Лазерные диски – не слишком-то надежные носители информации. Даже при бережном обращении с ними вы не застрахованы от появления царапин и загрязнения поверхности (порой диск фрезерует непосредственно сам привод и вы бессильны этому противостоять). Но даже вполне нормальный на вид диск может содержать внутренние дефекты, приводящие к его полной или частичной нечитаемости на штатных приводах.

Особенно это актуально для CD-R/CD-RW дисков, качество изготовления которых все еще оставляет желать лучшего, а процесс записи сопряжен с появлением различного рода ошибок. Однако даже при наличии физических разрушений поверхности лазерный диск может вполне нормально читаться за счет огромной избыточности хранящихся на нем данных, но затем, по мере разрастания дефектов, корректирующей способности кодов Рида-Соломона неожиданно перестает хватать, и диск безо всяких видимых причин отказывается читаться, а то и вовсе не опознается приводом.

К счастью, в подавляющем большинстве случаев хранимую на диске информацию все еще можно спасти, и эта статья рассказывает как.

Общие рекомендации по восстановлению

Не всякий не читающийся (нестабильно читающийся) диск – дефектный. Зачастую в этом виновен отнюдь не сам диск, а операционная система или привод. Прежде чем делать какие-либо заключения, попробуйте прочесть диск на всех доступных вам приводах, установленных на компьютерах девственно-чистой операционной системой. Многие приводы, даже вполне фирменные и дорогие (например, мой PHILIPS CD-RW 2400), после непродолжительной эксплуатации становятся крайне капризными и раздражительными, отказывая в чтении тем дискам, которые все остальные приводы читают безо всяких проблем. А операционная система по мере обрастания свежим софтом склонна подхватывать различные глюки подчас проявляющиеся самым загадочным образом (в частности, привод TEAC, установленный в систему с драйвером CDR4_2K.SYS, доставшемся ему в наследство от PHILIPS'a, конфликтует с CD Player'ом, не соглашаясь отображать содержимое дисков с данными, если тот активен, после удаления же CDR4_2K.SYS все идет как по маслу).

Также не стоит забывать и о том, что корректирующая способность различных моделей приводов очень и очень неодинакова. Как пишет инженер-исследователь фирмы ЕПОС Павел Хлызов в своей статье "Проблема: неисправный CD-ROM": "…в зависимости от выбранной для конкретной модели CD-ROM стратегии коррекции ошибок и, соответственно, сложности процессора и устройства в целом, на практике тот или иной CD-ROM может либо исправлять одну-две мелкие ошибки в кадре информации (что соответствует дешевым моделям), либо в несколько этапов восстанавливать, с вероятностью 99,99%, серьезные и длинные разрушения информации. Как правило, такими корректорами ошибок оснащены дорогостоящие модели CD-ROM. Это и есть ответ на часто задаваемый вопрос: "Почему вот этот диск читается на машине товарища, а мой ПК его даже не видит?".

Вообще-то, не совсем понятно, что конкретно господином инженером-исследователем имелось ввиду: корректирующие коды C1, C2, Q- и P- уровней корректно восстанавливают все известные мне приводы, и их корректирующая способность равна: до двух 2 ошибок на каждый из C1 и C2 уровней и до 86- и 52-ошибок на Q- и P- уровни соответственно. Правда, количество обнаруживаемых, но уже математически неисправимых ошибок составляет до 4 ошибок на C1 и C2 уровней и до 172/104 ошибок на Q/P, но… гарантированно определяется лишь позиция сбойных байт во фрейме/секторе, а не их значение. Впрочем, зная позицию сбойных байт и имея в своем распоряжении исходный HF-сигнал (т. е. аналоговый сигнал, снятый непосредственно со считывающей головки), кое-какие крохи информации можно и вытянуть, по крайней мере теоретически… так что приведенная выше цитата в принципе может быть и верна, однако, по наблюдениям автора данной статьи, цена привода очень слабо коррелирует с его "читабельной" способностью. Так, относительно дешевые ASUS читают практически все, а дорогие PHILIPS'ы даже свои родные диски с драйверами опознают через раз.

Другая немаловажная характеристика – доступный диапазон скоростей чтения. В общем случае – чем ниже скорость вращения диска, тем мягче требования, предъявляемые к его качеству. Правда, зависимость эта не всегда линейна. Большинство приводов имеют одну или несколько наиболее предпочтительных скоростей вращения, на которых их читабельная способность максимальна. Например, на скорости 8x дефектный диск читается на ура, а на всех остальных скоростях (скажем, 2x, 4x, 16x, 32x) – не читается вообще. Предпочтительная скорость легко определяется экспериментально, необходимо лишь перебрать полный диапазон доступных скоростей.

При покупке CD-ROM'a выбирайте тот привод, у которого скоростной диапазон максимален. Например, уже упомянутый выше PHILIPS CDRW 2400 умеет работать лишь на: 16x, 24x, 38x и 42x. Отсутствие скоростей порядка 4x – 8x ограничивает "рацион" привода только высококачественными дисками.

По непонятным причинам, штатные средства операционной системы Windows не позволяют управлять скоростью диска и потому приходится прибегать к помощи сторонних утилит, на недостаток которых, впрочем, жаловаться не приходится. Вы можете использовать Slow CD, Ahead Nero Drive Speed и т. д. Вообще-то, большинство приводов самостоятельно снижают скорость, натолкнувшись на не читающиеся сектора, однако качество заложенных в них алгоритмов все еще оставляет желать лучшего, поэтому "ручное" управление скоростью дает значительно лучший результат.

Если же ни на одном из доступных вам приводов диск все равно не читается, можно попробовать отшлифовать его какой-нибудь полировальной пастой. Технике полирования оптических поверхностей (и лазерных дисков в частности) посвящено огромное количество статей, опубликованных как в печатных изданиях, так и в Интернете (особенно полезны в этом смысле астрономические книги по телескопостроению), поэтому здесь этот вопрос будет рассмотрен лишь кратко. Да, действительно, поцарапанный диск в большинстве случав можно отполировать, и если все сделать правильно, диск с высокой степенью вероятности возвратится из небытия, но… Во-первых, полировка восстанавливает лишь царапины нижней поверхности диска и бессильна противостоять разрушениям отражающего слоя. Во-вторых, устраняя одни царапины, вы неизбежно вносите другие - после иной полировки лазерному диску может очень сильно поплохеть. В-третьих, полировке дисков невозможно научиться за раз, – вам понадобиться уйма времени и куча "подопытных" дисков. Нет уж, благодарю покорно! Лучше мы пойдем другим путем!

А вот что вашему диску действительно не помешает – так это протирка обычными салфетками, пропитанными антистатиком (ищите их в компьютерных магазинах). Прежде чем вытирать диск, сдуйте все частицы пыли, осевшие на него (иначе вы его только больше поцарапаете) и ни в коем случае не двигайтесь концентрическими мазками! Вытирать поверхность диска следует радиальными движениями от центра к краям, заменяя салфетку на каждом проходе.

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

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

И не ОЗУ, и не ПЗУ

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

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

Такое странное слово flash

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

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

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

Хотя надежность современных компьютерных систем в целом достаточно высока, время от времени в них происходят сбои, вызванные неисправностью аппаратных средств, ошибками в программном обеспечении, компьютерными вирусами, а также ошибками пользователей, системных администраторов и технического персонала.

Анализируя причины возникновения встречавшихся в нашей практике аварийных ситуаций, приводивших к потере данных, можно сказать, что все перечисленные сбои случаются примерно с одинаковой вероятностью.

Отказы аппаратных средств

Исчезновение данных может быть вызвано отказом различных устройств - жестких дисков и дисковых контроллеров, соединительных кабелей, оперативной памяти или центрального процессора компьютера. Внезапное отключение электропитания при отсутствии источника бесперебойного питания - также одна из наиболее распространенных причин исчезновения данных. В зависимости от того, что происходило в компьютере на момент отказа, последствия могут оказаться более или менее тяжелыми.

Отказы дисковых контроллеров

Чаще всего нам встречались случаи потерь данных при отказах дисковых контроллеров. При этом в момент аварии контроллер выполнял операцию записи, которая завершалась с ошибками. Как следствие, оказывались разрушенными системные области диска, после чего все данные или часть их становились недоступны.

Заметим, что дисковые контроллеры современных файловых серверов, таких, как Compaq Proliant, протоколируют сбои аппаратных средств и позволяют выполнять диагностику. Это дает возможность обнаружить опасные симптомы еще до того, как они приведут к отказу. Например, в одной компании на протяжении нескольких недель контроллер диска записывал в системный журнал сообщения о возможном отказе кэш-памяти, встроенной в контроллер. И когда эта память, наконец, отказала, пропало несколько гигабайт важных данных.

Зеркальные диски

Наиболее простой способ увеличения надежности хранения данных - подключить к одному контроллеру два жестких диска и средствами ОС выполнить их зеркальное отображение. При этом один диск играет роль основного, а другой дублирует всю информацию, записываемую на основной диск. При выходе из строя основного диска его функции автоматически переходят к зеркальному диску, в результате чего система продолжает работать без аварийной остановки.

К сожалению, зеркальные диски не помогут при сбое контроллера или ПО. Фактически данная технология поможет вам застраховаться только от такой неприятности, как поломка одного жесткого диска из зеркальной пары.

Если каждый из зеркальных дисков будет подключен к своему контроллеру, то надежность возрастет. Теперь система продолжит работу при выходе из строя не только одного диска, но и одного дискового контроллера.

Такие ОС, как Microsoft Windows NT и Novell NetWare способны создавать зеркальные диски программным путем без применения дополнительного оборудования.

Отказы кэш-памяти

Как вы, вероятно, знаете, кэш-память значительно ускоряет операции записи данных на диск и чтения с диска за счет временного хранения данных в очень быстрой оперативной памяти. Если данные кэшируются при чтении, то отказ кэш-памяти не приведет к их потере, так как на диске они останутся в неизменном виде. Что же касается кэширования при записи, то эта операция несет в себе потенциальную опасность.

Кэширование при записи предполагает, что данные вначале записываются в оперативную память, а затем, когда для этого возникает подходящий случай, переписываются на жесткий диск. Программа, сохраняющая данные на диске, получает подтверждение окончания процесса записи, когда данные оказываются в кэш-памяти. При этом фактическая запись их на диск произойдет позже. Так вот, если отказ кэш-памяти случится в "неподходящий" момент, то программа (или ОС) будет полагать, что данные уже записаны на диск, хотя фактически это не так. В результате могут оказаться разрушенными важнейшие внутренние структуры файловой системы.

Операционные системы обычно выполняют дополнительное кэширование данных, записываемых на диск или считываемых с диска, в основной оперативной памяти компьютера. Поэтому отказы оперативной памяти, а также внезапное отключение электропитания могут привести (и обычно приводят!) к возникновению фатальных неисправностей файловой системы. Именно поэтому так важно снабжать компьютеры, и особенно серверы, устройствами бесперебойного питания. Кроме того, такие устройства должны быть в состоянии корректно завершать работу ОС компьютера без вмешательства человека. Только в этом случае отключения электропитания не приведут к потере данных.

Неисправности электроники в дисках

Несколько слов заслуживают неисправности, возникающие в самих дисковых устройствах. Помимо механических повреждений, вызванных небрежным обращением с дисками, возникают отказы электронных схем, расположенных как вне, так и внутри герметичного корпуса диска. Отказы таких электронных схем могут привести, а могут и не привести к потере данных. В нашей практике встречались случаи, когда после замены электроники удавалось полностью восстановить данные, переписав их на другой диск.

Замена контроллера диска

Иногда данные пропадают после замены дискового контроллера на контроллер другого типа (такая проблема обычно возникает с контроллерами SCSI). Операционная система в этих случаях просто отказывается монтировать диск. Выбрав правильный тип контроллера, обычно удается легко ликвидировать данную проблему, однако так бывает не всегда.

Сбои, возникающие из-за пыли

Несмотря на то что корпуса современных серверов специальным образом защищены от проникновения пыли (для этого на вентиляторы устанавливают специальные воздушные фильтры), пыль все же проникает в компьютер. Она оседает на системной плате, конструктивных элементах корпуса и контроллерах. Так как в пыли есть металлические частички, она может вызывать замыкания между соединительными линиями, расположенными на системной плате или на платах контроллеров.

Когда компьютер переносят с одного места на другое, комочки пыли перекатываются внутри корпуса и могут привести к замыканию. Именно так пропали данные на сервере у одного из наших клиентов после перестановки сервера из одной стойки в другую.

Чтобы уменьшить вероятность возникновения сбоев из-за пыли, используйте в ответственных случаях специальные пылезащищенные корпуса и периодически выполняйте профилактические работы, удаляя пыль при помощи специального "компьютерного" пылесоса.

Поиск по шаблону является настолько обычным занятием в разработке программного обеспечения, что для облегчения этой задачи была создана специальная технология — регулярные выражения. Узнайте, как можно использовать ее при написании кода, прочитав эту статью.

Все устройства получают входную информацию, выполняют какие-либо операции и выдают результат. Например, телефон во время разговора преобразует звуковую энергию в электрический сигнал и обратно. Двигатель потребляет топливо (пар, расщепление атомных ядер, бензин, мышечные усилия) и преобразует его в энергию. Блендер поглощает ром, лед, лайм и кюрасао и взбалтывает их в коктейль Mai Tai. (Или, если вам хочется чего-то изысканного, сделайте Bellini из шампанского и грушевого сока. Блендер – замечательное универсальное устройство.)

Так как программное обеспечение преобразует данные, то каждое приложение фактически является устройством (хоть и виртуальным, так как у него нет физических составляющих). Например, компилятор в качестве входной информации получает исходную программу и преобразует ее в двоичный исполняемый код. Программа прогнозирования погоды генерирует предсказания на основе результатов прошлых (исторических) замеров, а графический редактор обрабатывает пикселы, применяя правила к отдельным пикселам или их группам, чтобы, например, сделать изображение более четким или изменить его стиль.

Так же, как и любое другое устройство, программное обеспечение предназначено для работы с определенным исходным материалом, например, набором чисел, данными XML-схемы или протоколом. Если программе задать некорректную входную информацию — неподходящую по форме или типу, то существует большая вероятность того, что результат будет непредсказуемым и, возможно, даже катастрофическим. Как говорится: "Мусор заложишь - мусор получишь".

На самом деле для решения всех нетривиальных задач необходимо отделять правильные данные от некорректных и отклонять некорректные данные во избежание ошибок в результатах. Это, конечно же, актуально и для Web-приложений, написанных на языке PHP. Неважно, получены ли входные данные из формы для ввода с клавиатуры или в результате выполнения программного запроса Asynchronous JavaScript + XML (Ajax), прежде чем начать какие-либо вычисления, программа должна проверить входную информацию. Возможно, что числовые значения должны находиться в пределах определенного диапазона чисел или представлять собой только целые числа. Возможно, значение должно соответствовать определенному формату, например, почтового индекса. Например, почтовый индекс в США представляет собой пять цифр плюс дополнительный префикс "Plus 4", состоящий из дефиса и 4 дополнительных цифр. Возможно, другие строки также должны состоять из определенного количества символов, например, две буквы для указания аббревиатуры штата США. Строковые данные доставляют особенно много проблем: PHP-приложение должно быть начеку по отношению к злонамеренным программам-агентам, вложенным в SQL-запросы, код JavaScript или любой другой код, которые способны изменить поведение приложения или обойти защиту.

Однако каким образом программа может определить, являются ли входные данные числом или соответствуют ли определенным требованиям, например, к почтовому индексу? На самом деле для реализации проверки путем сопоставления с шаблоном необходим небольшой парсер, создающий конечный автомат, считывающий входные данные, обрабатывающий маркеры, отслеживающий состояние и выдающий результаты. Однако создание и обслуживание даже самого простого парсера может оказаться непростым делом.

К счастью, анализ на основе сопоставления с шаблоном настолько широко распространен в компьютерных технологиях, что с течением времени (примерно с момента появления UNIX®) были разработаны специальные технологии и, конечно же, механизмы обработки, чтобы облегчить рутинную работу. Регулярное выражение (regex) описывает шаблоны посредством лаконичных и удобочитаемых обозначений. Получив регулярное выражение и данные, механизм regex сообщает, совпадают ли эти данные с шаблоном, и если совпадение было обнаружено, что именно совпало.

Вот небольшой пример использования регулярного выражения, взятый из UNIX-утилиты, работающей в режиме командной строки, которая ищет заданный шаблон в содержимом одного или нескольких текстовых файлов UNIX. Команда grep -i -E '^Bat' ищет последовательность символов beginning-of-line (начало строки), обозначаемое "крышкой", [^]), за которым следуют буквы b, a, и t верхнего или нижнего регистра (ключ -i указывает на то, что при сопоставлении с шаблоном регистр не учитывается, таким образом, например, B и b - тождественны). Следовательно, для файла heroes.txt:

Листинг 1. heroes.txt

Код

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

Вышеупомянутая команда grep выдаст два совпадения:

Batman
Batgirl

Регулярные выражения

PHP предлагает два программных интерфейса регулярных выражений: один -- для интерфейса переносимых операционных систем (POSIX), а второй - для регулярных выражений, совместимых с языком Perl (PCRE). В общем и целом второй интерфейс является более предпочтительным, так как PCRE сам по себе мощнее, чем POSIX, и предоставляет все операторы, используемые в языке Perl. Более подробная информация по обращению к regex-функциям POSIX представлена в документации по языку PHP (см. раздел Ресурсы). В данной статье мы сосредоточим свое внимание на свойствах PCRE.

Регулярные выражения PHP PCRE содержат операторы, позволяющие путем сопоставления находить конкретные символы или другие операторы, определенные местоположения, например, начало и конец строки, начало или конец слова. Регулярные выражения также позволяют описывать альтернативы, которые можно задать альтернативы типа "или"-"или"; повторения фиксированной, изменяемой или неопределенной длины; наборы символов (например, "любая буква от a до m"); и классы, или типы символов (печатаемые символы, знаки препинания). Специальные операторы также разрешают использовать группировку — возможность применить оператор к целой группе других операторов.

В таблице 1 показаны некоторые типичные операторы регулярных выражений. Для создания сложных выражений можно последовательно объединять элементарные операторы из таблицы 1 (и другие).

Таблица 1. Типичные операторы регулярных выражений
Оператор Значение
. (точка) Любой одиночный символ
^ (крышка) Пустая последовательность в начале строки или цепочки
$ (знак доллара) Пустая последовательность в конце строки
A Буква A верхнего регистра
a Буква a нижнего регистра
\d Любая цифра
\D Любой нецифровой символ
\w Любая буква или цифра; синоним - [:alnum:]
[A-E] Любая заглавная буква из A, B, C, D или E
[^A-E] Любой символ, за исключением заглавных букв A, B, C, D или E
X? Найти совпадение по отсутствию или наличию одной заглавной буквы X
X* Ни одной или любое количество заглавных букв X
X+ Одна или несколько заглавных букв X
X{n} Ровно n заглавных букв X
X{n,m} Не менее n и не более m заглавных букв X; если опустить m, то выражение будет искать не менее n заглавных букв X
(abc|def)+ По меньшей мере одно вхождение последовательности abc и def

В следующем примере показано типичное использование регулярного выражения. Например, для web-сайта необходимо, чтобы каждый пользователь регистрировался. Имя пользователя должно начинаться с буквы и содержать от 3 до 10 буквенно-цифровых символов. Для проверки имени пользователя на соответствие ограничениям при отправке данных в приложение можно использовать следующее регулярное выражение: ^[A-Za-z][A-Za-z0-9_]{2,9}$.

Знак "крышка" соответствует началу строки. Первый набор [A-Za-z] соответствует любой букве. Второй набор [A-Za-z0-9_]{2,9} соответствует последовательности, содержащей от 2 до 9 букв, цифр или символов подчеркивания. Знак доллара ($) соответствует концу строки.

На первый взгляд, знак доллара может показаться лишним, однако его использование важно. Если его пропустить, то условиям данного регулярного выражения будет отвечать любая строка, которая начинается с буквы, содержит от 2 до 9 буквенно-цифровых символов и любое количество других символов. Иными словами, если бы не было знака доллара как привязки к концу строки, то подошла бы недопустимо длинная строка с подходящим началом, например, "martin1234-cruft" .

Программирование на языке PHP и регулярные выражения

В PHP есть функции для поиска совпадений в тексте, замены каждого совпадения на другой текст (похоже на операцию "найти и заменить") и поиска совпадений среди элементов списка. Вот эти функции:

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

Чтобы показать, как работают эти функции, давайте создадим небольшое PHP-приложение, которое будет просматривать список слов на соответствие определенному шаблону. Слова и регулярные выражения будут вводиться из обычной web-формы, а результаты отображаться в браузере посредством функции simple print_r(). Эта программка пригодится, если возникнет желание проверить или отладить регулярное выражение.

PHP-код показан в листинге 2. Все входные данные берутся из обычной HTML-формы. (Для краткости эту форму и PHP-код, отслеживающий ошибки, опустим.)

Листинг 2. Сравнение текста с шаблоном

PHP - Код

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

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

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

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

Вначале с помощью функции preg_split() строка из слов, разделенных запятыми, преобразуется в отдельные элементы. Данная функция разбивает строку в тех местах, которые соответствуют условиям регулярного выражения. В данном случае регулярное выражение представляет собой просто "," , (запятая - разделитель списка слов, указанных через запятую). Слэш в начале и в конце просто показывает начало и конец regex.

Третий и четвертый аргументы функции preg_split() необязательны, но полезны. Добавьте в третий аргумент число n целого типа, если необходимо вернуть только первые n совпадений, или -1, если необходимо вернуть все совпадения. Если в качестве четвертого аргумента задать идентификатор PREG_SPLIT_NO_EMPTY, то функция preg_split() не будет возвращать пустые результаты.

Затем каждый элемент списка слов, разделенных запятыми, корректируется (убираются начальные и конечные пробелы) с помощью функции trim() и сравнивается с заданным регулярным выражением. Функция preg_grep() существенно упрощает процесс обработки списка: просто укажите в качестве первого аргумента шаблон, а в качестве второго - массив слов для сравнения. Функция возвращает массив совпадений.

Например, если в качестве шаблона задать регулярное выражение ^[A-Za-z][A-Za-z0-9_]{2,9}$ и список слов разной длины, то можно получить результат, показанный в листинге 3.

Листинг 3. Результат работы простого регулярного выражения

Код

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

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

Array ( [0] => martin )

Кстати, с помощью дополнительного маркера PREG_GREP_INVERT можно инвертировать операцию preg_grep() и найти элементы, которые не совпадают с шаблоном (аналогично оператору grep -v в командной строке). Заменяя 22 строку на $matches = preg_grep( "/${_REQUEST[ 'regex' ]}/", $words, PREG_GREP_INVERT ) и используя входные данные из листинга 3, мы получим Array ( [1] => 1happy [2] => hermanmunster ).

Разбор строк

Функции preg_split() и preg_grep() очень удобны. Первая из них может разбирать строку на подстроки, если подстроки разделяются определенным шаблоном. Функция preg_grep() позволяет быстро отфильтровать список.

Но что произойдет, если строку нужно разобрать на составные части, используя одно или несколько сложных правил? Например, в США номера телефонов обычно выглядят следующим образом: "(305) 555-1212," "305-555-1212," или "305.555.1212." Если убрать пунктуацию, то количество символов сократится до 10 цифр, что легко можно определить с помощью регулярного выражения \d{10}. Однако код и префикс (каждый из которых состоит из трех цифр) телефонного номера США не могут начинаться с нуля или единицы (так как нуль и единица используются как префиксы для междугородных звонков). Вместо того чтобы разбивать числовую последовательность на отдельные цифры и создавать сложный код, для верификации можно использовать регулярное выражение.

Фрагмент кода позволяющий решить эту задачу, показан в листинге 4.

Листинг 4. Проверка американского телефонного номера

PHP - Код

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

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

Давайте пройдем по этому коду:

* Как показано в таблице 1, в регулярных выражениях используется ограниченный набор специальных символов, например, квадратные скобки ([ ]) для наименования последовательности. Если надо найти такой символ в тексте, необходимо "выделить" специальный символ в регулярном выражении, поставив перед ним обратный слэш (\). Когда символ выделен, можно задать его посик, как и любого другого символа. Если нужно найти символ точки, например, в полном составном имени хоста, то напишите \.. При желании строку можно подать в функцию preg_quote() которая выполняет автоматическую изоляцию всех специальных символов регулярных выражений, как показано в строке 1. Если поставить echo() $punctuation после первой строки, то вы должны увидеть \(\)\.-.
* В строке 2 из телефонного номера убираются все знаки пунктуации. Функция preg_replace() заменяет все символы из $punctuation — операторы из набора [ ] - пустой строкой, эффективно устраняя такие символы. Возвращаемая новая строка присваивается переменной $number.
* В строке 4 определен шаблон верифицируемого телефонного номера США.
* Строка 5 реализует сопоставление, сравнивая телефонный номер, который теперь состоит только из цифр, с шаблоном. Функция preg_match() возвращает 1, если есть совпадение. Если совпадения нет, функция preg_match() возвращает нулевое значение. Если во время обработки возникла ошибка, то функция возвращает значение False (ложно). Таким образом, чтобы проверить удачное завершение, необходимо посмотреть, было ли возвращено значение 1. В противном случае проверьте итоговое значение функции preg_last_error() (если используется PHP версии 5.2.0 или выше). Если оно не равно нулю, то, возможно, был превышен лимит вычислений, например, разрешенная глубина рекурсии регулярного выражения. Обсуждение констант и ограничений, применяемых в регулярных выражениях PHP, представлено на странице, посвященной функциям регулярных выражений PCRE (см. раздел Ресурсы).

Извлечение данных

Во многих случаях необходимо только получить ответ на вопрос: "Соответствуют ли данные шаблону?" – например, при проверке данных. Однако чаще регулярные выражения используются для подтверждения соответствия и получения информации о совпадении.

Вернемся к примеру с телефонным номером. Пусть при соответствии шаблону нам необходимо сохранить код, префикс и номер линии в отдельных полях базы данных. Регулярные выражения могут запоминать совпадающие с шаблоном данные с помощью оператора capture. Оператор capture обозначается круглыми скобками и может использоваться в любой части регулярного выражения. Операции capture можно делать вложенными для поиска подсегментов в извлеченных сегментах данных. Например, чтобы из 10-значного номера телефона извлечь код города, префикс и номер линии, можно использовать следующую строку:

/([2-9][0-9]{2})([2-9][0-9]{2})([0-9]{4})/


Если входные данные соответствуют шаблону, первые три цифры захватываются первой парой круглых скобок, следующие три цифры - второй парой, а последние 4 цифры - последним оператором. Модификация вызова функции preg_match() возвращает извлеченные данные.

Листинг 5. Возврат извлеченных данных функцией preg_match()

PHP - Код

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

Если в качестве третьего аргумента функции preg_match() указать переменную, например, в нашем коде, $matches, то в качестве ее значения будет выступать список извлеченных результатов. Нулевой элемент списка (с индексом 0) - это все совпадение целиком; первый элемент - совпадение, относящееся к первой паре круглых скобок, и так далее.

Вложенные операторы capture извлекают сегменты и подсегменты фактически любой глубины. Сложность с вложенными операторами capture состоит в том, чтобы определить, в какой части массива соответствий находится каждое соответствие, например, $matches. Действует следующее правило: подсчитайте порядковый номер открывающей скобки в регулярном выражении — этот номер и будет индексом нужного совпадения в массиве соответствий.

В листинге 6 показан пример (немного надуманный) извлечения частей городского адреса.

Листинг 6. Код для извлечения городского адреса

PHP - Код

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

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

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

Опять все совпадение целиком хранится по индексу 0. А где хранится номер улицы? Если считать слева направо, номер улицы проверяется \d+. Это вторая открывающая круглая скобка слева, следовательно, значением $matches[2] будет 123. В $matches[4] оказывается название города, а в $matches[6] - почтовый индекс.

Продвинутые технологии

Обработка текста – широко распространенная задача, и PHP предоставляет ряд функций, упрощающих выполнение большого числа операций. Обратите внимание на следующее:

* Функция preg_replace() может работать как с одной строкой, так и с массивом строк. Если вызвать preg_replace() для массива строк, замена будет выполнена во всех элементах массива. В этом случае код preg_replace() возвращает массив измененных строк.
* Как и во всех остальных реализациях PCRE, здесь для осуществления замены можно прибегать к сравнению с вложенным шаблоном. Для наглядности давайте рассмотрим проблему стандартизации формата телефонного номера. Заменим все знаки пунктуации точками. Наше решение показано в листинге 7.


Листинг 7. Замена знаков пунктуации точками

PHP - Код

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

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

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

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.

Последний представленный компанией Microsoft продукт семейства Windows 2003 - является прямым продолжением Windows 2000. Эта система предназначена, в основном, для серверного, а не для домашнего использования. Но некоторое количество усилий и грамотный тюнинг системы позволят превратить домашний компьютер в стабильный мультимедийный игровой сервер.

Практически ежегодно Microsoft представляет публике новую версию самого популярного своего продукта - операционной системы Windows. По традиции компания обещает, что именно эта, последняя версия наиболее стабильна, надежна и удобна. Все по той же традиции пользователи ждут "улучшений" с изрядной долей пессимизма…

Конечно, идеальной операционной системы не существует, и семейство Windows имеет как плюсы, так минусы. Однако, положа руку на сердце, признаем: прогресс, в первую очередь в стабильности, есть. Кроме того, следует учитывать, что продукцией Microsoft пользуются десятки миллионов пользователей во всем мире - и угадать конфигурацию компьютера, индивидуальные потребности к внешнему оформлению и набору программ просто невозможно. Поэтому, установив Windows на свой ПК, не рассчитывайте, что дальше система будет работать идеально - она будет работать стандартно, в расчете на среднестатистические потребности пользователя.

Семейство Windows 2003 Server (Standard, Enterprise, Web и Datacenter Edition) является прямым продолжением Windows 2000 Server. В отличие от Windows ХР, которая является гибридом Windows Ме и Windows 2000, новая система предназначена, в основном, для серверного, а не для домашнего использования. Соответственно, многие функции, присущие "домашнему" компьютеру… исчезли. Но небольшое количество усилий, грамотный тюнинг системы - и стабильный мультимедийный игровой сервер к вашим услугам!

Установка драйверов

Установка системы практически идентична инсталляции Windows ХР, поэтому не будем на ней останавливаться - основные трудности впереди.

Первое, с чем сталкивается пользователь после установки Windows 2003 Server, это отсутствие драйверов под эту версию Windows. По умолчанию большинство устройств на вашем компьютере будет работать, но… например, видеокарта без 3D-функций в наше время мало кого заинтересует.

Первый делом следует создать нового пользователя. Для этого нажимаем на кнопку Start (Пуск) и выбираем подменю Run (Выполнить). Далее вводим команду lusrmgr.msc - и попадаем в программу User Management (Управление пользователями). Правой клавишей мышки кликаем на папке User (Пользователи) в левой части окна и выбираем меню New User (Новый пользователь). Прописываем имя пользователя и, при желании, пароль. Подтверждаем создание и после этого выбираем - при помощи правой клавиши мыши - Properties (Свойства) нового пользователя. Переходим на вкладку Member of (Участник группы), нажимаем кнопку Add (Добавить), далее Find Now (Найти) и дважды кликаем на Administrators (Администраторы).

Итак, новый пользователь с правами администратора создан, остается перезагрузиться под новым логином.

Кстати, просто так перезагрузить и даже просто выключить компьютер уже не удастся. На экране появится окно, в котором система попросит указать причину перезагрузки/выключения. Зачем это нужно? Отвечать на этот вопрос предоставим компании Microsoft, а сами тем временем зайдем в уже знакомое пусковое меню и в подменю Run… (Выполнить) введем команду mmc. Выбираем меню File (Файл), а в нем Add/Remove Snap-in… (Добавить / Убрать Snap-in…). Далее следуем по пунктам меню: Add, Group Policy Object Editor, Add. После этого нажимаем кнопку Finish (Завершить). Переходим в Local Computer Policy > Computer Configuration > Administrative Templates - и выбираем папку System. Дважды кликаем на Display Shutdown Event Tracker. В появившемся меню выбираем Disabled, нажимаем и выходим из программы. Теперь перезагрузка/выключение компьютера буде проходить аналогично Windows 2000.

После того как система загружена под вновь созданным логином, следует приступить к настройке драйверов. Для этого необходимо зайти в Desktop Properties (Свойства экрана) с помощью Control Panel (Панели управления): Пуск > Панель управления > Display (Экран).

Далее переходим на последнюю вкладку - Advanced (Дополнительно) и нажимаем кнопку Troubleshoot (Неисправности). В появившемся меню передвигаем ползунок Hardware Acceleration (Аппаратное ускорение) максимально вправо. Закрываем окна и устанавливаем драйвера под видеокарту. Теперь система не будет выдавать ошибку о несовпадении версии драйвера и Windows. Кстати, для установки подходят драйверы как Windows ХР, так и Windows 2000.

По умолчанию в Windows 2003 Server установлен DirectX 8.1, но отключена поддержка 3D-функций. Кстати, самой папки DirectX в Programs Files (Программные файлы) нет, поэтому следует ввести команду dxdiag в подменю Run… (Выполнить). Открывается окно DirectX, где на вкладке Display (Экран) необходимо включить (нажать кнопки Enabled) функции аппаратного ускорения.

По мнению специалистов компании Microsoft, для полноценной работы сервера звук не обязателен. Соответственно, звуковые функции вашего компьютера по умолчанию будут отключены. В Панели управления есть вкладка Administrative Tools (Средства администрирования), внутри которой выбираем Services (Службы). В появившемся окне размещен список служб, установленных на ПК. Некоторые из них не включены, в том числе и Windows Audio. Дважды кликаем мышкой - и в появившемся окне, в поле Startup type (Способ загрузки), выбираем Automatic, нажимаем Start (Запустить). При необходимости следует выбрать в Панели управления раздел Sound and Audio Devices (Мультимедийные устройства) и в появившемся окне включить громкость звука (перетащить ползунок в крайнее правое положение).

Изменение внешнего вида

Сразу после установки Windows 2003 Server будет иметь спартанский вид (как Windows 2000). Единственное отличие: стартовое меню, частично схожее с Windows ХР. Это практично, удобно, выгодно с точки зрения экономии ресурсов - в общем, прекрасно подходит для сервера, где вид рабочего стола - далеко не самое главное. Однако на домашнем компьютере хочется видеть нечто более яркое, чем стандартные окна Windows.

Возможность преобразовать внешний вид в стиль Windows ХР есть - хотя и скрыта в недрах системы. В первую очередь необходимо включить службу Themes. Для этого заходим в службы (Control Panel > Administrative Tools > Services) и дважды кликаем на службе Themes. В появившемся окне выбираем тип запуска Automatic (Автоматически) и перезагружаем компьютер. После перезагрузки заходим в свойства экрана, кликнув для этого правой клавишей мыши на рабочем столе и выбрав пункт Properties (Свойства). На вкладке Themes выбираем вместо темы Windows Classic тему Windows XP. Теперь рабочий стол и окна приложений приобретут знакомый стиль Windows ХР.

Кроме того, в свойствах системы (Control Panel > System) на вкладке Advanced в разделе Visual Effects есть возможность дополнительной настройки визуальных эффектов Windows.

Десять шагов к идеальной системе

1. Одно из последних усовершенствований системы - параметр prefetch. Его задача заключается в ускорении загрузки приложений. Включение этого параметра не влияет на скорость слишком ощутимо, однако в бою все средства хороши. Для включения этого параметра кликните правой клавишей мыши на ярлыке нужной программы и выберите в появившемся меню пункт Properties (Свойства). В строке Object (Объект) после указания пути к файлу добавьте /prefetch:1 (пробел перед ключом обязателен).
2. Перейдите к закладке Advanced (Дополнительно) в Performance Options (Параметрах быстродействия) и убедитесь, что распределение ресурсов процессора и памяти выставлено на оптимизацию работы Programs (Программ) - указывать приоритет фоновых служб и кэша необходимо, только если ваш компьютер выполняет роль сервера. В опции Memory usage при объеме физической памяти 256 Мб и выше отметьте параметр System cache. Если же памяти на компьютере меньше 256 Мб, система будет работать быстрее при установленном значении Programs.
3. Проверим правильность настройки жесткого диска. В свойствах системы откройте Device Manager (либо, открыв свойства любого диска в Проводнике, закладка Hardware) и просмотрите свойства вашего жесткого диска. Убедитесь, что в закладке Polices стоит отметка Enable write caching on the disk. Если диск SCSI доступны следующие значения в закладке SCSI Properties: Disable Tagged Queuing и Disable Synchronous Transfers должны быть не отмечены.
4. Убедитесь, что DMA включено для всех IDE-устройств системы. Проверить это можно следующим образом: Device Manager > IDE ATA/ATAPI controllers > Primary/Secondary IDE Channel > Advanced Settings. Параметр Device Type позволяет системе автоматически определять подключенные устройства (если канал свободен, установите значение None - это немного ускорит загрузку системы).
Параметр Transfer mode Windows ставит, как правило, по умолчанию и позволяет Windows использовать максимальный DMA, поддерживаемый устройством либо PIO, убедитесь, что значение установлено DMA if available.
5. Для ускорения навигации по папкам, содержащим графические файлы, можно отметить пункт Do not cash thumbnails (Не кэшировать эскизы). Для этого следует зайти в Control Panel (Панель управления) > Folder Options (Свойства папки) > View (Вид), а заодно убрать "галочку" с пункта Remember each folder`s view setting (Помнить параметры отображения каждой папки).
6. Поиск в Windows 2003 Server по умолчанию производится и в.zip-архивах. Скорость поиска возрастет, если отключить эту службу. Для этого в командной строке необходимо набрать:

Код:

Код

regsvr32 c:winntsystem32zipfldr.dll /u

или же:

Код:

Код

regsvr32 c:windowssystem32zipfldr.dll /u

Для включения поиска в.zip-архивах:

Код:

Код

regsvr32 c:winntsystem32zipfldr.dll

или же:

Код:

Код

regsvr32 c:windowssystem32zipfldr.dll

7. В отличие от более ранних версий Windows, в процессе установки Windows 2003 Server нет возможности выбирать необходимые компоненты. Удалить/установить можно лишь незначительную часть программ (Control Panel > Add or Remove Programs > Add/Remove Windows Components). Список невелик - большая его часть скрыта от глаз неопытного пользователя.
Для решения этой проблемы открываем системную папку Inf (по умолчанию - C:WindowsInf), находим в ней файл sysoc.inf, открываем его и удаляем во всех строках слово HIDE. Главное при этом - оставить неизменным формат файла, то есть следует удалять только HIDE, оставляя запятые до и после этого слова.
Для примера - исходная строка и та, что должна получиться:

Код:

Код

msmsgs=msgrocm.dll, OcEntry, msmsgs.inf, hide,7
msmsgs=msgrocm.dll, OcEntry, msmsgs.inf,,7

Сохраняем файл sysoc.inf, открываем Add/Remove Windows Components - и видим уже значительно более длинный список.

8. Служба индексирования создает индексы содержимого и свойств документов на локальном жестком диске и на общих сетевых дисках. Имеется возможность контроля за включением сведений в индексы. Служба индексирования работает непрерывно и практически не нуждается в обслуживании. Однако процесс индексирования потребляет большое количество ресурсов процессора. Если вы не пользуетесь активно поиском по контексту файлов, данную службу можно отключить. Для этого заходим в Control Panel (Панель управления) > Add or Remove Programs (Установка и удаление программ) - Add/Remove Windows Components (Установка компонентов Windows). В появившемся списке ищем Службу индексирования и убираем "галочку".
9. Если вам не нравятся "излишества" в новом оформлении XP или конфигурация вашего компьютера не позволяют вам ими наслаждаться, интерфейс можно вернуть к "стандартному" виду. Для этого необходимо зайти в Control Panel (Панель задач) > System (Система) и перейти на вкладку Advanced (Дополнительно). Выбираем раздел настройки визуальных эффектов.
10. Довольно часто у домашнего компьютера только один пользователь, так что необходимости в пароле при запуске системы нет. В отличие от предыдущих версий, в этой Windows 2003 пароль убрать не так-то просто.
В процессе загрузки можно пропустить выбор имени пользователя и набор пароля. Выберите Run… (Выполнить) из меню Start (Пуск) и наберите control userpasswords2, что приведет к открытию окна User Accounts (Учетные записи пользователей). На вкладке Users (Пользователи) удалите флажок у позиции Users must enter a user name and password to use this computer (Требовать ввода имени пользователя и пароля). После подтверждения появится диалоговое окно, в котором система предложит ввести имя пользователя и пароль для нужной учетной записи.

Возникла необходимость програмно обращаться с определенному флеш-накопителю. Так как эти девайсы монтируются часто под разными буквами, в зависимости от порта, порядка подключения, начал искать варианты однозначного определения сабжа.

Изначально думал заставить монтироваться флешку всегда на одну-единственную букву, но к сожалению однозначного решения не нашел.

Поэтому решил определять эту букву по какому-нибудь ID устройства. Вот что получилось:

Код

Функция ПолучитьБуквуДиска(SN)
scrptCtrl = СоздатьОбъект("MSScriptControl.ScriptControl");
scrptCtrl.Language = "vbscript";
scrptCtrl.addcode("Public Function RunCodeIn1c()
|Res = vbNullString
|strComputer="".""
|strSN="""+SN+"""
|Set objWMIService = GetObject(""winmgmts:\\"" & strComputer & ""\root\CIMV2"")
|Set colItems = objWMIService.ExecQuery(_
|""Sel ect * fr om Win32_LogicalDisk where VolumeSerialNumber = '"" & strSN & ""' "",,48)
|For Each objItem in colItems
|Res = objItem.DeviceID
|Next
|RunCodeIn1c = Res
|End Function
|");
Рез = scrptCtrl.Run("RunCodeIn1c");
Возврат(Рез);
КонецФункции

Информацию о подключенных флеш-накопителях можно получить например так (в EXCEL):

Код

Private Sub CommandButton1_Click()
On Error Resume Next
strComputer = "."
Set objWMIService = GetObject("winmgmts:\\" & strComputer & "\root\cimv2")
Set colItems = objWMIService.ExecQuery("Sel ect * from Win32_LogicalDisk", , 48)
i = 0
For Each objItem In colItems
i = i + 1
Cells(i, 1) = objItem.Caption
Cells(i, 2) = objItem.Description
Cells(i, 3) = objItem.DeviceID
Cells(i, 4) = objItem.DriveType
Cells(i, 5) = objItem.FileSystem
Cells(i, 6) = objItem.InstallDate
Cells(i, 7) = objItem.FreeSpace
Cells(i, 8) = objItem.MediaType
Cells(i, 9) = objItem.PNPDeviceID
Cells(i, 10) = objItem.Name
Cells(i, 11) = objItem.PNPDeviceID
Cells(i, 12) = objItem.PowerManagementCapabilities
Cells(i, 13) = objItem.PowerManagementSupported
'Cells(i, 14) = objItem.ProtocolSupported
Cells(i, 15) = objItem.Status
Cells(i, 16) = objItem.StatusInfo
Cells(i, 17) = objItem.SystemCreationClassName
Cells(i, 18) = objItem.SystemName
Cells(i, 19) = objItem.TimeOfLastReset
Cells(i, 20) = objItem.VolumeDirty
Cells(i, 21) = objItem.SystemName
Cells(i, 22) = objItem.VolumeName
Cells(i, 23) = objItem.VolumeSerialNumber
Next
End Sub

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.


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.


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.

Расчет минимальной длительности пакета

Рис. 4.12. Расчет минимальной длительности пакета

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.


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.


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.

Векторные графические редакторы позволяют пользователю создавать и редактировать векторные изображения непосредственно на экране компьютера, а также сохранять их в различных векторных форматах, например, CDR, EPS, WMF или SVG.

Векторные графические редакторы и векторная графика.

Растровый графический редактор — специализированная программа, предназначенная для создания и обработки изображений. Подобные программные продукты нашли широкое применение в работе художников-иллюстраторов, при подготовке изображений к печати типографским способом или на фотобумаге, публикации в Интернете.

О растровых графических редакторах и растровой графике.

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.