Перед вами - пособие для начинающих работать с пакетом CorelDRAW 11. В нем рассмотрены основные концепции работы с векторной графикой и приведены приемы практической работы с изображениями - как векторными, так и смешанными, включающими в себя растровую графику. Упражнения, включенные в книгу, позволяют закрепить изученный материал и дополняют его полезными практическими приемами.

Пользователи, уже знакомые с предыдущими версиями пакета, смогут по достоинству оценить его новые возможности, а тем, кто только начинает осваивать азы компьютерного дизайна, книга поможет сделать первые шаги к открытию целого мира векторной графики.

Книга может использоваться как для самостоятельной подготовки, так и в качестве учебного пособия для студентов вузов и слушателей курсов повышения квалификации.

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.

Увы, жесткий диск компьютера почему-то всегда оказывается забит под завязку “самыми нужными” программами и данными, а цифровой аппарат всенепременно сообщит о том, что память переполнена, в тот момент, когда фотограф, вскинув фотокамеру, уже готов нажать кнопку спуска, чтобы сделать “главный кадр всей жизни”. Столкнувшись с подобным, поневоле приходится признать за информацией уникальную особенность, присущую кроме нее разве что только газам – обе эти субстанции (и газ, и информация) способны нацело заполнять весь предоставленный им объем, сколь бы велик он ни был…

Однако ученые и изобретатели постоянно ищут возможности сохранения все больших объемов информации и думают над тем, как можно расширить уже имеющиеся хранилища данных в существующих цифровых устройствах. Что касается настольных систем, то тут все понятно: жесткие диски становятся объемистее, а количество микросхем оперативной памяти, втискиваемых в корпус компьютера, постепенно стремится к бесконечности. Труднее обстоит дело с наладонными устройствами. В данном случае габариты имеют не последнее значение, так что подцепить, к примеру, к цифровому фотоаппарату винчестер не так-то просто (хотя видеокамеры со встроенным жестким диском уже выпускаются серийно). Приходится довольствоваться твердотельными устройствами хранения данных на основе микросхем flash-памяти, которые, впрочем, по объемам вполне могут сравниться с жесткими дисками 5-7-летней давности.

И не ОЗУ, и не ПЗУ

flash-память ведет свою родословную от постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) компьютера, но при этом может работать как оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Для тех, кто подзабыл, наверное, стоит напомнить, в чем же собственно состоит разница между ПЗУ и ОЗУ. Так вот, главное преимущество постоянного запоминающего устройства – возможность хранить данные даже при отключении питания компьютера (от того-то в термине и присутствует слово “постоянное”). Правда, чтобы записать информацию в недра микросхемы flash-памяти, требуется специальный программатор, а сами данные записываются один раз и навсегда – возможности перезаписи данных в “классическом” ПЗУ нет (еще говорят, что микросхема “прожигается”, что в общем-то верно отражает физическую суть записи в ПЗУ). Что касается оперативной памяти, ОЗУ то есть, то этот тип накопителя данных, наоборот, не в состоянии хранить информацию при отключении питания, зато позволяет мгновенно записывать и считывать данные в процессе текущей работы компьютера. Flash-микросхема объединяет в себе качества обоих типов памяти: она позволяет сравнительно быстро записывать и считывать данные, да еще плюс к тому “не забывает” записанное после выключения питания. Именно эта способность к “долговременной памяти” и позволяет использовать flash-микросхемы в качестве альтернативы дискетам, компакт-дискам и жестким дискам, то есть устройствам хранения данных, которые могут годами, если не столетиями, сохранять информацию без какого-либо изменения и без всяких потерь.

Появилась же flash-память благодаря усилиям японских ученых. В 1984 г. компания Toshiba объявила о создании нового типа запоминающих устройств, а годом позже начала производство микросхем емкостью 256 Кbit. Правда, событие это, вероятно в силу малой востребованности в то время подобной памяти, не всколыхнуло мировую общественность. Второе рождение flash-микросхем произошло уже под брэндом Intel в 1988 г., когда мировой гигант радиоэлектронной промышленности разработал собственный вариант flash-памяти. Однако в течение почти целого десятилетия новинка оставалась вещью, широко известной лишь в узких кругах инженеров-компьютерщиков. И только появление малогабаритных цифровых устройств, требовавших для своей работы значительных объемов памяти, стало началом роста популярности flash-устройств. Начиная с 1997 г. flash-накопители стали использоваться в цифровых фотоаппаратах, потом “ареал обитания” твердотельной памяти с возможностью хранения и многократной перезаписи данных стал охватывать MP3-плейеры, наладонные компьютеры, цифровые видеокамеры и прочие миниатюрные “игрушки” для взрослых любителей цифрового мира.

Такое странное слово flash

Кстати сказать, как до сих пор идут споры о том, какой же все-таки год, 1984 или 1988-й, нужно считать временем появления “настоящей” flash-памяти, точно так же споры вызывает и происхождение самого термина flash, применяемого для обозначения этого класса устройств. Если обратиться к толковому словарю, то выяснится многозначность слова flash. Оно может обозначать короткий кадр фильма, вспышку, мелькание или отжиг стекла.

Согласно основной версии, термин flash появился в лабораториях компании Toshiba как характеристика скорости стирания и записи микросхемы флэш-памяти “in a flash”, то есть в мгновение ока. С другой стороны, причиной появления термина может быть слово, используемое для обозначения процесса “прожигания” памяти ПЗУ, который достался новинке в наследство от предшественников. В английском языке “засвечивание” или “прожигание” микросхемы постоянного запоминающего устройства обозначается словом flashing.

По третьей версии слово flash отражает особенность процесса записи данных в микросхемах этого типа. Дело в том, что, в отличие от прежнего ПЗУ, запись и стирание данных во flash-памяти производится блоками-кадрами, а термин flash как раз и имеет в качестве одного из значений – короткий кадр фильма.

Вторая часть серии статей "Использование регулярных выражений в PHP" посвящена решению ряда проблем обработки сложных текстов с помощью "продвинутых" операторов регулярных выражений.

Несмотря на то, что термины данные и информация используются взаимозаменяемо, между ними есть существенная разница. Данные существуют реально. Данные — - это список температур, перечень недавних продаж или опись товара, имеющегося в наличии. Информация — это прогнозы. Информация — это предсказание погоды, прогноз прибылей и убытков и тенденции сбыта. Данные записываются в виде нулей и единиц, в то время как информация обрабатывается мозгом.

Между данными и информацией располагается приложение: механизм, который преобразует одно в другое и наоборот. Например, при покупке книги в Интернете это приложение преобразует вашу информацию — название книги, идентификатор, информацию о банковском счете — в данные: номер заказа, цену со скидкой, характеристики транзакции с использованием кредитной карточки и количество оставшихся в наличии экземпляров книги. Аналогичным образом, приложение преобразует данные в запрос на выборку со склада, отметку об отгрузке и номер отслеживания — информацию, необходимую для реализации продажи.

В действительности сложность создания приложения прямо пропорциональна преобразованиям, которые оно выполняет. Гостевая книга Web-сайта, передающая имя и адрес в поля базы данных, устроена элементарно. С другой стороны, онлайновый магазин, который передает большое количество видов информации в модель данных коммерческой сделки и преобразует данные в информацию для реализации процесса принятия решений, достаточно сложен с точки зрения разработки. Искусство программирования заключается в умелом манипулировании данными и информацией — мастерство, схожее с фиксацией света в живописи.

Как было сказано в первой части, регулярные выражения являются одним из самых мощных средств манипулирования данными. Регулярные выражения лаконично описывают форму данных и раскладывают их на составляющие. Например, следующее регулярное выражение можно использовать для обработки температуры, заданной в градусах по Цельсию или по Фаренгейту: /^([+-]?[0-9]+)([CF])$/.

Регулярное выражение сравнивает начало строки (отображается знаком "крышка" (^), за которым идет знак "+", знак "-", или ничего ([+-]?), за которым следует целое число ([0-9]+), обозначение шкалы — Цельсия или Фаренгейта ([CF]) — и заканчивается концом строки (обозначается знаком доллара $).

В данном регулярном выражении операторы начала строки и конца строки представляют собой примеры операторов нулевой ширины или совпадений по положению, а не по символам. Круглые скобки также не указывают на символы. Зато, если заключить шаблон в круглые скобки, то будет извлечен текст, соответствующий шаблону. Следовательно, если текст полностью сопоставим с шаблоном, то первая пара круглых скобок выдаст строку, представляющую собой положительное или отрицательное целое число, например, +49, а вторая пара круглых скобок - или букву C, или F.

В первой части серии представлено понятие регулярного выражения и были описаны PHP-функции для сравнения текста с шаблонами, а также для извлечения совпадений. А теперь давайте углубимся в изучение регулярных выражений и посмотрим на некоторые "продвинутые" операторы и средства.

Круглые скобки опять приходят на помощь

В большинстве случаев пара круглых скобок используется для описания части шаблона и получения текста, соответствующего этой части. Однако от круглых скобок не всегда требуется получение части шаблона. Как и в сложной арифметической формуле, круглые скобки можно использовать для группировки условий.

Приведу пример. Догадаетесь, какому типу данных соответствует данное выражение?

/[-a-z0-9]+(?:\.[-a-z0-9]+)*\.(?:com|edu|info)/i


Как можно догадаться, это регулярное выражение определяет имена Интернет-сайтов (только для доменов .com, .edu, и .info). Отличием является использование дополнительного оператора ?:. Квалификатор части шаблона ?: отключает функцию извлечения данных, и тем самым дает круглым скобкам возможность обозначать последовательность действий. Например, в данном случае фраза (?:\.[-a-z0-9]+)* соответствует нулю или более элементам строки, например, ".ibm." Аналогично, фраза \.(?:com|edu|info) обозначает последовательность символов, за которой идет одна из строк com, edu, или info.

Отключение функции извлечения информации может показаться бессмысленным, если не подумать о том, что извлечение информации требует дополнительной обработки. Если программа обрабатывает большое количество данных, то отказ от извлечения может быть целесообразным. Кроме того, если вы имеете дело со сложным регулярным выражением, то отключение функции извлечения информации в некоторых частях шаблона может упростить извлечение тех частей шаблона, которые реально нужны.

Примечание: Модификатор i в конце регулярного выражения делает все сопоставления с шаблоном нечувствительными к регистру. Следовательно, подмножество a-z будет сопоставимо со всеми буквами, независимо от регистра.

В PHP есть и другие модификаторы частей шаблона (subpattern). Используя отладчик регулярных выражений, показанный в первой части данной серии (повторно показан в листинге 1), попробуйте сопоставить регулярное выражение ((?i)edu) со строками "EDU," "edu," и "Edu." Если в начале части шаблона задать модификатор (?i), то сопоставление с шаблоном не будет зависеть от регистра. Чувствительность к регистру восстанавливается, как только заканчивается данная часть шаблона. (Сравните с модификатором / ... /i, который применяется ко всему шаблону.)

Листинг 1. Простой отладчик регулярных выражений

PHP - Код

//
    // разбиение списка слов, разделенных запятыми, на отдельные слова
    //   третий параметр, -1, разрешает неограниченное число совпадений 
    //   четвертый параметр, PREG_SPLIT_NO_EMPTY, пропускает пустые совпадения
    //
    $words = preg_split( '/,/',  $_REQUEST[ 'words' ], -1, PREG_SPLIT_NO_EMPTY );

    //
    // удаление пробелов в начале и конце каждого элемента
    //
    foreach ( $words as $key => $value ) { 
        $words[ $key ] = trim( $value ); 
    }

    //
    // поиск слов, совпадающих с регулярным выражением
    //
    $matches = preg_grep( "/${_REQUEST[ 'regex' ]}/", $words );

    print_r( $_REQUEST['regex' ] ); 
    echo( '' );
    
    print_r( $words ); 
    echo( '' );
    
    print_r( $matches );
    
    exit;

Еще один полезный модификатор части шаблона - это (?x). Он позволяет добавлять в шаблон пробелы, что упрощает чтение регулярных выражений. Таким образом, часть шаблона ((?x) edu | com | info) (обратите внимание на пробелы между операторами дизъюнкции, которые добавлены для удобочитаемости) аналогична (edu|com|info). Для того, чтобы добавлять пробелы и комментарии в регулярное выражение, можно использовать глобальный модификатор / ... /x, см. листинг ниже.

Листинг 2. Добавление пробелов и комментариев

PHP - Код

$matches = preg_grep( 
            "/
              [- a-z 0-9]+            # machine name
              (?: \. [- a-z 0-9]+)*   # subdomains
              \. (?: com | edu | info)# domain
             /xi", $words );

Как видно из листинга, при необходимости модификаторы можно объединять. Если необходимо включить в регулярное выражение символ пробела при использовании модификатора (?x), используйте метасимвол \s для поиска любого пробельного символа и \ (обратный слеш с пробелом) для поиска одного пробела, например, ((?x) hello \ there).

Оглядываемся вокруг

В подавляющем большинстве случаев регулярные выражения используются для проверки или декомпозиции входной информации на отдельные "лакомые кусочки", которые записываются в архив данных или сразу же обрабатываются приложением. Общепринятыми сферами применения являются: обработка полей форм, парсинг XML-кода и анализ протоколов.

Еще одна область применения регулярных выражений - форматирование, нормализация или улучшение читаемости данных. Вместо того чтобы использовать регулярные выражения для поиска и извлечения текста, при форматировании они применяются для поиска и вставки текста в надлежащее местоположение.

Вот пример полезного применения форматирования. Предположим, что Web-форма передает приложению значение зарплаты с округлением до целого доллара. Так как зарплата хранится в виде числа целого типа, то перед сохранением переданных данных приложение должно удалять из них знаки пунктуации. Однако при извлечении данных из хранилища, возможно, понадобится изменить их формат и сделать удобочитаемыми с помощью разделителей. В листинге 3 показано, как простой PHP-запрос преобразует сумму в долларах в число.

Листинг 3. Преобразование суммы в долларах в число

PHP - Код

$salary = preg_replace( "/[\$\s,]/", '', $_REQUEST[ 'salary' ] );

if ( is_numeric( $salary ) ) {
    // persist the data
}
else {
    // error
}

Вызов функции preg_replace() заменяет знак доллара, любой пробельный символ и все запятые -- на пустую строку, возвращая то, что предположительно является целым числом. Если проверка функцией is_numeric() подтверждает правильность входных данных, их можно сохранить.

А теперь давайте выполним обратную операцию - добавим к числу знак денежной единицы и запятые-разделители сотен, тысяч и миллионов. Для добавления запятых в определенных позициях можно написать программу для поиска этих компонентов, а можно воспользоваться операторами посмотри вперед и посмотри назад. Модификатор части шаблона ?<= обозначает посмотри назад (то есть влево) от текущей позиции. Модификатор ?= означает "посмотри вперед" (то есть вправо) от текущей позиции.

[pagebreak]

Итак, какие позиции нам нужны? Любое место в строке, при условии, что есть как минимум один символ слева и одна или более групп по три символа справа, не считая десятичной точки и количества центов. Соблюдая это правило и используя два модификатора, анализирующих символы справа и слева от определенной позиции и являющихся операторами нулевой ширины, мы можем достичь цели с помощью следующей инструкции:

PHP - Код

$pretty_print = preg_replace( "/(?<=&#092;d)(?=&#092;d&#092;d&#092;d)+$)/", ',', $salary );

Как работает это регулярное выражение? Начиная с первого символа строки и обрабатывая каждый символ, регулярное выражение отвечает на вопрос: "Есть ли хотя бы один символ слева и одна или несколько групп из трех символов справа?" Если да, то наш оператор нулевой ширины заменяется запятой.

Большинство сложных сопоставлений можно реализовать, используя стратегию, аналогичную приведенной выше. Например, вот еще один вариант использования оператора "посмотри вперед", который решает широко распространенную дилемму.

Листинг 4. Пример использования оператора "посмотри вперед" ("предвидение")

PHP - Код

$tab_data = preg_replace( '/
    ,                               # look for a comma
    (?=                             # then look ahead for
        (?:[^"]*$)                  # a string with no quotes and eol
        |                           #  -or-
        (?:[^"]*"[^"]*"[^"]*)*$     # a string with balanced quotes
    )                               # 
    /x', "\t", $csv_data );

Оператор preg_replace() преобразует строку данных, разделенных запятыми, в строку данных, разделенных знаком табуляции. Предусмотрительным образом, он не заменяет запятые в строке, заключенной в кавычки.

Это регулярное выражение при каждом обнаружении запятой (на это указывает запятая в самом начале регулярного выражения) проверяет утверждение: "Впереди не было кавычек или было четное количество кавычек". Если утверждение верно, то запятую можно заменить знаком табуляции (the \t).

Если Вам не нравятся операторы «посмотри вперед» и «посмотри назад» или вы работаете с таким языком, в котором их нет, можно добавить запятые в число и с помощью обычного регулярного выражения. Однако для реализации такого решения потребуется много итераций.

Листинг 5. Добавление запятых

PHP - Код

$pretty_print = preg_replace( "/[\$\s,]/", '', $_REQUEST[ 'salary' ] );

do {
    $old = $pretty_print;
    $pretty_print = preg_replace( "/(\d)(\d\d\d\b)/", "$1,$2", $pretty_print );
} while ( $old != $pretty_print );

Давайте пройдем по коду. Сначала параметр зарплаты очищается от знаков пунктуации для моделирования ситуации чтения целого числа из базы данных. Затем выполняется цикл в поисках позиций, где за одним числовым символом ((\d) идут три числовых символа ((\d\d\d\): если обнаруживается граница слова, заданная как \b, цикл прекращается. Граница слова -- это еще один оператор нулевой ширины, который соответствует следующим позициям:

* Перед первым символом строки, если это буква слова.
* За последним символом строки, если это буква слова.
* Между буквой слова и небуквенным символом, непосредственно за буквой слова.
* Между небуквенным символом и буквой слова, непосредственно за небуквенным символом.

Таким образом, примерами правильных границ слова являются пробел, точка и запятая.

Благодаря внешнему циклу регулярное выражение перемещается слева направо в поисках цифры, за которой идут три цифры и граница слова. При обнаружении совпадения между двумя частями шаблона добавляется запятая. Цикл должен продолжаться до тех пор, пока оператор preg_replace() находит совпадения, что задано в условии $old != $pretty_print.

Жадность и лень

Регулярные выражения обладают большими возможностями, иногда даже слишком большими. Например, давайте рассмотрим, что произойдет, если регулярное выражение ".*" будет обрабатывать строку "The author of 'Wicked' also wrote 'Mirror, Mirror.'" Вероятно, вы предполагаете, что preg_match() вернет два совпадения, и с удивлением обнаружите, что результат всего один: 'Wicked' also wrote 'Mirror, Mirror.'

Почему? Если не задать иное, то такие операторы как * (ноль или более) и + (один или более) -- "жадные". Если сопоставление с образцом может продолжаться, то они и будут его продолжать до тех пор, пока не будет возвращен максимальный результат из возможных. Для сохранения минимальных совпадений необходимо принудительно заставлять определенные операторы быть "ленивыми". "Ленивые" операторы находят самое короткое совпадение и на этом останавливаются. Чтобы сделать оператор более "ленивым", добавьте суффикс в виде знака вопроса. Пример показан в листинге 6.

Листинг 6. Добавление суффикса в виде знака вопроса

PHP - Код

$text = 'The author of "Wicked" also wrote "Mirror, Mirror."';
    if ( preg_match_all( '/".*?"/', $text, $matches ) ) {
        print_r( $matches[0] );
    }

Приведенный фрагмент кода дает:

Array ( [0] => "Wicked" [1] => "Mirror, Mirror." )


Регулярное выражение ".*?" расшифровывается следующим образом: "найти кавычку, за которой идет ровно столько символов с последующей кавычкой.

Однако иногда оператор * может быть слишком "ленивым". Например, посмотрите на следующий фрагмент кода. Что он делает?

Листинг 7. Простой отладчик регулярных выражений

PHP - Код

if (preg_match( "/([0-9]*)/", "-123", $matches  ) ) {
    print_r( $matches );
}

Что вы загадали? "123"? "1"? Нет результата? На самом деле результатом будет Array ( [0] => [1] => ), означающий, что совпадение было найдено, но никаких данных извлечено не было. Почему? Вспомните, что оператор * ищет совпадения с нулем или более символов. В данном случае, выражение [0-9]* находит совпадение с нулем символов от начала строки, и обработка заканчиваетс.

Для решения данной проблемы добавьте оператор нулевой ширины для привязки совпадения, который заставляет регулярное выражение продолжать сопоставления; /([0-9]*\b/.

Советы и рекомендации

С помощью регулярных выражений можно решать как простые, так и сложные задачи при обработке текста. Начните с небольшой группы операторов и по мере того, как вы будете набираться опыта, расширяйте свой словарь. В качестве вознаграждения за ваши старания -- некоторые советы и рекомендации.

Создание переносимых регулярных выражений с помощью классов символов

Вам уже знакомы метасимволы, например, \s - соответствует любому пробельному символу. Кроме того, большинство реализаций регулярных выражений поддерживает предопределенные классы символов, которые более просты в использовании и переносимы с одного письменного языка на другой. Например, класс символов [:punct:] замещает все символы пунктуации в данном языке. Вместо [0-9] можно использовать [:digit:] и более переносимое замещение [:alpha:] вместо [-a-zA-Z0-9_]. Например, можно убрать все знаки пунктуации, используя:

PHP - Код

$clean = preg_replace( "/[[:punct:]]/", '', $string );

Класс символов представляет собой более сжатую форму по сравнению с подробным описанием всех символов пунктуации. Полный перечень классов символов можно найти в документации по версии языка PHP.

Как исключить то, что вы не ищете

Как показано в примере с данными, разделенными символом табуляции, в качестве значений, разделенных запятыми (CSV), иногда проще и точнее задать список тех вариантов, которые не нужно находить (сопоставлять). Последовательность, начинающаяся со знака "крышка" (^) будет соответствовать любому символу, не принадлежащему данной последовательности. Например, для проверки правильности телефонных номеров для США можно использовать регулярное выражение /[2-9][0-9]{2}[2-9][0-9]{2}[0-9]{4}/. Используя набор ограничений можно написать регулярное выражение в более явном виде /[^01][0-9]{2}[^01][0-9]{2}[0-9]{4}/. Оба регулярных выражения работают, хотя смысл последнего, вероятно, более понятен.

Пропуск новой строки

Если во входных данных несколько строк, стандартного регулярного выражения будет недостаточно, так как сканирование прекращается на начале новой строки, которая обозначается $. Однако, если воспользоваться модификаторами s или m, то регулярное выражение будет обрабатывать входные данные по-другому. Первый модификатор рассматривает строковую последовательность как одну строку, где точка указывает на начало новой строки (обычно она этого не делает). Второй рассматривает строковую последовательность как несколько строк, где ^ и $ соответствуют началу и концу любой строки, соответственно. Приведем пример. Если задать $string = "Hello,\nthere";, то оператор preg_match( "/.*/s", $string, $matches) параметру $matches[0] присвоит значение Hello,\nthere. (При удалении s будет выдано Hello.)

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

Код

Catwoman
Batman
The Tick
Black Cat
Batgirl
Danger Girl
Wonder Woman
Luke Cage
The Punisher
Ant Man
Dead Girl
Aquaman
SCUD
Blackbolt
Martian Manhunter

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:

* preg_match()
* preg_match_all()
* preg_replace()
* preg_replace_callback()
* preg_grep()
* preg_split()
* preg_last_error()
* preg_quote()

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

PHP - Код

//
    // деление списка, разделенного запятыми на отдельные слова
    //   третий параметр, -1, разрешает неограниченное число совпадений
    //   четвертый параметр, PREG_SPLIT_NO_EMPTY, игнорирует пустые совпадения
    //
    $words = preg_split( '/,/',  $_REQUEST[ 'words' ], -1, PREG_SPLIT_NO_EMPTY );

    //
    // удаление начальных и конечных пробелов каждого элемента
    //
    foreach ( $words as $key => $value ) { 
        $words[ $key ] = trim( $value ); 
    }

    //
    // нахождение слов, соответствующих условиям регулярного выражения
    //
    $matches = preg_grep( "/${_REQUEST[ 'regex' ]}/", $words );

    print_r( $_REQUEST['regex' ] ); 
    echo( '' );
    
    print_r( $words ); 
    echo( '' );
    
    print_r( $matches );
    
    exit;

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

Код

^[A-Za-z][A-Za-z0-9_]{2,9}$

Array ( [0] => martin [1] => 1happy [2] => hermanmunster )

Array ( [0] => martin )

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

PHP - Код

$punctuation = preg_quote( "().-" );
    $number = preg_replace( "/[$punctuation]/", '', $_REQUEST[ 'number' ] );

    $valid = "/[2-9][0-9]{2}[2-9][0-9]{2}[0-9]{4}/";    
    if ( preg_match( $valid, $number ) == 1 ) {
        echo(  "${_REQUEST[ 'number' ]} is valid" );
    }
        
    exit;

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()

PHP - Код

$valid = "/([2-9][0-9]{2})([2-9][0-9]{2})([0-9]{4})/";    
if ( preg_match( $valid, $number, $matches ) == 1 ) {
    echo(  "${_REQUEST[ 'number' ]} is valid" );
    echo(  "Entire match: ${matches[0]}" );
    echo(  "Area code: ${matches[1]}" );
    echo(  "Prefix: ${matches[2]}" );
    echo(  "Number: ${matches[3]}" );
}

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

PHP - Код

$address = "123 Main, Warsaw, NC, 29876";

$valid = "/((\d+)\s+(\w+)),\s+(\w+),\s+([A-Z]{2}),\s+(\d{5})/";

if ( preg_match( $valid, $address, $matches ) == 1 ) {
    echo(  "Street: ${matches[1]}" );
    echo(  "Street number: ${matches[2]}" );
    echo(  "Street name: ${matches[3]}" );
    echo(  "City: ${matches[4]}" );
    echo(  "State: ${matches[5]}" );
    echo(  "Zip: ${matches[6]}" );
}

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

PHP - Код

$punctuation = preg_quote( "().-" );
$number = preg_replace( "/[$punctuation]/", '', $_REQUEST[ 'number' ] );
$valid = "/([2-9][0-9]{2})([2-9][0-9]{2})([0-9]{4})/";    

$standard = preg_replace( $valid, "\\1.\\2.\\3", $number ); 
if ( strcmp ($standard, $number) ) {
    echo(  "The standard number is $standard" );
}

Сопоставление с шаблоном и, в случае совпадения, перевод в стандартный телефонный номер выполняется за один шаг.

Информация в локальных сетях, как правило, передается отдельными порциями, кусками, называемыми в различных источниках пакетами (packets), кадрами (frames) или блоками. Причем предельная длина этих пакетов строго ограничена (обычно величиной в несколько килобайт). Ограничена длина пакета и снизу (как правило, несколькими десятками байт). Выбор пакетной передачи связан с несколькими важными соображениями.


Информация в локальных сетях, как правило, передается отдельными порциями, кусками, называемыми в различных источниках пакетами (packets), кадрами (frames) или блоками. Причем предельная длина этих пакетов строго ограничена (обычно величиной в несколько килобайт). Ограничена длина пакета и снизу (как правило, несколькими десятками байт). Выбор пакетной передачи связан с несколькими важными соображениями.

Локальная сеть, как уже отмечалось, должна обеспечивать качественную, прозрачную связь всем абонентам (компьютерам) сети. Важнейшим параметром является так называемое время доступа к сети (access time), которое определяется как временной интервал между моментом готовности абонента к передаче (когда ему есть, что передавать) и моментом начала этой передачи. Это время ожидания абонентом начала своей передачи. Естественно, оно не должно быть слишком большим, иначе величина реальной, интегральной скорости передачи информации между приложениями сильно уменьшится даже при высокоскоростной связи.

Ожидание начала передачи связано с тем, что в сети не может происходить несколько передач одновременно (во всяком случае, при топологиях шина и кольцо). Всегда есть только один передатчик и один приемник (реже – несколько приемников). В противном случае информация от разных передатчиков смешивается и искажается. В связи с этим абоненты передают свою информацию по очереди. И каждому абоненту, прежде чем начать передачу, надо дождаться своей очереди. Вот это время ожидания своей очереди и есть время доступа.

Если бы вся требуемая информация передавалась каким-то абонентом сразу, непрерывно, без разделения на пакеты, то это привело бы к монопольному захвату сети этим абонентом на довольно продолжительное время. Все остальные абоненты вынуждены были бы ждать окончания передачи всей информации, что в ряде случаев могло бы потребовать десятков секунд и даже минут (например, при копировании содержимого целого жесткого диска). С тем чтобы уравнять в правах всех абонентов, а также сделать примерно одинаковыми для всех них величину времени доступа к сети и интегральную скорость передачи информации, как раз и применяются пакеты (кадры) ограниченной длины. Важно также и то, что при передаче больших массивов информации вероятность ошибки из-за помех и сбоев довольно высока. Например, при характерной для локальных сетей величине вероятности одиночной ошибки в 10-8пакет длиной 10 Кбит будет искажен с вероятностью 10-4, а массив длиной 10 Мбит – уже с вероятностью 10-1. К тому же выявить ошибку в массиве из нескольких мегабайт намного сложнее, чем в пакете из нескольких килобайт. А при обнаружении ошибки придется повторить передачу всего большого массива. Но и при повторной передаче большого массива снова высока вероятность ошибки, и процесс этот при слишком большом массиве может повторяться до бесконечности.

С другой стороны, сравнительно большие пакеты имеют преимущества перед очень маленькими пакетами, например, перед побайтовой (8 бит) или пословной (16 бит или 32 бита) передачей информации.

Дело в том, что каждый пакет помимо собственно данных, которые требуется передать, должен содержать некоторое количество служебной информации. Прежде всего, это адресная информация, которая определяет, от кого и кому передается данный пакет (как на почтовом конверте – адреса получателя и отправителя). Если порция передаваемых данных будет очень маленькой (например, несколько байт), то доля служебной информации станет непозволительно высокой, что резко снизит интегральную скорость обмена информацией по сети.

Существует некоторая оптимальная длина пакета (или оптимальный диапазон длин пакетов), при которой средняя скорость обмена информацией по сети будет максимальна. Эта длина не является неизменной величиной, она зависит от уровня помех, метода управления обменом, количества абонентов сети, характера передаваемой информации, и от многих других факторов. Имеется диапазон длин, который близок к оптимуму.

Таким образом, процесс информационного обмена в сети представляет собой чередование пакетов, каждый из которых содержит информацию, передаваемую от абонента к абоненту.

Передача пакетов в сети между двумя абонентами

Рис. 4.1. Передача пакетов в сети между двумя абонентами

В частном случае (рис. 4.1) все эти пакеты могут передаваться одним абонентом (когда другие абоненты не хотят передавать). Но обычно в сети чередуются пакеты, посланные разными абонентами (рис. 4.2).

Передача пакетов в сети между несколькими абонентами

Рис. 4.2. Передача пакетов в сети между несколькими абонентами

Структура и размеры пакета в каждой сети жестко определены стандартом на данную сеть и связаны, прежде всего, с аппаратурными особенностями данной сети, выбранной топологией и типом среды передачи информации. Кроме того, эти параметры зависят от используемого протокола (порядка обмена информацией).

Но существуют некоторые общие принципы формирования структуры пакета, которые учитывают характерные особенности обмена информацией по любым локальным сетям.

Чаще всего пакет содержит в себе следующие основные поля или части (рис. 4.3):

Типичная структура пакета

Рис. 4.3. Типичная структура пакета

* Стартовая комбинация битов или преамбула, которая обеспечивает предварительную настройку аппаратуры адаптера или другого сетевого устройства на прием и обработку пакета. Это поле может полностью отсутствовать или же сводиться к единственному стартовому биту.
* Сетевой адрес (идентификатор) принимающего абонента, то есть индивидуальный или групповой номер, присвоенный каждому принимающему абоненту в сети. Этот адрес позволяет приемнику распознать пакет, адресованный ему лично, группе, в которую он входит, или всем абонентам сети одновременно (при широком вещании).
* Сетевой адрес (идентификатор) передающего абонента, то есть индивидуальный номер, присвоенный каждому передающему абоненту. Этот адрес информирует принимающего абонента, откуда пришел данный пакет. Включение в пакет адреса передатчика необходимо в том случае, когда одному приемнику могут попеременно приходить пакеты от разных передатчиков.
* Служебная информация, которая может указывать на тип пакета, его номер, размер, формат, маршрут его доставки, на то, что с ним надо делать приемнику и т.д.
* Данные (поле данных) – это та информация, ради передачи которой используется пакет. В отличие от всех остальных полей пакета поле данных имеет переменную длину, которая, собственно, и определяет полную длину пакета. Существуют специальные управляющие пакеты, которые не имеют поля данных. Их можно рассматривать как сетевые команды. Пакеты, включающие поле данных, называются информационными пакетами. Управляющие пакеты могут выполнять функцию начала и конца сеанса связи, подтверждения приема информационного пакета, запроса информационного пакета и т.д.
* Контрольная сумма пакета – это числовой код, формируемый передатчиком по определенным правилам и содержащий в свернутом виде информацию обо всем пакете. Приемник, повторяя вычисления, сделанные передатчиком, с принятым пакетом, сравнивает их результат с контрольной суммой и делает вывод о правильности или ошибочности передачи пакета. Если пакет ошибочен, то приемник запрашивает его повторную передачу. Обычно используется циклическая контрольная сумма (CRC). Подробнее об этом рассказано в главе 7.
* Стоповая комбинация служит для информирования аппаратуры принимающего абонента об окончании пакета, обеспечивает выход аппаратуры приемника из состояния приема. Это поле может отсутствовать, если используется самосинхронизирующийся код, позволяющий определять момент окончания передачи пакета.

Вложение кадра в пакет

Рис. 4.4. Вложение кадра в пакет

Нередко в структуре пакета выделяют всего три поля:

* Начальное управляющее поле пакета (или заголовок пакета), то есть поле, включающее в себя стартовую комбинацию, сетевые адреса приемника и передатчика, а также служебную информацию.
* Поле данных пакета.
* Конечное управляющее поле пакета (заключение, трейлер), куда входят контрольная сумма и стоповая комбинация, а также, возможно, служебная информация.

Как уже упоминалось, помимо термина "пакет" (packet) в литературе также нередко встречается термин "кадр" (frame). Иногда под этими терминами имеется в виду одно и то же. Но иногда подразумевается, что кадр и пакет различаются. Причем единства в объяснении этих различий не наблюдается.

В некоторых источниках утверждается, что кадр вложен в пакет. В этом случае все перечисленные поля пакета кроме преамбулы и стоповой комбинации относятся к кадру (рис. 4.4). Например, в описаниях сети Ethernet говорится, что в конце преамбулы передается признак начала кадра.

В других, напротив, поддерживается мнение о том, что пакет вложен в кадр. И тогда под пакетом подразумевается только информация, содержащаяся в кадре, который передается по сети и снабжен служебными полями.

Во избежание путаницы, в данной книге термин "пакет" будет использоваться как более понятный и универсальный.

В процессе сеанса обмена информацией по сети между передающим и принимающим абонентами происходит обмен информационными и управляющими пакетами по установленным правилам, называемым протоколом обмена. Это позволяет обеспечить надежную передачу информации при любой интенсивности обмена по сети.

Пример простейшего протокола показан на рис. 4.5.

Пример обмена пакетами при сеансе связи

Рис. 4.5. Пример обмена пакетами при сеансе связи

Сеанс обмена начинается с запроса передатчиком готовности приемника принять данные. Для этого используется управляющий пакет "Запрос". Если приемник не готов, он отказывается от сеанса специальным управляющим пакетом. В случае, когда приемник готов, он посылает в ответ управляющий пакет "Готовность". Затем начинается собственно передача данных. При этом на каждый полученный информационный пакет приемник отвечает управляющим пакетом "Подтверждение". В случае, когда пакет данных передан с ошибками, в ответ на него приемник запрашивает повторную передачу. Заканчивается сеанс управляющим пакетом "Конец", которым передатчик сообщает о разрыве связи. Существует множество стандартных протоколов, которые используют как передачу с подтверждением (с гарантированной доставкой пакета), так и передачу без подтверждения (без гарантии доставки пакета). Подробнее о протоколах обмена будет рассказано в следующей главе.

При реальном обмене по сети применяются многоуровневые протоколы, каждый из уровней которых предполагает свою структуру пакета (адресацию, управляющую информацию, формат данных и т.д.). Ведь протоколы высоких уровней имеют дело с такими понятиями, как файл-сервер или приложение, запрашивающее данные у другого приложения, и вполне могут не иметь представления ни о типе аппаратуры сети, ни о методе управления обменом. Все пакеты более высоких уровней последовательно вкладываются в передаваемый пакет, точнее, в поле данных передаваемого пакета (рис. 4.6). Этот процесс последовательной упаковки данных для передачи называется также инкапсуляцией пакетов.

Многоуровневая система вложения пакетов

Рис. 4.6. Многоуровневая система вложения пакетов

Каждый следующий вкладываемый пакет может содержать собственную служебную информацию, располагающуюся как до данных (заголовок), так и после них (трейлер), причем ее назначение может быть различным. Безусловно, доля вспомогательной информации в пакетах при этом возрастает с каждым следующим уровнем, что снижает эффективную скорость передачи данных. Для увеличения этой скорости предпочтительнее, чтобы протоколы обмена были проще, и уровней этих протоколов было меньше. Иначе никакая скорость передачи битов не поможет, и быстрая сеть может передавать файл дольше, чем медленная сеть, которая пользуется более простым протоколом.

Обратный процесс последовательной распаковки данных приемником называется декапсуляцией пакетов.

На сегодняшний день музыкальные магазины online, наподобие Musikload[1], становятся все более распространенными и пользуются бешенной популярностью. В этой статье мы расскажем как можно читать мета-информацию mp3-файла средствами PHP, что поможет вам в создании каталога музыки. Это очень просто, поддержка базы данных не нужна.

Откуда знает MP3-Player, например Winamp информацию об исполнителе или названии композиции, которую он проигрывает? Может быть, он сам каким-то чудным образом узнает название песни и альбома? Нет, здесь нет никакого волшебства! Подобная информация содержится в самих файлах. Музыкальные файлы других форматов таких как WMA или Ogg Vorbis также содержат подобную информацию, но здесь речь пойдет о файлах в формате mp3.


Спецификация mp3 определяет способ хранения музыкальных данных, однако не предусматривает никакой возможности для сохранения метаданных композиции, таких как название и исполнитель. Чтобы обойти это ограничение был разработан стандарт ID3. Согласно этой спецификации, метаданные должны быть помещены в так называемые ID3-теги, которые независимо от используемого стандарта ID3, помещаются в конец или начало файла. ID3-теги версии 1 (ID3v1-Tags) представляют собой простейшую конструкцию, которая дописывается в конец файла. Ее объем не должен превышать 128 байт. Структура тега такова: после строкового значения “TAG» следует информация о названии (30 символов), исполнителе (30 символов), альбоме (30 символов), годе записи (четырехзначное число), комментарий (30 символов), жанр (1 байт). Тег с подобной структурой обозначается как ID3v1.0-Tag. В дополнение к этому существует еще стандарт ID3v1.1-Tag, который встречается значительно чаще, поскольку позволяет сохранять информацию о порядковом номере композиции в альбоме. Вследствие этого был урезан до 28 символов размер комментария. Сразу после комментария следует нуль-байт, а последующий байт содержит информации о номере трэка. На иллюстрации один и два видна структура обоих стандартов.

PEAR придет на помощь!

Для считывания информации из ID3v1 тегов, в библиотеку PEAR уже был включен пакет MP3_Id[3], который поможет Вам без проблем извлекать информацию из тега, или наоборот записывать. Если в файл отсутствует ID3-тег, вы можете его создать. Листинг 1 показывает как можно считывать информацию из тегов. Создается объект класса MP3_ID, считывается файл, а затем метод getTag() извлекает данные, которые помещаются для дальнейшей обработки в отдельные поля объект. Листинг 2 показывает результат действия программы листинга 1. Общий обзор доступных полей вы найдете в документации по пакету на домашней странице PEAR.

Листинг 1:

PHP - Код

require_once 'MP3/Id.php';

// Создаем объект, читаем файл
$id3 = &new MP3_Id();
$result = $id3->read('../data/Little-Big-Man.mp3');
if (PEAR::isError($result)) {
die($result->getMessage() . "\n");
}

// Читаем поля и выводим информацию
echo 'Название: ' . $id3->getTag('name') . "\n";
echo 'Исполнитель: ' . $id3->getTag('artists') . "\n";
echo 'Альбом: ' . $id3->getTag('album') . "\n";
echo 'Год: ' . $id3->getTag('year') . "\n";
echo 'Комментарий: ' . $id3->getTag('comment') . "\n";
echo 'Жанр: ' . $id3->getTag('genre') . "\n";
echo 'Жанр (число): ' . $id3->getTag('genreno') . "\n";
echo 'Трэк: ' . $id3->getTag('track') . "\n";

Листинг 2:

Код

Название: Little Big Man
Исполнитель: Dirty Mac
Альбом: Demo-Tape
Год: 2001
Комментарий: Песня из альбома Demo-Tape
Жанр: Rock
Жанр (число): 17
Трэк: 5

Листинг 3 показывает как просто можно изменять содержимое ID3-тегов и создавать их. Сначала, как это было показано в Листинге 1, создаем объект класса MP3_ID, считываем файл, а с помощью метода setTag($fieldname, $value) помещаем в тег нужную информацию. Хотите удалить все теги? Тогда посмотрите на листинг 4, где показано как можно сделать это. Для удаления тегов используется метод remove(), а остальное вы уже знаете. Необходимо дополнить, что MP3_Id обладает другими полезными функциями, которые вам позволят перенести содержимое тега из одного файла в другой или сформировать массив, содержащий все музыкальные направления. Для получения дополнительной информации смотрите документацию.

Listing 3:

PHP - Код

require_once 'MP3/Id.php';

// создаем объект, читаем данные
$id3 = &new MP3_Id();
$result = $id3->read('../data/Little-Big-Man.mp3');
// Ошибка "Tag not found" игнорируется
if (PEAR::isError($result) && $result->getCode() !== PEAR_MP3_ID_TNF) {
die($result->getMessage() . "\n");
}

// Определяем информацию
$id3->setTag('name', 'Neuer Titel');
$id3->setTag('artists', 'Andere Band');
$id3->setTag('album', 'Schlagertraum #3');
$id3->setTag('year', 1984);
$id3->setTag('comment', 'Volksmusikal. Hochgenuss');
$id3->setTag('genre', 'Folk');
$id3->setTag('track', 5);

// Записываем информацию в тег
$result = $id3->write();
if (PEAR::isError($result)) {
die($result->getMessage() . "\n");
}

echo "Тег успешно записан.! \n";

Listing 4:

PHP - Код

require_once 'MP3/Id.php';

// Создаем объект, читаем файл
$id3 = &new MP3_Id();
$err = $id3->read('../data/Little-Big-Man.mp3');
if (PEAR::isError($err)) {
die($err->getMessage() . "\n");
}

// Удаляем тег
$result = $id3->remove();
if (PEAR::isError($result)) {
die($result->getMessage() . "\n");
}

echo "Тег успешно стерт! \n";

Используем PECL

В конце лета 2004 года появилось расширение PHP ext/id3[7]. Разрабатывается в рамках PECL[6]. В отличие от MP3_ID эта библиотека написана не на PHP, а на C, поэтому она должно работать несколько быстрее. Однако библиотека не входит в стандартный комплект PHP-исходников, к тому же на сегодняшний день отсутствует стабильная версия, хотя функции отвечающие за чтение и запись ID3-тегов считаются стабильными.

Если вы хотите использовать именно это расширение, для установки необходимо воспользоваться либо PEAR-installer, либо откомпилировать php, включив поддержку данного расширения. Если вы используете WINDOWS, существует возможность скачать уже откомпилированную DLL для версии php 5.0 или 5.01 с сайта PHP-Snapshot[9], поместить ее в каталог с расширениями php (например c:phpext), подключить через php.ini. Чтобы воспользоваться расширением, вы должны иметь PHP 4.3 или более позднюю версию, поскольку библиотека использует Streams-API.

Само собой разумеется, библиотека позволяет изменять содержимое ID3-тегов. Для этого вам не нужно ничего, кроме массива, представленного в листинге 6, и функции id3_set_tag(). В качестве первого параметра функция принимает имя изменяемого mp-3 файла, а в качестве второго - массив с необходимыми данными. Третий параметр необязателен и представляет собой константу, указывающую версию ID3-тега. В существующей версии библиотеки функция id3_set_tag() может работать только с тегами версии 1.0 или 1.1. Листинг 7 содержит необходимый php-код. В дополнение к этому, листинг 8 показывает как с помощью функции id3_remove_tag можно удалить существующий ID3-тег.

Ext/id3 содержит еще несколько полезных функций, которые позволяют определить версию ID3-тега (id3_get_version) или манипулируют со списком музыкальных направлений и их id, представленных в виде целого числа типа integer. Надо сказать, что данное число мало подходит для указания музыкального направления.

Listing 5:

PHP - Код

// имя файла на локальном диске
$tag1 = id3_get_tag('../data/Little-Big-Man.mp3', ID3_V1_1);
print_r($tag1);

// имя файла в виде URL
// Внимание! Или вы подключаетесь к DSL, или ждете  ;-)
$tag2 = id3_get_tag('http://dirty-mac.com/sounds/little_big_man.mp3', ID3_V1_1);
print_r($tag2);

// идентификатор ресурса вместо имени файла
$fd = fopen('../data/Little-Big-Man.mp3', 'r');
$tag3 = id3_get_tag($fd, ID3_V1_1);
print_r($tag3);

Listing 6:

Код

Array
(
[title] => Little Big Man
[artist] => Dirty Mac
[album] => Demo-Tape
[year] => 2001
[comment] => Song vom Demo-Tape
[track] => 5
[genre] => 17
)

Listing 7:

PHP - Код

$tag = array(
'title' => 'Новое название',
'artist' => 'Другая группа',
'album' => 'Schlagertraum #3',
'year' => 1984,
'genre' => id3_get_genre_id('Rock'),
'comment' => 'Отличная популярная мелодия',
'track' => 5
);

// Записываем тег
$result = id3_set_tag('../data/Little-Big-Man.mp3', $tag, ID3_V1_1 );
if ($result === false) {
echo "Тег не был успешно записан! \n";
}

echo "Тег успешно записан! \n";

Следующее поколение

Несмотря на то, что с помощь ID3v1-тегов уже можно сохранять важнейшую информацию о содержимом mp3-файла, уже проявляются ограничения версий 1.0 и 1.1:

из-за фиксированного размера тега ограничен объем сохраняемой информации

ограничено количество сохраняемых атрибутов

Как мы видим, расширить объем пространства, отведенный под ID3v1 теги нельзя, Существую трудности с сохранением информации о названии композиции, исполнителе, альбоме, комментарии, если размер данных превышает 30 символов. Допустим, вам нужно указать название The Hitchhiker's Guide to the Galaxy, используя стандарт ID3v1, вы можете сохранить лишь The Hitchhiker's Guide to. Та же ситуации наблюдается с указанием музыкального направления. Для этого выделяется только один байт, вследствие этого количество музыкальных направлений не может превышать 256. Наверное, сегодня этого достаточно, но кто знает, сколько в будущем появится еще музыкальных направлений.

Чтобы преодолеть указанные ограничения был введены ID3-теги версии 2[2], или короче ID3v2. ID3v2-теги записываются в начало файла, собственно перед самими аудио данными. Информация организована в отдельные единицы, которые обозначаются как фреймы. ID3v2 - это формат-контейнер, то есть, существует возможность при изменении тега вводить новые фреймы. Из этого следует, что ID3v2 может содержать значительно больше информации, чем ID3v1. Это может быть информация об авторских правах, битрейте, (BMP) или, наконец, полный текст песни или изображения. В дополнение к этому можно по желанию добавлять новые фреймы. Вот важнейшие достоинства данного формата:

Никаких ограничений на объем сохраняемой информации

Гибкость и расширяемость

Возможность сжатия содержимого тегов

Поддержка Unicode

Возможность хранить бинарные данные, например изображения и файлы.

Из-за расширенных возможностей ID3v2-теги, несколько труднее поддаются считыванию, чем ID3v1-теги. Хорошая новость состоит в том, что ext/id3 уже позволяет извлекать важнейшую информацию. Если вы исполните код, помещенный в листинг 9, вы получите тот же результат, что и в листинге 10. Проделав это, вы сможете убедиться, что объем выводимых данных значительно шире, чем тот, что показан в листингах 5 и 6.

Каждый фрейм ID3v2-тега обладает уникальным ID. Ext/id3 содержит две функции, которые позволяют узнать содержимое фрейма. Это id3_get_frame_short() и id3_get_frame_long_name(). В качестве параметра они принимают id фрейма и возвращают его описание.

В будущих версиях ext/id3 будет содержать другие полезные функции, которые позволят считывать или записывать фреймы, соответствующие спецификации ID3.

Листинг 8:

PHP - Код

// удаляет тег
$result = id3_remove_tag('../data/Little-Big-Man.mp3');

if ($result === false) {
echo "Тег не удален.! \n";
}

echo "Тег успешно удален! \n";

Listing 9:

PHP - Код

//Читаем тег ID3v2 
$tag = id3_get_tag('../data/Little-Big-Man.mp3', ID3_V2_3);
print_r($tag);

Дополнительная информация

Прежде чем вы организуете бизнес, связанный с продажей музыкальных композиций online, мы вам расскажем еще о нескольких полезных возможностях библиотеки MP3_Id. С помощью нее можно не только считывать информацию ID3- тегов, она позволяет получить некоторую интересную информацию о самом mp3-файле. Речь идет о битрейте, длительности звучания и других полезных свойствах. Подобные сведения можно получить при помощи метода study(), а дальше посредством метода getTag(), можно выбирать необходимые данные. Листинг 12 показывает как это работает. Результат работы программы показан в листинге 13. К сожалению, эти возможности недостаточно документированы, т.е. трудно разобраться какой атрибут можно считать при помощи getTag() или изменить посредство setTag(). В этом случае необходимо изучить код модуля MP3/Id.php.

Listing 10:

Код

Array
(
[copyright] => Dirty Mac
[originalArtist] => Dirty Mac
[composer] => Marcus Goetze
[artist] => Dirty Mac
[title] => Little Big Man
[album] => Demo-Tape
[track] => 5/12
[genre] => (17)Rock
[year] => 2001
)

Listing 11:

PHP - Код

// Id ID3v2-Frames
$frame = 'TOLY';
$short = id3_get_frame_short_name($frame);
$descr = id3_get_frame_long_name($frame);
echo "Frame: $frame \n";
echo "Kurzform: $short \n";
echo "Beschreibung: $descr \n";

Listing 12:

PHP - Код

require_once 'MP3/Id.php';

// создаем объект, считываем данные
$id3 = &new MP3_Id();
$result = $id3->read('../data/Little-Big-Man.mp3');
// Ошибкаr "Tag not found" игнорируется
if (PEAR::isError($result) && $result->getCode() !== PEAR_MP3_ID_TNF) {
die($result->getMessage() . "\n");
}

$result = $id3->study();
if (PEAR::isError($result)) {
die($result->getMessage() . "\n");
}

echo 'MPEG ' . $id3->getTag('mpeg_ver') . ' Layer ' . $id3->getTag('layer') . "\n";
echo $id3->getTag('mode') . "\n";
echo 'Размер файла: ' . $id3->getTag('filesize') . " Bytes \n";
echo 'Bitrate: ' . $id3->getTag('bitrate') . "kB/s \n";
echo 'Длительность: ' . $id3->getTag('length') . " min \n";
echo 'Samplerate: ' . $id3->getTag('frequency') . "Hz \n";

Listing 13:

Код

MPEG 1 Layer 3
Joint Stereo
Размерe: 4089856 Bytes
Bitrate: 128kB/s
Длительность: 04:15 min
Samplerate: 44100Hz

Выводы

В этой статье мы рассмотрели существующие возможности извлечения информации из mp-3 файлов средствами PHP. Обе библиотеки (MP3_Id и id3) легки в использовании и содержать необходимые функции. Одна библиотека написана на PHP, другая на C. Выбор того или иного варианта определяется вашими предпочтениями и возможностями хостинга.

Авторы

Карстен Луке изучает информатику в высшей школе Бранденбурга. Совместно со Стефаном Шмидтом разработывает расширение id3. Вы можете связаться с ним по e-mail ( luckec@php.net ) или посетить его сайт ( www.tool-gerade.de )
Стефан Шмидт - разработчик веб-приложений фирмы 1&1 Internet AG, активно учавствует в развити PEAR и PECL. Вы можете связаться с ним по e-mail ( schst@php.net )

Такие типы данных, как int, float, char и long, являются неотъемлемой частью C/C++ и вам не нужно писать никакого кода, чтобы сообщить компилятору о том, что означают эти слова. C/C++ позволяет вам также объ-являть свои собственные, специальные типы данных. В следующем разделе вы узнаете, как объявлять структуры, которые можно отнести к специальным типам данных.

Как вы уже знаете, переменная в C/C++ объявляется следующим образом:

Код

int iMyVariable;

В приведенном операторе iMyVariable объявлена как целая переменная. А вот объявление переменной типа char:

Код

char cMyChar;

Напишите следующий исходный код:

Код

#include <iostream.h>
#include <string.h>
// Объявление структуры.
struct MYSTRUCTURE
{
char sName[100];
int iAge;
};
void main( void )
{
MYSTRUCTURE MyStructure;
strcpy(MyStructure.sName, "Andy" );
MyStructure.iAge = 13;
cout << "My name is ";
cout << MyStructure.sName;
cout << " and I am ";
cout << MyStructure.iAge;
cout << " years old." << endl;
)

В коде, который вы написали, имеются два оператора #include:

Код

#include <iostream.h>
#include <string.h>

Файл iostream.h включен в код, поскольку в main(void) используется cout. Файл string.h включается потому, что в main(void) используется функция strcpy() (объявленная в файле string.h). Затем вы объявляете структуру:

Код

Struct MYSTRUCTURE
{
char sName[100];
int iAge;
};

Обратите внимание на синтаксис объявления структуры. Оно начинается с ключевого слова struct, за которым следует имя типа-структуры. В этой программе типу структуры присвоено имя MYSTRUCTURE. Затем следует собственно определение структуры, заключенное в фигурные скобки. Не забудьте поставить точку с запятой после закрывающей фигурной скобки. Теперь посмотрите на код внутри фигурных скобок:

Код

char sName[100];
int iAge;

Это означает, что MYSTRUCTURE состоит из строки с именем sName и целого с именем iAge, sName и iAge называются элементами данных структуры; Вы объявили их "Внутри" cтруктуры MYSTRUCTURE. Код в main(void) объявляет переменную с именем MyStructure типа MYSTRUCTURE:

Код

MYSTRUCTORE MyStructure;

Вспомните, что в объявляли переменную iNum1 следующим образом:

Код

int iNum1;

Когда вы объявляете MyStructure , которая будет структурой типа MYSTRUCTURE, рассматривайте переменную MyStructure аналогично переменной iNum1. MyStructure - это имя переменной, а ее типом является MYSTRUCTURE точно так же, как типом переменной iNum1 является int. (Обратите внимание, что по традиции имя структуры составлено из символов нижнего регистра или в нем смешаны символы нижнего и верхнего регистров, как, например, в имени MyStructure, но в имени типа структуры используются только символы верхнего регистра, как, например, в MYSTRUCTURE.)
Следующий оператор в main(void) копирует строку 'Andy' в элемент данных MyStructure.sName:

Код

strcpy ( MyStructure.sName, "Andy" );

В этом операторе обращение к элементу данных sName записано как MyStructure.sName Следующий оператор присваивает значение 13 элементу данных iAge cтруктуры MyStructure: MyStructure.iAge - 13; Затем выполняется ряд операторов вывода cout:

Код

cout << "My name is ";
cout << MyStructure.sName;
cout << " and I am ";
cout << MyStructure.iAge;
cout << " years old." << endl;

Сложив все вместе, мы видим, что программа MyStruct выводит сообщение My name is Andy and I am 13 years old. (Меня зовут Andy и мне 13 лет)

Проблемы соединения волоконных световодов приобрели особую актуальность при разработке технологии их промышленного применения. Выбор способа сращивания зависит от условий применения волоконной оптики.

---

Очевидно, что значительные преимущества при использовании волоконно-оптических технологий в телекоммуникационной отрасли, связанные с улучшением целого ряда технико-экономических показателей (возрастанием скорости передачи информации, увеличением длины регенерационного участка, уменьшением массогабаритных характеристик кабелей, экономией цветных металлов и др.), предопределят в будущем широкое внедрение волоконной оптики при построении линий связи различных уровней. Однако необходимо было разработать методики сращивания волоконных световодов, обеспечивающие высокие качественные и вместе с тем достаточно технологичные и доступные показатели, чтобы сделать возможным применение этих световодов не только в стационарных, но и в полевых условиях.

Строительная длина волоконно-оптического кабеля на практике устанавливается, исходя из ряда факторов. Прокладка больших длин кабеля неудобна вследствие необходимости сматывания с барабана и манипуляций с кабелем как во время прокладки в полевых условиях (при пересечении других подземных коммуникаций), так и в городских условиях (при прокладке в кабельную канализацию). Прокладывая кабель с помощью кабелеукладочной техники, также возникают неудобства, связанные с манипуляциями большими длинами, если для погрузочно-разгрузочных работ приходится использовать специализированную технику. Особенно остро стоит проблема манипуляции строительными длинами с большой удельной массой при прокладке глубоководных морских кабелей и кабелей для прибрежной зоны. Из-за необходимости инсталляции кабелей максимально возможной длины для их транспортировки по суше используются спаренные железнодорожные платформы, на которых кабели выкладываются в форме "8", а не на кабельные барабаны. Таким образом кабель транспортируется по суше до погрузки на судно.

Для соединения оптических волокон разработаны два способа соединений: разъемные и неразъемные. Неразъемные соединения оптических волокон осуществляются методом сварки, методом склеивания, а также с помощью механических соединителей. Для создания разъемных соединений оптических волокон используются оптические коннекторы.

Соединения оптических волокон с помощью сварки

Соединение оптических волокон с помощью сварки является сегодня наиболее распространенным методом получения неразъемных соединений. Благодаря в достаточной мере совершенной технологии этот метод позволяет получать качественные соединения с низкими показателями вносимых потерь (порядка 0,1-0,15 дБ), что обуславливает его применение на линиях связи, где этот показатель входит в приоритетные - магистральные, зоновые и другие - высокоскоростные ВОЛС.

Сваривание оптических волокон предусматривает оплавление концов волоконных световодов путем помещения их в поле мощного источника тепловой энергии, как, например, поле электрического разряда, пламя газовой горелки, зона мощного лазерного излучения.

Каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки. Достоинством метода сварки с помощью лазера можно считать возможность получения чистых соединений из-за отсутствия в них сторонних примесей, и, как следствие, достаточно малых вносимых потерь (0,1 дБ и менее). Как правило, в качестве источника лазерного излучения высокой мощности (до 5 Вт) используются газовые лазеры на СО2.

К достоинствам метода сварки с помощью газовой горелки следует также отнести возможность получения соединений оптических волокон, отличающихся высокой прочностью мест сростков. В качестве источника пламени используют смесь пропана с кислородом или соединение кислорода, хлора и водорода. Этот метод распространен по большей части для сварки многомодовых оптических волокон.

Основным достоинством сварки в поле электрического разряда является быстрота и технологичность. Этот метод в настоящее время приобрел наибольшую популярность для сварки одномодовых световодов.

Аппараты для сварки оптических волокон можно классифицировать следующим образом: по способу юстировки свариваемых концов оптических волокон (в зависимости от геометрических размеров сердцевин или от потерь мощности светового сигнала, распространяющегося через место сварки); по способу проведения операций (ручные или автоматические); по типу устройства контроля (микроскоп, монитор на жидких кристаллах); по количеству оптических волокон, которые могут быть сварены одновременно (одно- и многоволоконные).

При сварке оптических волокон в поле электрического разряда можно выделить такие технологические этапы:

* подготовка торцевых поверхностей соединяемых оптических волокон;
* надевание защитной термоусаживаемой гильзы на одно из соединяемых волокон;
* установка подготовленных концов оптических волокон в направляющие системы сварочного аппарата;
* юстировка свариваемых оптических волокон;
* предварительное оплавление торцов оптических волокон (fire cleaning) с целью ликвидации микронеровностей, возникающих в
* процессе скалывания;
* непосредственное сваривание оптических волокон;
* предварительная оценка качества сварки;
* защита места сварки с помощью термоусаживаемой гильзы;
* окончательная оценка качества сварки с помощью рефлектометра.

Существует два способа юстировки. Первый базируется на выравнивании сердцевин свариваемых оптических волокон по их геометрическим размерам (Profile Alignment System PAS) с помощью боковой подсветки концов свариваемых волокон.

Второй способ основан на выравнивании сердцевин оптических волокон по принципу минимизации потерь тестового светового сигнала, распространяющегося через место сварки.

Что касается активной юстировки, то известно три метода.

Первый заключается в использовании оптического излучателя и приемника на противоположных концах оптических волокон, подлежащих сварке. Информация от приемника передается персоналу, производящему сварку.

Второй метод сводится к использованию оптического передатчика на дальнем конце и детектора в точке соединения. Тестовый оптический сигнал выводится из соединяемого оптического волокна на небольшом (примерно 0,5 м) расстоянии от места сварки на изгибе и детектируется приемником, оборудованным измерителем оптической мощности.

Третий метод реализует LID (Local Injection and Detection) - процедуру юстировки, ограниченную исключительно местом соединения. В основу этого метода положено введение тестового оптического сигнала в сердцевину одного из соединяемых оптических волокон и поиск его в сердцевине второго соединяемого волокна путем изгиба.

Метод LID является наиболее эффективным, поскольку, в отличие от метода PAS, качество сварного соединения в большей мере зависит от сварочного аппарата, а не от индивидуального мастерства персонала. В современных сварочных аппаратах для управления процессами юстировки и сварки используются микропроцессоры, с помощью которых возможна оптимизация процесса сварки для получения минимальных (менее 0,1 дБ) потерь в местах соединений оптических волокон.

В процессе оплавления оптические волокна подаются одновременно для предотвращения укорачивания одного из них в месте сварки. Операции оплавления и сваривания, как правило, выполняются автоматически. В современных автоматических сварочных аппаратах для снятия механического напряжения в точке соединения оптических волокон предусмотрен режим прогревания места стыка по окончании процесса сварки. Такой режим называется "режимом релаксации".

Цикл плавления (длительность подачи и сила тока как для предварительного оплавления, так и для сварки и релаксации) для оптических волокон различных производителей и типов различны.

Некоторые сварочные аппараты, кроме рассмотренных выше способов контроля качества места сварки, используют еще и тест на растяжение во избежание нарушения соединения во время манипуляций при выкладке сростков в кассету, а также в дальнейшем, в процессе эксплуатации. Соединенное оптическое волокно прочно закреплено в направляющих платформах (которые используются при юстировке). Под контролем микропроцессора по завершении этапа сварки эти направляющие платформы расходятся в противоположные стороны, образуя строго нормированное продольное усилие на растяжение, приложенное к месту стыка. Считается, что стык, прошедший такое тестирование, более надежен и выполнен более качественно. При невозможности получения стыка, способного пройти этот тест, но удовлетворяющего по параметрам передачи, эту опцию можно отключить.

Особо следует отметить сварку ленточных элементов (ленточных волоконно-оптических кабелей, отличающихся большим количеством оптических волокон). Эту операцию можно проводить, только применяя полностью автоматический сварочный аппарат, с помощью которого можно соединить до 12 оптических волокон приблизительно за 3 минуты, причем средний уровень потерь составит около 0,1-0,15 дБ. Однако для сваривания ленточных элементов необходим опытный, хорошо подготовленный персонал.

Во время сварки оптические волокна размещаются с соответствующим смещением от оси электродов, что обеспечивает равномерное нагревание. До начала процесса сваривания и по его завершении проверяется смещение оптических волокон, состояние торцевых поверхностей, а также деформация.

При сваривании ленточных элементов необходимо, кроме основных процессов, рассмотренных ранее, провести еще три технологические операции: устранить расхождения торцов соединяемых оптических волокон, плавление всех волокон выполнить одновременно с одинаковой температурой, в процессе предварительной оценки измерить уровень вносимых потерь рефлектометром. Если оказалось, что результаты не отвечают требованиям, процесс сварки повторяют.

Как показывает практика, предварительная оценка качества сварных соединений оптических волокон, базирующаяся на методе РАС, может содержать погрешность в диапазоне 5-1000%, поэтому окончательный вывод о качестве сварного соединения стоит делать после измерений рефлектометром.

По мере совершенствования качества сварочного оборудования и технологии сварки возрастают возможности получения сварных соединений оптических волокон высокого качества. Потери на сварных соединениях зависят от нескольких факторов: опыта персонала, геометрических погрешностей свариваемых оптических волокон, а также от материалов, из которых изготовлены волокна. Особенно часто проблемы возникают при сварке оптических волокон различных производителей. Дело в том, что оптические волокна различных производителей изготавливаются с использованием принципиально отличающихся друг от друга технологических процессов. В результате материал оптических волокон - кварцевое стекло - не является идентичным в волокнах различного происхождения, несмотря на то, что параметры оптических волокон, указанные в спецификациях фирм-производителей, отличаются незначительно.

Факторами, определяющими свойства стекла, являются технология изготовления и качество материалов. Многочисленные исследования показали, что тысячные доли процента примесей в кварцевом стекле оказывают большее влияние, чем добавки в десятки процентов тех же компонентов к многокомпонентным стеклам.

Для сварки наибольшее влияние имеют следующие характеристики: плотность, коэффициент теплового расширения, показатель преломления, вязкость и механические характеристики. Эти параметры определяют оптические потери в местах сращивания и должны приниматься во внимание при использовании оптических волокон, произведенных по различным технологиям, в пределах одного элементарного кабельного участка ВОЛС. Особое внимание следует уделять идентификации оптических волокон в кабеле по типу, производителю и технологии изготовления.

Более совершенные аппараты для сварки оптических волокон содержат программы, оптимизирующие процесс сварки для оптических волокон различных типов и различных производителей, однако на практике нередки ситуации, когда, используя стандартные программы, невозможно получить качественную сварку. В этих случаях необходимо самостоятельно корректировать параметры процесса (время и ток, подаваемый на электроды) для достижения оптимальных результатов.

[pagebreak]

Наиболее часто сварка оптических волокон различных производителей производится при оконцовке оптических волокон пигтейлами, а также при ремонтно-восстановительных работах, если эксплуатационный запас кабеля израсходован, и приобретение полностью идентичного кабеля невозможно (к примеру, по причине снятия с производства оптического волокна такого типа, который использовался первоначально) или экономически нецелесообразно.

В общем виде величина потерь в местах сварных соединений может быть представлена как суммарная величина: Dобщ = Dор + Dдм + Dую + Dнм + Dрпп, где: Dобщ - суммарная величина потерь в сварке; Dор - потери из-за осевого рассогласования модовых полей равного диаметра; Dдм - потери из-за разницы диаметров модовых полей; Dую - потери от погрешности угловой юстировки осей оптических волокон; Dнм - потери, обусловленные не-круглостью модовых полей; Dрпп - потери из-за разницы показателей преломления.

Изучение параметров и характеристик различных одномодовых оптических волокон показывает, что разброс величины диаметра модового поля для l = 1310.1330 нм или l = 1500...1550 нм может составлять от 10,5 до 21,7% (9,2 0,5 мкм). Такое рассогласование приводит к появлению потерь от 0,05 дБ до 0,25 дБ (с положительным знаком, когда излучение проходит из волокна с большим диаметром в волокно с меньшим диаметром, и отрицательным - в противоположном направлении). Эти потери будут иметь место, даже если аппарат расположит соосно два волокна с разными диаметрами сердцевин, у которых эксцентриситет пренебрежительно мал. Обычно разброс величины модового поля оптического волокна не превышает 14%, таким образом, величина этой составляющей - не более 0,1 дБ.

Составляющая Dую практически не компенсируется современным сварочным оборудованием. Установлено, что углы между осями сердцевин 0,5°; 1°; 1,5°; 2° вызывают приращение потерь соответственно в 0,08; 0,34; 0,77 и 1,5 дБ. Таким образом, благодаря надлежащей подготовке торцов соединяемых оптических волокон при скалывании можно уменьшить потери - необходимо обеспечить наименьший (не более 0,5°) угол между плоскостями торцов оптических волокон. В этом случае величина потерь не превысит 0,08 дБ.

Составляющая Dнм учитывает влияние некруглости модового поля. По приблизительным оценкам она равна 0,05 дБ.

При соединении сваркой оптических волокон, имеющих неконцентричность модового поля, часто возникает нарушение юстировки сердцевин вследствие действия сил поверхностного натяжения. Это нарушение можно минимизировать следующими способами:

* сокращение времени плавления за счет неполного сваривания оптических волокон или же сокращение длины свободного конца оптического волокна в сварочном устройстве, чтобы концы оптических волокон в процессе сварки могли перемещаться на очень малое расстояние;
* использование компенсационных программ, таких как управление смещением сердцевины с помощью метода умышленного смещения осей.

Такой режим получил название RTC (Real Time Control). В этом режиме после юстировки сердцевин свариваемых оптических волокон и проведения процедуры предварительного оплавления происходит компенсация поперечного смещения сердцевин в сторону, противоположную производной расхождения.

Сварка оптических волокон осуществляется посредством чередования коротких импульсов тока высокой интенсивности с импульсами тока низкой интенсивности (релаксационными импульсами). При этом после сваривания в электрическом поле импульса высокой интенсивности в поле релаксационного импульса происходит перемещение оптических волокон под действием поверхностного натяжения. Количество чередующихся импульсов зависит от смещения сердцевин оптических волокон, которое постоянно контролируется сварочным аппаратом; как правило, количество импульсов не превышает 2-3.

Весьма существенное влияние на общую величину потерь, если свариваются оптические волокна с разными показателями преломления (N) сердцевины, может оказать составляющая Dрпп. Эта составляющая учитывает потери мощности оптического сигнала в результате несоблюдения условия полного внутреннего отражения на месте стыка двух оптических волокон, у которых показатели преломления сердцевин имеют различия. В этом случае часть оптического сигнала проникает через оболочку волокна и рассеивается. Ситуация усугубляется многократным отражением луча от границы "сердцевина/оболочка", каждое из которых (отражений) служит источником потери мощности. На практике нередки случаи, когда даже многократные повторные сварки не позволяют добиться малой величины потерь.

Наибольший вклад в суммарную величину потерь вносят потери от погрешности угловой юстировки осей оптических волокон и потери из-за разницы показателей преломления.

Международная электротехническая комиссия предлагает в качестве типичной характеристики сварного соединения оптических волокон, полученного в полевых условиях, величину вносимых потерь, равную 0,2 дБ (IEC 1073-1). При современном развитии технологии сварки оптических волокон этот показатель вполне достижим даже тем персоналом, который не обладает значительным опытом в этой области.

Соединение оптических волокон методом склеивания

Практически одновременно с методом сварки был разработан метод склеивания оптических волокон. Для получения клеевых соединений используют совмещение и фиксацию оптических волокон: в капилляре, в трубке с прямоугольным сечением, с помощью V-образной канавки и с помощью трех стержней в качестве направляющих. Оптические волокна соединяются поодиночке.

Технология получения таких соединений состоит из следующих этапов:

* подготовка оптических волокон к соединению (очистка, снятие буферных покрытий, скалывание);
* ввод оптического волокна в капилляр;
* наполнение иммерсионной жидкостью, гелем или клеем;
* регулирование соединения, юстировка оптических волокон;
* нанесение адгезивного вещества;
* цементирование адгезивного вещества с помощью ультрафиолетового излучения.

Клей, используемый для оптических волокон, должен иметь коэффициент преломления, близкий к коэффициенту преломления волокон. Он должен обеспечивать фиксированное положение соединенных оптических волокон, защищать место сращивания от воздействий окружающей среды, гарантировать прочность сростка при воздействии нагрузок в осевом направлении. К достоинствам этого метода следует отнести оперативность и отсутствие деформации сердцевин соединяемых оптических волокон. Это способствует тому, что в области стыка - малые потери, обеспечиваются хорошие механические свойства и т.п. Однако ограниченный срок службы и нестабильность во времени, а также весьма высокая чувствительность к повышению температуры и воздействию влажности являются факторами, сдерживающими распространение этого метода получения неразъемных соединений. В настоящее время он уступил свои позиции методу соединения оптических волокон с помощью механических соединителей.

Механические соединители оптических волокон

Механические соединители оптических волокон разрабатывались как более дешевый и быстрый способ сращивания оптических волокон. Применение аппарата для сварки оптических волокон сопряжено с необходимостью соблюдения ряда условий: для работы используется помещение, параметры которого (температурный диапазон, влажность, давление, вибрации и проч.) соответствуют требованиям производителей сварочного оборудования; также необходима организация питания от сети переменного тока с достаточно жестко регламентированными параметрами. При стоимости комплекта оборудования для сварки оптических волокон, составляющей десятки тысяч долларов США, амортизационные отчисления, а также техническое обслуживание и ремонт являются довольно дорогостоящими.

Достаточно высокие требования предъявляются также к персоналу, производящему работы по сварке оптических волокон. Часто этими же лицами производится наладка и обслуживание аппаратов для сварки оптических волокон (очистка направляющих поверхностей и зажимов, замена электродов и проч.), для чего требуются специалисты с высоким уровнем квалификации.

Всех этих сложностей можно избежать, применяя механические соединители оптических волокон. Конструкция оптических соединителей относительно проста. Основными узлами являются направляющие для двух оптических волокон и устройство фиксации волокон. Внутреннее пространство заполняется тиксотропным гелем для защиты открытых участков оптических волокон от воздействия влаги. Одновременно гель обладает иммерсионными свойствами - его показатель преломления близок к показателю преломления сердцевины волокна.

Процедура монтажа оптических соединителей является частью процедуры монтажа промежуточного или оконечного устройства - кабельной муфты, бокса или стойки. Размеры и форма оптических соединителей позволяют устанавливать их в кассету муфты или бокса аналогично сросткам оптических волокон, полученных путем сварки.

Процедура монтажа включает в себя следующие технологические операции:

* разделка кабелей;
* очистка оптических волокон от гидрофобного геля (при его наличии);
* снятие буферных покрытий соединяемых оптических волокон на участках длиной, рекомендуемой производителями оптических соединителей конкретного типа;
* скалывание оптических волокон;
* проверка качества скола волокон;
* введение соединяемых волокон в отверстия с направляющими;
* позиционирование волокон в соединителе для достижения оптимальных параметров соединения;
* фиксация оптических волокон в соединителе;
* тестовые измерения соединения.

Особое место среди оптических механических соединителей занимает RMS (Rotary Mechanical Splice) как наиболее сложный среди аналогов. Процесс его монтажа наиболее трудоемок, однако он позволяет достичь наименьших потерь при соединении одномодовых волокон. В отличие от остальных соединителей, где величина потерь главным образом зависит от качества скола торцевых поверхностей оптических волокон, этот соединитель позволяет юстировать волокна простым вращением вокруг своей оси стеклянных втулок, удерживающих подготовленные оптические волокна, и добиваться наилучших результатов.

Следует отметить, что применение механических соединителей является наиболее быстрым способом соединения оптических волокон. При этом вносимое затухание практически не отличается от затухания, создаваемого сварным соединением. Достаточно устойчивое функционирование механических соединителей в процессе эксплуатации позволяет уже сегодня рекомендовать их для широкого внедрения на телекоммуникационных сетях с невысокими требованиями к качеству соединений, а также в случаях, когда использование аппарата для сварки оптических волокон технологически затруднено или вообще невозможно. В дальнейшем статистика технической эксплуатации, а также совершенствование материалов компонентов механических соединителей, вероятно, определит их более широкое применение для строительства телекоммуникационных волоконно-оптических линий различных уровней.

Обращает на себя внимание тот факт, что механические соединители оптических волокон условно допускают однократное использование, однако на практике встречаются ситуации их многократного применения. Производители гарантируют качество соединения оптических волокон при повторном монтаже соединителя не более 2-3 раз, однако при повторном наполнении внутреннего пространства иммерсионным гелем (в тех конструкциях, где это предусмотрено) такие соединители использовались многократно без ущерба для качества стыков. Некоторыми производителями механических соединителей разработаны механизмы фиксации, предусматривающие использование специального ключа для открытия фиксатора.

Сегодня использование механических соединителей наиболее удобно при проведении аварийного ремонта волоконно-оптическихлиний для технологической операции организации временной вставки.

Протокол обмена управляющими сообщениями ICMP (Internet Control Message Protocol) позволяет маршрутизатору сообщить конечному узлу об ошибках, с которыми машрутизатор столкнулся при передаче какого-либо IP-пакета от данного конечного узла.

---

Управляющие сообщения ICMP не могут направляться промежуточному маршрутизатору, который участвовал в передаче пакета, с которым возникли проблемы, так как для такой посылки нет адресной информации - пакет несет в себе только адрес источника и адрес назначения, не фиксируя адреса промежуточных маршрутизаторов.

Протокол ICMP - это протокол сообщения об ошибках, а не протокол коррекции ошибок. Конечный узел может предпринять некоторые действия для того, чтобы ошибка больше не возникала, но эти действия протоколом ICMP не регламентируются.

Каждое сообщение протокола ICMP передается по сети внутри пакета IP. Пакеты IP с сообщениями ICMP маршрутизируются точно так же, как и любые другие пакеты, без приоритетов, поэтому они также могут теряться. Кроме того, в загруженной сети они могут вызывать дополнительную загрузку маршрутизаторов. Для того, чтобы не вызывать лавины сообщения об ошибках, потери пакетов IP, переносящие сообщения ICMP об ошибках, не могут порождать новые сообщения ICMP.

Формат сообщений протокола ICMP

Существует несколько типов сообщений ICMP. Каждый тип сообщения имеет свой формат, при этом все они начинаются с общих трех полей: 8-битного целого числа, обозначающего тип сообщения (TYPE), 8-битного поля кода (CODE), который конкретизирует назначение сообщения, и 16-битного поля контрольной суммы (CHECKSUM). Кроме того, сообщение ICMP всегда содержит заголовок и первые 64 бита данных пакета IP, который вызвал ошибку.

Это делается для того, чтобы узел-отправитель смог более точно проанализировать причину ошибки, так как все протоколы прикладного уровня стека TCP/IP содержат наиболее важную информацию для анализа в первых 64 битах своих сообщений.

Поле типа может иметь следующие значения:
Значение | Тип сообщения
0_________Эхо-ответ (Echo Replay)
3_________Узел назначения недостижим (Destination Unreachable)
4_________Подавление источника (Source Quench)
5_________Перенаправление маршрута (Redirect)
8_________Эхо-запрос (Echo Request)
11________Истечение времени дейтаграммы (Time Exceeded for a Datagram)
12________Проблема с параметром пакета (Parameter Problem on a Datagram)
13________Запрос отметки времени (Timestamp Request)
14________Ответ отметки времени (Timestamp Replay)
17________Запрос маски (Address Mask Request)
18________Ответ маски (Address Mask Replay)

Как видно из используемых типов сообщений, протокол ICMP представляет собой некоторое объединение протоколов, решающих свои узкие задачи.

Эхо-протокол

Протокол ICMP предоставляет сетевым администраторам средства для тестирования достижимости узлов сети. Эти средства представляют собой очень простой эхо-протокол, включающий обмен двумя типами сообщений: эхо-запрос и эхо-ответ. Компьютер или маршрутизатор посылают по интерсети эхо-запрос, в котором указывают IP-адрес узла, достижимость которого нужно проверить. Узел, который получает эхо-запрос, формирует и отправляет эхо-ответ и возвращает сообщение узлу - отправителю запроса.

В запросе могут содержаться некоторые данные, которые должны быть возвращены в ответе. Так как эхо-запрос и эхо-ответ передаются по сети внутри IP-пакетов, то их успешная доставка означает нормальное функционирование всей транспортной системы интерсети.

Во многих операционных системах используется утилита ping, которая предназначена для тестирования достижимости узлов. Эта утилита обычно посылает серию эхо-запросов к тестируемому узлу и предоставляет пользователю статистику об утерянных эхо-ответах и среднем времени реакции сети на запросы.

Сообщения о недостижимости узла назначения

Когда маршрутизатор не может передать или доставить IP-пакет, он отсылает узлу, отправившему этот пакет, сообщение "Узел назначения недостижим" (тип сообщения - 3). Это сообщение содержит в поле кода значение, уточняющее причину, по которой пакет не был доставлен. Причина кодируется следующим образом:
Код - | - Причина
0________Сеть недостижима
1________Узел недостижим
2________Протокол недостижим
3________Порт недостижим
4________Требуется фрагментация, а бит DF установлен
5________Ошибка в маршруте, заданном источником
6________Сеть назначения неизвестна
7________Узел назначения неизвестен
8________Узел-источник изолирован
9________Взаимодействие с сетью назначения административно запрещено
10_______Взаимодействие с узлом назначения административно запрещено
11_______Сеть недостижима для заданного класса сервиса
12_______Узел недостижим для заданного класса сервиса

Маршрутизатор, обнаруживший по какой-либо причине, что он не может передать IP-пакет далее по сети, должен отправить ICMP-сообщение узлу-источнику, и только потом отбросить пакет. Кроме причины ошибки, ICMP-сообщение включает также заголовок недоставленного пакета и его первые 64 бита поля данных.

Узел или сеть назначения могут быть недостижимы из-за временной неработоспособности аппаратуры, из-за того, что отправитель указал неверный адрес назначения, а также из-за того, что маршрутизатор не имеет данных о маршруте к сети назначения.

Недостижимость протокола и порта означают отсутствие реализации какого-либо протокола прикладного уровня в узле назначения или же отсутствие открытого порта протоколов UDP или TCP в узле назначения.

Ошибка фрагментации возникает тогда, когда отправитель послал в сеть пакет с признаком DF, запрещающим фрагментацию, а маршрутизатор столкнулся с необходимостью передачи этого пакета в сеть со значением MTU меньшим, чем размер пакета.

Перенаправление маршрута

Маршрутные таблицы у компьютеров обычно являются статическими, так как конфигурируются администратором сети, а у маршрутизаторов - динамическими, формируемыми автоматически с помощью протоколов обмена маршрутной информации. Поэтому с течением времени при изменении топологии сети маршрутные таблицы компьютеров могут устаревать. Кроме того, эти таблицы обычно содержат минимум информации, например, только адреса нескольких маршрутизаторов.

Для корректировки поведения компьютеров маршрутизатор может использовать сообщение протокола ICMP, называемое "Перенаправление маршрута" (Redirect).

Это сообщение посылается в том случае, когда маршрутизатор видит, что компьютер отправляет пакет некоторой сети назначения нерациональным образом, то есть не тому маршрутизатору локальной сети, от которого начинается более короткий маршрут к сети назначения.

Механизм перенаправления протокола ICMP позволяет компьютерам содержать в конфигурационном файле только IP-адреса его локальных маршрутизаторов. С помощью сообщений о перенаправлении маршрутизаторы будут сообщать компьютеру всю необходимую ему информацию о том, какому маршрутизатору следует отправлять пакеты для той или иной сети назначения. То есть маршрутизаторы передадут компьютеру нужную ему часть их таблиц маршрутизации.

В сообщении "Перенаправление маршрута" маршрутизатор помещает IP-адрес маршрутизатора, которым нужно пользоваться в дальнейшем, и заголовок исходного пакета с первыми 64 битами его поля данных. Из заголовка пакета узел узнает, для какой сети необходимо пользоваться указанным маршрутизатором.

В стеке протоколов TCP/IP протокол TCP (Transmission Control Protocol) работает так же, как и протокол UDP, на транспортном уровне. Он обеспечивает надежную транспортировку данных между прикладными процессами путем установления логического соединения.

---

Сегменты TCP

Единицей данных протокола TCP является сегмент. Информация, поступающая к протоколу TCP в рамках логического соединения от протоколов более высокого уровня, рассматривается протоколом TCP как неструктурированный поток байт. Поступающие данные буферизуются средствами TCP. Для передачи на сетевой уровень из буфера "вырезается" некоторая непрерывная часть данных, называемая сегментом.

В протоколе TCP предусмотрен случай, когда приложение обращается с запросом о срочной передаче данных (бит PSH в запросе установлен в 1). В этом случае протокол TCP, не ожидая заполнения буфера до уровня размера сегмента, немедленно передает указанные данные в сеть. О таких данных говорят, что они передаются вне потока - out of band.

Не все сегменты, посланные через соединение, будут одного и того же размера, однако оба участника соединения должны договориться о максимальном размере сегмента, который они будут использовать. Этот размер выбирается таким образом, чтобы при упаковке сегмента в IP-пакет он помещался туда целиком, то есть максимальный размер сегмента не должен превосходить максимального размера поля данных IP-пакета. В противном случае пришлось бы выполнять фрагментацию, то есть делить сегмент на несколько частей, для того, чтобы он вместился в IP-пакет.

Аналогичные проблемы решаются и на сетевом уровне. Для того, чтобы избежать фрагментации, должен быть выбран соответствующий максимальный размер IP-пакета. Однако при этом должны быть приняты во внимание максимальные размеры поля данных кадров (MTU) всех протоколов канального уровня, используемых в сети. Максимальный размер сегмента не должен превышать минимальное значение на множестве всех MTU составной сети.

Порты и установление TCP-соединений

В протоколе TCP также, как и в UDP, для связи с прикладными процессами используются порты. Номера портам присваиваются аналогичным образом: имеются стандартные, зарезервированные номера (например, номер 21 закреплен за сервисом FTP, 23 - за telnet), а менее известные приложения пользуются произвольно выбранными локальными номерами.

Однако в протоколе TCP порты используются несколько иным способом. Для организации надежной передачи данных предусматривается установление логического соединения между двумя прикладными процессами. В рамках соединения осуществляется обязательное подтверждение правильности приема для всех переданных сообщений, и при необходимости выполняется повторная передача. Соединение в TCP позволяет вести передачу данных одновременно в обе стороны, то есть полнодуплексную передачу.

Соединение в протоколе TCP идентифицируется парой полных адресов обоих взаимодействующих процессов (оконечных точек). Адрес каждой из оконечных точек включает IP-адрес (номер сети и номер компьютера) и номер порта. Одна оконечная точка может участвовать в нескольких соединениях.

Установление соединения выполняется в следующей последовательности:

* При установлении соединения одна из сторон является инициатором. Она посылает запрос к протоколу TCP на открытие порта для передачи (active open).
* После открытия порта протокол TCP на стороне процесса-инициатора посылает запрос процессу, с которым требуется установить соединение.
* Протокол TCP на приемной стороне открывает порт для приема данных (passive open) и возвращает квитанцию, подтверждающую прием запроса.
* Для того чтобы передача могла вестись в обе стороны, протокол на приемной стороне также открывает порт для передачи (active port) и также передает запрос к противоположной стороне.
* Сторона-инициатор открывает порт для приема и возвращает квитанцию. Соединение считается установленным. Далее происходит обмен данными в рамках данного соединения.

Концепция квитирования

В рамках соединения правильность передачи каждого сегмента должна подтверждаться квитанцией получателя. Квитирование - это один из традиционных методов обеспечения надежной связи. Идея квитирования состоит в следующем.

Для того, чтобы можно было организовать повторную передачу искаженных данных отправитель нумерует отправляемые единицы передаваемых данных (далее для простоты называемые кадрами). Для каждого кадра отправитель ожидает от приемника так называемую положительную квитанцию - служебное сообщение, извещающее о том, что исходный кадр был получен и данные в нем оказались корректными. Время этого ожидания ограничено - при отправке каждого кадра передатчик запускает таймер, и если по его истечению положительная квитанция на получена, то кадр считается утерянным. В некоторых протоколах приемник, в случае получения кадра с искаженными данными должен отправить отрицательную квитанцию - явное указание того, что данный кадр нужно передать повторно.

Существуют два подхода к организации процесса обмена положительными и отрицательными квитанциями: с простоями и с организацией "окна".

Метод с простоями требует, чтобы источник, пославший кадр, ожидал получения квитанции (положительной или отрицательной) от приемника и только после этого посылал следующий кадр (или повторял искаженный). В этом случае производительность обмена данными существенно снижается - хотя передатчик и мог бы послать следующий кадр сразу же после отправки предыдущего, он обязан ждать прихода квитанции. Снижение производительности для этого метода коррекции особенно заметно на низкоскоростных каналах связи, то есть в территориальных сетях.

Во втором методе для повышения коэффициента использования линии источнику разрешается передать некоторое количество кадров в непрерывном режиме, то есть в максимально возможном для источника темпе, без получения на эти кадры ответных квитанций. Количество кадров, которые разрешается передавать таким образом, называется размером окна. Обычно кадры при обмене нумеруются циклически, от 1 до W. При отправке кадра с номером 1 источнику разрешается передать еще W-1 кадров до получения квитанции на кадр 1. Если же за это время квитанция на кадр 1 так и не пришла, то процесс передачи приостанавливается, и по истечению некоторого тайм-аута кадр 1 считается утерянным (или квитанция на него утеряна) и он передается снова.

Если же поток квитанций поступает более-менее регулярно, в пределах допуска в W кадров, то скорость обмена достигает максимально возможной величины для данного канала и принятого протокола.

Этот алгоритм называют алгоритмом скользящего окна. Действительно, при каждом получении квитанции окно перемещается (скользит), захватывая новые данные, которые разрешается передавать без подтверждения.

[pagebreak]

Реализация скользящего окна в протоколе TCP

В протоколе TCP реализована разновидность алгоритма квитирования с использованием окна. Особенность этого алгоритма состоит в том, что, хотя единицей передаваемых данных является сегмент, окно определено на множестве нумерованных байт неструктурированного потока данных, поступающих с верхнего уровня и буферизуемых протоколом TCP.

Квитанция посылается только в случае правильного приема данных, отрицательные квитанции не посылаются. Таким образом, отсутствие квитанции означает либо прием искаженного сегмента, либо потерю сегмента, либо потерю квитанции.

В качестве квитанции получатель сегмента отсылает ответное сообщение (сегмент), в которое помещает число, на единицу превышающее максимальный номер байта в полученном сегменте. Если размер окна равен W, а последняя квитанция содержала значение N, то отправитель может посылать новые сегменты до тех пор, пока в очередной сегмент не попадет байт с номером N+W. Этот сегмент выходит за рамки окна, и передачу в таком случае необходимо приостановить до прихода следующей квитанции.

Выбор тайм-аута

Выбор времени ожидания (тайм-аута) очередной квитанции является важной задачей, результат решения которой влияет на производительность протокола TCP.

Тайм-аут не должен быть слишком коротким, чтобы по возможности исключить избыточные повторные передачи, которые снижают полезную пропускную способность системы. Но он не должен быть и слишком большим, чтобы избежать длительных простоев, связанных с ожиданием несуществующей или "заблудившейся" квитанции.

При выборе величины тайм-аута должны учитываться скорость и надежность физических линий связи, их протяженность и многие другие подобные факторы. В протоколе TCP тайм-аут определяется с помощью достаточно сложного адаптивного алгоритма, идея которого состоит в следующем. При каждой передаче засекается время от момента отправки сегмента до прихода квитанции о его приеме (время оборота).

Получаемые значения времен оборота усредняются с весовыми коэффициентами, возрастающими от предыдущего замера к последующему. Это делается с тем, чтобы усилить влияние последних замеров. В качестве тайм-аута выбирается среднее время оборота, умноженное на некоторый коэффициент. Практика показывает, что значение этого коэффициента должно превышать 2. В сетях с большим разбросом времени оборота при выборе тайм-аута учитывается и дисперсия этой величины.

Реакция на перегрузку сети

Варьируя величину окна, можно повлиять на загрузку сети. Чем больше окно, тем большую порцию неподтвержденных данных можно послать в сеть. Если сеть не справляется с нагрузкой, то возникают очереди в промежуточных узлах-маршрутизаторах и в конечных узлах-компьютерах.

При переполнении приемного буфера конечного узла "перегруженный" протокол TCP, отправляя квитанцию, помещает в нее новый, уменьшенный размер окна. Если он совсем отказывается от приема, то в квитанции указывается окно нулевого размера. Однако даже после этого приложение может послать сообщение на отказавшийся от приема порт. Для этого, сообщение должно сопровождаться пометкой "срочно" (бит URG в запросе установлен в 1). В такой ситуации порт обязан принять сегмент, даже если для этого придется вытеснить из буфера уже находящиеся там данные.

После приема квитанции с нулевым значением окна протокол-отправитель время от времени делает контрольные попытки продолжить обмен данными. Если протокол-приемник уже готов принимать информацию, то в ответ на контрольный запрос он посылает квитанцию с указанием ненулевого размера окна.

Другим проявлением перегрузки сети является переполнение буферов в маршрутизаторах. В таких случаях они могут централизовано изменить размер окна, посылая управляющие сообщения некоторым конечным узлам, что позволяет им дифференцировано управлять интенсивностью потока данных в разных частях сети.

Формат сообщений TCP

Сообщения протокола TCP называются сегментами и состоят из заголовка и блока данных. Заголовок сегмента имеет следующие поля:

* Порт источника (SOURS PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-отправитель;
* Порт назначения (DESTINATION PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-получатель;
* Последовательный номер (SEQUENCE NUMBER) занимает 4 байта, указывает номер байта, который определяет смещение сегмента относительно потока отправляемых данных;
* Подтвержденный номер (ACKNOWLEDGEMENT NUMBER) занимает 4 байта, содержит максимальный номер байта в полученном сегменте, увеличенный на единицу; именно это значение используется в качестве квитанции;
* Длина заголовка (HLEN) занимает 4 бита, указывает длину заголовка сегмента TCP, измеренную в 32-битовых словах. Длина заголовка не фиксирована и может изменяться в зависимости от значений, устанавливаемых в поле Опции;
* Резерв (RESERVED) занимает 6 битов, поле зарезервировано для последующего использования;
* Кодовые биты (CODE BITS) занимают 6 битов, содержат служебную информацию о типе данного сегмента, задаваемую установкой в единицу соответствующих бит этого поля:
* URG - срочное сообщение;
* ACK - квитанция на принятый сегмент;
* PSH - запрос на отправку сообщения без ожидания заполнения буфера;
* RST - запрос на восстановление соединения;
* SYN - сообщение используемое для синхронизации счетчиков переданных данных при установлении соединения;
* FIN - признак достижения передающей стороной последнего байта в потоке передаваемых данных.
* Окно (WINDOW) занимает 2 байта, содержит объявляемое значение размера окна в байтах;
* Контрольная сумма (CHECKSUM) занимает 2 байта, рассчитывается по сегменту;
* Указатель срочности (URGENT POINTER) занимает 2 байта, используется совместно с кодовым битом URG, указывает на конец данных, которые необходимо срочно принять, несмотря на переполнение буфера;
* Опции (OPTIONS) - это поле имеет переменную длину и может вообще отсутствовать, максимальная величина поля 3 байта; используется для решения вспомогательных задач, например, при выборе максимального размера сегмента;
* Заполнитель (PADDING) может иметь переменную длину, представляет собой фиктивное поле, используемое для доведения размера заголовка до целого числа 32-битовых слов.

Представляю краткую справочную информацию по использованию языка SQL в среде программирования Delphi. Для использования в программе команд языка SQL необходимо поместить на форму объект TQuery. Назовем его MyQuery. А поместив на форму объекты TDBGrid и TDataSource и связав все три объекта между собой, получим возможность видеть в объекте TDBGrid результаты SQL запросов.

---

Создание таблицы с помощью SQL запроса
Перед выполнением запроса должны быть определены следующие переменные строкового типа:

tbl - файл таблицы, например: 'c:programsdelphisqlfirst.dbf'; fld1, fld2 - название создаваемых полей; tp1, tp2 - типы создаваемых полей таблицы.

Приведенный ниже запрос создает таблицу состоящую из двух полей указанного типа:

Код

with MyQuery do
begin
Active:=False;
SQL.Clear;
SQL.Add('CREATE TABLE "'+tbl+'"');
SQL.Add('('+fld1+' '+tp1+', '+'fld2'+' '+tp2+')');
SQL;
end;

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Типы поля могут быть: int, float, char(10).


Добавление записи в таблицу
Добавление записи в таблицу посредством SQL запроса выполняется следующим способом:

Код

with MyQuery do
begin
Active:=False;
SQL.Clear;
SQL.Add(' INTO "'+Tbl+'"');
SQL.Add('VALUES ('+val1+', '+val2+', "'+val3+'")');
SQL;
end;

Здесь val1, val2 - добавляемое значение целого или вещественного типа; val3 - добавляемое значение строкового типа.

Последовательность расположения добавляемых значений в тексте запроса важна и должна соответствовать порядку следования полей таблицы.


SQL запрос на выборку
Для выполнения простого SQL запроса на выборку всех записей из указанной таблицы достаточно следующего кода:

Код

with MyQuery do
begin
Active:=False;
SQL.Clear;
SQL.Add('SELECT *');
SQL.Add('FROM "'+Tbl+'"');
Active:=True;
end;

переменная tbl содержит название таблицы, а лучше - полный путь к таблице, например: 'c:programsdelphisqlfirst.dbf'. Свойство MyQuery.RecordCount содержит число записей, выбранных из таблицы SQL запросом.

[pagebreak]

Запрос SQL на выборку с условием
Переменная fld содержит название поля таблицы, а переменная val - значение этого поля. Результатом выполнения нижеследующего запроса являются все записи таблицы со значением val в поле fld.

Код

with MyQuery do
begin
Active:=False;
SQL.Clear;
SQL.Add('SELECT *');
SQL.Add('FROM "'+Tbl+'"');
SQL.Add('WHERE '+Fld+' = "'+Val+'"');
Active:=True;
end;

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
А если воспользоваться приведенным ниже кодом, то в результате получим все строки таблицы, содержимое поля fld которых содержит значение val.

Код

SQL.Add('WHERE '+Fld+' LIKE "%'+Val+'%"');

Запрос SQL для нахождения максимума или минимума
Программный код запроса:

Код

with MyQuery do
begin
Active:=False;
SQL.Clear;
SQL.Add('SELECT Max('+Fld+') as M');
SQL.Add('FROM "'+Tbl+'"');
Active:=True;
end;

Используя команду MyQuery.FieldByName('M').asInteger; можно получить значение максимума целого типа. Для нахождения минимума необходимо в запросе воспользоваться строкой SQL.Add('SELECT Min('+Fld+') as M');


Запрос SQL для удаления записей из таблицы
Для удаления записей из таблицы tbl значения поля fld которых равны val используется следующий код:

Код

with MyQuery do
begin
Active:=False;
SQL.Clear;
SQL.Add('');
SQL.Add('FROM "'+Tbl+'"');
SQL.Add('WHERE '+Fld+' = "'+Val+'"');
SQL;
end;

Запрос SQL для изменения записей в таблице
Принцип работы запроса аналогичен запросу на удаление, необходимо лишь указать updFld - обновляемое поле и updVal - новое значение для этого поля.
Пример запроса:

Код

with MyQuery do
begin
Active:=False;
SQL.Clear;
SQL.Add('UPDATE "'+Tbl+'"');
SQL.Add('SET '+UpdFld+' = "'+UpdVal+'"');
SQL.Add('WHERE '+Fld+' = "'+Val+'"');
SQL;
end;