей.

Комплекс должен быть открытым для свободного наращивания подготовленными разработчиками количества каналов измерения и управления, варьирования объектов изучения в рамках выбранного тематического направления, для чего он выполняется по блочно-модульному принципу с использованием отечественных и международных стандартов в части использования:

· конструктивных решений (например, АСЭТ, Евромеханика);

· интерфейсные средства (LabCard, VME, VXI, PXI и др.);

· программных продуктов (LabWindows/CVI, Component Works, PSpice).

Для повышения эффективности использования установленного оборудования каждый функциональный блок или модуль комплекса целесообразно рассматривать в одних случаях как объект изучения, а в других - как технологическое оборудование для изучения других объектов. При этом выбор конкретного объекта изучения и режимов его работы должен производиться автоматически по заданию удаленного исследователя.

При этом принципиально осуществляется отказ от тиражирования однотипного оборудования, применяемого в составе учебного курса, и организуется фронтальное выполнение экспериментальных работ с помощью ограниченного набора универсального лабораторного оборудования. Предполагается также наличие многих рабочих мест, представляющих собой персональные компьютеры, связанные со средствами измерения и управления лабораторным оборудованием по локальной или глобальной компьютерной сети.

Программное обеспечение (ПО) комплекса выполняется многоуровневым и включает ряд компонентов, выполняющих различные функции:

· ПО объектного уровня содержит набор программ-драйверов управления стандартными и специально разработанными средствами многоканального аналогового, цифрового и частотного измерения и управления.

· ПО базового сервера предназначено для реализации дистанционного обмена информацией между комплексом и рабочими местами удаленных пользователей и выбрано таким образом, чтобы обеспечить работы технических средств телекоммуникации и, в частности, поддерживать протокол сетевого обмена ТСРЛР.

· ПО рабочего места удаленного пользователя создается с применением инструментальных средств: Borland С++, Component Works, Pspice и др.

Методическое обеспечение комплекса должно содержать полную совокупность средств, необходимых и достаточных для его использования в учебном процессе и научных исследованиях:

· информационно-справочные средства, предназначенные для изучения теоретических основ исследуемых физических процессов;

· программные средства имитационного компьютерного моделирования динамических процессов в сложных технических системах и их компонентах;

· средства подготовки и проведения натурных исследований сложных технических систем и их компонентов в режиме удаленного доступа;

· средства обработки и анализа экспериментальных данных для практической проверки адекватности применяемых математических моделей.

Подсистема моделирования включает совокупность математических моделей различного физического содержания (например, электромагнитную, электромеханическую, тепловую и т.д.), а также математические модели используемых технологических процессов. Если математические модели достаточно просты, то их носителем может быть один достаточно мощный компьютер. Однако для эффективной работы в реальном масштабе времени одновременно нескольких математических моделей целесообразно воспользоваться несколькими менее мощными компьютерами с сетевым обменом информацией. При этом для обмена информацией между подсистемами объектного и модельного уровней необходима - организация и поддержка "шлюза" обмена данными, сложность которого зависит от выбранных исходных интерфейсов на каждом уровне.

Важное свойство компьютерных моделей состоит в возможности имитировать различные режимы работы объектов изучения, а также переходы от одного режима к другому. Следует также предусмотреть имитацию, например, независимого или подчиненного изменения электропитания, электрических, механических, тепловых нагрузок. Наконец, имитационные модели должны учитывать случайные факторы, неизбежно влияющие на функционирование системы, т.е. модели должны быть вероятностными. В функции вероятностных моделей необходимо включить также возможности оценки корреляции показателей системы, что может обеспечить уменьшение количества информационных каналов и объем сохраняемых и обрабатываемых данных в процессе контроля и диагностики.

Система компьютерных моделей, как правило, должна быть многоуровневой. С помощью наиболее полных моделей имитируются динамические процессы в вероятностной постановке, в результате чего получаются опорные данные, непосредственно используемые в процессах диагностики, управления, и прогнозирования, Важно учесть при этом вероятностный характер получаемых опорных данных, что позволяет перейти к решению перечисленных задач с применением понятий нечеткого математического программирования.

Второй уровень модельного обеспечения составляют упрощенные регрессионные математические модели, позволяющие судить о чувствительности системы к изменению множества управляющих воздействий.

Наконец, на третьем уровне функционируют модели в виде совокупности детерминированных или вероятностных оценок значений контролируемых показателей управляемого объекта и некоторое множество формализованных правил, необходимых для оценки ситуаций и выработки управляющих воздействий. Эти модели должны работать в режиме реального времени, что предъявляет самые жесткие требования к их быстродействию, а следовательно, к допустимой сложности.

Функциональные возможности предлагаемого комплекса позволяют ставить и решать качественно новые, недоступные ранее и чрезвычайно важные задачи:

· оперативного многоканального мониторинга динамических процессов в сложных технических системах;

· диагностики и прогнозирования технического состояния сложных технических систем и их компонентов;

· идентификации параметров математических моделей исследуемых объектов по экспериментальным данным;

· многоканального функционально сложного управления техническими системами для обеспечения их качественного функционирования.

В организационном плане предполагается тиражирование подобных комплексов и создание на их основе отраслевых и региональных учебно-научных Центров при ведущих технических университетах и академических институтах, объединенных научно-образовательной компьютерной сетью, что позволит обеспечить значительное сокращение:

· требуемого количества квалифицированных педагогических кадров, участвующих в текущем процессе обучения, поскольку подготовленные и сертифицированные курсы реализуются на машинных носителях (лазерных дисках) и требуют лишь ограниченной консультационной поддержки. Наиболее квалифицированные педагоги должны работать над созданием и совершенствованием фундаментальных учебных курсов.

· общего количества основного лабораторного оборудования, используемых площадей, затрат энергии, обслуживающего персонала за счет дистанционного коллективного использования этого оборудования в режиме дистанционного доступа.

6. Базовые программно-технические средства создания автоматизированных учебных курсов

6.1 Общие требования

Выбор базовых программно-технических средств разработки является ответственным моментом, поскольку разрабатываемые с их помощью курсы и практикумы должны пройти сертификацию и отбор на соответствие современному уровню образовательных технологий. Эти технологии базируются на процедурах обмена информацией распределенными информационными и техническими ресурсами на основе корпоративных образовательных сетей. По этой причине выбор средств разработки должен определяется не случайным выгодным вариантом, предлагаемым на достаточно разнообразном рынке, а целевой совокупностью принятых критериев создания автоматизированных учебных курсов, а также следующими общими ми требованиями, в соответствии с которыми используемые базою программно-технические средства должны быть:

· открытыми, т. е. допускать их свободное конфигурирование и развитие подготовленными пользователями без дополнительного обращения к изготовителю;

· комплектными, т. с. обеспечивать наилучшее согласование компонентов и допускать свободный обмен информацией между ними;

· стандартными, т. е. выполненными на базе отечественных международных стандартов, как в части используемых конструктивных решений, так и программных продуктов;

· гибкими, т. е. обеспечивать возможность автоматического перестроения конфигурации оборудования, включая смену объектов исследования по заданиям пользователей с применением специальных блоков коммутационной аппаратуры;

· информацинно совместимыми, т. е. предполагающими согласованность действий функциональных элементов, единство способов кодирования и форматов команд и данных, совместимость адресов и временных характеристик передачи данных;

· электрически совместимыми, т. е. предполагающими согласованность параметров электрических сигналов на шинах и линиях связи;

· конструктивно-совместимыми, т. е. обеспечивающими согласованность конструктивных элементов интерфейса, предназначенных для обеспечения механического контакта соединений и механической замены элементов, блоков и устройств.

В частности, конструктивная совместимость определяется:

· типами соединительных элементов (разъем, штекер и распределение линий связи внутри соединительного элемента);

· конструкцией платы, каркаса, стойки;

· конструкцией кабельного соединения.

При этом следует учитывать, что условия конструктивной совместимости в рекомендациях стандартных интерфейсов не всегда определяются полностью, а в некоторых случаях могут отсутствовать или иметь несколько вариантов использования (разъемов, типов кабеля и т.п.).

6.2 Средства телекоммуникационных технологий

Телекоммуникационные технологии базируются на 3-х компонентах, среди которых: физическая среда передачи информации между абонентами (каналы), организационные структуры передачи информации (сети) и процедуры формирования информационных потоков (протоколы). При этом различают следующие виды названных компонентов:

Каналы имеют следующие разновидности:

· проводные (кабельные) — многожильные параллельные, телефонные, витые пары, коаксиальные, оптоволоконные;

· беспроводные — радиорелейные, спутниковые, оптические.

Сети могут быть локальными, корпоративными, глобальными.

Протоколы принято различать на протоколы компьютерных сетей и полевые протоколы.

Перечисленные особенности организации телекоммуникационных подсистем необходимо знать, поскольку в конкретных регионах страны исторически сложились их конкретные виды. Принимая решение об организации образовательного процесса в соответствующем регионе, следует использовать существующие структуры или стремиться к переходу на применение более перспективных технических решений. Знание предельных возможностей используемой телекоммуникационной подсистемы позволяет более эффективно построить образовательный процесс в открытой образовательной среде.

В настоящее время происходит интенсивный процесс становления новых образовательных технологий, основанных на коллективном доступе к распределенным информационным и техническим ресурсам с использованием корпоративных образовательных сетей. Однако отсутствие единой нормативной базы приводит к информационному засорению корпоративных сетей.

Как было сказано ранее, широко рекламируемый режим телеконференций, порождая большие потоки информационного обмена, практически не привносит нового качества в процесс познания объекта изучения.

Применение такого режима обмена учебной информацией объективно необходимо только в тех случаях, когда в ходе активного воздействия на удаленный объект появляется необходимость визуальной оценки результата, если его практически невозможно зафиксировать инструментальными средствами.

Проводные каналы

Параллельные каналы связи физически реализуются с помощью многожильного кабеля (или печатной платы), причем число жил (печатных проводников) выбирается в соответствии с требуемой разрядностью передаваемой информации (адресов, данных) — обычно 8, 16, 24, 32, 64. В целях обеспечения компактности, расстояние между проводниками стараются уменьшать, однако при этом увеличиваются межпроводные емкостные связи, что приводит к возрастанию взаимных помех, особенно при больших скоростях передачи информации. Это обстоятельство и является естественным ограничением области применения параллельного канала связи. Как правило, он используется для организации высокоскоростных магистралей между отдельными функциональными устройствами, удаленными друг от друга в пределах от нескольких сантиметров до 1.. .2 м

Диапазон скоростей передачи данных по параллельному каналу очень широк — от 10 Мбит/с (внешние магистрали повышенной протяженности 1-2 м) до 1000 Мбит/с (например, короткие внутренние компьютерные магистрали).

Последовательные каналы связи различного типа, содержат преимущественно два проводника, взаимное размещение которых имеет следующие разновидности:

1. Проводники размещены параллельно друг другу на некотором фиксированном расстоянии (телефонный кабель). Каналы, использующие телефонный кабель, самые дешевые, однако они наименее защищены от внешних помех, у них наиболее высокий показатель межпроводной емкости, а, следовательно, - низкая скорость передачи данных (не более 19200 бит/с).

2. Проводники перевиты между собою с определенным шагом и помещены в экранирующую оплетку (витая пара). Такое решение позволяет значительно снизить уровень внешних помех, несколько уменьшить межпроводную емкость и увеличить скорость передачи данных до 10 Мбит/с.

3. Проводники располагаются таким образом, что один из них образует центральную жилу, а другой - гибкую оболочку (оплетку) вокруг центральной жилы с использованием промежуточного изолятора (коаксиальный кабель). Данный кабель имеет практически такую же степень защиты от внешних помех, как витая пара, близкое значение межпроводной емкости и, следовательно, - аналогичную скорость передачи данных до 10 Мбит/с.

4. Уникальными возможностями для передачи данных обладает оптоволоконный кабель. Здесь отсутствует межпроводная емкость, поскольку информация передается модуляцией светового потока. Скорость передачи данных возрастает до 100 Мбит/с и ограничивается не самим кабелем, а электронными системами преобразования информации. Практически обеспечивается полная защита от внешних помех. Стоимость такого кабеля наиболее высокая, но в пересчете на передаваемый бит информации оптоволоконный кабель является экономически наиболее выгодной проводной линией связи, естественно, при условии полного использования его возможностей.

Передача данных по последовательному каналу происходит последовательно бит за битом, поэтому при прочих равных условиях скорость передачи данных здесь, как минимум, в десять раз ниже, чем скорость передачи данных по параллельному каналу. В зависимости от организации формирования и передачи данных принято несколько международных стандартов:

· Стандарт RS-232 является самым простым и надежным средством связи двух электронных устройств на расстояниях до 15 м. Он имеет возможность варьирования скорости передачи данных от 1,2 до 38,4 Кбит/с, в зависимости от быстродействия подключаемых устройств. При создании исследовательского оборудования нового поколения последовательный канал, построенный на стандарте RS-232, становится удобным средством связи автоматизированного оборудования, снабженного интеллектуальными микроконтроллерами, и компьютера, выполняющего служебные функции (сервера), поскольку практически каждый компьютер в своем составе имеет стандартный порт RS-232.

· Стандарт RS-485 позволяет создавать систему связи сетевой структуры, т.е. включать на один канал связи более двух устройств. Технические средства поддержки данного стандарта позволяют обеспечить скорость передачи информации до 500 Кбит/с при удалении абонентов до 1500 метров. RS-485 следует применять в распределенных микроконтроллерных системах, когда расстояние между отдельными микроконтроллерами составляет более двух метров.

· Стандарт f~C также предназначен для включения в сеть нескольких устройств, но на расстояниях до I - 1,5 м. Контро,-лер шины ГС, как правило, входит в состав специализированных микроконтроллеров, например, РСВ80С552 фирмы Philips, что делает его применение простым и удобным. Преимуществом стандарта ГС для межпроцессорного обмена на малом удалении (около 1 м) является наличие встроенного аппаратного контроля ошибок и конфликтов на уровне приемопередатчиков, значительно снижающего количество ошибок при передаче данных и позволяющего существенно повысить скорость работы системы связи в целом (до 115 Кбит/с).

Беспроводные каналы

С семидесятых годов началось развитие беспроводных линии связи для передачи данных. Первоначально наибольшее развитие получили радиорелейные линии, способные обеспечить передачу потоков информации со скоростями 32, 64, 128 бит/с. В дальнейшем скорости передачи информации по радиорелейным линиям были увеличены до 2048 Кбит/с и более. Недостатком радиорелейных систем является работа только в пределах прямой видимости и относительно высокая стоимость, поэтому они преимущественно используются при передаче потоков информации для привязки к мощным кабельным или спутниковым магистралям передачи информации.

Делались попытки строительства линий передачи информации по лазерным каналам передачи данных. Экспериментальная лазерная линия связи "МГУ - Главпочтамт", построенная в 80-е годы, работает и в настоящее время.

В ряде случаев используются комбинированные системы, когда на кабельные линии при преодолении больших преград, например, водных (крупные реки), делают лазерные вставки. Однако широкого распространения лазерные линии связи не получили из-за нестабильности связи при изменении погодных условий.

Наибольшее развитие в последние 10—15 лет получили спутниковые системы связи, где наблюдается устойчивый прогресс по следующим причинам:

· полнота охвата поверхности Земли;

· независимость от климатических и погодных условий;

· высокая надежность;

· возможность получения практически неограниченной пропускной способности. Например, система спутниковой связи "Ямал" имеет полную пропускную способность 12500 дуплексных каналов по 32 Кбит/с. При этом пользователям предоставляются каналы различных типов: 2,4; 4,8; 9,6; 2048 Кбит/с;

· приемлемые показатели по стоимости.

Здесь необходимо уточнить экономические особенности использования радиорелейной и спутниковой связи. Если на малых расстояниях радиорелейный канал в 64 Кбит/с (или ствол в 2048 Кбит/с) выгоднее спутникового, на больших расстояниях сравнительная стоимость передачи информации по спутниковому каналу становится в 5 - 6 раз более выгодной.

Во всем мире широко развиваются системы сотовой радиосвязи. Первоначально они предназначались для ведения телефонных переговоров, но в последнее время все больше захватывают и область передачи всех видов информации, предоставляя абоненту услуги по передаче данных с пропускной способностью от 96 до 2048 Кбит/с.

Стоимость передачи информации в сотовых сетях гораздо выше, чем в радиорелейных или проводных (до 1,0 $/мин за передачу данных со скоростью 64 Кбит/с), но предоставляемые пользователю Удобства и простота сопряжения с глобальными сетями передачи информации даже в движении являются привлекательными для многих пользователей. Перспективным направлением во всем мире признано создание гибридных систем передачи информации на базе ATM-технологи и (Asynchronous Transfer Mode - тип коммутационной технологии, при котором по сети передаются небольшие порции данных фиксированного размера), в первую очередь, объединяющих достоинства сотовой и спутниковой связи.

В настоящее время развиваются программы по .созданию всемирных сетей спутниковой связи ("Иридиум", "Глобалстар", "Ростелесат" и др.) на низко летящих спутниках (одновременно от 40 до 120 спутников на орбите), позволяющих обеспечить доступ для передачи и приема всех видов информации (голос, данные, изображение) с мобильных или стационарных объектов.

Перспективным является создание линий лазерной связи в диапазонах инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Во многих странах, в том числе в России, проводятся исследования в этой области, в том числе для передачи информации рассеянным или отраженным от верхних слоев атмосферы излучением.

Определенная номенклатура устройств для этих целей уже выпускается как за рубежом, так и в нашей стране. Главным преимуществом этой техники является отсутствие затрат на использование частотного диапазона, составляющих существенную часть стоимости сотовых и спутниковых каналов связи. Однако дальность подобных линий связи в настоящее время невелика (в среднем до 1,5-3 км), и они подвержены промышленным помехам. Ориентировочно стоимость использования каналов связи, построенных по этому принципу, будет от 1,5 до 3 раз меньше стоимости применения традиционных каналов.

В России разработки по этой тематике ведутся в Институте проблем передачи информации РАН. Так называемый "инфракрасный прожектор", разработанный здесь, позволит даже в городских условиях при наличии большого числа источников инфракрасного излучения передавать информацию, кодированную исправляющим ошибки кодом со скоростью до 8 Мбит/с на дальность до 5 км. Устройство предназначено для привязки абонентов с большими информационными потребностями к сетям передачи данных типа Интернет. Причем стоимость использования "инфракрасного прожектора" существенно ниже, чем аналогичной по пропускной способности кабельной линии связи, радиорелейной или сотовой связи.

В целом, беспроводные линии связи в последнее время получили мощный импульс развития, вызванный, с одной стороны, растущими в геометрической прогрессии потребностями в передаче большими объемов информации в минимальные сроки, при обеспечении пользователю удобного, простого и экономически привлекательного доступа к информационным ресурсам; с другой стороны - бурным прогрессом цифровых методов передачи и обработки информации, появлением принципиально новых технологий обработки, организации передачи и сжатия информации, дальнейшей миниатюризацией электронных компонентов. Как показывает статистика, каждые десять лет потребность в передаче информации увеличивается в десять раз.

Поэтому в 1998-1999 годах ряд ведущих государств, в том числе и Россия, подписали Соглашение о совместном строительстве единого глобального информационного пространства, призванного как облегчить пользователям обмен информацией, так и обеспечить широкий доступ к уже созданным информационным ресурсам для всестороннего укрепления международного сотрудничества и доверия между странами.

Основные сетевые топологии

Сетевая топология описывает структуру объединения различных устройств. Существует несколько видов топологий, отличающихся друг от друга по трем основным критериям:

· режиму доступа к сети;

· средствам контроля, передачи и восстановления данных;

· возможности изменения числа узлов сети.

Основными применяемыми топологиями являются "звезда", "кольцо" и "шина".

В звездообразной топологии вся информация передается через некоторый центральный узел. Каждое устройство имеет свою собственную среду соединения (каналы связи, программная поддержка). Все периферийные станции могут обмениваться друг с другом только через центральный узел. Преимуществом этой структуры является то, что на среду передачи не может влиять никто, кроме ее собственника. С другой стороны, центральный узел должен быть исключительно надежным устройством. Кроме того, расширение сети возможно только в том случае, если организован порт для его подсоединения к Центральному узлу.

В кольцевой структуре информация передается от узла к узлу по физическому кольцу. Приемник копирует данные, регенерирует их вместе со своей квитанцией подтверждения следующему устройству в сети. Когда начальный передатчик получает свою собственную квитанцию, это означает, что его информация была корректно получена адресатом. В кольце не существует определенного централизованного контроля. Каждое устройство получает функции управляющего контроллера (так называемый "маркер") на строго определенный промежуток времени. Отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы кольца, а, следовательно, и к остановке всех передач.

В любой шинной структуре все устройства подсоединены к общей среде передачи данных, или шине. В отличие от "кольца" адресат получает свой информационный пакет без посредников. Процесс подключения к шине дополнительных узлов не требует аппаратных доработок со стороны уже работающих узлов сети, как это имеет место в случае топологии "звезда". Однако шинная топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи.

Существует два метода регулирования такого доступа -"шинного арбитража":

· "фиксированный мастер" (централизованный контроль шины), в соответствии с которым доступ к шине контролируется центральным мастер-узлом;

· "плавающий мастер" (децентрализованный контроль шины) благодаря собственному интеллекту каждое устройство само определяет регламент доступа к шине.

Протоколы обмена информацией

Протоколы обмена информацией - это принятые определенные правила построения информационных потоков, которые делают пере даваемую кодированную информацию понятной всем абонентам Обычно к числу таких правил относят: структуру построения блока данных, приемы реализации их контроля и пр.

Следует учитывать, что сложные протоколы повышают надежность передачи информации, но значительно снижают скорость ее передачи.

Принципиально каждый разработчик автоматизированной системы может использовать свой собственный протокол.

Однако подобная система будет доступна ограниченному кругу пользователей и не может быть интегрирована в сложные сетевые процессы обмена информацией.

Поэтому в международной практике приняты соответствующие стандарты на протоколы обмена информацией, среди которых можно выделить две крупные ветви: протоколы компьютерных сетей и полевые протоколы, работающие на уровне промышленных или полевых линий связи.

Протоколы компьютерных сетей

Среди протоколов информационных компьютерных сетей наибольшее распространение получило семейство (стек) протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol). Его лидирующая роль объясняется следующими свойствами:

· это наиболее завершенный стандартный и в то же время популярный стек сетевых протоколов, имеющий многолетнюю историю;

· почти все большие сети передают основную часть своего трафика с помощью протокола ТСР/IР;

· это метод получения доступа к сети Internet;

· этот стек служит основой для создания Intranet — корпоративной сети, использующей транспортные услуги Internet и гипертекстовую технологию WWW, разработанную в Internet;

· все современные операционные системы поддерживают стек ТСР/IP;

· это гибкая технология для соединения разнородных систем как на уровне транспортных подсистем, так и на уровне прикладных сервисов;

· это устойчивая масштабируемая межплатформенная среда для приложений клиент-сервер.

Протоколы ТСР/IP делятся на 4 уровня:

Уровень IV поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней:

· для локальных сетей - это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN;

· для глобальных сетей - протоколы соединений "точка - точка" SLIP и РРР, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов Х.25, frame relay;

· разработана спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня;

· при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек ТСP/IP за счет разработки соответствующего RFC (Request for Comment) - серии документов, описывающих сетевые сервисы и протоколы.

Уровень III - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов данных с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т. п.:

· В качестве основного протокола сетевого уровня в стеке используется протокол IP (Internet Protocol), который первоначально проектировался как протокол передачи пакетов в сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность связи.

· К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний из перечисленных протоколов предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета данных. С помощью специальных пакетов ICMP сообщается о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных значениях параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.

Уровень II называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.

Уровень 1 называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек ТСР/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня, к которым относятся:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6