Этот документ создан на основе компиляции нескольких документов, а также на основе перевода с английского страниц-учебников, которые в обилии можна встретить на многочисленных Web-узлах в Интернете, посвященных программированию на PHP и связи его с MySQL.
Данный труд не ставит целью заменить собой мануалы по PHP и MySQL. Дело в том, что большинство материалов, в том числе и руководства к данным программным продуктам пока распространяются на английском языке. Качественные пособия на русском языке встречаются редко.
Данный букварь просто поможет Вам сделать первые шаги в изучении PHP и способах взаимодействия его с БД MySQL. В этой книге Вы найдете ответы на свои основные вопросы.
Формат PDF был разработан фирмой Adobe Systems, чтобы решить проблему единства отображения и обработки полиграфической продукции в различных информационных средах (его кроссплатформенность) и довольно успешно справляется с этой задачей и по сегодняшний день. Однако со временем у этого формата появилось и иное предназначение. Универсальность этого формата спровоцировала рост его популярности, а, следовательно, увеличилось и количество публикаций, доступных в этом формате в электронном виде в Интернете.
Изначально файлы формата PDF в сознании многих людей ассоциировались именно с качественным уникальным контентом, т. к. с его помощью часто публиковались и публикуются различные отчёты, доклады, статьи, руководства и другая полезная информация. Конечно, было бы глупо упускать такой источник полезной информации. Со временем все популярные поисковые системы научились индексировать файлы PDF и ранжировать их, что автоматически поставило их наравне с привычными для нас файлами в формате HTML (веб-страницами).
Нам же важно не упустить возможную выгоду и научиться правильно оптимизировать файлы подобного рода для поисковых систем, чтобы обеспечить их лучшую видимость в результатах поиска. Долгое время файлы PDF воспринимались исключительно как файлы-архивы, для открытия которых необходимо было их загружать на компьютер и читать в сторонней программе (Например, в Adobe Reader – программе для просмотра формата PDF). Так было раньше, сейчас же многое меняется: значительно увеличиваются скорости Интернета, появляются встроенные в браузер плагины для чтения формата PDF, позволяющие просматривать файлы сразу же в браузере. Например, уже сегодня в браузере Opera можно читать файлы PDF прямо на сайте онлайн. А это всё прямое свидетельство того, что популярность этого формата в обозримом будущем будет только расти. Это теперь не только универсальный формат для хранения и редактирования полиграфии, но также и способ передачи информации в Интернете (выполняющий функции обычной веб-страницы).
В этой статье я старался систематизировать информацию, осветив как можно больше фактов, влияющих на индексацию поисковыми системами документов этого формата в Интернете, а также ответив на самые распространённые вопросы, которые возникают у веб-мастеров, использующих эти файлы на своих сайтах.
Любой веб-мастер и seo-оптимизатор должен понимать, что файл PDF - это такая же страница сайта, как и файл в формате HTML. Как правило, на этот файл ссылаются так, что он является тупиковым для поисковой системы, т. к. в нём почти никогда не содержатся ссылки на другие страницы сайта, а зря. Каждый PDF-файл (как и страница HTML) находится в индексе поисковых систем, следовательно, имеет и свой поисковый вес, передаваемый по ссылкам (вИЦ или PR, если хотите). Я настоятельно рекомендую вам в любом файле PDF, выложенным на сайте, делать ссылки на обычные HTML-страницы сайта и на другие страницы PDF (можно даже продублировать навигацию основного сайта). В данном случае вы будете только в выигрышном положении, т. к. помимо передачи поискового веса по ссылке, посетитель, скачав файл PDF с вашего сайта и ознакомившись с информацией в нём, может к вам вернуться, щёлкнув по ссылке, ведущей на ваш сайт из скачанного документа. К тому же файл PDF редко редактируется, поэтому часто сохраняется в первоначальном виде, а также как файловый архив может стремительно распространяться через различные файловые хостинги, а это, опять же, новые пользователи для вашего сайта (тот редкий случай, когда поисковая оптимизация напрямую влияет на непоисковое продвижение).
ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАБОТЫ С ФАЙЛАМИ PDF
Для создания файлов PDF используйте программу Adobe Acrobat, т. к. она имеет целый арсенал средств, которые способны максимально качественно оптимизировать наши файлы. Несмотря на это, можно (но не рекомендуется) использовать и другие программы. Например, для создания файлов PDF вы можете использовать связку программ Adobe Pagemaker и Adobe InDesign или текстовые редакторы наподобие Word из пакета Microsoft Office или Write - из OpenOffice. Когда будете использовать текстовый редактор Word для создания документа формата PDF, то используйте теги H1, H2, H3 и другие подобные для оптимизации текста документа. Вы должны сделать полученный текст базирующимся на языке HTML, чтобы поисковые системы эффективно его индексировали.
Не используйте программы типа Photoshop и Illustrator, т. к. после обработки документа на выходе информация превращается в одно большое изображение, текст на котором не распознать поисковым системам. Однако часто случается и то, что у веб-мастера уже есть большое количество PDF-файлов, полученных от заказчика, или же специфика темы на сайте такая, что по ней есть информация в электронном виде только в этом формате. Если у вас именно такой случай, то не отчаивайтесь. Сейчас активно разрабатываются программы, способные распознавать текст на изображениях, что позволяет модифицировать текст на изображениях в обычный текст, который индексируется поисковыми системами. В России довольно успешно распознаванием текстов занимается компания ABYY. К примеру, вы можете воспользоваться их конвертером Abbyy PDF Transformer. Хочу сразу заметить, что это довольно уникальный продукт, аналогов которому почти нет. В его возможности входит конвертирование текста на картинках PDF в текст, способный индексироваться поисковыми системами.
Несколько слов, я думаю, можно сказать и про программы конвертеры. Если же вы решили, что по каким-то причинам формат PDF на сайте вас не очень устраивает, а контент вашего сайта состоит, в основном, из файлов PDF, то у вас есть возможность переконвертировать эти файлы в формат HTML, используя различные бесплатные и платные PDF конвертеры.
Вот небольшой список таких конвертеров:
* Advanced PDF to HTML
* Comfortable PDF to HTML
* Easy PDF to HTML
* Adobe Acrobat Pro Extended – это конвертер компании Adobe, но известно, что оптимизаторы испытывают сложности с этой программой.
Теперь, я думаю, самое время поделиться с вами секретами оптимизации файла PDF для поисковых систем.
ИЗОБРАЖЕНИЯ
Не используйте слишком много изображений или изображения большого размера. Картинки хоть и улучшают внешний вид, однако также увеличивается размер файла и время его загрузки. Как и на HTML-странице, если вы поставите много изображений (особенно неоптимизированных), то это потребует больше времени для их загрузки в браузер. Но помимо оптимизации размера изображений PDF-документа, необходимо также оптимизировать и подписи (альтернативный текст) к ним. У каждого изображения документа должна быть своя подпись, как к картинкам обычной HTML-страницы.
РАЗМЕР ФАЙЛА
Нужно всегда помнить, что поисковые системы не индексируют файлы, которые слишком много весят. Например, поисковая система "Яндекс" не будет индексировать файлы весом больше, чем 10 Мб, отсюда следует правило, что файл PDF не может быть больше 10 Мб.
Если говорить про оптимальный размер PDF-файла, то многие seo-оптимизаторы считают его величину в пределах 500 - 1000 Кб, т. к. с файлами именно таких размеров происходит меньше всего ошибок, связанных с индексацией файлов.
Для оптимизации размера в программе Adobe Acrobat есть специальная функция: Advanced > PDF Optimizer.
Внимание! При создании PDF-документа в любом редакторе обращайте внимание на версию получаемого файла. Рекомендуемая версия – 1.5 и ниже, т. к. такой файл гарантированно будет читаться всеми программами для просмотра PDF и роботами поисковых систем. Формат PDF позволяет оптимизировать также и копию документа, поэтому по возможности оптимизируйте и её.
ТЕКСТ ФАЙЛА
Старайтесь избегать большого количества текста в одном файле PDF, дробите один файл на несколько файлов, причём, линкуйте их ссылками внутри каждого такого документа (так, как бы вы это делали с обычными HTML-документами).
Оптимизируйте текст файла PDF под конкретные ключевые запросы, а здесь надо уделять внимание таким же показателям, как и на обычной веб-странице (плотность ключевых слов не выше 5% и прочим). Если вы хотите получить хорошо индексируемый и релевантный поисковым запросам контент PDF-документа, вы должны стараться избегать нагромождения страниц в нём. При внутренней оптимизации текста, а именно: заголовков и подзаголовков, ключевых слов и фраз, необходимых для вашего документа, - будьте очень осторожны, чтобы файл не выглядел заспамленным и не вылетел, в итоге, из индекса поисковых систем.
Если ваш файл PDF разбит на несколько частей, то настройте порядок отображения этих частей. От порядка чтения документа зависит то, какая информация будет предоставлена поисковому роботу сначала, а какая - потом. Помните, что наибольшую поисковую значимость имеют ключевые слова, находящиеся ближе к началу документа, поэтому если в документе обратное, то вам стоит перестроить логическую последовательность частей вашего PDF документа, чтобы выделить наиболее важные части и улучшить их поисковую видимость в Интернете.
Сделайте оглавление (поисковую карту документа), каждый пункт этого оглавления оформите ссылкой (закладкой) внутри PDF документа, для каждой ссылки пропишите ключевые слова в описании ссылки. Этот приём наиболее эффективен для документов, состоящих из нескольких логический частей и с большим количеством страниц – он обеспечивает качественную внутреннюю перелинковку документа, позволяющую эффективно индексировать документ поисковым роботам.
Если вы хотите создать справочник, руководство или другой документ, предполагающий большой объём информации в одном файле, то я рекомендую создавать подобные документы в формате DjVu. Страницы документов (контент) в этом формате не индексируются поисковыми системами. Но если по каким-то причинам у вас не получается уменьшить размер PDF-файлов и разбить их на несколько отдельных файлов, то можно воспользоваться очень удобной функцией в программе Adobe Reader - Optimize for Fast Web View, позволяющей просматривать уже загрузившиеся страницы документа, не дожидаясь его окончательной загрузки. Это удобно для тех пользователей, кто будет просматривать ваш PDF-файл непосредственно на вашем сайте в режиме онлайн.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ (МЕТАПОЛЯ)
Очень важно заполнить всю дополнительную информацию о вашем файле PDF. Уделите особое внимание таким тегам как: Title (заголовок), Author (автор материала), Subject (тема), Keywords (ключевые слова документа), Descriptions (описание PDF-документа) и Copyright (авторские права). Все эти настройки можно найти в программе Adobe Acrobat в меню File > Document Properties. Метаданные файла PDF имеют схожее происхождение с метатегами файлов HTML, так что уделяйте им особое внимание при оптимизации.
КОДИРОВКА, ШРИФТЫ И РАСПОЛОЖЕНИЕ ФАЙЛА
Несколько слов нужно сказать и про оптимизацию шрифтов. Не забывайте включать в сам файл все необходимые (нестандартные) шрифты. Довольно часто для декоративных целей используются самые разнообразные и редкие полиграфические шрифты, которые могут плохо восприниматься поисковыми системами, поэтому, по возможности, старайтесь пользоваться стандартными шрифтами (Arial, Helvetica, Sans-Serif, Times New Roman и другими), которые хорошо индексируются поисковыми системами. Их плюс в том, что они присутствуют по умолчанию в любой операционной системе, поэтому из документа PDF их можно спокойно исключить, уменьшив тем самым размер файла.
Шрифты, которые не были добавлены в PDF-документ или отсутствуют в операционной системе, будут отображаться тем шрифтом, который имеется (самым близким по значению), что может привести к нежелательным последствиям, а именно к увеличению или уменьшению числа страниц, количества символов в строках, межстрочного интервала и других проблем метрики.
Довольно болезненный параметр для поисковых систем - кодировка файла. Если поисковая система не сумеет определить кодировку вашего PDF файла самостоятельно, то документ вообще не будет проиндексирован, поэтому всегда проверяйте, указана ли она. Желательно использовать самые известные и популярные кодировки.
Ваш файл PDF, как и обычная страница файла, должен быть максимально близок к корню сайта. Ссылайтесь на них ближе к главной странице, не пытайтесь засунуть его глубоко в структуру сайта, чтобы не понизить поисковую значимость вашего PDF документа.
Не давайте вашим документам в формате PDF слишком сложные имена. Упрощайте их. Несколько слов в названии самого файла разделяйте символом "_". Например: imya_documenta.pdf. Также для разделителя можно использовать и символ "-", но я рекомендую использовать первый вариант.
После всех проделанных операций по оптимизации можете выкладывать файл на сайт. Поисковые системы найдут файл, проиндексируют его и начнут выводить в результатах поиска, и если материал интересен, начнётся самораскрутка его среди посетителей - на файл начнут ссылаться, скачивать и публиковать его в других местах (а сам файл будет с ссылками на ваш сайт). Неплохо, не правда ли?
Напоследок, предоставлю вам пару ссылок, которые могут быть полезны в связи с опубликованным материалом:
http://ru.wikipedia.org/wiki/PDF - общая информация о файле PDF
http://get.adobe.com/reader/ - последняя версия Adobe Reader
http://www.adobe.com/products/acrobat/ - последняя версия Adobe Acrobat
http://www.abbyy.ru/pdftransformer/ - последняя версия Abbyy PDF Transformer
http://www.taurion.ru/acrobat - самоучитель работы в программе Adobe Acrobat
В этом обзоре я постарался ответить на наиболее распространённые вопросы по оптимизации файла PDF, которые задают люди, занимающиеся раскруткой сайтов. Но если у вас появились вопросы или что-то осталось непонятным, то, пожалуйста, сообщайте об этом! Буду рад любым отзывам от вас! Спасибо!
Компоненты Delphi для работы с базами данных были созданы в расчете на работу с SQL и архитектурой клиент/сервер. При работе с ними вы можете воспользоваться характеристиками расширенной поддержки удаленных серверов. Delphi осуществляет эту поддержку двумя способами.
1. Введение
Во-первых, непосредственные команды из Delphi позволяют разработчику управлять таблицами, устанавливать пределы, удалять, вставлять и редактировать существующие записи.
Второй способ заключается в использовании запросов на языке SQL, где строка запроса передается на сервер для ее разбора, оптимизации, выполнения и передачи обратно результатов.
Данный документ делает акцент на втором методе доступа к базам данных, на основе запросов SQL (pass-through). Авторы не стремились создать курсы по изучению синтаксиса языка SQL и его применения, они ставили перед собой цель дать несколько примеров использования компонентов TQuery и TStoredProc. Но чтобы сделать это, необходимо понимать концепцию SQL и знать как работают selects, inserts, updates, views, joins и хранимые процедуры (stored procedures). Документ также вскользь касается вопросов управления транзакциями и соединения с базой данных, но не акцентирует на этом внимание. Итак, приступая к теме, создайте простой запрос типа SELECT и отобразите результаты.
2. Компонент TQuery
Если в ваших приложениях вы собираетесь использовать SQL, то вам непременно придется познакомиться с компонентом TQuery. Компоненты TQuery и TTable наследуются от TDataset. TDataset обеспечивает необходимую функциональность для получения доступа к базам данных. Как таковые, компоненты TQuery и TTable имеют много общих признаков. Для подготовки данных для показа в визуальных компонентах используется все тот же TDatasource. Также, для определения к какому серверу и базе данных необходимо получить доступ, необходимо задать имя псевдонима. Это должно выполняться установкой свойства aliasName объекта TQuery.
Свойство SQL
Все же TQuery имеет некоторую уникальную функциональность. Например, у TQuery имеется свойство с именем SQL. Свойство SQL используется для хранения SQL-запроса. Ниже приведены основные шаги для составления запроса, где все служащие имеют зарплату свыше $50,000.
Создайте объект TQuery
Задайте псевдоним свойству DatabaseName. (Данный пример использует псевдоним IBLOCAL, связанный с демонстрационной базой данных employee.gdb).
Выберите свойство SQL и щелкните на кнопке с текстом - '...' (три точки, Инспектор Объектов - В.О.). Должен появиться диалог редактора списка строк (String List Editor).
Введите:
. Нажмите OK.
Выберите в Инспекторе Объектов свойство Active и установите его в TRUE.
Разместите на форме объект TDatasource.
Установите свойство Dataset у TDatasource в Query1.
Разместите на форме TDBGrid.
Установите его свойство Datasource в Datasource1.
Свойство SQL имеет тип TStrings. Объект TStrings представляет собой список строк, и чем-то похож на массив. Тип данных TStrings имеет в своем арсенале команды добавления строк, их загрузки из текстового файла и обмена данными с другим объектом TStrings. Другой компонент, использующий TStrings - TMemo. В демонстрационном проекте ENTRSQL.DPR (по идее, он должен находится на отдельной дискетте, но к "Советам по Delphi" она не прилагается - В.О.), пользователь должен ввести SQL-запрос и нажать кнопку "Do It" ("сделать это"). Результаты запроса отображаются в табличной сетке. В Листинге 1 полностью приведен код обработчика кнопки "Do It".
Листинг 1
Свойство Params
Этого должно быть достаточно для пользователя, знающего SQL. Тем не менее, большинство пользователей не знает этого языка. Итак, ваша работа как разработчика заключается в предоставлении интерфейса и создании SQL-запроса. В Delphi, для создания SQL-запроса на лету можно использовать динамические запросы. Динамические запросы допускают использование параметров. Для определения параметра в запросе используется двоеточие (:), за которым следует имя параметра. Ниже приведе пример SQL-запроса с использованием динамического параметра:
Если вам нужно протестировать, или установить для параметра значение по умолчанию, выберите свойство Params объекта Query1. Щелкните на кнопке '...'. Должен появиться диалог настройки параметров. Выберите параметр Dept_no. Затем в выпадающем списке типов данных выберите Integer. Для того, чтобы задать значение по умолчанию, введите нужное значение в поле редактирования "Value".
Для изменения SQL-запроса во время выполнения приложения, параметры необходимо связать (bind). Параметры могут изменяться, запрос выполняться повторно, а данные обновляться. Для непосредственного редактирования значения параметра используется свойство Params или метод ParamByName. Свойство Params представляет из себя массив TParams. Поэтому для получения доступа к параметру, необходимо указать его индекс. Для примера,
Query1.params[0].asInteger := 900;
Свойство asInteger читает данные как тип Integer (название говорит само за себя). Это не обязательно должно указывать но то, что поле имеет тип Integer. Например, если тип поля VARCHAR(10), Delphi осуществит преобразование данных. Так, приведенный выше пример мог бы быть записан таким образом:
Query1.params[0].asString := '900';
или так:
Query1.params[0].asString := edit1.text;
Если вместо номера индекса вы хотели бы использовать имя параметра, то воспользуйтесь методом ParamByName. Данный метод возвращает объект TParam с заданным именем. Например:
Query1.ParamByName('DEPT_NO').asInteger := 900;
В листинге 2 приведен полный код примера.
Листинг 2
Обратите внимание на процедуру, первым делом подготовливающую запрос. При вызове метода prepare, Delphi посылает SQL запрос на удаленный сервер. Сервер выполняет грамматический разбор и оптимизацию запроса. Преимущество такой подготовки запроса состоит в его предварительном разборе и оптимизации. Альтернативой здесь может служить подготовка сервером запроса при каждом его выполнении. Как только запрос подготовлен, подставляются необходимые новые параметры, и запрос выполняется.
[pagebreak]
Источник данных
В предыдущем примере пользователь мог ввести номер отдела, и после выполнения запроса отображался список сотрудников этого отдела. А как насчет использования таблицы DEPARTMENT, позволяющей пользователю легко перемещаться между пользователями и отделами?
Примечание: Следующий пример использует TTable с именем Table1. Для Table1 имя базы данных IBLOCAL, имя таблицы - DEPARTMENT. DataSource2 TDatasource связан с Table1. Таблица также активна и отображает записи в TDBGrid.
Способ подключения TQuery к TTable - через TDatasource. Есть два основных способа сделать это. Во-первых, разместить код в обработчике события TDatasource OnDataChange. Например, листинг 3 демонстрирует эту технику.
Листинг 3 - Использования события OnDataChange для просмотра дочерних записей
Техника с использованием OnDataChange очень гибка, но есть еще легче способ подключения Query к таблице. Компонент TQuery имеет свойство Datasource. Определяя TDatasource для свойства Datasource, объект TQuery сравнивает имена параметров в SQL-запросе с именами полей в TDatasource. В случае общих имен, такие параметры заполняются автоматически. Это позволяет разработчику избежать написание кода, приведенного в листинге 3 (*** приведен выше ***).
Фактически, техника использования Datasource не требует никакого дополнительного кодирования. Для поключения запроса к таблице DEPT_NO выполните действия, приведенные в листинге 4.
Листинг 4 - Связывание TQuery c TTable через свойство Datasource
Выберите у Query1 свойство SQL и введите:
Выберите свойство Datasource и назначьте источник данных, связанный с Table1 (Datasource2 в нашем примере)
Выберите свойство Active и установите его в True
Это все, если вы хотите создать такой тип отношений. Тем не менее, существуют некоторые ограничения на параметризованные запросы. Параметры ограничены значениями. К примеру, вы не можете использовать параметр с именем Column или Table. Для создания запроса, динамически изменяемого имя таблицы, вы могли бы использовать технику конкатенации строки. Другая техника заключается в использовании команды Format.
Команда Format
Команда Format заменяет параметры форматирования (%s, %d, %n и пр.) передаваемыми значениями. Например,
Format('Select * from %s', ['EMPLOYEE'])
Результатом вышеприведенной команды будет 'Select * from EMPLOYEE'. Функция буквально делает замену параметров форматирования значениями массива. При использовании нескольких параметров форматирования, замена происходит слева направо. Например,
Результатом команды форматирования будет 'Select * from EMPLOYEE where EMP_ID=3'. Такая функциональность обеспечивает чрезвычайную гибкость при динамическом выполнении запроса. Пример, приведенный ниже в листинге 5, позволяет вывести в результатах поле salary. Для поля salary пользователь может задавать критерии.
Листинг 5 - Использование команды Format для создания SQL-запроса
В этом примере мы используем методы Clear и Add свойства SQL. Поскольку "подготовленный" запрос использует ресурсы сервера, и нет никакой гарантии что новый запрос будет использовать те же таблицы и столбцы, Delphi, при каждом изменении свойства SQL, осуществляет операцию, обратную "подготовке" (unprepare). Если TQuery не был подготовлен (т.е. свойство Prepared установлено в False), Delphi автоматически подготавливает его при каждом выполнении. Поэтому в нашем случае, даже если бы был вызван метод Prepare, приложению от этого не будет никакой пользы.
Open против ExecSQL
В предыдущих примерах TQuerie выполняли Select-запросы. Delphi рассматривает результаты Select-запроса как набор данных, типа таблицы. Это просто один класс допустимых SQL-запросов. К примеру, команда Update обновляет содержимое записи, но не возвращает записи или какого-либо значения. Если вы хотите использовать запрос, не возвращающий набор данных, используйте ExecSQL вместо Open. ExecSQL передает запрос для выполнения на сервер. В общем случае, если вы ожидаете, что получите от запроса данные, то используйте Open. В противном случае допускается использование ExecSQL, хотя его использование с Select не будет конструктивным. Листинг 6 содержит код, поясняющий сказанное на примере.
Листинг 6
Все приведенные выше примеры предполагают использования в ваших приложениях запросов. Они могут дать солидное основание для того, чтобы начать использовать в ваших приложениях TQuery. Но все же нельзя прогнозировать конец использования SQL в ваших приложених. Типичные серверы могут предложить вам другие характеристики, типа хранимых процедур и транзакций. В следующих двух секциях приведен краткий обзор этих средств.
[pagebreak]
3. Компонент TStoredProc
Хранимая процедура представляет собой список команд (SQL или определенного сервера), хранимых и выполняемых на стороне сервера. Хранимые процедуры не имеют концептуальных различий с другими типами процедур. TStoredProc наследуется от TDataset, поэтому он имеет много общих характеристик с TTable и TQuery. Особенно заметно сходство с TQuery. Поскольку хранимые процедуры не требуют возврата значений, те же правила действуют и для методов ExecProc и Open. Каждый сервер реализует работу хранимых процедур с небольшими различиями. Например, если в качестве сервера вы используете Interbase, хранимые процедуры выполняются в виде Select-запросов. Например, чтобы посмотреть на результаты хранимой процедуры, ORG_CHART, в демонстрационной базе данных EMPLOYEE, используйте следующих SQL-запрос:
При работе с другими серверами, например, Sybase, вы можете использовать компонент TStoredProc. Данный компонент имеет свойства для имен базы данных и хранимой процедуры. Если процедура требует на входе каких-то параметров, используйте для их ввода свойство Params.
4. TDatabase
Компонент TDatabase обеспечивает функциональность, которой не хватает TQuery и TStoredProc. В частности, TDatabase позволяет создавать локальные псевдонимы BDE, так что приложению не потребуются псевдонимы, содержащиеся в конфигурационном файле BDE. Этим локальным псевдонимом в приложении могут воспользоваться все имеющиеся TTable, TQuery и TStoredProc. TDatabase также позволяет разработчику настраивать процесс подключения, подавляя диалог ввода имени и пароля пользователя, или заполняя необходимые параметры. И, наконец, самое главное, TDatabase может обеспечивать единственную связь с базой данных, суммируя все операции с базой данных через один компонент. Это позволяет элементам управления для работы с БД иметь возможность управления транзакциями.
Транзакцией можно считать передачу пакета информации. Классическим примером транзакции является передача денег на счет банка. Транзакция должна состоять из операции внесения суммы на новый счет и удаления той же суммы с текущего счета. Если один из этих шагов по какой-то причине был невыполнен, транзакция также считается невыполненной. В случае такой ошибки, SQL сервер позволяет выполнить команду отката (rollback), без внесения изменений в базу данных. Управление транзакциями зависит от компонента TDatabase. Поскольку транзакция обычно состоит из нескольких запросов, вы должны отметить начало транзакции и ее конец. Для выделения начала транзакции используйте TDatabase.BeginTransaction. Как только транзакция начнет выполняться, все выполняемые команды до вызова TDatabase.Commit или TDatabase.Rollback переводятся во временный режим. При вызове Commit все измененные данные передаются на сервер. При вызове Rollback все изменения теряют силу. Ниже в листинге 7 приведен пример, где используется таблица с именем ACCOUNTS. Показанная процедура пытается передать сумму с одного счета на другой.
Листинг 7
И последнее, что нужно учесть при соединении с базой данных. В приведенном выше примере, TDatabase использовался в качестве единственного канала для связи с базой данных, поэтому было возможным выполнение только одной транзакции. Чтобы выполнить это, было определено имя псевдонима (Aliasname). Псевдоним хранит в себе информацию, касающуюся соединения, такую, как Driver Type (тип драйвера), Server Name (имя сервера), User Name (имя пользователя) и другую. Данная информация используется для создания строки соединения (connect string). Для создания псевдонима вы можете использовать утилиту конфигурирования BDE, или, как показано в примере ниже, заполнять параметры во время выполнения приложения.
TDatabase имеет свойство Params, в котором хранится информация соединения. Каждая строка Params является отдельным параметром. В приведенном ниже примере пользователь устанавливает параметр User Name в поле редактирования Edit1, а параметр Password в поле Edit2. В коде листинга 8 показан процесс подключения к базе данных:
Листинг 8
Этот пример показывает как можно осуществить подключение к серверу без создания псевдонима. Ключевыми моментами здесь являются определение DriverName и заполнение Params информацией, необходимой для подключения. Вам не нужно определять все параметры, вам необходимо задать только те, которые не устанавливаются в конфигурации BDE определенным вами драйвером базы данных. Введенные в свойстве Params данные перекрывают все установки конфигурации BDE. Записывая параметры, Delphi заполняет оставшиеся параметры значениями из BDE Config для данного драйвера. Приведенный выше пример также вводит такие понятия, как сессия и метод GetTableNames. Это выходит за рамки обсуждаемой темы, достаточно упомянуть лишь тот факт, что переменная session является дескриптором database engine. В примере она добавлена только для "показухи".
Другой темой является использование SQLPASSTHRU MODE. Этот параметр базы данных отвечает за то, как натив-команды базы данных, такие, как TTable.Append или TTable.Insert будут взаимодействовать с TQuery, подключенной к той же базе данных. Существуют три возможных значения: NOT SHARED, SHARED NOAUTOCOMMIT и SHARED AUTOCOMMIT. NOT SHARED означает, что натив-команды используют одно соединение с сервером, тогда как запросы - другое. Со стороны сервера это видится как работа двух разных пользователей. В любой момент времени, пока транзакция активна, натив-команды не будут исполняться (committed) до тех пор, пока транзакция не будет завершена. Если был выполнен TQuery, то любые изменения, переданные в базу данных, проходят отдельно от транзакции.
Два других режима, SHARED NOAUTOCOMMIT и SHARED AUTOCOMMIT, делают для натив-команд и запросов общим одно соединение с сервером. Различие между двумя режимами заключаются в передаче выполненной натив-команды на сервер. При выбранном режиме SHARED AUTOCOMMIT бессмысленно создавать транзакцию, использующую натив-команды для удаления записи и последующей попыткой осуществить откат (Rollback). Запись должна быть удалена, а изменения должны быть сделаны (committed) до вызова команды Rollback. Если вам нужно передать натив-команды в пределах транзакции, или включить эти команды в саму транзакцию, убедитесь в том, что SQLPASSTHRU MODE установлен в SHARED NOAUTOCOMMIT или в NOT SHARED.
5. Выводы
Delphi поддерживает множество характеристик при использовании языка SQL с вашими серверами баз данных. На этой ноте разрешите попрощаться и пожелать почаще использовать SQL в ваших приложениях.
Из приложений Delphi вы можете получить доступ к .MDB-файлам Microsoft Access, используя драйверы ODBC. Delphi действительно может дать все необходимое, но некоторые вещи не столь очевидные. Вот шаги для достижения вашей цели.
Что вам нужно: Первое: проверьте, установлен ли ODBC Administrator (файл ODBCADM.EXE в WINDOWS\SYSTEM, вам также необходим файл DBCINST.DLL для установки новых драйверов и ODBC.DLL). Администратор ODBC должен присутствовать в Панели Управления в виде иконки ODBC. Если у вас его не было, то после установки Delphi он должен появиться. Если вы получаете сообщение типа "Your ODBC is not up-to-date IDAPI needs ODBC greater then 2.0", у вас имеется старая версия администратора и вы должны обновить ее до версии, включенной в поставку Delphi. Проверьте, имеете ли вы доступ к драйверу Access ODBC, установленному в Windows. Вы можете сделать это, щелкнув на "Drivers" в диалоговом окне "Data Sources", появляющемся при запуске ODBC Administrator. Delphi должна в диалоге добавить пункты Access Files (*.mdb) и Access Data (*.mdb), работающие с файлами Access 1.10 и использующие драйвер SIMBA.DLL (имейте в виду, что для данного DLL необходимы также файлы RED110.DLL и SIMADMIN.DLL, устанавливаемые для вас Delphi). Данные файлы должны поставляться с дистрибутивом вашей программы как часть ReportSmith Runtime библиотеки. Если вы хотите работать с файлами Access 2.0 или 2.5, вам необходимо иметь другой набор драйверов от Microsoft. Ключевой файл - MSAJT200.DLL, также необходимы файлы MSJETERR.DLL и MSJETINT.DLL. В США набор ODBC Desktop Drivers, Version 2.0. стоит $10.25. Он также доступен в январском выпуске MSDN, Level 2 (Development Platform) CD4 \ODBC\X86 как часть ODBC 2.1 SDK. Очевидно есть обновление этих драйверов для файлов Access 2.5 на форуме MSACCESS CompuServe. Имейте в виду, что драйвер Access ODBC, поставляемый с некоторыми приложениями Microsoft (например, MS Office) могут использоваться только другими MS-приложениями. К сожалению, они могут сыграть с вами злую шутку: сначала заработать, а потом отказать в совершенно неподходящий момент! Поэтому не обращайте внимания (запретите себе обращать внимание!) на строчку "Access 2.0 for MS Office (*.mdb)" в списке драйверов ODBC Administrator. Вы можете установить новые ODBC драйверы с помощью ODBC Administrator в Панели Управления.
Добавление источника данных ODBC (Data Source): если у вас имеются все необходимые файлы, можете начинать. Представленный здесь пример использует драйвер Access 1.10, обеспечиваемый Delphi. Используя ODBC Administrator, установите источник данных для ваших файлов Access: щелчок на кнопке "Add" в окне "data sources" выведет диалог "Add Data Source", выберите Access Files (*.mdb) (или что-либо подходящее, в зависимости от установленных драйверов). В диалоге "ODBC Microsoft Access Setup" необходимо ввести имя в поле "Data Source Name". В данном примере мы используем "My Test". Введите описание "Data Source" в поле Description. Щелкните на "Select Database" для открытия диалога "Select Database". Перейдите в директорию, где хранятся ваши Access .MDB-файлы и выберите один. Мы выберем файл TEST.MDB в директории C:\DELPROJ\ACCESS. Нажмите OK в диалоге "Setup". Теперь в списке источников данных (Data Sources) должен появиться "My Test" (Access Files *.mdb). Нажмите Close для выхода из ODBC Administrator. Используя этот метод, вы можете установить и другие, необходимые вам, источники данных.
Настройка Borland Database Engine: загрузите теперь Borland Database Engine (BDE) Configuration Utility. На странице "Drivers" щелкните на кнопке New ODBC Driver. Имейте в виду, что это добавит драйвер Access в BDE и полностью отдельное управление дополнительно к драйверам Access в Windows, устанавливаемым при помощи ODBC Administrator. В открывшемся диалоге Add ODBC Driver в верхнем поле редактировании введите ACCESS (или что-то типа этого). BDE автоматически добавит на первое место ODBC_. В combobox, расположенном немного ниже, выберите Access Files (*.mdb). Выберите Data Source в следующем combobox (Default Data Source Name), это должен быть источник данных, который вы установили с помощью ODBC Administration Utility. Здесь можно не беспокоиться о вашем выборе, поскольку позднее это можно изменить (позже вы узнаете как это можно сделать). Нажмите OK. После установки драйвера BDE, вы можете использовать его более чем с одним источником данных ODBC, применяя различные псевдонимы (Alias) для каждого ODBC Data Source. Для установки псевдонима переключитесь на страницу "Aliases" и нажмите на кнопку "New Alias". В диалоговом окне "Add New Alias" введите необходимое имя псевдонима в поле "Alias Name". В нашем примере мы используем MY_TEST (не забывайте, что пробелы в псевдониме недопустимы). В combobox Alias Type выберите имя ODBC-драйвера, который вы только что создали (в нашем случае ODBC_ACCESS). Нажмите OK. Если вы имеете более одного ODBC Data Source, измените параметр ODBC DSN ("DSN" = "Data Source Name") в списке "Parameters" псевдонима на подходящий источник данных ODBC Data Source, как установлено в ODBC Administrator. Имейте в виду, что вы не должны ничего добавлять в параметр Path (путь), так как ODBC Data Source уже имеет эту информацию. Если вы добавляете параметр Path, убедитесь, что путь правильный, в противном случае ничего работать не будет! Теперь сохраните конфигурацию BDE, выбирая пункты меню File|Save, и выходите из Database Engine Configuration Utility.
В Delphi: Создайте новый проект и расположите на форме компоненты Table и DataSource из вкладки Data Access палитры компонентов. Затем из вкладки Data Controls выберите компонент DBGrid и также расположите его на форме. В Table, в Инспекторе Объектов, назначьте свойству DatabaseName псевдоним MY_TEST, установленный нами в BDE Configuration Utility. Теперь спуститесь ниже и раскройте список TableName. Вас попросят зарегистрироваться в базе данных Access MY_TEST. Обратите внимание, что если бюджет не установлен, то User Name и Password можно не заполнять, просто нажмите на кнопку OK. После некоторой паузы раскроется список, содержащий доступные таблицы для ODBC Data Source указанного псевдонима BDE. Выберите TEST. В DataSource, в Инспекторе Объектов, назначьте свойству DataSet таблицу Table1. В DBGrid, также в Инспекторе Объектов, назначьте свойству DataSource значение DataSource1. Возвратитесь к таблице, и в том же Инспекторе Объектов установите свойство Active в True. Данные из таблицы TEST отобразятся в табличной сетке. Это все! Одну вещь все-таки стоит упомянуть: если вы создаете приложение, использующее таблицы Access и запускаете его из-под Delphi IDE, то при попытке изменения данных в таблице(ах) вы получите ошибку. Если же вы запустите скомпилированный .EXE-файл вне Delphi (предварительно Delphi закрыв), то все будет ОК. Сообщения об ошибках ODBC, к несчастью, очень туманные и бывает достаточно трудно понять его источник в вашем приложении, в этом случае проверьте установку ODBC Administrator и BDE Configuration Utility, они также могут помочь понять источник ошибки. Для получения дополнительной информации обратитесь к ODBC 2.0 Programmer's Reference или SDK Guide от Microsoft Press (ISBN 1-55615-658-8, цена в США составляет $24.95). В этом документе вы получите исчерпывающую информацию о возможных ошибках при использовании Access-файлов посредством ODBC. Также здесь вы можете найти рапорты пользователей о найденных ошибках, в том числе и при использовании Delphi. Более того, я выяснил, что большинство описанных проблем возникает при неправильных настройках ODBC, т.е. те шаги, которые я описал выше. Надеюсь, что с развитием технологии доступа к базам данных такие сложности уйдут в прошлое. Кроме того, имейте в виду, что если вам необходимо создать новую таблицу Access 1.10, вы можете воспользоваться Database Desktop, включаемый в поставку Delphi.
Авторы данной технологии Ralph Friedman (CompuServe 100064,3102), Bob Swart и Chris Frizelle.
Взято из Советов по Delphi от Валентина Озерова
--------------------------------------------------------------------------------
Может кто-нибудь, предпочтительно из персонала Borland, ПОЖАЛУЙСТА, дать мне ПОЛНЫЙ рассказ о том, как с помощью Delphi и сопутствующего программного обеспечения получить доступ и работать с базами данных MS Access. Среди прочего, мне необходимо узнать...
Нижеследующая инструкция в точности повторяет ту технологию, с которой я работаю на данный момент, надеюсь, что это поможет.
Драйвер ODBC, предусмотренный для доступа к Access 2.0, разработан только для работы в пределах среды Microsoft Office. Для работы со связкой ODBC/Access в Delphi, вам необходим Microsoft ODBC Desktop Driver kit, part# 273-054-030, доступный через Microsoft Direct за $10.25US (если вы живете не в США, воспользуйтесь службой WINEXT). Он также доступен в январском выпуске MSDN, Level 2 (Development Platform) CD4 \ODBC\X86 как часть ODBC 2.1 SDK. Имейте в виду, что смена драйверов (в частности Desktop Drivers) может негативно сказаться на работе других приложений Microsoft. Для информации (и замечаний) обращайтесь в форум WINEXT.
Также вам необходимы следующие файлы ODBC:
Минимум:
ODBC.DLL 03.10.1994, Версия 2.00.1510
ODBCINST.DLL 03.10.1994, Версия 2.00.1510
ODBCINST.HLP 11.08.1993
ODBCADM.EXE 11.08.1993, Версия 1.02.3129
Рекомендуется:
ODBC.DLL 12.07.1994, Версия 2.10.2401
ODBCINST.DLL 12.07.1994, Версия 2.10.2401
ODBCINST.HLP 12.07.1994
ODBCADM.EXE 12.07.1994, Версия 2.10.2309
Нижеследующие шаги приведут вас к искомой цели:
1. Используя администратора ODBC, установите источник данных (datasource) для вашей базы данных. Не забудьте задать путь к вашему mdb-файлу. Для нашего примера создайте источник с именем MYDSN.
2. Загрузите утилиту BDE Configuration.
3. Выберите пункт "New Driver".
4. Назначьте драйверу имя (в нашем случае ODBC_MYDSN).
5. В выпадающем списке драйверов выберите "Microsoft Access Driver (*.mdb)
6. В выпадающем списке имен выберите MYDSN
7. Перейдите на страницу "Alias" (псевдонимы).
8. Выберите "New Alias" (новый псевдоним).
9. Введите MYDSN в поле имени.
10. Для Alias Type (тип псевдонима) выберите ODBC_MYDSN.
11. На форме Delphi разместите компоненты DataSource, Table, и DBGrid.
12. Установите DBGrid1.DataSource на DataSource1.
13. Установите DataSource1.DataSet на Table1.
14. Установите Table1.DatabaseName на MYDSN.
15. В свойстве TableName компонента Table1 щелкните на стрелочку "вниз" и вы увидите диалог "Login". Нажмите OK и после короткой паузы вы увидите список всех имен ваших таблиц. Выберите одно.
16. Установите свойство Active Table1 в True и данные вашей таблицы появятся в табличной сетке.
С появлением и продвижением микрософтом OLE DB и реализацией в Дельфи ADO (начиная с версии 5.0) работа с MS Access через ODBC перестала быть актуальной. За исключением особых случаев рекомендуется пользоваться именно ADO линейкой компонентов для связи с MS Access
Доступность оборудования и простота организации делают беспроводные локальные сети всё более популярными. Даже небольшие компании стараются идти в ногу со временем и избавляются от традиционных кабельных "локалок". Использование беспроводных сетей не ограничивается небольшими офисами и домашними системами - крупные же фирмы применяют Wi-Fi для подключения к корпоративным сетевым ресурсам в тех местах, где технически невозможна прокладка кабелей.
Однако решение об устройстве беспроводной сети далеко не всегда оправданно, тем более что во многих случаях безопасности таких сетей уделяется слишком мало внимания. По оценкам специалистов, почти 70 процентов удачных хакерских атак через беспроводные сети связаны с неправильной настройкой точек доступа и клиентского программного обеспечения, а также с установкой чересчур низкого уровня безопасности при слишком сильном сигнале, с лёгкостью "пробивающего" стены офиса.
По каким-то необъяснимым причинам организаторы беспроводных сетей нередко считают, что при их включении автоматически обеспечивается надлежащий уровень безопасности. Производители оборудования, в свою очередь, устанавливают низкие настройки безопасности "по умолчанию", либо вовсе отключают их, чтобы при развёртывании сети клиенты случайно не столкнулись с невозможностью доступа. При минимальных настройках безопасность оборудование лучше всего совместимо с самым широким спектром других устройств и практически с любым современным программным обеспечением. Поэтому после настройки и проверки сети на совместимость с существующей инфраструктурой системный администратор должен изменить настройки безопасности, для того чтобы предотвратить несанкционированное проникновение в корпоративную сеть.
В отличие от проводных сетей, беспроводные требуют повышенного внимания к безопасности, поскольку проникнуть в них гораздо проще, поскольку для этого не нужен физический доступ к каналу. Радиоволны можно принимать на любое совместимое устройство, а если данные не защищены, то их сможет перехватить любой желающий. Разумеется, не стоит отказываться от паролей прочих традиционных средств авторизации, однако их явно недостаточно для защиты от несанкционированного доступа. Рассмотрим вкратце несколько способов повышения защищённости беспроводных сетей.
Отключаем передачу SSID
Последовательность цифр и букв, называемая SSID (Service Set Identifier) - это уникальный идентификатор вашей беспроводной сети. Передача идентификатора сети является встроенным средством защиты, по умолчанию включённым в большей части продающегося сегодня оборудования, и оно позволяет с лёгкостью обнаружить имеющиеся точки доступа в процессе развёртывания сети. Передача SSID требуется именно для того, чтобы ваше оборудование смогло подключиться к сети.
Точки доступа, которые являются базовыми станциями для подключаемых к сети компьютеров, являются потенциальным слабым местом, через которое злоумышленник может проникнуть в сеть. На уровне точек доступа отсутствует система авторизации по умолчанию, что делает внутренние сети незащищёнными, поэтому системные администраторы должны реализовать существующую корпоративную систему в беспроводных базовых станциях.
Для обеспечения повышенной безопасности можно запретить трансляцию точками доступа идентификатора сети. При этом возможность подключения к сети остаётся только у тех, кто знает правильный SSID, то есть, у сотрудников вашей компании, а случайные пользователи, обнаружившие вашу сеть при помощи сканирования, просто не смогут получить к ней доступ. Отключение передачи SSID возможно в подавляющем большинстве устройств ведущих производителей, что позволяет фактически скрыть вашу сеть от чужих. Если ваша сеть не передаёт идентификаторов, и если вы не афишируете использование беспроводной технологии, то этим вы осложните задачу злоумышленников. Подробные инструкции по отключению SSID обычно приводятся в руководствах по эксплуатации беспроводных точек доступа или маршрутизаторов.
Включаем средства шифрования
Уже давно используемое при пересылке важной электронной корреспонденции шифрование данных нашло применение и в беспроводных сетях. Для защиты данных от чужих глаз, в аппаратуре для беспроводной связи реализованы различные криптографические алгоритмы. При покупке оборудования важно убедиться в том, что оно поддерживает не только низкоуровневое 40-разрядное шифрование, но и 128-битный шифр повышенной стойкости.
Чтобы включить криптографическую защиту можно задействовать системы WEP (Wired Equivalent Privacy - "эквивалент проводной безопасности") или WPA (Wi-Fi Protected Access - "защищённый доступ к Wi-Fi"). Первая система менее стойкая, поскольку в ней используются статические (постоянные) ключи. Защищённые по этому протоколу сети взламываются хакерами без особого труда - соответствующие утилиты нетрудно найти в интернете. Тем не менее, по оценкам специалистов, даже этот протокол не задействован в более половины работающих корпоративных беспроводных сетей. Одним из средств повышения действенности WEP является регулярная автоматическая смена ключей, но даже в этом случае сеть не получает стопроцентной защиты. Попытки проникнуть в такую сеть оставят лишь случайные люди, обнаружившие её, но злонамеренных специалистов WEP не остановит, поэтому для полноценной защиты корпоративных сетей данный протокол использоваться не может.
В недалёком прошлом у организаторов беспроводных сетей не было иного выбора, как использовать протокол WEP, поддержка которого сохраняется в современных устройствах как в целях обеспечения совместимости оборудования, так и для обеспечения хотя бы минимального уровня безопасности в случае невозможности использования более современных протоколов. Сегодня WEP реализуется в двух модификациях: с 64- и 128-разрядным шифрованием. Однако корректнее было бы говорить о ключах длиной 40 и 104 бит, поскольку 24 бит из каждого ключа содержат служебную информацию и никак не влияют на стойкость кода. Однако это не столь важно, поскольку главным недостатком WEP являются статические ключи, для подбора которых злоумышленникам необходимо лишь в течение определённого времени сканировать сеть, перехватывая передаваемую информацию.
Повторим, что более-менее приемлемый уровень безопасность можно лишь при помощи регулярной смены ключей и при использовании 128-битного шифрования. Частота смены ключей зависит от частоты и длительности соединений, при этом необходимо обеспечить отработанную защищённую процедуру передачи новых ключей тем сотрудникам, которые пользуются доступом в беспроводную сеть.
Более эффективное шифрование обеспечивает протокол WPA, в котором реализовано динамическое создание ключей, что исключает возможность перехвата или подбора ключа, а также система идентификации (логин-пароль) при подключении к сети на основе протокола EAC (Extensible Authentication Protocol - "расширяемый протокол аутентификации"). В протоколе WPA 128-разрядные ключи генерируются автоматически при передаче каждых десяти килобайт данных, причём число этих ключей достигает сотен миллиардов, что делает практически невозможным подбор при помощи сканирования даже при отработанной методике перехвата информации. Кроме того, в этом протоколе реализован алгоритм проверки целостности данных MIC (Message Integrity Check), предотвращающий возможность злонамеренного изменения передаваемых данных. А вот выбору паролей следует уделять особое внимание: по мнению экспертов, для обеспечения высокого уровня безопасности длина пароля должна составлять не менее 20 знаков, причём он не должен представлять собой набор слов или какую-то фразу, поскольку такие пароли легко вскрываются методом словарного подбора.
Проблема с WPA заключается в том, что официально он был внесён в спецификации IEEE 802.11 лишь в середине 2004 года, поэтому далеко не всё беспроводное оборудование, выпущенное более полутора лет назад, способно работать по этому стандарту. Более того, если в сети есть хотя бы одно устройство, не поддерживающее WPA, будет применяться простое шифрование WEP, даже если WPA включён в настройках всего прочего оборудования.
Тем не менее, оборудование постоянно совершенствуется и в современных устройствах поддерживается новая, ещё более защищённая версия WPA2, работающая с динамическими ключами длиной 128, 192 и 256 бит. К таким устройствам, относится, например, трёхдиапазонный контроллер Intel PRO/Wireless 2915ABG.
Регулируем силу сигнала и его направленность
Технология беспроводной связи сама по себе по своей природе меньше защищена от постороннего вмешательства, поэтому при организации таких сетей особенно важно максимально затруднить несанкционированное проникновение в них. Среди чисто технических способов самым эффективным является снижение мощности транслируемого сигнала, ведь радиоволны с лёгкостью преодолевают стены зданий, а в сельской равнинной местности могут преодолевать весьма большие расстояния. Злоумышленники могут поставить свой автомобиль рядом со зданием, в котором расположен ваш офис, и в комфортной обстановке неторопливо подбирать ключ к вашей сети. Поэтому важно отрегулировать мощность сигнала, чтобы он не проникал за границы вашей территории. Кроме того, точки доступа следует располагать вдалеке от окон, внешних стен зданий, общих коридоров, холлов и лестниц.
Беспроводные сети являются очень удобным средством связи быстрого развёртывания, позволяющим объёдинить в сеть компьютеры даже в тех местах, где по тем или иным причинам невозможна прокладка кабеля. Однако поскольку незащищённые беспроводные сети куда проще поддаются взлому, чем проводные, следует уделять повышенное внимание защите от постороннего проникновения. Разумеется, стопроцентной гарантии безопасности дать невозможно, но некоторые действенные способы затруднения несанкционированного доступа в беспроводные сети мы описали в данном материале. Более подробные инструкции по реализации этих методов на практике обычно приводятся в документации к сетевому оборудованию, поэтому мы не ставили перед собой цели описать конкретные действия, тем более что они различаются в зависимости от модели и производителя беспроводных точек доступа и маршрутизаторов. Надеемся, что этот материал привлечёт внимание к проблеме обеспечения защиты беспроводных сетей.
Системы Windows XP имеют в своем составе простейший брандмауэр подключения к Интернету (Internet Connection Firewall, ICF) — программу, позволяющую фильтровать информацию, поступающую из Интернета. Она пропускает только разрешенные ТСР/IР-пакеты и отбрасывает все осталь-ные. Это позволяет оградить компьютер от несанкционированного доступа или атак из Интернета, сохраняя при этом возможность работы с электрон-ной почтой, сетью Веб и т. п.
Брандмауэр должен устанавливаться на подключении, которое непосредственно связано с Интернетом. Например, его рекомендуется ставить на компьютер, имеющий общее подключение к Интернету (Internet Connection Sharing, ICS). (Этого делать не нужно, если в локальной сети уже имеется прокси-сервер или корпоративный брандмауэр.) Включение локального брандмауэра (никакой установки по сути-то и нет) выполняется на вкладке Дополнительно (Advanced) в окне, свойств выбранного подключения (обычно коммутируемого). Достаточно установить флажок Защитить мое подключение к Интернету (Protect my computer and network), и бранд-мауэр начнет работать.
Теперь нужно указать, к каким службам локального компьютера или сети можно обращаться из Интернета. Если подключение используется только для доступа к веб-ресурсам и электронной почте, то после включения брандмауэр уже готов к работе. Однако, если на компьютере разрешены входящие или VPN-подключения, настройка служб необходима. В этом случае система предлагает по умолчанию установки брандмауэра; в данном примере используется обычное коммутируемое подключение через аналоговый модем. Кроме того, при работе программы Windows Messenger в приведенном списке служб автоматически появляются порты TCP и UDP, нужные для ее работы.
Понятно, что если на компьютере или в локальной сети имеется FTP- или WWW-сервер, то нужно отметить эти службы на вкладке Службы (Services), чтобы с ними можно было работать. Выбрав службу и нажав кнопку Изме-нить (Edit), можно попасть в окно настройки ее параметров, где указывается адрес компьютера, на котором служба развернута, и номера используемых портов TCP/IP.
Не рекомендуется ставить брандмауэр на локальных и VPN-подключениях, поскольку это нарушит доступ к общим ресурсам. Особого внимания заслуживает трафик, передающийся по протоколу Internet Control Message Protocol (ICMP). По умолчанию он весь блокируется брандмауэром. Это означает, что, например, ping-запросы к вашему ком-пьютеру будут безрезультатными. Иногда блокировка ICMP может привести к разрыву связи с интернет-провайдером. При необходимости на вкладке ICMP можно разрешить некоторые виды ICMP-сообщений; информацию об используемых запросах следует получить у провайдера, В крайнем случае, можно разрешить все запросы и посмотреть, повлияло ли это на устойчивость связи.
Вся работа брандмауэра регистрируется в журнале, параметры которого задаются на вкладке Ведение журнала безопасности (Security Logging).
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.
Кроме кабельных каналов в компьютерных сетях иногда используются также бескабельные каналы. Их главное преимущество состоит в том, что не требуется никакой прокладки проводов (не надо делать отверстий в стенах, закреплять кабель в трубах и желобах, прокладывать его под фальшполами, над подвесными потолками или в вентиляционных шахтах, искать и устранять повреждения). К тому же компьютеры сети можно легко перемещать в пределах комнаты или здания, так как они ни к чему не привязаны.
Радиоканал использует передачу информации по радиоволнам, поэтому теоретически он может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров. Скорость передачи достигает десятков мегабит в секунду (здесь многое зависит от выбранной длины волны и способа кодирования).
Особенность радиоканала состоит в том, что сигнал свободно излучается в эфир, он не замкнут в кабель, поэтому возникают проблемы совместимости с другими источниками радиоволн (радио- и телевещательными станциями, радарами, радиолюбительскими и профессиональными передатчиками и т.д.). В радиоканале используется передача в узком диапазоне частот и модуляция информационным сигналом сигнала несущей частоты.
Главным недостатком радиоканала является его плохая защита от прослушивания, так как радиоволны распространяются неконтролируемо. Другой большой недостаток радиоканала – слабая помехозащищенность.
Для локальных беспроводных сетей (WLAN – Wireless LAN) в настоящее время применяются подключения по радиоканалу на небольших расстояниях (обычно до 100 метров) и в пределах прямой видимости. Чаще всего используются два частотных диапазона – 2,4 ГГц и 5 ГГц. Скорость передачи – до 54 Мбит/с. Распространен вариант со скоростью 11 Мбит/с.
Сети WLAN позволяют устанавливать беспроводные сетевые соединения на ограниченной территории (обычно внутри офисного или университетского здания или в таких общественных местах, как аэропорты). Они могут использоваться во временных офисах или в других местах, где прокладка кабелей неосуществима, а также в качестве дополнения к имеющейся проводной локальной сети, призванного обеспечить пользователям возможность работать перемещаясь по зданию.
Популярная технология Wi-Fi (Wireless Fidelity) позволяет организовать связь между компьютерами числом от 2 до 15 с помощью концентратора (называемого точкой доступа, Access Point, AP), или нескольких концентраторов, если компьютеров от 10 до 50. Кроме того, эта технология дает возможность связать две локальные сети на расстоянии до 25 километров с помощью мощных беспроводных мостов. Для примера на рис. 2.7 показано объединение компьютеров с помощью одной точки доступа. Важно, что многие мобильные компьютеры (ноутбуки) уже имеют встроенный контроллер Wi-Fi, что существенно упрощает их подключение к беспроводной сети.
Объединение компьютеров с помощью технологии Wi-Fi
Рис. 2.7. Объединение компьютеров с помощью технологии Wi-Fi
Радиоканал широко применяется в глобальных сетях как для наземной, так и для спутниковой связи. В этом применении у радиоканала нет конкурентов, так как радиоволны могут дойти до любой точки земного шара.
Инфракрасный канал также не требует соединительных проводов, так как использует для связи инфракрасное излучение (подобно пульту дистанционного управления домашнего телевизора). Главное его преимущество по сравнению с радиоканалом – нечувствительность к электромагнитным помехам, что позволяет применять его, например, в производственных условиях, где всегда много помех от силового оборудования. Правда, в данном случае требуется довольно высокая мощность передачи, чтобы не влияли никакие другие источники теплового (инфракрасного) излучения. Плохо работает инфракрасная связь и в условиях сильной запыленности воздуха.
Скорости передачи информации по инфракрасному каналу обычно не превышают 5—10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров может быть достигнута скорость более 100 Мбит/с. Секретность передаваемой информации, как и в случае радиоканала, не достигается, также требуются сравнительно дорогие приемники и передатчики. Все это приводит к тому, что применяют инфракрасные каналы в локальных сетях довольно редко. В основном они используются для связи компьютеров с периферией (интерфейс IrDA).
Инфракрасные каналы делятся на две группы:
* Каналы прямой видимости, в которых связь осуществляется на лучах, идущих непосредственно от передатчика к приемнику. При этом связь возможна только при отсутствии препятствий между компьютерами сети. Зато протяженность канала прямой видимости может достигать нескольких километров.
* Каналы на рассеянном излучении, которые работают на сигналах, отраженных от стен, потолка, пола и других препятствий. Препятствия в данном случае не помеха, но связь может осуществляться только в пределах одного помещения.
Если говорить о возможных топологиях, то наиболее естественно все беспроводные каналы связи подходят для топологии типа шина, в которой информация передается одновременно всем абонентам. Но при использовании узконаправленной передачи и/или частотного разделения по каналам можно реализовать любые топологии (кольцо, звезда, комбинированные топологии) как на радиоканале, так и на инфракрасном канале.
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.
Прародителем сети интернет была сеть ARPANET. Первоначально её разработка финансировалась Управлением перспективного планирования (Advanced Research Projects Agency, или ARPA). Проект стартовал осенью 1968 года и уже в сентябре 1969 года в опытную эксплуатацию был запущен первый участок сети ARPANET.
Сеть ARPANET долгое время являлась тестовым полигоном для исследования сетей с коммутацией пакетов. Однако кроме исследовательских, ARPANET служила и чисто практическим целям. Ученые нескольких университетов, а также сотрудники некоторых военных и государственных исследовательских институтов регулярно её использовали для обмена файлами и сообщениями электронной почты, а так же для работы на удалённых компьютерах. В 1975 году управление сетью было выведено из под контроля ARPA и поручено управлению связи Министерства обороны США. Для военных данная сеть представляла большой интерес, так как позволяла сохранять её работоспособность даже при уничтожении её части, например, при ядерном ударе.
В 1983 году Министерство обороны разделило ARPANET на две связанные сети. При этом за сетью ARPANET были сохранены её исследовательские функции, а для военных целей была сформирована новая сеть, которую назвали MILNET. Физически сеть ARPANET состояла приблизительно из 50 миникомпьютеров типа С30 и С300, выпущенных фирмой BBN Corporation. Они назывались узлами коммутации пакетов и были разбросаны по территории материковой части США и Западной Европы. Сеть MILNET состояла приблизительно из 160 узлов, причём 34 из них были расположены в Европе, а 18 в Тихом Океане и в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Сами узлы коммутации пакетов нельзя было использовать для решения вычислительных задач общего плана.
Понимая, что в ближайшем будущем очень важным моментом в научных исследованиях будет процесс обмена данными, Национальный научный фонд (NFS) в 1987 году основал отделение сетевых и коммуникацинных исследований и инфраструктуры. В его задачи входило обеспеченье современными сетевыми коммуникационными средствами учёных и инженеров США. И хотя отделение фонда NFS финансировало основные исследовательские программы в области сетевых коммуникаций, сферой его основных интересов было расширение Internet.
Сеть NSFNET строилась в несколько этапов и быстро преобретала популярность не только в научно-исследовательских кругах, но и в коммерческой среде. К 1991 году фонд NFS и другие государственные учреждения США поняли, что масштабы Internet вышли далеко за отведённые её на этапе разработки рамки университетской и научной сети. К Internet стало подключаться множество организаций, разбросанных по всему Земному шару. Трафик в магистральном канале NSFNET вырос почти до миллиарда пакетов в день, и его пропускной способности 1.5 Мбит/с на отдельных участках стало уже не хватать. Поэтому правительство США начало проводить политику приватизации и коммерческого использования Internet. Фонд NFS принял решение предать магистральную сеть на попечение закрытой акционерной компании и оплачивать доступ к ней для государственных научных и исследовательских организаций.
Семейство TCP/IP
Познакомившись с историей, давайте подробнее рассмотрим, что собой представляют протоколы TCP/IP. TCP/IP - это семейство сетевых протоколов, ориентированных на совместную работу. В состав семейства входит несколько компонентов:
IP (Internet Protocol - межсетевой протокол) - обеспечивает транспортировку пакетов данных с одного компьютера на другой;
ICMP (Internet Control Message Protocol - протокол управляющих сообщений в сети Internet) - отвечает за различные виды низкоуровневой поддержки протокола IP, включая сообщения об ошибках, вспомогательные маршрутизирующие запросы и подтверждения о получении сообщений;
ARP (Address Resolution Protocol - протокол преобразования адресов) - выполняет трансляцию IP-адресов в аппаратные MAC-адреса;
UDP (User Datagram Protocol - протокол передачи дейтаграмм пользователя) и TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей) - обеспечивают доставку данных конкретным приложениям на указанном компьютере. Протокол UDP реализует передачу отдельных сообщений без подтверждения доставки, тогда как TCP гарантирует надёжный полнодуплексный канал связи между процессами на двух разных компьютерах с возможностью управления потоком и контроля ошибок.
Протокол представляет собой набор правил, использующихся для при обмене данными между двумя компьютерами. В нём оговариваются формат блоков сообщений, описывается реакция компьютера на получение определённого типа сообщения и указываются способы обработки ошибок и других необычных ситуаций. И что самое важное, благодаря протоколам, мы можем описать процесс обмена данными между компьютерами, не привязываясь к какой-то определённой комьютерной платформе или сетевому оборудованию конкретного производителя.
Сокрытие низкоуровневых особенностей процесса передачи данных способствует повышению производительности труда разработчиков. Во-первых, поскольку программистам приходится иметь дело с протоколами, относящимися к достаточно высокому уровню абстракции, им не нужно держать в голове (и даже изучать!) технические подробности испольуемого аппаратного обеспечения. Во-вторых, поскольку программы разрабатываются на основе модели, относящейся к высокому уровню абстракции, который не зависит от конкретной архитектуры компьютера или типа сетевого оборудования, в них не нужно вносить никаких изменений при переходе на другой тип оборудования или изменений конфигурации сети.
Замечание Говорить о том, что ARP входит в состав семейства протоколов TCP/IP не совсем корректно. Однако это неотъемлемая часть стека протоколов в сетях Ethernet. Для того чтобы отправить данные по сети, IP-адрес хоста должен быть преобразован в физический адрес машины получателя (уникальный адрес сетевой платы). Протокол ARP как раз и предназначен для такой цели.
Самым фундаментальным протоколом Интернета является протокол IP (от англ. Internet Protocol), обеспечивающий передачу данных между двумя удаленными компьютерами. Протокол IP является достаточно простым, и обеспечивает адресацию в сети. В ранних сетях адреса в сети были уникальные целые цифры, сейчас сеть построена по иерархическому принципу.
Стек протоколов TCP/IP имеет четыре основных уровня, поэтому часто говорят, что TCP/IP — это четырехуровневый стек протоколов. Внизу стека расположен интерфейсный уровень, посредством которого происходит связь с аппаратурой. За ним следует уровень IP, поверх которого построены транспортные протоколы TCP и UDP. На вершине стека находится уровень приложений, таких как ftp, telnet и т. д. Как мы уже говорили, IP — это простой протокол, не требующий установления соединения. При отсылке пакета данных, IP, как и все протоколы без соединения, послав пакет, тут же "забывает" о нем. При приеме пакетов с верхних уровней стека, этот протокол обертывает их в IP-пакет и передает необходимому аппаратному обеспечению для отправки в сеть. Однако именно в такой простоте и заключается основное достоинство протокола IP. Дело в том, что поскольку IP является простым протоколом, он никак не связан со структурой физической среды, по которым передаются данные. Для протокола IP главное, что эта физическая среда в принципе способна к передаче пакетов. Поэтому IP работает как в локальных, так и в глобальных сетях, как в синхронном, так и в асинхронном режиме передачи данных, как в обычных линиях связи, так и беспроводных и т. д. А поскольку протокол IP является фундаментом четырехуровнего сте-ка протоколов, то все семейство протоколов TCP/IP также может функционировать в любой сети с любым режимом передачи пакетов.
На сетевом уровне в семействе протоколов TCP/IP предусмотрено два обширных класса служб, которые используются во всех приложениях.
Служба доставки пакетов, не требующая установки соединения.
Надёжная потоковая транспортная служба.
Различие между службами, требующими установления надёжного соединения и службами, не требующими этого, является одним из самых основных вопросов сетевого программирования. Первое, на что следует обратить внимание, это то, что когда мы говорим об установлении соединения, то имеется в виду не соединение между компьютерами посредством физического носителя, а о способе передачи данных по этому носителю. Основное различие состоит в том, что службы, в которых устанавливается надёжное соединение, сохраняют информацию о состоянии и таким образом отслеживают информацию о передаваемых пакетах. В службах же, не требующих надёжного соединения, пакеты передаются независимо друг от друга.
Данные передаются по сети в форме пакетов, имеющих максимальный размер, определяемый ограничениями канального уровня. Каждый пакет состоит из заголовка и полезного содержимого (сообщения). Заголовок включает сведения о том, откуда прибыл пакет и куда он направляется. Заголовок, кроме того, может содержать контрольную сумму, информацию, характерную для конкретного протокола, и другие инструкции, касающиеся обработки пакета. Полезное содержимое – это данные, подлежащие пересылке.
Имя базового блока передачи данных зависит от уровня протокола. На канальном уровне это кадр или фрейм, в протоколе IP – пакет, а в протоколе TCP – сегмент. Когда пакет передаётся вниз по стеку протоколов, готовясь к отправке, каждый протокол добавляет в него свой собственный заголовок. Законченный пакет одного протокола становится полезным содержимым пакета, генерируемого следующим протоколом.
Определение
Пакеты, которые посылаются протоколом, не требующим соединения, называются дейтаграммами.
Каждая дейтаграмма является уникальной в том смысле, что никак не зависит от других. Как правило, при работе с протоколами без установления соединения, диалог между клиентом и сервером предельно прост: клиент посылает одиночный запрос, а сервер на него отвечает. При этом каждый новый запрос — это новая транзакция, т. е. инициируемые клиентом запросы никак не связаны друг с другом с точки зрения протокола. Протоколы без установления соединения ненадежны в том смысле, что нет никаких гарантий, что отправленный пакет будет доставлен по месту назначения.
Протоколами, требующие установления логического соединения, сохраняют информацию о состоянии, что позволяет обеспечивать надежную доставку пересылаемых данных. Когда говорится о сохранении состояния, имеется ввиду то, что между отправителем и получателем происходит обмен информацией о ходе выполнения передачи данных. К примеру, отправитель, посылая данные, сохраняет информацию о том, какие данные он послал. После этого в течении определенного времени он ожидает информацию от получателя о доставке этих данных, и, если такая информация не поступает, данные пересылаются повторно.
Работа протокола с установлением соединения включает в себя три основные фазы:
установление соединения;
обмен данными;
разрыв соединения.
Передача всех данных при работе с таким протоколом, в отличие от протокола без установления соединения, происходит за одну транзакцию, т. е. в фазе обмена данными не происходит обмена адресами между отправителем и получателем, поскольку эта информация передается на этапе установки соединения. Возвращаясь к телефонной аналогии, можно сказать, что нам в этом случае нет необходимости для того, чтобы сказать собеседнику очередное слово, вновь набирать его номер и устанавливать соединение. Заметим, что приводимая аналогия имеет одну неточность. Дело в том, что при телефонном разговоре все же устанавливается физическое соединение. Когда же мы говорим о соединении с точки зрения протоколов, то это соединение, скорее, умозрительное. К примеру, если вдруг при телефонном разговоре, неожиданно сломается телефонный аппарат вашего собеседника, вы тут же узнаете об этом, поскольку разговор незамедлительно прервется. А вот если происходит обмен данными между двумя хостами и один из них вдруг аварийно остановится, то для его "хоста-собеседника" соединение по прежнему будет существовать, поскольку для него не произошло ничего такого, что сделало бы недействительной хранящуюся у него информацию о состоянии.
В этом смысле работу с протоколом, требующим установления логического соединения можно сравнить с телефонным разговором. Когда мы звоним по телефону, мы сначала набираем номер (установление соединения), затем разговариваем (обмен данными) и по окончании разговора вешаем трубки (разрыв соединения).
Протокол без установления соединения обычно сравниваю с почтовой открыткой. Каждая открытка представляет собой самостоятельную единицу (пакет информации или дейтаграмму), которая обрабатывается в почтовом отделении независимо от других открыток. При этом на почте не отслеживается состояние переписки между двумя респондентами и, как правило, нет никакой гарантии, что ваша открытка попадет к адресату. Если на открытке указан неправильный адрес, она никогда не дойдет до получателя, и не возвратиться обратно к отправителю. А если вы захотите отправить вашему собеседнику новую порцию информации, то это уже будет другая транзакция, поскольку нужно будет писать новую открытку, указывать на ней адрес и т. д.
Как видим, у протоколов без установления соединения существует много недостатков и может возникнуть вопрос о надобности таких протоколов. Однако, использование проколов без установления логического соединения все-таки оправдано. Как правило, при помощи таких протоколов организуется связь одного хоста со многими другими, в то время как при использовании протоколов с установлением соединения связь организуется между парой хостов (по одному соединению на каждую пару). Важный момент заключается в том, что протоколы без установления логического соединения являются фундаментом, на котором строятся более сложные протоколы. К примеру, протокол TCP построен на базе протокола IP.
Протоколы транспортного уровня
Протоколами транспортного уровня в четырехуровневом стеке протоколов являются протоколы TCP и UDP.
Давайте рассмотрим, каким образом функционирует протокол TCP. Дело в том, что поскольку TCP-пакеты, иначе называемые сегментами, посылаются при помощи протокола IP, у TCP нет никакой информации о состоянии этих пакетов. Поэтому для того, чтобы хранить информацию о состоянии, TCP к базовому протоколу IP добавляет три параметра.
Во-первых, добавляется сегмент контрольной суммы содержащихся в пакете данных, что позволяет убедиться в том, что в принципе все данные дошли до получателя и не повредились во время транспортировки.
Во-вторых, к каждому передаваемому байту приписывается порядковый номер, что необходимо для определения того, совпадает ли порядок прибытия данных с порядком их отправки. И даже в том случае, если данные пришли не в том порядке, в котором были отправлены, наличие порядковых номеров позволит получателю правильно составить из этих данных исходное сообщение.
В-третьих, базовый протокол IP дополняется также механизмами подтверждения получения данных и повторной отправки, на тот случай, если данные не были доставлены.
Если с первыми двумя параметрами все более-менее понятно, то механизм подтверждения/повторной отправки достаточно сложен и его мы рассмотрим подробнее в другой раз.
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.
bluetooth - это технология, которая призвана заменить соединение сотового телефона, мобильного компьютера и других периферийных устройств между собой с помощью проводов, на более удобное соединение по радио каналу.
Немного истории.
Вообще-то, bluetooth дословно переводится как "Голубой зуб". Так прозвали когда-то короля викингов Харальда, жившего в Дании около тысячи лет назад. Прозвище это король получил за темный передний зуб.
Король Харальд вошел в историю как человек, объединивший Данию и принесший им христианство. Таким образом, именем исторической личности был назван протокол, который, по замыслу его создателей, так же должен творить историю.
Как все начиналось.
Где-то в начале 1998 года сразу несколько гигантов компьютерного и телекоммуникационного рынка, такие как ericsson, nokia, intel, ibm, toshiba, объединились с целью создания технологии беспроводного соединения между мобильными устройствами и периферийной техникой.
20 мая миру была представлена специальная рабочая группа (sig, special interest group), в задачу которой как раз и входило создать и запустить такую систему, получившую название bluetooth.
Очень быстро к Группе присоединились такие компании, как, например, motorola, dell, compaq, xircom и многие, многие другие.
Создаётся форум bluetooth, в который входит более 1300 компаний (Полный список участников группы bluetooth доступен по адресу http://www.bluetooth.com/).
Компания ericsson впервые создаёт аппарат, реально подтверждающий, что bluetooth работает, развивается и будет продолжать свое развитие.
Речь идет об уже упоминавшемся комплекте беспроводной связи с сотовым телефоном, состоящем из наушника и микрофона. Этот комплект способен работать на расстоянии до 10 метров от базы, которой, в данном случае, и является сотовый телефон со встроенной платой bluetooth.
Кстати, в скором времени компания собирается увеличить дальность работы комплекта в несколько раз:
При этом эти два аппарата могут не находиться в прямой видимости друг друга. Чтобы ответить на звонок, вам достаточно нажать на кнопку микрофона, а при наборе номера вам на помощь придет функция голосового вызова. Растущая словно снежный ком популярность bluetooth объясняется так же и его общедоступностью. Во-первых, использование частоты 2,44 ГГц. не требует лицензирования, да и распространение других лицензий на работу с bluetooth будет производиться за символическую плату. Во-вторых, помимо общедоступности, данная технология обещает стать и общепринятой, то есть стандартом де-факто, так как в ближайшее время мировое промышленное сообщество примет технологию как глобальный стандарт. Такое единство вызвано тем, что гораздо проще и дешевле снабжать все устройства одинаковым стандартным чипом, нежели разрабатывать компьютеры под разные интерфейс-карты.
Еще один аргумент за - это дешевизна сетевых адаптеров, которые будут встроены буквально во все - в средства связи, в бытовые приборы, в компьютеры, в другую оргтехнику.
Перспективы.
Они у bluetooth огромны. Эта технология, как ожидается, будет (и есть) совместима с очень многими протоколами и аналогичными системами. gsm, tcp, ip и так далее. Кроме того, есть надежды на относительно низкую стоимость, ведь технология уже изначально задумывалась как общедоступная. Пользователю будет гарантирована высокая степень защиты и отличное качество работы.
Согласно прогнозу компании international data corporation к 2004 в мире будет насчитываться 448.9 млн. устройств, поддерживающих этот стандарт. Одними из первых поддержат стандарт мобильные телефоны. Следом идут принтеры - они начнут поддержку bluetooth в 2001-2002 годах. А к 2004 году 19% всех цифровых камер будут поддерживать bluetooth.
Уже начались поставки инструментального набора от компании ericsson, для разработчиков приложений. И наконец, сегодня (точнее, совсем недавно) компания ericsson, один из главных "родителей" технологии, выпустила телефон, действительно работающий с технологией bluetooth. Это - ericsson t36. Данный сотовый телефон вообще можно назвать образцовым. В нем объединено все лучшее, чего достигла сотовая связь на сегодняшний день. Так, t36 является телефоном трехдиапазонным, у него есть wap-броузер, он поддерживает технологию high speed data, что дает возможность организовать более быстрое соединение, чем стандарт gsm, огромное количество функций, делающих его не просто телефоном, а полноценным помощником в бизнесе, и конечно, он поддерживает технологию bluetooth.
Так же компания выпустила аналогичный по своим возможностям Т36 телефон ericsson r520. Основное отличие - это, безусловно, дизайн - Т36 продолжает линейку таких телефонов, как Т10, Т18, Т28, а r520 можно с уверенностью назвать более совершенным вариантом r320. Трехдиапазонность Т36 позволяет ему работать практически в любой точке земного шара. Но, конечно, диапазон 1900 работает только в Америке.
Но не только ericsson выпускает bluetooth - компоненты. На том же cebit компания toshiba продемонстрировала устройство, использующее bluetooth и видеостандарт mpeg-4 для проведения видеоконференции - изображение с камеры передавалось на компьютер и затем на еще один компьютер.
А, например, компания anoto (http://www.anoto.com/) совместно со все той же компанией ericsson, разработала авторучку, позволяющую передавать сделанные ей записи по мобильной связи.
Конечно, писать придется не на простой бумаге, а на специальной, состоящей из множества точек, которые и различает находящаяся внутри ручки миниатюрная видеокамера.
nec заявила о своем намерении начать в середине этого года выпуск ноутбуков со встроенными чипами bluetooth. Новые модели будут иметь возможность выводить данные на принтеры и другие периферийные устройства, используя беспроводное соединение. Коммуникационный модуль bluetooth, используемый nec, построен на rf-чипе от national semiconductor corp.
ibm сообщила, что сейчас она ведет разработку bluetooth-модема для органайзеров типа palm, в том числе и для своего palm-совместимого карманного компьютера workpad. Как сообщается, эта модемная карта bluetooth pc card будет стоить не дороже 200 дол.
Следует отметить, что осенью этого года компании acer neweb и widcomm собираются выпустить свой bluetooth-модем, который должен составить конкуренцию модему от ibm. Это тоже будет карта стандарта bluetooth pc card, называться она будет bluecard, а стоить - около 100 дол.
Поиск
