Сеть всегда объединяет несколько абонентов, каждый из которых имеет право передавать свои пакеты. Но, как уже отмечалось, по одному кабелю одновременно передавать два (или более) пакета нельзя, иначе может возникнуть конфликт (коллизия), который приведет к искажению либо потере обоих пакетов (или всех пакетов, участвующих в конфликте). Значит, надо каким-то образом установить очередность доступа к сети (захвата сети) всеми абонентами, желающими передавать. Это относится, прежде всего, к сетям с топологиями шина и кольцо. Точно так же при топологии звезда необходимо установить очередность передачи пакетов периферийными абонентами, иначе центральный абонент просто не сможет справиться с их обработкой.
В сети обязательно применяется тот или иной метод управления обменом (метод доступа, метод арбитража), разрешающий или предотвращающий конфликты между абонентами. От эффективности работы выбранного метода управления обменом зависит очень многое: скорость обмена информацией между компьютерами, нагрузочная способность сети (способность работать с различными интенсивностями обмена), время реакции сети на внешние события и т.д. Метод управления – это один из важнейших параметров сети.
Тип метода управления обменом во многом определяется особенностями топологии сети. Но в то же время он не привязан жестко к топологии, как нередко принято считать.
Методы управления обменом в локальных сетях делятся на две группы:
* Централизованные методы, в которых все управление обменом сосредоточено в одном месте. Недостатки таких методов: неустойчивость к отказам центра, малая гибкость управления (центр обычно не может оперативно реагировать на все события в сети). Достоинство централизованных методов – отсутствие конфликтов, так как центр всегда предоставляет право на передачу только одному абоненту, и ему не с кем конфликтовать.
* Децентрализованные методы, в которых отсутствует центр управления. Всеми вопросами управления, в том числе предотвращением, обнаружением и разрешением конфликтов, занимаются все абоненты сети. Главные достоинства децентрализованных методов: высокая устойчивость к отказам и большая гибкость. Однако в данном случае возможны конфликты, которые надо разрешать.
Существует и другое деление методов управления обменом, относящееся, главным образом, к децентрализованным методам:
* Детерминированные методы определяют четкие правила, по которым чередуются захватывающие сеть абоненты. Абоненты имеют определенную систему приоритетов, причем приоритеты эти различны для всех абонентов. При этом, как правило, конфликты полностью исключены (или маловероятны), но некоторые абоненты могут дожидаться своей очереди на передачу слишком долго. К детерминированным методам относится, например, маркерный доступ (сети Token-Ring, FDDI), при котором право передачи передается по эстафете от абонента к абоненту.
* Случайные методы подразумевают случайное чередование передающих абонентов. При этом возможность конфликтов подразумевается, но предлагаются способы их разрешения. Случайные методы значительно хуже (по сравнению с детерминированными) работают при больших информационных потоках в сети (при большом трафике сети) и не гарантируют абоненту величину времени доступа. В то же время они обычно более устойчивы к отказам сетевого оборудования и более эффективно используют сеть при малой интенсивности обмена. Пример случайного метода – CSMA/CD (сеть Ethernet).
Для трех основных топологий характерны три наиболее типичных метода управления обменом.
Управление обменом в сети с топологией звезда
Для топологии звезда лучше всего подходит централизованный метод управления. Это связано с тем, что все информационные потоки проходят через центр, и именно этому центру логично доверить управление обменом в сети. Причем не так важно, что находится в центре звезды: компьютер (центральный абонент), как на рис. 1.6, или же специальный концентратор, управляющий обменом, но сам не участвующий в нем. В данном случае речь идет уже не о пассивной звезде (рис. 1.11), а о некой промежуточной ситуации, когда центр не является полноценным абонентом, но управляет обменом. Это, к примеру, реализовано в сети 100VG-AnyLAN.
Самый простейший централизованный метод состоит в следующем.
Периферийные абоненты, желающие передать свой пакет (или, как еще говорят, имеющие заявки на передачу), посылают центру свои запросы (управляющие пакеты или специальные сигналы). Центр же предоставляет им право передачи пакета в порядке очередности, например, по их физическому расположению в звезде по часовой стрелке. После окончания передачи пакета каким-то абонентом право передавать получит следующий по порядку (по часовой стрелке) абонент, имеющий заявку на передачу (рис. 4.8). Например, если передает второй абонент, то после него имеет право на передачу третий. Если же третьему абоненту не надо передавать, то право на передачу переходит к четвертому и т.д.
Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда
Рис. 4.8. Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда
В этом случае говорят, что абоненты имеют географические приоритеты (по их физическому расположению). В каждый конкретный момент наивысшим приоритетом обладает следующий по порядку абонент, но в пределах полного цикла опроса ни один из абонентов не имеет никаких преимуществ перед другими. Никому не придется ждать своей очереди слишком долго. Максимальная величина времени доступа для любого абонента в этом случае будет равна суммарному времени передачи пакетов всех абонентов сети кроме данного. Для топологии, показанной на рис. 4.8, она составит четыре длительности пакета. Никаких столкновений пакетов при этом методе в принципе быть не может, так как все решения о доступе принимаются в одном месте.
Рассмотренный метод управления можно назвать методом с пассивным центром, так как центр пассивно прослушивает всех абонентов. Возможен и другой принцип реализации централизованного управления (его можно назвать методом с активным центром).
В этом случае центр посылает запросы о готовности передавать (управляющие пакеты или специальные сигналы) по очереди всем периферийным абонентам. Тот периферийный абонент, который хочет передавать (первый из опрошенных) посылает ответ (или же сразу начинает свою передачу). В дальнейшем центр проводит сеанс обмена именно с ним. После окончания этого сеанса центральный абонент продолжает опрос периферийных абонентов по кругу (как на рис. 4.8). Если желает передавать центральный абонент, он передает вне очереди.
Как в первом, так и во втором случае никаких конфликтов быть не может (решение принимает единый центр, которому не с кем конфликтовать). Если все абоненты активны, и заявки на передачу поступают интенсивно, то все они будут передавать строго по очереди. Но центр должен быть исключительно надежен, иначе будет парализован весь обмен. Механизм управления не слишком гибок, так как центр работает по жестко заданному алгоритму. К тому же скорость управления невысока. Ведь даже в случае, когда передает только один абонент, ему все равно приходится ждать после каждого переданного пакета, пока центр опросит всех остальных абонентов.
Как правило, централизованные методы управления применяются в небольших сетях (с числом абонентов не более чем несколько десятков). В случае больших сетей нагрузка по управлению обменом на центр существенно возрастает.
Управление обменом в сети с топологией шина
При топологии шина также возможно централизованное управление. При этом один из абонентов ("центральный") посылает по шине всем остальным ("периферийным") запросы (управляющие пакеты), выясняя, кто из них хочет передать, затем разрешает передачу одному из абонентов. Абонент, получивший право на передачу, по той же шине передает свой информационный пакет тому абоненту, которому хочет. А после окончания передачи передававший абонент все по той же шине сообщает "центру", что он закончил передачу (управляющим пакетом), и "центр" снова начинает опрос (рис. 4.9).
Централизованное управление в сети с топологией шина
Рис. 4.9. Централизованное управление в сети с топологией шина
Преимущества и недостатки такого управления – те же самые, что и в случае централизованно управляемой звезды. Единственное отличие состоит в том, что центр здесь не пересылает информацию от одного абонента к другому, как в топологии активная звезда, а только управляет обменом.
Гораздо чаще в шине используется децентрализованное случайное управление, так как сетевые адаптеры всех абонентов в данном случае одинаковы, и именно этот метод наиболее органично подходит шине. При выборе децентрализованного управления все абоненты имеют равные права доступа к сети, то есть особенности топологии совпадают с особенностями метода управления. Решение о том, когда можно передавать свой пакет, принимается каждым абонентом на месте, исходя только из анализа состояния сети. В данном случае возникает конкуренция между абонентами за захват сети, и, следовательно, возможны конфликты между ними и искажения передаваемой информации из-за наложения пакетов.
Существует множество алгоритмов доступа или, как еще говорят, сценариев доступа, порой очень сложных. Их выбор зависит от скорости передачи в сети, длины шины, загруженности сети (интенсивности обмена или трафика сети), используемого кода передачи.
Иногда для управления доступом к шине применяется дополнительная линия связи, что позволяет упростить аппаратуру контроллеров и методы доступа, но заметно увеличивает стоимость сети за счет удвоения длины кабеля и количества приемопередатчиков. Поэтому данное решение не получило широкого распространения.
Суть всех случайных методов управления обменом довольно проста.
Если сеть свободна (то есть никто не передает своих пакетов), то абонент, желающий передавать, сразу начинает свою передачу. Время доступа в этом случае равно нулю.
Если же в момент возникновения у абонента заявки на передачу сеть занята, то абонент, желающий передавать, ждет освобождения сети. В противном случае исказятся и пропадут оба пакета. После освобождения сети абонент, желающий передавать, начинает свою передачу.
Возникновение конфликтных ситуаций (столкновений пакетов, коллизий), в результате которых передаваемая информация искажается, возможно в двух случаях.
* При одновременном начале передачи двумя или более абонентами, когда сеть свободна (рис. 4.10). Это ситуация довольно редкая, но все-таки вполне возможная.
* При одновременном начале передачи двумя или более абонентами сразу после освобождения сети (рис. 4.11). Это ситуация наиболее типична, так как за время передачи пакета одним абонентом вполне может возникнуть несколько новых заявок на передачу у других абонентов.
Существующие случайные методы управления обменом (арбитража) различаются тем, как они предотвращают возможные конфликты или же разрешают уже возникшие. Ни один конфликт не должен нарушать обмен, все абоненты должны, в конце концов, передать свои пакеты.
В процессе развития локальных сетей было разработано несколько разновидностей случайных методов управления обменом.
Коллизии в случае начала передачи при свободной сети
Рис. 4.10. Коллизии в случае начала передачи при свободной сети
Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети
Рис. 4.11. Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети
Например, был предложен метод, при котором не все передающие абоненты распознают коллизию, а только те, которые имеют меньшие приоритеты. Абонент с максимальным приоритетом из всех, начавших передачу, закончит передачу своего пакета без ошибок. Остальные, обнаружив коллизию, прекратят свою передачу и будут ждать освобождения сети для новой попытки. Для контроля коллизии каждый передающий абонент производит побитное сравнение передаваемой им в сеть информации и данных, присутствующих в сети. Побеждает тот абонент, заголовок пакета которого дольше других не искажается от коллизии. Этот метод, называемый децентрализованным кодовым приоритетным методом, отличается низким быстродействием и сложностью реализации.
При другом методе управления обменом каждый абонент начинает свою передачу после освобождения сети не сразу, а, выдержав свою, строго индивидуальную задержку, что предотвращает коллизии после освобождения сети и тем самым сводит к минимуму общее количество коллизий. Максимальным приоритетом в этом случае будет обладать абонент с минимальной задержкой. Столкновения пакетов возможны только тогда, когда два и более абонентов захотели передавать одновременно при свободной сети. Этот метод, называемый децентрализованным временным приоритетным методом, хорошо работает только в небольших сетях, так как каждому абоненту нужно обеспечить свою индивидуальную задержку.
В обоих случаях имеется система приоритетов, все же данные методы относятся к случайным, так как исход конкуренции невозможно предсказать. Случайные приоритетные методы ставят абонентов в неравные условия при большой интенсивности обмена по сети, так как высокоприоритетные абоненты могут надолго заблокировать сеть для низкоприоритетных абонентов.
[pagebreak]
Чаще всего система приоритетов в методе управления обменом в шине отсутствует полностью. Именно так работает наиболее распространенный стандартный метод управления обменом CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), используемый в сети Ethernet. Его главное достоинство в том, что все абоненты полностью равноправны, и ни один из них не может надолго заблокировать обмен другому (как в случае наличия приоритетов). В этом методе коллизии не предотвращаются, а разрешаются.
Суть метода состоит в том, что абонент начинает передавать сразу, как только он выяснит, что сеть свободна. Если возникают коллизии, то они обнаруживаются всеми передающими абонентами. После чего все абоненты прекращают свою передачу и возобновляют попытку начать новую передачу пакета через временной интервал, длительность которого выбирается случайным образом. Поэтому повторные коллизии маловероятны.
Еще один распространенный метод случайного доступа – CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – множественный доступ с контролем несущей и избежанием коллизий) применяющийся, например, в сети Apple LocalTalk. Абонент, желающий передавать и обнаруживший освобождение сети, передает сначала короткий управляющий пакет запроса на передачу. Затем он заданное время ждет ответного короткого управляющего пакета подтверждения запроса от абонента-приемника. Если ответа нет, передача откладывается. Если ответ получен, передается пакет. Коллизии полностью не устраняются, но в основном сталкиваются управляющие пакеты. Столкновения информационных пакетов выявляются на более высоких уровнях протокола.
Подобные методы будут хорошо работать только при не слишком большой интенсивности обмена по сети. Считается, что приемлемое качество связи обеспечивается при нагрузке не выше 30—40% (то есть когда сеть занята передачей информации примерно на 30—40% всего времени). При большей нагрузке повторные столкновения учащаются настолько, что наступает так называемый коллапс или крах сети, представляющий собой резкое падение ее производительности.
Недостаток всех случайных методов состоит еще и в том, что они не гарантируют величину времени доступа к сети, которая зависит не только от выбора задержки между попытками передачи, но и от общей загруженности сети. Поэтому, например, в сетях, выполняющих задачи управления оборудованием (на производстве, в научных лабораториях), где требуется быстрая реакция на внешние события, сети со случайными методами управления используются довольно редко.
При любом случайном методе управления обменом, использующем детектирование коллизии (в частности, при CSMA/CD), возникает вопрос о том, какой должна быть минимальная длительность пакета, чтобы коллизию обнаружили все начавшие передавать абоненты. Ведь сигнал по любой физической среде распространяется не мгновенно, и при больших размерах сети (диаметре сети) задержка распространения может составлять десятки и сотни микросекунд. Кроме того, информацию об одновременно происходящих событиях разные абоненты получают не в одно время. С тем чтобы рассчитать минимальную длительность пакета, следует обратиться к рис. 4.12.
Пусть L – полная длина сети, V – скорость распространения сигнала в используемом кабеле. Допустим, абонент 1 закончил свою передачу, а абоненты 2 и 3 захотели передавать во время передачи абонента 1 и ждали освобождения сети.
После освобождения сети абонент 2 начнет передавать сразу же, так как он расположен рядом с абонентом 1. Абонент 3 после освобождения сети узнает об этом событии и начнет свою передачу через временной интервал прохождения сигнала по всей длине сети, то есть через время L/V. При этом пакет от абонента 3 дойдет до абонента 2 еще через временной интервал L/V после начала передачи абонентом 3 (обратный путь сигнала). К этому моменту передача пакета абонентом 2 не должна закончиться, иначе абонент 2 так и не узнает о столкновении пакетов (о коллизии), в результате чего будет передан неправильный пакет.
Получается, что минимально допустимая длительность пакета в сети должна составлять 2L/V, то есть равняться удвоенному времени распространения сигнала по полной длине сети (или по пути наибольшей длины в сети). Это время называется двойным или круговым временем задержки сигнала в сети или PDV (Path Delay Value). Этот же временной интервал можно рассматривать как универсальную меру одновременности любых событий в сети.
Стандартом на сеть задается как раз величина PDV, определяющая минимальную длину пакета, и из нее уже рассчитывается допустимая длина сети. Дело в том, что скорость распространения сигнала в сети для разных кабелей отличается. Кроме того, надо еще учитывать задержки сигнала в различных сетевых устройствах. Расчетам допустимых конфигураций сети Ethernet посвящена глава 10.
Отдельно следует остановиться на том, как сетевые адаптеры распознают коллизию в кабеле шины, то есть столкновение пакетов. Ведь простое побитное сравнение передаваемой абонентом информации с той, которая реально присутствует в сети, возможно только в случае самого простого кода NRZ, используемого довольно редко. При применении манчестерского кода, который обычно подразумевается в случае метода управления обменом CSMA/CD, требуется принципиально другой подход.
Как уже отмечалось, сигнал в манчестерском коде всегда имеет постоянную составляющую, равную половине размаха сигнала (если один из двух уровней сигнала нулевой). Однако в случае столкновения двух и более пакетов (при коллизии) это правило выполняться не будет. Постоянная составляющая суммарного сигнала в сети будет обязательно больше или меньше половины размаха (рис. 4.13). Ведь пакеты всегда отличаются друг от друга и к тому же сдвинуты друг относительно друга во времени. Именно по выходу уровня постоянной составляющей за установленные пределы и определяет каждый сетевой адаптер наличие коллизии в сети.
Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода
Рис. 4.13. Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода
Задача обнаружения коллизии существенно упрощается, если используется не истинная шина, а равноценная ей пассивная звезда (рис. 4.14).
Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда
Рис. 4.14. Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда
При этом каждый абонент соединяется с центральным концентратором, как правило, двумя кабелями, каждый из которых передает информацию в своем направлении. Во время передачи своего пакета абоненту достаточно всего лишь контролировать, не приходит ли ему в данный момент по встречному кабелю (приемному) другой пакет. Если встречный пакет приходит, то детектируется коллизия. Точно так же обнаруживает коллизии и концентратор.
Управление обменом в сети с топологией кольцо
Кольцевая топология имеет свои особенности при выборе метода управления обменом. В этом случае важно то, что любой пакет, посланный по кольцу, последовательно пройдя всех абонентов, через некоторое время возвратится в ту же точку, к тому же абоненту, который его передавал (так как топология замкнутая). Здесь нет одновременного распространения сигнала в две стороны, как в топологии шина. Как уже отмечалось, сети с топологией кольцо бывают однонаправленными и двунаправленными. Наиболее распространены однонаправленные.
В сети с топологией кольцо можно использовать различные централизованные методы управления (как в звезде), а также методы случайного доступа (как в шине), но чаще выбирают все-таки специфические методы управления, в наибольшей степени соответствующие особенностям кольца.
Самые популярные методы управления в кольцевых сетях маркерные (эстафетные), те, которые используют маркер (эстафету) – небольшой управляющий пакет специального вида. Именно эстафетная передача маркера по кольцу позволяет передавать право на захват сети от одного абонента к другому. Маркерные методы относятся к децентрализованным и детерминированным методам управления обменом в сети. В них нет явно выраженного центра, но существует четкая система приоритетов, и потому не бывает конфликтов.
Работа маркерного метода управления в сети с топологией кольцо представлена на рис. 4.15.
Рис. 4.15. Маркерный метод управления обменом (СМ—свободный маркер, ЗМ— занятый маркер, МП— занятый маркер с подтверждением, ПД—пакет данных)
По кольцу непрерывно ходит специальный управляющий пакет минимальной длины, маркер, предоставляющий абонентам право передавать свой пакет. Алгоритм действий абонентов:
1. Абонент 1, желающий передать свой пакет, должен дождаться прихода к нему свободного маркера. Затем он присоединяет к маркеру свой пакет, помечает маркер как занятый и отправляет эту посылку следующему по кольцу абоненту.
2. Все остальные абоненты (2, 3, 4), получив маркер с присоединенным пакетом, проверяют, им ли адресован пакет. Если пакет адресован не им, то они передают полученную посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
3. Если какой-то абонент (в данном случае это абонент 2) распознает пакет как адресованный ему, то он его принимает, устанавливает в маркере бит подтверждения приема и передает посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
4. Передававший абонент 1 получает свою посылку, прошедшую по всему кольцу, обратно, помечает маркер как свободный, удаляет из сети свой пакет и посылает свободный маркер дальше по кольцу. Абонент, желающий передавать, ждет этого маркера, и все повторяется снова.
Приоритет при данном методе управления получается географический, то есть право передачи после освобождения сети переходит к следующему по направлению кольца абоненту от последнего передававшего абонента. Но эта система приоритетов работает только при большой интенсивности обмена. При малой интенсивности обмена все абоненты равноправны, и время доступа к сети каждого из них определяется только положением маркера в момент возникновения заявки на передачу.
В чем-то рассматриваемый метод похож на метод опроса (централизованный), хотя явно выделенного центра здесь не существует. Однако некий центр обычно все-таки присутствует. Один из абонентов (или специальное устройство) должен следить, чтобы маркер не потерялся в процессе прохождения по кольцу (например, из-за действия помех или сбоя в работе какого-то абонента, а также из-за подключения и отключения абонентов). В противном случае механизм доступа работать не будет. Следовательно, надежность управления в данном случае снижается (выход центра из строя приводит к полной дезорганизации обмена). Существуют специальные средства для повышения надежности и восстановления центра контроля маркера.
Основное преимущество маркерного метода перед CSMA/CD состоит в гарантированной величине времени доступа. Его максимальная величина, как и при централизованном методе, составит (N-1)• tпк, где N – полное число абонентов в сети, tпк – время прохождения пакета по кольцу. Вообще, маркерный метод управления обменом при большой интенсивности обмена в сети (загруженность более 30—40%) гораздо эффективнее случайных методов. Он позволяет сети работать с большей нагрузкой, которая теоретически может даже приближаться к 100%.
Метод маркерного доступа используется не только в кольце (например, в сети IBM Token Ring или FDDI), но и в шине (в частности, сеть Arcnet-BUS), а также в пассивной звезде (к примеру, сеть Arcnet-STAR). В этих случаях реализуется не физическое, а логическое кольцо, то есть все абоненты последовательно передают друг другу маркер, и эта цепочка передачи маркеров замкнута в кольцо (рис. 4.16). При этом совмещаются достоинства физической топологии шина и маркерного метода управления.
Применение маркерного метода управления в шине
Рис. 4.16. Применение маркерного метода управления в шине
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.
Назначение пакетов и их структура
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.
Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче информации по каналу с узкой полосой пропускания, например, по телефонным линиям в глобальных сетях. Кроме того, аналоговое кодирование применяется в радиоканалах, что позволяет обеспечивать связь между многими пользователями одновременно.
Код RZ
Код RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) – этот трехуровневый код получил такое название потому, что после значащего уровня сигнала в первой половине битового интервала следует возврат к некоему "нулевому", среднему уровню (например, к нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в середине каждого битового интервала. Логическому нулю, таким образом, соответствует положительный импульс, логической единице – отрицательный (или наоборот) в первой половине битового интервала.
В центре битового интервала всегда есть переход сигнала (положительный или отрицательный), следовательно, из этого кода приемник легко может выделить синхроимпульс (строб). Возможна временная привязка не только к началу пакета, как в случае кода NRZ, но и к каждому отдельному биту, поэтому потери синхронизации не произойдет при любой длине пакета.
Еще одно важное достоинство кода RZ – простая временная привязка приема, как к началу последовательности, так и к ее концу. Приемник просто должен анализировать, есть изменение уровня сигнала в течение битового интервала или нет. Первый битовый интервал без изменения уровня сигнала соответствует окончанию принимаемой последовательности бит (рис. 3.12). Поэтому в коде RZ можно использовать передачу последовательностями переменной длины.
Определение начала и конца приема при коде RZ
Рис. 3.12. Определение начала и конца приема при коде RZ
Недостаток кода RZ состоит в том, что для него требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ (так как здесь на один битовый интервал приходится два изменения уровня сигнала). Например, для скорости передачи информации 10 Мбит/с требуется пропускная способность линии связи 10 МГц, а не 5 МГц, как при коде NRZ (рис. 3.13).
Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ
Рис. 3.13. Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ
Другой важный недостаток – наличие трех уровней, что всегда усложняет аппаратуру как передатчика, так и приемника.
Код RZ применяется не только в сетях на основе электрического кабеля, но и в оптоволоконных сетях. Правда, в них не существует положительных и отрицательных уровней сигнала, поэтому используется три следующие уровня: отсутствие света, "средний" свет, "сильный" свет. Это очень удобно: даже когда нет передачи информации, свет все равно присутствует, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи без дополнительных мер (рис. 3.14).
Использование кода RZ в оптоволоконных сетях
Рис. 3.14. Использование кода RZ в оптоволоконных сетях
Манчестерский код
Манчестерский код (или код Манчестер-II) получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от RZ имеет не три, а всего два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности и упрощению приемных и передающих узлов. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре битового интервала (то есть первая половина битового интервала – низкий уровень, вторая половина – высокий), а логической единице соответствует отрицательный переход в центре битового интервала (или наоборот).
Как и в RZ, обязательное наличие перехода в центре бита позволяет приемнику манчестерского кода легко выделить из пришедшего сигнала синхросигнал и передать информацию сколь угодно большими последовательностями без потерь из-за рассинхронизации. Допустимое расхождение часов приемника и передатчика может достигать 25%.
Подобно коду RZ, при использовании манчестерского кода требуется пропускная способность линии в два раза выше, чем при применении простейшего кода NRZ. Например, для скорости передачи 10 Мбит/с требуется полоса пропускания 10 МГц (рис. 3.15).
Скорость передачи и пропускная способность при манчестерском коде
Рис. 3.15. Скорость передачи и пропускная способность при манчестерском коде
Как и при коде RZ, в данном случае приемник легко может определить не только начало передаваемой последовательности бит, но и ее конец. Если в течение битового интервала нет перехода сигнала, то прием заканчивается. В манчестерском коде можно передавать последовательности бит переменной длины (рис. 3.16). Процесс определения времени передачи называют еще контролем несущей, хотя в явном виде несущей частоты в данном случае не присутствует.
Определение начала и конца приема при манчестерском коде
Рис. 3.16. Определение начала и конца приема при манчестерском коде
Манчестерский код используется как в электрических, так и в оптоволоконных кабелях (в последнем случае один уровень соответствует отсутствию света, а другой – его наличию).
Основное достоинство манчестерского кода – постоянная составляющая в сигнале (половину времени сигнал имеет высокий уровень, другую половину – низкий). Постоянная составляющая равна среднему значению между двумя уровнями сигнала.
Если высокий уровень имеет положительную величину, а низкий – такую же отрицательную, то постоянная составляющая равна нулю. Это дает возможность легко применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. При этом не требуется дополнительного источника питания для линии связи (как, например, в случае использования оптронной гальванической развязки), резко уменьшается влияние низкочастотных помех, которые не проходят через трансформатор, легко решается проблема согласования.
Если же один из уровней сигнала в манчестерском коде нулевой (как, например, в сети Ethernet), то величина постоянной составляющей в течение передачи будет равна примерно половине амплитуды сигнала. Это позволяет легко фиксировать столкновения пакетов в сети (конфликт, коллизию) по отклонению величины постоянной составляющей за установленные пределы.
Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает в себя только две частоты: при скорости передачи 10 Мбит/с это 10 МГц (соответствует передаваемой цепочке из одних нулей или из одних единиц) и 5 МГц (соответствует последовательности из чередующихся нулей и единиц: 1010101010...). Поэтому с помощью простейших полосовых фильтров можно легко избавиться от всех других частот (помехи, наводки, шумы).
Бифазный код
Бифазный код часто рассматривают как разновидность манчестерского, так как их характеристики практически полностью совпадают.
Данный код отличается от классического манчестерского кода тем, что он не зависит от перемены мест двух проводов кабеля. Особенно это удобно в случае, когда для связи применяется витая пара, провода которой легко перепутать. Именно этот код используется в одной из самых известных сетей Token-Ring компании IBM.
Принцип данного кода прост: в начале каждого битового интервала сигнал меняет уровень на противоположный предыдущему, а в середине единичных (и только единичных) битовых интервалов уровень изменяется еще раз. Таким образом, в начале битового интервала всегда есть переход, который используется для самосинхронизации. Как и в случае классического манчестерского кода, в частотном спектре при этом присутствует две частоты. При скорости 10 Мбит/с это частоты 10 МГц (при последовательности одних единиц: 11111111...) и 5 МГц (при последовательности одних нулей: 00000000...).
Имеется также еще один вариант бифазного кода (его еще называют дифференциальным манчестерским кодом). В этом коде единице соответствует наличие перехода в начале битового интервала, а нулю – отсутствие перехода в начале битового интервала (или наоборот). При этом в середине битового интервала переход имеется всегда, и именно он служит для побитовой самосинхронизации приемника. Характеристики этого варианта кода также полностью соответствуют характеристикам манчестерского кода.
Здесь же стоит упомянуть о том, что часто совершенно неправомерно считается, что единица измерения скорости передачи бод – это то же самое, что бит в секунду, а скорость передачи в бодах равняется скорости передачи в битах в секунду. Это верно только в случае кода NRZ. Скорость в бодах характеризует не количество передаваемых бит в секунду, а число изменений уровня сигнала в секунду. И при RZ или манчестерском кодах требуемая скорость в бодах оказывается вдвое выше, чем при NRZ. В бодах измеряется скорость передачи сигнала, а в битах в секунду – скорость передачи информации. Поэтому, чтобы избежать неоднозначного понимания, скорость передачи по сети лучше указывать в битах в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с).
Другие коды
Все разрабатываемые в последнее время коды призваны найти компромисс между требуемой при заданной скорости передачи полосой пропускания кабеля и возможностью самосинхронизации. Разработчики стремятся сохранить самосинхронизацию, но не ценой двукратного увеличения полосы пропускания, как в рассмотренных RZ, манчестерском и бифазном кодах.
Чаще всего для этого в поток передаваемых битов добавляют биты синхронизации. Например, один бит синхронизации на 4, 5 или 6 информационных битов или два бита синхронизации на 8 информационных битов. В действительности все обстоит несколько сложнее: кодирование не сводится к простой вставке в передаваемые данные дополнительных битов. Группы информационных битов преобразуются в передаваемые по сети группы с количеством битов на один или два больше. Приемник осуществляет обратное преобразование, восстанавливает исходные информационные биты. Довольно просто осуществляется в этом случае и обнаружение несущей частоты (детектирование передачи).
Так, например, в сети FDDI (скорость передачи 100 Мбит/с) применяется код 4В/5В, который 4 информационных бита преобразует в 5 передаваемых битов. При этом синхронизация приемника осуществляется один раз на 4 бита, а не в каждом бите, как в случае манчестерского кода. Но зато требуемая полоса пропускания увеличивается по сравнению с кодом NRZ не в два раза, а только в 1,25 раза (то есть составляет не 100 МГц, а всего лишь 62,5 МГц). По тому же принципу строятся и другие коды, в частности, 5В/6В, используемый в стандартной сети 100VG-AnyLAN, или 8В/10В, применяемый в сети Gigabit Ethernet.
В сегменте 100BASE-T4 сети Fast Ethernet использован несколько иной подход. Там применяется код 8В/6Т, предусматривающий параллельную передачу трех трехуровневых сигналов по трем витым парам. Это позволяет достичь скорости передачи 100 Мбит/с на дешевых кабелях с витыми парами категории 3, имеющих полосу пропускания всего лишь16 МГц (см. табл. 2.1). Правда, это требует большего расхода кабеля и увеличения количества приемников и передатчиков. К тому же принципиально, чтобы все провода были одной длины и задержки сигнала в них не слишком различались.
Иногда уже закодированная информация подвергается дополнительному кодированию, что позволяет упростить синхронизацию на приемном конце. Наибольшее распространение для этого получили 2-уровневый код NRZI, применяемый в оптоволоконных сетях (FDDI и 100BASE-FX), а также 3-уровневый код MLT-3, используемый в сетях на витых парах (TPDDI и 100BASE-TХ). Оба эти кода (рис. 3.17) не являются самосинхронизирующимися.
Коды NRZI и MLT-3
Рис. 3.17. Коды NRZI и MLT-3
Код NRZI (без возврата к нулю с инверсией единиц – Non-Return to Zero, Invert to one) предполагает, что уровень сигнала меняется на противоположный в начале единичного битового интервала и не меняется при передаче нулевого битового интервала. При последовательности единиц на границах битовых интервалов имеются переходы, при последовательности нулей – переходов нет. В этом смысле код NRZI лучше синхронизируется, чем NRZ (там нет переходов ни при последовательности нулей, ни при последовательности единиц).
Код MLT-3 (Multi-Level Transition-3) предполагает, что при передаче нулевого битового интервала уровень сигнала не меняется, а при передаче единицы – меняется на следующий уровень по такой цепочке: +U, 0, –U, 0, +U, 0, –U и т.д. Таким образом, максимальная частота смены уровней получается вчетверо меньше скорости передачи в битах (при последовательности сплошных единиц). Требуемая полоса пропускания оказывается меньше, чем при коде NRZ.
Все упомянутые в данном разделе коды предусматривают непосредственную передачу в сеть цифровых двух- или трехуровневых прямоугольных импульсов.
Однако иногда в сетях используется и другой путь – модуляция информационными импульсами высокочастотного аналогового сигнала (синусоидального). Такое аналоговое кодирование позволяет при переходе на широкополосную передачу существенно увеличить пропускную способность канала связи (в этом случае по сети можно передавать несколько бит одновременно). К тому же, как уже отмечалось, при прохождении по каналу связи аналогового сигнала (синусоидального) не искажается форма сигнала, а только уменьшается его амплитуда, а в случае цифрового сигнала форма сигнала искажается (см. рис. 3.2).
К самым простым видам аналогового кодирования относятся следующие (рис. 3.18):
* Амплитудная модуляция (АМ, AM – Amplitude Modulation), при которой логической единице соответствует наличие сигнала (или сигнал большей амплитуды), а логическому нулю – отсутствие сигнала (или сигнал меньшей амплитуды). Частота сигнала при этом остается постоянной. Недостаток амплитудной модуляции состоит в том, что АМ-сигнал сильно подвержен действию помех и шумов, а также предъявляет повышенные требования к затуханию сигнала в канале связи. Достоинства – простота аппаратурной реализации и узкий частотный спектр.
Аналоговое кодирование цифровой информации
Рис. 3.18. Аналоговое кодирование цифровой информации
* Частотная модуляция (ЧМ, FM – Frequency Modulation), при которой логической единице соответствует сигнал более высокой частоты, а логическому нулю – сигнал более низкой частоты (или наоборот). Амплитуда сигнала при частотной модуляции остается постоянной, что является большим преимуществом по сравнению с амплитудной модуляцией.
* Фазовая модуляция (ФМ, PM – Phase Modulation), при которой смене логического нуля на логическую единицу и наоборот соответствует резкое изменение фазы синусоидального сигнала одной частоты и амплитуды. Важно, что амплитуда модулированного сигнала остается постоянной, как и в случае частотной модуляции.
Применяются и значительно более сложные методы модуляции, являющиеся комбинацией перечисленных простейших методов. Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче информации по каналу с узкой полосой пропускания, например, по телефонным линиям в глобальных сетях. Кроме того, аналоговое кодирование применяется в радиоканалах, что позволяет обеспечивать связь между многими пользователями одновременно. В локальных кабельных сетях аналоговое кодирование практически не используется из-за высокой сложности и стоимости как кодирующего, так и декодирующего оборудования.
Информация в кабельных локальных сетях передается в закодированном виде, то есть каждому биту передаваемой информации соответствует свой набор уровней электрических сигналов в сетевом кабеле. Модуляция высокочастотных сигналов применяется в основном в бескабельных сетях, в радиоканалах. В кабельных сетях передача идет без модуляции или, как еще говорят, в основной полосе частот.
Правильный выбор кода позволяет повысить достоверность передачи информации, увеличить скорость передачи или снизить требования к выбору кабеля. Например, при разных кодах предельная скорость передачи по одному и тому же кабелю может отличаться в два раза. От выбранного кода напрямую зависит также сложность сетевой аппаратуры (узлы кодирования и декодирования кода). Код должен в идеале обеспечивать хорошую синхронизацию приема, низкий уровень ошибок, работу с любой длиной передаваемых информационных последовательностей.
Некоторые коды, используемые в локальных сетях, показаны на рис. 3.8. Далее будут рассмотрены их преимущества и недостатки.
Наиболее распространенные коды передачи информации
Рис. 3.8. Наиболее распространенные коды передачи информации
Код NRZ
Код NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) – это простейший код, представляющий собой обычный цифровой сигнал. Логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения в кабеле, логической единице – низкий уровень напряжения (или наоборот, что не принципиально). Уровни могут быть разной полярности (положительной и отрицательной) или же одной полярности (положительной или отрицательной). В течение битового интервала (bit time, BT), то есть времени передачи одного бита никаких изменений уровня сигнала в кабеле не происходит.
К несомненным достоинствам кода NRZ относятся его довольно простая реализация (исходный сигнал не надо ни специально кодировать на передающем конце, ни декодировать на приемном конце), а также минимальная среди других кодов пропускная способность линии связи, требуемая при данной скорости передачи. Ведь наиболее частое изменение сигнала в сети будет при непрерывном чередовании единиц и нулей, то есть при последовательности 1010101010..., поэтому при скорости передачи, равной 10 Мбит/с (длительность одного бита равна 100 нс) частота изменения сигнала и соответственно требуемая пропускная способность линии составит 1 / 200нс = 5 МГц (рис. 3.9).
Скорость передачи и требуемая пропускная способность при коде NRZ
Рис. 3.9. Скорость передачи и требуемая пропускная способность при коде NRZ
Передача в коде NRZ с синхросигналом
Рис. 3.10. Передача в коде NRZ с синхросигналом
Самый большой недостаток кода NRZ – это возможность потери синхронизации приемником во время приема слишком длинных блоков (пакетов) информации. Приемник может привязывать момент начала приема только к первому (стартовому) биту пакета, а в течение приема пакета он вынужден пользоваться только внутренним тактовым генератором (внутренними часами). Например, если передается последовательность нулей или последовательность единиц, то приемник может определить, где проходят границы битовых интервалов, только по внутренним часам. И если часы приемника расходятся с часами передатчика, то временной сдвиг к концу приема пакета может превысить длительность одного или даже нескольких бит. В результате произойдет потеря переданных данных. Так, при длине пакета в 10000 бит допустимое расхождение часов составит не более 0,01% даже при идеальной передаче формы сигнала по кабелю.
Во избежание потери синхронизации, можно было бы ввести вторую линию связи для синхросигнала (рис. 3.10). Но при этом требуемое количество кабеля, число приемников и передатчиков увеличивается в два раза. При большой длине сети и значительном количестве абонентов это невыгодно.
В связи с этим код NRZ используется только для передачи короткими пакетами (обычно до 1 Кбита).
Большой недостаток кода NRZ состоит еще и в том, что он может обеспечить обмен сообщениями (последовательностями, пакетами) только фиксированной, заранее обговоренной длины. Дело в том, что по принимаемой информации приемник не может определить, идет ли еще передача или уже закончилась. Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, чей уровень отличается от пассивного состояния линии связи (например, пассивное состояние линии при отсутствии передачи – 0, стартовый бит – 1). Заканчивается прием после отсчета приемником заданного количества бит последовательности (рис. 3.11).
Определение окончания последовательности при коде NRZ
Рис. 3.11. Определение окончания последовательности при коде NRZ
Наиболее известное применение кода NRZ – это стандарт RS232-C, последовательный порт персонального компьютера. Передача информации в нем ведется байтами (8 бит), сопровождаемыми стартовым и стоповым битами.
Три остальных кода (RZ, манчестерский код, бифазный код) принципиально отличаются от NRZ тем, что сигнал имеет дополнительные переходы (фронты) в пределах битового интервала. Это сделано для того, чтобы приемник мог подстраивать свои часы под принимаемый сигнал на каждом битовом интервале. Отслеживая фронты сигналов, приемник может точно синхронизовать прием каждого бита. В результате небольшие расхождения часов приемника и передатчика уже не имеют значения. Приемник может надежно принимать последовательности любой длины. Такие коды называются самосинхронизирующимися. Можно считать, что самосинхронизирующиеся коды несут в себе синхросигнал.
Средой передачи информации называются те линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами. В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются проводные или кабельные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети, которые сейчас находят все более широкое применение, особенно в портативных компьютерах.
Информация в локальных сетях чаще всего передается в последовательном коде, то есть бит за битом. Такая передача медленнее и сложнее, чем при использовании параллельного кода. Однако надо учитывать то, что при более быстрой параллельной передаче (по нескольким кабелям одновременно) увеличивается количество соединительных кабелей в число раз, равное количеству разрядов параллельного кода (например, в 8 раз при 8-разрядном коде). Это совсем не мелочь, как может показаться на первый взгляд. При значительных расстояниях между абонентами сети стоимость кабеля вполне сравнима со стоимостью компьютеров и даже может превосходить ее. К тому же проложить один кабель (реже два разнонаправленных) гораздо проще, чем 8, 16 или 32. Значительно дешевле обойдется также поиск повреждений и ремонт кабеля.
Но это еще не все. Передача на большие расстояния при любом типе кабеля требует сложной передающей и приемной аппаратуры, так как при этом необходимо формировать мощный сигнал на передающем конце и детектировать слабый сигнал на приемном конце. При последовательной передаче для этого требуется всего один передатчик и один приемник. При параллельной же количество требуемых передатчиков и приемников возрастает пропорционально разрядности используемого параллельного кода. В связи с этим, даже если разрабатывается сеть незначительной длины (порядка десятка метров) чаще всего выбирают последовательную передачу.
К тому же при параллельной передаче чрезвычайно важно, чтобы длины отдельных кабелей были точно равны друг другу. Иначе в результате прохождения по кабелям разной длины между сигналами на приемном конце образуется временной сдвиг, который может привести к сбоям в работе или даже к полной неработоспособности сети. Например, при скорости передачи 100 Мбит/с и длительности бита 10 нс этот временной сдвиг не должен превышать 5—10 нс. Такую величину сдвига дает разница в длинах кабелей в 1—2 метра. При длине кабеля 1000 метров это составляет 0,1—0,2%.
Надо отметить, что в некоторых высокоскоростных локальных сетях все-таки используют параллельную передачу по 2—4 кабелям, что позволяет при заданной скорости передачи применять более дешевые кабели с меньшей полосой пропускания. Но допустимая длина кабелей при этом не превышает сотни метров. Примером может служить сегмент 100BASE-T4 сети Fast Ethernet.
Промышленностью выпускается огромное количество типов кабелей, например, только одна крупнейшая кабельная компания Belden предлагает более 2000 их наименований. Но все кабели можно разделить на три большие группы:
* электрические (медные) кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на экранированные (shielded twisted pair, STP) и неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP);
* электрические (медные) коаксиальные кабели (coaxial cable);
* оптоволоконные кабели (fiber optic).
Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию.
Можно выделить следующие основные параметры кабелей, принципиально важные для использования в локальных сетях:
* Полоса пропускания кабеля (частотный диапазон сигналов, пропускаемых кабелем) и затухание сигнала в кабеле. Два этих параметра тесно связаны между собой, так как с ростом частоты сигнала растет затухание сигнала. Надо выбирать кабель, который на заданной частоте сигнала имеет приемлемое затухание. Или же надо выбирать частоту сигнала, на которой затухание еще приемлемо. Затухание измеряется в децибелах и пропорционально длине кабеля.
* Помехозащищенность кабеля и обеспечиваемая им секретность передачи информации. Эти два взаимосвязанных параметра показывают, как кабель взаимодействует с окружающей средой, то есть, как он реагирует на внешние помехи, и насколько просто прослушать информацию, передаваемую по кабелю.
* Скорость распространения сигнала по кабелю или, обратный параметр – задержка сигнала на метр длины кабеля. Этот параметр имеет принципиальное значение при выборе длины сети. Типичные величины скорости распространения сигнала – от 0,6 до 0,8 от скорости распространения света в вакууме. Соответственно типичные величины задержек – от 4 до 5 нс/м.
* Для электрических кабелей очень важна величина волнового сопротивления кабеля. Волновое сопротивление важно учитывать при согласовании кабеля для предотвращения отражения сигнала от концов кабеля. Волновое сопротивление зависит от формы и взаиморасположения проводников, от технологии изготовления и материала диэлектрика кабеля. Типичные значения волнового сопротивления – от 50 до 150 Ом.
В настоящее время действуют следующие стандарты на кабели:
* EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard) – американский;
* ISO/IEC IS 11801 (Generic cabling for customer premises) – международный;
* CENELEC EN 50173 (Generic cabling systems) – европейский.
Эти стандарты описывают практически одинаковые кабельные системы, но отличаются терминологией и нормами на параметры.
В этой статье я попытаюсь дать оценку быстродействию файловых систем, используемых в операционных системах WindowsNT/2000. Статья не содержит графиков и результатов тестирований, так как эти результаты слишком сильно зависят от случая, методик тестирования и конкретных систем, и не имеют почти никакой связи с реальным положением дел. В этом материале я вместо этого постараюсь описать общие тенденции и соображения, связанные с производительностью файловых систем. Прочитав данный материал, вы получите информацию для размышлений и сможете сами сделать выводы, понять, какая система будет быстрее в ваших условиях, и почему. Возможно, некоторые факты помогут вам также оптимизировать быстродействие своей машины с точки зрения файловых систем, подскажут какие-то решения, которые приведут к повышению скорости работы всего компьютера.
В данном обзоре упоминаются три системы - FAT (далее FAT16), FAT32 и NTFS, так как основной вопрос, стоящий перед пользователями Windows2000 - это выбор между этими вариантами. Я приношу извинение пользователям других файловых систем, но проблема выбора между двумя, внешне совершенно равнозначными, вариантами со всей остротой стоит сейчас только в среде Windows2000. Я надеюсь, всё же, что изложенные соображения покажутся вам любопытными, и вы сможете сделать какие-то выводы и о тех системах, с которыми вам приходится работать.
Данная статья состоит из множества разделов, каждый из которых посвящен какому-то одному вопросу быстродействия. Многие из этих разделов в определенных местах тесно переплетаются между собой. Тем не менее, чтобы не превращать статью в кашу, в соответствующем разделе я буду писать только о том, что имеет отношение к обсуждаемый в данный момент теме, и ни о чем более. Если вы не нашли каких-то важных фактов в тексте - не спешите удивляться: скорее всего, вы встретите их позже. Прошу вас также не делать никаких поспешных выводов о недостатках и преимуществах той или иной системы, так как противоречий и подводных камней в этих рассуждениях очень и очень много. В конце я попытаюсь собрать воедино всё, что можно сказать о быстродействии систем в реальных условиях.
Теория
Самое фундаментальное свойство любой файловой системы, влияющее на быстродействие всех дисковых операций - структура организации и хранения информации, т.е. то, как, собственно, устроена сама файловая система. Первый раздел - попытка анализа именно этого аспекта работы, т.е. физической работы со структурами и данными файловой системы. Теоретические рассуждения, в принципе, могут быть пропущены - те, кто интересуется лишь чисто практическими аспектами быстродействия файловых систем, могут обратиться сразу ко второй части статьи.
Для начала хотелось бы заметить, что любая файловая система так или иначе хранит файлы. Доступ к данным файлов - основная и неотъемлемая часть работы с файловой системой, и поэтому прежде всего нужно сказать пару слов об этом. Любая файловая система хранит данные файлов в неких объемах - секторах, которые используются аппаратурой и драйвером как самая маленькая единица полезной информации диска. Размер сектора в подавляющем числе современных систем составляет 512 байт, и все файловые системы просто читают эту информацию и передают её без какой либо обработки приложениям. Есть ли тут какие-то исключения? Практически нет. Если файл хранится в сжатом или закодированном виде - как это возможно, к примеру, в системе NTFS - то, конечно, на восстановление или расшифровку информации тратится время и ресурсы процессора. В остальных случаях чтение и запись самих данных файла осуществляется с одинаковой скоростью, какую файловую систему вы не использовали бы.
Обратим внимание на основные процессы, осуществляемые системой для доступа к файлам:
Поиск данных файла
Выяснение того, в каких областях диска хранится тот или иной фрагмент файла - процесс, который имеет принципиально разное воплощение в различных файловых системах. Имейте в виду, что это лишь поиск информации о местоположении файла - доступ к самим данным, фрагментированы они или нет, здесь уже не рассматривается, так как этот процесс совершенно одинаков для всех систем. Речь идет о тех "лишних" действиях, которые приходится выполнять системе перед доступом к реальным данным файлов.
На что влияет этот параметр: на скорость навигации по файлу (доступ к произвольному фрагменту файла). Любая работа с большими файлами данных и документов, если их размер - несколько мегабайт и более. Этот параметр показывает, насколько сильно сама файловая система страдает от фрагментации файлов.
NTFS способна обеспечить быстрый поиск фрагментов, поскольку вся информация хранится в нескольких очень компактных записях (типичный размер - несколько килобайт). Если файл очень сильно фрагментирован (содержит большое число фрагментов) - NTFS придется использовать много записей, что часто заставит хранить их в разных местах. Лишние движения головок при поиске этих данных, в таком случае, приведут к сильному замедлению процесса поиска данных о местоположении файла.
FAT32, из-за большой области самой таблицы размещения будет испытывать огромные трудности, если фрагменты файла разбросаны по всему диску. Дело в том, что FAT (File Allocation Table, таблица размещения файлов) представляет собой мини-образ диска, куда включен каждый его кластер. Для доступа к фрагменту файла в системе FAT16 и FAT32 приходится обращаться к соответствующей частичке FAT. Если файл, к примеру, расположен в трех фрагментах - в начале диска, в середине, и в конце - то в системе FAT нам придется обратиться к фрагменту FAT также в его начале, в середине и в конце. В системе FAT16, где максимальный размер области FAT составляет 128 Кбайт, это не составит проблемы - вся область FAT просто хранится в памяти, или же считывается с диска целиком за один проход и буферизируется. FAT32 же, напротив, имеет типичный размер области FAT порядка сотен килобайт, а на больших дисках - даже несколько мегабайт. Если файл расположен в разных частях диска - это вынуждает систему совершать движения головок винчестера столько раз, сколько групп фрагментов в разных областях имеет файл, а это очень и очень сильно замедляет процесс поиска фрагментов файла.
Вывод: Абсолютный лидер - FAT16, он никогда не заставит систему делать лишние дисковые операции для данной цели. Затем идет NTFS - эта система также не требует чтения лишней информации, по крайней мере, до того момента, пока файл имеет разумное число фрагментов. FAT32 испытывает огромные трудности, вплоть до чтения лишних сотен килобайт из области FAT, если файл разбросан разным областям диска. Работа с внушительными по размеру файлами на FAT32 в любом случае сопряжена с огромными трудностями - понять, в каком месте на диске расположен тот или иной фрагмент файла, можно лишь изучив всю последовательность кластеров файла с самого начала, обрабатывая за один раз один кластер (через каждые 4 Кбайт файла в типичной системе). Стоит отметить, что если файл фрагментирован, но лежит компактной кучей фрагментов - FAT32 всё же не испытывает больших трудностей, так как физический доступ к области FAT будет также компактен и буферизован.
Поиск свободного места
Данная операция производится в том случае, если файл нужно создать с нуля или скопировать на диск. Поиск места под физические данные файла зависит от того, как хранится информация о занятых участках диска.
На что влияет этот параметр: на скорость создания файлов, особенно больших. Сохранение или создание в реальном времени больших мультимедийных файлов (.wav, к примеру), копирование больших объемов информации, т.д. Этот параметр показывает, насколько быстро система сможет найти место для записи на диск новых данных, и какие операции ей придется для этого проделать.
Для определения того, свободен ли данный кластер или нет, системы на основе FAT должны просмотреть одну запись FAT, соответствующую этому кластеру. Размер одной записи FAT16 составляет 16 бит, одной записи FAT32 - 32 бита. Для поиска свободного места на диске может потребоваться просмотреть почти всего FAT - это 128 Кбайт (максимум) для FAT16 и до нескольких мегабайт (!) - в FAT32. Для того, чтобы не превращать поиск свободного места в катастрофу (для FAT32), операционной системе приходится идти на различные ухищрения.
NTFS имеет битовую карту свободного места, одному кластеру соответствует 1 бит. Для поиска свободного места на диске приходится оценивать объемы в десятки раз меньшие, чем в системах FAT и FAT32.
Вывод: NTFS имеет наиболее эффективную систему нахождения свободного места. Стоит отметить, что действовать "в лоб" на FAT16 или FAT32 очень медленно, поэтому для нахождения свободного места в этих системах применяются различные методы оптимизации, в результате чего и там достигается приемлемая скорость. (Одно можно сказать наверняка - поиск свободного места при работе в DOS на FAT32 - катастрофический по скорости процесс, поскольку никакая оптимизация невозможна без поддержки хоть сколь серьезной операционной системы).
Работа с каталогами и файлами
Каждая файловая система выполняет элементарные операции с файлами - доступ, удаление, создание, перемещение и т.д. Скорость работы этих операций зависит от принципов организации хранения данных об отдельных файлах и от устройства структур каталогов.
На что влияет этот параметр: на скорость осуществления любых операций с файлом, в том числе - на скорость любой операции доступа к файлу, особенно - в каталогах с большим числом файлов (тысячи).
FAT16 и FAT32 имеют очень компактные каталоги, размер каждой записи которых предельно мал. Более того, из-за сложившейся исторически системы хранения длинных имен файлов (более 11 символов), в каталогах систем FAT используется не очень эффективная и на первый взгляд неудачная, но зато очень экономная структура хранения этих самих длинных имен файлов. Работа с каталогами FAT производится достаточно быстро, так как в подавляющем числе случаев каталог (файл данных каталога) не фрагментирован и находится на диске в одном месте.
Единственная проблема, которая может существенно понизить скорость работы каталогов FAT - большое количество файлов в одном каталоге (порядка тысячи или более). Система хранения данных - линейный массив - не позволяет организовать эффективный поиск файлов в таком каталоге, и для нахождения данного файла приходится перебирать большой объем данных (в среднем - половину файла каталога).
NTFS использует гораздо более эффективный способ адресации - бинарное дерево, о принципе работы которого можно прочесть в другой статье (Файловая система NTFS). Эта организация позволяет эффективно работать с каталогами любого размера - каталогам NTFS не страшно увеличение количества файлов в одном каталоге и до десятков тысяч.
Стоит заметить, однако, что сам каталог NTFS представляет собой гораздо менее компактную структуру, нежели каталог FAT - это связано с гораздо большим (в несколько раз) размером одной записи каталога. Данное обстоятельство приводит к тому, что каталоги на томе NTFS в подавляющем числе случаев сильно фрагментированы. Размер типичного каталога на FAT-е укладывается в один кластер, тогда как сотня файлов (и даже меньше) в каталоге на NTFS уже приводит к размеру файла каталога, превышающему типичный размер одного кластера. Это, в свою очередь, почти гарантирует фрагментацию файла каталога, что, к сожалению, довольно часто сводит на нет все преимущества гораздо более эффективной организации самих данных.
Вывод: структура каталогов на NTFS теоретически гораздо эффективнее, но при размере каталога в несколько сотен файлов это практически не имеет значения. Фрагментация каталогов NTFS, однако, уверенно наступает уже при таком размере каталога. Для малых и средних каталогов NTFS, как это не печально, имеет на практике меньшее быстродействие.
Преимущества каталогов NTFS становятся реальными и неоспоримыми только в том случае, если в одно каталоге присутствуют тысячи файлов - в этом случае быстродействие компенсирует фрагментированность самого каталога и трудности с физическим обращением к данным (в первый раз - далее каталог кэшируется). Напряженная работа с каталогами, содержащими порядка тысячи и более файлов, проходит на NTFS буквально в несколько раз быстрее, а иногда выигрыш в скорости по сравнению с FAT и FAT32 достигает десятков раз.
Практика
К сожалению, как это часто бывает во всевозможных компьютерных вопросах, практика не очень хорошо согласуется с теорией. NTFS, имеющая, казалось бы, очевидные преимущества в структуре, показывает не настолько уж фантастические результаты, как можно было бы ожидать. Какие еще соображения влияют на быстродействие файловой системы? Каждый из рассматриваемых далее вопросов вносит свой вклад в итоговое быстродействие. Помните, однако, что реальное быстродействие - результат действия сразу всех факторов, поэтому и в этой части статьи не стоит делать поспешных выводов.
Объем оперативной памяти (кэширование)
Очень многие данные современных файловых систем кэшируются или буферизируются в памяти компьютера, что позволяет избежать лишних операций физического чтения данных с диска. Для нормальной (высокопроизводительной) работы системы в кэше приходится хранить следующие типы информации:
Данные о физическом местоположении всех открытых файлов. Это, прежде всего, позволит обращаться к системным файлам и библиотекам, доступ к которым идет буквально постоянно, без чтения служебной (не относящейся к самим файлам) информации с диска. Это же относится к тем файлам, которые исполняются в данный момент - т.е. к выполняемым модулям (.exe и .dll) активных процессов в системе. В эту категорию попадают также файлы системы, с которыми производится работа (прежде всего реестр и виртуальная память, различные .ini файлы, а также файлы документов и приложений).
Наиболее часто используемые каталоги. К таковым можно отнести рабочий стол, меню "пуск", системные каталоги, каталоги кэша интернета, и т.п.
Данные о свободном месте диска - т.е. та информация, которая позволит найти место для сохранения на диск новых данных.
В случае, если этот базовый объем информации не будет доступен прямо в оперативной памяти, системе придется совершать множество ненужных операций еще до того, как она начнет работу с реальными данными. Что входит в эти объемы в разных файловых системах? Или, вопрос в более практической плоскости - каким объемом свободной оперативной памяти надо располагать, чтобы эффективно работать с той или иной файловой системой?
FAT16 имеет очень мало данных, отвечающих за организацию файловой системы. Из служебных областей можно выделить только саму область FAT, которая не может превышать 128 Кбайт (!) - эта область отвечает и за поиск фрагментов файлов, и за поиск свободного места на томе. Каталоги системы FAT также очень компактны. Общий объем памяти, необходимый для предельно эффективной работы с FAT-ом, может колебаться от сотни килобайт и до мегабайта-другого - при условии огромного числа и размера каталогов, с которыми ведется работа.
FAT32 отличается от FAT16 лишь тем, что сама область FAT может иметь более внушительные размеры. На томах порядка 5 - 10 Гбайт область FAT может занимать объем в несколько Мбайт, и это уже очень внушительный объем, надежно кэшировать который не представляется возможным. Тем не менее, область FAT, а вернее те фрагменты, которые отвечают за местоположение рабочих файлов, в подавляющем большинстве систем находятся в памяти машины - на это расходуется порядка нескольких Мбайт оперативной памяти.
NTFS, к сожалению, имеет гораздо большие требования к памяти, необходимой для работы системы. Прежде всего, кэширование сильно затрудняет большие размеры каталогов. Размер одних только каталогов, с которыми активно ведет работу система, может запросто доходить до нескольких Мбайт и даже десятков Мбайт! Добавьте к этому необходимость кэшировать карту свободного места тома (сотни Кбайт) и записи MFT для файлов, с которыми осуществляется работа (в типичной системе - по 1 Кбайт на каждый файл). К счастью, NTFS имеет удачную систему хранения данных, которая не приводит к увеличению каких-либо фиксированных областей при увеличении объема диска. Количество данных, с которым оперирует система на основе NTFS, практически не зависит от объема тома, и основной вклад в объемы данных, которые необходимо кэшировать, вносят каталоги. Тем не менее, уже этого вполне достаточно для того, чтобы только минимальный объем данных, необходимых для кэширования базовых областей NTFS, доходил до 5 - 8 Мбайт.
[pagebreak]
К сожалению, можно с уверенностью сказать: NTFS теряет огромное количество своего теоретического быстродействия из-за недостаточного кэширования. На системах, имеющих менее 64 Мбайт памяти, NTFS просто не может оказаться быстрее FAT16 или FAT32. Единственное исключение из этого правила - диски FAT32, имеющие объем десятки Гбайт (я бы лично серьезно опасался дисков FAT32 объемом свыше, скажем, 30 Гбайт). В остальных же случаях - системы с менее чем 64 мегабайтами памяти просто обязаны работать с FAT32 быстрее.
Типичный в настоящее время объем памяти в 64 Мбайта, к сожалению, также не дает возможности организовать эффективную работу с NTFS. На малых и средних дисках (до 10 Гбайт) в типичных системах FAT32 будет работать, пожалуй, немного быстрее. Единственное, что можно сказать по поводу быстродействия систем с таким объемом оперативной памяти - системы, работающие с FAT32, будут гораздо сильнее страдать от фрагментации, чем системы на NTFS. Но если хотя бы изредка дефрагментировать диски, то FAT32, с точки зрения быстродействия, является предпочтительным вариантом. Многие люди, тем не менее, выбирают в таких системах NTFS - просто из-за того, что это даст некоторые довольно важные преимущества, тогда как типичная потеря быстродействия не очень велика.
Системы с более чем 64 Мбайтами, а особенно - со 128 Мбайт и более памяти, смогут уверенно кэшировать абсолютно всё, что необходимо для работы систем, и вот на таких компьютерах NTFS, скорее всего, покажет более высокое быстродействие из-за более продуманной организации данных. В наше время этим показателям соответствует практически любой компьютер.
Быстродействие накопителя
Влияют ли физические параметры жесткого диска на быстродействие файловой системы? Да, хоть и не сильно, но влияют. Можно выделить следующие параметры физической дисковой системы, которые по-разному влияют на разные типы файловых систем:
Время случайного доступа (random seek time). К сожалению, для доступа к системным областям на типичном диске более сложной файловой системы (NTFS) приходится совершать, в среднем, больше движений головками диска, чем в более простых системах (FAT16 и FAT32). Гораздо большая фрагментация каталогов, возможность фрагментации системных областей - всё это делает диски NTFS гораздо более чувствительными к скорости считывания произвольных (случайных) областей диска. По этой причине использовать NTFS на медленных (старых) дисках не рекомендуется, так как высокое (худшее) время поиска дорожки дает еще один плюс в пользу систем FAT.
Наличие Bus Mastering. Bus Mastering - специальный режим работы драйвера и контроллера, при использовании которого обмен с диском производится без участия процессора. Стоит отметить, что система запаздывающего кэширования NTFS сможет действовать гораздо более эффективно при наличии Bus Mastering, т.к. NTFS производит отложенную запись гораздо большего числа данных. Системы без Bus Mastering в настоящее время встречаются достаточно редко (обычно это накопители или контроллеры, работающие в режиме PIO3 или PIO4), и если вы работаете с таким диском - то, скорее всего, NTFS потеряет еще пару очков быстродействия, особенно при операциях модификации каталогов (например, активная работа в интернете - работа с кэшем интернета).
Кэширование как чтения, так и записи на уровне жестких дисков (объем буфера HDD - от 128 Кбайт до 1-2 Мбайт в современных дорогих дисках) - фактор, который будет более полезен системам на основе FAT. NTFS из соображений надежности хранения информации осуществляет модификацию системных областей с флагом "не кэшировать запись", поэтому быстродействие системы NTFS слабо зависит от возможности кэширования самого HDD. Системы FAT, напротив, получат некоторый плюс от кэширования записи на физическом уровне. Стоит отметить, что, вообще говоря, всерьез принимать в расчет размер буфера HDD при оценке быстродействия тех или иных файловых систем не стоит.
Подводя краткий итог влиянию быстродействия диска и контроллера на быстродействия системы в целом, можно сказать так: NTFS страдает от медленных дисков гораздо сильнее, чем FAT.
Размер кластера
Хотелось бы сказать пару слов о размере кластера - тот параметр, который в файловых системах FAT32 и NTFS можно задавать при форматировании практически произвольно. Прежде всего, надо сказать, что больший размер кластера - это практически всегда большее быстродействие. Размер кластера на томе NTFS, однако, имеет меньшее влияние на быстродействие, чем размер кластера для системы FAT32.
Типичный размер кластера для NTFS - 4 Кбайта. Стоит отметить, что при большем размере кластера отключается встроенная в файловую систему возможность сжатия индивидуальных файлов, а также перестает работать стандартный API дефрагментации - т.е. подавляющее число дефрагментаторов, в том числе встроенный в Windows 2000, будут неспособны дефрагментировать этот диск. SpeedDisk, впрочем, сможет - он работает без использования данного API. Оптимальным с точки зрения быстродействия, по крайней мере, для средних и больших файлов, считается (самой Microsoft) размер 16 Кбайт. Увеличивать размер далее неразумно из-за слишком больших расходов на неэффективность хранения данных и из-за мизерного дальнейшего увеличения быстродействия. Если вы хотите повысить быстродействие NTFS ценой потери возможности сжатия - задумайтесь о форматировании диска с размером кластера, большим чем 4 Кбайта. Но имейте в виду, что это даст довольно скромный прирост быстродействия, который часто не стоит даже уменьшения эффективности размещения файлов на диске.
Быстродействие системы FAT32, напротив, можно довольно существенно повысить, увеличив размер кластера. Если в NTFS размер кластера почти не влияет на размер и характер данных системных областей, то в системе FAT увеличивая кластер в два раза, мы сокращаем область FAT в те же два раза. Вспомните, что в типичной системе FAT32 эта очень важная для быстродействия область занимает несколько Мбайт. Сокращение области FAT в несколько раз даст заметное увеличение быстродействия, так как объем системных данных файловой системы сильно сократиться - уменьшается и время, затрачиваемое на чтение данных о расположении файлов, и объем оперативной памяти, необходимый для буферизирования этой информации. Типичный объем кластера для систем FAT32 составляет тоже 4 Кбайт, и увеличение его до 8 или даже до 16 Кбайт - особенно для больших (десяток и более гигабайт) дисков - достаточно разумный шаг.
Другие соображения
NTFS является достаточно сложной системой, поэтому, в отличие от FAT16 и FAT32, имеются и другие факторы, которые могут привести к существенному замедлению работы NTFS:
Диск NTFS был получен преобразованием раздела FAT16 или FAT32 (команда convert). Данная процедура в большинстве случаев представляет собой тяжелый случай для быстродействия, так как структура служебных областей NTFS, скорее всего, получится очень фрагментированной. Если есть возможность - избегайте преобразования других систем в NTFS, так как это приведет к созданию очень неудачного диска, которому не поможет даже типичный (неспециализированный) дефрагментатор, типа Diskeeper-а или встроенного в Windows 2000.
Активная работа с диском, заполненным более чем на 80% - 90%, представляет собой катастрофический для быстродействия NTFS случай, так как фрагментация файлов и, самое главное, служебных областей, будет расти фантастически быстро. Если ваш диск используется в таком режиме - FAT32 будет более удачным выбором при любых других условиях.
Выводы
В данной заключительной части "одной строчкой" собраны ключевые особенности быстродействия этих трех файловых систем.
FAT - плюсы:
Для эффективной работы требуется немного оперативной памяти.
Быстрая работа с малыми и средними каталогами.
Диск совершает в среднем меньшее количество движений головок (в сравнении с NTFS).
Эффективная работа на медленных дисках.
FAT - минусы:
Катастрофическая потеря быстродействия с увеличением фрагментации, особенно для больших дисков (только FAT32).
Сложности с произвольным доступом к большим (скажем, 10% и более от размера диска) файлам.
Очень медленная работа с каталогами, содержащими большое количество файлов.
NTFS - плюсы:
Фрагментация файлов не имеет практически никаких последствий для самой файловой системы - работа фрагментированной системы ухудшается только с точки зрения доступа к самим данным файлов.
Сложность структуры каталогов и число файлов в одном каталоге также не чинит особых препятствий быстродействию.
Быстрый доступ к произвольному фрагменту файла (например, редактирование больших .wav файлов).
Очень быстрый доступ к маленьким файлам (несколько сотен байт) - весь файл находится в том же месте, где и системные данные (запись MFT).
NTFS - минусы:
Существенные требования к памяти системы (64 Мбайт - абсолютный минимум, лучше - больше).
Медленные диски и контроллеры без Bus Mastering сильно снижают быстродействие NTFS.
Работа с каталогами средних размеров затруднена тем, что они почти всегда фрагментированы.
Диск, долго работающий в заполненном на 80% - 90% состоянии, будет показывать крайне низкое быстродействие.
Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что на практике основной фактор, от которого зависит быстродействие файловой системы - это, как ни странно, объем памяти машины. Системы с памятью 64-96 Мбайт - некий рубеж, на котором быстродействие NTFS и FAT32 примерно эквивалентно. Обратите внимание также на сложность организации данных на вашей машине. Если вы не используете ничего, кроме простейших приложений и самой операционной системы - может случиться так, что FAT32 сможет показать более высокое быстродействие и на машинах с большим количеством памяти.
NTFS - система, которая закладывалась на будущее, и это будущее для большинства реальных применений сегодняшнего дня еще, к сожалению, видимо не наступило. На данный момент NTFS обеспечивает стабильное и равнодушное к целому ряду факторов, но, пожалуй, всё же невысокое - на типичной "игровой" домашней системе - быстродействие. Основное преимущество NTFS с точки зрения быстродействия заключается в том, что этой системе безразличны такие параметры, как сложность каталогов (число файлов в одном каталоге), размер диска, фрагментация и т.д. В системах FAT же, напротив, каждый из этих факторов приведет к существенному снижению скорости работы.
Только в сложных высокопроизводительных системах - например, на графических станциях или просто на серьезных офисных компьютерах с тысячами документов, или, тем более, на файл-серверах - преимущества структуры NTFS смогут дать реальный выигрыш быстродействия, который порой заметен невооруженным глазом. Пользователям, не имеющим большие диски, забитые информацией, и не пользующимся сложными программами, не стоит ждать от NTFS чудес скорости - с точки зрения быстродействия на простых домашних системах гораздо лучше покажет себя FAT32.
В этом разделе вы создадите два новых приложения OLE. Первое - простая программа-сервер OLE, второе - пример простого контейнера OLE. Эти программы предназначены для демонстрации минимальных затрат программирования, необходимых для создания приложений OLE 2.
В любом случае, для создания оболочки программы следует воспользоваться приложением AppExpert. Сначала необходимо сгенерировать основу приложения в AppExpert, затем модифицировать созданные файлы для создания законченного рабочего примера.
При написании своих версий этих программ необходимо иметь в виду несколько моментов. Во-первых, в этой главе приводятся листинги только исходных, немодифицированных файлов.
Во-вторых, CLSID этих программ будет отличаться от CLSID программ, которые вы сгенерируете с помощью AppExpert. Это нормально и даже необходимо, поскольку с помощью CLSID одни серверные приложения в Windows отличаются от других.
В-третьих, эти примеры содержат минимум необходимых средств для того, чтобы начать программировать с OLE. Вы можете использовать эти примеры в качестве начального кода для создания своего действительно полезного сервера или контейнера. В этой главе просто не хватает места для описания реализации функциональных сервера и контейнера - в этом случае вам понадобился бы грузоподъемник, чтобы положить эту книгу на стол.
Создание сервера OLE
Первое приложение OLE в этой главе - сервер. В этом примере вы построите полный сервер - сервер, который может использоваться и как автономное приложение, и как сервер. Создавая автономный сервер (т.е. в виде исполняемой программы .ЕХЕ, а не в виде динамически подключаемой библиотеки DLL), вы упрощаете процесс регистрации сервера в Windows.
Начальный процесс разработки сервера прост. Сначала из интегрированной среды Borland C++ версии 4.5 запустите AppExpert. Задайте каталог и имя вашего проекта. Я поместил свой проект в каталог \BC45\SOURCE\OLESVR. Проект я назвал OLESVR (я всегда называю проекты и каталоги проектов одним и тем же именем, это облегчает запоминание). Ниже приводится последовательность действий, в результате которых был создан проект OLESVR.
Запустите AppExpert. В первом диалоговом окне следует задать имя и каталог проекта. Как уже отмечалось, я использовал OLESVR для задания обоих.
После выбора ОК в диалоговом окне имени и каталога проекта следующий раздел АррЕхреrt - диалоговое окно Application General Options (основные опции приложения). Это диалоговое окно позволяет задать конфигурацию приложения, генерируемого AppExpert. Вам придется модифицировать несколько опций для проекта OLESVR.
Первая опция, которую необходимо изменить, находится в блоке Application: Summary. Замените параметр по умолчанию Multiple document interface на Single document interface. Это изменение согласуется с призывом Microsoft делать ставку на однодокументные приложения для Windows. На рис. 21.1 демонстрируется модифицированный блок Application: Summary.
Второе изменение, которое необходимо внести, - указать AppExpert, что ваша программа будет сервером OLE. Это изменение вносится в пункт Application: OLE 2 Options, имеющий ряд опций OLE 2, которые можно задавать. Поскольку вы создаете сервер OLE, вы будете оперировать только элементами блока группы OLE 2 Server: (поищите его в правой верхней части диалога). Выберите кнопку ячейки пометки Server EXE. На рис. 21.2 демонстрируются изменения, проведенные в пункте Application:OLE 2 Options.
При желании вы можете заполнить элементы пункта Application: Admin Options блока диалога AppExpert. С его помощью вы можете задать в приложении заметку об авторском праве, имя и информацию о версии. Все элементы в Application: Admin Options необязательны, и вы можете их не задавать.
Подпункты пункта Main Window не нуждаются в модификациях, их следует оставить заданными значениями по умолчанию. Для данного приложения нет необходимости менять что-либо в этих подпунктах. Пункт MDI Child/View неприменим для этого проекта, поэтому нет нужды в нем что-нибудь менять.
После задания всех необходимых модификаций следует выбрать кнопку Generate в нижней части блока диалога AppExpert Application General Options. AppExpert запросит у вас подтверждение, действительно ли вы собираетесь создать проект; после принятия подтверждения AppExpert сгенерирует приложение. На рис. 21.3 приводится конечный проект, загруженный в интегрированную среду Borland C++ версии 4.5.
Теперь, когда программа сгенерирована, в нее следует добавить код, задающий функциональность сервера OLE. Необходимо включить код, рисующий изображение, а также провести другие незначительные изменения.
К счастью, помимо Borland C++ версии 4.5 можно воспользоваться программой ClassExpert, что облегчит внесение большей части изменений. Предположим, вы хотите сперва заняться вопросами отображения. Как и в любой созданной с помощью AppExpert программе, основная часть рисования выполняется классом отображения, производным от класса OWL TOleView. Файл, в котором содержится реализация отображения, имеет имя LSVROLVW.CPP. В листинге 21.1 приводится первоначальный файл OSROLVW.CPP.
Листинг (файл реализации класса отображения OLESVR, OSVROLVW.CPP)
В этом разделе речь пойдет о растеризации двумерных графических примитивов, таких как отрезки, окружности, эллипсы. Мы попробуем разобраться, в чем отличие идеальных математических объектов от реальных отрезков и окружностей, рисуемых на экране.
При этом рассматриваются реальные задачи отрисовки графики, поэтому предложенные алгоритмы должны работать с приемлемой скоростью и использовать различные оптимизации.
Далее, на базе рассмотренных методов, будут построенны алгоритмы заливки фигур.
Связность
Идеальная математическая линия представляет собой бесконечное количество точек, удовлетворяющих определенному уравнению, или задана другим образом. Реальный экран это всегда конечное количество точек. Изображение представляет из себя прямоугольную сетку, узлы которой имеет целочисленные координаты. Появляется законный вопрос: как определить связность линии на экране?
Традиционно вводятся два понятия связности.
4-связность: пикселы p1(x1, y1) и p2(x2, y2) называются соседними, если либо разность их координат по оси x, либо разность их координат по оси y равна 1 (либо исключающее):
|x2 – x1| + |y2 – y1| <= 1
8-связность: пикселы p1(x1, y1) и p2(x2, y2) называются соседними, если разность их координат по оси x и разность их координат по оси y не больше 1:
|x2 – x1| <= 1, |y2 – y1| <= 1
8-связность(рис 1.) и 4-связность (рис 2.)
Линией на растровой сетке будем считать последовательность пикселов {P1, …, Pn}, таких, что любые два пиксела Pi, Pi+1 являются соседними в смысле заданной связности.
Прим. Отметим, что любая четырехсвязная линия одновременно является восьмисвязной, но не наоборот. Таким образом 4-связность является более сильным понятием.
Отсечение
Понятие связности, введенное выше, позволяет обойти требование на целочисленность координат всех точек. С помощью этого понятия можно судить о связности дискретной линии. Другая проблема состоит в том, что область вывода всегда имеет ограниченные размеры. Область формы, на которую делался вывод в предыдущих разделах, имеет форму прямоугольника. Таким образом появляется задача отсечения выводимых геометрических примитивов по границе некоторой области. Алгоритмы отчесения будут рассмотрены ниже.
Переход к оконным координатам
В предыдущем разделе не акцентировалось внимание, где именно стоит перейти из логических координат в оконные. Дискретность сетки, на которую выводится изображение, имеет определенные преимущества. А именно, за счет целочисленности коорднат пикселей можно создать алгоритмы, которые будут также работать только с целыми числами. Более того, во многих случаях основной цикл из числа арифметических операций содержит только сложения!
Становится ясно, что переход к оконным коодинатам нужно осуществить до начала работы основного алгоритма. В общем случае схема работы будет выглядеть следующим образом:
Это то, что касается базовых понятий. В последующих статьях будут рассмотрены математические основы задания графических примитивов и алгоритмы их построения (растеризации).
Очень часто при работе с запросами приходится менять SQL этого запроса. Например, при изменении порядка сортировки или при необходимости изменения фильтра, прописанного в where. Сделать это стандартными средствами можно, но довольно муторно, т.к. весь запрос хранится в одном месте (для TQuery и её потомков это свойство Sql). При желании изменить, например, количество или порядок следования полей в order by, нужно программно найти этот order by, написать свой, вставить его вместо старого и т.д. Для меня, честно говоря, загадка, зачем борланд пошла по такому ущербному пути: стандарт ANSI SQL-92, с которым (и только с которым!) работает Bde, подразумевает достаточно жёсткий синтаксис запроса, вполне допускающий обработку на уровне отдельных секций. Сегодня я хотел бы поделиться одним из вариантов реализации потомка TQuery, в котором задачи такого класса будут решаться на лету одной строчкой кода.
Смысл очень простой. Для того, чтобы уйти от ручной обработки текста sql-запроса, надо просто разбить его на стандартные секции. И менять их по отдельности. Ведь любой select-запрос имеет достаточно строгий синтаксис, состоя из определённого количества заранее известных секций (clauses), задаваемых в строго определённой последовательности. Рассмотрим этот синтаксис поподробнее на примере СУБД Interbase:
Как видим, обязательными являются две секции: SELECT и FROM.
Ещё восемь секций опциональны. Наша задача сводится к тому, чтобы значение каждой секции устанавливать отдельно, при необходимости переоткрывая запрос. Можно было бы плясать от стандартного свойства Sql, выделять нужную секцию, менять и вставлять обратно. Но зачем это, если можно сам Sql формировать на основе заданных секций? Конечно, этот подход имеет тот минус, что накрывается прямая установка Sql одной строкой, что может быть неудобно при хранении запроса в реестре, базе и т.д., но и это, при желании, можно побороть.
В общем-то, ничего заумного, реализация до смешного проста, но при использовании в проектах позволяет сэкономить массу времени и значительно увеличить читабельность кода.
Чтобы не писать отдельное свойство на каждую секцию, задавать их будем в виде массива строк. Для работы с этим массивом нам понадобятся индексы, которые тоже лучше определить заранее:
Определим тип нашего индексированного свойства и определим сам класс:
Свойство fClauses будет содержать все секции запроса, на основе которых и будет формироваться сам запрос. Занимается этим процедура UpdateSql. Ну а методы GetClause/SetClause стандартны, и служат для установки/чтения значений отдельных секций. Поглядим на сам код:
Всё достаточно прозрачно, отмечу лишь, что метод UpdateSql добавляет в текст Sql-запроса только те секции, для которых установлено начение, и переоткрывает квери, если она была открыта на момент изменения секции. Здесь есть мелкие недоработки, например, не проверяется выход индекса за пределы допустимых значений, я просто не хотел мусорить исходный код вещами, которые очевидны и принципиально не важны. Можно было бы привести код регистрации компонента в палире дельфи, но это также тривиально. Приведу лучше исходник тестового проекта, в котором используется этот квери. В этом проекте на форме находятся компоненты DbGrid1, подключенные к источнику данных DataSource1, динамически создаётся экземпляр TDynQuery, открывающий таблицу "biolife" из DbDemos, входящую в стандартную поставку Delphi. После этого изменяется по кликанью на заголовке (Title) грида меняется сортировка таблицы:
Можно сказать, что современная корпорация буквально "пропитана" данными. Они повсюду и, более того, очень часто одни и те же данные могут находиться в нескольких местах. Корпорация должна иметь возможность идентифицировать источник, происхождение, семантику и пути доступа к данным. Метаданные или, как их обычно называют, "данные о данных", являются ключом для получения этой информации. Но, как это ни удивительно, у большинства корпораций нет отчетливой стратегии относительно метаданных. Различные подразделения организации используют разные наборы инструментов для поддержки своих данных.
Каждому такому набору соответствуют определенные метаданные. Поэтому картина, типичная для многих корпораций, - это так называемые "острова метаданных", т.е. некоторые объемы информации, которые невозможно связать друг с другом. Для решения этой проблемы некоторые организации начинают крупные проекты по интеграции метаданных, тратя на это значительные средства и время. Но, к сожалению, в большинстве проектов отсутствует структурный подход, поэтому временные и финансовые затраты не окупаются.
В предлагаемой статье обсуждаются подходы к управлению метаданными, в том числе то, какие метаданные необходимо собирать, как их можно моделировать, как создать требуемое архитектурное решение и как обеспечить простоту поддержки метаданных в долгосрочной перспективе. Большинство этих подходов уже существуют в той или иной форме в различных организациях. В данной статье сделана попытка собрать и обобщить имеющийся опыт.
Классификация метаданных
На самом высоком уровне метаданные могут быть разделены на две категории:
Элементы общих метаданных должны иметь совместные (непротиворечивые) определения и семантику в масштабах всей корпорации. Например, определение понятия "клиент" должно быть единым для всей компании.
Метаданные могут быть классифицированы и по другим параметрам:
Метаданные бизнеса включают определения объектов, относящихся к корпоративным пользователям, логическим картам данных и словарям Хранилищ данных. Технические метаданные включают данные о физических объектах: названия таблиц и столбцов, ограничения и правила физического преобразования между различными зонами. В метаданных процессов отражается статистическая информация о различных процессах: статистика загруженности, информация о календарном планировании и обработка исключений.
Создание решения для управления метаданными
Для создания успешного решения по управлению корпоративными метаданными автор рекомендует следовать определенной последовательности шагов:
1. собрать все требования, предъявляемые к метаданным;
2. выбрать соответствующую модель метаданных;
3. определить общие подходы к архитектуре;
4. внедрить выбранное решение и осуществлять его поддержку.
Сбор требований, предъявляемых к метаданным
Определение требований, предъявляемых к метаданным, может оказаться непростой задачей. Ключевые стороны, которым могут быть нужны метаданные, разнообразны и пространственно разобщены. Это могут быть как конечные пользователи или аналитики, так и приложения или наборы инструментов. Процесс сбора стандартных требований не должен слишком расплываться. Автор предлагает следующий подход, учитывающий специфическую природу метаданных:
* определение ключевых сторон для каждого элемента метаданных;
* отнесение каждого элемента метаданных к определенной категории: метаданным бизнеса, техническим или метаданным процессов;
* отнесение каждого элемента метаданных к категории общих или уникальных на основе их использования в тех или иных процессах.
Следующий шаг - идентификация источника элемента метаданных. Обычно они называются "официальными метаданными" или "метаданными записи"1. Метаданные записи указывают на официальную версию определенного элемента для какого-либо события, в котором может быть несколько источников одних и тех же данных. Для того чтобы назвать определенный элемент метаданных официальным, важно понимать различные процессы, которые могут привести к созданию этого элемента. Эта информация помогает определить официальный источник метаданных. Например, компания розничной торговли создает корпоративное Хранилище данных, при этом элементы, содержащие информацию о клиентах, появляются в нескольких местах, таких как Хранилище данных о потребителях, система управления отношениями с клиентами (Customer Relationship Management, сокр. CRM) и система сбыта. При этом важно проводить анализ надежности и полноты каждого источника и оценивать, какие именно определения могут использоваться в качестве официальной версии. В данном случае уже может существовать Хранилище данных о потребителях, определяющее соответствующее измерение, поэтому можно будет считать словарь данных этого Хранилища официальными метаданными записей. После того как этот процесс будет закончен для всех элементов метаданных, можно будет сказать, что организация требований к метаданным завершена.
Выбор метамодели
Следующий шаг после формализации требований к метаданным - создание модели. Моделирование метаданных важно, поскольку оно может стать элементом, который используется во всей корпорации. Существует несколько способов выбора модели метаданных:
* создание специальной модели данных для работы с метаданными;
* использование имеющихся стандартных моделей;
* оснащение доступного репозитория метаданных инструментами, позволяющими использовать его как источник интеграции.
Для создания специальной модели метаданных важно иметь корректные определения элементов, их атрибутов и связей с другими элементами. Такая модель может быть объектно-ориентированной или моделью типа объект-отношение. Что касается стандартных моделей, то тут существует два варианта: модель открытой информации (Open Information Model, сокр. OIM) и общая метамодель Хранилища данных (Common Warehouse Meta-Model, сокр. CWM). CWM описывает обмен метаданными между Хранилищами данных, средствами Business Intelligence и управления знаниями и портальными технологиями. Согласно компании Meta Data Coalition, OIM - это набор спецификаций метаданных для облегчения их совместного и многократного использования в области разработки приложений и Хранилищ данных. OIM описывается с помощью универсального языка моделирования (Unified Modeling Language, сокр. UML) и организуется по предметным областям, которые могут быть легко использованы и при необходимости расширены. Эта модель данных основана на отраслевых стандартах, таких как UML, XML и SQL.
Выбор подходящей метамодели является непростой задачей. Хотя специальные модели бывают гораздо более гибкими, создание надежной модели на корпоративном уровне и ее долгосрочная поддержка могут оказаться довольно обременительными. Для решения такой задачи нужен хорошо продуманный план. С другой стороны, стандартные модели довольно широкие: они охватывают большинство требований, предъявляемых на корпоративном уровне. Но настройка таких моделей под специфические нужды корпорации может оказаться проблематичной. Для тех корпораций, где существуют наборы инструментов и связанные с ними метаданные, хорошим решением будет использование метамоделей от любого поставщика. При этом, безусловно, понадобятся существенные интеграционные усилия. С другой стороны, если корпорация только начинает работать с метаданными и у нее нет несовместимых наборов инструментов, то хорошим решением может быть создание собственной специальной метамодели.
После завершения моделирования метаданных важно определить репозиторий для хранения данных. Это может быть реляционное или объектно-ориентированное Хранилище.
[pagebreak]
Определение архитектуры высокого уровня
Для внедрения решений по работе с метаданными существует целый ряд архитектурных возможностей. Одно из решений - централизованный репозиторий, где хранятся все метаданные.
Основные элементы метаданных, которые будут храниться в таком центральном репозитории, - это метаданные приложений, систем управления базами данных, бизнеса и метаданные, связанные с различными процессами. Создание и модификация элементов метаданных должны осуществляться с помощью общего интерфейса. Для такого решения можно разработать специальную метамодель или использовать одну из стандартных. Данная архитектура имеет несколько преимуществ:
* сравнительно простая поддержка метаданных;
* упрощенные процедуры взаимодействия между компонентами;
* простые процедуры подготовки отчетности.
Некоторые корпорации пытаются создавать очень небольшие решения для работы с метаданными. Это означает, что каждое подразделение организации конструирует свое собственное решение.
Для облегчения обмена метаданными в качестве основы для их передачи используется XML. Каждое приложение, система управления базами данных или инструмент вступает в контакт с репозиторием с помощью XML. Парсер репозитория преобразует формат XML в формат метамодели и обновляет содержимое репозитория.
Наконец, третье архитектурное решение известно под названием распределенной архитектуры. Это тот случай, когда корпорация уже потратила значительное количество ресурсов на создание локального решения для работы с метаданными, а интеграция в масштабах всей корпорации оказывается слишком дорогостоящей. В результате локальное решение продолжает существовать, а в тех случаях, когда это оправдано и выгодно, происходит совместное пользование метаданными из нескольких источников.
Внедрение и поддержка решения для работы с метаданными
После завершения разработки архитектуры и выбора метамоделей можно приступать к внедрению решения. При этом надо иметь в виду следующее:
1. природу репозитория метаданных (реляционная база данных, система файлов, объектно-ориентированная база данных или репозиторий XML);
2. вопросы безопасности репозитория метаданных (кто управляет репозиторием; кто имеет право читать информацию репозитория или обновлять ее);
3. механизмы создания, чтения и добавления компонентов метаданных;
4. инфраструктуру отчетности для метаданных.
После разработки плана и обеспечения соответствующих инструментальных средств можно приступать к внедрению решения для работы с метаданными.
Но собственно внедрение еще не обеспечивает решения всех проблем. Важно обеспечить достаточно продолжительное функционирование созданной системы и ее соответствующее обслуживание. Одно из основных требований при этом - правильное распределение ролей и ответственности в корпорации.
После распределения ролей и ответственности необходимо создать процесс, определяющий жизненный цикл метаданных. Этот цикл задает следующие параметры: кто создает метаданные, кто использует их компоненты и кто отвечает за поддержку этих компонентов. Один из главных критериев долгосрочного успеха решения для работы с метаданными - это его расширяемость. Архитектура должна позволять легко добавлять новые требования к метаданным. Для этого необходим специальный процесс, обеспечивающий добавление новой информации о метаданных. При этом необходимо получить ответы на следующие важные вопросы:
* нужно ли хранить новые метаданные в общем репозитории (если таковой имеется);
* каковы методы доступа к элементам этих метаданных (только чтение или чтение и запись);
* являются ли эти метаданные уникальными или будут использоваться несколькими приложениями.
На основе ответов на эти вопросы принимаются соответствующие решения о хранении компонентов новых метаданных.
Пример решения для работы с метаданными
В качестве примера автор приводит розничную компанию, имеющую несколько Хранилищ данных для обеспечения различных видов бизнес-отчетности. Компания имеет Хранилище для составления отчетов по каналам поставок, Хранилище для CRM, Хранилище для данных о продажах и отдельное Хранилище для финансовой информации. Компания хочет создать единое корпоративное Хранилище данных с помощью консолидации информации в масштабах всей организации. Это хранилище будет центральным репозиторием для всех корпоративных данных, а отдельные подразделения будут создавать себе витрины данных на его основе. В процессе реализации этого проекта пришло понимание того, что также необходимо выработать стратегию консолидации метаданных.
Для этого можно использовать подход, описанный выше, который включает четыре основных действия. Первое действие - определение требований к метаданным. Этот процесс включает идентификацию заинтересованных сторон и классификацию метаданных. Поскольку это проект консолидации Хранилища данных, то типы метаданных будут достаточно простыми. Основные элементы - это некоторые корпоративные измерения, которые должны быть определены, и корпоративные факты. Оба этих элемента связаны с одними и теми же метаданными бизнеса. Следующий набор метаданных - это список таблиц и граф, использующих данные измерения и факты, т.е. это технические метаданные. Наконец, для документирования процессов ETL (extraction, transformation, loading - извлечение, преобразование и загрузка) и создания витрин данных необходима информация о тех шагах, из которых они состоят, т.е. это метаданные о процессах.
Для этих метаданных заинтересованными сторонами являются те, кто занимаются моделированием данных, а также разработчики ETL, витрин данных и отчетов. Помимо этого, такие метаданные нужны для работы с инструментами ETL и отчетности. Для консолидации метаданных требуются все элементы метаданных, их классификация, а также информация о том, кто и какие именно данные использует.
Следующий шаг - моделирование решения для работы с метаданными. В организации было принято решение создать свою метамодель, которая бы учитывала требования к модели данных, процессу ETL, витринам данных и инструментам отчетности.
После создания метамодели необходимо определить общую архитектуру. Было решено создать единый репозиторий для метаданных и определить процесс, который обеспечит его наполнение из всех систем. Например, после определения измерений и фактов метаданные экспортируются из инструментов моделирования данных и сохраняются в репозитории. Информация о процессах ETL создается вручную и также сохраняется в репозитории. Репозиторий инструментов отчетности наполняется с помощью заранее определенной технологии. Для выполнения требований отчетности, предъявляемых к метаданным, была создана система отчетности на основе интернета, которая создает запросы к репозиторию для получения информации.
После создания такого решения консолидация метаданных может считаться практически законченной. Следующая проблема - обеспечение долговременной работы данного решения. Например, как должен обрабатываться новый элемент или измерение, созданные в модели данных? Как вносится информация о новом процессе ETL или новом отчете? Все это определяется процессом поддержки метаданных. Для моделей данных периодически используется процесс синхронизации репозиториев инструментов и метаданных. Для ETL и отчетности существуют аналогичные процессы.
Заключение
Важность метаданных для корпораций уже общепризнанна. При работе с метаданными очень важно предварительно выработать соответствующую стратегию. Также важно понимать, что метаданные не являются универсальным средством для управления данными. Это мощное средство, которое может существенно улучшить качество анализа данных в корпорации, тем самым способствуя росту эффективности ее работы. При этом важно не распыляться в поисках абсолютно совершенного решения, а создавать решение, наиболее оптимальное для конкретного бизнеса.
Каждый системный администратор знает, насколько важно регулярно проводить резервное копирование компьютерных систем и данных, а также иметь возможность восстанавливать любую или все из них в случае сбоя системы, аппаратной ошибки, стихийного бедствия или при потере данных в иной ситуации
В течение долгого времени ежедневное резервное копирование, как правило, предусматривало запись копий файлов на магнитную ленту. Обычно это происходило ночью в рамках пакетного задания, когда нет текущей работы. Периодически, возможно, раз в неделю, делалась полная копия всех данных и систем.
В рамках методики, получившей название резервного копирования со сжатием, файлы, как правило, сокращались за счет сжатия. При другом подходе, так называемом зеркальном копировании, этап сжатия пропускался, и информация просто записывалась на другой диск, благодаря чему резервные копии файлов могли читать и использовать обычные системные инструментальные средства.
Но объем данных, используемых и хранящихся в организациях, быстро растет. Кроме того, необходимо, чтобы системы работали непрерывно в течение более длительных периодов времени (в том числе и круглосуточно).
Учитывая, что период, в течение которого можно выполнять резервное копирование (так называемое окно резервного копирования) постоянно сокращается и увеличивается срок, необходимый для его выполнения, ИТ-специалисты оказались в тупиковой ситуации. Нельзя гарантировать постоянную готовность системы, если нет актуальных резервных копий, но и прерывать работу системы, даже на короткий период для того, чтобы сделать эти копии, тоже нельзя.
С целью решения этой задачи было разработано множество стратегий. Во-первых, частичное резервное копирование. Такой подход предусматривает создание полных резервных копий через регулярные интервалы, и позволяет сэкономить время на сохранении только тех файлов, которые изменились, при условии, что копии неизменившихся файлов уже есть.
Для того чтобы определить, какие файлы были модифицированы, программы резервного копирования анализируют дату и время модификации всех файлов в системе. Если оказывается, что файл менялся после того, как была сделана полная резервная копия, он будет включен в состав следующей частичной копии. Для восстановления файлов по отдельности или всей системы в целом необходимо сначала восстановить последнюю полную резервную копию, а затем последующую частичную копию. Очевидно, что операция восстановления такого типа сложнее, чем восстановление с полной копии.
По мере увеличения числа и размера меняющихся файлов создание таких частичных копий может занять почти столько же времени, сколько и полной копии, которую значительно проще восстанавливать. Поэтому иногда делают резервные копии только тех файлов, которые были изменены после даты создания последней частичной копии.
Такая трехэтапная схема получила название инкрементального резервного копирования, и она действительно позволяет сократить объем данных, резервные копии которых необходимо сделать. Такой подход кажется разумным до тех пор, пока вам не пришлось что-нибудь восстанавливать с таких копий. Сначала необходимо восстановить последнюю полную копию (и пока все хорошо), затем — последнюю частичную копию и, наконец, каждую из последовательно сделанных инкрементальных копий, созданных после даты последнего частичного сохранения.
Рассмотрим следующий пример. Предположим, что полная копия была сделана в субботу, а сбой в системе возник в следующую пятницу, причем частичные копии в течение этого времени делались каждый вечер. После восстановления полной резервной копии необходимо восстановить в хронологическом порядке резервные копии, созданные в субботу, понедельник, вторник, среду, четверг и в пятницу.
Помимо времени, которое потребуют все эти операции, не стоит забывать и о том, сколько времени займет установка и снятие всех соответствующих лент. Автоматическое аппаратное обеспечение, в том числе и библиотеки лент, и автоматы смены дисков, в определенной степени облегчают этот процесс, но восстановление частичной копии — занятие нетривиальное, особенно если ваши системы достаточно большие и их полная резервная копия делается реже, чем раз в неделю.
Инкрементальные и частичные резервные копии можно сочетать таким образом, чтобы первая включала в себя все изменения, сделанные с момента последней полной или частичной копии. Такой подход требует еще более тщательного контроля и регистрации магнитных лент, но позволяет быстрее восстановить систему.
Еще один недостаток этих схем резервного копирования состоит в том, что они не подходят для транзакционных систем и систем, опирающихся на базы данных реального времени, в которых крайне важно делать резервную копию каждой транзакции, изменения файла и всех операций записи на диск или ввода/вывода. Пока наилучшим решением для таких систем является непрерывная защита данных (CDP). С помощью CDP, которое также называют непрерывным или зависимым от времени резервным копированием, на диск или в другое место копируется каждая версия данных, которую сохраняет пользователь. При таком подходе вы можете восстановить данные в любой заданный момент, в том числе самую последнюю перед сбоем запись на диск или операцию ввода/вывода.
У CDP по сравнению с записью на RAID, тиражированием и зеркалированием есть важная отличительная особенность. Последние защищают данные только от аппаратной ошибки за счет сохранения самой свежей копии информации. Непрерывная защита данных к тому же помогает уберечь их от искажений, поскольку в этом случае можно точно определить момент, когда данные были повреждены. Единственный вопрос — это уровень детализации. Какой именно объем данных необходимо сохранять для каждого вида приложений? Весь файл или только изменения? Все почтовые ящики или только личные сообщения электронной почты? Файлы и индексы базы данных или журналы регистрации транзакций? Большинство продуктов категории CDP сохраняют только изменившиеся байты или блоки дисковой памяти, а не весь файл. Изменился один байт из 10-гигабайтного файла, и CDP сделает резервную копию только этого байта или соответствующего блока. Традиционные частичные и инкрементальные резервные копии сохраняют только все файлы целиком. В силу этого, для CDP зачастую требуется меньше места на носителе с резервной копией.
Несколько иной подход, который не считается полным CDP, опирается на методологию мгновенных снимков, предполагая запись полных состояний системы через регулярные интервалы. Мгновенные снимки включают в себя ссылки на исходный том, которые должны оставаться неизменными.
Как правило, эти снимки создаются очень быстро и их можно использовать для восстановления или воссоздания состояний данных, имевшихся в системе в некий момент. Но мгновенные снимки — это не резервные копии, и их необходимо сохранять отдельно, если они будут применяться для восстановления дисков после сбоев или других физических повреждений.
Все стратегии резервного копирования имеют как свои достоинства (простоту, экономию времени, экономичность), так и вытекающие из них недостатки
Напомним, что IP относится к группе протоколов TCP/IP. Протокол TCP реализует транспортные функции модели OSI (Open Systems Interconnection), ее четвертого уровня. Его основная обязанность - обеспечение надежной связи между начальной и конечной точками пересылки данных. IP располагается в OSI на сетевом, или третьем, уровне; он должен поддерживать передачу маршрутизаторам адресов отправителя и получателя каждого пакета на всем пути его следования.
Маршрутизаторы и коммутаторы третьего уровня считывают записанную в пакетах по правилам IP и других протоколов третьего уровня информацию и используют ее совместно с таблицами маршрутизации и некоторыми другими интеллектуальными средствами поддержки работы сети, пересылая данные по сетям TCP/IP любого масштаба - от "комнатной" до глобальной, охватывающей всю планету.
Процесс маршрутизации начинается с определения IP-адреса, уникального для станции-отправителя (адреса источника), который может быть постоянным или динамическим. Каждый пакет содержит такой адрес, длина которого, в соответствии с современной спецификацией IPv4, составляет 32 бита.
Кроме того, в заголовке пакета записан IP-адрес его места назначения. Если отправляющая станция определяет, что адрес доставки не локальный, пакет направляется маршрутизатору первого сетевого сегмента. Этот маршрутизатор определяет IP-адрес пакета и проверяет по своей таблице, не расположена ли станция получателя в локальной физически подключенной к нему сети, которая называется IP-подсетью (обычно она назначается для всех сетевых интерфейсов маршрутизатора). Если же выясняется, что IP-адрес получателя локальный, маршрутизатор начинает искать внутреннее хранилище IP- и MAC-адресов локальных устройств - ARP-кэш (Adress Resolution Protocol), позволяющий сопоставлять IP- и MAC-адреса.
При обнаружении нужного MAC-адреса маршрутизатор помещает его в заголовок пакета (удаляя собственный MAC-адрес, который больше не нужен) и направляет пакет по месту назначения. Если MAC-адрес получателя не найден в ARP-кэше, маршрутизатор пересылает ARP-запрос в подсеть, соответствующую IP-адресу получателя пакета, где конечная станция с этим IP-адресом передает ответ на запрос, содержащий необходимый MAC-адрес. Затем маршрутизатор обновляет содержимое кэша, устанавливает новый MAC-адрес в заголовке пакета и отправляет его. Если пакет не предназначен для локальной подсети, маршрутизатор направляет его на маршрутизатор следующего сегмента по MAC-адресу последнего.
Процесс построения и обновления таблиц маршрутизации практически непрерывен. Он осуществляется средствами, использующими интеллектуальные протоколы обнаружения, например RIP или OSPF. В таблице каждого маршрутизатора указан оптимальный маршрут до адреса назначения или до маршрутизатора следующего сегмента (если адрес не принадлежит локальной подсети). Последовательно просматривая собственные таблицы маршрутизации, соответствующие устройства передают пакет "по этапу", запрашивая, при необходимости, MAC-адрес конечной станции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока пакет не доберется до пункта назначения.
Однако при пересылке пакета через множество сетевых сегментов существует опасность образования "петель": неправильно сконфигурированный маршрутизатор постоянно возвращает пакет тому маршрутизатору, через который данный пакет уже проходил. Во избежание этого в IP предусмотрена TTL-функция (time-to-live), позволяющая задать предел времени путешествия пакета по сети. Значение TTL устанавливается заранее и уменьшается на единицу при каждом прохождении любого сегмента. Если величина TTL становится равной нулю, пакет удаляется, а маршрутизатор отсылает отправителю сообщение ICMP.
Механизм IP- маршрутизации
1. Маршрутизатор проверяет IP-адрес входящего пакета и просматривает т аблицу, определяя, не является ли пунктом назначения локальная сеть.
2. Если IP-адрес назначения локальный, то маршрутизатор находит во внутреннем хранилище IP- и MAC-адресов локальных устройств MAC-адрес места назначения, помещает его в заголовок пакета и направляет пакет получателю.
3. Если MAC-адрес получателя не обнаруживается, маршрутизатор должен послать запрос о нем по IP-адресу получателя. Если после просмотра таблицы выясняется, что пакет не предназначен для локальной сети, маршрутизатор переправляет его маршрутизатору следующего сетевого сегмента, используя MAC-адрес последнего.
К сожалению, возможности переименования нескольких файлов одной командой в Windows Explorer ограниченны.
Сначала нужно выделить файлы, которые необходимо переименовать. Если файлы расположены непоследовательно, то следует щелкать на именах файлов, удерживая клавишу CTRL, затем нажать клавишу F2 и ввести новое имя.
Все файлы получают одинаковое имя и разные последовательные номера. Переименование можно отменить для каждого файла в отдельности, нажимая CTRL Z. Заметим, что нельзя изменить расширения сразу нескольких файлов, можно лишь поменять имя каждого файла слева от расширения.
Все протоколы обмена маршрутной информацией стека TCP/IP относятся к классу адаптивных протоколов, которые в свою очередь делятся на две группы, каждая из которых связана с одним из следующих типов алгоритмов:
* дистанционно-векторный алгоритм (Distance Vector Algorithms, DVA),
* алгоритм состояния связей (Link State Algorithms, LSA).
В алгоритмах дистанционно-векторного типа каждый маршрутизатор периодически и широковещательно рассылает по сети вектор расстояний от себя до всех известных ему сетей. Под расстоянием обычно понимается число промежуточных маршрутизаторов через которые пакет должен пройти прежде, чем попадет в соответствующую сеть. Может использоваться и другая метрика, учитывающая не только число перевалочных пунктов, но и время прохождения пакетов по связи между соседними маршрутизаторами.
Получив вектор от соседнего маршрутизатора, каждый маршрутизатор добавляет к нему информацию об известных ему других сетях, о которых он узнал непосредственно (если они подключены к его портам) или из аналогичных объявлений других маршрутизаторов, а затем снова рассылает новое значение вектора по сети. В конце-концов, каждый маршрутизатор узнает информацию об имеющихся в интерсети сетях и о расстоянии до них через соседние маршрутизаторы.
Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях. В больших сетях они засоряют линии связи интенсивным широковещательным трафиком, к тому же изменения конфигурации могут отрабатываться по этому алгоритму не всегда корректно, так как маршрутизаторы не имеют точного представления о топологии связей в сети, а располагают только обобщенной информацией - вектором дистанций, к тому же полученной через посредников. Работа маршрутизатора в соответствии с дистанционно-векторным протоколом напоминает работу моста, так как точной топологической картины сети такой маршрутизатор не имеет.
Наиболее распространенным протоколом, основанным на дистанционно-векторном алгоритме, является протокол RIP.
Алгоритмы состояния связей обеспечивают каждый маршрутизатор информацией, достаточной для построения точного графа связей сети. Все маршрутизаторы работают на основании одинаковых графов, что делает процесс маршрутизации более устойчивым к изменениям конфигурации. Широковещательная рассылка используется здесь только при изменениях состояния связей, что происходит в надежных сетях не так часто.
Для того, чтобы понять, в каком состоянии находятся линии связи, подключенные к его портам, маршрутизатор периодически обменивается короткими пакетами со своими ближайшими соседями. Этот трафик также широковещательный, но он циркулирует только между соседями и поэтому не так засоряет сеть.
Протоколом, основанным на алгоритме состояния связей, в стеке TCP/IP является протокол OSPF.
Дистанционно-векторный протокол RIP
Протокол RIP (Routing Information Protocol) представляет собой один из старейших протоколов обмена маршрутной информацией, однако он до сих пор чрезвычайно распространен в вычислительных сетях. Помимо версии RIP для сетей TCP/IP, существует также версия RIP для сетей IPX/SPX компании Novell.
В этом протоколе все сети имеют номера (способ образования номера зависит от используемого в сети протокола сетевого уровня), а все маршрутизаторы - идентификаторы. Протокол RIP широко использует понятие "вектор расстояний". Вектор расстояний представляет собой набор пар чисел, являющихся номерами сетей и расстояниями до них в хопах.
Вектора расстояний итерационно распространяются маршрутизаторами по сети, и через несколько шагов каждый маршрутизатор имеет данные о достижимых для него сетях и о расстояниях до них. Если связь с какой-либо сетью обрывается, то маршрутизатор отмечает этот факт тем, что присваивает элементу вектора, соответствующему расстоянию до этой сети, максимально возможное значение, которое имеет специальный смысл - "связи нет". Таким значением в протоколе RIP является число 16.
При необходимости отправить пакет в сеть D маршрутизатор просматривает свою базу данных маршрутов и выбирает порт, имеющий наименьшее расстояния до сети назначения (в данном случае порт, связывающий его с маршрутизатором 3).
Для адаптации к изменению состояния связей и оборудования с каждой записью таблицы маршрутизации связан таймер. Если за время тайм-аута не придет новое сообщение, подтверждающее этот маршрут, то он удаляется из маршрутной таблицы.
При использовании протокола RIP работает эвристический алгоритм динамического программирования Беллмана-Форда, и решение, найденное с его помощью является не оптимальным, а близким к оптимальному. Преимуществом протокола RIP является его вычислительная простота, а недостатками - увеличение трафика при периодической рассылке широковещательных пакетов и неоптимальность найденного маршрута.
При обрыве связи с сетью 1 маршрутизатор М1 отмечает, что расстояние до этой сети приняло значение 16. Однако получив через некоторое время от маршрутизатора М2 маршрутное сообщение о том, что от него до сети 1 расстояние составляет 2 хопа, маршрутизатор М1 наращивает это расстояние на 1 и отмечает, что сеть 1 достижима через маршрутизатор 2. В результате пакет, предназначенный для сети 1, будет циркулировать между маршрутизаторами М1 и М2 до тех пор, пока не истечет время хранения записи о сети 1 в маршрутизаторе 2, и он не передаст эту информацию маршрутизатору М1.
Для исключения подобных ситуаций маршрутная информация об известной маршрутизатору сети не передается тому маршрутизатору, от которого она пришла.
Существуют и другие, более сложные случаи нестабильного поведения сетей, использующих протокол RIP, при изменениях в состоянии связей или маршрутизаторов сети.
Комбинирование различных протоколов обмена. Протоколы EGP и BGP сети Internet
Большинство протоколов маршрутизации, применяемых в современных сетях с коммутацией пакетов, ведут свое происхождение от сети Internet и ее предшественницы - сети ARPANET. Для того, чтобы понять их назначение и особенности, полезно сначала познакомится со структурой сети Internet, которая наложила отпечаток на терминологию и типы протоколов.
Internet изначально строилась как сеть, объединяющая большое количество существующих систем. С самого начала в ее структуре выделяли магистральную сеть (core backbone network), а сети, присоединенные к магистрали, рассматривались как автономные системы (autonomous systems). Магистральная сеть и каждая из автономных систем имели свое собственное административное управление и собственные протоколы маршрутизации. Далее маршрутизаторы будут называться шлюзами для следования традиционной терминологии Internet.
Шлюзы, которые используются для образования подсетей внутри автономной системы, называются внутренними шлюзами (interior gateways), а шлюзы, с помощью которых автономные системы присоединяются к магистрали сети, называются внешними шлюзами (exterior gateways). Непосредственно друг с другом автономные системы не соединяются. Соответственно, протоколы маршрутизации, используемые внутри автономных систем, называются протоколами внутренних шлюзов (interior gateway protocol, IGP), а протоколы, определяющие обмен маршрутной информацией между внешними шлюзами и шлюзами магистральной сети - протоколами внешних шлюзов (exterior gateway protocol, EGP). Внутри магистральной сети также может использоваться любой собственный внутренний протокол IGP.
Смысл разделения всей сети Internet на автономные системы в ее многоуровневом представлении, что необходимо для любой крупной системы, способной к расширению в больших масштабах. Внутренние шлюзы могут использовать для внутренней маршрутизации достаточно подробные графы связей между собой, чтобы выбрать наиболее рациональный маршрут. Однако, если информация такой степени детализации будет храниться во всех маршрутизаторах сети, то топологические базы данных так разрастутся, что потребуют наличия памяти гигантских размеров, а время принятия решений о маршрутизации непременно возрастет.
Поэтому детальная топологическая информация остается внутри автономной системы, а автономную систему как единое целое для остальной части Internet представляют внешние шлюзы, которые сообщают о внутреннем составе автономной системы минимально необходимые сведения - количество IP-сетей, их адреса и внутреннее расстояние до этих сетей от данного внешнего шлюза.
При инициализации внешний шлюз узнает уникальный идентификатор обслуживаемой им автономной системы, а также таблицу достижимости (reachability table), которая позволяет ему взаимодействовать с другими внешними шлюзами через магистральную сеть.
Затем внешний шлюз начинает взаимодействовать по протоколу EGP с другими внешними шлюзами и обмениваться с ними маршрутной информацией, состав которой описан выше. В результате, при отправке пакета из одной автономной системы в другую, внешний шлюз данной системы на основании маршрутной информации, полученной от всех внешних шлюзов, с которыми он общается по протоколу EGP, выбирает наиболее подходящий внешний шлюз и отправляет ему пакет.
Каждая функция работает на основе обмена сообщениями запрос-ответ.
Так как каждая автономная система работает под контролем своего административного штата, то перед началом обмена маршрутной информацией внешние шлюзы должны согласиться на такой обмен. Сначала один из шлюзов посылает запрос на установление соседских отношений (acquisition request) другому шлюзу. Если тот согласен на это, то он отвечает сообщением подтверждение установления соседских отношений (acquisition confirm), а если нет - то сообщением отказ от установления соседских отношений (acquisition refuse), которое содержит также причину отказа.
После установления соседских отношений шлюзы начинают периодически проверять состояние достижимости друг друга. Это делается либо с помощью специальных сообщений (привет (hello) и Я-услышал-тебя (I-heard-you)), либо встраиванием подтверждающей информации непосредственно в заголовок обычного маршрутного сообщения.
Обмен маршрутной информацией начинается с посылки одним из шлюзов другому сообщения запрос данных (poll request) о номерах сетей, обслуживаемых другим шлюзом и расстояниях до них от него. Ответом на это сообщение служит сообщение обновленная маршрутная информация (routing ). Если же запрос оказался некорректным, то в ответ на него отсылается сообщение об ошибке.
Все сообщения протокола EGP передаются в поле данных IP-пакетов. Сообщения EGP имеют заголовок фиксированного формата.
Поля Тип и Код совместно определяют тип сообщения, а поле Статус - информацию, зависящую от типа сообщения. Поле Номер автономной системы - это номер, назначенный той автономной системе, к которой присоединен данный внешний шлюз. Поле Номер последовательности служит для синхронизации процесса запросов и ответов.
[pagebreak]
Поле IP-адрес исходной сети в сообщениях запроса и обновления маршрутной информации обозначает сеть, соединяющую два внешних шлюза.
Сообщение об обновленной маршрутной информации содержит список адресов сетей, которые достижимы в данной автономной системе. Этот список упорядочен по внутренним шлюзам, которые подключены к исходной сети и через которые достижимы данные сети, а для каждого шлюза он упорядочен по расстоянию до каждой достижимой сети от исходной сети, а не от данного внутреннего шлюза. Для примера внешний шлюз R2 в своем сообщении указывает, что сеть 4 достижима с помощью шлюза R3 и расстояние ее равно 2, а сеть 2 достижима через шлюз R2 и ее расстояние равно 1 (а не 0, как если бы шлюз измерял ее расстояние от себя, как в протоколе RIP).
Протокол EGP имеет достаточно много ограничений, связанных с тем, что он рассматривает магистральную сеть как одну неделимую магистраль.
Развитием протокола EGP является протокол BGP (Border Gateway Protocol), имеющий много общего с EGP и используемый наряду с ним в магистрали сети Internet.
Протокол состояния связей OSPF
Протокол OSPF (Open Shortest Path Firs) является достаточно современной реализацией алгоритма состояния связей (он принят в 1991 году) и обладает многими особенностями, ориентированными на применение в больших гетерогенных сетях.
Протокол OSPF вычисляет маршруты в IP-сетях, сохраняя при этом другие протоколы обмена маршрутной информацией.
Непосредственно связанные (то есть достижимые без использования промежуточных маршрутизаторов) маршрутизаторы называются "соседями". Каждый маршрутизатор хранит информацию о том, в каком состоянии по его мнению находится сосед. Маршрутизатор полагается на соседние маршрутизаторы и передает им пакеты данных только в том случае, если он уверен, что они полностью работоспособны. Для выяснения состояния связей маршрутизаторы-соседи достаточно часто обмениваются короткими сообщениями HELLO.
Для распространения по сети данных о состоянии связей маршрутизаторы обмениваются сообщениями другого типа. Эти сообщения называются router links advertisement - объявление о связях маршрутизатора (точнее, о состоянии связей). OSPF-маршрутизаторы обмениваются не только своими, но и чужими объявлениями о связях, получая в конце-концов информацию о состоянии всех связей сети. Эта информация и образует граф связей сети, который, естественно, один и тот же для всех маршрутизаторов сети.
Кроме информации о соседях, маршрутизатор в своем объявлении перечисляет IP-подсети, с которыми он связан непосредственно, поэтому после получения информации о графе связей сети, вычисление маршрута до каждой сети производится непосредственно по этому графу по алгоритму Дэйкстры. Более точно, маршрутизатор вычисляет путь не до конкретной сети, а до маршрутизатора, к которому эта сеть подключена. Каждый маршрутизатор имеет уникальный идентификатор, который передается в объявлении о состояниях связей. Такой подход дает возможность не тратить IP-адреса на связи типа "точка-точка" между маршрутизаторами, к которым не подключены рабочие станции.
Маршрутизатор вычисляет оптимальный маршрут до каждой адресуемой сети, но запоминает только первый промежуточный маршрутизатор из каждого маршрута. Таким образом, результатом вычислений оптимальных маршрутов является список строк, в которых указывается номер сети и идентификатор маршрутизатора, которому нужно переслать пакет для этой сети. Указанный список маршрутов и является маршрутной таблицей, но вычислен он на основании полной информации о графе связей сети, а не частичной информации, как в протоколе RIP.
Описанный подход приводит к результату, который не может быть достигнут при использовании протокола RIP или других дистанционно-векторных алгоритмов. RIP предполагает, что все подсети определенной IP-сети имеют один и тот же размер, то есть, что все они могут потенциально иметь одинаковое число IP-узлов, адреса которых не перекрываются. Более того, классическая реализация RIP требует, чтобы выделенные линии "точка-точка" имели IP-адрес, что приводит к дополнительным затратам IP-адресов.
В OSPF такие требования отсутствуют: сети могут иметь различное число хостов и могут перекрываться. Под перекрытием понимается наличие нескольких маршрутов к одной и той же сети. В этом случае адрес сети в пришедшем пакете может совпасть с адресом сети, присвоенным нескольким портам.
Если адрес принадлежит нескольким подсетям в базе данных маршрутов, то продвигающий пакет маршрутизатор использует наиболее специфический маршрут, то есть адрес подсети, имеющей более длинную маску.
Например, если рабочая группа ответвляется от главной сети, то она имеет адрес главной сети наряду с более специфическим адресом, определяемым маской подсети. При выборе маршрута к хосту в подсети этой рабочей группы маршрутизатор найдет два пути, один для главной сети и один для рабочей группы. Так как последний более специфичен, то он и будет выбран. Этот механизм является обобщением понятия "маршрут по умолчанию", используемого во многих сетях.
Использование подсетей с различным количеством хостов является вполне естественным. Например, если в здании или кампусе на каждом этаже имеются локальные сети, и на некоторых этажах компьютеров больше, чем на других, то администратор может выбрать размеры подсетей, отражающие ожидаемые требования каждого этажа, а не соответствующие размеру наибольшей подсети.
В протоколе OSPF подсети делятся на три категории:
* "хост-сеть", представляющая собой подсеть из одного адреса,
* "тупиковая сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную только к одному маршрутизатору,
* "транзитная сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную к более чем одному маршрутизатору.
Транзитная сеть является для протокола OSPF особым случаем. В транзитной сети несколько маршрутизаторов являются взаимно и одновременно достижимыми. В широковещательных локальных сетях, таких как Ethernet или Token Ring, маршрутизатор может послать одно сообщение, которое получат все его соседи. Это уменьшает нагрузку на маршрутизатор, когда он посылает сообщения для определения существования связи или обновленные объявления о соседях.
Однако, если каждый маршрутизатор будет перечислять всех своих соседей в своих объявлениях о соседях, то объявления займут много места в памяти маршрутизатора. При определении пути по адресам транзитной подсети может обнаружиться много избыточных маршрутов к различным маршрутизаторам. На вычисление, проверку и отбраковку этих маршрутов уйдет много времени.
Когда маршрутизатор начинает работать в первый раз (то есть инсталлируется), он пытается синхронизировать свою базу данных со всеми маршрутизаторами транзитной локальной сети, которые по определению имеют идентичные базы данных. Для упрощения и оптимизации этого процесса в протоколе OSPF используется понятие "выделенного" маршрутизатора, который выполняет две функции.
Во-первых, выделенный маршрутизатор и его резервный "напарник" являются единственными маршрутизаторами, с которыми новый маршрутизатор будет синхронизировать свою базу. Синхронизировав базу с выделенным маршрутизатором, новый маршрутизатор будет синхронизирован со всеми маршрутизаторами данной локальной сети.
Во-вторых, выделенный маршрутизатор делает объявление о сетевых связях, перечисляя своих соседей по подсети. Другие маршрутизаторы просто объявляют о своей связи с выделенным маршрутизатором. Это делает объявления о связях (которых много) более краткими, размером с объявление о связях отдельной сети.
Для начала работы маршрутизатора OSPF нужен минимум информации - IP-конфигурация (IP-адреса и маски подсетей), некоторая информация по умолчанию (default) и команда на включение. Для многих сетей информация по умолчанию весьма похожа. В то же время протокол OSPF предусматривает высокую степень программируемости.
Интерфейс OSPF (порт маршрутизатора, поддерживающего протокол OSPF) является обобщением подсети IP. Подобно подсети IP, интерфейс OSPF имеет IP-адрес и маску подсети. Если один порт OSPF поддерживает более, чем одну подсеть, протокол OSPF рассматривает эти подсети так, как если бы они были на разных физических интерфейсах, и вычисляет маршруты соответственно.
Интерфейсы, к которым подключены локальные сети, называются широковещательными (broadcast) интерфейсами, так как они могут использовать широковещательные возможности локальных сетей для обмена сигнальной информацией между маршрутизаторами. Интерфейсы, к которым подключены глобальные сети, не поддерживающие широковещание, но обеспечивающие доступ ко многим узлам через одну точку входа, например сети Х.25 или frame relay, называются нешироковещательными интерфейсами с множественным доступом или NBMA (non-broadcast multi-access).
Они рассматриваются аналогично широковещательным интерфейсам за исключением того, что широковещательная рассылка эмулируется путем посылки сообщения каждому соседу. Так как обнаружение соседей не является автоматическим, как в широковещательных сетях, NBMA-соседи должны задаваться при конфигурировании вручную. Как на широковещательных, так и на NBMA-интерфейсах могут быть заданы приоритеты маршрутизаторов для того, чтобы они могли выбрать выделенный маршрутизатор.
Интерфейсы "точка-точка", подобные PPP, несколько отличаются от традиционной IP-модели. Хотя они и могут иметь IP-адреса и подмаски, но необходимости в этом нет.
В простых сетях достаточно определить, что пункт назначения достижим и найти маршрут, который будет удовлетворительным. В сложных сетях обычно имеется несколько возможных маршрутов. Иногда хотелось бы иметь возможности по установлению дополнительных критериев для выбора пути: например, наименьшая задержка, максимальная пропускная способность или наименьшая стоимость (в сетях с оплатой за пакет). По этим причинам протокол OSPF позволяет сетевому администратору назначать каждому интерфейсу определенное число, называемое метрикой, чтобы оказать нужное влияние на выбор маршрута.
Число, используемое в качестве метрики пути, может быть назначено произвольным образом по желанию администратора. Но по умолчанию в качестве метрики используется время передачи бита в 10-ти наносекундных единицах (10 Мб/с Ethernet'у назначается значение 10, а линии 56 Кб/с - число 1785). Вычисляемая протоколом OSPF метрика пути представляет собой сумму метрик всех проходимых в пути связей; это очень грубая оценка задержки пути. Если маршрутизатор обнаруживает более, чем один путь к удаленной подсети, то он использует путь с наименьшей стоимостью пути.
В протоколе OSPF используется несколько временных параметров, и среди них наиболее важными являются интервал сообщения HELLO и интервал отказа маршрутизатора (router dead interval).
HELLO - это сообщение, которым обмениваются соседние, то есть непосредственно связанные маршрутизаторы подсети, с целью установить состояние линии связи и состояние маршрутизатора-соседа. В сообщении HELLO маршрутизатор передает свои рабочие параметры и говорит о том, кого он рассматривает в качестве своих ближайших соседей. Маршрутизаторы с разными рабочими параметрами игнорируют сообщения HELLO друг друга, поэтому неверно сконфигурированные маршрутизаторы не будут влиять на работу сети.
Каждый маршрутизатор шлет сообщение HELLO каждому своему соседу по крайней мере один раз на протяжении интервала HELLO. Если интервал отказа маршрутизатора истекает без получения сообщения HELLO от соседа, то считается, что сосед неработоспособен, и распространяется новое объявление о сетевых связях, чтобы в сети произошел пересчет маршрутов.
Пример маршрутизации по алгоритму OSPF
Представим себе один день из жизни транзитной локальной сети. Пусть у нас имеется сеть Ethernet, в которой есть три маршрутизатора - Джон, Фред и Роб (имена членов рабочей группы Internet, разработавшей протокол OSPF). Эти маршрутизаторы связаны с сетями в других городах с помощью выделенных линий.
Пусть произошло восстановление сетевого питания после сбоя. Маршрутизаторы и компьютеры перезагружаются и начинают работать по сети Ethernet. После того, как маршрутизаторы обнаруживают, что порты Ethernet работают нормально, они начинают генерировать сообщения HELLO, которые говорят о их присутствии в сети и их конфигурации. Однако маршрутизация пакетов начинает осуществляться не сразу - сначала маршрутизаторы должны синхронизировать свои маршрутные базы.
На протяжении интервала отказа маршрутизаторы продолжают посылать сообщения HELLO. Когда какой-либо маршрутизатор посылает такое сообщение, другие его получают и отмечают, что в локальной сети есть другой маршрутизатор. Когда они посылают следующее HELLO, они перечисляют там и своего нового соседа.
Когда период отказа маршрутизатора истекает, то маршрутизатор с наивысшим приоритетом и наибольшим идентификатором объявляет себя выделенным (а следующий за ним по приоритету маршрутизатор объявляет себя резервным выделенным маршрутизатором) и начинает синхронизировать свою базу данных с другими маршрутизаторами.
[pagebreak]
С этого момента времени база данных маршрутных объявлений каждого маршрутизатора может содержать информацию, полученную от маршрутизаторов других локальных сетей или из выделенных линий. Роб, например, вероятно получил информацию от Мило и Робина об их сетях, и он может передавать туда пакеты данных. Они содержат информацию о собственных связях маршрутизатора и объявления о связях сети.
Базы данных теперь синхронизированы с выделенным маршрутизатором, которым является Джон. Джон суммирует свою базу данных с каждой базой данных своих соседей - базами Фреда, Роба и Джеффа - индивидуально. В каждой синхронизирующейся паре объявления, найденные только в какой-либо одной базе, копируются в другую. Выделенный маршрутизатор, Джон, распространяет новые объявления среди других маршрутизаторов своей локальной сети.
Например, объявления Мило и Робина передаются Джону Робом, а Джон в свою очередь передает их Фреду и Джеффри. Обмен информацией между базами продолжается некоторое время, и пока он не завершится, маршрутизаторы не будут считать себя работоспособными. После этого они себя таковыми считают, потому что имеют всю доступную информацию о сети.
Посмотрим теперь, как Робин вычисляет маршрут через сеть. Две из связей, присоединенных к его портам, представляют линии T-1, а одна - линию 56 Кб/c. Робин сначала обнаруживает двух соседей - Роба с метрикой 65 и Мило с метрикой 1785. Из объявления о связях Роба Робин обнаружил наилучший путь к Мило со стоимостью 130, поэтому он отверг непосредственный путь к Мило, поскольку он связан с большей задержкой, так как проходит через линии с меньшей пропускной способностью. Робин также обнаруживает транзитную локальную сеть с выделенным маршрутизатором Джоном. Из объявлений о связях Джона Робин узнает о пути к Фреду и, наконец, узнает о пути к маршрутизаторам Келли и Джеффу и к их тупиковым сетям.
После того, как маршрутизаторы полностью входят в рабочий режим, интенсивность обмена сообщениями резко падает. Обычно они посылают сообщение HELLO по своим подсетям каждые 10 секунд и делают объявления о состоянии связей каждые 30 минут (если обнаруживаются изменения в состоянии связей, то объявление передается, естественно, немедленно). Обновленные объявления о связях служат гарантией того, что маршрутизатор работает в сети. Старые объявления удаляются из базы через определенное время.
Представим, однако, что какая-либо выделенная линия сети отказала. Присоединенные к ней маршрутизаторы распространяют свои объявления, в которых они уже не упоминают друг друга. Эта информация распространяется по сети, включая маршрутизаторы транзитной локальной сети. Каждый маршрутизатор в сети пересчитывает свои маршруты, находя, может быть, новые пути для восстановления утраченного взаимодействия.
Сравнение протоколов RIP и OSPF по затратам на широковещательный трафик
В сетях, где используется протокол RIP, накладные расходы на обмен маршрутной информацией строго фиксированы. Если в сети имеется определенное число маршрутизаторов, то трафик, создаваемый передаваемой маршрутной информацией, описываются формулой (1):
(1) F = (число объявляемых маршрутов/25) x 528 (байтов в сообщении) x
(число копий в единицу времени) x 8 (битов в байте)
В сети с протоколом OSPF загрузка при неизменном состоянии линий связи создается сообщениями HELLO и обновленными объявлениями о состоянии связей, что описывается формулой (2):
(2) F = { [ 20 + 24 + 20 + (4 x число соседей)] x
(число копий HELLO в единицу времени) }x 8 +
[(число объявлений x средний размер объявления) x
(число копий объявлений в единицу времени)] x 8,
где 20 - размер заголовка IP-пакета,
24 - заголовок пакета OSPF,
20 - размер заголовка сообщения HELLO,
4 - данные на каждого соседа.
Интенсивность посылки сообщений HELLO - каждые 10 секунд, объявлений о состоянии связей - каждые полчаса. По связям "точка-точка" или по широковещательным локальным сетям в единицу времени посылается только одна копия сообщения, по NBMA сетям типа frame relay каждому соседу посылается своя копия сообщения. В сети frame relay с 10 соседними маршрутизаторами и 100 маршрутами в сети (подразумевается, что каждый маршрут представляет собой отдельное OSPF-обобщение о сетевых связях и что RIP распространяет информацию о всех этих маршрутах) трафик маршрутной информации определяется соотношениями (3) и (4):
(3) RIP: (100 маршрутов / 25 маршрутов в объявлении) x 528 x
(10 копий / 30 сек) = 5 632 б/с
(4) OSPF: {[20 + 24 + 20 + (4 x 10) x (10 копий / 10 сек)] +
[100 маршрутов x (32 + 24 + 20) + (10 копий / 30 x 60 сек]} x 8 = 1 170 б/с
Как видно из полученных результатов, для нашего гипотетического примера трафик, создаваемый протоколом RIP, почти в пять раз интенсивней трафика, создаваемого протоколом OSPF.
Использование других протоколов маршрутизации
Случай использования в сети только протокола маршрутизации OSPF представляется маловероятным. Если сеть присоединена к Internet'у, то могут использоваться такие протоколы, как EGP (Exterior Gateway protocol), BGP (Border Gateway Protocol, протокол пограничного маршрутизатора), старый протокол маршрутизации RIP или собственные протоколы производителей.
Когда в сети начинает применяться протокол OSPF, то существующие протоколы маршрутизации могут продолжать использоваться до тех пор, пока не будут полностью заменены. В некоторых случаях необходимо будет объявлять о статических маршрутах, сконфигурированных вручную.
В OSPF существует понятие автономных систем маршрутизаторов (autonomous systems), которые представляют собой домены маршрутизации, находящиеся под общим административным управлением и использующие единый протокол маршрутизации. OSPF называет маршрутизатор, который соединяет автономную систему с другой автономной системой, использующей другой протокол маршрутизации, пограничным маршрутизатором автономной системы (autonomous system boundary router, ASBR).
В OSPF маршруты (именно маршруты, то есть номера сетей и расстояния до них во внешней метрике, а не топологическая информация) из одной автономной системы импортируются в другую автономную систему и распространяются с использованием специальных внешних объявлений о связях.
Внешние маршруты обрабатываются за два этапа. Маршрутизатор выбирает среди внешних маршрутов маршрут с наименьшей внешней метрикой. Если таковых оказывается больше, чем 2, то выбирается путь с меньшей стоимостью внутреннего пути до ASBR.
Область OSPF - это набор смежных интерфейсов (территориальных линий или каналов локальных сетей). Введение понятия "область" служит двум целям - управлению информацией и определению доменов маршрутизации.
Для понимания принципа управления информацией рассмотрим сеть, имеющую следующую структуру: центральная локальная сеть связана с помощью 50 маршрутизаторов с большим количеством соседей через сети X.25 или frame relay. Эти соседи представляют собой большое количество небольших удаленных подразделений, например, отделов продаж или филиалов банка.
Из-за большого размера сети каждый маршрутизатор должен хранить огромное количество маршрутной информации, которая должна передаваться по каждой из линий, и каждое из этих обстоятельств удорожает сеть. Так как топология сети проста, то большая часть этой информации и создаваемого ею трафика не имеют смысла.
Для каждого из удаленных филиалов нет необходимости иметь детальную маршрутную информацию о всех других удаленных офисах, в особенности, если они взаимодействуют в основном с центральными компьютерами, связанными с центральными маршрутизаторами. Аналогично, центральным маршрутизаторам нет необходимости иметь детальную информацию о топологии связей с удаленными офисами, соединенными с другими центральными маршрутизаторами.
В то же время центральные маршрутизаторы нуждаются в информации, необходимой для передачи пакетов следующему центральному маршрутизатору. Администратор мог бы без труда разделить эту сеть на более мелкие домены маршрутизации для того, чтобы ограничить объемы хранения и передачи по линиям связи не являющейся необходимой информации. Обобщение маршрутной информации является главной целью введения областей в OSPF.
В протоколе OSPF определяется также пограничный маршрутизатор области (ABR, area border router). ABR - это маршрутизатор с интерфейсами в двух или более областях, одна из которых является специальной областью, называемой магистральной (backbone area). Каждая область работает с отдельной базой маршрутной информации и независимо вычисляет маршруты по алгоритму OSPF.
Пограничные маршрутизаторы передают данные о топологии области в соседние области в обобщенной форме - в виде вычисленных маршрутов с их весами. Поэтому в сети, разбитой на области, уже не действует утверждение о том, что все маршрутизаторы оперируют с идентичными топологическими базами данных.
Маршрутизатор ABR берет информацию о маршрутах OSPF, вычисленную в одной области, и транслирует ее в другую область путем включения этой информации в обобщенное суммарное объявление (summary) для базы данных другой области. Суммарная информация описывает каждую подсеть области и дает для нее метрику. Суммарная информация может быть использована тремя способами: для объявления об отдельном маршруте, для обобщения нескольких маршрутов или же служить маршрутом по умолчанию.
Дальнейшее уменьшение требований к ресурсам маршрутизаторов происходит в том случае, когда область представляет собой тупиковую область (stub area). Этот атрибут администратор сети может применить к любой области, за исключением магистральной. ABR в тупиковой области не распространяет внешние объявления или суммарные объявления из других областей. Вместо этого он делает одно суммарное объявление, которое будет удовлетворять любой IP-адрес, имеющий номер сети, отличный от номеров сетей тупиковой области. Это объявление называется маршрутом по умолчанию.
Маршрутизаторы тупиковой области имеют информацию, необходимую только для вычисления маршрутов между собой плюс указания о том, что все остальные маршруты должны проходить через ABR. Такой подход позволяет уменьшить в нашей гипотетической сети количество маршрутной информации в удаленных офисах без уменьшения способности маршрутизаторов корректно передавать пакеты.
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.
Поиск
