Прежде всего, микроконтроллер это процессор со всеми его "атрибутами", плюс встроенная, энергонезависимая память (программ и данных), что позволяет отказаться от внешней памяти программ и поместить программу в его энергонезависимую память.
Это позволяет создавать очень простые (в схемотехническом отношении) и компактные устройства, выполняющие, тем не менее, достаточно сложные функции. Иногда даже диву даешься: эта маленькая "штучка" заменяет целую "груду старого железа"
Любой микроконтроллер, по своим возможностям, конечно же, уступает процессору компьютера, но тем не менее, существует весьма обширный класс устройств, которые преимущественно реализуются именно на микроконтроллерах. И в самом деле, компьютер в карман не положишь и от батареек его не запитаешь. Поэтому, во многих случаях, микроконтроллерам просто нет альтернативы. "Сердцем" микроконтроллера является арифметико - логическое устройство (АЛУ).
Проще всего его представить в виде банального калькулятора, кнопками которого управляет программа, написанная на языке ассемблер (то есть, программист). Если вдуматься, то ничего особо сложного, в механизме управления такого рода калькулятором, нет. И в самом деле, если нужно, например, сложить числа А и В, то в тексте программы сначала задаются константы А и В, а затем дается команда "сложить". Программисту вовсе не обязательно знать, что происходит с нулями и единицами (разве только только для общего развития), ведь калькулятор он на то и калькулятор, чтобы избавить пользователя от "возни" с машинными кодами и прочими "неудобоваримостями".
Когда Вы работаете с компьютером, Вам и не нужно детально знать, что происходит в дебрях операционной системы.
Если Вы туда "полезете", то "с ума сойдете", а микроконтроллер, по своей сути, есть тот же самый компьютер, но только простой. Программисту только нужно детально знать, каким именно образом "приказать железяке" сделать то, что необходимо для достижения задуманного. Микроконтроллер можно представить себе как некий универсальный "набор" многофункциональных модулей (блоков), "рычаги управления" которыми находятся в руках программиста. Этих "рычагов" достаточно большое количество, и естественно, их нужно освоить и точно знать, что именно произойдет, если "дернуть" (дать команду на языке ассемблер) за тот или иной "рычаг". Вот здесь-то уже нужно знать, как "отче наше", каждую деталь и не жалеть на это "узнавание" времени. Только таким образом пустую "болванку" (незапрограммированый ПИК) можно "заставить"
выполнять какие-то "осмысленные" действия, результат большей части которых можно проверить в симуляторе MPLAB (об этом - позднее), даже не записывая программу в ПИК.
Итак, необходим переход к "модульному" мышлению. Любой микроконтроллер можно уподобить детскому конструктору, в состав которого входит множество всяких предметов, манипулируя с которыми, можно получить тот или иной конечный "продукт". Давайте с ними разберемся и "разложим все по полочкам". В качестве примера я буду использовать один из самых распространенных PIC контроллеров PIC16F84A. Он является как бы "проматерью" более сложных ПИКов, содержит минимальный "набор" модулей и как нельзя лучше подходит для первичного "въезда в м/контроллеры".
Энергонезависимая память.
Начнем с энергонезависимой памяти (память программ и память данных).
Информация, заложенная в энергонезависимую память, сохраняется при выключении питания, и поэтому именно в нее записывается программа.
То "место" энергонезависимой памяти, куда записывается программа, называется памятью программ. Объем памяти программ может быть различен. Для PIC16F84A, он составляет 1024 слова. Это означает, что он предназначен для работы с программами, объем которых не превышает 111024 слов.
Слово памяти программ не равно одному байту (8 бит), а больше его (14 бит). Отдельная команда, которую ПИК будет в дальнейшем выполнять, занимает одно слово в памяти программ. В зависимости от названия этой команды в ассемблере, слово принимает то или иное числовое значение в машинном коде. После записи в ПИК "прошивки" программы, слова памяти программ (машинные коды) как бы "превращаются" в команды, которые располагаются, в памяти программ, в том же порядке, в котором они следуют в исходном тексте программы, написанном на языке ассемблер, и в том же порядке им присваиваются адреса, при обращении к которым, та или иная команда "извлекается" из памяти программ для ее выполнения. Последовательность же их выполнения определяется логикой программы. Это означает то, что выполнение команд может происходить не в порядке последовательного возрастания их адресов, с шагом в одну позицию (так называемый инкремент), а "скачком". Дело в том, что только уж самые простейшие программы, в пределах одного их полного цикла, обходятся без этих "скачков", называемых переходами, и выполняются строго последовательно. В остальных же случаях, так называемая (мной) "рабочая точка программы" "мечется по тексту программы как угорелая" (как раз благодаря этим самым переходам).
Термин "рабочая точка программы" - моя "самодеятельность". В свое время, я был очень сильно удивлен отсутствием чего-то подобного в информации, связанной с объяснением работы программ. Казалось бы, чего проще, по аналогии, например, с рабочей точкой транзистора, сделать более комфортным "въезд в механику" работы программ? Так нет же, как будто специально, придумываются такие "головокружительные заменители", причем, в различных случаях, разные, что запутаться в этом очень просто. Итак, рабочую точку программы можно представить себе в виде некоего "шарика от пинг-понга", который "скачет" по командам текста программы в соответствии с алгоритмом (логикой) исполнения программы. На какую команду "шарик скакнул", та команда и исполняется. После этого он "перескакивает" на другую команду, она исполняется, и т.д. Эти "скачки" происходят непрерывно и в течение всего времени включения питания устройства (исполнения программы).
Любая более-менее сложная программа разбивается на части, которые выполняют отдельные функции (своего рода программки в программе) и которые называются подпрограммами. Атрибут любой подпрограммы - функциональная законченность производимых в ней действий.
По сути своей, эта "выдумка" введена в программирование для удобства реализации принципа "разделяй и властвуй": "врага" ведь гораздо легче "разгромить по частям, чем в общей массе". Да и порядка больше.
Безусловные переходы (переходы без условия) между подпрограммами (если они последовательно не переходят одна в другую), осуществляются при помощи команд безусловных переходов, в которых обязательно указывается адрес команды в памяти программ (косвенно - в виде названия подпрограммы или метки), на которую нужно перейти. Существуют также переходы с условием (условные переходы), то есть, с задействованием так называемого стека. Более подробно о переходах я расскажу позднее. Адреса команд определяются счетчиком команд (он называется PC). То есть, каждому состоянию счетчика команд соответствует одна из команд программы. Если команда простая, то счетчик просто инкрементируется (последовательно выполняется следующая команда), а если команда сложная (например, команда перехода или возврата), то счетчик команд изменяет свое состояние "скачком", активируя соответствующую команду.
Примечание: инкремент - увеличение на единицу величины числа, с которым производится эта операция, а декремент - уменьшение на единицу (так называемые комплиментарные операции). В простейшем случае, то есть в случае отсутствия в программе переходов, счетчик команд PC, начиная с команды "старта" (нулевой адрес), многократно инкрементируется, 12 последовательно активизируя все команды в памяти программ. Это означает, что в большинстве случаев, за каждый так называемый машинный цикл (такт работы программы: для ПИКов он равен четырем периодам тактового генератора) работы ПИКа, происходит исполнение одной команды. Есть и команды исполнение которых происходит за 2 машинных цикла (м.ц.), но их меньше. Команд, которые исполняются за 3 м.ц. и более нет. Таким вот образом, на большинстве участков программы (я их называю "линейными участками"), последовательно и перебираются адреса в памяти программ (команды последовательно исполняются).
В более сложных программах, с большим количеством условных и безусловных переходов, работу счетчика команд PC можно охарактеризовать фразой "Фигаро здесь, Фигаро там". 1 машинный цикл (м.ц.) равен 4-м периодам тактового генератора ПИКа. Следовательно, при использовании кварца на 4 Мгц., 1 м.ц.=1 мкс. Выполнение программы, в рабочем режиме (кроме работы в режиме пониженного энергопотребления SLEEP), никогда не останавливается, то есть, за каждый машинный цикл (или за 2, если команда исполняется за 2 м.ц.) должно выполняться какое-либо действие (команда). Тактовый генератор, формирующий машинные циклы, работает постоянно. Если его работу прервать, то исполнение программы прекратится.
Может сложиться ложное представление о том, что работу программы можно на какое-то время остановить, используя одну или несколько команд – "пустышек", не производящих полезных действий (есть такая команда NOP). Это представление не верно, так как в этом случае, речь идет только о задержке выполнения следующих команд, а не об остановке исполнения программы. Программа исполняется и в этом случае, так как "пустышка" есть та же самая команда программы, только не производящая никаких действий (короткая задержка). Если же нужно задержать выполнение каких-либо последующих команд на относительно длительное время, то применяются специальные, циклические подпрограммы задержек, о которых я расскажу позднее. Даже тогда, когда программа "зависает" ("глюк"), она исполняется, просто только не так, как нужно. Остановить (в буквальном смысле этого слова) исполнение программы можно только прекратив работу тактового генератора. Это происходит при переходе в режим пониженного энергопотребления (SLEEP), который используется в работе достаточно специфических устройств. Например, пультов дистанционного управления (и т.д.).
Отсюда следует вывод: программы, не использующие режим SLEEP (а таких - большинство), для обеспечения непрерывного выполнения команд программы, обязательно должны быть циклическими, то есть, иметь так называемый полный цикл программы, причем, многократно повторяющийся в течение всего времени включения питания. Проще говоря, рабочая точка программы должна непрерывно (не останавливаясь) "мотать кольца" полного цикла программы (непрерывно переходить с одного "кольца" на другое).
Общие выводы:
1. Команды программы "лежат" в памяти программ в порядке расположения команд в тексте программы.
2. Адреса этих команд находятся в счетчике команд PC и каждому адресу соответствует одна из команд программы.
3. Команда активируется (исполняется), если в счетчике команд находится ее адрес.
4. Активация команд происходит либо последовательно (на "линейном" участке программы), либо с переходом ("скачком") на другую команду (при выполнении команд переходов), с которой может начинаться как подпрограмма (переход на исполнение подпрограммы), так и группа команд, выделенная меткой (переход на исполнение группы команд, которой не присвоен "статус" подпрограммы).
5. Выполнение команд программы никогда не останавливается (за исключением режима SLEEP), и поэтому программа должна быть циклической.
Кроме памяти программ, PIC16F84A имеет энергонезависимую память данных (EEPROM память данных). Она предназначена для сохранения данных, имеющих место быть на момент выключения питания устройства, в целях их использования в дальнейшем (после следующего включения питания). Так же, как и память программ, память данных состоит из ячеек, в которых "лежат" слова. Слово памяти данных равно одному байту (8 бит). В PIC16F84A, объем памяти данных составляет 64 байта. Байты, хранящиеся в памяти данных, предназначены для их считывания в стандартные 8-битные регистры, речь о которых пойдет далее. Данные из этих регистров могут быть записаны в EEPROM память данных, то есть, может быть организован обмен данными между памятью данных и регистрами. Например, именно EEPROM память данных я использовал в своем частотомере для сохранения последних, перед выключением питания, настроек. Она же используется и для установки значений промежуточной частоты. Во многих программах, память данных вообще не используется, но это "вещь" исключительно полезная, и далее я расскажу о ней подробнее.
Сеть всегда объединяет несколько абонентов, каждый из которых имеет право передавать свои пакеты. Но, как уже отмечалось, по одному кабелю одновременно передавать два (или более) пакета нельзя, иначе может возникнуть конфликт (коллизия), который приведет к искажению либо потере обоих пакетов (или всех пакетов, участвующих в конфликте). Значит, надо каким-то образом установить очередность доступа к сети (захвата сети) всеми абонентами, желающими передавать. Это относится, прежде всего, к сетям с топологиями шина и кольцо. Точно так же при топологии звезда необходимо установить очередность передачи пакетов периферийными абонентами, иначе центральный абонент просто не сможет справиться с их обработкой.
В сети обязательно применяется тот или иной метод управления обменом (метод доступа, метод арбитража), разрешающий или предотвращающий конфликты между абонентами. От эффективности работы выбранного метода управления обменом зависит очень многое: скорость обмена информацией между компьютерами, нагрузочная способность сети (способность работать с различными интенсивностями обмена), время реакции сети на внешние события и т.д. Метод управления – это один из важнейших параметров сети.
Тип метода управления обменом во многом определяется особенностями топологии сети. Но в то же время он не привязан жестко к топологии, как нередко принято считать.
Методы управления обменом в локальных сетях делятся на две группы:
* Централизованные методы, в которых все управление обменом сосредоточено в одном месте. Недостатки таких методов: неустойчивость к отказам центра, малая гибкость управления (центр обычно не может оперативно реагировать на все события в сети). Достоинство централизованных методов – отсутствие конфликтов, так как центр всегда предоставляет право на передачу только одному абоненту, и ему не с кем конфликтовать.
* Децентрализованные методы, в которых отсутствует центр управления. Всеми вопросами управления, в том числе предотвращением, обнаружением и разрешением конфликтов, занимаются все абоненты сети. Главные достоинства децентрализованных методов: высокая устойчивость к отказам и большая гибкость. Однако в данном случае возможны конфликты, которые надо разрешать.
Существует и другое деление методов управления обменом, относящееся, главным образом, к децентрализованным методам:
* Детерминированные методы определяют четкие правила, по которым чередуются захватывающие сеть абоненты. Абоненты имеют определенную систему приоритетов, причем приоритеты эти различны для всех абонентов. При этом, как правило, конфликты полностью исключены (или маловероятны), но некоторые абоненты могут дожидаться своей очереди на передачу слишком долго. К детерминированным методам относится, например, маркерный доступ (сети Token-Ring, FDDI), при котором право передачи передается по эстафете от абонента к абоненту.
* Случайные методы подразумевают случайное чередование передающих абонентов. При этом возможность конфликтов подразумевается, но предлагаются способы их разрешения. Случайные методы значительно хуже (по сравнению с детерминированными) работают при больших информационных потоках в сети (при большом трафике сети) и не гарантируют абоненту величину времени доступа. В то же время они обычно более устойчивы к отказам сетевого оборудования и более эффективно используют сеть при малой интенсивности обмена. Пример случайного метода – CSMA/CD (сеть Ethernet).
Для трех основных топологий характерны три наиболее типичных метода управления обменом.
Управление обменом в сети с топологией звезда
Для топологии звезда лучше всего подходит централизованный метод управления. Это связано с тем, что все информационные потоки проходят через центр, и именно этому центру логично доверить управление обменом в сети. Причем не так важно, что находится в центре звезды: компьютер (центральный абонент), как на рис. 1.6, или же специальный концентратор, управляющий обменом, но сам не участвующий в нем. В данном случае речь идет уже не о пассивной звезде (рис. 1.11), а о некой промежуточной ситуации, когда центр не является полноценным абонентом, но управляет обменом. Это, к примеру, реализовано в сети 100VG-AnyLAN.
Самый простейший централизованный метод состоит в следующем.
Периферийные абоненты, желающие передать свой пакет (или, как еще говорят, имеющие заявки на передачу), посылают центру свои запросы (управляющие пакеты или специальные сигналы). Центр же предоставляет им право передачи пакета в порядке очередности, например, по их физическому расположению в звезде по часовой стрелке. После окончания передачи пакета каким-то абонентом право передавать получит следующий по порядку (по часовой стрелке) абонент, имеющий заявку на передачу (рис. 4.8). Например, если передает второй абонент, то после него имеет право на передачу третий. Если же третьему абоненту не надо передавать, то право на передачу переходит к четвертому и т.д.
Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда
Рис. 4.8. Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда
В этом случае говорят, что абоненты имеют географические приоритеты (по их физическому расположению). В каждый конкретный момент наивысшим приоритетом обладает следующий по порядку абонент, но в пределах полного цикла опроса ни один из абонентов не имеет никаких преимуществ перед другими. Никому не придется ждать своей очереди слишком долго. Максимальная величина времени доступа для любого абонента в этом случае будет равна суммарному времени передачи пакетов всех абонентов сети кроме данного. Для топологии, показанной на рис. 4.8, она составит четыре длительности пакета. Никаких столкновений пакетов при этом методе в принципе быть не может, так как все решения о доступе принимаются в одном месте.
Рассмотренный метод управления можно назвать методом с пассивным центром, так как центр пассивно прослушивает всех абонентов. Возможен и другой принцип реализации централизованного управления (его можно назвать методом с активным центром).
В этом случае центр посылает запросы о готовности передавать (управляющие пакеты или специальные сигналы) по очереди всем периферийным абонентам. Тот периферийный абонент, который хочет передавать (первый из опрошенных) посылает ответ (или же сразу начинает свою передачу). В дальнейшем центр проводит сеанс обмена именно с ним. После окончания этого сеанса центральный абонент продолжает опрос периферийных абонентов по кругу (как на рис. 4.8). Если желает передавать центральный абонент, он передает вне очереди.
Как в первом, так и во втором случае никаких конфликтов быть не может (решение принимает единый центр, которому не с кем конфликтовать). Если все абоненты активны, и заявки на передачу поступают интенсивно, то все они будут передавать строго по очереди. Но центр должен быть исключительно надежен, иначе будет парализован весь обмен. Механизм управления не слишком гибок, так как центр работает по жестко заданному алгоритму. К тому же скорость управления невысока. Ведь даже в случае, когда передает только один абонент, ему все равно приходится ждать после каждого переданного пакета, пока центр опросит всех остальных абонентов.
Как правило, централизованные методы управления применяются в небольших сетях (с числом абонентов не более чем несколько десятков). В случае больших сетей нагрузка по управлению обменом на центр существенно возрастает.
Управление обменом в сети с топологией шина
При топологии шина также возможно централизованное управление. При этом один из абонентов ("центральный") посылает по шине всем остальным ("периферийным") запросы (управляющие пакеты), выясняя, кто из них хочет передать, затем разрешает передачу одному из абонентов. Абонент, получивший право на передачу, по той же шине передает свой информационный пакет тому абоненту, которому хочет. А после окончания передачи передававший абонент все по той же шине сообщает "центру", что он закончил передачу (управляющим пакетом), и "центр" снова начинает опрос (рис. 4.9).
Централизованное управление в сети с топологией шина
Рис. 4.9. Централизованное управление в сети с топологией шина
Преимущества и недостатки такого управления – те же самые, что и в случае централизованно управляемой звезды. Единственное отличие состоит в том, что центр здесь не пересылает информацию от одного абонента к другому, как в топологии активная звезда, а только управляет обменом.
Гораздо чаще в шине используется децентрализованное случайное управление, так как сетевые адаптеры всех абонентов в данном случае одинаковы, и именно этот метод наиболее органично подходит шине. При выборе децентрализованного управления все абоненты имеют равные права доступа к сети, то есть особенности топологии совпадают с особенностями метода управления. Решение о том, когда можно передавать свой пакет, принимается каждым абонентом на месте, исходя только из анализа состояния сети. В данном случае возникает конкуренция между абонентами за захват сети, и, следовательно, возможны конфликты между ними и искажения передаваемой информации из-за наложения пакетов.
Существует множество алгоритмов доступа или, как еще говорят, сценариев доступа, порой очень сложных. Их выбор зависит от скорости передачи в сети, длины шины, загруженности сети (интенсивности обмена или трафика сети), используемого кода передачи.
Иногда для управления доступом к шине применяется дополнительная линия связи, что позволяет упростить аппаратуру контроллеров и методы доступа, но заметно увеличивает стоимость сети за счет удвоения длины кабеля и количества приемопередатчиков. Поэтому данное решение не получило широкого распространения.
Суть всех случайных методов управления обменом довольно проста.
Если сеть свободна (то есть никто не передает своих пакетов), то абонент, желающий передавать, сразу начинает свою передачу. Время доступа в этом случае равно нулю.
Если же в момент возникновения у абонента заявки на передачу сеть занята, то абонент, желающий передавать, ждет освобождения сети. В противном случае исказятся и пропадут оба пакета. После освобождения сети абонент, желающий передавать, начинает свою передачу.
Возникновение конфликтных ситуаций (столкновений пакетов, коллизий), в результате которых передаваемая информация искажается, возможно в двух случаях.
* При одновременном начале передачи двумя или более абонентами, когда сеть свободна (рис. 4.10). Это ситуация довольно редкая, но все-таки вполне возможная.
* При одновременном начале передачи двумя или более абонентами сразу после освобождения сети (рис. 4.11). Это ситуация наиболее типична, так как за время передачи пакета одним абонентом вполне может возникнуть несколько новых заявок на передачу у других абонентов.
Существующие случайные методы управления обменом (арбитража) различаются тем, как они предотвращают возможные конфликты или же разрешают уже возникшие. Ни один конфликт не должен нарушать обмен, все абоненты должны, в конце концов, передать свои пакеты.
В процессе развития локальных сетей было разработано несколько разновидностей случайных методов управления обменом.
Коллизии в случае начала передачи при свободной сети
Рис. 4.10. Коллизии в случае начала передачи при свободной сети
Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети
Рис. 4.11. Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети
Например, был предложен метод, при котором не все передающие абоненты распознают коллизию, а только те, которые имеют меньшие приоритеты. Абонент с максимальным приоритетом из всех, начавших передачу, закончит передачу своего пакета без ошибок. Остальные, обнаружив коллизию, прекратят свою передачу и будут ждать освобождения сети для новой попытки. Для контроля коллизии каждый передающий абонент производит побитное сравнение передаваемой им в сеть информации и данных, присутствующих в сети. Побеждает тот абонент, заголовок пакета которого дольше других не искажается от коллизии. Этот метод, называемый децентрализованным кодовым приоритетным методом, отличается низким быстродействием и сложностью реализации.
При другом методе управления обменом каждый абонент начинает свою передачу после освобождения сети не сразу, а, выдержав свою, строго индивидуальную задержку, что предотвращает коллизии после освобождения сети и тем самым сводит к минимуму общее количество коллизий. Максимальным приоритетом в этом случае будет обладать абонент с минимальной задержкой. Столкновения пакетов возможны только тогда, когда два и более абонентов захотели передавать одновременно при свободной сети. Этот метод, называемый децентрализованным временным приоритетным методом, хорошо работает только в небольших сетях, так как каждому абоненту нужно обеспечить свою индивидуальную задержку.
В обоих случаях имеется система приоритетов, все же данные методы относятся к случайным, так как исход конкуренции невозможно предсказать. Случайные приоритетные методы ставят абонентов в неравные условия при большой интенсивности обмена по сети, так как высокоприоритетные абоненты могут надолго заблокировать сеть для низкоприоритетных абонентов.
[pagebreak]
Чаще всего система приоритетов в методе управления обменом в шине отсутствует полностью. Именно так работает наиболее распространенный стандартный метод управления обменом CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), используемый в сети Ethernet. Его главное достоинство в том, что все абоненты полностью равноправны, и ни один из них не может надолго заблокировать обмен другому (как в случае наличия приоритетов). В этом методе коллизии не предотвращаются, а разрешаются.
Суть метода состоит в том, что абонент начинает передавать сразу, как только он выяснит, что сеть свободна. Если возникают коллизии, то они обнаруживаются всеми передающими абонентами. После чего все абоненты прекращают свою передачу и возобновляют попытку начать новую передачу пакета через временной интервал, длительность которого выбирается случайным образом. Поэтому повторные коллизии маловероятны.
Еще один распространенный метод случайного доступа – CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – множественный доступ с контролем несущей и избежанием коллизий) применяющийся, например, в сети Apple LocalTalk. Абонент, желающий передавать и обнаруживший освобождение сети, передает сначала короткий управляющий пакет запроса на передачу. Затем он заданное время ждет ответного короткого управляющего пакета подтверждения запроса от абонента-приемника. Если ответа нет, передача откладывается. Если ответ получен, передается пакет. Коллизии полностью не устраняются, но в основном сталкиваются управляющие пакеты. Столкновения информационных пакетов выявляются на более высоких уровнях протокола.
Подобные методы будут хорошо работать только при не слишком большой интенсивности обмена по сети. Считается, что приемлемое качество связи обеспечивается при нагрузке не выше 30—40% (то есть когда сеть занята передачей информации примерно на 30—40% всего времени). При большей нагрузке повторные столкновения учащаются настолько, что наступает так называемый коллапс или крах сети, представляющий собой резкое падение ее производительности.
Недостаток всех случайных методов состоит еще и в том, что они не гарантируют величину времени доступа к сети, которая зависит не только от выбора задержки между попытками передачи, но и от общей загруженности сети. Поэтому, например, в сетях, выполняющих задачи управления оборудованием (на производстве, в научных лабораториях), где требуется быстрая реакция на внешние события, сети со случайными методами управления используются довольно редко.
При любом случайном методе управления обменом, использующем детектирование коллизии (в частности, при CSMA/CD), возникает вопрос о том, какой должна быть минимальная длительность пакета, чтобы коллизию обнаружили все начавшие передавать абоненты. Ведь сигнал по любой физической среде распространяется не мгновенно, и при больших размерах сети (диаметре сети) задержка распространения может составлять десятки и сотни микросекунд. Кроме того, информацию об одновременно происходящих событиях разные абоненты получают не в одно время. С тем чтобы рассчитать минимальную длительность пакета, следует обратиться к рис. 4.12.
Пусть L – полная длина сети, V – скорость распространения сигнала в используемом кабеле. Допустим, абонент 1 закончил свою передачу, а абоненты 2 и 3 захотели передавать во время передачи абонента 1 и ждали освобождения сети.
После освобождения сети абонент 2 начнет передавать сразу же, так как он расположен рядом с абонентом 1. Абонент 3 после освобождения сети узнает об этом событии и начнет свою передачу через временной интервал прохождения сигнала по всей длине сети, то есть через время L/V. При этом пакет от абонента 3 дойдет до абонента 2 еще через временной интервал L/V после начала передачи абонентом 3 (обратный путь сигнала). К этому моменту передача пакета абонентом 2 не должна закончиться, иначе абонент 2 так и не узнает о столкновении пакетов (о коллизии), в результате чего будет передан неправильный пакет.
Получается, что минимально допустимая длительность пакета в сети должна составлять 2L/V, то есть равняться удвоенному времени распространения сигнала по полной длине сети (или по пути наибольшей длины в сети). Это время называется двойным или круговым временем задержки сигнала в сети или PDV (Path Delay Value). Этот же временной интервал можно рассматривать как универсальную меру одновременности любых событий в сети.
Стандартом на сеть задается как раз величина PDV, определяющая минимальную длину пакета, и из нее уже рассчитывается допустимая длина сети. Дело в том, что скорость распространения сигнала в сети для разных кабелей отличается. Кроме того, надо еще учитывать задержки сигнала в различных сетевых устройствах. Расчетам допустимых конфигураций сети Ethernet посвящена глава 10.
Отдельно следует остановиться на том, как сетевые адаптеры распознают коллизию в кабеле шины, то есть столкновение пакетов. Ведь простое побитное сравнение передаваемой абонентом информации с той, которая реально присутствует в сети, возможно только в случае самого простого кода NRZ, используемого довольно редко. При применении манчестерского кода, который обычно подразумевается в случае метода управления обменом CSMA/CD, требуется принципиально другой подход.
Как уже отмечалось, сигнал в манчестерском коде всегда имеет постоянную составляющую, равную половине размаха сигнала (если один из двух уровней сигнала нулевой). Однако в случае столкновения двух и более пакетов (при коллизии) это правило выполняться не будет. Постоянная составляющая суммарного сигнала в сети будет обязательно больше или меньше половины размаха (рис. 4.13). Ведь пакеты всегда отличаются друг от друга и к тому же сдвинуты друг относительно друга во времени. Именно по выходу уровня постоянной составляющей за установленные пределы и определяет каждый сетевой адаптер наличие коллизии в сети.
Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода
Рис. 4.13. Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода
Задача обнаружения коллизии существенно упрощается, если используется не истинная шина, а равноценная ей пассивная звезда (рис. 4.14).
Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда
Рис. 4.14. Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда
При этом каждый абонент соединяется с центральным концентратором, как правило, двумя кабелями, каждый из которых передает информацию в своем направлении. Во время передачи своего пакета абоненту достаточно всего лишь контролировать, не приходит ли ему в данный момент по встречному кабелю (приемному) другой пакет. Если встречный пакет приходит, то детектируется коллизия. Точно так же обнаруживает коллизии и концентратор.
Управление обменом в сети с топологией кольцо
Кольцевая топология имеет свои особенности при выборе метода управления обменом. В этом случае важно то, что любой пакет, посланный по кольцу, последовательно пройдя всех абонентов, через некоторое время возвратится в ту же точку, к тому же абоненту, который его передавал (так как топология замкнутая). Здесь нет одновременного распространения сигнала в две стороны, как в топологии шина. Как уже отмечалось, сети с топологией кольцо бывают однонаправленными и двунаправленными. Наиболее распространены однонаправленные.
В сети с топологией кольцо можно использовать различные централизованные методы управления (как в звезде), а также методы случайного доступа (как в шине), но чаще выбирают все-таки специфические методы управления, в наибольшей степени соответствующие особенностям кольца.
Самые популярные методы управления в кольцевых сетях маркерные (эстафетные), те, которые используют маркер (эстафету) – небольшой управляющий пакет специального вида. Именно эстафетная передача маркера по кольцу позволяет передавать право на захват сети от одного абонента к другому. Маркерные методы относятся к децентрализованным и детерминированным методам управления обменом в сети. В них нет явно выраженного центра, но существует четкая система приоритетов, и потому не бывает конфликтов.
Работа маркерного метода управления в сети с топологией кольцо представлена на рис. 4.15.
Рис. 4.15. Маркерный метод управления обменом (СМ—свободный маркер, ЗМ— занятый маркер, МП— занятый маркер с подтверждением, ПД—пакет данных)
По кольцу непрерывно ходит специальный управляющий пакет минимальной длины, маркер, предоставляющий абонентам право передавать свой пакет. Алгоритм действий абонентов:
1. Абонент 1, желающий передать свой пакет, должен дождаться прихода к нему свободного маркера. Затем он присоединяет к маркеру свой пакет, помечает маркер как занятый и отправляет эту посылку следующему по кольцу абоненту.
2. Все остальные абоненты (2, 3, 4), получив маркер с присоединенным пакетом, проверяют, им ли адресован пакет. Если пакет адресован не им, то они передают полученную посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
3. Если какой-то абонент (в данном случае это абонент 2) распознает пакет как адресованный ему, то он его принимает, устанавливает в маркере бит подтверждения приема и передает посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
4. Передававший абонент 1 получает свою посылку, прошедшую по всему кольцу, обратно, помечает маркер как свободный, удаляет из сети свой пакет и посылает свободный маркер дальше по кольцу. Абонент, желающий передавать, ждет этого маркера, и все повторяется снова.
Приоритет при данном методе управления получается географический, то есть право передачи после освобождения сети переходит к следующему по направлению кольца абоненту от последнего передававшего абонента. Но эта система приоритетов работает только при большой интенсивности обмена. При малой интенсивности обмена все абоненты равноправны, и время доступа к сети каждого из них определяется только положением маркера в момент возникновения заявки на передачу.
В чем-то рассматриваемый метод похож на метод опроса (централизованный), хотя явно выделенного центра здесь не существует. Однако некий центр обычно все-таки присутствует. Один из абонентов (или специальное устройство) должен следить, чтобы маркер не потерялся в процессе прохождения по кольцу (например, из-за действия помех или сбоя в работе какого-то абонента, а также из-за подключения и отключения абонентов). В противном случае механизм доступа работать не будет. Следовательно, надежность управления в данном случае снижается (выход центра из строя приводит к полной дезорганизации обмена). Существуют специальные средства для повышения надежности и восстановления центра контроля маркера.
Основное преимущество маркерного метода перед CSMA/CD состоит в гарантированной величине времени доступа. Его максимальная величина, как и при централизованном методе, составит (N-1)• tпк, где N – полное число абонентов в сети, tпк – время прохождения пакета по кольцу. Вообще, маркерный метод управления обменом при большой интенсивности обмена в сети (загруженность более 30—40%) гораздо эффективнее случайных методов. Он позволяет сети работать с большей нагрузкой, которая теоретически может даже приближаться к 100%.
Метод маркерного доступа используется не только в кольце (например, в сети IBM Token Ring или FDDI), но и в шине (в частности, сеть Arcnet-BUS), а также в пассивной звезде (к примеру, сеть Arcnet-STAR). В этих случаях реализуется не физическое, а логическое кольцо, то есть все абоненты последовательно передают друг другу маркер, и эта цепочка передачи маркеров замкнута в кольцо (рис. 4.16). При этом совмещаются достоинства физической топологии шина и маркерного метода управления.
Применение маркерного метода управления в шине
Рис. 4.16. Применение маркерного метода управления в шине
Средой передачи информации называются те линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами. В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются проводные или кабельные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети, которые сейчас находят все более широкое применение, особенно в портативных компьютерах.
Информация в локальных сетях чаще всего передается в последовательном коде, то есть бит за битом. Такая передача медленнее и сложнее, чем при использовании параллельного кода. Однако надо учитывать то, что при более быстрой параллельной передаче (по нескольким кабелям одновременно) увеличивается количество соединительных кабелей в число раз, равное количеству разрядов параллельного кода (например, в 8 раз при 8-разрядном коде). Это совсем не мелочь, как может показаться на первый взгляд. При значительных расстояниях между абонентами сети стоимость кабеля вполне сравнима со стоимостью компьютеров и даже может превосходить ее. К тому же проложить один кабель (реже два разнонаправленных) гораздо проще, чем 8, 16 или 32. Значительно дешевле обойдется также поиск повреждений и ремонт кабеля.
Но это еще не все. Передача на большие расстояния при любом типе кабеля требует сложной передающей и приемной аппаратуры, так как при этом необходимо формировать мощный сигнал на передающем конце и детектировать слабый сигнал на приемном конце. При последовательной передаче для этого требуется всего один передатчик и один приемник. При параллельной же количество требуемых передатчиков и приемников возрастает пропорционально разрядности используемого параллельного кода. В связи с этим, даже если разрабатывается сеть незначительной длины (порядка десятка метров) чаще всего выбирают последовательную передачу.
К тому же при параллельной передаче чрезвычайно важно, чтобы длины отдельных кабелей были точно равны друг другу. Иначе в результате прохождения по кабелям разной длины между сигналами на приемном конце образуется временной сдвиг, который может привести к сбоям в работе или даже к полной неработоспособности сети. Например, при скорости передачи 100 Мбит/с и длительности бита 10 нс этот временной сдвиг не должен превышать 5—10 нс. Такую величину сдвига дает разница в длинах кабелей в 1—2 метра. При длине кабеля 1000 метров это составляет 0,1—0,2%.
Надо отметить, что в некоторых высокоскоростных локальных сетях все-таки используют параллельную передачу по 2—4 кабелям, что позволяет при заданной скорости передачи применять более дешевые кабели с меньшей полосой пропускания. Но допустимая длина кабелей при этом не превышает сотни метров. Примером может служить сегмент 100BASE-T4 сети Fast Ethernet.
Промышленностью выпускается огромное количество типов кабелей, например, только одна крупнейшая кабельная компания Belden предлагает более 2000 их наименований. Но все кабели можно разделить на три большие группы:
* электрические (медные) кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на экранированные (shielded twisted pair, STP) и неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP);
* электрические (медные) коаксиальные кабели (coaxial cable);
* оптоволоконные кабели (fiber optic).
Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию.
Можно выделить следующие основные параметры кабелей, принципиально важные для использования в локальных сетях:
* Полоса пропускания кабеля (частотный диапазон сигналов, пропускаемых кабелем) и затухание сигнала в кабеле. Два этих параметра тесно связаны между собой, так как с ростом частоты сигнала растет затухание сигнала. Надо выбирать кабель, который на заданной частоте сигнала имеет приемлемое затухание. Или же надо выбирать частоту сигнала, на которой затухание еще приемлемо. Затухание измеряется в децибелах и пропорционально длине кабеля.
* Помехозащищенность кабеля и обеспечиваемая им секретность передачи информации. Эти два взаимосвязанных параметра показывают, как кабель взаимодействует с окружающей средой, то есть, как он реагирует на внешние помехи, и насколько просто прослушать информацию, передаваемую по кабелю.
* Скорость распространения сигнала по кабелю или, обратный параметр – задержка сигнала на метр длины кабеля. Этот параметр имеет принципиальное значение при выборе длины сети. Типичные величины скорости распространения сигнала – от 0,6 до 0,8 от скорости распространения света в вакууме. Соответственно типичные величины задержек – от 4 до 5 нс/м.
* Для электрических кабелей очень важна величина волнового сопротивления кабеля. Волновое сопротивление важно учитывать при согласовании кабеля для предотвращения отражения сигнала от концов кабеля. Волновое сопротивление зависит от формы и взаиморасположения проводников, от технологии изготовления и материала диэлектрика кабеля. Типичные значения волнового сопротивления – от 50 до 150 Ом.
В настоящее время действуют следующие стандарты на кабели:
* EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard) – американский;
* ISO/IEC IS 11801 (Generic cabling for customer premises) – международный;
* CENELEC EN 50173 (Generic cabling systems) – европейский.
Эти стандарты описывают практически одинаковые кабельные системы, но отличаются терминологией и нормами на параметры.
Жесткие диски (винчестеры), как электромеханические устройства, являются одним из самых ненадежных компонентов современного компьютера. Несмотря на то, что в большинстве случаев срок службы последних соизмерим, и даже превосходит время их эксплуатации до момента морального устаревания и замены более новыми моделями, все же отдельные экземпляры выходят из строя в течение первых месяцев эксплуатации. Выход жесткого диска из строя - самое худшее, что может случиться с вашим компьютером, так как при этом часто необратимо теряются накопленные на нем данные. Если резервная копия по какой-то причине отсутствует, то суммарный ущерб от поломки заметно превышает номинальную стоимость современных винчестеров.
Многие фирмы, пользуясь ситуацией, предлагают свои услуги по восстановлению информации с вышедшего из строя накопителя. Очевидно, это обходится недешево и целесообразно только тогда, когда на диске находилось что-то действительно ценное. В противном случае легче просто смириться с потерей.
Ремонт жестких дисков требует специального оборудования и практически невозможен в домашних условиях. Так, например, для вскрытия контейнера необходима особо чистая от пыли комната. Казалось бы, положение безнадежно и нечего даже помышлять о восстановлении поломанного диска в домашних условиях. Но, к счастью, не все поломки настолько серьезны, и во многих случаях можно обойтись для ремонта подручными (а иногда чисто программными) средствами.
Один из самых частых отказов винчестеров фирмы western digital (а также и некоторых других) выглядит следующим образом: жесткий диск не опознается bios, а головки при этом отчетливо стучат. Скорее всего, по какой-то причине не работает блок термокалибровки, и устройство не может обеспечить нужный зазор между головкой и рабочей поверхностью "блина". Обычно это происходит при отклонении от нормального температурного режима эксплуатации, например, в зимнее время, когда жесткие диски в плохо отапливаемых помещениях "выстывают" за ночь (при температуре 18...210С жесткий диск часто может исправно функционировать и с испорченным механизмом термокалибровки). Попробуйте дать поработать винчестеру в течение нескольких часов, чтобы он прогрелся, при этом рано или поздно винчестер попадает в необходимый диапазон температур и работоспособность (возможно, временно) восстанавливается. Разумеется, первым делом нужно скопировать всю информацию, поскольку работоспособность такого диска уже не гарантируется. То же можно рекомендовать и в отношении устаревших моделей без термокалибровки; часто они оказываются зависимыми от температурного режима, и с ростом износа винчестера эта зависимость проявляется все сильнее.
Вторым по распространенности отказом является выход из строя модуля диагностики при полной исправности остальных компонентов. Как это ни покажется парадоксальным, но полностью рабочий винчестер не проходит диагностику. При этом в регистре ошибок (порт ox1f1 для первого жесткого диска) могут содержаться значения, приведенные ниже:
Диагностические ошибки
Бит Содержимое Источник ошибки
7 0 Ошибка master диска
1 Ошибка slave диска
2-0 011 Ошибка секторного буфера
100 Ошибка контрогльной суммы, не устранимая избыточным кодированием
101 Ошибка микроконтроллера
Разные biosы могут различно реагировать на такую ситуацию, но все варианты сводятся к одному - жесткий диск не определяется и не "чувствуется". Однако на уровне портов ввода/вывода устройство функционирует отлично. Заметим, что существуют такие материнские платы (особенно среди новых моделей), которые, обнаружив ошибку микроконтроллера винчестера, просто отключают питание жесткого диска. Несложно написать для испорченного таким образом винчестера драйвер, который обеспечит работу с диском через высокоуровневый интерфейс int 0x13. Например, следующая процедура обеспечивает посекторное чтение и запись через порты ввода/вывода для первого жесткого диска в chs режиме.
lba mode для упрощения понимания не поддерживается. Необходимую техническую информацию обычно можно найти на сайте производителя вашего жесткого диска.
Этот фрагмент может служить вполне работоспособным ядром для драйвера 16-ти разрядного режима. Для упрощения понимания не включена задержка после каждого обращения к порту. В зависимости от соотношений скорости вашего процессора и контроллера диска эта задержка может и не потребоваться (в противном случае рекомендуется читать регистр статуса ox1f7, дожидаясь готовности контроллера). При этом не следует спешить с заменой такого жесткого диска на новый, с подобной неисправностью можно успешно работать не год и не два. Последнее, правда, лишь при условии, что все используемое программное обеспечение не будет конфликтовать с нестандартным драйвером. Писать драйвер, скорее всего, придется вам самому, поскольку не известно ни одной коммерческой разработки в этом направлении, а все любительские разработки выполнены в основном "под себя". Так, например, драйвер от kpnc hddfix3a поддерживает только винчестеры primary master до пятисот мегабайт и не работает в среде windows 95 (разработан на год раньше ее появления).
Более легкий, но не всегда осуществимый путь - запретить тестирование жестких дисков biosом или, по крайней мере, игнорировать результаты такового. Как это осуществить, можно прочесть в руководстве на материнскую плату (или обратиться за помощью к службе технической поддержки фирмы-производителя, поскольку в руководствах пользователя такие тонкости нередко опускают). Например, попробуйте установить "halt on" в "never" или перезаписать flach bios, модифицировав его так, чтобы тот не выполнял подобную проверку. Если Вам повезет, жесткий диск заработает! Однако иногда все же происходят и аппаратные отказы. Например, у винчестеров фирм samsung и conner отмечены случаи отказа модуля трансляции мультисекторного чтения/записи. Если это не будет обнаружено внутренним тестом устройства, то такой жесткий диск вызовет зависание операционной системы на стадии ее загрузки. Для предотвращения этого достаточно добавить в config.sys ключ multi-track=off и отключить аналогичные опции в blose. При этом, проиграв в скорости, все же можно заставить жесткий диск сносно работать. Понятно, что эксплуатировать восстановленный таким образом диск длительное время нерационально по причине потери быстродействия. Лучше приобрести новый, на который и скопировать всю информацию. С другой стороны, такой жесткий диск все же остается полностью рабочим и успешно может служить, например, в качестве резервного.
На том же connere эпизодически выходит из строя блок управления позиционированием головок, так что последние уже не могут удержаться на дорожке и при обращении к следующему сектору немного "уползают". При этом считывание на выходе дает ошибочную информацию, а запись необратимо затирает соседние сектора. Бороться с этим можно позиционированием головки перед каждой операцией записи/чтения, обрабатывая за один проход не более сектора. Понятно, что для этого необходимо вновь садиться за написание собственного драйвера. К счастью, он достаточно простой (можно использовать аппаратное прерывание от жесткого диска int 0x76 irq14, вставив в тело обработчика команду сброса контроллера. В данном случае подразумевается, что контроллер используемого жесткого диска проводит рекалибровку головки во время операции сброса. Некоторые модели этого не делают. В этом случае придется прибегнуть к операции позиционирования головки (функция ОхС дискового сервиса 0x13). Первые модели от вторых можно отличить временем, требуемым на сброс контроллера. Понятно, что электроника "сбрасывается" мгновенно, а позиционирование головки требует хоть и не большого, но все же заметного времени. Современные модели с поддержкой кэширования этого часто не делают или "откладывают" операции с головкой до первого к ней обращения. Разумеется, в этом случае кэширование придется выключить. Большинство bios позволяет это делать без труда, и нет нужды программировать контроллер самостоятельно. В другом случае вышедший из строя блок позиционирования (трансляции) подводит головки вовсе не к тому сектору, который запрашивался. Например, головки могли физически сместиться с оси, "уползая" в сторону. Разумеется, этот дефект можно скорректировать программно, достаточно проанализировать ситуацию и логику искажения трансляции. Многие модели позиционируют головку, используя разметку диска, что страхует от подобных поломок (к сожалению, сейчас от такого подхода большинство фирм отказались, выигрывая в скорости).
Конечно, все описанные программные подходы в действительности не устраняют неисправность, а только позволяют скопировать с казалось бы уже нерабочего винчестера ценные и еще не сохраненные данные. При этом ни к чему писать универсальный драйвер для win32 и защищенного режима. Вполне можно ограничиться dos-режимом. Для копирования файлов последнего должно оказаться вполне достаточно, конечно за исключением тех случаев, когда диск был отформатирован под ntsf или другую, не поддерживаемую ms-dos, систему. К счастью, для многих из них есть драйверы, которые позволяют "видеть" подобные разделы даже из "голой" ms-dos. В крайнем случае, можно ограничиться посекторным копированием на винчестер точно такой же топологии. При этом совершенно не имеет значения используемая файловая система и установленная операционная система.
Посекторно скопировать диск на винчестер с иной топологией трудно, но возможно. Дело в том, что многие современные контроллеры жестких дисков позволяют пользователю менять трансляцию произвольным образом. Для этого необходимо приобрести винчестер, поддерживающий lba-режим (а какой из современных жестких дисков его не поддерживает?). При этом он может быть даже большего объема, нежели исходный, но это никак не помешает копированию. Другой вопрос, что без переразбиения скопированный таким образом диск не "почувствует" дополнительных дорожек и следует запустить norton disk doctor, который устранит эту проблему.
Достаточно часто нарушается вычисление зон предком-пенсации. Дело в том, что плотность записи на разных цилиндрах не одинакова, так как линейная скорость растет от центра диска к периферии. Разумеется, гораздо легче постепенно уплотнять записи, нежели искать некий усредненный компромисс. На всех существующих моделях плотность записи изменяется скачкообразно и на последних моделях программно доступна через соответствующие регистры контроллера. При этом значения, выставленные в bios, практически любой жесткий диск (с интерфейсом ide) просто игнорирует. Предыдущие модели не имели с этим проблем, и только винчестеры, выпущенные в течение последних двух лет, склонны к подобным поломкам. Скорее, даже не к поломкам, а к сбоям, в результате которых искажается хранимая где-то в недрах жесткого диска информация. Если контроллер позволяет ее программно корректировать, то считайте, что ваш жесткий диск спасен. Конечно, придется пройти сквозь мучительные попытки угадать оригинальные значения, однако это можно делать и автоматическим перебором до тех пор, пока винчестер не начнет без ошибок читать очередную зону. Помните, что любая запись на диск способна нарушить низкоуровневую разметку винчестера, после чего последний восстановлению не подлежит и его останется только выкинуть. Производите только чтение секторов!
Если же контроллер не позволяет программно управлять предкомпенсацией, то еще не все потеряно. Попробуйте перед каждым обращением делать сброс контроллера, а точнее, его рекалибровку (команда ixh). В некоторых случаях это срабатывает, поскольку с целью оптимизации скорости обмена предкомпенсацией обычно управляет не один блок. И, кроме того, иногда контроллер кэша не учитывает предкомпенсацию, а его сброс реализует последнюю аппаратно. К сожалению, это по большей части догадки и результаты экспериментов автора, так как техническая документация фирм-производителей по этому поводу не отличается полнотой, а местами содержит противоречия. Можно испытать и другой способ - попробовать перезаписать микрокод контроллера (команда 92h). Конечно, это доступно только для специалистов очень высокого класса, но ведь доступно! Заметим, что не все контроллеры поддерживают такую операцию. С другой стороны, это и хорошо, так как уменьшает вероятность сбоя и не дает некорректно работающим программам (вирусам в том числе) испортить дорогое устройство. Жесткие диски от samsung обладают еще одной неприятной особенностью - часто при подключении шлейфа "на лету", при включенном питании, они перестают работать. Внешне это выглядит так: индикатор обращения к диску постоянно горит, но диск даже не определяется biosom, или определяется, но все равно не работает. Близкое рассмотрение показывает, что на шине пропадает сигнал готовности устройства. В остальном контроллер остается неповрежденным. Разумеется, если не обращать внимание на отсутствие сигнала готовности, то с устройством можно общаться, делая вручную необходимые задержки (поскольку физическую готовность устройства уже узнать не представляется возможным, приходится делать задержки с изрядным запасом времени). При этом, к сожалению, придется отказаться от dma-mode (а уж тем более ultra-dma) и ограничиться pio 1 (с небольшим риском - pio 2) режимом. Конечно, писать соответствующий драйвер вам придется опять самостоятельно. Разумеется, скорость обмена в режиме pio 1 по сегодняшним меркам совершенно неудовлетворительна и не годится ни для чего другого, кроме как копирования информации со старого на новый винчестер, но некоторые "нечистоплотные" продавцы компьютерной техники как-то ухитряются устанавливать подобные экземпляры на продаваемые машины. Будьте осторожны! Учитывая, что написание подобных драйверов для win32 - трудоемкое занятие, большинство ограничивается поддержкой одной лишь ms-dos, и вовсе не факт, что компьютер, демонстрирующий загрузку win95, содержит исправный, а не реанимированный подобным образом жесткий диск.
У жестких дисков фирмы samsung при подключении "налету" может появляться другой неприятный дефект - при запросах на чтение контроллер периодически "повисает" и не завершает операцию. В результате "замирает" вся операционная система (впрочем, windows nt с этим справляется, но, вероятно, не всегда). На первый взгляд может показаться, что с этого винчестера несложно скопировать ценные файлы, но при попытке выполнить это выясняется, что диск "зависает" все чаще и чаще и копирование растягивается до бесконечности. Однако если выполнить сброс контроллера, то можно будет повторить операцию. Это можно сделать аппарат -но, подпаяв одну кнопку на линию сброса и статуса. Последнее нужно для указания на ошибочную ситуацию, чтобы операционная система повторила незавершенную операцию. Если этого не сделать, то часть секторов не будет реально прочитана (записана). Или можно выполнять сброс автоматически, например, по таймеру. Чтобы не сталкиваться с подобной ситуацией, никогда не следует подсоединять/отсоединять винчестер при включенном питании. Очень часто это приводит к подобным ошибкам, хотя производители других фирм, по-видимому, как-то от этого все же защищаются, ибо аналогичной ситуации у них практически не встречается. Все же не стоит искушать судьбу... От аппаратных ошибок теперь перейдем к дефектам поверхности. Заметим сразу, что последнее встречается гораздо чаще и проявляется намного коварнее. Обычно это ситуация, в которой мало что можно предпринять. Но достичь главной цели - спасти как можно больше уцелевших данных - довольно часто удается. Возьмем такую типичную ситуацию как ошибка чтения сектора. Маловероятно, чтобы сектор был разрушен целиком. Чаще всего "сыплется" только какая-то его часть, а все остальные данные остаются неискаженными. Существуют контроллеры двух типов. Первые, обнаружив расхождение контрольной суммы считанного сектора, все же оставляют прочитанные данные в буфере и позволяют их извлечь оттуда, проигнорировав ошибку чтения. Вторые либо очищают буфер, либо просто не сбрасывают внутренний кэш, в результате чего все равно прочитать буфер невозможно. На практике обычно встречаются последние. При этом сброс кэша можно инициировать серией запросов без считывания полученных данных. Кэш при этом переполняется, и наиболее старые данные будут вытолкнуты в буфер. Остается их только прочесть. Конечно,-это крайне медленно, но, к сожалению, универсальной команды сброса кэша не существует. Разные разработчики реализуют это по-своему (впрочем, иногда это можно найти в документации на чипы, используемые в контроллере). western digital сообщает в техническом руководстве что при длинном чтении сектора без повтора контроль сектора не выполняется и он будет-таки целиком помещен в буфер. Кстати, так и должно быть по стандарту. Увы, остальные фирмы от него часто отклоняются по разным соображениям. Остается определить, какие же из прочитанных данных достоверные, а какие нет (если этого не видно "визуально" - например, в случае текстового или графического файлов)? Разумеется, в подобных рамках задача кажется неразрешимой, но это не совсем так. Дело в том, что можно произвести не только короткое, но и длинное чтение (ox22h req ploin long with retry), для чего можно использовать следующую процедуру. При этом кроме собственно данных читаются также и корректирующие коды. Автоматическая коррекция не выполняется (хотя некоторые контроллеры это реализуют аппаратно и не могут отключить автокоррекцию; в документации этот момент, кстати, не уточняется). Как правило, используются корректирующие коды Рида-Соломона, хотя последнее не обязательно. Математические законы позволяют не только определить место возникновения сбоя, но и даже восстановить несколько бит. При больших разрушениях можно определить только место сбоя, но достоверно восстановить информацию не удается.
Модуляция при записи такова, что все биты, стоящие справа от сбойного, уже не достоверны. Точнее, не все, а только в пределах одного пакета. Обычно за один раз записывается от 3 до 9 бит (необходимо уточнить у конкретного производителя) и содержимое остальных пакетов, как правило, остается достоверным. Самое интересное, что зачастую сбойный пакет можно восстановить методом перебора! При этом можно даже рассчитать, сколько вариантов должно получиться. Учитывая хорошую степень "рассеяния" корректирующих кодов можно сказать, что не очень много. И таким образом можно восстановить казалось бы безнадежно испорченные сектора, а вместе с ними и файлы, расположенные "поверх" последних.
Выше были перечислены наиболее типичные случаи отказов жестких дисков, которые поддавались чисто программному восстановлению если уж не винчестера, то хотя бы хранимых на нем данных. Разумеется, что иногда жесткий диск выходит из строя полностью (например, при неправильно подключенном питании, скачках напряжения) от вибрации или ударов, а то и просто из-за откровенного заводского брака. Есть один старый проверенный способ - найти жесткий диск такой же точно модели и заменить электронную плату. К сожалению, последнее из-за ряда конструктивных особенностей все реже и реже бывает возможно, а уж дефекты поверхности этот способ и вовсе бессилен вылечить. Поэтому, берегите свой жесткий диск и почаще проводите резервное копирование. Помните, что самое дорогое это не компьютер, а хранимая на нем информация!
Технология стека TCP/IP сложилась в основном в конце 1970-х годов и с тех пор основные принципы работы базовых протоколов, таких как IP, TCP, UDP и ICMP, практически не изменились. Однако, сам компьютерный мир за эти годы значительно изменился, поэтому долго назревавшие усовершенствования в технологии стека TCP/IP сейчас стали необходимостью.
Основными обстоятельствами, из-за которых требуется модификация базовых протоколов стека TCP/IP, являются следующие.
* Повышение производительности компьютеров и коммуникационного оборудования. За время существования стека производительность компьютеров возросла на два порядка, объемы оперативной памяти выросли более чем в 30 раз, пропускная способность магистрали Internet в Соединенных Штатах выросла в 800 раз.
* Появление новых приложений. Коммерческий бум вокруг Internet и использование ее технологий при создании intranet привели к появлению в сетях TCP/IP, ранее использовавшихся в основном в научных целях, большого количества приложений нового типа, работающих с мультимедийной информацией. Эти приложения чувствительны к задержкам передачи пакетов, так как такие задержки приводят к искажению передаваемых в реальном времени речевых сообщений и видеоизображений. Особенностью мультимедийных приложений является также передача очень больших объемов информации. Некоторые технологии вычислительных сетей, например, frame relay и ATM, уже имеют в своем арсенале механизмы для резервирования полосы пропускания для определенных приложений. Однако эти технологии еще не скоро вытеснят традиционные технологии локальных сетей, не поддерживающие мультимедийные приложения (например, Ethernet). Следовательно, необходимо компенсировать такой недостаток средствами сетевого уровня, то есть средствами протокола IP.
* Бурное расширение сети Internet. В начале 90-х годов сеть Internet расширялась очень быстро, новый узел появлялся в ней каждые 30 секунд, но 95-й год стал переломным - перспективы коммерческого использования Internet стали отчетливыми и сделали ее развитие просто бурным. Первым следствием такого развития стало почти полное истощение адресного пространства Internet, определяемого полем адреса IP в четыре байта.
* Новые стратегии администрирования. Расширение Internet связано с его проникновением в новые страны и новые отрасли промышленности. При этом в сети появляются новые органы администрирования, которые начинают использовать новые методы администрирования. Эти методы требуют появления новых средств в базовых протоколах стека TCP/IP.
Сообщество Internet уже несколько лет работает над разработкой новой спецификации для базового протокола стека - протокола IP. Выработано уже достаточно много предложений, от простых, предусматривающих только расширения адресного пространства IP, до очень сложных, приводящих к существенному увеличению стоимости реализации IP в высокопроизводительных (и так недешевых) маршрутизаторах.
Основным предложением по модернизации протокола IP является предложение, разработанное группой IETF. Сейчас принято называть ее предложение версией 6 - IPv6, а все остальные предложения группируются под названием IP Next Generation, IPng.
В предложении IETF протокол IPv6 оставляет основные принципы IPv4 неизменными. К ним относятся дейтаграммный метод работы, фрагментация пакетов, разрешение отправителю задавать максимальное число хопов для своих пакетов. Однако, в деталях реализации протокола IPv6 имеются существенные отличия от IPv4. Эти отличия коротко можно описать следующим образом.
* Использование более длинных адресов. Новый размер адреса - наиболее заметное отличие IPv6 от IPv4. Версия 6 использует 128-битные адреса.
* Гибкий формат заголовка. Вместо заголовка с фиксированными полями фиксированного размера (за исключением поля Резерв), IPv6 использует базовый заголовок фиксированного формата плюс набор необязательных заголовков различного формата.
* Поддержка резервирования пропускной способности. В IPv6 механизм резервирования пропускной способности заменяет механизм классов сервиса версии IPv4.
* Поддержка расширяемости протокола. Это одно из наиболее значительных изменений в подходе к построению протокола - от полностью детализированного описания протокола к протоколу, который разрешает поддержку дополнительных функций.
Адресация в IPv6
Адреса назначения и источника в IPv6 имеют длину 128 бит или 16 байт. Версия 6 обобщает специальные типы адресов версии 4 в следующих типах адресов:
* Unicast - индивидуальный адрес. Определяет отдельный узел - компьютер или порт маршрутизатора. Пакет должен быть доставлен узлу по кратчайшему маршруту.
* Cluster - адрес кластера. Обозначает группу узлов, которые имеют общий адресный префикс (например, присоединенных к одной физической сети). Пакет должен быть маршрутизирован группе узлов по кратчайшему пути, а затем доставлен только одному из членов группы (например, ближайшему узлу).
* Multicast - адрес набора узлов, возможно в различных физических сетях. Копии пакета должны быть доставлены каждому узлу набора, используя аппаратные возможности групповой или широковещательной доставки, если это возможно.
Как и в версии IPv4, адреса в версии IPv6 делятся на классы, в зависимости от значения нескольких старших бит адреса.
Большая часть классов зарезервирована для будущего применения. Наиболее интересным для практического использования является класс, предназначенный для провайдеров услуг Internet, названный Provider-Assigned Unicast.
Каждому провайдеру услуг Internet назначается уникальный идентификатор, которым помечаются все поддерживаемые им сети. Далее провайдер назначает своим абонентам уникальные идентификаторы, и использует оба идентификатора при назначении блока адресов абонента. Абонент сам назначает уникальные идентификаторы своим подсетям и узлам этих сетей.
Абонент может использовать технику подсетей, применяемую в версии IPv4, для дальнейшего деления поля идентификатора подсети на более мелкие поля.
Описанная схема приближает схему адресации IPv6 к схемам, используемым в территориальных сетях, таких как телефонные сети или сети Х.25. Иерархия адресных полей позволит магистральным маршрутизаторам работать только со старшими частями адреса, оставляя обработку менее значимых полей маршрутизаторам абонентов.
Под поле идентификатора узла требуется выделения не менее 6 байт, для того чтобы можно было использовать в IP-адресах МАС-адреса локальных сетей непосредственно.
Для обеспечения совместимости со схемой адресации версии IPv4, в версии IPv6 имеется класс адресов, имеющих 0000 0000 в старших битах адреса. Младшие 4 байта адреса этого класса должны содержать адрес IPv4. Маршрутизаторы, поддерживающие обе версии адресов, должны обеспечивать трансляцию при передаче пакета из сети, поддерживающей адресацию IPv4, в сеть, поддерживающую адресацию IPv6, и наоборот.
Все протоколы обмена маршрутной информацией стека TCP/IP относятся к классу адаптивных протоколов, которые в свою очередь делятся на две группы, каждая из которых связана с одним из следующих типов алгоритмов:
* дистанционно-векторный алгоритм (Distance Vector Algorithms, DVA),
* алгоритм состояния связей (Link State Algorithms, LSA).
В алгоритмах дистанционно-векторного типа каждый маршрутизатор периодически и широковещательно рассылает по сети вектор расстояний от себя до всех известных ему сетей. Под расстоянием обычно понимается число промежуточных маршрутизаторов через которые пакет должен пройти прежде, чем попадет в соответствующую сеть. Может использоваться и другая метрика, учитывающая не только число перевалочных пунктов, но и время прохождения пакетов по связи между соседними маршрутизаторами.
Получив вектор от соседнего маршрутизатора, каждый маршрутизатор добавляет к нему информацию об известных ему других сетях, о которых он узнал непосредственно (если они подключены к его портам) или из аналогичных объявлений других маршрутизаторов, а затем снова рассылает новое значение вектора по сети. В конце-концов, каждый маршрутизатор узнает информацию об имеющихся в интерсети сетях и о расстоянии до них через соседние маршрутизаторы.
Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях. В больших сетях они засоряют линии связи интенсивным широковещательным трафиком, к тому же изменения конфигурации могут отрабатываться по этому алгоритму не всегда корректно, так как маршрутизаторы не имеют точного представления о топологии связей в сети, а располагают только обобщенной информацией - вектором дистанций, к тому же полученной через посредников. Работа маршрутизатора в соответствии с дистанционно-векторным протоколом напоминает работу моста, так как точной топологической картины сети такой маршрутизатор не имеет.
Наиболее распространенным протоколом, основанным на дистанционно-векторном алгоритме, является протокол RIP.
Алгоритмы состояния связей обеспечивают каждый маршрутизатор информацией, достаточной для построения точного графа связей сети. Все маршрутизаторы работают на основании одинаковых графов, что делает процесс маршрутизации более устойчивым к изменениям конфигурации. Широковещательная рассылка используется здесь только при изменениях состояния связей, что происходит в надежных сетях не так часто.
Для того, чтобы понять, в каком состоянии находятся линии связи, подключенные к его портам, маршрутизатор периодически обменивается короткими пакетами со своими ближайшими соседями. Этот трафик также широковещательный, но он циркулирует только между соседями и поэтому не так засоряет сеть.
Протоколом, основанным на алгоритме состояния связей, в стеке TCP/IP является протокол OSPF.
Дистанционно-векторный протокол RIP
Протокол RIP (Routing Information Protocol) представляет собой один из старейших протоколов обмена маршрутной информацией, однако он до сих пор чрезвычайно распространен в вычислительных сетях. Помимо версии RIP для сетей TCP/IP, существует также версия RIP для сетей IPX/SPX компании Novell.
В этом протоколе все сети имеют номера (способ образования номера зависит от используемого в сети протокола сетевого уровня), а все маршрутизаторы - идентификаторы. Протокол RIP широко использует понятие "вектор расстояний". Вектор расстояний представляет собой набор пар чисел, являющихся номерами сетей и расстояниями до них в хопах.
Вектора расстояний итерационно распространяются маршрутизаторами по сети, и через несколько шагов каждый маршрутизатор имеет данные о достижимых для него сетях и о расстояниях до них. Если связь с какой-либо сетью обрывается, то маршрутизатор отмечает этот факт тем, что присваивает элементу вектора, соответствующему расстоянию до этой сети, максимально возможное значение, которое имеет специальный смысл - "связи нет". Таким значением в протоколе RIP является число 16.
При необходимости отправить пакет в сеть D маршрутизатор просматривает свою базу данных маршрутов и выбирает порт, имеющий наименьшее расстояния до сети назначения (в данном случае порт, связывающий его с маршрутизатором 3).
Для адаптации к изменению состояния связей и оборудования с каждой записью таблицы маршрутизации связан таймер. Если за время тайм-аута не придет новое сообщение, подтверждающее этот маршрут, то он удаляется из маршрутной таблицы.
При использовании протокола RIP работает эвристический алгоритм динамического программирования Беллмана-Форда, и решение, найденное с его помощью является не оптимальным, а близким к оптимальному. Преимуществом протокола RIP является его вычислительная простота, а недостатками - увеличение трафика при периодической рассылке широковещательных пакетов и неоптимальность найденного маршрута.
При обрыве связи с сетью 1 маршрутизатор М1 отмечает, что расстояние до этой сети приняло значение 16. Однако получив через некоторое время от маршрутизатора М2 маршрутное сообщение о том, что от него до сети 1 расстояние составляет 2 хопа, маршрутизатор М1 наращивает это расстояние на 1 и отмечает, что сеть 1 достижима через маршрутизатор 2. В результате пакет, предназначенный для сети 1, будет циркулировать между маршрутизаторами М1 и М2 до тех пор, пока не истечет время хранения записи о сети 1 в маршрутизаторе 2, и он не передаст эту информацию маршрутизатору М1.
Для исключения подобных ситуаций маршрутная информация об известной маршрутизатору сети не передается тому маршрутизатору, от которого она пришла.
Существуют и другие, более сложные случаи нестабильного поведения сетей, использующих протокол RIP, при изменениях в состоянии связей или маршрутизаторов сети.
Комбинирование различных протоколов обмена. Протоколы EGP и BGP сети Internet
Большинство протоколов маршрутизации, применяемых в современных сетях с коммутацией пакетов, ведут свое происхождение от сети Internet и ее предшественницы - сети ARPANET. Для того, чтобы понять их назначение и особенности, полезно сначала познакомится со структурой сети Internet, которая наложила отпечаток на терминологию и типы протоколов.
Internet изначально строилась как сеть, объединяющая большое количество существующих систем. С самого начала в ее структуре выделяли магистральную сеть (core backbone network), а сети, присоединенные к магистрали, рассматривались как автономные системы (autonomous systems). Магистральная сеть и каждая из автономных систем имели свое собственное административное управление и собственные протоколы маршрутизации. Далее маршрутизаторы будут называться шлюзами для следования традиционной терминологии Internet.
Шлюзы, которые используются для образования подсетей внутри автономной системы, называются внутренними шлюзами (interior gateways), а шлюзы, с помощью которых автономные системы присоединяются к магистрали сети, называются внешними шлюзами (exterior gateways). Непосредственно друг с другом автономные системы не соединяются. Соответственно, протоколы маршрутизации, используемые внутри автономных систем, называются протоколами внутренних шлюзов (interior gateway protocol, IGP), а протоколы, определяющие обмен маршрутной информацией между внешними шлюзами и шлюзами магистральной сети - протоколами внешних шлюзов (exterior gateway protocol, EGP). Внутри магистральной сети также может использоваться любой собственный внутренний протокол IGP.
Смысл разделения всей сети Internet на автономные системы в ее многоуровневом представлении, что необходимо для любой крупной системы, способной к расширению в больших масштабах. Внутренние шлюзы могут использовать для внутренней маршрутизации достаточно подробные графы связей между собой, чтобы выбрать наиболее рациональный маршрут. Однако, если информация такой степени детализации будет храниться во всех маршрутизаторах сети, то топологические базы данных так разрастутся, что потребуют наличия памяти гигантских размеров, а время принятия решений о маршрутизации непременно возрастет.
Поэтому детальная топологическая информация остается внутри автономной системы, а автономную систему как единое целое для остальной части Internet представляют внешние шлюзы, которые сообщают о внутреннем составе автономной системы минимально необходимые сведения - количество IP-сетей, их адреса и внутреннее расстояние до этих сетей от данного внешнего шлюза.
При инициализации внешний шлюз узнает уникальный идентификатор обслуживаемой им автономной системы, а также таблицу достижимости (reachability table), которая позволяет ему взаимодействовать с другими внешними шлюзами через магистральную сеть.
Затем внешний шлюз начинает взаимодействовать по протоколу EGP с другими внешними шлюзами и обмениваться с ними маршрутной информацией, состав которой описан выше. В результате, при отправке пакета из одной автономной системы в другую, внешний шлюз данной системы на основании маршрутной информации, полученной от всех внешних шлюзов, с которыми он общается по протоколу EGP, выбирает наиболее подходящий внешний шлюз и отправляет ему пакет.
Каждая функция работает на основе обмена сообщениями запрос-ответ.
Так как каждая автономная система работает под контролем своего административного штата, то перед началом обмена маршрутной информацией внешние шлюзы должны согласиться на такой обмен. Сначала один из шлюзов посылает запрос на установление соседских отношений (acquisition request) другому шлюзу. Если тот согласен на это, то он отвечает сообщением подтверждение установления соседских отношений (acquisition confirm), а если нет - то сообщением отказ от установления соседских отношений (acquisition refuse), которое содержит также причину отказа.
После установления соседских отношений шлюзы начинают периодически проверять состояние достижимости друг друга. Это делается либо с помощью специальных сообщений (привет (hello) и Я-услышал-тебя (I-heard-you)), либо встраиванием подтверждающей информации непосредственно в заголовок обычного маршрутного сообщения.
Обмен маршрутной информацией начинается с посылки одним из шлюзов другому сообщения запрос данных (poll request) о номерах сетей, обслуживаемых другим шлюзом и расстояниях до них от него. Ответом на это сообщение служит сообщение обновленная маршрутная информация (routing ). Если же запрос оказался некорректным, то в ответ на него отсылается сообщение об ошибке.
Все сообщения протокола EGP передаются в поле данных IP-пакетов. Сообщения EGP имеют заголовок фиксированного формата.
Поля Тип и Код совместно определяют тип сообщения, а поле Статус - информацию, зависящую от типа сообщения. Поле Номер автономной системы - это номер, назначенный той автономной системе, к которой присоединен данный внешний шлюз. Поле Номер последовательности служит для синхронизации процесса запросов и ответов.
[pagebreak]
Поле IP-адрес исходной сети в сообщениях запроса и обновления маршрутной информации обозначает сеть, соединяющую два внешних шлюза.
Сообщение об обновленной маршрутной информации содержит список адресов сетей, которые достижимы в данной автономной системе. Этот список упорядочен по внутренним шлюзам, которые подключены к исходной сети и через которые достижимы данные сети, а для каждого шлюза он упорядочен по расстоянию до каждой достижимой сети от исходной сети, а не от данного внутреннего шлюза. Для примера внешний шлюз R2 в своем сообщении указывает, что сеть 4 достижима с помощью шлюза R3 и расстояние ее равно 2, а сеть 2 достижима через шлюз R2 и ее расстояние равно 1 (а не 0, как если бы шлюз измерял ее расстояние от себя, как в протоколе RIP).
Протокол EGP имеет достаточно много ограничений, связанных с тем, что он рассматривает магистральную сеть как одну неделимую магистраль.
Развитием протокола EGP является протокол BGP (Border Gateway Protocol), имеющий много общего с EGP и используемый наряду с ним в магистрали сети Internet.
Протокол состояния связей OSPF
Протокол OSPF (Open Shortest Path Firs) является достаточно современной реализацией алгоритма состояния связей (он принят в 1991 году) и обладает многими особенностями, ориентированными на применение в больших гетерогенных сетях.
Протокол OSPF вычисляет маршруты в IP-сетях, сохраняя при этом другие протоколы обмена маршрутной информацией.
Непосредственно связанные (то есть достижимые без использования промежуточных маршрутизаторов) маршрутизаторы называются "соседями". Каждый маршрутизатор хранит информацию о том, в каком состоянии по его мнению находится сосед. Маршрутизатор полагается на соседние маршрутизаторы и передает им пакеты данных только в том случае, если он уверен, что они полностью работоспособны. Для выяснения состояния связей маршрутизаторы-соседи достаточно часто обмениваются короткими сообщениями HELLO.
Для распространения по сети данных о состоянии связей маршрутизаторы обмениваются сообщениями другого типа. Эти сообщения называются router links advertisement - объявление о связях маршрутизатора (точнее, о состоянии связей). OSPF-маршрутизаторы обмениваются не только своими, но и чужими объявлениями о связях, получая в конце-концов информацию о состоянии всех связей сети. Эта информация и образует граф связей сети, который, естественно, один и тот же для всех маршрутизаторов сети.
Кроме информации о соседях, маршрутизатор в своем объявлении перечисляет IP-подсети, с которыми он связан непосредственно, поэтому после получения информации о графе связей сети, вычисление маршрута до каждой сети производится непосредственно по этому графу по алгоритму Дэйкстры. Более точно, маршрутизатор вычисляет путь не до конкретной сети, а до маршрутизатора, к которому эта сеть подключена. Каждый маршрутизатор имеет уникальный идентификатор, который передается в объявлении о состояниях связей. Такой подход дает возможность не тратить IP-адреса на связи типа "точка-точка" между маршрутизаторами, к которым не подключены рабочие станции.
Маршрутизатор вычисляет оптимальный маршрут до каждой адресуемой сети, но запоминает только первый промежуточный маршрутизатор из каждого маршрута. Таким образом, результатом вычислений оптимальных маршрутов является список строк, в которых указывается номер сети и идентификатор маршрутизатора, которому нужно переслать пакет для этой сети. Указанный список маршрутов и является маршрутной таблицей, но вычислен он на основании полной информации о графе связей сети, а не частичной информации, как в протоколе RIP.
Описанный подход приводит к результату, который не может быть достигнут при использовании протокола RIP или других дистанционно-векторных алгоритмов. RIP предполагает, что все подсети определенной IP-сети имеют один и тот же размер, то есть, что все они могут потенциально иметь одинаковое число IP-узлов, адреса которых не перекрываются. Более того, классическая реализация RIP требует, чтобы выделенные линии "точка-точка" имели IP-адрес, что приводит к дополнительным затратам IP-адресов.
В OSPF такие требования отсутствуют: сети могут иметь различное число хостов и могут перекрываться. Под перекрытием понимается наличие нескольких маршрутов к одной и той же сети. В этом случае адрес сети в пришедшем пакете может совпасть с адресом сети, присвоенным нескольким портам.
Если адрес принадлежит нескольким подсетям в базе данных маршрутов, то продвигающий пакет маршрутизатор использует наиболее специфический маршрут, то есть адрес подсети, имеющей более длинную маску.
Например, если рабочая группа ответвляется от главной сети, то она имеет адрес главной сети наряду с более специфическим адресом, определяемым маской подсети. При выборе маршрута к хосту в подсети этой рабочей группы маршрутизатор найдет два пути, один для главной сети и один для рабочей группы. Так как последний более специфичен, то он и будет выбран. Этот механизм является обобщением понятия "маршрут по умолчанию", используемого во многих сетях.
Использование подсетей с различным количеством хостов является вполне естественным. Например, если в здании или кампусе на каждом этаже имеются локальные сети, и на некоторых этажах компьютеров больше, чем на других, то администратор может выбрать размеры подсетей, отражающие ожидаемые требования каждого этажа, а не соответствующие размеру наибольшей подсети.
В протоколе OSPF подсети делятся на три категории:
* "хост-сеть", представляющая собой подсеть из одного адреса,
* "тупиковая сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную только к одному маршрутизатору,
* "транзитная сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную к более чем одному маршрутизатору.
Транзитная сеть является для протокола OSPF особым случаем. В транзитной сети несколько маршрутизаторов являются взаимно и одновременно достижимыми. В широковещательных локальных сетях, таких как Ethernet или Token Ring, маршрутизатор может послать одно сообщение, которое получат все его соседи. Это уменьшает нагрузку на маршрутизатор, когда он посылает сообщения для определения существования связи или обновленные объявления о соседях.
Однако, если каждый маршрутизатор будет перечислять всех своих соседей в своих объявлениях о соседях, то объявления займут много места в памяти маршрутизатора. При определении пути по адресам транзитной подсети может обнаружиться много избыточных маршрутов к различным маршрутизаторам. На вычисление, проверку и отбраковку этих маршрутов уйдет много времени.
Когда маршрутизатор начинает работать в первый раз (то есть инсталлируется), он пытается синхронизировать свою базу данных со всеми маршрутизаторами транзитной локальной сети, которые по определению имеют идентичные базы данных. Для упрощения и оптимизации этого процесса в протоколе OSPF используется понятие "выделенного" маршрутизатора, который выполняет две функции.
Во-первых, выделенный маршрутизатор и его резервный "напарник" являются единственными маршрутизаторами, с которыми новый маршрутизатор будет синхронизировать свою базу. Синхронизировав базу с выделенным маршрутизатором, новый маршрутизатор будет синхронизирован со всеми маршрутизаторами данной локальной сети.
Во-вторых, выделенный маршрутизатор делает объявление о сетевых связях, перечисляя своих соседей по подсети. Другие маршрутизаторы просто объявляют о своей связи с выделенным маршрутизатором. Это делает объявления о связях (которых много) более краткими, размером с объявление о связях отдельной сети.
Для начала работы маршрутизатора OSPF нужен минимум информации - IP-конфигурация (IP-адреса и маски подсетей), некоторая информация по умолчанию (default) и команда на включение. Для многих сетей информация по умолчанию весьма похожа. В то же время протокол OSPF предусматривает высокую степень программируемости.
Интерфейс OSPF (порт маршрутизатора, поддерживающего протокол OSPF) является обобщением подсети IP. Подобно подсети IP, интерфейс OSPF имеет IP-адрес и маску подсети. Если один порт OSPF поддерживает более, чем одну подсеть, протокол OSPF рассматривает эти подсети так, как если бы они были на разных физических интерфейсах, и вычисляет маршруты соответственно.
Интерфейсы, к которым подключены локальные сети, называются широковещательными (broadcast) интерфейсами, так как они могут использовать широковещательные возможности локальных сетей для обмена сигнальной информацией между маршрутизаторами. Интерфейсы, к которым подключены глобальные сети, не поддерживающие широковещание, но обеспечивающие доступ ко многим узлам через одну точку входа, например сети Х.25 или frame relay, называются нешироковещательными интерфейсами с множественным доступом или NBMA (non-broadcast multi-access).
Они рассматриваются аналогично широковещательным интерфейсам за исключением того, что широковещательная рассылка эмулируется путем посылки сообщения каждому соседу. Так как обнаружение соседей не является автоматическим, как в широковещательных сетях, NBMA-соседи должны задаваться при конфигурировании вручную. Как на широковещательных, так и на NBMA-интерфейсах могут быть заданы приоритеты маршрутизаторов для того, чтобы они могли выбрать выделенный маршрутизатор.
Интерфейсы "точка-точка", подобные PPP, несколько отличаются от традиционной IP-модели. Хотя они и могут иметь IP-адреса и подмаски, но необходимости в этом нет.
В простых сетях достаточно определить, что пункт назначения достижим и найти маршрут, который будет удовлетворительным. В сложных сетях обычно имеется несколько возможных маршрутов. Иногда хотелось бы иметь возможности по установлению дополнительных критериев для выбора пути: например, наименьшая задержка, максимальная пропускная способность или наименьшая стоимость (в сетях с оплатой за пакет). По этим причинам протокол OSPF позволяет сетевому администратору назначать каждому интерфейсу определенное число, называемое метрикой, чтобы оказать нужное влияние на выбор маршрута.
Число, используемое в качестве метрики пути, может быть назначено произвольным образом по желанию администратора. Но по умолчанию в качестве метрики используется время передачи бита в 10-ти наносекундных единицах (10 Мб/с Ethernet'у назначается значение 10, а линии 56 Кб/с - число 1785). Вычисляемая протоколом OSPF метрика пути представляет собой сумму метрик всех проходимых в пути связей; это очень грубая оценка задержки пути. Если маршрутизатор обнаруживает более, чем один путь к удаленной подсети, то он использует путь с наименьшей стоимостью пути.
В протоколе OSPF используется несколько временных параметров, и среди них наиболее важными являются интервал сообщения HELLO и интервал отказа маршрутизатора (router dead interval).
HELLO - это сообщение, которым обмениваются соседние, то есть непосредственно связанные маршрутизаторы подсети, с целью установить состояние линии связи и состояние маршрутизатора-соседа. В сообщении HELLO маршрутизатор передает свои рабочие параметры и говорит о том, кого он рассматривает в качестве своих ближайших соседей. Маршрутизаторы с разными рабочими параметрами игнорируют сообщения HELLO друг друга, поэтому неверно сконфигурированные маршрутизаторы не будут влиять на работу сети.
Каждый маршрутизатор шлет сообщение HELLO каждому своему соседу по крайней мере один раз на протяжении интервала HELLO. Если интервал отказа маршрутизатора истекает без получения сообщения HELLO от соседа, то считается, что сосед неработоспособен, и распространяется новое объявление о сетевых связях, чтобы в сети произошел пересчет маршрутов.
Пример маршрутизации по алгоритму OSPF
Представим себе один день из жизни транзитной локальной сети. Пусть у нас имеется сеть Ethernet, в которой есть три маршрутизатора - Джон, Фред и Роб (имена членов рабочей группы Internet, разработавшей протокол OSPF). Эти маршрутизаторы связаны с сетями в других городах с помощью выделенных линий.
Пусть произошло восстановление сетевого питания после сбоя. Маршрутизаторы и компьютеры перезагружаются и начинают работать по сети Ethernet. После того, как маршрутизаторы обнаруживают, что порты Ethernet работают нормально, они начинают генерировать сообщения HELLO, которые говорят о их присутствии в сети и их конфигурации. Однако маршрутизация пакетов начинает осуществляться не сразу - сначала маршрутизаторы должны синхронизировать свои маршрутные базы.
На протяжении интервала отказа маршрутизаторы продолжают посылать сообщения HELLO. Когда какой-либо маршрутизатор посылает такое сообщение, другие его получают и отмечают, что в локальной сети есть другой маршрутизатор. Когда они посылают следующее HELLO, они перечисляют там и своего нового соседа.
Когда период отказа маршрутизатора истекает, то маршрутизатор с наивысшим приоритетом и наибольшим идентификатором объявляет себя выделенным (а следующий за ним по приоритету маршрутизатор объявляет себя резервным выделенным маршрутизатором) и начинает синхронизировать свою базу данных с другими маршрутизаторами.
[pagebreak]
С этого момента времени база данных маршрутных объявлений каждого маршрутизатора может содержать информацию, полученную от маршрутизаторов других локальных сетей или из выделенных линий. Роб, например, вероятно получил информацию от Мило и Робина об их сетях, и он может передавать туда пакеты данных. Они содержат информацию о собственных связях маршрутизатора и объявления о связях сети.
Базы данных теперь синхронизированы с выделенным маршрутизатором, которым является Джон. Джон суммирует свою базу данных с каждой базой данных своих соседей - базами Фреда, Роба и Джеффа - индивидуально. В каждой синхронизирующейся паре объявления, найденные только в какой-либо одной базе, копируются в другую. Выделенный маршрутизатор, Джон, распространяет новые объявления среди других маршрутизаторов своей локальной сети.
Например, объявления Мило и Робина передаются Джону Робом, а Джон в свою очередь передает их Фреду и Джеффри. Обмен информацией между базами продолжается некоторое время, и пока он не завершится, маршрутизаторы не будут считать себя работоспособными. После этого они себя таковыми считают, потому что имеют всю доступную информацию о сети.
Посмотрим теперь, как Робин вычисляет маршрут через сеть. Две из связей, присоединенных к его портам, представляют линии T-1, а одна - линию 56 Кб/c. Робин сначала обнаруживает двух соседей - Роба с метрикой 65 и Мило с метрикой 1785. Из объявления о связях Роба Робин обнаружил наилучший путь к Мило со стоимостью 130, поэтому он отверг непосредственный путь к Мило, поскольку он связан с большей задержкой, так как проходит через линии с меньшей пропускной способностью. Робин также обнаруживает транзитную локальную сеть с выделенным маршрутизатором Джоном. Из объявлений о связях Джона Робин узнает о пути к Фреду и, наконец, узнает о пути к маршрутизаторам Келли и Джеффу и к их тупиковым сетям.
После того, как маршрутизаторы полностью входят в рабочий режим, интенсивность обмена сообщениями резко падает. Обычно они посылают сообщение HELLO по своим подсетям каждые 10 секунд и делают объявления о состоянии связей каждые 30 минут (если обнаруживаются изменения в состоянии связей, то объявление передается, естественно, немедленно). Обновленные объявления о связях служат гарантией того, что маршрутизатор работает в сети. Старые объявления удаляются из базы через определенное время.
Представим, однако, что какая-либо выделенная линия сети отказала. Присоединенные к ней маршрутизаторы распространяют свои объявления, в которых они уже не упоминают друг друга. Эта информация распространяется по сети, включая маршрутизаторы транзитной локальной сети. Каждый маршрутизатор в сети пересчитывает свои маршруты, находя, может быть, новые пути для восстановления утраченного взаимодействия.
Сравнение протоколов RIP и OSPF по затратам на широковещательный трафик
В сетях, где используется протокол RIP, накладные расходы на обмен маршрутной информацией строго фиксированы. Если в сети имеется определенное число маршрутизаторов, то трафик, создаваемый передаваемой маршрутной информацией, описываются формулой (1):
(1) F = (число объявляемых маршрутов/25) x 528 (байтов в сообщении) x
(число копий в единицу времени) x 8 (битов в байте)
В сети с протоколом OSPF загрузка при неизменном состоянии линий связи создается сообщениями HELLO и обновленными объявлениями о состоянии связей, что описывается формулой (2):
(2) F = { [ 20 + 24 + 20 + (4 x число соседей)] x
(число копий HELLO в единицу времени) }x 8 +
[(число объявлений x средний размер объявления) x
(число копий объявлений в единицу времени)] x 8,
где 20 - размер заголовка IP-пакета,
24 - заголовок пакета OSPF,
20 - размер заголовка сообщения HELLO,
4 - данные на каждого соседа.
Интенсивность посылки сообщений HELLO - каждые 10 секунд, объявлений о состоянии связей - каждые полчаса. По связям "точка-точка" или по широковещательным локальным сетям в единицу времени посылается только одна копия сообщения, по NBMA сетям типа frame relay каждому соседу посылается своя копия сообщения. В сети frame relay с 10 соседними маршрутизаторами и 100 маршрутами в сети (подразумевается, что каждый маршрут представляет собой отдельное OSPF-обобщение о сетевых связях и что RIP распространяет информацию о всех этих маршрутах) трафик маршрутной информации определяется соотношениями (3) и (4):
(3) RIP: (100 маршрутов / 25 маршрутов в объявлении) x 528 x
(10 копий / 30 сек) = 5 632 б/с
(4) OSPF: {[20 + 24 + 20 + (4 x 10) x (10 копий / 10 сек)] +
[100 маршрутов x (32 + 24 + 20) + (10 копий / 30 x 60 сек]} x 8 = 1 170 б/с
Как видно из полученных результатов, для нашего гипотетического примера трафик, создаваемый протоколом RIP, почти в пять раз интенсивней трафика, создаваемого протоколом OSPF.
Использование других протоколов маршрутизации
Случай использования в сети только протокола маршрутизации OSPF представляется маловероятным. Если сеть присоединена к Internet'у, то могут использоваться такие протоколы, как EGP (Exterior Gateway protocol), BGP (Border Gateway Protocol, протокол пограничного маршрутизатора), старый протокол маршрутизации RIP или собственные протоколы производителей.
Когда в сети начинает применяться протокол OSPF, то существующие протоколы маршрутизации могут продолжать использоваться до тех пор, пока не будут полностью заменены. В некоторых случаях необходимо будет объявлять о статических маршрутах, сконфигурированных вручную.
В OSPF существует понятие автономных систем маршрутизаторов (autonomous systems), которые представляют собой домены маршрутизации, находящиеся под общим административным управлением и использующие единый протокол маршрутизации. OSPF называет маршрутизатор, который соединяет автономную систему с другой автономной системой, использующей другой протокол маршрутизации, пограничным маршрутизатором автономной системы (autonomous system boundary router, ASBR).
В OSPF маршруты (именно маршруты, то есть номера сетей и расстояния до них во внешней метрике, а не топологическая информация) из одной автономной системы импортируются в другую автономную систему и распространяются с использованием специальных внешних объявлений о связях.
Внешние маршруты обрабатываются за два этапа. Маршрутизатор выбирает среди внешних маршрутов маршрут с наименьшей внешней метрикой. Если таковых оказывается больше, чем 2, то выбирается путь с меньшей стоимостью внутреннего пути до ASBR.
Область OSPF - это набор смежных интерфейсов (территориальных линий или каналов локальных сетей). Введение понятия "область" служит двум целям - управлению информацией и определению доменов маршрутизации.
Для понимания принципа управления информацией рассмотрим сеть, имеющую следующую структуру: центральная локальная сеть связана с помощью 50 маршрутизаторов с большим количеством соседей через сети X.25 или frame relay. Эти соседи представляют собой большое количество небольших удаленных подразделений, например, отделов продаж или филиалов банка.
Из-за большого размера сети каждый маршрутизатор должен хранить огромное количество маршрутной информации, которая должна передаваться по каждой из линий, и каждое из этих обстоятельств удорожает сеть. Так как топология сети проста, то большая часть этой информации и создаваемого ею трафика не имеют смысла.
Для каждого из удаленных филиалов нет необходимости иметь детальную маршрутную информацию о всех других удаленных офисах, в особенности, если они взаимодействуют в основном с центральными компьютерами, связанными с центральными маршрутизаторами. Аналогично, центральным маршрутизаторам нет необходимости иметь детальную информацию о топологии связей с удаленными офисами, соединенными с другими центральными маршрутизаторами.
В то же время центральные маршрутизаторы нуждаются в информации, необходимой для передачи пакетов следующему центральному маршрутизатору. Администратор мог бы без труда разделить эту сеть на более мелкие домены маршрутизации для того, чтобы ограничить объемы хранения и передачи по линиям связи не являющейся необходимой информации. Обобщение маршрутной информации является главной целью введения областей в OSPF.
В протоколе OSPF определяется также пограничный маршрутизатор области (ABR, area border router). ABR - это маршрутизатор с интерфейсами в двух или более областях, одна из которых является специальной областью, называемой магистральной (backbone area). Каждая область работает с отдельной базой маршрутной информации и независимо вычисляет маршруты по алгоритму OSPF.
Пограничные маршрутизаторы передают данные о топологии области в соседние области в обобщенной форме - в виде вычисленных маршрутов с их весами. Поэтому в сети, разбитой на области, уже не действует утверждение о том, что все маршрутизаторы оперируют с идентичными топологическими базами данных.
Маршрутизатор ABR берет информацию о маршрутах OSPF, вычисленную в одной области, и транслирует ее в другую область путем включения этой информации в обобщенное суммарное объявление (summary) для базы данных другой области. Суммарная информация описывает каждую подсеть области и дает для нее метрику. Суммарная информация может быть использована тремя способами: для объявления об отдельном маршруте, для обобщения нескольких маршрутов или же служить маршрутом по умолчанию.
Дальнейшее уменьшение требований к ресурсам маршрутизаторов происходит в том случае, когда область представляет собой тупиковую область (stub area). Этот атрибут администратор сети может применить к любой области, за исключением магистральной. ABR в тупиковой области не распространяет внешние объявления или суммарные объявления из других областей. Вместо этого он делает одно суммарное объявление, которое будет удовлетворять любой IP-адрес, имеющий номер сети, отличный от номеров сетей тупиковой области. Это объявление называется маршрутом по умолчанию.
Маршрутизаторы тупиковой области имеют информацию, необходимую только для вычисления маршрутов между собой плюс указания о том, что все остальные маршруты должны проходить через ABR. Такой подход позволяет уменьшить в нашей гипотетической сети количество маршрутной информации в удаленных офисах без уменьшения способности маршрутизаторов корректно передавать пакеты.
В случае нажатия пользователем клавиши или изменении текущего элемента компонента ComboBox, вы обратите внимание на досадную задержку, возникающую при генерации события On.
Так как "работа кипит", я хотел бы отреагировать на изменение ItemIndex несколько позднее, например, 100 миллисекунд спустя. Вот что у меня получилось. На простой форме располагаем компоненты ComboBox и Label. Необходимым дополнением является вызов Application.ProcessMessages, позволяющий избежать замедления работы PC, когда очередь сообщений для формы пуста.
Поиск
