Объектно-ориентированное моделирование
Общепринятой философией в большинстве современных графических систем при создании чертежей на компьютере является использование наипростейших геометрических примитивов: точек, отрезков и дуг. С помощью различных комбинаций перечисленных примитивов, посредством присвоения их геометрическим свойствам определенных значений (имеются в виду координаты характерных точек, длины, радиусы и т. п.), а также с помощью заложенных в программу команд редактирования пользователь может создавать сколь угодно сложное изображение. Вы можете возразить, что практически в любой графической системе присутствует также еще множество команд для построения, скажем, кривых Безье или NURBS-кривых. Однако пускай это не вводит вас в заблуждение: на аппаратном уровне все эти кривые и сплайны все равно переводятся в последовательный набор отрезков, аппроксимирующих реальную кривую (то есть максимально приближенных к действительному положению кривой). Примерно таков же подход в трехмерном твердотельном моделировании: сложный объемный объект создается посредством последовательных комбинаций различных базовых трехмерных фигур (куба, сферы, конуса, тора и т. п.), а также с использованием базовых формообразующих операций (выдавливание, вращение, булева операция и пр.).
В большинстве случаев такой подход вполне устраивает пользователей, поскольку позволяет формировать изображения и модели фактически любых форм. Однако за это приходится расплачиваться временем, потраченным на освоение функциональных возможностей графической системы, в равной степени как и временем на создание каждого такого чертежа или трехмерной модели. Плата, в сущности, не так и велика, однако в скором времени такой подход перестал устраивать пользователей. Причиной тому в первую очередь следует считать тот факт, что при проектировании пользователь создает модель или изображение реального (пускай еще и не существующего) материального объекта. Любой такой объект реального мира наделен вполне определенными свойствами, которые не всегда можно передать через изображение обычного чертежа или 3D-модель. Надо заметить, что такая возможность с развитием средств, а соответственно и требований в проектировании была бы далеко не лишней. Именно это и послужило толчком, заставившим отдельных разработчиков пойти немного другим путем, в результате чего и был придуман объектный подход.
При объектно-ориентированном моделировании пользователь оперирует не простейшими геометрическими примитивами, а конкретными объектами. К примеру, при построении плана этажа какого-либо здания теперь вместо точек, отрезков и дуг используются стены, окна, двери, отдельные помещения и т. п. Каждый такой объект наделен определенным набором свойств, которые задаются (или же присваиваются по умолчанию) при создании объекта и хранятся в файле документа вместе с изображением чертежа или геометрией трехмерной модели. Для окон эти свойства могут включать габаритные размеры и описание формы окна (прямоугольное, полукруглое, в форме арки или любой другой формы), оптические свойства застекления, материал и текстура рамы. Для стен – толщина, длина и высота стены, материал стены, текстура внешней и внутренней поверхности, факт наличия окон или дверей на данной стене, а также ссылки на объекты, соответствующие этим окнам или дверям.
При трехмерном моделировании 3D-сцена также строится из отдельных объектов, которые система предлагает пользователю на выбор. К примеру, если определенная программа предназначается для моделирования дизайна жилых комнат или коммерческих помещений, то база данных такой программы может быть представлена набором различной мягкой или офисной мебели, шкафов, столов и пр. Каждый трехмерный объект интерьера также владеет специфическими свойствами, позволяющими модифицировать его в определенных пределах (изменять цвет, конфигурацию, подбирать материал и другие свойства).
Применение объектного подхода дает множество преимуществ.
На порядок возрастает скорость создания планов и чертежей.
Чертеж или модель становятся более информативными: при выделении (или редактировании) того или иного объекта вы можете легко определить (заменить) его свойства, причем большинство этих свойств, как правило, на обычном чертеже или модели не смогут быть отображены.
База данных объектов иногда наполняется не просто произвольными, ранее заготовленными, а вполне реальными объектами (к примеру, реально существующие экземпляры мебели от различных фирм, материалы от конкретных производителей и т. п.). В таких случаях в программе обязательно приводятся адреса фирм-поставщиков и производителей, по которым вы сразу после завершения проработки проекта можете обратиться и заказать необходимые материалы и прочие объекты.
Объекты легко изменять и модифицировать, при этом программа отслеживает правильность задания значений определенных свойств (к примеру, вы не сможете создать окно, больше, чем габариты стены, на которой оно размещено). Это облегчает работу и позволяет избегать неумышленных ошибок.
Построенная модель (чертеж) может быть представлена в виде иерархического дерева (рис. 1.1), что облегчает навигацию по проекту, поиск и редактирование его отдельных частей.
Рис. 1.1. Пример иерархического представления строительного плана, созданного на основе объектного подхода
Примечание
Иерархическое представление – далеко не новость в автоматизированном проектировании. Однако в данном случае узлами дерева являются не отдельные части графического изображения, которые, как правило, неинформативны и не несут никакой смысловой нагрузки, а конкретные объекты, разделенные по определенному признаку.
Одним из главных, но вовсе не очевидных преимуществ объектно-ориентированного подхода при создании графических изображений является возможность быстрого и полностью автоматического перехода к трехмерному изображению (другими словами, возможность автоматической генерации трехмерной модели спроектированного объекта). С учетом того, что набор объектов, которыми может оперировать пользователь, в любом случае ограничен, а также учитывая то, что в свойствах каждого объекта можно заложить достаточно информации, чтобы получить полное представление о его форме, становится возможным реализация «поднятия» графического изображения в 3D без каких-либо усилий со стороны пользователя (именно такой подход и реализован в системе ArCon). В итоге пользователь почти мгновенно получает трехмерное представление своего проекта, при этом не затратив практически никаких усилий. Полученную трехмерную модель далее можно будет визуализировать и получить реалистичную картинку или передать в другую систему для дальнейшего редактирования или проведения инженерных расчетов. Более того, в таком случае пользователю вообще не нужно никаких специальных навыков трехмерного моделирования.
Примечание
На это свойство следует обратить больше внимания, поскольку генерация трехмерной модели по чертежам давно является камнем преткновения для всех разработчиков инженерных графических систем. В действительности на практике реализован прямо противоположный принцип – генерация чертежа (по существу – проекции 3D-модели) по готовой модели. Попытка реализовать обратное действие (переход из двухмерного изображения в 3D) имела место в некоторых известных CAD-системах (в частности, в SolidWorks), однако успешной ее назвать сложно. На двухмерное изображение налагаются слишком жесткие ограничения, что не позволяет применять заявленный функционал повсеместно. Объектный подход предоставляет возможность получения завершенной трехмерной модели, конечно, с учетом специфики конкретных объектов.
Несмотря на большое количество преимуществ, перечисленных выше, объектно-ориентированный подход имеет и недостатки.
В первую очередь (и это очевидно) это ограниченность набора готовых объектов, а также невозможность произвольного их изменения. Это отбирает гибкость у программы, из чего следует, что принцип объектного проектирования может быть применен только в специализированных системах (таких, к примеру, как ArCon, Professional Home Design Platinum и пр.). Разработчикам таких систем необходимо основательно учитывать специфику отрасли, для автоматизации и решения задач которой предназначается программный продукт, а также максимально расширять возможность настройки свойств предлагаемых объектов.
Здесь на первый план выходит вопрос стоимости и функционала системы. Если вы на 100 % уверены в том, что та или иная специализированная программа подходит для ваших целей, сомнений при ее покупке не должно возникать. В противном случае вам необходимо более подробно изучить функционал, чтобы убедиться, можно ли будет решать поставленные задачи или же, в худшем случае, придется потратить деньги на «обычный» и дорогой CAD-редактор.
Вторым недостатком объектно-ориентированных графических инженерных систем является проблема интеграции с другими графическими системами. Речь идет не о каких-либо проблемах при передаче данных – обмен как двухмерной, так и трехмерной информацией давно уже считается стандартом для любых коммерческих программ. Суть проблемы заключается как раз в потере значений свойств объектов, а также всех иерархических связей, выстроенных между объектами. Причина понятна: система, в которую планируется экспортировать проект, может не поддерживать объектного подхода или же иметь у собственных объектов список свойств, отличный от данного. По этой причине при сохранении проекта из программы ArCon в какой-либо другой формат (не ArCon-объект) экспортируется только графическое изображение.
Примечание
Забегая наперед, скажу, что проекты ArCon+ 2005 можно экспортировать в различные как двухмерные, так и трехмерные форматы, используя группу команд Файл? Экспортировать в формате (рис. 1.2). Важно отметить, что в программе поддерживаются такие известные форматы обмена данных, как VRML, DXF, формат системы 3ds Max, а также возможность сохранения проекта в выполнимый EXE-файл (подробнее об этом написано далее).
Рис. 1.2. Поддерживаемые форматы для экспорта проектов из ArCon
Еще хуже дело обстоит с импортом данных из других систем. Если они не приведены к определенному формату, «взять» их внутрь объектной специализированной системы невозможно. Скажем, при импорте чертежа из AutoCAD в ArCon может быть загружено лишь изображение. При этом ArCon никак самостоятельно не сможет распознать, где в открытом изображении окна, двери, стены и т. п., и тем более присвоить отдельным объектам вполне разумные свойства. Это значит, что дальнейшее редактирование чертежа в ArCon, как и «поднятие» его в 3D, невозможно. Импортирование, по существу, становится бессмысленным, поэтому преимущественное большинство объектно-ориентированных проектных систем не имеют функций для чтения графических данных извне.
Однако, несмотря на такие существенные недостатки, легкость в работе, а главное – скорость и наглядность выполнения проектов берут верх. Как следствие, в последнее время системы, подобные рассматриваемой в этой книге программе ArCon, нашли широкое применение при решении различных задач проектирования.
При разработке программного обеспечения существует несколько подходов к моделированию. Важнейшие из них – алгоритмический (структурный) и объектно-ориентированный.
Структурный метод представляет традиционный подход к созданию программного обеспечения. Основным строительным блоком является процедура или функция, а внимание уделяется прежде всего вопросам передачи управления и декомпозиции больших алгоритмов на меньшие.
Наиболее современным подходом к разработке программного обеспечения является объектно-ориентированный. Здесь в качестве основного строительного блока выступает объект или класс. В самом общем смысле объект - это сущность, обычно извлекаемая из словаря предметной области или решения, а класс является описанием множества однотипных объектов. Каждый объект обладает идентичностью (его можно поименовать или как-то по-другому отличить от прочих объектов), состоянием (обычно с объектом бывают связаны некоторые данные) и поведением (с ним можно что-то делать или он сам может что-то делать с другими объектами).
В качестве примера можно рассмотреть трехуровневую архитектуру биллинговой системы, состоящую из интерфейса пользователя, программного обеспечения промежуточного слоя и базы данных. Интерфейс содержит конкретные объекты - кнопки, меню и диалоговые окна. База данных также состоит из конкретных объектов, а именно таблиц, представляющих сущности предметной области: клиентов, продукты и заказы. Программы промежуточного слоя включают такие объекты, как транзакции и бизнес-правила, а также более абстрактные представления сущностей предметной области (клиентов, продуктов и заказов).
Если принять объектно-ориентированный взгляд на мир, необходимо ответить на ряд вопросов. Какая структура должна быть у хорошей объектно-ориентированной архитектуры? Какие артефакты должны быть созданы в процессе работы над проектом? Кто должен создавать их? И, наконец, как оценить результат?
Визуализация, специфицирование, конструирование и документирование объектно-ориентированных систем - это и есть назначение языка UML.
Объектно-ориентированные языки моделирования появились в период с середины 70-х до конца 80-х годов, когда исследователи, поставленные перед необходимостью учитывать новые возможности объектно-ориентированных языков программирования и требования, предъявляемые все более сложными приложениями, вынуждены были начать разработку различных альтернативных подходов к анализу и проектированию.
Технология разработки программных систем, в основу которых положена парадигма представления окружающего мира в виде объектов, являющихся экземплярами соответствующих классов, получила название - объектно-ориентированный анализ и проектирование (ООАП) - OOA&D (Object-Oriented Analysis/Design). В рамках этой технологии язык UML является средством графического представления результатов моделирования не только программного обеспечения, но и более широких классов систем и бизнес-приложений, с использованием объектно-ориентированных понятий. При этом явным образом обеспечивается взаимосвязь между базовыми понятиями для моделей концептуального и физического уровня, достигается масштабируемость моделей, что особенно важно для сложных многоцелевых систем.
Сами разработчики языка определяют его как «общецелевой язык визуального моделирования, разработанный для спецификации, визуализации, проектирования и документирования компонентов программного обеспечения, бизнес-процессов и других систем» .
В технологии ООП взаимоотношения данных и алгоритма имеют более регулярный характер: во-первых, класс (базовое понятие этой технологии) объединяет в себе данные (структурированная переменная) и методы (функции). Во-вторых, схема взаимодействия функций и данных принципиально иная. Метод (функция), вызываемый для одного объекта, как правило, не вызывает другую функцию непосредственно. Для начала он должен иметь доступ к другому объекту (создать, получить указатель, использовать внутренний объект в текущем и т.д.), после чего он уже может вызвать для него один из известных методов. Таким образом, структура программы определяется взаимодействием объектов различных классов между собой. Как правило, имеет место иерархия классов, а технология ООП иначе может быть названа как программирование "от класса к классу".
Любое программирование осуществляется по одному из четырех принципов:
· принцип модульности
· принцип «от общего к частному»
· принцип пошаговости
· принцип структурирования
Модульное программирование. Принцип модульности формулируется как требование разработки программы в виде совокупности модулей (функций). При этом разделение на модули должно носить не механический характер, а исходить из логики программы:
1. размер модуля должен быть ограничен;
2. модуль должен выполнять логически целостное и завершенное действие;
3. модуль должен быть универсальным, то есть по возможности параметризованным: все изменяемые характеристики выполняемого действия должны передаваться через параметры;
4. входные параметры и результат модуля желательно передавать не через глобальные переменные, а через формальные параметры и результат функции.
Еще одной, но уже физической единицей программы является текстовый файл, содержащий некоторое количество функций и определений типов данных и переменных. Модульное программирование на уровне файлов - это возможность разделить полный текст программы на несколько файлов. Принцип модульности распространяется не только на программы, но и на данные: любой набор параметров, характеризующих логический или физический объект, должен быть представлен в программе в виде единой структуры данных (структурированной переменной).
Олицетворением принципа модульности является библиотека стандартных функций. Она, как правило, обеспечивает полный набор параметризованных действий, используя общие структуры данных. Библиотеки представляют собой аналогичные программы, независимо оттранслированные и помещенные в каталог библиотек.
Нисходящее программирование. Нисходящее проектирование программы заключается в том, что разработка идет от общей неформальной формулировки некоторого действия программы на естественном языке, "от общего к частному": к замене ее одной из трех формальных конструкций языка программирования:
· простой последовательности действий;
· конструкции выбора или оператора if;
· конструкции повторения или цикла.
В записи алгоритма это соответствует движению от внешней (объемлющей) конструкции ко внутренней (вложенной). Эти конструкции также могут содержать в своих частях неформальное описание действий, то есть нисходящее проектирование по своей природе является пошаговым. Отметим основные свойства такого подхода:
· первоначально программа формулируется в виде некоторого неформального действия на естественном языке;
· первоначально определяются входные параметры и результат действия;
· очередной шаг детализации не меняет структуру программы, полученную на предыдущих шагах;
· если в процессе проектирования получаются идентичные действия в различных ветвях, то это означает необходимость оформления этого действия отдельной функцией;
· необходимые структуры данных проектируются одновременно с детализацией программы.
Пошаговое программирование. Нисходящее проектирование по своей природе является пошаговым, ибо предполагает каждый раз замену одной словесной формулировки на единственную конструкцию языка. Но в процессе разработки программы могут быть и другие шаги, связанные с детализацией самой словесной формулировки в более подробную.
То, что этот принцип выделен отдельно, говорит о необходимости предотвратить соблазн детализации программы сразу от начала до конца и развивать умение выделять и сосредоточивать внимание на главных, а не второстепенных деталях алгоритма.
Вообще нисходящее пошаговое проектирование программы не дает гарантии получения "правильной" программы, но позволяет возвратиться при обнаружении тупиковой ситуации к одному из верхних шагов детализации.
Структурное программирование. При нисходящей пошаговой детализации программы необходимые для работы структуры данных и переменные появляются по мере перехода от неформальных определений к конструкциям языка, то есть процессы детализации алгоритма и данных идут параллельно. Однако это касается, прежде всего, отдельных локальных переменных и внутренних параметров. С самой же общей точки зрения предмет (в нашем случае - данные) всегда первичен по отношению к выполняемым с ним действиям (в нашем случае - алгоритм). Поэтому на самом деле способ организации данных в программе более существенно влияет на ее структуру алгоритма, чем что-либо другое, и процесс проектирования структур данных должен опережать процесс проектирования алгоритма их обработки.
Структурное программирование - модульное нисходящее пошаговое проектирование алгоритма и структур данных.
Объектно-ориентированный подход к программированию включает в себя 3 основные компоненты:
· объектно-ориентированный анализ (ООА),
· объектно-ориентированное проектирование (ООД),
· объектно-ориентированное программирование (ООП).
В любой инженерной дисциплине под проектированием обычно понимается некий унифицированный подход, с помощью которого мы ищем пути решения определенной проблемы, обеспечивая выполнение поставленной задачи. В контексте инженерного проектирования цель проектирования определяется как создание системы, которая
· удовлетворяет заданным (возможно, неформальным) функциональным спецификациям;
· согласована с ограничениями, накладываемыми оборудованием;
· удовлетворяет явным и неявным требованиям по эксплуатационным качествам и потреблению ресурсов;
· удовлетворяет явным и неявным критериям дизайна продукта;
· удовлетворяет требованиям к самому процессу разработки, таким, например, как продолжительность и стоимость, а также привлечение дополнительных инструментальных средств.
Проектирование подразумевает учет противоречивых требований. Его продуктами являются модели, позволяющие нам понять структуру будущей системы, сбалансировать требования и наметить схему реализации.
Программа - это числовая модель проектируемой системы.(рис. 1.3.1.)
Рис. 1.3.1.
Важность построения модели. Моделирование широко распространено во всех инженерных дисциплинах, в значительной степени из-за того, что оно реализует принципы декомпозиции, абстракции и иерархии. Каждая модель описывает определенную часть рассматриваемой системы, а мы в свою очередь строим новые модели на базе старых, в которых более или менее уверены. Модели позволяют нам контролировать наши неудачи. Мы оцениваем поведение каждой модели в обычных и необычных ситуациях, а затем проводим соответствующие доработки, если нас что-то не удовлетворяет.
Элементы программного проектирования. Ясно, что не существует такого универсального метода, который бы провел инженера-программиста по пути от требований к сложной программной системе до их выполнения. Проектирование сложной программной системы не сводится к слепому следованию некоему набору рецептов. Скорее это постепенный и итеративный процесс. И, тем не менее, использование методологии проектирования вносит в процесс разработки определенную организованность. Инженеры-программисты разработали десятки различных методов, которые мы можем классифицировать по трем категориям. Несмотря на различия, эти методы имеют что-то общее. Их, в частности, объединяет следующее:
· условные обозначения - язык для описания каждой модели;
· процесс - правила проектирования модели;
· инструменты - средства, которые ускоряют процесс создания моделей, и в которых уже воплощены законы функционирования моделей. Инструменты помогают выявлять ошибки в процессе разработки.
Хороший метод проектирования базируется на прочной теоретической основе и при этом дает программисту известную степень свободы самовыражения.
Объектно-ориентированные модели. Полезнее всего создавать такие модели, которые фокусируют внимание на объектах, найденных в самой предметной области, и образуют то, что называется объектно-ориентированной декомпозицией.
Объектно-ориентированный анализ и проектирование - это метод, логически приводящий к объектно-ориентированной декомпозиции. Применяя объектно-ориентированное проектирование, создаются гибкие программы, написанные экономными средствами. При разумном разделении пространства состояний мы добиваемся большей уверенности в правильности нашей программы. В итоге, мы уменьшаем риск при разработке сложных программных систем.
Так как построение моделей крайне важно при проектировании сложных систем, объектно-ориентированное проектирование предлагает богатый выбор моделей, (представлены на рис. 1.3.2) Объектно-ориентированные модели проектирования отражают иерархию и классов, и объектов системы. Эти модели покрывают весь спектр важнейших конструкторских решений, которые необходимо рассматривать при разработке сложной системы, и таким образом вдохновляют нас на создание проектов, обладающих всеми пятью атрибутами хорошо организованных сложных систем.
Рис. 1.3.2
ООП -- идеология программирования, основанная на объединении данных и процедур, которые могут работать с этими данными в совокупности, называемые классами.
Сутью ООП является использование привычной в обыденной жизни объектной модели. Каждый объект имеет свои свойства и с ним можно совершить характерные для него действия. Класс -- это тип объекта. Класс описывает и реализует те самые свойства и действия. Объект в нашем понимании будет являться переменной, типом который и будет являться какой-то класс. Полями класса мы будем называть его свойства, а методами -- действия, которые можно совершить с экземпляром этого класса (объектом).
Под примером реализации класса рассмотрим реализацию понятия книги с использованием класса для того, чтобы определить представление книги TBook и множества функций для работы с переменными этого типа:
PagesCount: integer;
function CompareWithBook(OtherBook: TBook): integer;
procedure ShowTitle;
constructor Create(NewTitle, New
Познавательные способности человека ограничены; мы можем раздвинуть их рамки, используя декомпозицию, выделение абстракций и создание иерархий.
Сложные системы можно исследовать, концентрируя основное внимание либо на объектах, либо на процессах; имеются веские основания использовать объектно-ориентированную декомпозицию, при которой мир рассматривается как упорядоченная совокупность объектов, которые в процессе взаимодействия друг с другом определяют поведение системы.
Объектно-ориентированный анализ и проектирование - метод, использующий объектную декомпозицию; объектно-ориентированный подход имеет свою систему условных обозначений и предлагает богатый набор логических и физических моделей, с помощью которых мы можем получить представление о различных аспектах рассматриваемой системы.
Михаил Васильев, Игорь Хомков, Сергей Шаповаленко
Практически на всех стадиях жизненного цикла информационных систем (ИС) - как проектирования, когда закладываются основные характеристики системы, так и сопровождения и управления уже построенной ИС - возникает немало вопросов, имеющих первостепенное значение. Будет ли данная архитектура ИС удовлетворять растущим потребностям? Какие узкие места требуют наиболее пристального внимания? Какие инвестиции необходимы для того, чтобы ИС сохранила рабочее состояние через год?.. три года?.. пять лет? Какова эффективность используемой ИС?
Ответить на все эти вопросы отнюдь не легко. Еще труднее ответить на них правильно. Анализ корпоративной информационной системы на любом этапе ее существования - сложное дело.
Можно сказать, что сложность корпоративных информационных систем является не случайным, а скорее необходимым их свойством. Оно определяется рядом причин, среди которых можно назвать следующие:
Сложность решаемой задачи;
Сложность разработки ИС;
Сложность обеспечения таких параметров, как адекватность, масштабируемость, надежность, экономическая эффективность и безопасность;
Сложность описания отдельных подсистем ИС.
Объективные оценки может дать применение технологий моделирования. Построение модели, ее анализ и получение ответов на вопросы “что будет, если...?” позволяют спрогнозировать поведение ИС в различных ситуациях. Наиболее часто применяются стендовое макетирование и построение компьютерных моделей ИС.
В настоящее время на рынке инструментов моделирования информационных систем определились три лидера. Это американские компании MIL3 (система моделирования OPNET), Make Systems (система NetMaker XA) и CACI Products Company (система COMNET). На рис. 1 приведено главное окно системы OPNET. (В PC Week/RE, № 34/98, с. 36 на рис. 2 приведено окно графического представления результатов в системе OPNET.) Остановимся на одной из этих систем и на подходе, в ней реализованном, подробнее.
Технология моделирования ИС c использованием COMNET III
Очевидный путь моделирования сложных систем состоит в их декомпозиции по древнему принципу Divide et impera (Разделяй и властвуй. - Лат.). Иерархическое представление сложных ИС в виде набора связанных подсистем является ключом к раскрытию ситуации. Полученные в результате такой декомпозиции подсистемы могут быть в свою очередь разделены на подсистемы следующего уровня иерархии и так до бесконечности. Именно возможность декомпозиции сложных систем позволяет нам создавать их модели. Однако на этом пути крайне важно уметь вовремя остановиться.
Конечная стадия процесса декомпозиции определяется низшим уровнем абстракции, применяемым в каждой конкретной модели. Чрезмерно детальное дробление может привести к результату, прямо противоположному ожидаемому: вместо упрощения моделируемой системы можно прийти к ее усложнению, к тому, что называется “за деревьями не видно леса”. Таким образом, правильно выбранный уровень абстрагирования крайне важен для успешного моделирования.
Следующим шагом, облегчающим моделирование сложных систем, является обнаружение и выделение общих абстракций. Предположим, что мы уже выполнили декомпозицию моделируемой ИС и получили некую иерархию сущностей. Так, например, маршрутизатор Cisco 7500 и компьютер NS7000, снабженный несколькими сетевыми платами и выполняющий программную маршрутизацию, могут быть рассмотрены и как два совершенно разных объекта, и как два объекта, принадлежащие к одному и тому же классу маршрутизаторов. Декомпозиция системы с помощью метафоры классов в сочетании с корректно выбранным уровнем абстракции позволяет радикально упростить построение модели ИС.
Рис. 1. Главное окно системы OPNET
Обычно рассматривается два основных вида декомпозиции: алгоритмическая, разделяющая исследуемую систему по ее активным началам, т. е. протекающим в ней процессам в определенном порядке, и объектно-ориентированная, позволяющая разделить исследуемую систему на классы однотипных абстракций. Оба типа декомпозиции нашли свое применение в COMNET III.
Подход к построению моделей в COMNET III может быть представлен в виде стандартной последовательности шагов:
Описание топологии ИС и определение параметров оборудования;
Описание источников трафика и их поведения, описание загрузки сети;
Определение сценария моделирования.
Определение топологии ИС и связей источников трафика с узлами топологии представляет идеальное поле для применения объектно-ориентированной декомпозиции. Для описания поведения источников трафика и изменений загрузки сети во времени необходима алгоритмическая декомпозиция.
Как уже говорилось, граничные условия для декомпозиции ИС зависят от требуемого уровня абстракции. Абстрагирование позволяет разработчику, создающему проект ИС, или системному администратору, осуществляющему ее сопровождение, отделить наиболее существенные особенности ее поведения от того, как именно они реализуются. “Хорошей является такая абстракция, при которой подчеркиваются существенные для рассмотрения и использования детали и опускаются те, которые на данный момент несущественны или отвлекают внимание”*1. Так, в одной ситуации при описании компьютера достаточно определить его как источник трафика, не вдаваясь в подробное описание архитектуры, в другой же может потребоваться детальное рассмотрение таких его характеристик, как, скажем, количество процессоров и параметров дисковой подсистемы.
*1. Shaw M. Abstraction Techniquest in Modern Programming Languages. - IEEE Software, Oct. 1984, v. 1(4), p.10.
В системе COMNET полностью применим объектно-ориентированный метод декомпозиции, что позволяет существенно сократить сроки моделирования и сделать его процесс интуитивно-понятным, четко коррелирующим с реальной системой. Модель создается из объектов, своего рода “строительных блоков”, знакомых пользователю из опыта реальной жизни. С системой COMNET поставляется большая библиотека таких объектов - моделей реального сетевого оборудования и методов доступа к среде. Рассмотрим подробнее объектную модель COMNET (рис. 2).
Рис. 2. Базовая библиотека классов COMNET III
Объекты в этой системе могут быть разделены на два класса: используемые, во-первых, для описания топологии и, во-вторых, для описания трафика и характеристик загрузки сети. Базовый экран COMNET III с набором библиотечных классов приведен на рис. 3.
Рис. 3. Основной экран системы COMNET
Описание топологии в COMNET III
Такие основные понятия топологии в системе COMNET III, как узлы, соединения, дуги, были описаны в PC Week/RE, № 34/98, с. 34.
Кроме узлов, соединений и дуг для описания иерархических топологий и моделирования независимых маршрутизируемых доменов в систему COMNET включен еще один дополнительный класс, объекты которого также могут располагаться в вершинах графа, - подсеть (subnet).
Использование механизма наследования, в том числе множественного, расширяет круг используемых классов.
Класс узлов наследуют четыре новых класса.
Класс “Компьютер и узел связи” (C&C Node, Computer and Communications Node)
Эти объекты могут служить источниками или приемниками трафика, а также применяются для моделирования сложных программных систем, учитывающих загрузку процессора и дисковых подсистем. Узлы ИС, описанные с помощью C&C Node, могут быть использованы и для моделирования программных маршрутизаторов.
Класс “Группа компьютеров” (Computer Group Node)
Объект можно использовать только для моделирования компьютерных систем, так как их функциональность включает в себя лишь источник и приемник трафика. Как правило, с его помощью описываются группы компьютеров, имеющих идентичное поведение.
Класс “Маршрутизатор” (Router Node)
Объекты этого типа применяются для моделирования аппаратных маршрутизаторов. Так же как и C&C Node, Router Node может выступать и источником, и приемником трафика, выполнять приложения, использующие аппаратные ресурсы узла (процессоры, дисковые подсистемы). Для более детального описания аппаратной реализации моделируемых объектов введен ряд дополнительных свойств, таких, как наличие и параметры внутренней шины, что позволяет моделировать внутреннее прохождение трафика между входными и выходными портами объекта.
Класс “Коммутатор” (Switch Node)
Объекты типа Switch Node, обладая возможностью маршрутизации, служат для моделирования коммутаторов, затрачивающих на передачу трафика между внутренними портами ничтожно малое время. Однако эти объекты, в отличие от трех предыдущих, не могут быть использованы ни как источник, ни как приемник трафика.
Объекты классов C&C Node, Computer Group Node и Router node для моделирования сложных программных систем включают репозиторий команд, использующих такие уже упомянутые свойства объектов, как характеристики дисковой подсистемы. В постоянно обновляющуюся библиотеку объектов различных классов, входящих в состав COMNET, включен широкий спектр моделей реально существующих аппаратных устройств.
Объект link наследует два новых объекта.
Класс “Соединение точка - точка” (Point-to-Point Link)
Этот класс используется для описания каналов между двумя узлами. Примером таких соединений могут быть выделенные линии, связывающие маршрутизаторы в глобальных сетях или соединения в сетях с коммутацией каналов.
Класс “Множественный доступ” (Multiaccess link)
Полем для применения этого класса являются ситуации, когда несколько узлов имеют доступ к одной среде передачи данных. В свою очередь, этот объект наследуется рядом новых объектов, описывающих конкретные факты реализации метода доступа к среде, такие, как Carrier Detection, Token Passing, SONET и т. п. (см. рис. 2).
До сих пор мы рассматривали случаи, когда родительский объект наследуется одним объектом-потомком. Однако объектно-ориентированный подход предусматривает и более сложные ситуации с множественным наследованием. Эта форма наследования также применима в системе COMNET. Здесь множественное наследование использовано при создании объектов таких важных классов, как Транзитная сеть (Transit Network) и “Облако” (WAN Cloud).
Оба класса являются наследниками двух родительских классов - Subnet и Link. Форма наследования изображена на рис. 2. Рассмотрим этот вариант подробнее.
Класс “Подсеть” (Subnet)
Исключительно важный класс. Используемый для создания иерархических топологий ИС, он позволяет корректно описывать подсети с различными алгоритмами маршрутизации, причем независимые от алгоритма, применяемого на магистрали. Кроме того, подсети используются, чтобы скрыть излишнюю детализацию при моделировании сложных ИС. В COMNET с их помощью описываются системы с произвольной глубиной вложения. Соединения между внутренней топологией подсети и топологией магистрали осуществляются с помощью точек доступа (access points), число которых может быть произвольным (см. рис. 3).
Класс “Транзитная сеть” (Transit Net)
Потомком подсетей и соединений является объект, сочетающий свойства родительских объектов. Транзитная сеть может рассматриваться и как соединение, и как подсеть одновременно. В качестве соединения она пересылает пакеты из выходного буфера одного узла во входной буфер другого. В ипостаси же подсети транзитная сеть создает в своих границах область с собственным алгоритмом маршрутизации.
Класс “Облако” (WAN Cloud)
Объекты этого класса, позволяющие создавать абстрактные представления для глобальных сетей, также наследуют свойства объектов-родителей - Subnet и Link. С точки зрения топологии объект WAN Cloud функционирует подобно объекту “соединение”, его пиктограмма подключается непосредственно к узлам. С точки зрения внутренней структуры облако состоит из набора виртуальных соединений (virtual circuit) и каналов доступа (access links), разновидности соединения точка - точка для моделирования глобальных сетей.
Описание трафика и загрузки сети в COMNET III
Как мы уже говорили, модель ИС в COMNET включает в себя две части: описание топологии системы и описание источников трафика и загрузки сети. Мы рассмотрели базовый спектр объектов, связанных с топологией. Теперь обратимся к объектам, описывающим трафик.
COMNET предоставляет широкий спектр средств для описания трафика.
Класс “Сообщение” (Message)
Объекты, принадлежащие к этому классу, позволяют послать одиночное сообщение либо одному объекту-адресату, либо множеству объектов. Пересылка таких сообщений рассматривается как последовательность дейтаграмм, где каждый пакет маршрутизируется независимо от других.
Класс “Отклик” (Response)
Объекты этого класса могут быть использованы только для посылки ответных сообщений. Они управляются приходами сообщений, созданных объектами классов Message или Response. Получателем сообщений класса Response всегда будет объект класса Node, к которому подключен источник управляющих сообщений (класса Response или Message).
Класс “Вызов” (Call)
Объекты класса Call применяются для создания моделей сетей с коммутацией каналов. Источник вызова описывается набором таких параметров, как закон распределения, длительность и, с учетом класса маршрутизации, требований к пропускной способности.
Класс “Сессия” (Session)
Эти объекты используются для моделирования сеансов, включающих наборы сообщений или сообщений, маршрутизируемых по виртуальным соединениям. Сеанс инициируется отправкой пакета установки сеанса и получением пакета-подтверждения. В дальнейшем в рамках сеанса может быть послано произвольное количество сообщений, также описанных в объекте класса Session. Такие сообщения маршрутизируются либо как дейтаграммы, либо как виртуальные соединения - в зависимости от алгоритма маршрутизации на магистрали или в подсети, содержащей данный объект.
Отметим также, что в COMNET III применяются так называемые файлы описания внешнего трафика (external traffic files), получить которые можно с помощью различных анализаторов трафика.
Особый интерес представляют объекты класса “Приложение” (Application), являющегося результатом множественного наследования классов Message, Response, Call и Session (см. рис. 2). Его объекты позволяют наиболее гибко описывать в рамках модели рабочую загрузку сети и поведение источников трафика. Более того, при их использовании могут быть легко смоделированы практически любые виды программных систем, в том числе распределенных, таких, как СУБД, почтовые системы и пр.
Реальное приложение, описываемое объектами этого класса, включает в себя три составные части. Во-первых, это параметры узла, с которым соединен объект класса Application. С помощью данных параметров задаются характеристики и количество необходимых процессоров и дисковых подсистем. Во-вторых, это так называемые репозитории команд, использующих вышеупомянутые характеристики узла. И в-третьих, это собственно объект Application, управляющий последовательностью выполнения этих команд.
В репозитории команд узла, а следовательно, и в объекте класса Application могут содержаться следующие команды:
Transport Message (передать сообщение). Эта команда представляет собой результат наследования объекта классом Application родительского объекта класса Message.
Setup (установить) - результат наследования класса Session.
Answer Message (ответить на сообщение) является наследником класса Response.
Filter Message (фильтровать сообщения). Эта команда позволяет приостановить все операции, описанные в объекте класса Application, до тех пор, пока не будет получено сообщение, удовлетворяющее условиям фильтрации.
Process (обработка). С помощью этой команды осуществляется моделирование обработки, вызывающей загрузку процессора.
Read и Write (чтение и запись). Две эти команды также позволяют моделировать занятость процессора узла, но уже в контексте взаимодействия с дисковой подсистемой чтения и записи файлов.
Таким образом, с помощью классов Application, Message, Response, Session и Call возможно как гибкое моделирование текущей загрузки сети, так и детальное описание поведения программных систем, входящих в состав ИС. Исключительно важно, что эти классы позволяют моделировать сложные распределенные программные системы и их влияние на существующую сетевую инфраструктуру сети.
Объекты COMNET III: параметрическое абстрагирование
Говоря о базовом наборе классов COMNET III, крайне важно упомянуть о применимости к ним так называемого параметрического абстрагирования. Этот подход позволяет создавать новые объекты - экземпляры класса с различными свойствами. Такие важные технологические решения, как, скажем, Gigabit Ethernet, могут быть очень просто смоделированы путем изменения параметров рассматриваемой абстракции - свойств выбранного класса.
Рассмотрим пример. Допустим, мы моделируем локальную сеть, использующую на MAC-подуровне случайный метод доступа с контролем несущей и определением коллизий (CSMA/CD, класс соединений с множественным доступом), однако стандарт канального уровня, предложенный производителем сетевого оборудования, несколько отличается от “родного” IEEE 802.3. Подобная ситуация при использовании продукта, не реализующего объектно-ориентированный подход, могла бы вызвать некоторые неточности. Разработчик был бы вынужден использовать стандарт, предлагаемый производителем продукта, вероятнее всего - классический 802.3. На рис. 4 изображено интерфейсное окно COMNET III, с помощью которого пользователь может редактировать параметры этого стандарта - количество ретрансмиссий в случае обнаружения коллизий, длину заголовка кадра и т. д. Иными словами, пользователь сам осуществляет параметризацию объекта.
Рис. 4. Параметризация соединения 10BaseT стандарта IEEE 802.3
Итак, мы решаем вопрос о соответствии эталонного стандарта и стандарта производителя. Дальнейшие наши действия сводятся к тому, чтобы пополнить библиотеку объектов класса CSMA/CD новым стандартом, который определил пользователь. Для этого достаточно добавить новые параметры. Аналогично мы можем поступить с аппаратными узлами, источниками трафика, параметрами WAN Cloud и т. д.
Отсюда видно, что параметризация дает широкие возможности по расширению базовой библиотеки объектов, позволяя разработчику модели принимать более гибкие решения.
Расширить базовый набор классов можно при дальнейшем использовании механизма наследования.
Режим “Копирование-вставка внешней модели” (Intermodel copy-paste)
Предположим, что мы строим большую модель, имеющую очень сложное топологическое описание. Здесь мы можем пойти двумя путями: совместить всю топологию системы в одном файле или построить несколько фрагментов и впоследствии объединить их. Второй вариант для разработчика более удобен по целому ряду причин. Это и простота отладки каждого отдельного фрагмента, и хорошая обозримость, и, в конечном итоге, большая достоверность.
В дальнейшем вся проблема состоит в том, чтобы объекты из одной модели перенести в другую. Для решения удобно пользоваться режимом COMNET III Intermodel copy-paste (копирование - вставка внешней модели), обеспечивающим перенос из модели в модель вновь создаваемых объектов со всеми свойствами за исключением тех, которые локальны для модели-источника.
Приведем пример. Допустим, мы переносим из одной модели в другую фрагмент сети, имеющий некоторую загрузку. Трафик описывается объектами класса Message. Свойством таких объектов, локальным для модели-источника, является его направленность (destination). Остальные свойства будут перенесены без изменений из объектов, наследующих классы Node (C&C node, Computer group, Router, Switch), Link и др., не привязанных к модели-источнику.
Процедура параметризации в этом случае очень проста. В частности, для сообщения можно указать его направленность в соответствии со списком имен из новой модели, который присоединяется к объекту автоматически.
Применение описанного метода открывает широкие возможности в построении любых моделей из гибко расширяемого набора объектов - строительных блоков, позволяя существенно снизить затраты на моделирование.
Модульное построение узлов
Рассмотрим процедуру создания объекта нового класса на основе множественного наследования.
Предположим, перед разработчиком ставится задача построения подробной модели аппаратного устройства (например, маршрутизатора, несколько интерфейсных модулей которого объединены интерфейсной шиной). Целью построения модели является определение задержки на интерфейсной шине. В стандартном описании COMNET III шина описывается двумя параметрами: пропускной способностью и частотой. Ясно, что такого описания нам недостаточно. Однако в нашем распоряжении есть объект, позволяющий описать шину как отдельное устройство, - соединение. В общем-то это не совсем стандартное решение, но, проведя необходимую параметризацию объекта класса Link, мы получим модель шины как полнофункционального устройства, реализующего, например, функцию арбитража. Изображенный на рис. 5 объект MPRouter смоделирован именно таким способом. Интерфейсная шина здесь работает по алгоритму Token Bus.
Рис. 5. Параметризация источника трафика при переносе
фрагмента модели в другую модель (Session Source)
При этом следует сказать, что разработчику не стоит злоупотреблять подобными приемами, поскольку, как уже говорилось, слишком точное описание каждого объекта в некоторых ситуациях может дать обратный эффект, который выражается в снижении достоверности модели в целом. Такой прием применим в тех случаях, когда необходимо подробное описание характеристик объектов.
Возможность задания состояний объектов
Любой объект в COMNET может находиться в нескольких состояниях. К примеру, для объектов классов Link и Node возможны состояния up, down, failure (включен, выключен, ошибка). Можно также моделировать переходы между этими состояниями и анализировать влияние перехода на моделируемую ИС (рис. 6).
Рис. 6. Определение параметров текущего состояния объекта (Node Properties)
Это дает разработчику широкие возможности создания динамических сценариев типа “что будет, если...?” и тем самым существенно повышает гибкость создаваемой модели.
Итак, мы рассмотрели основные инструменты и наиболее общие методики построения моделей в COMNET III. Дальнейшие статьи авторы планируют посвятить моделированию различных решений, широко используемых в современных ИС.
Принципиальное отличие между функциональным и объектным подходом заключается в способе декомпозиции системы. Объектно-ориентированный подход использует объектную декомпозицию, при этом статическая структура описывается в терминах объектов и связей между ними, а поведение системы описывается в терминах обмена сообщениями между объектами. Целью методики является построение бизнес-модели организации, позволяющей перейти от модели сценариев использования к модели, определяющей отдельные объекты, участвующие в реализации бизнес-функций.
Концептуальной основой является объектная модель, которая строится с учетом следующих принципов:
- абстрагирование;
- инкапсуляция;
- модульность;
- иерархия;
- типизация;
- параллелизм;
- устойчивость.
Основными понятиями объектно-ориентированного подхода являются объект и класс.
Объект - предмет или явление, имеющее четко определенное поведение и обладающие состоянием, поведением и индивидуальностью . Структура и поведение схожих объектов определяют общий для них класс. Класс – это множество объектов, связанных общностью структуры и поведения . Следующую группу важных понятий объектного подхода составляют наследование и полиморфизм. Понятие полиморфизм может быть интерпретировано как способность класса принадлежать более чем одному типу. Наследование означает построение новых классов на основе существующих с возможностью добавления или переопределения данных и методов.
Важным качеством объектного подхода является согласованность моделей деятельности организации и моделей проектируемой информационной системы от стадии формирования требований до стадии реализации. По объектным моделям может быть прослежено отображение реальных сущностей моделируемой предметной области (организации) в объекты и классы информационной системы.
Большинство существующих методов объектно-ориентированного подхода включают язык моделирования и описание процесса моделирования. Процесс – это описание шагов, которые необходимо выполнить при разработке проекта. В качестве языка моделирования объектного подхода используется унифицированный язык моделирования UML, который содержит стандартный набор диаграмм для моделирования.
Диаграмма (Diagram) - это графическое представление множества элементов. Чаще всего она изображается в виде связного графа с вершинами (сущностями) и ребрами (отношениями) и представляет собой некоторую проекцию системы.
Объектно-ориентированный подход обладает следующими преимуществами:
- Объектная декомпозиция дает возможность создавать модели меньшего размера путем использования общих механизмов, обеспечивающих необходимую экономию выразительных средств. Использование объектного подхода существенно повышает уровень унификации разработки и пригодность для повторного использования, что ведет к созданию среды разработки и переходу к сборочному созданию моделей.
- Объектная декомпозиция позволяет избежать создания сложных моделей, так как она предполагает эволюционный путь развития модели на базе относительно небольших подсистем.
- Объектная модель естественна, поскольку ориентирована на человеческое восприятие мира.
К недостаткам объектно-ориентированного подхода относятся высокие начальные затраты. Этот подход не дает немедленной отдачи. Эффект от его применения сказывается после разработки двух–трех проектов и накопления повторно используемых компонентов. Диаграммы, отражающие специфику объектного подхода, менее наглядны.
Сравнение существующих методик
В функциональных моделях ( DFD - диаграммах потоков данных , SADT -диаграммах) главными структурными компонентами являются функции (операции , действия, работы), которые на диаграммах связываются между собой потоками объектов .
Несомненным достоинством функциональных моделей является реализация структурного подхода к проектированию ИС по принципу "сверху-вниз", когда каждый функциональный блок может быть декомпозирован на множество подфункций и т.д., выполняя, таким образом, модульное проектирование ИС . Для функциональных моделей характерны процедурная строгость декомпозиции ИС и наглядность представления.
При функциональном подходе объектные модели данных в виде ER-диаграмм "объект - свойство - связь" разрабатываются отдельно. Для проверки корректности моделирования предметной области между функциональными и объектными моделями устанавливаются взаимно однозначные связи.
Главный недостаток функциональных моделей заключается в том, что процессы и данные существуют отдельно друг от друга - помимо функциональной декомпозиции существует структура данных, находящаяся на втором плане. Кроме того, не ясны условия выполнения процессов обработки информации, которые динамически могут изменяться.
Перечисленные недостатки функциональных моделей снимаются в объектно-ориентированных моделях , в которых главным структурообразующим компонентом выступает класс объектов с набором функций , которые могут обращаться к атрибутам этого класса.
Для классов объектов характерна иерархия обобщения, позволяющая осуществлять наследование не только атрибутов (свойств) объектов от вышестоящего класса объектов к нижестоящему классу, но и функций (методов).
В случае наследования функций можно абстрагироваться от конкретной реализации процедур (абстрактные типы данных ), которые отличаются для определенных подклассов ситуаций. Это дает возможность обращаться к подобным программным модулям по общим именам (полиморфизм ) и осуществлять повторное использование программного кода при модификации программного обеспечения. Таким образом, адаптивность объектно-ориентированных систем к изменению предметной области по сравнению с функциональным подходом значительно выше.
При объектно-ориентированном подходе изменяется и принцип проектирования ИС . Сначала выделяются классы объектов, а далее в зависимости от возможных состояний объектов (жизненного цикла объектов) определяются методы обработки (функциональные процедуры), что обеспечивает наилучшую реализацию динамического поведения информационной системы.
Для объектно-ориентированного подхода разработаны графические методы моделирования предметной области, обобщенные в языке унифицированного моделирования UML. Однако по наглядности представления модели пользователю-заказчику объектно-ориентированные модели явно уступают функциональным моделям.
При выборе методики моделирования предметной области обычно в качестве критерия выступает степень ее динамичности. Для более регламентированных задач больше подходят функциональные модели, для более адаптивных бизнес-процессов (управления рабочими потоками, реализации динамических запросов к информационным хранилищам) - объектно-ориентированные модели. Однако в рамках одной и той же ИС для различных классов задач могут требоваться различные виды моделей, описывающих одну и ту же проблемную область. В таком случае должны использоваться комбинированные модели предметной области .
Обзор Samsung Galaxy A7 (2017): не боится воды и экономии Стоит ли покупать samsung a7
Делаем бэкап прошивки на андроиде
Как настроить файл подкачки?
Установка режима совместимости в Windows
Резервное копирование и восстановление драйверов Windows