Эта книга предназначена как для начинающих пользователей баз данных, так и для разработчиков собственных программ в наиболее современной системе управления базами данных -Visual FoxPro 8.0, которая позволяет значительно расширить круг решаемых задач обработки данных и существенно упростить организацию удобного интерфейса.
Второе издание популярного руководства по SQL - существенно расширенное и обновленное описание языка SQL, являющегося основным инструментом работы с реляционными базами данных. Книга представляет собой не просто справочник по синтаксису языка, но и превосходный учебник по базам данных, включающий рассмотрение целого ряда тем: ключевые концепции и новейшие разработки в технологии реляционных баз данных; формирование всех типов запросов к базам данных в соответствии с синтаксисом как SQL1, так и SQL2; безопасность и принципы организации реляционных баз данных; программирование баз данных с использованием встроенного и динамического интерфейсов SQL, протоколов SQL/CLI и ODBC, библиотек DB-Library в SQL Server и ОСI (Oracle Call Interface), а также триггерови хранимых процедур; современные технологии построения хранилищ данных, распределенных и объектно-реляционных баз данных.
В этой книге описан новый подход к созданию Web-приложений, получивший имя Ajax. Авторы рассматривают недостатки классических приложений, предназначенных для работы в сети, и показывают, как можно устранить их, с помощью асинхронных запросов и передачи части функций от сервера клиенту. В книге рассмотрены составные части Ajax: JavaScript, CSS, DOM и объект XMLHttpRequest. Передача функциональных возможностей от сервера клиенту приводит с существенному возрастанию объема и сложности клиентского кода, написанного на языке JavaScript. Управление кодом — сложная задача, поэтому авторы уделяют внимание образам разработки и реструктуризации.
Книга предназначена для читателей, интересующихся вопросами разработки игр в операционной системе Windows. В ней освещены разнообразные аспекты программирования игр - от азов программирования до серьезного рассмотрения различных компонентов DirectX, от простейших физических моделей до сложных вопросов искусственного интеллекта. Книга будет полезна как начинающим, так и профессиональным разработчикам игр для Windows, хотя определенные знания в области программирования (в частности, языка программирования C или C++), математики и физики существенно облегчат изучение материала.
Фрикер - это телефонный хакер, но чтобы стать фрикером не обязательно ломать АТС, достаточно лишь изучить все то, что относится к телефонам. Данное издание посвящено безопасности, а также применению электронных устройств для получения (или защиты) информации. Вы узнаете всё о работе АТС, о том, как можно отправить бесплатно факс в любую точку мира и что конкретно для этого необходимо. Также вы узнаете, как перепрограммировав пейджер, использовать его практически на «халяву», существенно снизив размер вносимой абонентской платы и многое другое. Но цель автора этого проекта - дать «ищущему» пользователю максимум информации для того, чтобы он сам мог решить стоит ли применить свои знания в незаконной деятельности или стать профессиональным участником рынка телекоммуникаций.
Издание предназначено для пользователей персонального компьютера, которые интересуются проблемами взлома и защиты телефонных линий, и желают получить исчерпывающие сведения о способах несанкционированного получения информации.
В данной спецификации вводится понятие каскадных таблиц стилей второго уровня (CSS2). Фактически CSS2 представляет собой язык описания таблиц стилей, позволяющий разработчикам и пользователям применять стили (например, шрифты, интервалы, звуковые сигналы) в структурированных документах (например, в HTML- и XML-документах). CSS2 позволяет сделать стиль представления документов независимым от их содержания, что существенно упрощает разработку Web-страниц и поддержку сайтов.
Язык CSS2 базируется на своем предшественнике CSS1 (см. [CSS1]), так что, за редким исключением, все таблицы стилей, допустимые в последнем, могут использоваться и в CSS2. CSS2 поддерживает таблицы стилей с учетом устройств представления, что позволяет разработчикам настраивать представление документов для визуальных браузеров, звуковых устройств, принтеров, устройств чтения по системе Брайля, портативных устройств и т.д. В данной спецификации поддерживаются позиционирование элементов содержания, загружаемые шрифты, форматирование таблиц, возможности интернационализации, автоматические счетчики и нумерация и некоторые свойства пользовательского интерфейса.
В этой книге описан новый подход к созданию Web-приложений, известный как Ajax. Авторы рассматривают составные части Ajax: JavaScript, CSS, DOM и объект XMLHttpRequest. Кроме того, в книге нашли отражение вопросы управления кодом, взаимодействия клиента и сервера и применения архитектуры "модель-представление-контроллер" на разных уровнях приложения. Читатель также найдет сведения о защите и производительности - важных характеристиках, существенно влияющих на популярность любого продукта. Рассматриваемые вопросы иллюстрируются примерами практического использования Ajax. В приложениях содержится дополнительная информация об инструментальных средствах, о языке JavaScript и библиотеках. Материал книги изложен на высоком уровне и будет полезен специалистам высокой и средней квалификации.
В рамках Ajax объединено несколько дисциплин, поэтому читатели могут прийти к пониманию данной инфраструктуры различными путями.Часть предполагаемой аудитории - это профессиональные разработчики корпоративных систем, имеющие ученые степени в области компьютерных наук, за плечами которых годы продуктивной работы над большими программными продуктами. Их кругозор позволяет выйти за рамки уровня представления классического Web-приложения. Другую группу читателей составляют Web-дизайнеры, которые освоили "новую среду", изучив такие языки, как PHP, VisualBasic, JavaScript и ActionScript. Нельзя также забывать разработчиков приложений, перешедших от настольных систем к Web, и системных администраторов, которых в основном интересуют инструментальные средства управления на базе Web.
Все эти категории читателей объединяет неподдельный интерес к Ajax. При написании книги мы попытались в той или иной мере учесть интересы каждой из этих категорий. Ajax - это объединение различных технологийи, изучая данную инфраструктуру, вам неизбежно придется столкнуться с новыми для себя вопросами. Мы призываем вас расширить свой кругозор и повысить квалификацию. Затраченные усилия окупают себя, а результаты проявляются в различных областях нашей профессиональной деятельности.
Данная справка входит в "Серию русских справок по C++Builder" и является ее неотъемлемой составляющей. По сравнению с предыдущими версиями 5.1 (ее демо-версия прилагалась к книге Архангельского А.Я "Программирование в C++Builder 5") и 5.2 справка существенно переработана и дополнена.
Справка не является переводом англоязычной справки, встроенной в среду C++Builder 6, и не повторяет ее структуру и темы. Она в значительной степени составлена на основе материалов книги Архангельского А.Я. "Программирование в C++Builder 6" и готовящейся к выпуску книги "C++Builder 6. Справочное пособие", но содержит больше справочных материалов.
Существует несколько различных способов по увеличению производительности компьютера. Можно, например, "разогнать" центральный процессор или видеокарту. А можно построить систему на базе RAID-массива.
Что нужно для построения RAID-массива? Прежде всего, RAID-контроллер и, как минимум, два жестких диска (в зависимости от уровня — например, для массива RAID 5 требуется не менее трех HDD).
До недавнего времени RAID-технологии были прерогативой серверного сегмента рынка. Но ситуация начала потихоньку меняться после того как производители стали интегрировать RAID-контроллеры на несерверные материнские платы. А ведь и правда — почему бы не использовать то, что достается практически даром.
И вот пользователь уже практически созрел, уже почти решился на то, чтобы установить-таки на своем родном ПК этот манящий "шаровой" RAID. И тут же натыкается на проблему выбора. При малых затратах, то есть при использовании двух жестких дисков, нужно выбирать между производительностью и надежностью хранения информации — использовать RAID 0 или RAID 1. А если пользователь хочет получить и скорость и надежность, придется раскошеливаться на четыре накопителя. Мало кто согласится на такие расходы для домашней системы, да и не каждый корпус сможет разместить четыре винчестера.
Эту проблему попыталась решить компания Intel в своих чипсетах нового поколения — i915 и i925. В южный мост ICH6R встроена уникальная технология Intel Matrix Storage Technology, которая позволяет на базе двух жестких дисков построить два разных RAID-массива ("нулевого" и "первого" уровней).
Впрочем, не будем слишком углубляться в технологии. Начнем лучше с азов — проведем небольшой ликбез по RAID.
Что такое RAID?
Сразу стоит заметить, что RAID это не средство от насекомых (как кто-то мог подумать), которое "убивает тараканов насмерть". На самом деле эта аббревиатура расшифровывается как Redundant Array of Independent Disks — избыточный массив независимых дисков. Изначально RAID расшифровывался как Redundant Array of Inexpensive Disks — избыточный массив недорогих дисков. Под недорогими подразумевались диски, предназначенные для использования в ПК,— в противовес дорогим дискам для мэйнфреймов. Но так как в RAID-массивах стали использовать SCSI-винчестеры, которые были существенно дороже применяемых в большинстве компьютеров дисков IDE, слово "недорогой" было заменено на "независимый".
Принцип функционирования RAID-системы заключается в следующем: из набора дисковых накопителей создается массив, который управляется специальным контроллером и определяется компьютером как единый логический диск большой емкости. За счет параллельного выполнения операций ввода-вывода обеспечивается высокое быстродействие системы, а повышенная надежность хранения информации достигается дублированием данных или вычислением контрольных сумм. Следует отметить, что применение RAID-массивов защищает от потерь данных только в случае физического отказа жестких дисков.
Поиск по шаблону является настолько обычным занятием в разработке программного обеспечения, что для облегчения этой задачи была создана специальная технология — регулярные выражения. Узнайте, как можно использовать ее при написании кода, прочитав эту статью.
Все устройства получают входную информацию, выполняют какие-либо операции и выдают результат. Например, телефон во время разговора преобразует звуковую энергию в электрический сигнал и обратно. Двигатель потребляет топливо (пар, расщепление атомных ядер, бензин, мышечные усилия) и преобразует его в энергию. Блендер поглощает ром, лед, лайм и кюрасао и взбалтывает их в коктейль Mai Tai. (Или, если вам хочется чего-то изысканного, сделайте Bellini из шампанского и грушевого сока. Блендер – замечательное универсальное устройство.)
Так как программное обеспечение преобразует данные, то каждое приложение фактически является устройством (хоть и виртуальным, так как у него нет физических составляющих). Например, компилятор в качестве входной информации получает исходную программу и преобразует ее в двоичный исполняемый код. Программа прогнозирования погоды генерирует предсказания на основе результатов прошлых (исторических) замеров, а графический редактор обрабатывает пикселы, применяя правила к отдельным пикселам или их группам, чтобы, например, сделать изображение более четким или изменить его стиль.
Так же, как и любое другое устройство, программное обеспечение предназначено для работы с определенным исходным материалом, например, набором чисел, данными XML-схемы или протоколом. Если программе задать некорректную входную информацию — неподходящую по форме или типу, то существует большая вероятность того, что результат будет непредсказуемым и, возможно, даже катастрофическим. Как говорится: "Мусор заложишь - мусор получишь".
На самом деле для решения всех нетривиальных задач необходимо отделять правильные данные от некорректных и отклонять некорректные данные во избежание ошибок в результатах. Это, конечно же, актуально и для Web-приложений, написанных на языке PHP. Неважно, получены ли входные данные из формы для ввода с клавиатуры или в результате выполнения программного запроса Asynchronous JavaScript + XML (Ajax), прежде чем начать какие-либо вычисления, программа должна проверить входную информацию. Возможно, что числовые значения должны находиться в пределах определенного диапазона чисел или представлять собой только целые числа. Возможно, значение должно соответствовать определенному формату, например, почтового индекса. Например, почтовый индекс в США представляет собой пять цифр плюс дополнительный префикс "Plus 4", состоящий из дефиса и 4 дополнительных цифр. Возможно, другие строки также должны состоять из определенного количества символов, например, две буквы для указания аббревиатуры штата США. Строковые данные доставляют особенно много проблем: PHP-приложение должно быть начеку по отношению к злонамеренным программам-агентам, вложенным в SQL-запросы, код JavaScript или любой другой код, которые способны изменить поведение приложения или обойти защиту.
Однако каким образом программа может определить, являются ли входные данные числом или соответствуют ли определенным требованиям, например, к почтовому индексу? На самом деле для реализации проверки путем сопоставления с шаблоном необходим небольшой парсер, создающий конечный автомат, считывающий входные данные, обрабатывающий маркеры, отслеживающий состояние и выдающий результаты. Однако создание и обслуживание даже самого простого парсера может оказаться непростым делом.
К счастью, анализ на основе сопоставления с шаблоном настолько широко распространен в компьютерных технологиях, что с течением времени (примерно с момента появления UNIX®) были разработаны специальные технологии и, конечно же, механизмы обработки, чтобы облегчить рутинную работу. Регулярное выражение (regex) описывает шаблоны посредством лаконичных и удобочитаемых обозначений. Получив регулярное выражение и данные, механизм regex сообщает, совпадают ли эти данные с шаблоном, и если совпадение было обнаружено, что именно совпало.
Вот небольшой пример использования регулярного выражения, взятый из UNIX-утилиты, работающей в режиме командной строки, которая ищет заданный шаблон в содержимом одного или нескольких текстовых файлов UNIX. Команда grep -i -E '^Bat' ищет последовательность символов beginning-of-line (начало строки), обозначаемое "крышкой", [^]), за которым следуют буквы b, a, и t верхнего или нижнего регистра (ключ -i указывает на то, что при сопоставлении с шаблоном регистр не учитывается, таким образом, например, B и b - тождественны). Следовательно, для файла heroes.txt:
Листинг 1. heroes.txt
Вышеупомянутая команда grep выдаст два совпадения:
Batman
Batgirl
Регулярные выражения
PHP предлагает два программных интерфейса регулярных выражений: один -- для интерфейса переносимых операционных систем (POSIX), а второй - для регулярных выражений, совместимых с языком Perl (PCRE). В общем и целом второй интерфейс является более предпочтительным, так как PCRE сам по себе мощнее, чем POSIX, и предоставляет все операторы, используемые в языке Perl. Более подробная информация по обращению к regex-функциям POSIX представлена в документации по языку PHP (см. раздел Ресурсы). В данной статье мы сосредоточим свое внимание на свойствах PCRE.
Регулярные выражения PHP PCRE содержат операторы, позволяющие путем сопоставления находить конкретные символы или другие операторы, определенные местоположения, например, начало и конец строки, начало или конец слова. Регулярные выражения также позволяют описывать альтернативы, которые можно задать альтернативы типа "или"-"или"; повторения фиксированной, изменяемой или неопределенной длины; наборы символов (например, "любая буква от a до m"); и классы, или типы символов (печатаемые символы, знаки препинания). Специальные операторы также разрешают использовать группировку — возможность применить оператор к целой группе других операторов.
В таблице 1 показаны некоторые типичные операторы регулярных выражений. Для создания сложных выражений можно последовательно объединять элементарные операторы из таблицы 1 (и другие).
Таблица 1. Типичные операторы регулярных выражений
Оператор Значение
. (точка) Любой одиночный символ
^ (крышка) Пустая последовательность в начале строки или цепочки
$ (знак доллара) Пустая последовательность в конце строки
A Буква A верхнего регистра
a Буква a нижнего регистра
\d Любая цифра
\D Любой нецифровой символ
\w Любая буква или цифра; синоним - [:alnum:]
[A-E] Любая заглавная буква из A, B, C, D или E
[^A-E] Любой символ, за исключением заглавных букв A, B, C, D или E
X? Найти совпадение по отсутствию или наличию одной заглавной буквы X
X* Ни одной или любое количество заглавных букв X
X+ Одна или несколько заглавных букв X
X{n} Ровно n заглавных букв X
X{n,m} Не менее n и не более m заглавных букв X; если опустить m, то выражение будет искать не менее n заглавных букв X
(abc|def)+ По меньшей мере одно вхождение последовательности abc и def
В следующем примере показано типичное использование регулярного выражения. Например, для web-сайта необходимо, чтобы каждый пользователь регистрировался. Имя пользователя должно начинаться с буквы и содержать от 3 до 10 буквенно-цифровых символов. Для проверки имени пользователя на соответствие ограничениям при отправке данных в приложение можно использовать следующее регулярное выражение: ^[A-Za-z][A-Za-z0-9_]{2,9}$.
Знак "крышка" соответствует началу строки. Первый набор [A-Za-z] соответствует любой букве. Второй набор [A-Za-z0-9_]{2,9} соответствует последовательности, содержащей от 2 до 9 букв, цифр или символов подчеркивания. Знак доллара ($) соответствует концу строки.
На первый взгляд, знак доллара может показаться лишним, однако его использование важно. Если его пропустить, то условиям данного регулярного выражения будет отвечать любая строка, которая начинается с буквы, содержит от 2 до 9 буквенно-цифровых символов и любое количество других символов. Иными словами, если бы не было знака доллара как привязки к концу строки, то подошла бы недопустимо длинная строка с подходящим началом, например, "martin1234-cruft" .
Программирование на языке PHP и регулярные выражения
В PHP есть функции для поиска совпадений в тексте, замены каждого совпадения на другой текст (похоже на операцию "найти и заменить") и поиска совпадений среди элементов списка. Вот эти функции:
Чтобы показать, как работают эти функции, давайте создадим небольшое PHP-приложение, которое будет просматривать список слов на соответствие определенному шаблону. Слова и регулярные выражения будут вводиться из обычной web-формы, а результаты отображаться в браузере посредством функции simple print_r(). Эта программка пригодится, если возникнет желание проверить или отладить регулярное выражение.
PHP-код показан в листинге 2. Все входные данные берутся из обычной HTML-формы. (Для краткости эту форму и PHP-код, отслеживающий ошибки, опустим.)
Листинг 2. Сравнение текста с шаблоном
Вначале с помощью функции preg_split() строка из слов, разделенных запятыми, преобразуется в отдельные элементы. Данная функция разбивает строку в тех местах, которые соответствуют условиям регулярного выражения. В данном случае регулярное выражение представляет собой просто "," , (запятая - разделитель списка слов, указанных через запятую). Слэш в начале и в конце просто показывает начало и конец regex.
Третий и четвертый аргументы функции preg_split() необязательны, но полезны. Добавьте в третий аргумент число n целого типа, если необходимо вернуть только первые n совпадений, или -1, если необходимо вернуть все совпадения. Если в качестве четвертого аргумента задать идентификатор PREG_SPLIT_NO_EMPTY, то функция preg_split() не будет возвращать пустые результаты.
Затем каждый элемент списка слов, разделенных запятыми, корректируется (убираются начальные и конечные пробелы) с помощью функции trim() и сравнивается с заданным регулярным выражением. Функция preg_grep() существенно упрощает процесс обработки списка: просто укажите в качестве первого аргумента шаблон, а в качестве второго - массив слов для сравнения. Функция возвращает массив совпадений.
Например, если в качестве шаблона задать регулярное выражение ^[A-Za-z][A-Za-z0-9_]{2,9}$ и список слов разной длины, то можно получить результат, показанный в листинге 3.
Листинг 3. Результат работы простого регулярного выражения
Кстати, с помощью дополнительного маркера PREG_GREP_INVERT можно инвертировать операцию preg_grep() и найти элементы, которые не совпадают с шаблоном (аналогично оператору grep -v в командной строке). Заменяя 22 строку на $matches = preg_grep( "/${_REQUEST[ 'regex' ]}/", $words, PREG_GREP_INVERT ) и используя входные данные из листинга 3, мы получим Array ( [1] => 1happy [2] => hermanmunster ).
Разбор строк
Функции preg_split() и preg_grep() очень удобны. Первая из них может разбирать строку на подстроки, если подстроки разделяются определенным шаблоном. Функция preg_grep() позволяет быстро отфильтровать список.
Но что произойдет, если строку нужно разобрать на составные части, используя одно или несколько сложных правил? Например, в США номера телефонов обычно выглядят следующим образом: "(305) 555-1212," "305-555-1212," или "305.555.1212." Если убрать пунктуацию, то количество символов сократится до 10 цифр, что легко можно определить с помощью регулярного выражения \d{10}. Однако код и префикс (каждый из которых состоит из трех цифр) телефонного номера США не могут начинаться с нуля или единицы (так как нуль и единица используются как префиксы для междугородных звонков). Вместо того чтобы разбивать числовую последовательность на отдельные цифры и создавать сложный код, для верификации можно использовать регулярное выражение.
Фрагмент кода позволяющий решить эту задачу, показан в листинге 4.
Листинг 4. Проверка американского телефонного номера
Давайте пройдем по этому коду:
* Как показано в таблице 1, в регулярных выражениях используется ограниченный набор специальных символов, например, квадратные скобки ([ ]) для наименования последовательности. Если надо найти такой символ в тексте, необходимо "выделить" специальный символ в регулярном выражении, поставив перед ним обратный слэш (\). Когда символ выделен, можно задать его посик, как и любого другого символа. Если нужно найти символ точки, например, в полном составном имени хоста, то напишите \.. При желании строку можно подать в функцию preg_quote() которая выполняет автоматическую изоляцию всех специальных символов регулярных выражений, как показано в строке 1. Если поставить echo() $punctuation после первой строки, то вы должны увидеть \(\)\.-.
* В строке 2 из телефонного номера убираются все знаки пунктуации. Функция preg_replace() заменяет все символы из $punctuation — операторы из набора [ ] - пустой строкой, эффективно устраняя такие символы. Возвращаемая новая строка присваивается переменной $number.
* В строке 4 определен шаблон верифицируемого телефонного номера США.
* Строка 5 реализует сопоставление, сравнивая телефонный номер, который теперь состоит только из цифр, с шаблоном. Функция preg_match() возвращает 1, если есть совпадение. Если совпадения нет, функция preg_match() возвращает нулевое значение. Если во время обработки возникла ошибка, то функция возвращает значение False (ложно). Таким образом, чтобы проверить удачное завершение, необходимо посмотреть, было ли возвращено значение 1. В противном случае проверьте итоговое значение функции preg_last_error() (если используется PHP версии 5.2.0 или выше). Если оно не равно нулю, то, возможно, был превышен лимит вычислений, например, разрешенная глубина рекурсии регулярного выражения. Обсуждение констант и ограничений, применяемых в регулярных выражениях PHP, представлено на странице, посвященной функциям регулярных выражений PCRE (см. раздел Ресурсы).
Извлечение данных
Во многих случаях необходимо только получить ответ на вопрос: "Соответствуют ли данные шаблону?" – например, при проверке данных. Однако чаще регулярные выражения используются для подтверждения соответствия и получения информации о совпадении.
Вернемся к примеру с телефонным номером. Пусть при соответствии шаблону нам необходимо сохранить код, префикс и номер линии в отдельных полях базы данных. Регулярные выражения могут запоминать совпадающие с шаблоном данные с помощью оператора capture. Оператор capture обозначается круглыми скобками и может использоваться в любой части регулярного выражения. Операции capture можно делать вложенными для поиска подсегментов в извлеченных сегментах данных. Например, чтобы из 10-значного номера телефона извлечь код города, префикс и номер линии, можно использовать следующую строку:
/([2-9][0-9]{2})([2-9][0-9]{2})([0-9]{4})/
Если входные данные соответствуют шаблону, первые три цифры захватываются первой парой круглых скобок, следующие три цифры - второй парой, а последние 4 цифры - последним оператором. Модификация вызова функции preg_match() возвращает извлеченные данные.
Листинг 5. Возврат извлеченных данных функцией preg_match()
Если в качестве третьего аргумента функции preg_match() указать переменную, например, в нашем коде, $matches, то в качестве ее значения будет выступать список извлеченных результатов. Нулевой элемент списка (с индексом 0) - это все совпадение целиком; первый элемент - совпадение, относящееся к первой паре круглых скобок, и так далее.
Вложенные операторы capture извлекают сегменты и подсегменты фактически любой глубины. Сложность с вложенными операторами capture состоит в том, чтобы определить, в какой части массива соответствий находится каждое соответствие, например, $matches. Действует следующее правило: подсчитайте порядковый номер открывающей скобки в регулярном выражении — этот номер и будет индексом нужного совпадения в массиве соответствий.
В листинге 6 показан пример (немного надуманный) извлечения частей городского адреса.
Листинг 6. Код для извлечения городского адреса
Опять все совпадение целиком хранится по индексу 0. А где хранится номер улицы? Если считать слева направо, номер улицы проверяется \d+. Это вторая открывающая круглая скобка слева, следовательно, значением $matches[2] будет 123. В $matches[4] оказывается название города, а в $matches[6] - почтовый индекс.
Продвинутые технологии
Обработка текста – широко распространенная задача, и PHP предоставляет ряд функций, упрощающих выполнение большого числа операций. Обратите внимание на следующее:
* Функция preg_replace() может работать как с одной строкой, так и с массивом строк. Если вызвать preg_replace() для массива строк, замена будет выполнена во всех элементах массива. В этом случае код preg_replace() возвращает массив измененных строк.
* Как и во всех остальных реализациях PCRE, здесь для осуществления замены можно прибегать к сравнению с вложенным шаблоном. Для наглядности давайте рассмотрим проблему стандартизации формата телефонного номера. Заменим все знаки пунктуации точками. Наше решение показано в листинге 7.
Листинг 7. Замена знаков пунктуации точками
Сопоставление с шаблоном и, в случае совпадения, перевод в стандартный телефонный номер выполняется за один шаг.
Многие мои друзья и знакомые часто спрашивают меня о том, как устроен мой сайт, сколько у меня таблиц в базе данных, как я храню данные и по каким полям веду поиск. Я, конечно, не выдаю все свои государственные тайны, но всегда понимаю причину таких вопросов и пытаюсь помочь людям построить быструю и надежную базу данных - т.е. тщательно продумать структуру БД таким образом, чтобы при увеличении нагрузки или объема таблиц динамический веб-сайт не превратился в тормозное усмертие.
А ведь многие новички (веб-строители) даже не догадываются о том, что крупные динамические сайты тормозят вовсе не из-за нагрузки скриптов на процессор, а в основном из-за неоптимизированного или дохленького MySQL-сервера. При этом во многом все зависит от того, как устроена ваша база данных.
Итак, начнем ликбез. Сразу всем вопрос: что делает MySQL во время записи в таблицы типа INSERT или UPDATE? Правильно - БЛОКИРУЕТ ТАБЛИЦЫ и пишет в них данные. Скорость записи и поиска может быть достаточно низкой, поэтому статус таблиц запрещает другим процессам считывать из них данные до окончания операции записи или обновления и снятия блокировки. При этом может получиться так, что во время записи единственного поля в длинные таблицы, ваш MySQL-сервер надолго заблокирует доступ к таблице остальным скриптам.
Например, вы создали таблицу новостей такого типа:
ID - номер, первичный ключ TEMA - тема новости MESS - сообщение, сама новость VIEWS - количество просмотров
При каждом обращении к новостям, скрипт будет выводить саму новость, а потом увеличивать поле VIEWS запросом UPDATE table 'NEWS' set VIEWS=VIEWS+1 where id=ID. При этом количество апдейтов будет довольно высоким. При высокой посещаемости веб-ресурса или при "нападении" на сайт поискового робота (эти ребята страдают многопоточностью и могут запросто повесить ваш сайт своими запросами) несколько одновременных процессов станут пытаться сделать UPDATE и SELECT. При каждом UPDATE таблица будет блокироваться (на это уходит время) и все остальные процессы будут ждать завершения операции. А если таблица достаточно большая? Например, несколько тысяч записей. Ежу понятно, что построится очередь из нескольких десятков скриптов, ожидающих ответа MySQL-сервера. Каждый будет жрать память и держать остальные процессы. В итоге все у вас зависнет и переглючит. Выход: делать вместо одной таблицы несколько. Советую разделять поля по типу их использования. Одну таблицу - только для вывода и редких обновлений или вставок. Другую - для частых обновлений, но редкого вывода. Например, значения счетчика обращений держать отдельно в таблицу вида:
ID - номер, первичный ключ VIEWS - количество просмотров
Сами новости лучше держать в другой таблице, где нет поля VIEWS. При этом таблица с новостями будет тяжелой (много текста, полей, индексов), а таблица COUNT (счетчик) будет очень легкой и быстрой. Таблица NEWS будет кешироваться и выводиться очень быстро при любых объемах, а таблица COUNT будет быстро обновляться из-за того, что она очень легкая (всего два целочисленных поля). Разделение данных по нескольким таблицам существенно ускоряет работу MySQL-сервера. Гораздо быстрее работают несколько мелких запросов по каждой таблице, чем один длинный запрос по одной или нескольким таблицам. Имейте это в виду, чтобы спать спокойно.
Дальше - круче. Чтобы не блокировать лишний раз свои таблицы используйте при вставках директиву DELAYED. Пример: INSERT DELAYED into STAT (ID,IP,UTIME) values (null,$ip,NOW()). Он позволяет серверу ответвлять поток в режиме ожидания, а саму вставку производить тогда, когда сервер освободится от других запросов или поступит следующий аналогичный INSERT DELAYED. Обычно отложенный метод подходит для любых операций с кумулятивными таблицами (когда в основном идут INSERTы, а данные копятся, а не модифицируются), при которых не особо важно когда именно подействуют изменения - мгновенно или через несколько секунд, минут. Например, если хотите собирать IPадреса своих посетителей, УРЛы, по которым они ходят или страницы, откуда пришли, время. При добавлении с задержкой скрипт отработает почти мгновенно, еще до выполнения операции.
Операция UPDATE идет в три этапа: поиск того, что будете менять, затем запись данных, обновление индексов. При этом, чем больше таблица, тем дольше поиск. Если есть индексы, то операция кешируется и выполняется достаточно быстро. Но сам процесс очень емкий. И только дурак не догонит, что большая таблица со множеством индексов и записей, будет тормозить при UPDATE. INSERT же выполняется одним залпом, очень быстро. Поэтому обычно используют аддитивные записи (вставками INSERT) во временные таблицы, потом блокируют основные талицы, суммируют обновления, и плюют их в основную таблицу. Получается, что в основном, главные таблицы работают только в режиме вывода, а обновления идут гораздо реже и быстрее. Например, можно копить данные о загрузках новостей во временной таблице, а по крону или иным образом обновлять счетчик каждые 10 минут (или реже). Это ускорит работу сервера.
При запросах SELECT * FROM таблица скрипт получит все поля данной таблицы. А нужно ли это? Использование * ведет к лишнему расходу ресурсов. Гораздо эффективнее использовать точные названия полей, которые нужны скрипту. Например: SELECT id,name FROM таблица. При таком запросе передача займет меньше времени и понадобится меньше ресурсов. Старайтесь ограничивать вывод при помощи директивы LIMIT. Это также ускоряет вывод.
Поиск по БД идет быстрее если вместо LIKE '%слово%', ставить 'слово%'. Операции с шаблонами регулярных выражений кешируются только в том случае, если в начале отсутствует символ %. Поэтому при построении поисковых запросов с LIKE избегайте начинающих символов %.
При построении таблиц для наиболее используемых полей (при поиске, сортировке и т.д.) обязательно создавайте индексы. Без индексов таблицы будут сильно тормозить. Индексы служат для кеширования и позволяют существенно ускорить вывод данных из таблиц. При этом таблицы будут занимать больше места на диске и в памяти. Но это в наше время не проблема.
Используйте надлежащий тип полей для своих записей. Тип TINYINT занимает 1 байт - самый быстрый. Таблицы с MEDIUMINT быстрее таблиц с INT. Если ставить полям свойство NOT NULL, то в целом их работа будет быстрее. VARCHAR медленее CHAR, поэтому таблицы переменной длины (где есть тип VARCHAR или TEXT) занимают меньше дискового пространства, но работают медленнее.
По своему опыту скажу, что для большинства сайтов подходят изложенные советы по работе с MySQL. Чтобы еще больше ускорить свой сервер, советую частоиспользуемые операции проводить по крону выделенными процессами и писать данные в различные файлы. Например, раз в 20 минут запускать скрипт, который будет создавать файл с новостями. Или например, генерить файл с новостями при их добавлениях или обновлениях. Таким образом, вы экономите на каждом обращении к БД. Интерактивность при этом не теряется, а производительность увеличивается во много раз. Особенно, повторяю, при высокой посещаемости ресурса. Старайтесь отделить интерактивные операции от фоновых. Например, на ПротоПлексе работает один интерактивный движок, но в фоне по заданиям трудятся с десяток различных роботов, которые генерируют часто вызываемые страницы, рассылают письма и т.д. Крупный сайт - это не только то, что вы видите, но и бек-енд (обратная сторона). В фоновом режиме можно быстро и эффективно готовить контент, освобождая основной движок от лишней работы.
В общем, основы должны быть всем понятны. Дробите все на мелочи, будь то запросы, таблицы или операции. Структура БД должна быть такой, чтобы не выполнялось ничего лишнего. Регулярно проводите OPTIMIZE на таблицах с переменной длиной, особенно, если в них идут удаления записей. Тестируйте свои запросы на скорость, упрощайте их.
Бурное развитие телекоммуникаций застало приход нового тысячелетия в новом витке технологических преобразований. Не остался в стороне и Web-Hosting как одна из профилирующих услуг интернет-сервиса. И если стремительное развитие IT характеризовалось, прежде всего, широко представленным предложением виртуального (в т.ч. бесплатного) хостинга, то новое десятилетие отмечает возросший интерес к разного рода технологиям выделенных серверов (dedicated servers) и co-location.
Что такое co-location? Co-location (colocation, collocation) дословно - это размещение физической машины клиента в специально оборудованном помещении провайдера на его технической площадке (в дата-центре). Помимо собственно размещения в базовый набор услуг по co-location входит:
Предоставление определенного объема предоплаченного трафика (входящего или исходящего, в зависимости от провайдера) или полосы пропускания;
Подключение к внешним каналам с высокой пропускной способностью (от 100 Мбит/c), наличие резервных каналов;
Повышенный уровень безопасности (система бесперебойного электропитания, климат-контроль, backup, охрана от физического проникновения посторонних на техническую площадку и т.д.);
Круглосуточная поддержка;
Оперативное устранение неисправностей непосредственно "на месте" (on-site).
Смежной с co-location является услуга аренды выделенного сервера (сервер не принадлежит клиенту, а взят в аренду у провайдера). В базовый набор услуг при аренде выделенного сервера обычно входит в дополнение к выше перечисленному :
Программное обеспечение для управления функциями сервера;
Услуга аренды сервера интересна в большей степени клиентам, территориально удаленным от коммуникационных центров (в России это Москва и Санкт-Петербург), а также тем, кто не хочет вкладывать деньги в покупку сервера, и тем у кого нет возможности инсталировать сервер своими силами, т.к. для этого нужно обладать знаниями системного администратора.
Co-location и dedicated существенно расширяют возможности веб-узла и являются единственно возможным решением для некоторых интернет-проектов. Как правило, к услугам аренды и размещения сервера прибегают при высоких требованиях к безопасности, потреблении большого объема трафика, высокой нагрузке на вычислительные мощности. Ведь при виртуальном хостинге ресурсы сервера делятся на всех клиентов размещенных на нем, и в случае появления высоко загруженного ресурса на сервере, вероятен отказ в обслуживании. Кроме того, безопасность виртуального хостинга вызывает большие сомнения: в 80% случаев взломы таких серверов производятся самими же клиентами. Немаловажным фактором при выборе выделенного сервера является возможность использования различного программного обеспечения и полный контроль над сервером. Последнее обстоятельство позволяет реализовать проект любой сложности с гарантированной защищенностью данных; для высоко загруженных проектов возможна реализация распределения вычислительной и сетевой нагрузки по нескольким серверам.
Среди проектов, решение которых в сети Интернет требует услуги co-location или выделенного сервера, следует назвать:
поисковые системы (www.yandex.ru)
фото-галереи (www.alenmax.ru)
виртуальные магазины (www.ozon.ru)
хостинг-провайдеры (www.alexhost.ru)
on-line базы данных (www.integrum.ru)
крупные проекты (www.uptime.ru)
интернет-версии оффлайновых СМИ (www.comprice.ru)
сайты с большим трафиком (www.mail.ru)
особо важные проекты (www.government.ru)
порталы (www.interpress.ru)
Несмотря на непространственную природу Интернет, широкое распространение спроса на услуги co-location в последнее время является своеобразной реакцией на распространение виртуального хостинга. Можно сказать, что в случае заключения контракта на co-location абонент покупает прежде всего определенное географическое место. Это место может характеризоваться особым географическим положением провайдера, включенностью в оптимальную телекоммуникационную инфраструктуру или, что тоже важно, хотя бы как психологический фактор, относительной близостью к главному офису заказчика.
Учитывая все эти факторы можно уверенно прогнозировать стремительное развитие данного вида web-услуг в Санкт-Петербурге. Данный регион - являющийся важнейшим телекоммуникационным центром России, местом, где пересекаются основные магистральные линии, связывающие страну с мировыми коммуникациями, - является вторым по экономической значимости регионом РФ. Более низкая по отношению к Москве затратная часть IT-бизнеса, высокий профессиональный уровень кадров, быстрое экономическое развитие региона в целом позволяют прогнозировать развитие спроса на услуги co-location и dedicated на петербургском рынке.
Часто работая в Фотошоп, приходится выполнять целый ряд постоянно повторяющихся операций. Такие операции выстраиваясь определенным образом, образуют цепочку команд - макропоследовательностей. Чтобы не повторять последовательность одних и тех же команд снова и снова, можно задействовать инструменты автоматизации. Одним из таких инструментов является Actions.
Автоматизация работы в Photoshop.
Часто работая в Фотошоп, приходится выполнять целый ряд постоянно повторяющихся операций. Такие операции выстраиваясь определенным образом, образуют цепочку команд - макропоследовательностей. Чтобы не повторять последовательность одних и тех же команд снова и снова, можно задействовать инструменты автоматизации. Одним из таких инструментов является Actions. Action - это записанный набор команд, которые можно быстро повторить. За такими макропоследовательностями также можно закреплять клавиатурные сокращения, то есть для их выполнения достаточно нажать клавишу или сочетание клавиш.
Для работы с Actions используется одноименная палитра. Чтобы увидеть эту палитру, следует выполнить команду Window>Actions или нажать клавишу F9.
Стандартные Actions
По умолчанию в Photoshop уже есть стандартный набор записанных команд, поэтому списки последовательно выполняющихся команд можно создавать самостоятельно, а можно воспользоваться уже готовыми. Например, используя стандартный макрос для создания виньетки (Vignette), достаточно выделить область на изображении и нажать кнопку его запуска.
Таким образом, все макропоследовательности состоят из команд, которые являются последними ступеньками в раскрывающемся списке.
Для удобства работы, макропоследовательности объединяются в наборы - Sets. Например, можно создать набор, в котором будут собраны макросы для работы с текстом, для создания различных текстур и т.д. По умолчанию в Photoshop есть набор Default Actions.
Палитра Actions содержит наборы различных последовательностей. Чтобы их увидеть, необходимо щелкнуть на треугольнике, расположенном слева от названия набора. После этого перед вами появится список действий, любое из которых может быть выполнено. Если вы хотите увидеть, из каких операций состоят действия, то следует щелкнуть на треугольнике, расположенном слева от них.
Внизу палитры расположены кнопки, позволяющие управлять действиями - создавать новые, запускать и останавливать запись и т.д.
Просмотрите все предлагаемые Actions на изображении с небольшим разрешением (на нем макрокоманды будут выполняться быстрее). После такого просмотра можно сформировать свою палитру, оставив понравившиеся элементы и удалив те, которые вам никогда не пригодятся. Можно также изменить названия, чтобы стало понятнее, где какая возможность скрывается.
Если какое-нибудь действие вам очень понравилось, то посмотрите, как оно было сделано. Для этого следует обратиться к палитре Actions и, раскрыв все списки, просмотреть последовательность выполняемых операций.
Лучше всего не только просмотреть, как выполнялись операции, но и попытаться добиться такого же эффекта, проделав самостоятельно все действия, особенно если вы неопытный пользователь. Это поможет лучше узнать программу, а также ознакомиться с возможностями, которые она предоставляет. Кроме того, в процессе работы можно будет изменить некоторые параметры, подобрав их для конкретного изображения.
Создание собственных макрокоманд
Можно не только пользоваться готовыми макрокомандами, но и создавать свои собственные.
Приведем пример ситуации, в которой они могу оказаться полезными. Предположим, вы хотите выложить фотографии в интернете. Прежде чем публиковать их в сети, нужно выполнить цветокоррекцию и уменьшить размер. Допустим, вы решили делать цветокоррекцию в режиме Lab Color.
Рассмотрим список действий, которые необходимо выполнить с каждым изображением:
1) Выполнить команду Image>Mode>Lab Color, чтобы перевести снимок в цветовое пространство Lab Color.
2) Повысить четкость изображения, для чего нужно перейти на палитру Channels, выделить канал Lightness и применить к нему фильтр Sharpen>Unsharp Mask. Благодаря тому, что фильтр применяется в канале освещенности, можно повысить резкость изображения, не затрагивая цветовую составляющую.
3) Улучшить цвета на изображении, для чего нужно выделить цветовой канал b, вызвать окно редактирования кривых, выполнив команду Image>Adjustments>Curves или же используя сочетание клавиш CTRL+M, и изменить форму кривой. Чем круче график кривой, тем более контрастным становится изображение в канале, и тем более насыщенными становятся цвета на снимке.
4) Выделить цветовой канал a и проделать те же действия с изменением формы кривой.
5) Наконец, нужно изменить размер изображения, используя команду Image>Image Size.
Если после этого отобразить палитру History, можно увидеть, что пришлось выполнить целый ряд команд и действий, чтобы обработать фотографию. Эти действия нужно было бы повторять с каждой следующей фотографией, которую вы хотите выложить в интернете.
Задачу можно существенно упростить, используя Actions. Вернемся к исходному изображению, используя палитру History, и создадим собственный макрос. Сначала создадим новую группу для хранения макросов. Для этого нужно нажать кнопку Create New Set в нижней части палитры Actions.
В окне New Set введим название набора команд. Создадим в новой группе первый макрос, нажав кнопку Create New Action. В появившемся окне New Action выберем название макроса и клавишу, при нажатии которой он будет запускаться, например, F11. Для вызова макропоследовательностей можно использовать клавиши F2-F12, а также их сочетания с клавишами CTRL и Shift.
Для начала записи необходимо нажать кнопку Record в нижней части палитры Actions. Теперь любая команда, выполненная в Photoshop, будет запоминаться до тех пор, пока вы не остановите запись макроса.
Скроем палитру Actions, чтобы она не мешала, и повторим выполненные ранее действия: переведем изображение в Lab Color, увеличим резкость, изменим цветопередачу и уменьшим размер изображения при помощи команды Image Size.
После этого вернемся на палитру Actions и остановим запись, нажав кнопку Stop Playing/Recording. В списке нашего макроса можно увидеть записанную последовательность команд. Также рядом с названием макроса отображается горячая клавиша, которая выбрана для его запуска.
Чтобы проверить действие макроса, вернемся к исходному изображению, используя палитру History, и нажмем горячую клавишу, которую вы выбрали для выполнения макроса. Можно убедиться, что все действия выполняются автоматически и довольно быстро. Макрос также можно запускать, нажимая кнопку Play Selecтion в нижней части палитры Actions, если предварительно выделить его в списке макрокоманд.
Записав макрос, посмотрите, как макрокоманда сработает на другой фотографии. Откройте изображение в Photoshop и снова запустите макрос горячей клавишей. Как вы можете убедиться, макрос работает.
Таким образом, благодаря макросам на подготовку фотографий для публикации в интернете может уходить гораздо меньше времени. Достаточно нажать горячую клавишу - и можно сохранять изображение.
Сохранение макрокоманд
В ряде случаев, например, при переустановке системы или при необходимости использовать созданные ранее макросы на другом компьютере, возникает необходимость сохранить Actions. Такая возможность предусмотрена в Photoshop.
Actions нельзя сохранять по отдельности, только в наборах. Поэтому для сохранения макропоследовательностей выделите на палитре Actions тот набор, в который они входят, после чего нажмите миниатюрную кнопку, расположенную в верхней правой части палитры (под кнопкой для сворачивания палитры) и выберите команду Save Actions. Если при этом будет выделен не набор, а отдельный макрос, эта команда будет неактивна.
Наборы макросов сохраняются в файлы с расширением ATN. Для загрузки сохраненного ранее набора в Photoshop необходимо щелкнуть по той же кнопке на палитре Actions и выбрать команду Load Actions.
Инструмент Batch
В Photoshop есть еще одно средство для автоматизации, которое удобно использовать вместе с Actions. Это - инструмент пакетной обработки Batch. С его помощью можно применить макропоследовательность к группе файлов, даже не открывая их в Photoshop.
Приведем простой пример использования этого инструмента. Предположим, необходимо перед публикацией фотографий в интернете защитить свое авторское право. Для этого можно добавить на фотографии какой-нибудь текст, например, адрес сайта.
Для начала запишем в макрос все действия, которые необходимо выполнить. Создадим новый Action и начнем запись. Макрос будет состоять из трех действий: добавление на изображение текста, сохранение изображения в формате JPEG и закрытие исходного файла. После выполнения этих операций остановим запись макроса.
Выполним команду File>Automate>Batch. В окне Batch необходимо установить настройки пакетной обработки файлов. В разделе Play выбирается группа, в которую сохранен макрос и его название.
В разделе Source необходимо указать путь к папке, содержащей исходные файлы. Если установить флажок Include All Subfolders, то будут обработаны и файлы, которые находятся во вложенных папках.
В разделе Destination устанавливаются параметры сохранения файлов. Если выбрать в этом списке вариант None, то файлы не будут сохраняться автоматически. Вместо этого Photoshop будет выдавать запрос на сохранение каждого файла. При выборе варианта Save and close файлы будут сохранены в ту же папку, где хранятся исходные изображения.
Для того чтобы файлы были автоматически сохранены, нужно выбрать в списке Destination вариант Save and close. При выборе варианта Folder появляется возможность указать папку для сохранения обработанных файлов. Кроме этого, можно переименовать их, используя маску. Название файла может включать исходное имя, представленное строчными или заглавными буквами, дату выполнения операции в разных форматах, порядковый номер, букву алфавита, расширение.
Флажок Override Action Save As Commands нужно использовать осторожно. Если он установлен, то файлы будут сохранены только в том случае, если операция сохранения является одним из шагов макроса.
Для запуска пакетной обработки необходимо закрыть окно Batch, нажав кнопку OK. После этого файлы будут один за другим открываться в Photoshop, к ним будут применяться заданные операции, после чего они будут закрываться и сохраняться.
Batch и Actions - это очень полезные инструменты Photoshop, которые могут сэкономить не один час времени. Кроме этого, Actions могут стать хорошим пособием для изучения программы - загрузите в Photoshop наборы макропоследовательностей, созданные опытными пользователями, и пошагово разберите, как они работают.
Сеть всегда объединяет несколько абонентов, каждый из которых имеет право передавать свои пакеты. Но, как уже отмечалось, по одному кабелю одновременно передавать два (или более) пакета нельзя, иначе может возникнуть конфликт (коллизия), который приведет к искажению либо потере обоих пакетов (или всех пакетов, участвующих в конфликте). Значит, надо каким-то образом установить очередность доступа к сети (захвата сети) всеми абонентами, желающими передавать. Это относится, прежде всего, к сетям с топологиями шина и кольцо. Точно так же при топологии звезда необходимо установить очередность передачи пакетов периферийными абонентами, иначе центральный абонент просто не сможет справиться с их обработкой.
В сети обязательно применяется тот или иной метод управления обменом (метод доступа, метод арбитража), разрешающий или предотвращающий конфликты между абонентами. От эффективности работы выбранного метода управления обменом зависит очень многое: скорость обмена информацией между компьютерами, нагрузочная способность сети (способность работать с различными интенсивностями обмена), время реакции сети на внешние события и т.д. Метод управления – это один из важнейших параметров сети.
Тип метода управления обменом во многом определяется особенностями топологии сети. Но в то же время он не привязан жестко к топологии, как нередко принято считать.
Методы управления обменом в локальных сетях делятся на две группы:
* Централизованные методы, в которых все управление обменом сосредоточено в одном месте. Недостатки таких методов: неустойчивость к отказам центра, малая гибкость управления (центр обычно не может оперативно реагировать на все события в сети). Достоинство централизованных методов – отсутствие конфликтов, так как центр всегда предоставляет право на передачу только одному абоненту, и ему не с кем конфликтовать.
* Децентрализованные методы, в которых отсутствует центр управления. Всеми вопросами управления, в том числе предотвращением, обнаружением и разрешением конфликтов, занимаются все абоненты сети. Главные достоинства децентрализованных методов: высокая устойчивость к отказам и большая гибкость. Однако в данном случае возможны конфликты, которые надо разрешать.
Существует и другое деление методов управления обменом, относящееся, главным образом, к децентрализованным методам:
* Детерминированные методы определяют четкие правила, по которым чередуются захватывающие сеть абоненты. Абоненты имеют определенную систему приоритетов, причем приоритеты эти различны для всех абонентов. При этом, как правило, конфликты полностью исключены (или маловероятны), но некоторые абоненты могут дожидаться своей очереди на передачу слишком долго. К детерминированным методам относится, например, маркерный доступ (сети Token-Ring, FDDI), при котором право передачи передается по эстафете от абонента к абоненту.
* Случайные методы подразумевают случайное чередование передающих абонентов. При этом возможность конфликтов подразумевается, но предлагаются способы их разрешения. Случайные методы значительно хуже (по сравнению с детерминированными) работают при больших информационных потоках в сети (при большом трафике сети) и не гарантируют абоненту величину времени доступа. В то же время они обычно более устойчивы к отказам сетевого оборудования и более эффективно используют сеть при малой интенсивности обмена. Пример случайного метода – CSMA/CD (сеть Ethernet).
Для трех основных топологий характерны три наиболее типичных метода управления обменом.
Управление обменом в сети с топологией звезда
Для топологии звезда лучше всего подходит централизованный метод управления. Это связано с тем, что все информационные потоки проходят через центр, и именно этому центру логично доверить управление обменом в сети. Причем не так важно, что находится в центре звезды: компьютер (центральный абонент), как на рис. 1.6, или же специальный концентратор, управляющий обменом, но сам не участвующий в нем. В данном случае речь идет уже не о пассивной звезде (рис. 1.11), а о некой промежуточной ситуации, когда центр не является полноценным абонентом, но управляет обменом. Это, к примеру, реализовано в сети 100VG-AnyLAN.
Самый простейший централизованный метод состоит в следующем.
Периферийные абоненты, желающие передать свой пакет (или, как еще говорят, имеющие заявки на передачу), посылают центру свои запросы (управляющие пакеты или специальные сигналы). Центр же предоставляет им право передачи пакета в порядке очередности, например, по их физическому расположению в звезде по часовой стрелке. После окончания передачи пакета каким-то абонентом право передавать получит следующий по порядку (по часовой стрелке) абонент, имеющий заявку на передачу (рис. 4.8). Например, если передает второй абонент, то после него имеет право на передачу третий. Если же третьему абоненту не надо передавать, то право на передачу переходит к четвертому и т.д.
Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда
Рис. 4.8. Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда
В этом случае говорят, что абоненты имеют географические приоритеты (по их физическому расположению). В каждый конкретный момент наивысшим приоритетом обладает следующий по порядку абонент, но в пределах полного цикла опроса ни один из абонентов не имеет никаких преимуществ перед другими. Никому не придется ждать своей очереди слишком долго. Максимальная величина времени доступа для любого абонента в этом случае будет равна суммарному времени передачи пакетов всех абонентов сети кроме данного. Для топологии, показанной на рис. 4.8, она составит четыре длительности пакета. Никаких столкновений пакетов при этом методе в принципе быть не может, так как все решения о доступе принимаются в одном месте.
Рассмотренный метод управления можно назвать методом с пассивным центром, так как центр пассивно прослушивает всех абонентов. Возможен и другой принцип реализации централизованного управления (его можно назвать методом с активным центром).
В этом случае центр посылает запросы о готовности передавать (управляющие пакеты или специальные сигналы) по очереди всем периферийным абонентам. Тот периферийный абонент, который хочет передавать (первый из опрошенных) посылает ответ (или же сразу начинает свою передачу). В дальнейшем центр проводит сеанс обмена именно с ним. После окончания этого сеанса центральный абонент продолжает опрос периферийных абонентов по кругу (как на рис. 4.8). Если желает передавать центральный абонент, он передает вне очереди.
Как в первом, так и во втором случае никаких конфликтов быть не может (решение принимает единый центр, которому не с кем конфликтовать). Если все абоненты активны, и заявки на передачу поступают интенсивно, то все они будут передавать строго по очереди. Но центр должен быть исключительно надежен, иначе будет парализован весь обмен. Механизм управления не слишком гибок, так как центр работает по жестко заданному алгоритму. К тому же скорость управления невысока. Ведь даже в случае, когда передает только один абонент, ему все равно приходится ждать после каждого переданного пакета, пока центр опросит всех остальных абонентов.
Как правило, централизованные методы управления применяются в небольших сетях (с числом абонентов не более чем несколько десятков). В случае больших сетей нагрузка по управлению обменом на центр существенно возрастает.
Управление обменом в сети с топологией шина
При топологии шина также возможно централизованное управление. При этом один из абонентов ("центральный") посылает по шине всем остальным ("периферийным") запросы (управляющие пакеты), выясняя, кто из них хочет передать, затем разрешает передачу одному из абонентов. Абонент, получивший право на передачу, по той же шине передает свой информационный пакет тому абоненту, которому хочет. А после окончания передачи передававший абонент все по той же шине сообщает "центру", что он закончил передачу (управляющим пакетом), и "центр" снова начинает опрос (рис. 4.9).
Централизованное управление в сети с топологией шина
Рис. 4.9. Централизованное управление в сети с топологией шина
Преимущества и недостатки такого управления – те же самые, что и в случае централизованно управляемой звезды. Единственное отличие состоит в том, что центр здесь не пересылает информацию от одного абонента к другому, как в топологии активная звезда, а только управляет обменом.
Гораздо чаще в шине используется децентрализованное случайное управление, так как сетевые адаптеры всех абонентов в данном случае одинаковы, и именно этот метод наиболее органично подходит шине. При выборе децентрализованного управления все абоненты имеют равные права доступа к сети, то есть особенности топологии совпадают с особенностями метода управления. Решение о том, когда можно передавать свой пакет, принимается каждым абонентом на месте, исходя только из анализа состояния сети. В данном случае возникает конкуренция между абонентами за захват сети, и, следовательно, возможны конфликты между ними и искажения передаваемой информации из-за наложения пакетов.
Существует множество алгоритмов доступа или, как еще говорят, сценариев доступа, порой очень сложных. Их выбор зависит от скорости передачи в сети, длины шины, загруженности сети (интенсивности обмена или трафика сети), используемого кода передачи.
Иногда для управления доступом к шине применяется дополнительная линия связи, что позволяет упростить аппаратуру контроллеров и методы доступа, но заметно увеличивает стоимость сети за счет удвоения длины кабеля и количества приемопередатчиков. Поэтому данное решение не получило широкого распространения.
Суть всех случайных методов управления обменом довольно проста.
Если сеть свободна (то есть никто не передает своих пакетов), то абонент, желающий передавать, сразу начинает свою передачу. Время доступа в этом случае равно нулю.
Если же в момент возникновения у абонента заявки на передачу сеть занята, то абонент, желающий передавать, ждет освобождения сети. В противном случае исказятся и пропадут оба пакета. После освобождения сети абонент, желающий передавать, начинает свою передачу.
Возникновение конфликтных ситуаций (столкновений пакетов, коллизий), в результате которых передаваемая информация искажается, возможно в двух случаях.
* При одновременном начале передачи двумя или более абонентами, когда сеть свободна (рис. 4.10). Это ситуация довольно редкая, но все-таки вполне возможная.
* При одновременном начале передачи двумя или более абонентами сразу после освобождения сети (рис. 4.11). Это ситуация наиболее типична, так как за время передачи пакета одним абонентом вполне может возникнуть несколько новых заявок на передачу у других абонентов.
Существующие случайные методы управления обменом (арбитража) различаются тем, как они предотвращают возможные конфликты или же разрешают уже возникшие. Ни один конфликт не должен нарушать обмен, все абоненты должны, в конце концов, передать свои пакеты.
В процессе развития локальных сетей было разработано несколько разновидностей случайных методов управления обменом.
Коллизии в случае начала передачи при свободной сети
Рис. 4.10. Коллизии в случае начала передачи при свободной сети
Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети
Рис. 4.11. Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети
Например, был предложен метод, при котором не все передающие абоненты распознают коллизию, а только те, которые имеют меньшие приоритеты. Абонент с максимальным приоритетом из всех, начавших передачу, закончит передачу своего пакета без ошибок. Остальные, обнаружив коллизию, прекратят свою передачу и будут ждать освобождения сети для новой попытки. Для контроля коллизии каждый передающий абонент производит побитное сравнение передаваемой им в сеть информации и данных, присутствующих в сети. Побеждает тот абонент, заголовок пакета которого дольше других не искажается от коллизии. Этот метод, называемый децентрализованным кодовым приоритетным методом, отличается низким быстродействием и сложностью реализации.
При другом методе управления обменом каждый абонент начинает свою передачу после освобождения сети не сразу, а, выдержав свою, строго индивидуальную задержку, что предотвращает коллизии после освобождения сети и тем самым сводит к минимуму общее количество коллизий. Максимальным приоритетом в этом случае будет обладать абонент с минимальной задержкой. Столкновения пакетов возможны только тогда, когда два и более абонентов захотели передавать одновременно при свободной сети. Этот метод, называемый децентрализованным временным приоритетным методом, хорошо работает только в небольших сетях, так как каждому абоненту нужно обеспечить свою индивидуальную задержку.
В обоих случаях имеется система приоритетов, все же данные методы относятся к случайным, так как исход конкуренции невозможно предсказать. Случайные приоритетные методы ставят абонентов в неравные условия при большой интенсивности обмена по сети, так как высокоприоритетные абоненты могут надолго заблокировать сеть для низкоприоритетных абонентов.
[pagebreak]
Чаще всего система приоритетов в методе управления обменом в шине отсутствует полностью. Именно так работает наиболее распространенный стандартный метод управления обменом CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), используемый в сети Ethernet. Его главное достоинство в том, что все абоненты полностью равноправны, и ни один из них не может надолго заблокировать обмен другому (как в случае наличия приоритетов). В этом методе коллизии не предотвращаются, а разрешаются.
Суть метода состоит в том, что абонент начинает передавать сразу, как только он выяснит, что сеть свободна. Если возникают коллизии, то они обнаруживаются всеми передающими абонентами. После чего все абоненты прекращают свою передачу и возобновляют попытку начать новую передачу пакета через временной интервал, длительность которого выбирается случайным образом. Поэтому повторные коллизии маловероятны.
Еще один распространенный метод случайного доступа – CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – множественный доступ с контролем несущей и избежанием коллизий) применяющийся, например, в сети Apple LocalTalk. Абонент, желающий передавать и обнаруживший освобождение сети, передает сначала короткий управляющий пакет запроса на передачу. Затем он заданное время ждет ответного короткого управляющего пакета подтверждения запроса от абонента-приемника. Если ответа нет, передача откладывается. Если ответ получен, передается пакет. Коллизии полностью не устраняются, но в основном сталкиваются управляющие пакеты. Столкновения информационных пакетов выявляются на более высоких уровнях протокола.
Подобные методы будут хорошо работать только при не слишком большой интенсивности обмена по сети. Считается, что приемлемое качество связи обеспечивается при нагрузке не выше 30—40% (то есть когда сеть занята передачей информации примерно на 30—40% всего времени). При большей нагрузке повторные столкновения учащаются настолько, что наступает так называемый коллапс или крах сети, представляющий собой резкое падение ее производительности.
Недостаток всех случайных методов состоит еще и в том, что они не гарантируют величину времени доступа к сети, которая зависит не только от выбора задержки между попытками передачи, но и от общей загруженности сети. Поэтому, например, в сетях, выполняющих задачи управления оборудованием (на производстве, в научных лабораториях), где требуется быстрая реакция на внешние события, сети со случайными методами управления используются довольно редко.
При любом случайном методе управления обменом, использующем детектирование коллизии (в частности, при CSMA/CD), возникает вопрос о том, какой должна быть минимальная длительность пакета, чтобы коллизию обнаружили все начавшие передавать абоненты. Ведь сигнал по любой физической среде распространяется не мгновенно, и при больших размерах сети (диаметре сети) задержка распространения может составлять десятки и сотни микросекунд. Кроме того, информацию об одновременно происходящих событиях разные абоненты получают не в одно время. С тем чтобы рассчитать минимальную длительность пакета, следует обратиться к рис. 4.12.
Пусть L – полная длина сети, V – скорость распространения сигнала в используемом кабеле. Допустим, абонент 1 закончил свою передачу, а абоненты 2 и 3 захотели передавать во время передачи абонента 1 и ждали освобождения сети.
После освобождения сети абонент 2 начнет передавать сразу же, так как он расположен рядом с абонентом 1. Абонент 3 после освобождения сети узнает об этом событии и начнет свою передачу через временной интервал прохождения сигнала по всей длине сети, то есть через время L/V. При этом пакет от абонента 3 дойдет до абонента 2 еще через временной интервал L/V после начала передачи абонентом 3 (обратный путь сигнала). К этому моменту передача пакета абонентом 2 не должна закончиться, иначе абонент 2 так и не узнает о столкновении пакетов (о коллизии), в результате чего будет передан неправильный пакет.
Получается, что минимально допустимая длительность пакета в сети должна составлять 2L/V, то есть равняться удвоенному времени распространения сигнала по полной длине сети (или по пути наибольшей длины в сети). Это время называется двойным или круговым временем задержки сигнала в сети или PDV (Path Delay Value). Этот же временной интервал можно рассматривать как универсальную меру одновременности любых событий в сети.
Стандартом на сеть задается как раз величина PDV, определяющая минимальную длину пакета, и из нее уже рассчитывается допустимая длина сети. Дело в том, что скорость распространения сигнала в сети для разных кабелей отличается. Кроме того, надо еще учитывать задержки сигнала в различных сетевых устройствах. Расчетам допустимых конфигураций сети Ethernet посвящена глава 10.
Отдельно следует остановиться на том, как сетевые адаптеры распознают коллизию в кабеле шины, то есть столкновение пакетов. Ведь простое побитное сравнение передаваемой абонентом информации с той, которая реально присутствует в сети, возможно только в случае самого простого кода NRZ, используемого довольно редко. При применении манчестерского кода, который обычно подразумевается в случае метода управления обменом CSMA/CD, требуется принципиально другой подход.
Как уже отмечалось, сигнал в манчестерском коде всегда имеет постоянную составляющую, равную половине размаха сигнала (если один из двух уровней сигнала нулевой). Однако в случае столкновения двух и более пакетов (при коллизии) это правило выполняться не будет. Постоянная составляющая суммарного сигнала в сети будет обязательно больше или меньше половины размаха (рис. 4.13). Ведь пакеты всегда отличаются друг от друга и к тому же сдвинуты друг относительно друга во времени. Именно по выходу уровня постоянной составляющей за установленные пределы и определяет каждый сетевой адаптер наличие коллизии в сети.
Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода
Рис. 4.13. Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода
Задача обнаружения коллизии существенно упрощается, если используется не истинная шина, а равноценная ей пассивная звезда (рис. 4.14).
Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда
Рис. 4.14. Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда
При этом каждый абонент соединяется с центральным концентратором, как правило, двумя кабелями, каждый из которых передает информацию в своем направлении. Во время передачи своего пакета абоненту достаточно всего лишь контролировать, не приходит ли ему в данный момент по встречному кабелю (приемному) другой пакет. Если встречный пакет приходит, то детектируется коллизия. Точно так же обнаруживает коллизии и концентратор.
Управление обменом в сети с топологией кольцо
Кольцевая топология имеет свои особенности при выборе метода управления обменом. В этом случае важно то, что любой пакет, посланный по кольцу, последовательно пройдя всех абонентов, через некоторое время возвратится в ту же точку, к тому же абоненту, который его передавал (так как топология замкнутая). Здесь нет одновременного распространения сигнала в две стороны, как в топологии шина. Как уже отмечалось, сети с топологией кольцо бывают однонаправленными и двунаправленными. Наиболее распространены однонаправленные.
В сети с топологией кольцо можно использовать различные централизованные методы управления (как в звезде), а также методы случайного доступа (как в шине), но чаще выбирают все-таки специфические методы управления, в наибольшей степени соответствующие особенностям кольца.
Самые популярные методы управления в кольцевых сетях маркерные (эстафетные), те, которые используют маркер (эстафету) – небольшой управляющий пакет специального вида. Именно эстафетная передача маркера по кольцу позволяет передавать право на захват сети от одного абонента к другому. Маркерные методы относятся к децентрализованным и детерминированным методам управления обменом в сети. В них нет явно выраженного центра, но существует четкая система приоритетов, и потому не бывает конфликтов.
Работа маркерного метода управления в сети с топологией кольцо представлена на рис. 4.15.
Рис. 4.15. Маркерный метод управления обменом (СМ—свободный маркер, ЗМ— занятый маркер, МП— занятый маркер с подтверждением, ПД—пакет данных)
По кольцу непрерывно ходит специальный управляющий пакет минимальной длины, маркер, предоставляющий абонентам право передавать свой пакет. Алгоритм действий абонентов:
1. Абонент 1, желающий передать свой пакет, должен дождаться прихода к нему свободного маркера. Затем он присоединяет к маркеру свой пакет, помечает маркер как занятый и отправляет эту посылку следующему по кольцу абоненту.
2. Все остальные абоненты (2, 3, 4), получив маркер с присоединенным пакетом, проверяют, им ли адресован пакет. Если пакет адресован не им, то они передают полученную посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
3. Если какой-то абонент (в данном случае это абонент 2) распознает пакет как адресованный ему, то он его принимает, устанавливает в маркере бит подтверждения приема и передает посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
4. Передававший абонент 1 получает свою посылку, прошедшую по всему кольцу, обратно, помечает маркер как свободный, удаляет из сети свой пакет и посылает свободный маркер дальше по кольцу. Абонент, желающий передавать, ждет этого маркера, и все повторяется снова.
Приоритет при данном методе управления получается географический, то есть право передачи после освобождения сети переходит к следующему по направлению кольца абоненту от последнего передававшего абонента. Но эта система приоритетов работает только при большой интенсивности обмена. При малой интенсивности обмена все абоненты равноправны, и время доступа к сети каждого из них определяется только положением маркера в момент возникновения заявки на передачу.
В чем-то рассматриваемый метод похож на метод опроса (централизованный), хотя явно выделенного центра здесь не существует. Однако некий центр обычно все-таки присутствует. Один из абонентов (или специальное устройство) должен следить, чтобы маркер не потерялся в процессе прохождения по кольцу (например, из-за действия помех или сбоя в работе какого-то абонента, а также из-за подключения и отключения абонентов). В противном случае механизм доступа работать не будет. Следовательно, надежность управления в данном случае снижается (выход центра из строя приводит к полной дезорганизации обмена). Существуют специальные средства для повышения надежности и восстановления центра контроля маркера.
Основное преимущество маркерного метода перед CSMA/CD состоит в гарантированной величине времени доступа. Его максимальная величина, как и при централизованном методе, составит (N-1)• tпк, где N – полное число абонентов в сети, tпк – время прохождения пакета по кольцу. Вообще, маркерный метод управления обменом при большой интенсивности обмена в сети (загруженность более 30—40%) гораздо эффективнее случайных методов. Он позволяет сети работать с большей нагрузкой, которая теоретически может даже приближаться к 100%.
Метод маркерного доступа используется не только в кольце (например, в сети IBM Token Ring или FDDI), но и в шине (в частности, сеть Arcnet-BUS), а также в пассивной звезде (к примеру, сеть Arcnet-STAR). В этих случаях реализуется не физическое, а логическое кольцо, то есть все абоненты последовательно передают друг другу маркер, и эта цепочка передачи маркеров замкнута в кольцо (рис. 4.16). При этом совмещаются достоинства физической топологии шина и маркерного метода управления.
Применение маркерного метода управления в шине
Рис. 4.16. Применение маркерного метода управления в шине
Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче информации по каналу с узкой полосой пропускания, например, по телефонным линиям в глобальных сетях. Кроме того, аналоговое кодирование применяется в радиоканалах, что позволяет обеспечивать связь между многими пользователями одновременно.
Код RZ
Код RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) – этот трехуровневый код получил такое название потому, что после значащего уровня сигнала в первой половине битового интервала следует возврат к некоему "нулевому", среднему уровню (например, к нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в середине каждого битового интервала. Логическому нулю, таким образом, соответствует положительный импульс, логической единице – отрицательный (или наоборот) в первой половине битового интервала.
В центре битового интервала всегда есть переход сигнала (положительный или отрицательный), следовательно, из этого кода приемник легко может выделить синхроимпульс (строб). Возможна временная привязка не только к началу пакета, как в случае кода NRZ, но и к каждому отдельному биту, поэтому потери синхронизации не произойдет при любой длине пакета.
Еще одно важное достоинство кода RZ – простая временная привязка приема, как к началу последовательности, так и к ее концу. Приемник просто должен анализировать, есть изменение уровня сигнала в течение битового интервала или нет. Первый битовый интервал без изменения уровня сигнала соответствует окончанию принимаемой последовательности бит (рис. 3.12). Поэтому в коде RZ можно использовать передачу последовательностями переменной длины.
Определение начала и конца приема при коде RZ
Рис. 3.12. Определение начала и конца приема при коде RZ
Недостаток кода RZ состоит в том, что для него требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ (так как здесь на один битовый интервал приходится два изменения уровня сигнала). Например, для скорости передачи информации 10 Мбит/с требуется пропускная способность линии связи 10 МГц, а не 5 МГц, как при коде NRZ (рис. 3.13).
Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ
Рис. 3.13. Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ
Другой важный недостаток – наличие трех уровней, что всегда усложняет аппаратуру как передатчика, так и приемника.
Код RZ применяется не только в сетях на основе электрического кабеля, но и в оптоволоконных сетях. Правда, в них не существует положительных и отрицательных уровней сигнала, поэтому используется три следующие уровня: отсутствие света, "средний" свет, "сильный" свет. Это очень удобно: даже когда нет передачи информации, свет все равно присутствует, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи без дополнительных мер (рис. 3.14).
Использование кода RZ в оптоволоконных сетях
Рис. 3.14. Использование кода RZ в оптоволоконных сетях
Манчестерский код
Манчестерский код (или код Манчестер-II) получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от RZ имеет не три, а всего два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности и упрощению приемных и передающих узлов. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре битового интервала (то есть первая половина битового интервала – низкий уровень, вторая половина – высокий), а логической единице соответствует отрицательный переход в центре битового интервала (или наоборот).
Как и в RZ, обязательное наличие перехода в центре бита позволяет приемнику манчестерского кода легко выделить из пришедшего сигнала синхросигнал и передать информацию сколь угодно большими последовательностями без потерь из-за рассинхронизации. Допустимое расхождение часов приемника и передатчика может достигать 25%.
Подобно коду RZ, при использовании манчестерского кода требуется пропускная способность линии в два раза выше, чем при применении простейшего кода NRZ. Например, для скорости передачи 10 Мбит/с требуется полоса пропускания 10 МГц (рис. 3.15).
Скорость передачи и пропускная способность при манчестерском коде
Рис. 3.15. Скорость передачи и пропускная способность при манчестерском коде
Как и при коде RZ, в данном случае приемник легко может определить не только начало передаваемой последовательности бит, но и ее конец. Если в течение битового интервала нет перехода сигнала, то прием заканчивается. В манчестерском коде можно передавать последовательности бит переменной длины (рис. 3.16). Процесс определения времени передачи называют еще контролем несущей, хотя в явном виде несущей частоты в данном случае не присутствует.
Определение начала и конца приема при манчестерском коде
Рис. 3.16. Определение начала и конца приема при манчестерском коде
Манчестерский код используется как в электрических, так и в оптоволоконных кабелях (в последнем случае один уровень соответствует отсутствию света, а другой – его наличию).
Основное достоинство манчестерского кода – постоянная составляющая в сигнале (половину времени сигнал имеет высокий уровень, другую половину – низкий). Постоянная составляющая равна среднему значению между двумя уровнями сигнала.
Если высокий уровень имеет положительную величину, а низкий – такую же отрицательную, то постоянная составляющая равна нулю. Это дает возможность легко применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. При этом не требуется дополнительного источника питания для линии связи (как, например, в случае использования оптронной гальванической развязки), резко уменьшается влияние низкочастотных помех, которые не проходят через трансформатор, легко решается проблема согласования.
Если же один из уровней сигнала в манчестерском коде нулевой (как, например, в сети Ethernet), то величина постоянной составляющей в течение передачи будет равна примерно половине амплитуды сигнала. Это позволяет легко фиксировать столкновения пакетов в сети (конфликт, коллизию) по отклонению величины постоянной составляющей за установленные пределы.
Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает в себя только две частоты: при скорости передачи 10 Мбит/с это 10 МГц (соответствует передаваемой цепочке из одних нулей или из одних единиц) и 5 МГц (соответствует последовательности из чередующихся нулей и единиц: 1010101010...). Поэтому с помощью простейших полосовых фильтров можно легко избавиться от всех других частот (помехи, наводки, шумы).
Бифазный код
Бифазный код часто рассматривают как разновидность манчестерского, так как их характеристики практически полностью совпадают.
Данный код отличается от классического манчестерского кода тем, что он не зависит от перемены мест двух проводов кабеля. Особенно это удобно в случае, когда для связи применяется витая пара, провода которой легко перепутать. Именно этот код используется в одной из самых известных сетей Token-Ring компании IBM.
Принцип данного кода прост: в начале каждого битового интервала сигнал меняет уровень на противоположный предыдущему, а в середине единичных (и только единичных) битовых интервалов уровень изменяется еще раз. Таким образом, в начале битового интервала всегда есть переход, который используется для самосинхронизации. Как и в случае классического манчестерского кода, в частотном спектре при этом присутствует две частоты. При скорости 10 Мбит/с это частоты 10 МГц (при последовательности одних единиц: 11111111...) и 5 МГц (при последовательности одних нулей: 00000000...).
Имеется также еще один вариант бифазного кода (его еще называют дифференциальным манчестерским кодом). В этом коде единице соответствует наличие перехода в начале битового интервала, а нулю – отсутствие перехода в начале битового интервала (или наоборот). При этом в середине битового интервала переход имеется всегда, и именно он служит для побитовой самосинхронизации приемника. Характеристики этого варианта кода также полностью соответствуют характеристикам манчестерского кода.
Здесь же стоит упомянуть о том, что часто совершенно неправомерно считается, что единица измерения скорости передачи бод – это то же самое, что бит в секунду, а скорость передачи в бодах равняется скорости передачи в битах в секунду. Это верно только в случае кода NRZ. Скорость в бодах характеризует не количество передаваемых бит в секунду, а число изменений уровня сигнала в секунду. И при RZ или манчестерском кодах требуемая скорость в бодах оказывается вдвое выше, чем при NRZ. В бодах измеряется скорость передачи сигнала, а в битах в секунду – скорость передачи информации. Поэтому, чтобы избежать неоднозначного понимания, скорость передачи по сети лучше указывать в битах в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с).
Другие коды
Все разрабатываемые в последнее время коды призваны найти компромисс между требуемой при заданной скорости передачи полосой пропускания кабеля и возможностью самосинхронизации. Разработчики стремятся сохранить самосинхронизацию, но не ценой двукратного увеличения полосы пропускания, как в рассмотренных RZ, манчестерском и бифазном кодах.
Чаще всего для этого в поток передаваемых битов добавляют биты синхронизации. Например, один бит синхронизации на 4, 5 или 6 информационных битов или два бита синхронизации на 8 информационных битов. В действительности все обстоит несколько сложнее: кодирование не сводится к простой вставке в передаваемые данные дополнительных битов. Группы информационных битов преобразуются в передаваемые по сети группы с количеством битов на один или два больше. Приемник осуществляет обратное преобразование, восстанавливает исходные информационные биты. Довольно просто осуществляется в этом случае и обнаружение несущей частоты (детектирование передачи).
Так, например, в сети FDDI (скорость передачи 100 Мбит/с) применяется код 4В/5В, который 4 информационных бита преобразует в 5 передаваемых битов. При этом синхронизация приемника осуществляется один раз на 4 бита, а не в каждом бите, как в случае манчестерского кода. Но зато требуемая полоса пропускания увеличивается по сравнению с кодом NRZ не в два раза, а только в 1,25 раза (то есть составляет не 100 МГц, а всего лишь 62,5 МГц). По тому же принципу строятся и другие коды, в частности, 5В/6В, используемый в стандартной сети 100VG-AnyLAN, или 8В/10В, применяемый в сети Gigabit Ethernet.
В сегменте 100BASE-T4 сети Fast Ethernet использован несколько иной подход. Там применяется код 8В/6Т, предусматривающий параллельную передачу трех трехуровневых сигналов по трем витым парам. Это позволяет достичь скорости передачи 100 Мбит/с на дешевых кабелях с витыми парами категории 3, имеющих полосу пропускания всего лишь16 МГц (см. табл. 2.1). Правда, это требует большего расхода кабеля и увеличения количества приемников и передатчиков. К тому же принципиально, чтобы все провода были одной длины и задержки сигнала в них не слишком различались.
Иногда уже закодированная информация подвергается дополнительному кодированию, что позволяет упростить синхронизацию на приемном конце. Наибольшее распространение для этого получили 2-уровневый код NRZI, применяемый в оптоволоконных сетях (FDDI и 100BASE-FX), а также 3-уровневый код MLT-3, используемый в сетях на витых парах (TPDDI и 100BASE-TХ). Оба эти кода (рис. 3.17) не являются самосинхронизирующимися.
Коды NRZI и MLT-3
Рис. 3.17. Коды NRZI и MLT-3
Код NRZI (без возврата к нулю с инверсией единиц – Non-Return to Zero, Invert to one) предполагает, что уровень сигнала меняется на противоположный в начале единичного битового интервала и не меняется при передаче нулевого битового интервала. При последовательности единиц на границах битовых интервалов имеются переходы, при последовательности нулей – переходов нет. В этом смысле код NRZI лучше синхронизируется, чем NRZ (там нет переходов ни при последовательности нулей, ни при последовательности единиц).
Код MLT-3 (Multi-Level Transition-3) предполагает, что при передаче нулевого битового интервала уровень сигнала не меняется, а при передаче единицы – меняется на следующий уровень по такой цепочке: +U, 0, –U, 0, +U, 0, –U и т.д. Таким образом, максимальная частота смены уровней получается вчетверо меньше скорости передачи в битах (при последовательности сплошных единиц). Требуемая полоса пропускания оказывается меньше, чем при коде NRZ.
Все упомянутые в данном разделе коды предусматривают непосредственную передачу в сеть цифровых двух- или трехуровневых прямоугольных импульсов.
Однако иногда в сетях используется и другой путь – модуляция информационными импульсами высокочастотного аналогового сигнала (синусоидального). Такое аналоговое кодирование позволяет при переходе на широкополосную передачу существенно увеличить пропускную способность канала связи (в этом случае по сети можно передавать несколько бит одновременно). К тому же, как уже отмечалось, при прохождении по каналу связи аналогового сигнала (синусоидального) не искажается форма сигнала, а только уменьшается его амплитуда, а в случае цифрового сигнала форма сигнала искажается (см. рис. 3.2).
К самым простым видам аналогового кодирования относятся следующие (рис. 3.18):
* Амплитудная модуляция (АМ, AM – Amplitude Modulation), при которой логической единице соответствует наличие сигнала (или сигнал большей амплитуды), а логическому нулю – отсутствие сигнала (или сигнал меньшей амплитуды). Частота сигнала при этом остается постоянной. Недостаток амплитудной модуляции состоит в том, что АМ-сигнал сильно подвержен действию помех и шумов, а также предъявляет повышенные требования к затуханию сигнала в канале связи. Достоинства – простота аппаратурной реализации и узкий частотный спектр.
Аналоговое кодирование цифровой информации
Рис. 3.18. Аналоговое кодирование цифровой информации
* Частотная модуляция (ЧМ, FM – Frequency Modulation), при которой логической единице соответствует сигнал более высокой частоты, а логическому нулю – сигнал более низкой частоты (или наоборот). Амплитуда сигнала при частотной модуляции остается постоянной, что является большим преимуществом по сравнению с амплитудной модуляцией.
* Фазовая модуляция (ФМ, PM – Phase Modulation), при которой смене логического нуля на логическую единицу и наоборот соответствует резкое изменение фазы синусоидального сигнала одной частоты и амплитуды. Важно, что амплитуда модулированного сигнала остается постоянной, как и в случае частотной модуляции.
Применяются и значительно более сложные методы модуляции, являющиеся комбинацией перечисленных простейших методов. Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче информации по каналу с узкой полосой пропускания, например, по телефонным линиям в глобальных сетях. Кроме того, аналоговое кодирование применяется в радиоканалах, что позволяет обеспечивать связь между многими пользователями одновременно. В локальных кабельных сетях аналоговое кодирование практически не используется из-за высокой сложности и стоимости как кодирующего, так и декодирующего оборудования.
Поиск
