Логическая структура сети
Разбиение сети на сегменты
СКС- самая "консервативная" часть информационной системы предприятия. Любое ее изменение сопряжено с существенными материальными затратами. Однако возможность переконфигурирования инфраструктуры часто может существенно повысить управляемость и надежность всей системы. Например, объединение портов управляемых по сети устройств (коммутаторы, аварийные источники питания и т. п.) в "физически обособленную" сеть существенно повышает уровень безопасности системы, исключая доступ к таким элементам с произвольных рабочих станций. Кроме того, выделение, например, компьютеров бухгалтерии в отдельную сеть исключает доступ к ним по сети всех остальных пользователей.
Подобная возможность изменения конфигурации реализуется путем создания виртуальных сетей (Virtual local area network, VLAN). VLAN представляет собой логически (программно) обособленный сегмент основной сети. Обмен данными происходит только в пределах одной VLAN. Устройства разных VLAN не видят друг друга. Самое главное, что из одной VLAN в другую не передаются широковещательные сообщения.
VLAN можно создать только на управляемых устройствах; самые дешевые модели (часто их называют офисными) такую возможность не поддерживают.
Одна VLAN может объединять порты нескольких коммутаторов (VLAN с одинаковым номером на разных коммутаторах считаются одной и той же VLAN).
Варианты создания VLAN
На практике существует несколько технологий создания VLAN. В простейшем случае порт коммутатора приписывается к VLAN определенного номера (port based VLAN или группировка портов). При этом одно физическое устройство логически разбивается на несколько: для каждой VLAN создается "отдельный" коммутатор. Очевидно, что число портов такого коммутатора можно легко изменить: достаточно добавить или исключить из VLAN соответствующий физический порт.
Второй часто используемый способ заключается в отнесении устройства к той или иной VLAN на основе МАС-адреса. Например, так можно обосабливать камеры видеонаблюдения, IP-телефоны и т. п. При переносе устройства из одной точки подключения в другую оно останется в прежней VLAN, никакие параметры настройки менять не придется.
Третий способ заключается в объединении устройств в сеть VLAN по сетевым протоколам. Например, можно "отделить" протокол IPX от IP, "поместить" их в разные VLAN и направить по различным путям.
Четвертый способ создания VLAN состоит в многоадресной группировке.
Примечание
Обычно рекомендуется включать магистральные порты коммутаторов (порты, соединяющие коммутаторы) во все VLAN, существующие в системе. Это значительно облетает администрирование сетевой структуры, поскольку иначе в случае отказа какого-либо сегмента и последующего автоматического изменения маршрута придется анализировать все варианты передачи данных VLAN. Важно помнить, что ошибка в таком анализе, неправильный учет какого-либо фактора приведет к разрыву VLAN.
VLAN открывают практически безграничные возможности для конфигурирования сетевой инфраструктуры, соответствующей требованиям конкретной организации. Один и тот же порт коммутатора может принадлежать одновременно нескольким виртуальным сетям, порты различных коммутаторов - быть включенными в одну VLAN и т. п.
На рисунке показан пример построения VLAN из компьютеров, подключенных к различным коммутаторам. Обратите внимание, что при использовании агрегированных каналов (на рисунке для связи устройств Switch 2 и Switch 3) в состав VLAN на каждом коммутаторе должны включаться именно агрегированные порты (обычно получают названия AL1, AL2 и т. д.).
Теги 802.1 q
В соответствии со стандартом 802. lq номер VLAN передается в специальном поле кадра Ethernet, которое носит название TAG. Поэтому пакеты, содержащие такое поле, стали называть тегированными (tagged), а пакеты без этого поля - нетегированпыми (untagged). Поле TAG включает в себя данные QoS (поэтому все пакеты, содержащие информацию о качестве обслуживания. являются тегированными) и номер VLAN, на который отведено 12бит. Таким образом, максимально возможное число VLAN составляет 4096.
Сетевые адаптеры рабочих станций обычно не поддерживают теги, поэтому порты коммутаторов уровня доступа настраиваются в варианте untagged. Для того чтобы через один порт (обычно это магистральные порты или порты соединения двух коммутаторов) можно было передать пакеты нескольких VLAN, он включается в соответствующие VLAN в режиме tagged. Коммутатор будет анализировать поля TAG принятых пакетов и пересылать данные только в ту VLAN, номер которой содержится в поле. Таким образом через один порт можно безопасно передавать информацию нескольких VLAN.
Примечание
При соединениях "точка - точка" порты для одинаковых VLAN должны быть либо оба tagged, либо оба untagged.
При создании VLAN следует учитывать тот факт, что служебная сетевая информация пересылается нетегированными пакетами. Для правильной работы сети администратору необходимо обеспечить передачу таких пакетов по всем направлениям. Самый простой способ настройки заключается в использовании VLAN по умолчанию (VLAN 1). Соответственно, все порты компьютеров необходимо включать в VLAN с другими номерами. |
В VLAN 1 по умолчанию находятся интерфейсы управления коммутаторами, причем ранее выпускавшиеся модели коммутаторов не позволяют сменить номер для VLAN управления. Поэтому администратору следует тщательно продумать систему разбиения на VLAN, чтобы не допустить случайного доступа к управлению коммутаторами посторонних лиц, например, можно переместить все порты доступа коммутатора в другую VLAN, оставив для VLAN 1 только магистральный порт. Таким образом, пользователи не смогут подключиться к управлению коммутатором.
Протокол GVRP предназначен для автоматического создания VLAN. С его помощью можно автоматически назначать порты во все вновь создаваемые VLAN. Несмотря на определенные удобства, такое решение является существенной брешью в системе обеспечения сетевой безопасности. Администратор должен представлять структуру VLAN и производить назначения портов ручными операциями.
Маршрутизация в сетях предприятий
Информация внутри локальной сети, которая определяется IP-адресом и маской подсети, пересылается от одного компьютера к другому: отправитель посылает пакет непосредственно на физический адрес получателя. Если отправитель и получатель данных находятся в различных сетях, то данные, предназначенные для компьютера другой сети, передаются на специальное устройство-маршрутизатор, которое должно обеспечить пересылку информации. В малых организациях обычно существует только одна точка подключения к глобальной сети, поэтому правила пересылки данных крайне просты: информация для внешней сети должна пересылаться на один компьютер (обычно назначаемый шлюзом по умолчанию), который пересылает все такие данные на один адрес во внешней сети.
Как уже говорилось, отдельные VLAN изолированы друг от друга. На практике обычно возникает необходимость управляемой передачи данных из одной VLAN в другую, для того чтобы, например, обеспечить доступ компьютеров к серверам организации или в Интернет. В этих случаях необходимо настроить машрутизацшо.
Обычно маршрутизация выполняется средствами активного оборудования сети передачи данных. Коммутаторы, которые могут передавать пакеты из одной сети в другую, называют коммутаторами уровня З. Коммутаторы уровня 2 могут только разбить сеть на несколько VLAN; передать данные из одной VLAN в другую они не могут.
Примечание
Функцию маршрутизации могут выполнить программным образом как серверы, так и рабочие станции Windows. Это допустимо в небольших сетях, но требует установки дополнительных сетевых адаптеров и соответствующей настройки. Обычно функцию маршрутизации возлагают на активное сетевое оборудование, поскольку это более надежное и производительное решение.
Для использования функций маршрутизации на коммутаторах третьего уровня для VLAN необходимо создать интерфейсы и присвоить им IP-адреса. После этого между таким VLAN может быть осуществлена пересылка пакетов.
Если на одном коммутаторе создано несколько интерфейсов VLAN и им присвоены IP-адреса, то такие интерфейсы станут считаться локальными, маршрутизация между ними будет включена сразу же.
Автоматизация настроек маршрутизации
Обычно VLAN распределены по всей сети организации и информация, предназначенная для конкретной VLAN, должна "пройти" через несколько промежуточных сетей. Соответствующие пути могут быть определены вручную (статическая маршрутизация). Но при большом числе VLAN вручную отслеживать изменения, тем более автоматически перестраивать пути в случае повреждения каналов связи, становится практически нереальным. На помощь приходят протоколы автоматической маршрутизации. I
В относительно небольших организациях применяются два протокола: RIP и OSPF.
RIP
- самый простой в использовании протокол автоматической маршрутизации. Он не требует никакой настройки от администратора. Достаточно только включить использование RIP для всего маршрутизатора и для каждого отдельного интерфейса VLAN.
RIP периодически рассылает широковещательным (RIP версии 1) или муль-тикастовым (RIP версии 2) образом информацию о собственной таблице маршрутизации. Приняв аналогичный пакет от другого маршрутизатора, RIP производит изменение локальной таблицы маршрутизации. В результате через некоторый промежуток времени коммутаторы будут "знать" маршруты. присутствующие на каждом устройстве.
Недостатками RIP являются излишняя "шумливость" (постоянная рассылка большого количества информации) и плохая масштабируемость для крупных сетей.
Протокол OSPF
позволяет создавать таблицы маршрутизации больших сетей. Он требует предварительной настройки, хотя в случае не очень крупной сети эти операции не являются сколько-нибудь сложными.
В самой минимальной конфигурации достаточно включить использование протокола OSPF на коммутаторе, создать одну область (обычно ее называют областью 0- area 0) и активизировать протокол OSPF для каждого интерфейса V LAN.
Протокол OSPF позволяет настроить безопасную передачу данных о таблицах маршрутизации (данные будут приниматься, например, только после идентификации маршрутизатора безопасным способом).
Различным линиям связи можно назначить весовые коэффициенты, что позволит администратору более точно настроить выбираемые коммутатором пути передачи данных. В случае сложной структуры сети можно создать несколько различных зон и настроить их параметры так, чтобы минимизировать служебный трафик и ускорить сходимость таблиц маршрутизации в случае изменения топологии.
DHCP-relay
Запросы на получение IP-адреса являются широковещательными и рассылаются только в пределах одной VLAN. Создание надежной службы DHCP для каждой VLAN обычно нерационально, поскольку один DHCP-сервер может обслуживать большое число сетей.
Для передачи запроса на получение IP-адреса из одной сети в другую необходимо использовать специальную программу, называемую агентом DHCP, которая будет проверять наличие в сети запросов на получение IP-адреса и переправлять их на сервер DHCP уже от своего IP-адреса. Такие пакеты маршрутизируются между сетями, поскольку являются одноадресными (приходит с адреса агента на адрес DHCP-сервера). Сервер DHCP, получив такой запрос, "знает", что нужно предоставить IP-адрес из диапазона адресов, соответствующего адресу агента, сообщает всю информацию агенту и процесс завершается обычным для аренды адреса образом.
DHCP-агента можно реализовать как программным образом на сервере Windows в настройке службы маршрутизации и удаленного доступа, так и на коммутаторах третьего уровня.
В случае настройки коммутатора достаточно включить данную функцию и для каждого интерфейса VLAN указать адреса DHCP-серверов, на которые следует пересылать запросы аренды адреса.
Программная маршрутизация
Рабочие станции Windows могут выступать в качестве маршрутизаторов только при установке специализированных программ третьих фирм, например, WinRoute. Существует большое количество аналогичных программ (многие из которых бесплатны), используемых даже в системах на Windows 9х. Серверы Windows уже включают в себя возможность маршрутизации - в их составе присутствует Служба маршрутизации и удаленного доступа (Routing and Remote Access Server, RRAS).
Служба RRAS осуществляет многопротокольную маршрутизацию пакетов, позволяет создавать соединения по требованию и осуществлять для них маршрутизацию данных. Начиная с Windows 2000, служба RRAS устанавливается автоматически, но находится в отключенном состоянии. Для ее запуска следует открыть консоль управления RRAS и выполнить задачу Настроить и включить маршрутизацию и удаленный доступ.
Сервер RRAS может выполнять как статическую, так и динамическую маршрутизацию. Настройка статической маршрутизации через оснастку RRAS - это просто использование графического интерфейса вместо утилиты route. Больший интерес представляет возможность включения динамических протоколов маршрутизации - Routing Information Protocol (RIP) и Open Shortest Path First (OSPF).
Мост
Частным случаем взаимодействия двух сетей является такой вариант объединения сегментов, когда сигналы из одного сегмента должны без всякого ограничения попадать в другой, и наоборот. Реализовать эту функцию легко даже на рабочих станциях путем создания мостов (bridges).
Создание моста на рабочих станциях Windows XP позволяет "прозрачно" объединить несколько Ethernet-сетей. Например, обеспечить передачу пакетов из беспроводного сегмента сети в локальную сеть или соединить несколько сегментов сети, к которым подключен данный компьютер.
Для создания моста между сегментами следует открыть задачу Сетевые подключения, выделить два соответствующих Ethernet-адаптера и в меню свойств выбрать команду Создать мост
.
Примечание
При создании моста используются алгоритм spanning tree algorithm, который предупреждает зацикливание пересылки пакетов, если соединяемые мостом сегменты имеют и другие точки взаимного подключения.
Поскольку мост обеспечивает передачу всех пакетов из одного сегмента сети в другой, то данное решение не следует использовать для интерфейсов доступа в Интернет.
Надежность сетевой инфраструктуры
Необходимым условием надежной работы информационной системы является безотказное функционирование каналов связи. Данная задача решается путем дублирования как собственно каналов связи, так и активного оборудования (коммутаторов). Понятно, что на практике отказоустойчивая конфигурация сети создается только в тех случаях, когда простои в работе информационной системы недопустимы и могут привести к существенным экономическим потерям.
Дублирование каналов связи и оборудования производят как в ядре сети (обязательно), так и на уровне распределения (рекомендуется). Подключение оконечных устройств (рабочих станций пользователей) не дублируется.
Отказоустойчивая топология сети передачи данных
На предыдущих рисунках показаны варианты отказоустойчивой схемы сети передачи данных. Связи между коммутаторами уровня распределения и ядра дублированы, коммутаторы также дублированы. Серверы предприятия отказоустойчивым образом подключены к коммутаторам ядра (один сетевой интерфейс сервера подключен к одному коммутатору, второй - к другому).
Примечание
Отказоустойчивые схемы, несмотря на кажущуюся простоту, требуют тщательной настройки коммутаторов. При этом в зависимости от выбранного варианта конфигурации может потребоваться использование протоколов, которые не поддерживаются относительно дешевыми моделями оборудования.
Простое соединение двух коммутаторов двумя кабелями создаст кольцо, которое недопустимо в сети Ethernet. Результатом станет широковещательный шторм и практическая неработоспобность сегмента сети. Поэтому создание отказоустойчивых решений требует первоначальной настройки активного оборудования.
Существует два варианта построения сети, использующей топологию соединений, изображенную на рисунках. Первый вариант использует протоколы, работающие на втором уровне модели OSI. Второй основан на протоколах маршрутизации третьего уровня модели OSI.
Построение отказоустойчивой сети на основе протоколов второго уровня
Отказоустойчивая конфигурация, построенная с использованием протоколов второго уровня, обеспечивает самое быстрое восстановление в случае аварии. Сеть может восстановиться за 13 секунд или даже еще быстрее в случае использования проприетарных протоколов.
Проприетарным называют протокол, не описываемый открытым стандартом, а являющийся уникальной технологией определенного вендора. Хотя использование проприетарных решений позволяет получить лучшие показатели по сравнению с открытыми стандартами, но такой выбор связан с ориентацией на использование оборудования только одного вендора и с вытекающими из этого рисками.
При математическом описании тех или иных физических объектов, как правило, отвлекаются от целого ряда второстепенных факторов и процессов, действующих в этих физических объектах. Такая абстракция необходима для создания общей математической теории для целого класса родственных между собой физических процессов.
Целью настоящей книги является математическая теория анализа и синтеза физических устройств, предназначенных для переработки дискретной информации.
Мы будем изучать не сами эти устройства, а некоторым образом адекватные им математические схемы. Эта адекватность выражается в том, что работа обеих схем (физической, реально действующей и математической, абстрактной) описывается с помощью одних и тех же математических соотношений.
Такую адекватную математическую схему мы будем называть логической сетью.
Дадим более четкое определение понятия логической сети. Пусть мы имеем конечное множество А
И пусть нам задано множество В, элементами которого являются упорядоченные пары элементов множества А
Здесь - любые из элементов множества
Пусть, наконец, нам задано некоторое множество элементами которого являются логические функции
Установим однозначное отображение множества А на т. е. сопоставим каждому элементу множества А один из элементов множества
Определение 3-1. Совокупность множества А и В совместно с однозначным отображением множества А на множестве называется логической сетью.
Геометрической интерпретацией логической сети служит некоторая схема логической сети, которая строится следующим образом.
Рис. 3-1. (см. скан)
На плоскости в произвольном порядке располагаются элементы множества А (для их обозначения будем использовать кружок). Эти элементы называются вершинами графа (рис. 3-1,а). Символ соответствующего данному кружку элемента (т. е. номер) пишется рядом с этим кружком. Внутри
кружка вписывается элемент множества сопоставленный при отображении А на элементу, соответствующему данному кружку. Наконец, все кружки соединяются между собой ориентированными стрелками согласно элементам множества В. Элементу соответствует стрелка, идущая от кружка, сопоставленного элементу к кружку, сопоставленному элементу Эти стрелки носят название дуг графа.
Пример 3-1. Пусть
и отображение А на задано как
Соответствующая схема заданной логической сети показана на рис. 3-1,а.
Рассмотрим множество аргументов
Произведем теперь отображение некоторых подмножеств множества X на некоторые элементы множества А
где X - некоторое подмножество множества X.
При геометрической интерпретации элементы множества X будем изображать жирными точками и называть входами, схемы логической сети. Задание отображения подмножества X на элементы а эквивалентно заданию множества С следующего вида:
Геометрической интерпретацией множества С являются дуги, проведенные из соответствующих входов схемы к вершинам графа, сопоставленным нужным элементам множества А.
Пример 3-2. Для логической сети рис. 3-1,а заданы:
Соответствующая схема логической сети чриведеиа на рис. 3-1,б.
Потребуем теперь, чтобы элементы множества В обладали тем свойством, что для всякого элемента Подобную логическую сеть назовем упорядоченной или логической сетью без обратных связей.
Теперь ограничим отображение множества А на следующим образом. Потребуем, чтобы функция сопоставляемая вершине с номером зависела от стольких аргументов, сколько дуг входит в данную вершину. Эквивалентным требованием является органичение на элементы множеств В и С при заданном отображении А на Суммарное число пар вида не должно превышать числа аргументов, имеющихся у функции, сопоставленной вершине с номером Логическую сеть, для которой выполнено это требование, назовем правильной.
Определение 3-2. Упорядоченная и правильная логическая сеть называется регулярной логической сетью (РЛС).
В дальнейшем будем рассматривать только правильные логические сети, а на протяжении этого раздела ограничимся рассмотрением только регулярных логических сетей. Рассмотрим, наконец, множество выходов
Произведем теперь взаимно однозначное отображение некоторого подмножества А множества А на множество Геометрической интерпретацией этого отображения будут дуги, направленные от элементов множества А к соответствующим элементам множества Элементы множества как и элементы множества X, будем обозначать жирными точками.-полюсник, вход у которого является фиктивным, поэтому он опущен на схеме логической сети (рис. 3-1,г).
Теория логических сетей включает в себя целый ряд различных разделов. В этих разделах изучаются вопросы, связанные с поисками методов эффективного преобразования информации, оптимальным кодированием, геометрией сетей, проблемами надежности сети и т. д. Из всего множества этих проблем мы в настоящей книге рассмотрим только проблемы, связанные с анализом и синтезом логической сети. В последующих параграфал и главах будут рассмотрены проблемы анализа и синтеза регулярных логических сетей, во втором разделе рассматриваются подобные же проблемы для сетей с обратными связями.
На последнем занятии, а это была лекция № 3, мы изучили вопросы, посвященные решению задачи коммутации в сетях ЭВМ. При этом были рассмотрены частные задачи, необходимые для решения обобщенной задачи коммутации в сети, сравнительная характеристика и область использования методов коммутации каналов и пакетов и сущность применяемых в сетях с коммутацией пакетов механизмов продвижения информации через сеть - дейтаграммной передачи и виртуальных каналов.
Для проверки качества усвоения учебного материала лекции проведем контрольный опрос.
Контрольные вопросы:
Какие частные задачи необходимо решить для обеспечения коммутации в сети?
Какие критерии оптимальности нашли применение при определении маршрута?
Поясните сущность операций мультиплексирования и демультиплексирования.
Основные достоинства и недостатки сетей с коммутацией каналов (пакетов).
Сущность дейтаграммного способа передачи данных.
Сущность способа передачи данных с использованием виртуальных каналов.
Сегодня на занятии мы продолжим изучение темы №1: « Архитектура сетей ЭВМ » и рассмотрим тему:« Структуризация и характеристики сетей ЭВМ ».
Основная часть
1. Физическая и логическая структуры сети
1.1. Причины структуризации сетей
В сетях с небольшим (10-30) количеством компьютеров чаще всего используется одна из типовых топологий - общая шина, кольцо, звезда или полносвязная сеть. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности. Такая однородность структуры делает простой процедуру наращивания числа компьютеров, облегчает обслуживание и эксплуатацию сети. В больших сетях использование типовых структур порождает различные ограничения, важнейшими из которых являются:
ограничения на длину связи между узлами;
ограничения на количество узлов в сети;
ограничения на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети.
Для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации сети и специальное структурообразующее оборудование - повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы. Оборудование такого рода также называют коммуникационным, имея в виду, что с его помощью отдельные сегменты сети взаимодействуют между собой.
Различают топологию физических связей (физическую структуру) и топологию логических связей (логическую структуру). Конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров, здесь ребра графа соответствуют отрезкам кабеля, связывающим пары узлов. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.
1.2. Физическая структуризация сети
Простейшее из коммуникационных устройств - повторитель - используется для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети. Повторитель передает сигналы, приходящие из одного сегмента сети, в другие ее сегменты. Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала - восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т. п. Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, часто называютконцентратором , илихабом .
В работе концентраторов любых технологий много общего - они повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах (см. рис. 1). Концентраторы характерны практически для всех базовых технологий локальных сетей - Ethernet , ArcNet , Token Ring , FDDI , Fast Ethernet , Gigabit Ethernet . Добавление в сеть концентратора всегда изменяет ее физическую топологию, но при этом оставляет без изменения логическую топологию. Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают.
Физическая структуризация сети с помощью концентраторов полезна не только для увеличения расстояния между узлами сети, но и для повышения ее надежности. Например, если какой-либо компьютер сети Ethernet с физической общей шиной из-за сбоя начинает непрерывно передавать данные по общему кабелю, то вся сеть выходит из строя и для решения проблемы остается только один выход - вручную отсоединить сетевой адаптер этого компьютера от кабеля. В сети Ethernet эта проблема может быть решена автоматически - концентратор отключает свой порт, если обнаруживает, что присоединенный к нему узел слишком долго монопольно занимает сеть
Рис. 1. Концентраторы технологий EthernetиTokenRing.
Моделирование реакций (поведения) ансамблей, составленных из многих элементов (и тем более нервной системы в целом), с детальной имитацией всех или даже большинства свойств реального нейрона на физических моделях в настоящее время является практически неразрешимой задачей. Поэтому в нейрокибернетике, используя аппарат математической логики, анализируются для этой цели логические сети, состоящие из множества логических элементов, каждый из которых выполняет какую-либо элементарную логическую функцию, т. е. осуществляет определенную логическую зависимость между входными и выходными сигналами. Наибольшее распространение получили сети с двоичными логическими элементами, когда сигналы на выходе могут иметь только два значения (0; 1) по принципу "все или ничего". Используя правила алгебры логики, с помощью сети из двухзначных логических элементов можно представить различные логические формулы, или "высказывания", причем задача состоит в том, чтобы определить истинность или ложность сложного высказывания, полученного на выходе системы, в зависимости от истинности и ложности высказываний сигналов на входе.
Обычно высказывания обозначаются большими латинскими буквами: А, В, С, ..., а логические действия над ними с помощью значков операторов.
Утверждение (или тавтология) не имеет отдельного знака и обозначается буквой высказывания. Отрицание высказывания А (оператор "не") есть такое высказывание, которое истинно, если А ложно, и ложно, когда А истинно. Обозначается чертой "-" сверху.
Конъюнкция высказываний (оператор И, логическое умножение) - сложное высказывание, которое будет истинным только в случае, когда истинны все его составляющие (т. е. и первое, и второе и т. д.). Конъюнкция обозначается значком "∧", а в табл. 12 даны примеры для двух составляющих. В электрической цепи конъюнкция означает последовательное соединение контактов - ток течет, только если все контакты замкнуты.Дизъюнкция (оператор "или", логическое сложение) - высказывание, которое ложно, если ложны все составляющие, и истинно во всех остальных случаях (здесь значок "∨" имеет смысл союза "или" "неразделительного"). В параллельной схеме соединения контактов ток течет, если хоть один из контактов замкнут.
Таблица 12. Примеры конъюнкции, дизъюнкции, эквивалентности и
импликации двух составляющих
Эквивалентность - "∼" - сложное высказывание, истинное в том случае, когда значения истинности составляющих высказываний одинаковы, и ложное, если они различны.
Импликация двух высказываний - А "→" В - такое сложное высказывание, которое всегда истинно, кроме случая, когда А истинно, а В ложно. Используя знак инверсии (оператор "не"), можно образовывать и другие логические высказывания. Так, например, "отрицание импликации" позволяет моделировать реакцию нейрона, имеющего возбуждающий (А) и тормозящий (В) синапсы. Сигнал на выходе появится, очевидно, только тогда, когда имеется сигнал А и нет В, иначе это условие можно представить как: (А ∧ В¯).
Число различных сложных высказываний, полученных посредством указанных логических операций из n простых высказываний, равно 2 2n . В частности, для двух переменных (А и В) число различных сложных высказываний N = 2 2 2 = 16, в которое входят и рассмотренные выше. Логической сетью называется совокупность соединенных между собой логических элементов, с помощью которой можно моделировать функции математической логики. Основные задачи теории логических сетей сводятся к анализу данной сети (определение реализуемой функции, преобразование заданной сети в алгебраически ей эквивалентную) и синтезу (по данной логической функции построить логическую сеть с минимальным числом элементов и т. д.). Логические сети являются основными функциональными устройствами цифровых вычислительных и управляющих машин. Наиболее распространенные логические сети строятся из трех типов логических элементов, выполняющих операции "и", "или", "не", с помощью которых можно реализовать любую логическую функцию.
Физическая (техническая) реализация логических элементов осуществляется различными способами. На рис. 85 показаны обозначения основных элементов на схеме (А) и их аналогии на электромеханических реле (Б) и на электронных лампах (В). Для реализации логических сетей с параметрами, зависящими от времени, используют еще два типа элементов -задержки исчетчик импульсов . Задержкой (или линией задержки) является двухполюсник, на выходе которого сигнал просто повторяет значение входного сигнала, но с запаздыванием на время задержки. Счетчиком называют трехполюсник с одним выходом и двумя входами -счет исброс . Если счетчик на n импульсов находится в нулевом положении, а на счетный вход подается серия импульсов, то на выходе сигнал появится после прохождения n импульсов, после чего счетчик возвращается в нулевое положение. При появлении импульса на втором входе происходит сброс показаний до нулевого, после чего счет поступающих импульсов начинается снова.
Рис. 85. Логические элементы "не", "и", "или" (А) и их техническая
реализация; Б - на электромагнитных реле, В - на электронных лампах
Таким образом, логическая сеть представляет собой дискретную структуру из различных логических элементов (рис. 86), соединенных между собой таким способом, что выход одного или нескольких из них является входом для другого. Часть элементов, входы которых свободны от связи с другими элементами, называются входными. Другие, не имеющие связей на выходе, называются выходными (остальные относятся к внутренним). Задать логическую сеть - значит указать состояние всех элементов в данный момент и порядок перехода из одного состояния в другое. Тогда при наличии информации о воздействии внешних сигналов на входные элементы (входной алфавит) можно определить состояние выхода в сети (выходной алфавит). Однозначно, если сеть детерминирована, и с некоторой вероятностью, если порядок переходов определен лишь с некоторой вероятностью. В абстрактной теории автоматов содержание понятий "автомат" или "машина" определяется формальным описанием того преобразования информации или состояний, которое осуществляется данным автоматом. Принято различать автоматы с бесконечной памятью (машина Тьюринга), автоматы на неограниченное число действий (при ограниченном числе различных операций) и конечные автоматы.
Рис. 86. Условные изображения и схема функционирования некоторых
элементов логических сетей
Конечным автоматом называется логическая сеть с m входными состояниями x 1 , х 2 , ... х, n внутренними состояниями (q 1 , q 2 , ..., q n) и k выходными состояниями (y 1 , y 2 , ... y k). Время отсчитывается дискретными тактами 1, 2, 3, ... t для всех элементов одномоментно. Состояние выхода автомата в данный момент зависит от состояния входа (или внутреннего состояния) в предшествующем такте (могут быть и другие зависимости):
где φ и ψ - функции перехода состояний и выходов, задаваемые обычно таблицами или диаграммами переходов.
Изучение проблем синтеза конечных автоматов производится в терминах представимостисобытий , понимаемых как определенное множество состояний входов, которые представляются изоморфными множествами внутренних или выходных состояний. При анализе конечных автоматов решается обратная задача: по заданной таблице переходов установить, какие события представляет данный автомат. Сюда же относится задачаминимизации - найти схему автомата, эквивалентного данному, но с наименьшим числом состояний. Для моделирования биологических систем представляют интерес автоматы с изменяющейся под влиянием внешних воздействий структурой. Рассмотрим процесс обучения простого автомата с линейной тактикой (Цетлин, 1961; Варшавский, Воронцова и Цетлин, 1962), имеющего несколько состояний, причем переход в то или иное состояние зависит от воздействия, которое он получает на входе от внешней среды. Воздействия среды разделяются автоматом на два класса, условно обозначенные как "штраф" и "поощрение", причем задачей обучения автомата является выработка такого "поведения", чтобы математическое ожидание штрафов было бы наименьшим (примером может служить автомат, изменяющий свои действия после "штрафа" и повторяющий их после "поощрения").
Интересно изучить поведение автомата в среде, свойства которой изменяются во времени, например, переключаются с некоторой вероятностью. Оказалось, что для каждой частоты переключений существует оптимальное число автомата (Цетлин, 1961). Наличие оптимума объясняется тем, что если среда изменяется медленно, то можно применять длинный алгоритм, который работает долго, но более точно (за счет изменения шага квантования состояний). Если же среда изменяется быстро, то такой алгоритм сработает слишком поздно. Этот результат интересно сравнить с проблемой оптимальной подвижности нервных процессов при переделке условных рефлексов. В простейшем случае полагают, что выход нейрона имеет только два состояния в соответствии с правилом "все или ничего", и эти состояния в каждый данный момент определяются однозначно состоянием его входов, действующих по такому же правилу.
На основании таких определений формального нейрона Мак Каллох и Питтс (1956) создали абстрактную модель нервной сети, которая состоит из конечного числа нейронов, связанных между собой определенным образом. Каждый нейрон соединен с соседними при помощи аксона с нервными окончаниями, которые относятся при анализе сети к следующему нейрону. Число входов (синапсов) может быть любым, но каждый синапс может быть или возбуждающим, или тормозящим. Синапсы могут иметь различный вес, определяемый специальным коэффициентом, который имеет разные знаки для возбуждающих и тормозных синапсов. Нейрон возбуждается в том случае, если сумма возбуждающих синаптических коэффициентов превышает значение порога данного нейрона, и не возбужден ни один тормозящий синапс. Нейрон называется входным или рецепторным, если ни одно нервное волокно на нем не оканчивается. Его выход определяется состоянием входов вне нервной сети в данный момент. Состояние внутренних нейронов определяется суммой синаптических влияний со стороны его входов в предыдущий момент времени, поскольку время для данной сети отсчитывается дискретными тактами, а в каждом синапсе всегда происходит временная задержка на один такт. Иными словами, состояние выхода нейрона в данный момент определяется состояниями его входов в предыдущем такте. Возбуждение тормозящего синапса исключает возбуждение нейрона в данный момент времени. Структура нервной сети неизменна. Более поздние исследования несколько изменили понятие формального нейрона. В частности, тормозной сигнал перестал быть абсолютно запрещающим, и условия возбуждения нейрона определяются разностью возбуждающих и тормозящих сигналов, которая должна превосходить некоторое число, называемое порогом данного нейрона (рис. 87). В дальнейшем появились и другие разновидности формальных нейронов, в том числе и такие, свойства которых изменяются во времени или под влиянием внешнего сигнала (Brain, 1961; Blum, 1962).
Рис. 87. Логические функции, вычисляемые различными схемами
синаптических соединений при разных значениях порога
Некоторое упрощение логической нервной сети можно получить, используя однородные пороговые элементы, где появление реакции на выходе описывается функцией
где n - порог возбуждения, а k - вес входа (синаптическое число), а функция y получает значение 1 или 0, если выражение в скобках больше или меньше нуля.
Логический анализ пороговой модели показал возможности реализации большого числа логических функций (Варшавский, 1963) и создание систем с высокой надежностью работы (Сочивко, 1965). При очень большом числе элементов поведение (или изменение состояния всех элементов) логической сети становится весьма сложным и трудно обозримым даже в математической форме. Это привело к созданию моделей сплошных (непрерывных) возбудимых тканей, или континуальных моделей (Гельфанд и Цетлин, 1960; Балаховский, 1961; Варшавский; 1963).
Понятие возбудимой ткани можно пояснить рассмотрением нервной сети в мелком масштабе, когда ее отдельные элементы уже не различимы. В простейшем случае рассматривают изотропную ткань, которая обладает следующими свойствами. Каждая точка ткани может возбуждаться спонтанно с определенным периодом Т или под влиянием соседних возбужденных точек. После мгновенного возбуждения следует период рефрактерности (R < Т). Возбуждение может волнообразно распространяться во все стороны со скоростью, пропорциональной в данной точке ее фазе, т. е. времени, которое прошло с момента последнего возбуждения (понятно, что через зону рефрактерности волна возбуждения распространяться не может). На модели непрерывных возбудимых тканей были изучены их интересные свойства. Они способны к самосинхронизации, и отдельные участки таких тканей обладают памятью на предыдущие внешние воздействия и даже могут выполнять некоторые логические операции. Такое устройство памяти, по мнению авторов, имеет высокую надежность работы, недостижимую для дискретных моделей. Дополнительные возможности моделирования возникают, если создать анизотропную ткань, в которой направление распространения волны возбуждения поддается управлению. Континуальные модели успешно применяются для моделирования процессов синхронизации активности множества элементов в биологических однородных тканях (Гельфанд и соавт., 1962; Лукашевич, 1964).
Логические сети создаются при помощи красных или зеленых проводов и позволяют контролировать устройства-приемники , используя передачу информации в сеть со всех устройств-передатчиков . Большая часть передатчиков – устройства хранения, они транслируют информацию по специальному каналу, в зависимости от предмета или типа жидкости, хранящейся в устройстве хранения. Каждая логическая сеть имеет канал на каждый тип предмета, а также на 45 дополнительных Виртуальных сигналов которые используются как настраиваемые пользовательские каналы.
Contents
Физическая структура сети
Логическая сеть включает в себя только те устройства, которые соединены проводом одного цвета. Провод может быть проятнут напрямую от устройства к устройству, либо через столбы ЛЭП.
Важно понять, что каждый подключенный набор проводов создает отдельную сеть. Например возможно иметь четыре сети с красными проводами и три – с зелеными. Красные и зеленые сети всегда будут отдельными, даже если они соприкоснутся где-либо на столбах ЛЭП или в устройстве.
- Для совединения проводов или кабелей к столбу ЛЭП просто протяните провод до основания столба.
- Чтобы убрать провод или кабель, протяните провод того же цвета над текущим соединением. Провод/кабель назад не возвращается.
- Для того, чтобы убрать все подключения к конкретному столбу ЛЭП, используйте сочетание SHIFT+ЛКМ. Первый щелчок уберет все электрические провода, второй – все зеленые и красные провода. Назад провода вы не получите.
- Во время подключения к арифметическому комбинатору или Сравнивающему комбинатору , внимательно следите за тем, чтобы подключить провод на правильную сторону – на вывод или на ввод. Чтобы узнать это включите детализированный режим (ALT).
Транслируемая информация
Передающие устройства транслируют количество предметов или жидкости которые на данный момент содержатся в них, либо любые другие данные, обозначенные игроком. Каждый транслируемый объем является числовым значением в "канале", соответствующему хранящемуся премету. К пример, Цистерна, содержащая 1000 единиц нефти будет транслировать значение равное 1000 по каналу «Нефть».
Несколько трансляций одного предмета или жидкости складываются: если к сети подключено две цистерны, в которые залито по 1000 единиц нефти, значение канала «нефть» будет равна 2000.
Провода, соединенные вместе будут передавать сигналы по одному цвету. Например, если два красных провода подключнеы к входу одного комбинатора, оба провода будут получать сведения друг от друга. Если не принять мер, может начаться проблема обратной связи. Подробней об этой проблеме ниже.
Использование информации
Условие примера: "Работать только если количество железных пластин ниже, чем количество стальных."
Приемники могут использовать транслируемую информацию, в большинстве случаев, чтобы включить/выключить устройство.
Они могут либо сравнивать значения разных каналов, либо сравнивать значение канала с фиксированным значением. Манипулятор на картинке работает, если количество жлезных пластин ниже, чем количество стальных.
Приемники суммируют все сигналы с каждого провода, подключенного к ним. Даже если это и красные, и зеленые провода. К примеру, если манипулятор подсоединен к красному проводу, по которому идет информация о 20 железных пластинах, к зеленому проводу, несущему сведения о 10 медных пластинах, и еще одному зеленому проводу с информацией о 5 железных пластинах, входящий сигнал на манипулятор будут 25 железных пластин и 10 медных.
Основы
Несложная логическая сеть позволит заполнить сундук заданным количеством предметов.
Простейшую сеть можно создать, соединив програмируемый манипулятор с сундуком рядом. Так можно контролировать количество предметов в сундуке. (обратите внимание, что вам не обязательно использовать столбы ЛЭП для соединения – как показано на картинке. Можете соединить их напрямую)
Комбинаторы
Комбинаторы совмещают в себе возможности приемников и передатчиков, что позволяет логической сети использовать сложные функции.
- Постоянный комбинатор транслирует до 15 значений в любой из каналов, по любой из подключенных к нему сетей. (На данный момент вы не можете уточнять, какое именно значение – красное или зеленое – использовать. Если нужны разные значения – используйте два комбинатора – под каждый цвет). Вы можете использовать канал любого предмета либо каналы виртуальных сигналов .
- Обратите внимание, что использовать два из 15 слотов для трансляции значений на том же канале – это то же самое, что транслировать сумму двух значений в один слот.
- Арифметический комбинатор выполняет арифметические операции с поступаемыми значениями и транслирует результат на указанном канале вывода. Каналы входа и вывода могут занимать канал любого предмета, либо любой из каналов виртуальных сигналов.
- Подключение: Арифметический комбинатор подключается к красной или зеленой сети в свою входную сторону (терминалы ставятся на корпус и выглядят как свечи зажигания) и выполняет арифметические вычисления, которые затем транслируются по указанному каналу на стороне выхода (провода на этой стороне как будто слегка вылезают наружу).
- Обратная связь: Обратите внимание, что входная и выходная сети не являются одной и той же сетью . Соединение выхода к сети, которая направляется на вход приведет к петле обратной связи. К примеру, добавив 1 к значению медных пластин и трансляция в канал медных пластин приводит к тому, что в случае подключения ввода-вывода друг к другу результат создает бесконечный цикл. Количество медных пластин быстро (но не мгновенно) начнет расти. Эту особенность можно использовать с логикой Сравнивающего комбинатора для создания электронных часов, ворот и других систем. Подробней можно ознакомиться вот тут: Combinator Tutorial/ru .
- Каждый: Этот комбинатор может использовать сигнал "Каждый" и для ввода и для вывода. В данном случае все каналы ввода, не равные нулю будут задействовать комбинатор и транслироваться на вывод. Использование сигнала Каждый для ввода и для вывода при использовании неизменной операции (например прибавление нуля) эквивалентно использованию провода "в одном направлении". Вся информация из сети ввода будет копирована в сеть вывода. Обратное невозможно.
- Мультисетевая работа: Арифметический комбинатор может быть подключен одновременно к красной и зеленой сети на сторону ввода и будет складывать их значения.
- Функции Сравнивающего комбинатора сильно напоминают функции Арифметического, но он предназначен для сравнения значений. Говоря о соединении, обратной связи и сигнала Каждый его особенности аналогичны описаным выше. Вдобавок он может обрабатывать сигналы Все и Ничего и при подключении к нескольким сетям выполнять более сложные чем сложение функции. Чтобы понять, как лучше его использовать, прочтите эту статью:
