Компоненты Delphi для работы с базами данных были созданы в расчете на работу с SQL и архитектурой клиент/сервер. При работе с ними вы можете воспользоваться характеристиками расширенной поддержки удаленных серверов. Delphi осуществляет эту поддержку двумя способами.

1. Введение

Во-первых, непосредственные команды из Delphi позволяют разработчику управлять таблицами, устанавливать пределы, удалять, вставлять и редактировать существующие записи.

Второй способ заключается в использовании запросов на языке SQL, где строка запроса передается на сервер для ее разбора, оптимизации, выполнения и передачи обратно результатов.

Данный документ делает акцент на втором методе доступа к базам данных, на основе запросов SQL (pass-through). Авторы не стремились создать курсы по изучению синтаксиса языка SQL и его применения, они ставили перед собой цель дать несколько примеров использования компонентов TQuery и TStoredProc. Но чтобы сделать это, необходимо понимать концепцию SQL и знать как работают selects, inserts, updates, views, joins и хранимые процедуры (stored procedures). Документ также вскользь касается вопросов управления транзакциями и соединения с базой данных, но не акцентирует на этом внимание. Итак, приступая к теме, создайте простой запрос типа SELECT и отобразите результаты.

2. Компонент TQuery

Если в ваших приложениях вы собираетесь использовать SQL, то вам непременно придется познакомиться с компонентом TQuery. Компоненты TQuery и TTable наследуются от TDataset. TDataset обеспечивает необходимую функциональность для получения доступа к базам данных. Как таковые, компоненты TQuery и TTable имеют много общих признаков. Для подготовки данных для показа в визуальных компонентах используется все тот же TDatasource. Также, для определения к какому серверу и базе данных необходимо получить доступ, необходимо задать имя псевдонима. Это должно выполняться установкой свойства aliasName объекта TQuery.

Свойство SQL

Все же TQuery имеет некоторую уникальную функциональность. Например, у TQuery имеется свойство с именем SQL. Свойство SQL используется для хранения SQL-запроса. Ниже приведены основные шаги для составления запроса, где все служащие имеют зарплату свыше $50,000.

Создайте объект TQuery

Задайте псевдоним свойству DatabaseName. (Данный пример использует псевдоним IBLOCAL, связанный с демонстрационной базой данных employee.gdb).

Выберите свойство SQL и щелкните на кнопке с текстом - '...' (три точки, Инспектор Объектов - В.О.). Должен появиться диалог редактора списка строк (String List Editor).

Введите:

Код

Select * from EMPLOYEE where SALARY>50000

. Нажмите OK.

Выберите в Инспекторе Объектов свойство Active и установите его в TRUE.

Разместите на форме объект TDatasource.

Установите свойство Dataset у TDatasource в Query1.

Разместите на форме TDBGrid.

Установите его свойство Datasource в Datasource1.

Свойство SQL имеет тип TStrings. Объект TStrings представляет собой список строк, и чем-то похож на массив. Тип данных TStrings имеет в своем арсенале команды добавления строк, их загрузки из текстового файла и обмена данными с другим объектом TStrings. Другой компонент, использующий TStrings - TMemo. В демонстрационном проекте ENTRSQL.DPR (по идее, он должен находится на отдельной дискетте, но к "Советам по Delphi" она не прилагается - В.О.), пользователь должен ввести SQL-запрос и нажать кнопку "Do It" ("сделать это"). Результаты запроса отображаются в табличной сетке. В Листинге 1 полностью приведен код обработчика кнопки "Do It".

Листинг 1

Код

procedure TForm1.BitBtn1Click(Sender: TObject);
begin
Query1.close; {Деактивируем запрос в качестве одной из мер предосторожности }
Query1.SQL.Clear; {Стираем любой предыдущий запрос}
If Memo1.Lines[0] <> '' {Проверяем на предмет пустого ввода} then
Query1.SQL.Add(Memo1.Text) {Назначаем свойству SQL текст Memo}
else
begin
messageDlg('Не был введен SQL-запрос', mtError, [mbOK], 0);
exit;
end;
try {перехватчик ошибок}
Query1.Open; {Выполняем запрос и открываем набор данных}
except {секция обработки ошибок}
On e : EDatabaseError do {e - новый дескриптор ошибки}
messageDlg(e.message, mtError, [mbOK],0); {показываем свойство message объекта e}
end; {окончание обработки ошибки}
end;

Свойство Params

Этого должно быть достаточно для пользователя, знающего SQL. Тем не менее, большинство пользователей не знает этого языка. Итак, ваша работа как разработчика заключается в предоставлении интерфейса и создании SQL-запроса. В Delphi, для создания SQL-запроса на лету можно использовать динамические запросы. Динамические запросы допускают использование параметров. Для определения параметра в запросе используется двоеточие (:), за которым следует имя параметра. Ниже приведе пример SQL-запроса с использованием динамического параметра:

Код

select * from EMPLOYEE
where DEPT_NO = :Dept_no

Если вам нужно протестировать, или установить для параметра значение по умолчанию, выберите свойство Params объекта Query1. Щелкните на кнопке '...'. Должен появиться диалог настройки параметров. Выберите параметр Dept_no. Затем в выпадающем списке типов данных выберите Integer. Для того, чтобы задать значение по умолчанию, введите нужное значение в поле редактирования "Value".

Для изменения SQL-запроса во время выполнения приложения, параметры необходимо связать (bind). Параметры могут изменяться, запрос выполняться повторно, а данные обновляться. Для непосредственного редактирования значения параметра используется свойство Params или метод ParamByName. Свойство Params представляет из себя массив TParams. Поэтому для получения доступа к параметру, необходимо указать его индекс. Для примера,

Query1.params[0].asInteger := 900;

Свойство asInteger читает данные как тип Integer (название говорит само за себя). Это не обязательно должно указывать но то, что поле имеет тип Integer. Например, если тип поля VARCHAR(10), Delphi осуществит преобразование данных. Так, приведенный выше пример мог бы быть записан таким образом:

Query1.params[0].asString := '900';

или так:

Query1.params[0].asString := edit1.text;

Если вместо номера индекса вы хотели бы использовать имя параметра, то воспользуйтесь методом ParamByName. Данный метод возвращает объект TParam с заданным именем. Например:

Query1.ParamByName('DEPT_NO').asInteger := 900;

В листинге 2 приведен полный код примера.

Листинг 2

Код

procedure TForm1.BitBtn1Click(Sender: TObject);
begin
Query1.close; {Деактивируем запрос в качестве одной из мер предосторожности }
if not Query1.prepared then
Query1.prepare; {Убедимся что запрос подготовлен}
{Берем значение, введенное пользователем и заменяем
им параметр.}
if edit1.text <> '' then {Проверяем на предмет пустого ввода}
Query1.ParamByName('DEPT_NO').AsString := edit1.text
else
Begin
Query1.ParamByName('DEPT_NO').AsInteger := 0;
edit1.text := '0';
end;
try {перехватчик ошибок}
Query1.Open; {Выполняем запрос и открываем набор данных}
except {секция обработки ошибок}
On e : EDatabaseError do {e - новый дескриптор ошибки} messageDlg(e.message,
mtError,
[mbOK],0); {показываем свойство message объекта e}
end; {окончание обработки ошибки}
end;

Обратите внимание на процедуру, первым делом подготовливающую запрос. При вызове метода prepare, Delphi посылает SQL запрос на удаленный сервер. Сервер выполняет грамматический разбор и оптимизацию запроса. Преимущество такой подготовки запроса состоит в его предварительном разборе и оптимизации. Альтернативой здесь может служить подготовка сервером запроса при каждом его выполнении. Как только запрос подготовлен, подставляются необходимые новые параметры, и запрос выполняется.

[pagebreak]

Источник данных

В предыдущем примере пользователь мог ввести номер отдела, и после выполнения запроса отображался список сотрудников этого отдела. А как насчет использования таблицы DEPARTMENT, позволяющей пользователю легко перемещаться между пользователями и отделами?

Примечание: Следующий пример использует TTable с именем Table1. Для Table1 имя базы данных IBLOCAL, имя таблицы - DEPARTMENT. DataSource2 TDatasource связан с Table1. Таблица также активна и отображает записи в TDBGrid.

Способ подключения TQuery к TTable - через TDatasource. Есть два основных способа сделать это. Во-первых, разместить код в обработчике события TDatasource OnDataChange. Например, листинг 3 демонстрирует эту технику.

Листинг 3 - Использования события OnDataChange для просмотра дочерних записей

Код

procedure TForm1.DataSource2DataChange(Sender: TObject; Field: TField);
begin
Query1.Close;
if not Query1.prepared
then
Query1.prepare;
Query1.ParamByName('Dept_no').asInteger := Table1Dept_No.asInteger;
try
Query1.Open;
except
On e : EDatabaseError do
messageDlg(e.message, mtError, [mbOK], 0);
end;
end;

Техника с использованием OnDataChange очень гибка, но есть еще легче способ подключения Query к таблице. Компонент TQuery имеет свойство Datasource. Определяя TDatasource для свойства Datasource, объект TQuery сравнивает имена параметров в SQL-запросе с именами полей в TDatasource. В случае общих имен, такие параметры заполняются автоматически. Это позволяет разработчику избежать написание кода, приведенного в листинге 3 (*** приведен выше ***).

Фактически, техника использования Datasource не требует никакого дополнительного кодирования. Для поключения запроса к таблице DEPT_NO выполните действия, приведенные в листинге 4.

Листинг 4 - Связывание TQuery c TTable через свойство Datasource

Выберите у Query1 свойство SQL и введите:

Код

select * from EMPLOYEE
where DEPT_NO = :dept_no

Выберите свойство Datasource и назначьте источник данных, связанный с Table1 (Datasource2 в нашем примере)

Выберите свойство Active и установите его в True

Это все, если вы хотите создать такой тип отношений. Тем не менее, существуют некоторые ограничения на параметризованные запросы. Параметры ограничены значениями. К примеру, вы не можете использовать параметр с именем Column или Table. Для создания запроса, динамически изменяемого имя таблицы, вы могли бы использовать технику конкатенации строки. Другая техника заключается в использовании команды Format.

Команда Format

Команда Format заменяет параметры форматирования (%s, %d, %n и пр.) передаваемыми значениями. Например,

Format('Select * from %s', ['EMPLOYEE'])

Результатом вышеприведенной команды будет 'Select * from EMPLOYEE'. Функция буквально делает замену параметров форматирования значениями массива. При использовании нескольких параметров форматирования, замена происходит слева направо. Например,

Код

tblName := 'EMPLOYEE';
fldName := 'EMP_ID';
fldValue := 3;
Format('Select * from %s where %s=%d', [tblName, fldName, fldValue])

Результатом команды форматирования будет 'Select * from EMPLOYEE where EMP_ID=3'. Такая функциональность обеспечивает чрезвычайную гибкость при динамическом выполнении запроса. Пример, приведенный ниже в листинге 5, позволяет вывести в результатах поле salary. Для поля salary пользователь может задавать критерии.

Листинг 5 - Использование команды Format для создания SQL-запроса

Код

procedure TForm1.BitBtn1Click(Sender: TObject);
var
sqlString: string; {здесь хранится SQL-запрос}
fmtStr1,
fmtStr2: string; {здесь хранится строка, передаваемая для форматирования}

begin
{ Создание каркаса запроса }
sqlString := 'Select EMP_NO %s from employee where SALARY %s';

if showSalaryChkBox.checked {Если checkbox Salary отмечен} then
fmtStr1 := ', SALARY'
else
fmtStr1 := '';
if salaryEdit.text <> '' { Если поле редактирования Salary не пустое } then
fmtStr2 := salaryEdit.text
else
fmtStr2 := '>0';

Query1.Close; {Деактивируем запрос в качестве одной из мер предосторожности }
Query1.SQL.Clear; {Стираем любой предыдущий запрос}
Query1.SQL.Add(Format(sqlString, [fmtStr1, fmtStr2])); {Добавляем}
{форматированную строку к свойству SQL}

try {перехватчик ошибок}
Query1.Open; {Выполняем запрос и открываем набор данных}
except {секция обработки ошибок}
on e: EDatabaseError do {e - новый дескриптор ошибки}
messageDlg(e.message, mtError, [mbOK], 0);
{показываем свойство message объекта e}
end; {окончание обработки ошибки}
end;

В этом примере мы используем методы Clear и Add свойства SQL. Поскольку "подготовленный" запрос использует ресурсы сервера, и нет никакой гарантии что новый запрос будет использовать те же таблицы и столбцы, Delphi, при каждом изменении свойства SQL, осуществляет операцию, обратную "подготовке" (unprepare). Если TQuery не был подготовлен (т.е. свойство Prepared установлено в False), Delphi автоматически подготавливает его при каждом выполнении. Поэтому в нашем случае, даже если бы был вызван метод Prepare, приложению от этого не будет никакой пользы.

Open против ExecSQL

В предыдущих примерах TQuerie выполняли Select-запросы. Delphi рассматривает результаты Select-запроса как набор данных, типа таблицы. Это просто один класс допустимых SQL-запросов. К примеру, команда Update обновляет содержимое записи, но не возвращает записи или какого-либо значения. Если вы хотите использовать запрос, не возвращающий набор данных, используйте ExecSQL вместо Open. ExecSQL передает запрос для выполнения на сервер. В общем случае, если вы ожидаете, что получите от запроса данные, то используйте Open. В противном случае допускается использование ExecSQL, хотя его использование с Select не будет конструктивным. Листинг 6 содержит код, поясняющий сказанное на примере.

Листинг 6

Код

procedure TForm1.BitBtnClick(sender: TObject)
begin
Query1.Close;
Query1.Clear;
Query1.SQL.Add('Update SALARY from EMPLOYEE ' +
'where SALARY<:salary values (SALARY*(1+:raise)');
Query1.paramByName('salary').asString := edit1.text;
Query1.paramByName('raise').asString := edit2.text;
try
Query1.ExecSQL;
except
on e: EDatabaseError do
messageDlg(e.message, mtError, [mbOK], 0);
end;
end;

Все приведенные выше примеры предполагают использования в ваших приложениях запросов. Они могут дать солидное основание для того, чтобы начать использовать в ваших приложениях TQuery. Но все же нельзя прогнозировать конец использования SQL в ваших приложених. Типичные серверы могут предложить вам другие характеристики, типа хранимых процедур и транзакций. В следующих двух секциях приведен краткий обзор этих средств.

[pagebreak]

3. Компонент TStoredProc

Хранимая процедура представляет собой список команд (SQL или определенного сервера), хранимых и выполняемых на стороне сервера. Хранимые процедуры не имеют концептуальных различий с другими типами процедур. TStoredProc наследуется от TDataset, поэтому он имеет много общих характеристик с TTable и TQuery. Особенно заметно сходство с TQuery. Поскольку хранимые процедуры не требуют возврата значений, те же правила действуют и для методов ExecProc и Open. Каждый сервер реализует работу хранимых процедур с небольшими различиями. Например, если в качестве сервера вы используете Interbase, хранимые процедуры выполняются в виде Select-запросов. Например, чтобы посмотреть на результаты хранимой процедуры, ORG_CHART, в демонстрационной базе данных EMPLOYEE, используйте следующих SQL-запрос:

Код

Select * from ORG_CHART

При работе с другими серверами, например, Sybase, вы можете использовать компонент TStoredProc. Данный компонент имеет свойства для имен базы данных и хранимой процедуры. Если процедура требует на входе каких-то параметров, используйте для их ввода свойство Params.

4. TDatabase

Компонент TDatabase обеспечивает функциональность, которой не хватает TQuery и TStoredProc. В частности, TDatabase позволяет создавать локальные псевдонимы BDE, так что приложению не потребуются псевдонимы, содержащиеся в конфигурационном файле BDE. Этим локальным псевдонимом в приложении могут воспользоваться все имеющиеся TTable, TQuery и TStoredProc. TDatabase также позволяет разработчику настраивать процесс подключения, подавляя диалог ввода имени и пароля пользователя, или заполняя необходимые параметры. И, наконец, самое главное, TDatabase может обеспечивать единственную связь с базой данных, суммируя все операции с базой данных через один компонент. Это позволяет элементам управления для работы с БД иметь возможность управления транзакциями.

Транзакцией можно считать передачу пакета информации. Классическим примером транзакции является передача денег на счет банка. Транзакция должна состоять из операции внесения суммы на новый счет и удаления той же суммы с текущего счета. Если один из этих шагов по какой-то причине был невыполнен, транзакция также считается невыполненной. В случае такой ошибки, SQL сервер позволяет выполнить команду отката (rollback), без внесения изменений в базу данных. Управление транзакциями зависит от компонента TDatabase. Поскольку транзакция обычно состоит из нескольких запросов, вы должны отметить начало транзакции и ее конец. Для выделения начала транзакции используйте TDatabase.BeginTransaction. Как только транзакция начнет выполняться, все выполняемые команды до вызова TDatabase.Commit или TDatabase.Rollback переводятся во временный режим. При вызове Commit все измененные данные передаются на сервер. При вызове Rollback все изменения теряют силу. Ниже в листинге 7 приведен пример, где используется таблица с именем ACCOUNTS. Показанная процедура пытается передать сумму с одного счета на другой.

Листинг 7

Код

procedure TForm1.BitBtn1Click(Sender: TObject);
{ ПРИМЕЧАНИЕ: Поле BALANCE у ACCOUNTS имеет триггер, проверяющий
ситуацию, когда вычитаемая сумма превышает BALANCE. Если так, UPDATE
будет отменен}
begin
try
database1.StartTransaction;
query1.SQL.Clear;
{ Вычитаем сумму из выбранного счета }
query1.SQL.Add(Format('update ACCOUNTS ' +
'set BALANCE = BALANCE - %s ) ' +
'where ACCT_NUM = %s ',
[edit1.text,
Table1Acct_Num.asString]));
query1.ExecSQL;
query1.SQL.Clear;
{ Добавляем сумму к выбранному счету }
query1.SQL.Add(Format('update ACCOUNTS ' +
'set BALANCE = BALANCE + %s ' +
'where ACCT_NUM = %s ',
[edit1.text,
Table2Acct_Num.asString]));
query1.ExecSQL;
database1.Commit; {В этом месте делаем все изменения}
table1.Refresh;
table2.Refresh;
except
{При возникновении в приведенном коде любых ошибок,
откатываем транзакцию назад}
One: EDatabaseError do
begin
messageDlg(e.message, mtError, [mbOK], 0);
database1.rollback;
exit;
end;
One: Exception do
begin
messageDlg(e.message, mtError, [mbOK], 0);
database1.rollback;
exit;
end;
end;
end;

И последнее, что нужно учесть при соединении с базой данных. В приведенном выше примере, TDatabase использовался в качестве единственного канала для связи с базой данных, поэтому было возможным выполнение только одной транзакции. Чтобы выполнить это, было определено имя псевдонима (Aliasname). Псевдоним хранит в себе информацию, касающуюся соединения, такую, как Driver Type (тип драйвера), Server Name (имя сервера), User Name (имя пользователя) и другую. Данная информация используется для создания строки соединения (connect string). Для создания псевдонима вы можете использовать утилиту конфигурирования BDE, или, как показано в примере ниже, заполнять параметры во время выполнения приложения.

TDatabase имеет свойство Params, в котором хранится информация соединения. Каждая строка Params является отдельным параметром. В приведенном ниже примере пользователь устанавливает параметр User Name в поле редактирования Edit1, а параметр Password в поле Edit2. В коде листинга 8 показан процесс подключения к базе данных:

Листинг 8

Код

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
begin
try
with database1 do
begin
Close;
DriverName := 'INTRBASE';
KeepConnection := TRUE;
LoginPrompt := FALSE;
with database1.Params do
begin
Clear;
Add('SERVER NAME=C:\IBLOCAL\EXAMPLES\EMPLOYEE.GDB');
Add('SCHEMA CACHE=8');
Add('OPEN MODE=READ/WRITE');
Add('SQLPASSTHRU MODE=SHARED NOAUTOCOMMIT');
Add('USER NAME=' + edit1.text);
Add('PASSWORD=' + edit2.text);
end;
Open;
end;
session.getTableNames(database1.databasename, '*',
TRUE,
TRUE,
ComboBox1.items);
except
One: EDatabaseError do
begin
messageDlg(e.message, mtError, [mbOK], 0);
end;
end;
end;

Этот пример показывает как можно осуществить подключение к серверу без создания псевдонима. Ключевыми моментами здесь являются определение DriverName и заполнение Params информацией, необходимой для подключения. Вам не нужно определять все параметры, вам необходимо задать только те, которые не устанавливаются в конфигурации BDE определенным вами драйвером базы данных. Введенные в свойстве Params данные перекрывают все установки конфигурации BDE. Записывая параметры, Delphi заполняет оставшиеся параметры значениями из BDE Config для данного драйвера. Приведенный выше пример также вводит такие понятия, как сессия и метод GetTableNames. Это выходит за рамки обсуждаемой темы, достаточно упомянуть лишь тот факт, что переменная session является дескриптором database engine. В примере она добавлена только для "показухи".

Другой темой является использование SQLPASSTHRU MODE. Этот параметр базы данных отвечает за то, как натив-команды базы данных, такие, как TTable.Append или TTable.Insert будут взаимодействовать с TQuery, подключенной к той же базе данных. Существуют три возможных значения: NOT SHARED, SHARED NOAUTOCOMMIT и SHARED AUTOCOMMIT. NOT SHARED означает, что натив-команды используют одно соединение с сервером, тогда как запросы - другое. Со стороны сервера это видится как работа двух разных пользователей. В любой момент времени, пока транзакция активна, натив-команды не будут исполняться (committed) до тех пор, пока транзакция не будет завершена. Если был выполнен TQuery, то любые изменения, переданные в базу данных, проходят отдельно от транзакции.

Два других режима, SHARED NOAUTOCOMMIT и SHARED AUTOCOMMIT, делают для натив-команд и запросов общим одно соединение с сервером. Различие между двумя режимами заключаются в передаче выполненной натив-команды на сервер. При выбранном режиме SHARED AUTOCOMMIT бессмысленно создавать транзакцию, использующую натив-команды для удаления записи и последующей попыткой осуществить откат (Rollback). Запись должна быть удалена, а изменения должны быть сделаны (committed) до вызова команды Rollback. Если вам нужно передать натив-команды в пределах транзакции, или включить эти команды в саму транзакцию, убедитесь в том, что SQLPASSTHRU MODE установлен в SHARED NOAUTOCOMMIT или в NOT SHARED.

5. Выводы

Delphi поддерживает множество характеристик при использовании языка SQL с вашими серверами баз данных. На этой ноте разрешите попрощаться и пожелать почаще использовать SQL в ваших приложениях.

Мне приходится часто менять клиентов, потому что работаю удаленно. Сделал одному – иди к другому. А еще я продаю свои программы через Интернет. При имеющейся специфике работы, заметил одну странность: примерно в двадцати пяти процентов случаев, предприятие, оплатившее работу программиста и принявшее его работу, не пользуется ею.

Начну с примеров

Фирма, продающая компьютеры, купили внушительный комплект программного обеспечения, все своевременно оплатили, купили необходимое торговое оборудование... Мы, соответственно, все им установили и приготовились запускать. Остановились на этапе, когда сотрудники фирмы, ответственные за ввод в эксплуатацию нового программного комплекса, должны внести в информацию по имеющимся в отделах остаткам. Для справки – это примерно пара сотен наименований. Но на этом все работы по проекту остановились, потому что остатки не были внесены к намеченному сроку, ни через неделю после срока, ни через месяц. Не внесены они и до сих пор, хотя прошло уже пол года. Официально мы договорились, что клиент нам позвонит, когда сотрудники освободятся и найдут время внести остатки. Сами понимаете, на небольших фирмах менеджеры – по совместительству еще и продавцы, еще и грузчики, и кассиры…

Еще пример

Достаточно крупный комбинат решил автоматизировать учет обедов собственным сотрудникам в счет зарплаты. Систему подготовили, протестировали, поставили. Обучили их специалиста. Все как обычно. Недавно узнал, что конечный пользователь нашу систему не использует. Оказывается, по весьма банальной причине: на приобретение нового компьютера руководство не выделяет средств, а на имеющемся оказалось недостаточно мощности. В свое время мы указывали им на необходимость более мощного компьютера, но в силу не совсем понятных мне внутренних интриг, этот вопрос был замят на уровне IT-отдела. В результате, автоматизация стала не эффективной, и от использования новой программы решено было отказаться.

Третий пример

Производственная фирма заказала автоматизацию учета. От фирмы был назначен специалист – постановщик ТЗ и в будущем - внедренец. Работу сделали, сдали, провели обучение внедренца (на углубленное внедрение и обучение нами всех сотрудников не выделили бюджет). Я перезвонил клиенту через пол года, чтобы узнать, не было ли замечено каких-либо багов в работе системы. С удивлением услышал, что учет по-прежнему ведется в Excel-е, потому что на глубокое, самостоятельное освоение новой системы у сотрудников нет времени, а специалист, которого мы обучали, уволился…

Хотелось бы обобщить имеющийся, скромный опыт по таким случаям, и порассуждать на тему, когда автоматизация учета становится не эффективной по вине заказчика.

Уже из приведенных примеров можно сделать одно важное заключение: во всех трех случаях явно, что администрация не была заинтересована в результате. В первом – директор не захотел останавливать продажи даже не день, чтобы довести начатое до конца, во втором и третьем был урезан бюджет, и решили сэкономить там, где этого делать было нельзя.

1. Незаинтересованность руководства в результатах

Для меня всегда было загадкой, зачем руководство той или иной фирмы вообще тратится на автоматизацию, если отчетов в excel-е достаточно, и нет желания доводить начатое до конца? Чего дирекция хочет добиться? Дань моде? Надоел ноющий главбух? Решили, что что-то пора менять, но что менять – не выяснили? Стоит напомнить, что грамотно поставленная автоматизация учета в торгово-производственных фирмах способна увеличить прибыль и уменьшить затраты. Хорошая автоматизация окупается достаточно быстро, и уже скоро начинает приносить прибыль и экономию. Но если руководство не оценило перспектив автоматизации или, что еще хуже, считает, что новый стол из красного дерева топ-менеджеру важнее нового сервера сисадмину, то вряд ли на такой фирме автоматизация будет успешной.

2. Ограниченный бюджет

Как правило, из первого следует второе. Когда руководство не совсем отдает себе отчет в том, чего они ждут от автоматизации, тогда возникают идеи, наподобие: «а давайте пригласим студента, и он все сделает, как надо», или «давайте посадим главбуха на сервер»... Я, конечно, не против подработки студентов и не сомневаюсь в потенциале российского студенчества, но хочу лишь сказать о том, что для внедрения серьезной системы учета простого умения программировать очень мало. Хороший внедренец должен уметь просчитать возможные последствия выбора той или иной стратегии автоматизации. Это достаточно кропотливая работа, требующая, прежде всего, большого практического опыта, понимание не только специфики учета предприятия, но и его неочевидных нюансов. В конце концов, такая работа требует настойчивости, потому что часто решения внедренцев могут встретить сопротивление со стороны заказчика, и нужно уметь отстоять свои предложения, основываясь, опять же, на собственном опыте, защищая интересы сопротивляющегося клиента. Вряд ли какой-либо студент, понимающий, что занимается временным, не свойственным ему делом, способен на такое. Поэтому, считаю, что экономия на уровне исполнителя – это почти гарантия неудавшейся автоматизации.

Это же относится и к неоправданной экономии на оборудовании. Как правило, сбой системы происходит в самом слабом ее звене и в самый неподходящий момент… Помню, как у одного моего клиента, смотрящего «сквозь пальцы» на предложение обновить сервер, этот сервер вдруг однажды сгорел, когда бухгалтерия делала годовой отчет. Печально было то, что архивирование данных не велось должным образом, опять же, не смотря на рекомендации: директор считал покупку пишущего cd-room (в то время) – не особенно необходимыми затратами. Систему, конечно, восстановили. Но я помню, как бухгалтерии пришлось две недели работать чуть ли не по ночам, чтобы восстановить потерянные за год данные по первичным документам. Кстати, после этого случая руководство все-таки купило в то время жутко дорогой сервер с райд-массивом…

3. Тендер на откатах

Где-то встречал в сети примерную статистику, какой процент тендеров на IT услуги в России выигрывается за счет откатов ответственному лицу. Статистика – не утешительна. Печально, что на откаты попадают в основном крупные заказчики, где сумма договора внушительна, и руководство напрямую не занимается подбором исполнителя, а поручает это собственному специалисту, который не всегда бывает доволен уровнем своей заработной платы. Практика показывает, что при таком раскладе, все работы бывают выполнены в срок, все документы подписаны, но сотрудники фирмы остаются недовольны результатами и не могут использовать внедренную систему в планируемом объеме по разным причинам. Соответственно, руководство не имеет требуемой аналитической базы и начинает выяснять, в чем причина. Такие разбирательства затягиваются надолго, часто сопровождаются кадровыми движениями и, в конечном итоге, поисками того, кто бы систему довел до ума…

4. К вопросу о лидерах отрасли

Хотел бы привести еще один пример, достаточно типичный. Фирма готова тратить деньги на автоматизацию, но не сориентировалась на рынке IT-услуг и обратилась к кому-то очень известному. В результате затраты превысили все разумные пределы, а итог оказался не совсем ожидаемым, хотя, возможно, приемлемым с натяжкой.

К сожалению, это только при покупке автомобиля можно руководствоваться рекламными буклетами, и, если позволяют средства, выбирать самое последнее из модельного ряда. В сфере IT-услуг, как показывает практика, все далеко не так, особенно в сфере автоматизации на базе продуктов фирмы «1С» фирмами-франчайзи. Если исполнитель – не на уровне масштабов компании «Intel Corporation», то его раскрученность совсем может не соответствовать качеству предлагаемых им услуг, а объемы клиентской сети, требующей постоянного сопровождения, могут не позволить заниматься новым клиентом на должном уровне. На фоне этого, стоило бы вспомнить о небольших фирмах, менее раскрученных, а потому не выигравших тендер, которые были бы просто счастливы получить крупного заказчика IT-услуг, даже с меньшей суммой договора, и были готовы отдать все силы на то, чтобы клиент остался доволен. Амбиции небольших коллективов, уровень их специалистов и заинтересованность в результатах работы часто оказываются выше, чем у раскрученных, больших компаний. Небольшие фирмы не могут допустить в работе того, что позволят себе монополии, потому что любая неудача может грозить такой фирме банкротством.

Я назвал лишь четыре, пожалуй, основных фактора, когда автоматизация не достигает результатов, и присходит это, отчасти, по вине заказчика. Наверняка, имеются и другие причины, но корень проблем, на мой взгляд, следует искать, прежде всего, в неправильной позиции руководства компании, которая выражается или в непонимании, зачем нужна автоматизация, или в неправильно выбранной стратегии решения этого вопроса. Там, где решения принимаются трезво и взвешенно, где оценивается уровень специалиста, а не его раскрученность на рынке, где руководство четко понимает, чего оно ждет от автоматизации в итоге – там все будет нормально, чего всем и желаю…

В данной статье рассмотрены принципы, помогающие компилятору Delphi генерировать более оптимальный с точки зрения скорости код. Если Вы не хотите вникать в подробности, в конце статьи есть «свод правил», которые рекомендуется соблюдать при написании программ.

Компилятор Delphi относится к разряду оптимизирующих. Но насколько качественно проводится оптимизация? Как «помочь» компилятору создать более быстрый код? Давайте разберемся с этим на экспериментах.

Оптимизация константных выражений

Пример 1:

Код

const
z = 15616;
...
var
a,b: integer;
...
a := $abcd6123;
b := z+a;
....

С точки зрения оптимизации код можно упростить еще на этапе компиляции до

Код

b:=15616+$abcd6123;

или того проще:

b:=$ABCD9E23;

Но написанный выше листинг преобразуется в

Код

mov eax, $abcd6123
lea ebx, [eax + $00003D00]

С одной стороны компилятор не «сообразил», что значение переменной «a» можно преобразовать в константу и сложить с другой константой (которая, заметим, подставлена именно как константа) на этапе компиляции, с другой стороны был применен весьма хитрый трюк с LEA (об этом ниже). Тем не менее, код

Код

mov ebx, $ABCD9E23

в любом случае быстрее и короче.

Пример 2:

Код

...
b:=random(maxint); // b – заведомо не константа !
a:=$abcd6123;
if b>a then b:=a;
...

Скомпилированный код будет выглядеть

Код

mov eax, $7fffffff // MaxInt
call @RandInt
mov ebx,eax
mov eax, $abcd6123
cmp eax, ebx
jnl +$02
...

А ведь значение, присвоенной переменной «а» являлось константой и наш пример можно было бы переписать как:

Код

b:=random(maxint);
a:=$abcd6123;
if b>$abcd6123 then b:= $abcd6123;

Пример 3:

Код

...
a:=$abcd6123;
b:=$abc34233;
c:=b-a;
...

После компиляции получаем:

Код

mov eax, $abcd6123
mov ebx, $abc34233
mov ebx, edx
sub ebx, eax

Т.е. компилятор преобразовал код так, как он был написан, а ведь можно было бы просто записать:

Код

mov ebx, $fff5e110
т.е. c:= $fff5e110;

Оптимизация алгебраических выражений

Пример 4:

Код

...
var
a,b,c,d: integer;
p: pointer;
begin
p:=nil;
a:=0;
...
{далее по коду эти присвоения не используются}

После компиляции эти переменные будут удалены, причем с предупреждением

Код

Value assigned to ... never used

Пример 5:

Код

...
a:=0;
b:=a;
showmessage(inttostr(b));
...

Код скомпилируется как есть! Таким образом мы обманули компилятор псевдо использованием переменных. Delphi не исправляет нашей «кривости», поэтому эта задача ложится исключительно на плечи программиста.

Пример 6:

Код

...
b:=random(maxint);
a:=b;
func(a,b);
a:=a+1;
func(a,b);
...

Данный код можно оптимизировать до

Код

...
b:=random(maxint);
func(b,b);
a:=b+1;
func(a,b);
...

И этого Delphi за нас не сделает.

Пример 7:

Код

...
c:=a div b;
c:=a*b;
...

В данном примере первую строчку можно безболезненно удалить, что Delphi делать умеет.

Пример 8:

Код

if ((a*b)<$3d00) and (a*b)>0)) then ...

В данном случае можно избавится от одной операции умножения, присвоив значение выражения a*b временной переменной. Анализ ассемблерного листинга показывает, что компилятор именно так и поступает. Тем не менее, поменяв второе подвыражение на ((b*a)>0), компилятор принимает выражения за разные и генерирует умножение для обоих случаев, не смотря на то, что результат одинаков.

Оптимизация арифметических операций

Сложение и вычитание

Применение инструкции LEA вместо ADD позволяет производить сумму 3х операндов (двух переменных и одной константы) за один такт. Трюк заключается в том представление ближних указателей эквивалентно их фактическому значению, поэтому результат, возвращенный LEA равен сумме ее операндов. При возможности Delphi производит такую замену.

Деление

Операция деления требует гораздо больше тактов процессора, нежели умножение, поэтому замена деления на умножение может значительно ускорить работу. Существуют формулы, позволяющие выполнять такое преобразование. Тем не менее, Delphi не использует такую оптимизацию. Деление на степень двойки можно заменять сдвигом вправо на n бит, но даже в этом случае получаем следующий код:

Код

mov esi,edi
sar esi,1
jns +$03
adc esi, $00

Здесь учитывается особенность самой операции div – округление в большую сторону. Поэтому, если можно пренебрегать округлением, используйте c:=a shr 1 вместо с:=a div 2.

Умножение

Умножение на степень двойки можно заменять сдвигами битов. Delphi заменяет умножение сдвигами при умножении на 4,8,16 итд. При умножении на 2 производится суммированием переменной с собой.

Умножать на 3,5,6,7,8,10 и т. д. можно и без операции умножения – расписав выражение по формуле (a shl n)+a, где n – показатель степени двойки. Например, при умножении на 3 n=1. Delphi при возможности прибегает к этому трюку. Заметим, операнд LEA умеет умножать регистр на 2,4,8, что также при возможности используется компилятором. Например, умножение на 3 преобразуется в инструкцию

Код

lea esi, [ebx + ebx*2]

Оптимизация case of

Анализ скомпилированного кода показывает, что Delphi проводит утрамбовку дерева. Т.е. значения case сортируются и выбор нужного элемента производится при помощи двоичного поиска.

В случае, если элементы case of выстраиваются в арифметической прогрессии, компилятор формирует таблицу переходов. Т.е. создается массив указателей с индексами элементов, поэтому выбор нужно элемента выполняется за одну итерацию независимо от количества элементов.

Оптимизация циклов

Разворачивание циклов – не производится. Разворачивание циклов весьма спорный момент в оптимизации, поэтому принять грамотное решение может только человек. Delphi не производит разворачивания ни больших, ни маленьких циклов.

Слияние циклов – не производится. Если два цикла, следующие друг за другом имеют одинаковые границы итерационной переменной, разумно оба цикла объединить в один.

Вынесение инвариантного кода за пределы цикла – не выносится. Наиболее распространенный недочет – условие цикла записывается как:

Код

for i:=0 to memo1.lines.count – 1 do...

Delphi будет при каждой итерации вызывать метод count, вычитать из результата 1 и потом уже сверять. Настоятельно рекомендуется переписывать подобный код как

Код

lin := .lines.count – 1;
for i:=0 to lin do...

Весь код VCL написан с нарушением этого правила. Очевидно, что проще подобного рода оптимизацию встроить в компилятор, нежели переписывать VCL :)

Замена циклов с предусловием на циклы с постусловием – производится. Циклы с постусловием имеют главное преимущество над другими видами циклов (с предусловием и с условием в середине) – они содержат всего одно ветвление. Delphi производит такую замену.

Замена инкремента на декремент – не производится. Более того, даже декрементный цикл компилируется в неоптимальный код, т.к. не используется флаг ZF. Вместо этого происходит сравнивание значения регистра с 0.

Удаление ветвлений – не производится.

Вывод:

1. Не используйте переменные для временного хранения констант или обязательно объявляйте «магические» числа как const, либо подставляйте в код непосредственные значения

2. Неиспользуемыми объявлениями и присвоениями можно безболезненно пренебрегать – Delphi умеет их вычищать.

3. Внимательно следите за использованием переменных, в частности лишним присвоениям их значений друг другу. Такого рода оптимизации Delphi делать не умеет.

4. Используйте свернутые математические выражения. (например, (3*a - a) /2 упрощается до a). Delphi не умеет упрощать математические выражения. (Да и что говорить, даже MathCAD не всегда грамотно умеет делать такие преобразования).

5. Не используйте конструкции типа a:=10*sin(45*pi/180); Delphi не вычислит эту константу на этапе компиляции, напротив, будет послушно вызывать sin и pi по ходу выполнения программы! В случае, если угол является переменной, по крайней мере pi можно заменить константой 3,1415...

6. Delphi прекрасно справляется с выражениями, полностью составленных из констант – они вычисляются на этапе компиляции.

7. Внимательно следите за условиями и их границами. Компилятор Delphi не умеет обнаруживать заведомо ложных условий. Также он не умеет удалять заведомо лишние условия. Например, (a>0) and (a<15616) and (a<>0)

8. Если в условии несколько раз проверяется одно и тоже выражение, следите, чтобы оно было выражено во всех конструкциях одинаково. В противном случае скомпилированный код будет не оптимален. Например, if ((a*b)>0) and ((a*b)<1024) then... При перестановке во втором случае b*a смысл выражения не изменится, но код будет иметь уже на одну операцию умножения, а две. Можно временно присвоить проверяемое выражение временной переменной, а затем уже проверять полученное значение.

9. Сообщение «Combining signed and unsigned types – widened both operands» сообщает не только о потенциальной ошибке – также вследствие преобразования мы теряем производительность. Например, z – объявлена как ineteger. условие if z>$abcd6123 then z:= $abcd6123; несмотря на его правильность вызовет данное предупреждение. Сгенерированный код будет, выполнять преобразования величин до 64-х бит, и дальнейшее уже сравнение 64-х битных операндов. Если изменить тип z на cardinal, мы избавимся от предупреждения и получим 3 строки кода, вместо 8 !

10. Delphi умеет оптимизировать сложение, умножение и частично деление. При делении на степень двойки, если не важно округление до большего, рекомендуется пользоваться shr 1 вместо div 2.

11. В case of при возможности используйте элементы, расположенные в арифметической прогрессии. Тем не менее, даже при невыполнении данного условия мы получим качественный код после утрамбовки дерева.

12. Выносите инвариантный код за тело цикла. Наиболее частая ошибка – for i:=1 to length(str) do... Дело в том, что при каждой итерации будет вызываться функция length, что пагубно скажется на производительности. Рекомендуется длину строки заранее присвоить переменной. Также не включайте в тело цикла код, заведомо не зависящий от изменения итерационной переменной.

Сравнивая Delphi с компиляторами Visual C++, WATCOM, Borland C++ (тестирование данных компиляторов приведено в [1]) приходим к выводу, что Delphi по своим оптимизирующим свойствам аналогичен Borland C++ (а кто сомневался? ;) ). Учитывая, что Borland C++ по итогам сравнения оказался последним, делаем несложный вывод. Весьма печален и тот факт, что большинство кода VCL написано с точки зрения «красоты» кода, а не его оптимальности с точки зрения скорости. Например, не соблюдается правило 12.

Сеть всегда объединяет несколько абонентов, каждый из которых имеет право передавать свои пакеты. Но, как уже отмечалось, по одному кабелю одновременно передавать два (или более) пакета нельзя, иначе может возникнуть конфликт (коллизия), который приведет к искажению либо потере обоих пакетов (или всех пакетов, участвующих в конфликте). Значит, надо каким-то образом установить очередность доступа к сети (захвата сети) всеми абонентами, желающими передавать. Это относится, прежде всего, к сетям с топологиями шина и кольцо. Точно так же при топологии звезда необходимо установить очередность передачи пакетов периферийными абонентами, иначе центральный абонент просто не сможет справиться с их обработкой.

В сети обязательно применяется тот или иной метод управления обменом (метод доступа, метод арбитража), разрешающий или предотвращающий конфликты между абонентами. От эффективности работы выбранного метода управления обменом зависит очень многое: скорость обмена информацией между компьютерами, нагрузочная способность сети (способность работать с различными интенсивностями обмена), время реакции сети на внешние события и т.д. Метод управления – это один из важнейших параметров сети.

Тип метода управления обменом во многом определяется особенностями топологии сети. Но в то же время он не привязан жестко к топологии, как нередко принято считать.

Методы управления обменом в локальных сетях делятся на две группы:

* Централизованные методы, в которых все управление обменом сосредоточено в одном месте. Недостатки таких методов: неустойчивость к отказам центра, малая гибкость управления (центр обычно не может оперативно реагировать на все события в сети). Достоинство централизованных методов – отсутствие конфликтов, так как центр всегда предоставляет право на передачу только одному абоненту, и ему не с кем конфликтовать.
* Децентрализованные методы, в которых отсутствует центр управления. Всеми вопросами управления, в том числе предотвращением, обнаружением и разрешением конфликтов, занимаются все абоненты сети. Главные достоинства децентрализованных методов: высокая устойчивость к отказам и большая гибкость. Однако в данном случае возможны конфликты, которые надо разрешать.

Существует и другое деление методов управления обменом, относящееся, главным образом, к децентрализованным методам:

* Детерминированные методы определяют четкие правила, по которым чередуются захватывающие сеть абоненты. Абоненты имеют определенную систему приоритетов, причем приоритеты эти различны для всех абонентов. При этом, как правило, конфликты полностью исключены (или маловероятны), но некоторые абоненты могут дожидаться своей очереди на передачу слишком долго. К детерминированным методам относится, например, маркерный доступ (сети Token-Ring, FDDI), при котором право передачи передается по эстафете от абонента к абоненту.
* Случайные методы подразумевают случайное чередование передающих абонентов. При этом возможность конфликтов подразумевается, но предлагаются способы их разрешения. Случайные методы значительно хуже (по сравнению с детерминированными) работают при больших информационных потоках в сети (при большом трафике сети) и не гарантируют абоненту величину времени доступа. В то же время они обычно более устойчивы к отказам сетевого оборудования и более эффективно используют сеть при малой интенсивности обмена. Пример случайного метода – CSMA/CD (сеть Ethernet).

Для трех основных топологий характерны три наиболее типичных метода управления обменом.


Для топологии звезда лучше всего подходит централизованный метод управления. Это связано с тем, что все информационные потоки проходят через центр, и именно этому центру логично доверить управление обменом в сети. Причем не так важно, что находится в центре звезды: компьютер (центральный абонент), как на рис. 1.6, или же специальный концентратор, управляющий обменом, но сам не участвующий в нем. В данном случае речь идет уже не о пассивной звезде (рис. 1.11), а о некой промежуточной ситуации, когда центр не является полноценным абонентом, но управляет обменом. Это, к примеру, реализовано в сети 100VG-AnyLAN.

Самый простейший централизованный метод состоит в следующем.

Периферийные абоненты, желающие передать свой пакет (или, как еще говорят, имеющие заявки на передачу), посылают центру свои запросы (управляющие пакеты или специальные сигналы). Центр же предоставляет им право передачи пакета в порядке очередности, например, по их физическому расположению в звезде по часовой стрелке. После окончания передачи пакета каким-то абонентом право передавать получит следующий по порядку (по часовой стрелке) абонент, имеющий заявку на передачу (рис. 4.8). Например, если передает второй абонент, то после него имеет право на передачу третий. Если же третьему абоненту не надо передавать, то право на передачу переходит к четвертому и т.д.

Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда

Рис. 4.8. Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда

В этом случае говорят, что абоненты имеют географические приоритеты (по их физическому расположению). В каждый конкретный момент наивысшим приоритетом обладает следующий по порядку абонент, но в пределах полного цикла опроса ни один из абонентов не имеет никаких преимуществ перед другими. Никому не придется ждать своей очереди слишком долго. Максимальная величина времени доступа для любого абонента в этом случае будет равна суммарному времени передачи пакетов всех абонентов сети кроме данного. Для топологии, показанной на рис. 4.8, она составит четыре длительности пакета. Никаких столкновений пакетов при этом методе в принципе быть не может, так как все решения о доступе принимаются в одном месте.

Рассмотренный метод управления можно назвать методом с пассивным центром, так как центр пассивно прослушивает всех абонентов. Возможен и другой принцип реализации централизованного управления (его можно назвать методом с активным центром).

В этом случае центр посылает запросы о готовности передавать (управляющие пакеты или специальные сигналы) по очереди всем периферийным абонентам. Тот периферийный абонент, который хочет передавать (первый из опрошенных) посылает ответ (или же сразу начинает свою передачу). В дальнейшем центр проводит сеанс обмена именно с ним. После окончания этого сеанса центральный абонент продолжает опрос периферийных абонентов по кругу (как на рис. 4.8). Если желает передавать центральный абонент, он передает вне очереди.

Как в первом, так и во втором случае никаких конфликтов быть не может (решение принимает единый центр, которому не с кем конфликтовать). Если все абоненты активны, и заявки на передачу поступают интенсивно, то все они будут передавать строго по очереди. Но центр должен быть исключительно надежен, иначе будет парализован весь обмен. Механизм управления не слишком гибок, так как центр работает по жестко заданному алгоритму. К тому же скорость управления невысока. Ведь даже в случае, когда передает только один абонент, ему все равно приходится ждать после каждого переданного пакета, пока центр опросит всех остальных абонентов.

Как правило, централизованные методы управления применяются в небольших сетях (с числом абонентов не более чем несколько десятков). В случае больших сетей нагрузка по управлению обменом на центр существенно возрастает.


При топологии шина также возможно централизованное управление. При этом один из абонентов ("центральный") посылает по шине всем остальным ("периферийным") запросы (управляющие пакеты), выясняя, кто из них хочет передать, затем разрешает передачу одному из абонентов. Абонент, получивший право на передачу, по той же шине передает свой информационный пакет тому абоненту, которому хочет. А после окончания передачи передававший абонент все по той же шине сообщает "центру", что он закончил передачу (управляющим пакетом), и "центр" снова начинает опрос (рис. 4.9).

Централизованное управление в сети с топологией шина

Рис. 4.9. Централизованное управление в сети с топологией шина

Преимущества и недостатки такого управления – те же самые, что и в случае централизованно управляемой звезды. Единственное отличие состоит в том, что центр здесь не пересылает информацию от одного абонента к другому, как в топологии активная звезда, а только управляет обменом.

Гораздо чаще в шине используется децентрализованное случайное управление, так как сетевые адаптеры всех абонентов в данном случае одинаковы, и именно этот метод наиболее органично подходит шине. При выборе децентрализованного управления все абоненты имеют равные права доступа к сети, то есть особенности топологии совпадают с особенностями метода управления. Решение о том, когда можно передавать свой пакет, принимается каждым абонентом на месте, исходя только из анализа состояния сети. В данном случае возникает конкуренция между абонентами за захват сети, и, следовательно, возможны конфликты между ними и искажения передаваемой информации из-за наложения пакетов.

Существует множество алгоритмов доступа или, как еще говорят, сценариев доступа, порой очень сложных. Их выбор зависит от скорости передачи в сети, длины шины, загруженности сети (интенсивности обмена или трафика сети), используемого кода передачи.

Иногда для управления доступом к шине применяется дополнительная линия связи, что позволяет упростить аппаратуру контроллеров и методы доступа, но заметно увеличивает стоимость сети за счет удвоения длины кабеля и количества приемопередатчиков. Поэтому данное решение не получило широкого распространения.

Суть всех случайных методов управления обменом довольно проста.

Если сеть свободна (то есть никто не передает своих пакетов), то абонент, желающий передавать, сразу начинает свою передачу. Время доступа в этом случае равно нулю.

Если же в момент возникновения у абонента заявки на передачу сеть занята, то абонент, желающий передавать, ждет освобождения сети. В противном случае исказятся и пропадут оба пакета. После освобождения сети абонент, желающий передавать, начинает свою передачу.

Возникновение конфликтных ситуаций (столкновений пакетов, коллизий), в результате которых передаваемая информация искажается, возможно в двух случаях.

* При одновременном начале передачи двумя или более абонентами, когда сеть свободна (рис. 4.10). Это ситуация довольно редкая, но все-таки вполне возможная.
* При одновременном начале передачи двумя или более абонентами сразу после освобождения сети (рис. 4.11). Это ситуация наиболее типична, так как за время передачи пакета одним абонентом вполне может возникнуть несколько новых заявок на передачу у других абонентов.

Существующие случайные методы управления обменом (арбитража) различаются тем, как они предотвращают возможные конфликты или же разрешают уже возникшие. Ни один конфликт не должен нарушать обмен, все абоненты должны, в конце концов, передать свои пакеты.

В процессе развития локальных сетей было разработано несколько разновидностей случайных методов управления обменом.

Коллизии в случае начала передачи при свободной сети

Рис. 4.10. Коллизии в случае начала передачи при свободной сети

Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети

Рис. 4.11. Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети

Например, был предложен метод, при котором не все передающие абоненты распознают коллизию, а только те, которые имеют меньшие приоритеты. Абонент с максимальным приоритетом из всех, начавших передачу, закончит передачу своего пакета без ошибок. Остальные, обнаружив коллизию, прекратят свою передачу и будут ждать освобождения сети для новой попытки. Для контроля коллизии каждый передающий абонент производит побитное сравнение передаваемой им в сеть информации и данных, присутствующих в сети. Побеждает тот абонент, заголовок пакета которого дольше других не искажается от коллизии. Этот метод, называемый децентрализованным кодовым приоритетным методом, отличается низким быстродействием и сложностью реализации.

При другом методе управления обменом каждый абонент начинает свою передачу после освобождения сети не сразу, а, выдержав свою, строго индивидуальную задержку, что предотвращает коллизии после освобождения сети и тем самым сводит к минимуму общее количество коллизий. Максимальным приоритетом в этом случае будет обладать абонент с минимальной задержкой. Столкновения пакетов возможны только тогда, когда два и более абонентов захотели передавать одновременно при свободной сети. Этот метод, называемый децентрализованным временным приоритетным методом, хорошо работает только в небольших сетях, так как каждому абоненту нужно обеспечить свою индивидуальную задержку.

В обоих случаях имеется система приоритетов, все же данные методы относятся к случайным, так как исход конкуренции невозможно предсказать. Случайные приоритетные методы ставят абонентов в неравные условия при большой интенсивности обмена по сети, так как высокоприоритетные абоненты могут надолго заблокировать сеть для низкоприоритетных абонентов.
[pagebreak]
Чаще всего система приоритетов в методе управления обменом в шине отсутствует полностью. Именно так работает наиболее распространенный стандартный метод управления обменом CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), используемый в сети Ethernet. Его главное достоинство в том, что все абоненты полностью равноправны, и ни один из них не может надолго заблокировать обмен другому (как в случае наличия приоритетов). В этом методе коллизии не предотвращаются, а разрешаются.

Суть метода состоит в том, что абонент начинает передавать сразу, как только он выяснит, что сеть свободна. Если возникают коллизии, то они обнаруживаются всеми передающими абонентами. После чего все абоненты прекращают свою передачу и возобновляют попытку начать новую передачу пакета через временной интервал, длительность которого выбирается случайным образом. Поэтому повторные коллизии маловероятны.

Еще один распространенный метод случайного доступа – CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – множественный доступ с контролем несущей и избежанием коллизий) применяющийся, например, в сети Apple LocalTalk. Абонент, желающий передавать и обнаруживший освобождение сети, передает сначала короткий управляющий пакет запроса на передачу. Затем он заданное время ждет ответного короткого управляющего пакета подтверждения запроса от абонента-приемника. Если ответа нет, передача откладывается. Если ответ получен, передается пакет. Коллизии полностью не устраняются, но в основном сталкиваются управляющие пакеты. Столкновения информационных пакетов выявляются на более высоких уровнях протокола.

Подобные методы будут хорошо работать только при не слишком большой интенсивности обмена по сети. Считается, что приемлемое качество связи обеспечивается при нагрузке не выше 30—40% (то есть когда сеть занята передачей информации примерно на 30—40% всего времени). При большей нагрузке повторные столкновения учащаются настолько, что наступает так называемый коллапс или крах сети, представляющий собой резкое падение ее производительности.

Недостаток всех случайных методов состоит еще и в том, что они не гарантируют величину времени доступа к сети, которая зависит не только от выбора задержки между попытками передачи, но и от общей загруженности сети. Поэтому, например, в сетях, выполняющих задачи управления оборудованием (на производстве, в научных лабораториях), где требуется быстрая реакция на внешние события, сети со случайными методами управления используются довольно редко.

При любом случайном методе управления обменом, использующем детектирование коллизии (в частности, при CSMA/CD), возникает вопрос о том, какой должна быть минимальная длительность пакета, чтобы коллизию обнаружили все начавшие передавать абоненты. Ведь сигнал по любой физической среде распространяется не мгновенно, и при больших размерах сети (диаметре сети) задержка распространения может составлять десятки и сотни микросекунд. Кроме того, информацию об одновременно происходящих событиях разные абоненты получают не в одно время. С тем чтобы рассчитать минимальную длительность пакета, следует обратиться к рис. 4.12.

Расчет минимальной длительности пакета

Рис. 4.12. Расчет минимальной длительности пакета

Пусть L – полная длина сети, V – скорость распространения сигнала в используемом кабеле. Допустим, абонент 1 закончил свою передачу, а абоненты 2 и 3 захотели передавать во время передачи абонента 1 и ждали освобождения сети.

После освобождения сети абонент 2 начнет передавать сразу же, так как он расположен рядом с абонентом 1. Абонент 3 после освобождения сети узнает об этом событии и начнет свою передачу через временной интервал прохождения сигнала по всей длине сети, то есть через время L/V. При этом пакет от абонента 3 дойдет до абонента 2 еще через временной интервал L/V после начала передачи абонентом 3 (обратный путь сигнала). К этому моменту передача пакета абонентом 2 не должна закончиться, иначе абонент 2 так и не узнает о столкновении пакетов (о коллизии), в результате чего будет передан неправильный пакет.

Получается, что минимально допустимая длительность пакета в сети должна составлять 2L/V, то есть равняться удвоенному времени распространения сигнала по полной длине сети (или по пути наибольшей длины в сети). Это время называется двойным или круговым временем задержки сигнала в сети или PDV (Path Delay Value). Этот же временной интервал можно рассматривать как универсальную меру одновременности любых событий в сети.

Стандартом на сеть задается как раз величина PDV, определяющая минимальную длину пакета, и из нее уже рассчитывается допустимая длина сети. Дело в том, что скорость распространения сигнала в сети для разных кабелей отличается. Кроме того, надо еще учитывать задержки сигнала в различных сетевых устройствах. Расчетам допустимых конфигураций сети Ethernet посвящена глава 10.

Отдельно следует остановиться на том, как сетевые адаптеры распознают коллизию в кабеле шины, то есть столкновение пакетов. Ведь простое побитное сравнение передаваемой абонентом информации с той, которая реально присутствует в сети, возможно только в случае самого простого кода NRZ, используемого довольно редко. При применении манчестерского кода, который обычно подразумевается в случае метода управления обменом CSMA/CD, требуется принципиально другой подход.

Как уже отмечалось, сигнал в манчестерском коде всегда имеет постоянную составляющую, равную половине размаха сигнала (если один из двух уровней сигнала нулевой). Однако в случае столкновения двух и более пакетов (при коллизии) это правило выполняться не будет. Постоянная составляющая суммарного сигнала в сети будет обязательно больше или меньше половины размаха (рис. 4.13). Ведь пакеты всегда отличаются друг от друга и к тому же сдвинуты друг относительно друга во времени. Именно по выходу уровня постоянной составляющей за установленные пределы и определяет каждый сетевой адаптер наличие коллизии в сети.

Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода

Рис. 4.13. Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода

Задача обнаружения коллизии существенно упрощается, если используется не истинная шина, а равноценная ей пассивная звезда (рис. 4.14).

Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда

Рис. 4.14. Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда

При этом каждый абонент соединяется с центральным концентратором, как правило, двумя кабелями, каждый из которых передает информацию в своем направлении. Во время передачи своего пакета абоненту достаточно всего лишь контролировать, не приходит ли ему в данный момент по встречному кабелю (приемному) другой пакет. Если встречный пакет приходит, то детектируется коллизия. Точно так же обнаруживает коллизии и концентратор.


Кольцевая топология имеет свои особенности при выборе метода управления обменом. В этом случае важно то, что любой пакет, посланный по кольцу, последовательно пройдя всех абонентов, через некоторое время возвратится в ту же точку, к тому же абоненту, который его передавал (так как топология замкнутая). Здесь нет одновременного распространения сигнала в две стороны, как в топологии шина. Как уже отмечалось, сети с топологией кольцо бывают однонаправленными и двунаправленными. Наиболее распространены однонаправленные.

В сети с топологией кольцо можно использовать различные централизованные методы управления (как в звезде), а также методы случайного доступа (как в шине), но чаще выбирают все-таки специфические методы управления, в наибольшей степени соответствующие особенностям кольца.

Самые популярные методы управления в кольцевых сетях маркерные (эстафетные), те, которые используют маркер (эстафету) – небольшой управляющий пакет специального вида. Именно эстафетная передача маркера по кольцу позволяет передавать право на захват сети от одного абонента к другому. Маркерные методы относятся к децентрализованным и детерминированным методам управления обменом в сети. В них нет явно выраженного центра, но существует четкая система приоритетов, и потому не бывает конфликтов.

Работа маркерного метода управления в сети с топологией кольцо представлена на рис. 4.15.


Рис. 4.15. Маркерный метод управления обменом (СМ—свободный маркер, ЗМ— занятый маркер, МП— занятый маркер с подтверждением, ПД—пакет данных)

По кольцу непрерывно ходит специальный управляющий пакет минимальной длины, маркер, предоставляющий абонентам право передавать свой пакет. Алгоритм действий абонентов:

1. Абонент 1, желающий передать свой пакет, должен дождаться прихода к нему свободного маркера. Затем он присоединяет к маркеру свой пакет, помечает маркер как занятый и отправляет эту посылку следующему по кольцу абоненту.
2. Все остальные абоненты (2, 3, 4), получив маркер с присоединенным пакетом, проверяют, им ли адресован пакет. Если пакет адресован не им, то они передают полученную посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
3. Если какой-то абонент (в данном случае это абонент 2) распознает пакет как адресованный ему, то он его принимает, устанавливает в маркере бит подтверждения приема и передает посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
4. Передававший абонент 1 получает свою посылку, прошедшую по всему кольцу, обратно, помечает маркер как свободный, удаляет из сети свой пакет и посылает свободный маркер дальше по кольцу. Абонент, желающий передавать, ждет этого маркера, и все повторяется снова.

Приоритет при данном методе управления получается географический, то есть право передачи после освобождения сети переходит к следующему по направлению кольца абоненту от последнего передававшего абонента. Но эта система приоритетов работает только при большой интенсивности обмена. При малой интенсивности обмена все абоненты равноправны, и время доступа к сети каждого из них определяется только положением маркера в момент возникновения заявки на передачу.

В чем-то рассматриваемый метод похож на метод опроса (централизованный), хотя явно выделенного центра здесь не существует. Однако некий центр обычно все-таки присутствует. Один из абонентов (или специальное устройство) должен следить, чтобы маркер не потерялся в процессе прохождения по кольцу (например, из-за действия помех или сбоя в работе какого-то абонента, а также из-за подключения и отключения абонентов). В противном случае механизм доступа работать не будет. Следовательно, надежность управления в данном случае снижается (выход центра из строя приводит к полной дезорганизации обмена). Существуют специальные средства для повышения надежности и восстановления центра контроля маркера.

Основное преимущество маркерного метода перед CSMA/CD состоит в гарантированной величине времени доступа. Его максимальная величина, как и при централизованном методе, составит (N-1)• tпк, где N – полное число абонентов в сети, tпк – время прохождения пакета по кольцу. Вообще, маркерный метод управления обменом при большой интенсивности обмена в сети (загруженность более 30—40%) гораздо эффективнее случайных методов. Он позволяет сети работать с большей нагрузкой, которая теоретически может даже приближаться к 100%.

Метод маркерного доступа используется не только в кольце (например, в сети IBM Token Ring или FDDI), но и в шине (в частности, сеть Arcnet-BUS), а также в пассивной звезде (к примеру, сеть Arcnet-STAR). В этих случаях реализуется не физическое, а логическое кольцо, то есть все абоненты последовательно передают друг другу маркер, и эта цепочка передачи маркеров замкнута в кольцо (рис. 4.16). При этом совмещаются достоинства физической топологии шина и маркерного метода управления.

Применение маркерного метода управления в шине

Рис. 4.16. Применение маркерного метода управления в шине

Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче информации по каналу с узкой полосой пропускания, например, по телефонным линиям в глобальных сетях. Кроме того, аналоговое кодирование применяется в радиоканалах, что позволяет обеспечивать связь между многими пользователями одновременно.



Код RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) – этот трехуровневый код получил такое название потому, что после значащего уровня сигнала в первой половине битового интервала следует возврат к некоему "нулевому", среднему уровню (например, к нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в середине каждого битового интервала. Логическому нулю, таким образом, соответствует положительный импульс, логической единице – отрицательный (или наоборот) в первой половине битового интервала.

В центре битового интервала всегда есть переход сигнала (положительный или отрицательный), следовательно, из этого кода приемник легко может выделить синхроимпульс (строб). Возможна временная привязка не только к началу пакета, как в случае кода NRZ, но и к каждому отдельному биту, поэтому потери синхронизации не произойдет при любой длине пакета.

Еще одно важное достоинство кода RZ – простая временная привязка приема, как к началу последовательности, так и к ее концу. Приемник просто должен анализировать, есть изменение уровня сигнала в течение битового интервала или нет. Первый битовый интервал без изменения уровня сигнала соответствует окончанию принимаемой последовательности бит (рис. 3.12). Поэтому в коде RZ можно использовать передачу последовательностями переменной длины.

Определение начала и конца приема при коде RZ

Рис. 3.12. Определение начала и конца приема при коде RZ

Недостаток кода RZ состоит в том, что для него требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ (так как здесь на один битовый интервал приходится два изменения уровня сигнала). Например, для скорости передачи информации 10 Мбит/с требуется пропускная способность линии связи 10 МГц, а не 5 МГц, как при коде NRZ (рис. 3.13).

Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ

Рис. 3.13. Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ

Другой важный недостаток – наличие трех уровней, что всегда усложняет аппаратуру как передатчика, так и приемника.

Код RZ применяется не только в сетях на основе электрического кабеля, но и в оптоволоконных сетях. Правда, в них не существует положительных и отрицательных уровней сигнала, поэтому используется три следующие уровня: отсутствие света, "средний" свет, "сильный" свет. Это очень удобно: даже когда нет передачи информации, свет все равно присутствует, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи без дополнительных мер (рис. 3.14).

Использование кода RZ в оптоволоконных сетях

Рис. 3.14. Использование кода RZ в оптоволоконных сетях
Манчестерский код

Манчестерский код (или код Манчестер-II) получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от RZ имеет не три, а всего два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности и упрощению приемных и передающих узлов. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре битового интервала (то есть первая половина битового интервала – низкий уровень, вторая половина – высокий), а логической единице соответствует отрицательный переход в центре битового интервала (или наоборот).

Как и в RZ, обязательное наличие перехода в центре бита позволяет приемнику манчестерского кода легко выделить из пришедшего сигнала синхросигнал и передать информацию сколь угодно большими последовательностями без потерь из-за рассинхронизации. Допустимое расхождение часов приемника и передатчика может достигать 25%.

Подобно коду RZ, при использовании манчестерского кода требуется пропускная способность линии в два раза выше, чем при применении простейшего кода NRZ. Например, для скорости передачи 10 Мбит/с требуется полоса пропускания 10 МГц (рис. 3.15).

Скорость передачи и пропускная способность при манчестерском коде

Рис. 3.15. Скорость передачи и пропускная способность при манчестерском коде

Как и при коде RZ, в данном случае приемник легко может определить не только начало передаваемой последовательности бит, но и ее конец. Если в течение битового интервала нет перехода сигнала, то прием заканчивается. В манчестерском коде можно передавать последовательности бит переменной длины (рис. 3.16). Процесс определения времени передачи называют еще контролем несущей, хотя в явном виде несущей частоты в данном случае не присутствует.

Определение начала и конца приема при манчестерском коде

Рис. 3.16. Определение начала и конца приема при манчестерском коде

Манчестерский код используется как в электрических, так и в оптоволоконных кабелях (в последнем случае один уровень соответствует отсутствию света, а другой – его наличию).

Основное достоинство манчестерского кода – постоянная составляющая в сигнале (половину времени сигнал имеет высокий уровень, другую половину – низкий). Постоянная составляющая равна среднему значению между двумя уровнями сигнала.

Если высокий уровень имеет положительную величину, а низкий – такую же отрицательную, то постоянная составляющая равна нулю. Это дает возможность легко применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. При этом не требуется дополнительного источника питания для линии связи (как, например, в случае использования оптронной гальванической развязки), резко уменьшается влияние низкочастотных помех, которые не проходят через трансформатор, легко решается проблема согласования.

Если же один из уровней сигнала в манчестерском коде нулевой (как, например, в сети Ethernet), то величина постоянной составляющей в течение передачи будет равна примерно половине амплитуды сигнала. Это позволяет легко фиксировать столкновения пакетов в сети (конфликт, коллизию) по отклонению величины постоянной составляющей за установленные пределы.

Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает в себя только две частоты: при скорости передачи 10 Мбит/с это 10 МГц (соответствует передаваемой цепочке из одних нулей или из одних единиц) и 5 МГц (соответствует последовательности из чередующихся нулей и единиц: 1010101010...). Поэтому с помощью простейших полосовых фильтров можно легко избавиться от всех других частот (помехи, наводки, шумы).



Бифазный код часто рассматривают как разновидность манчестерского, так как их характеристики практически полностью совпадают.

Данный код отличается от классического манчестерского кода тем, что он не зависит от перемены мест двух проводов кабеля. Особенно это удобно в случае, когда для связи применяется витая пара, провода которой легко перепутать. Именно этот код используется в одной из самых известных сетей Token-Ring компании IBM.

Принцип данного кода прост: в начале каждого битового интервала сигнал меняет уровень на противоположный предыдущему, а в середине единичных (и только единичных) битовых интервалов уровень изменяется еще раз. Таким образом, в начале битового интервала всегда есть переход, который используется для самосинхронизации. Как и в случае классического манчестерского кода, в частотном спектре при этом присутствует две частоты. При скорости 10 Мбит/с это частоты 10 МГц (при последовательности одних единиц: 11111111...) и 5 МГц (при последовательности одних нулей: 00000000...).

Имеется также еще один вариант бифазного кода (его еще называют дифференциальным манчестерским кодом). В этом коде единице соответствует наличие перехода в начале битового интервала, а нулю – отсутствие перехода в начале битового интервала (или наоборот). При этом в середине битового интервала переход имеется всегда, и именно он служит для побитовой самосинхронизации приемника. Характеристики этого варианта кода также полностью соответствуют характеристикам манчестерского кода.

Здесь же стоит упомянуть о том, что часто совершенно неправомерно считается, что единица измерения скорости передачи бод – это то же самое, что бит в секунду, а скорость передачи в бодах равняется скорости передачи в битах в секунду. Это верно только в случае кода NRZ. Скорость в бодах характеризует не количество передаваемых бит в секунду, а число изменений уровня сигнала в секунду. И при RZ или манчестерском кодах требуемая скорость в бодах оказывается вдвое выше, чем при NRZ. В бодах измеряется скорость передачи сигнала, а в битах в секунду – скорость передачи информации. Поэтому, чтобы избежать неоднозначного понимания, скорость передачи по сети лучше указывать в битах в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с).



Все разрабатываемые в последнее время коды призваны найти компромисс между требуемой при заданной скорости передачи полосой пропускания кабеля и возможностью самосинхронизации. Разработчики стремятся сохранить самосинхронизацию, но не ценой двукратного увеличения полосы пропускания, как в рассмотренных RZ, манчестерском и бифазном кодах.

Чаще всего для этого в поток передаваемых битов добавляют биты синхронизации. Например, один бит синхронизации на 4, 5 или 6 информационных битов или два бита синхронизации на 8 информационных битов. В действительности все обстоит несколько сложнее: кодирование не сводится к простой вставке в передаваемые данные дополнительных битов. Группы информационных битов преобразуются в передаваемые по сети группы с количеством битов на один или два больше. Приемник осуществляет обратное преобразование, восстанавливает исходные информационные биты. Довольно просто осуществляется в этом случае и обнаружение несущей частоты (детектирование передачи).

Так, например, в сети FDDI (скорость передачи 100 Мбит/с) применяется код 4В/5В, который 4 информационных бита преобразует в 5 передаваемых битов. При этом синхронизация приемника осуществляется один раз на 4 бита, а не в каждом бите, как в случае манчестерского кода. Но зато требуемая полоса пропускания увеличивается по сравнению с кодом NRZ не в два раза, а только в 1,25 раза (то есть составляет не 100 МГц, а всего лишь 62,5 МГц). По тому же принципу строятся и другие коды, в частности, 5В/6В, используемый в стандартной сети 100VG-AnyLAN, или 8В/10В, применяемый в сети Gigabit Ethernet.

В сегменте 100BASE-T4 сети Fast Ethernet использован несколько иной подход. Там применяется код 8В/6Т, предусматривающий параллельную передачу трех трехуровневых сигналов по трем витым парам. Это позволяет достичь скорости передачи 100 Мбит/с на дешевых кабелях с витыми парами категории 3, имеющих полосу пропускания всего лишь16 МГц (см. табл. 2.1). Правда, это требует большего расхода кабеля и увеличения количества приемников и передатчиков. К тому же принципиально, чтобы все провода были одной длины и задержки сигнала в них не слишком различались.

Иногда уже закодированная информация подвергается дополнительному кодированию, что позволяет упростить синхронизацию на приемном конце. Наибольшее распространение для этого получили 2-уровневый код NRZI, применяемый в оптоволоконных сетях (FDDI и 100BASE-FX), а также 3-уровневый код MLT-3, используемый в сетях на витых парах (TPDDI и 100BASE-TХ). Оба эти кода (рис. 3.17) не являются самосинхронизирующимися.

Коды NRZI и MLT-3

Рис. 3.17. Коды NRZI и MLT-3

Код NRZI (без возврата к нулю с инверсией единиц – Non-Return to Zero, Invert to one) предполагает, что уровень сигнала меняется на противоположный в начале единичного битового интервала и не меняется при передаче нулевого битового интервала. При последовательности единиц на границах битовых интервалов имеются переходы, при последовательности нулей – переходов нет. В этом смысле код NRZI лучше синхронизируется, чем NRZ (там нет переходов ни при последовательности нулей, ни при последовательности единиц).

Код MLT-3 (Multi-Level Transition-3) предполагает, что при передаче нулевого битового интервала уровень сигнала не меняется, а при передаче единицы – меняется на следующий уровень по такой цепочке: +U, 0, –U, 0, +U, 0, –U и т.д. Таким образом, максимальная частота смены уровней получается вчетверо меньше скорости передачи в битах (при последовательности сплошных единиц). Требуемая полоса пропускания оказывается меньше, чем при коде NRZ.

Все упомянутые в данном разделе коды предусматривают непосредственную передачу в сеть цифровых двух- или трехуровневых прямоугольных импульсов.

Однако иногда в сетях используется и другой путь – модуляция информационными импульсами высокочастотного аналогового сигнала (синусоидального). Такое аналоговое кодирование позволяет при переходе на широкополосную передачу существенно увеличить пропускную способность канала связи (в этом случае по сети можно передавать несколько бит одновременно). К тому же, как уже отмечалось, при прохождении по каналу связи аналогового сигнала (синусоидального) не искажается форма сигнала, а только уменьшается его амплитуда, а в случае цифрового сигнала форма сигнала искажается (см. рис. 3.2).

К самым простым видам аналогового кодирования относятся следующие (рис. 3.18):

* Амплитудная модуляция (АМ, AM – Amplitude Modulation), при которой логической единице соответствует наличие сигнала (или сигнал большей амплитуды), а логическому нулю – отсутствие сигнала (или сигнал меньшей амплитуды). Частота сигнала при этом остается постоянной. Недостаток амплитудной модуляции состоит в том, что АМ-сигнал сильно подвержен действию помех и шумов, а также предъявляет повышенные требования к затуханию сигнала в канале связи. Достоинства – простота аппаратурной реализации и узкий частотный спектр.

Аналоговое кодирование цифровой информации

Рис. 3.18. Аналоговое кодирование цифровой информации

* Частотная модуляция (ЧМ, FM – Frequency Modulation), при которой логической единице соответствует сигнал более высокой частоты, а логическому нулю – сигнал более низкой частоты (или наоборот). Амплитуда сигнала при частотной модуляции остается постоянной, что является большим преимуществом по сравнению с амплитудной модуляцией.
* Фазовая модуляция (ФМ, PM – Phase Modulation), при которой смене логического нуля на логическую единицу и наоборот соответствует резкое изменение фазы синусоидального сигнала одной частоты и амплитуды. Важно, что амплитуда модулированного сигнала остается постоянной, как и в случае частотной модуляции.

Применяются и значительно более сложные методы модуляции, являющиеся комбинацией перечисленных простейших методов. Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче информации по каналу с узкой полосой пропускания, например, по телефонным линиям в глобальных сетях. Кроме того, аналоговое кодирование применяется в радиоканалах, что позволяет обеспечивать связь между многими пользователями одновременно. В локальных кабельных сетях аналоговое кодирование практически не используется из-за высокой сложности и стоимости как кодирующего, так и декодирующего оборудования.

Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель – это принципиально иной тип кабеля по сравнению с рассмотренными двумя типами электрического или медного кабеля. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент – это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.


Рис. 2.4. Структура оптоволоконного кабеля

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля (рис. 2.4). Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 – 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля.

Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, у него просто нет конкурентов.

Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки.

Самый главный из них – высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа. Следует помнить, что некачественная установка разъема резко снижает допустимую длину кабеля, определяемую затуханием.

Также надо помнить, что использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом.

Оптоволоконные кабели допускают разветвление сигналов (для этого производятся специальные пассивные разветвители (couplers) на 2—8 каналов), но, как правило, их используют для передачи данных только в одном направлении между одним передатчиком и одним приемником. Ведь любое разветвление неизбежно сильно ослабляет световой сигнал, и если разветвлений будет много, то свет может просто не дойти до конца сети. Кроме того, в разветвителе есть и внутренние потери, так что суммарная мощность сигнала на выходе меньше входной мощности.

Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 – 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться. Плохо переносит кабель и механическое растяжение, а также раздавливающие воздействия.

Чувствителен оптоволоконный кабель и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала. Резкие перепады температуры также негативно сказываются на нем, стекловолокно может треснуть.

Применяют оптоволоконный кабель только в сетях с топологией звезда и кольцо. Никаких проблем согласования и заземления в данном случае не существует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети. В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические кабели или, во всяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырья для производства стекла более чем достаточно.

Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:

* многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;
* одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.

Суть различия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.

Распространение света в одномодовом кабеле


Рис. 2.5. Распространение света в одномодовом кабеле

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего они достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается (рис. 2.5). Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не долговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным типом благодаря своим прекрасным характеристикам. К тому же лазеры имеют большее быстродействие, чем обычные светодиоды. Затухание сигнала в одномодовом кабеле составляет около 5 дБ/км и может быть даже снижено до 1 дБ/км.

Распространение света в многомодовом кабеле


Рис. 2.6. Распространение света в многомодовом кабеле

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается (рис. 2.6). Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм, при этом наблюдается разброс длин волн около 30 – 50 нм. Допустимая длина кабеля составляет 2 – 5 км. Многомодовый кабель – это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время, так как он дешевле и доступнее. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5 – 20 дБ/км.

Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4—5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.

Оптоволоконные кабели, как и электрические, выпускаются в исполнении plenum и non-plenum.

Вопрос создания непрямоугольных окон часто интересует начинающих программистов и время от времени обсуждается на форумах разработчиков в среде Delphi. А вообще, нужно ли это кому-нибудь? Ответ - да! Это уже было нужно таким известным фирмам, как Symantec (Norton Utilities, Norton CrashGuard), Microsoft (Приложение "

Часы" в Windows NT4 может принимать круглую форму, Deluxe CD Player из MS Plus! 98 имеет вид прямоугольника со скругленными краями). У Borland Jbuilder 2 в окне начальной загрузки стрела крана "выскочила" за пределы прямоугольника. Программы для видеокарт TV Capture фирмы AverMedia имитируют пульт управления. Окно переводчика Magic Goody принимает вид гуся, разгуливающего по экрану.

Список можно продолжить, а вывод такой: окно "хитрой" формы – это "изюминка" оформления Вашей программы, нечто запоминающееся, дополнительный плюс в борьбе за потенциального покупателя. Главное в этом – не переборщить. Вряд ли будет удобно работать с текстовым редактором в треугольном окне. Окна произвольной формы неплохо смотрятся при начальной загрузке (Splash) и, возможно, в качестве окна "О программе … ".

Как это делается? Средствами Delphi – достаточно просто. Приведенные ниже примеры можно также перевести в C++ Builder или Visual C++.

Код

type

TForm1 = class(TForm)

// Данную процедуру будем использовать для задания

// формы окна

procedure FormCreate(Sender: TObject);

protected

// Данную процедуру необходимо переопределить,

// чтобы иметь возможность перемещать окно "мышкой"

// не только за за заголовок, который в данном

// случае отсутствует

procedure WMNCHitTest(var Message: TWMNCHitTest);message WM_NCHITTEST;

private

{ Private declarations }

public

{ Public declarations }

end;

При создании окна непрямоугольной формы используются API функции

CreateEllipticRgn, CreateRectRgn, CreatePolygonRgn, CreateRoundRectRgn, CombineRgn.

Код

procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);

var

R1, R2: HRgn;

begin

// Создаем линзу (пересечение двух эллипсов)

R1 := CreateElliPticRgn(-150,-300,363,400); // Задаем

// координаты эллипса. Верхняя левая точка формы имеет

// координаты 0,0

R2 := CreateEllipticRgn(363+150,-300,5,400);

CombineRgn(R1,R1,R2,RGN_AND); // Получаем пересечение

// Отрезаем сверху слева

R2:= CreateEllipticRgn(-40,-30,182,20);

CombineRgn(R1,R1,R2,RGN_DIFF); // Вычитаем

// Отрезаем сверху справа

R2:= CreateEllipticRgn(180,-30,363+40,20);

CombineRgn(R1,R1,R2,RGN_DIFF);

// Назначаем полученный регион форме

SetWindowRgn(Handle, R1, True);

end;

Переопределение функции WMNCHitTest позволит перетаскивать окно, захватив его мышкой.

Код

procedure TForm1.WMNCHitTest(var Message: TWMNCHitTest);

begin

inherited;

Message.Result := HTCAPTION;

end;

До сих пор в примерах мы рассматривали регионы с абсолютными значениями линейных величин. Пример непрямоугольного окна, которое масштабирует свою форму в зависимости от его размера. Искодный код, приведенный ниже, создает окно в виде бабочки, причем бабочка исполльзует максимально высоту и ширину исходной формы.

Код

procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);

var

R1, R2 : HRgn;

P : array [0..2] of TPoint;

X : Word;

begin

// левое верхнее крыло

R1 :=CreateEllipticRgn(Round(-Width*0.4),

0,Round(Width*0.49),Round(Height*1.1));

// правое верхнее крыло

R2 :=CreateEllipticRgn(Round(Width*0.51),

0,Round(Width*1.4),Round(Height*1.1));

CombineRgn(R2,R1,R2,RGN_OR);

// отсекаем лишнее от верхних крыльев,

// остаются линзы на пересечении эллипсов



R1 :=CreateEllipticRgn(0,Round(-Height*0.3),

Width,Round(Height*0.71));

CombineRgn(R1,R1,R2,RGN_AND);



//эллипс - основа нижних крыльев

R2 :=CreateEllipticRgn(Round(Width*0.1),

Round(Height*0.65), Round(Width*0.9), Height);

CombineRgn(R1,R1,R2,RGN_OR);

// вырезаем эллипс - разрез между нижних крыльев

R2 :=CreateEllipticRgn(Round(Width*0.3),

Round(Height*0.7), Round(Width*0.7), Round(Height*1.5));

CombineRgn(R1,R1,R2,RGN_DIFF);



// вертикальный эллипс - туловище бабочки

R2 :=CreateEllipticRgn(Round(Width*0.46),

Round(Height*0.3), Round(Width*0.54),

Round(Height*0.8));

CombineRgn(R1,R1,R2,RGN_OR);



// голова - круг; за основу берем меньшую

// из двух величин - высоты и ширины окна

X := Width;

if Height < X then X := Height;

X := Round(X/18);

R2 :=CreateEllipticRgn(Round(Width*0.5)-X,

Round(Height*0.3)-X, Round(Width*0.5)+X,

Round(Height*0.3)+X);



CombineRgn(R1,R1,R2,RGN_OR);



// левый усик

P[0] := Point(Round(Width*0.5), Round(Height*0.3));

P[1] := Point(Round(Width*0.35), Round(Height*0.01));

P[2] := Point(Round(Width*0.355)+1, 0);

R2 := CreatePolygonRgn(P, 3, WINDING);

CombineRgn(R1,R1,R2,RGN_OR);



// правый усик

P[0] := Point(Round(Width*0.5), Round(Height*0.3));

P[1] := Point(Round(Width*0.655+1), Round(Height*0.01));

P[2] := Point(Round(Width*0.65), 0);

R2 := CreatePolygonRgn(P, 3, WINDING);



CombineRgn(R1,R1,R2,RGN_OR);



// острие на крыле слева снизу

P[0] := Point(Round(Width*0.15), Height);

P[1] := Point(Round(Width*0.2), Round(Height*0.8));

P[2] := Point(Round(Width*0.3), Round(Height*0.9));

R2 := CreatePolygonRgn(P, 3, WINDING);

CombineRgn(R1,R1,R2,RGN_OR);



// острие на крыле справа снизу

P[0] := Point(Round(Width*0.85), Height);

P[1] := Point(Round(Width*0.8), Round(Height*0.8));

P[2] := Point(Round(Width*0.7), Round(Height*0.9));



R2 := CreatePolygonRgn(P, 3, WINDING);

CombineRgn(R1,R1,R2,RGN_OR);



// Назначаем полученный регион форме

SetWindowRgn(Handle, R1, True);

end;

Если грамотно разложить фигуру на элементарные составляющие, то Вам вполне по силам создать окно абсолютно любой формы. Это похоже на детскую игру "конструктор", только Ваши "кубики" намного разнообразнее.

Для завершения проекта необходимо создать фоновую картинку, которая подчеркнет границы нового окна. И обязательно установить свойство формы Scaled = False, иначе фоновая картинка и форма могут "разъехаться" при использовании нестандартных видеорежимов или стилей оформления Windows.



В заключение следует сказать, что существуют готовые компоненты и библиотеки компонент для решения подобных задач, например, CoolForm, TPlasmaForm. Однако при использовании компонент от сторонних производителей могут возникнуть проблемы лицензионности их использования и проблемы перехода на новую версию компилятора. А приведенные в данной статье примеры компилируются без изменений в исходном коде на Borland Delphi 3.0 - 7.0 и, вероятно, будут совместимы с последующими версиями.

Очень часто при работе с запросами приходится менять SQL этого запроса. Например, при изменении порядка сортировки или при необходимости изменения фильтра, прописанного в where. Сделать это стандартными средствами можно, но довольно муторно, т.к. весь запрос хранится в одном месте (для TQuery и её потомков это свойство Sql). При желании изменить, например, количество или порядок следования полей в order by, нужно программно найти этот order by, написать свой, вставить его вместо старого и т.д. Для меня, честно говоря, загадка, зачем борланд пошла по такому ущербному пути: стандарт ANSI SQL-92, с которым (и только с которым!) работает Bde, подразумевает достаточно жёсткий синтаксис запроса, вполне допускающий обработку на уровне отдельных секций. Сегодня я хотел бы поделиться одним из вариантов реализации потомка TQuery, в котором задачи такого класса будут решаться на лету одной строчкой кода.

---

Смысл очень простой. Для того, чтобы уйти от ручной обработки текста sql-запроса, надо просто разбить его на стандартные секции. И менять их по отдельности. Ведь любой select-запрос имеет достаточно строгий синтаксис, состоя из определённого количества заранее известных секций (clauses), задаваемых в строго определённой последовательности. Рассмотрим этот синтаксис поподробнее на примере СУБД Interbase:

Код

SELECT
[TRANSACTION transaction]
[DISTINCT | ALL]
{* | <val> [, <val> ]}
[INTO :var [, :var ]]
FROM [, ...]
[WHERE <search_condition>]
[GROUP BY col [COLLATE collation] [, col [COLLATE collation] ]
[HAVING <search_condition>]
[UNION <select_expr> [ALL]]
[PLAN ]
[ORDER BY <order_list>]
[FOR UPDATE [OF col [, col ]]];

Как видим, обязательными являются две секции: SELECT и FROM.
Ещё восемь секций опциональны. Наша задача сводится к тому, чтобы значение каждой секции устанавливать отдельно, при необходимости переоткрывая запрос. Можно было бы плясать от стандартного свойства Sql, выделять нужную секцию, менять и вставлять обратно. Но зачем это, если можно сам Sql формировать на основе заданных секций? Конечно, этот подход имеет тот минус, что накрывается прямая установка Sql одной строкой, что может быть неудобно при хранении запроса в реестре, базе и т.д., но и это, при желании, можно побороть.
В общем-то, ничего заумного, реализация до смешного проста, но при использовании в проектах позволяет сэкономить массу времени и значительно увеличить читабельность кода.

Реализация

Для начала определим все секции:

const
ciClauseCount = 10;
caClauses: array [1..ciClauseCount] of string = ('SELECT',
'INTO',
'FROM',
'WHERE',
'GROUP BY',
'HAVING',
'UNION',
'PLAN',
'ORDER BY',
'FOR UPDATE');

Чтобы не писать отдельное свойство на каждую секцию, задавать их будем в виде массива строк. Для работы с этим массивом нам понадобятся индексы, которые тоже лучше определить заранее:

const
ciSelect = 1;
ciInto = 2;
ciFrom = 3;
ciWhere = 4;
ciGroupBy = 5;
ciHaving = 6;
ciUnion = 7;
ciPlan = 8;
ciOrderBy = 9;
ciForUdate = 10;

Определим тип нашего индексированного свойства и определим сам класс:

Код

type
TClauseArray = array [1..ciClauseCount] of string;
TDynQuery = class (TQuery)
private fClauses: TClauseArray;
procedure UpdateSql;
procedure SetClause(Index: integer; Value: string);
function GetClause (Index: integer): string; public
property Clause [Index: integer]:
string read GetClause write SetClause;
end;

Свойство fClauses будет содержать все секции запроса, на основе которых и будет формироваться сам запрос. Занимается этим процедура UpdateSql. Ну а методы GetClause/SetClause стандартны, и служат для установки/чтения значений отдельных секций. Поглядим на сам код:

Код

{ TDynQuery }
procedure TDynQuery.UpdateSql;
var
OldActive: boolean;
i: integer;
begin
DisableControls;
try
OldActive := Active;
Sql.Clear;
for i := 1 to ciClauseCount do begin
if fClauses [i] <> '' then
Sql.Add (caClauseNames [i] + ' ' + fClauses [i]);
end;
Active := OldActive;
finally
EnableControls;
end;
end;
function TDynQuery.GetClause (Index: integer): string;
begin
Result := fClauses [index];
end;
procedure TDynQuery.SetClause(Index: integer; Value: string);
begin
if fClauses [Index] <> Value then begin
fClauses [Index] := Value;
UpdateSql;
end;
end;

Всё достаточно прозрачно, отмечу лишь, что метод UpdateSql добавляет в текст Sql-запроса только те секции, для которых установлено начение, и переоткрывает квери, если она была открыта на момент изменения секции. Здесь есть мелкие недоработки, например, не проверяется выход индекса за пределы допустимых значений, я просто не хотел мусорить исходный код вещами, которые очевидны и принципиально не важны. Можно было бы привести код регистрации компонента в палире дельфи, но это также тривиально. Приведу лучше исходник тестового проекта, в котором используется этот квери. В этом проекте на форме находятся компоненты DbGrid1, подключенные к источнику данных DataSource1, динамически создаётся экземпляр TDynQuery, открывающий таблицу "biolife" из DbDemos, входящую в стандартную поставку Delphi. После этого изменяется по кликанью на заголовке (Title) грида меняется сортировка таблицы:

Код

unit Unit1;


interface

uses
Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,
Dialogs, DB, Grids, DBGrids, DBTables, StdCtrls, DynQuery;

type
TForm1 = class(TForm)
DataSource1: TDataSource;
DBGrid1: TDBGrid;
procedure FormCreate(Sender: TObject);
procedure DBGrid1TitleClick(Column: TColumn);
private
Query1: TDynQuery;
public
{ Public declarations }
end;

var
Form1: TForm1;

implementation

{$R *.dfm}

procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
Query1 := TDynQuery.Create (Self);
DataSource1.DataSet := Query1;
Query1.DatabaseName := 'DbDemos';
Query1.Clause [ciSelect] := '*';
Query1.Clause [ciFrom] := '"biolife" b';
Query1.Clause [ciOrderBy] := 'b."category"';
Query1.Active := TRUE;
end;

Типы адресов: физический (MAC-адрес), сетевой (IP-адрес) и символьный (DNS-имя).

---

Каждый компьютер в сети TCP/IP имеет адреса трех уровней:

* Локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети - это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-А0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта - идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Для узлов, входящих в глобальные сети, такие как Х.25 или frame relay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети.
* IP-адрес, состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами.

Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла - гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться весьма произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

* Символьный идентификатор-имя, например, SERV1.IBM.COM. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес, называемый также DNS-именем, используется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.

Три основных класса IP-адресов

IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками, например:

128.10.2.30 - традиционная десятичная форма представления адреса,

10000000 00001010 00000010 00011110 - двоичная форма представления этого же адреса.

Адрес состоит из двух логических частей - номера сети и номера узла в сети. Какая часть адреса относится к номеру сети, а какая к номеру узла, определяется значениями первых битов адреса:

* Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А, и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса А имеют номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.) В сетях класса А количество узлов должно быть больше 216 , но не превышать 224.
* Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В и является сетью средних размеров с числом узлов 28 - 216. В сетях класса В под адрес сети и под адрес узла отводится по 16 битов, то есть по 2 байта.
* Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С с числом узлов не больше 28. Под адрес сети отводится 24 бита, а под адрес узла - 8 битов.
* Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес - multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.
* Если адрес начинается с последовательности 11110, то это адрес класса Е, он зарезервирован для будущих применений.

В таблице приведены диапазоны номеров сетей, соответствующих каждому классу сетей.
Класс | Наименьший адрес | Наибольший адрес
A _________01.0.0 ___________126.0.0.0
B _________128.0.0.0_________191.255.0.0
C _________192.0.1.0._________223.255.255.0
D _________224.0.0.0__________239.255.255.255
E _________240.0.0.0 _________247.255.255.255

Уже упоминавшаяся форма группового IP-адреса - multicast - означает, что данный пакет должен быть доставлен сразу нескольким узлам, которые образуют группу с номером, указанным в поле адреса. Узлы сами идентифицируют себя, то есть определяют, к какой из групп они относятся. Один и тот же узел может входить в несколько групп. Такие сообщения в отличие от широковещательных называются мультивещательными. Групповой адрес не делится на поля номера сети и узла и обрабатывается маршрутизатором особым образом.

В протоколе IP нет понятия широковещательности в том смысле, в котором оно используется в протоколах канального уровня локальных сетей, когда данные должны быть доставлены абсолютно всем узлам. Как ограниченный широковещательный IP-адрес, так и широковещательный IP-адрес имеют пределы распространения в интерсети - они ограничены либо сетью, к которой принадлежит узел - источник пакета, либо сетью, номер которой указан в адресе назначения. Поэтому деление сети с помощью маршрутизаторов на части локализует широковещательный шторм пределами одной из составляющих общую сеть частей просто потому, что нет способа адресовать пакет одновременно всем узлам всех сетей составной сети.

Отображение физических адресов на IP-адреса: протоколы ARP и RARP

В протоколе IP-адрес узла, то есть адрес компьютера или порта маршрутизатора, назначается произвольно администратором сети и прямо не связан с его локальным адресом, как это сделано, например, в протоколе IPX. Подход, используемый в IP, удобно использовать в крупных сетях и по причине его независимости от формата локального адреса, и по причине стабильности, так как в противном случае, при смене на компьютере сетевого адаптера это изменение должны бы были учитывать все адресаты всемирной сети Internet (в том случае, конечно, если сеть подключена к Internet'у).

Локальный адрес используется в протоколе IP только в пределах локальной сети при обмене данными между маршрутизатором и узлом этой сети. Маршрутизатор, получив пакет для узла одной из сетей, непосредственно подключенных к его портам, должен для передачи пакета сформировать кадр в соответствии с требованиями принятой в этой сети технологии и указать в нем локальный адрес узла, например его МАС-адрес. В пришедшем пакете этот адрес не указан, поэтому перед маршрутизатором встает задача поиска его по известному IP-адресу, который указан в пакете в качестве адреса назначения. С аналогичной задачей сталкивается и конечный узел, когда он хочет отправить пакет в удаленную сеть через маршрутизатор, подключенный к той же локальной сети, что и данный узел.

Для определения локального адреса по IP-адресу используется протокол разрешения адреса Address Resolution Protocol, ARP. Протокол ARP работает различным образом в зависимости от того, какой протокол канального уровня работает в данной сети - протокол локальной сети (Ethernet, Token Ring, FDDI) с возможностью широковещательного доступа одновременно ко всем узлам сети, или же протокол глобальной сети (X.25, frame relay), как правило не поддерживающий широковещательный доступ. Существует также протокол, решающий обратную задачу - нахождение IP-адреса по известному локальному адресу. Он называется реверсивный ARP - RARP (Reverse Address Resolution Protocol) и используется при старте бездисковых станций, не знающих в начальный момент своего IP-адреса, но знающих адрес своего сетевого адаптера.

В локальных сетях протокол ARP использует широковещательные кадры протокола канального уровня для поиска в сети узла с заданным IP-адресом.

Узел, которому нужно выполнить отображение IP-адреса на локальный адрес, формирует ARP запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно. Все узлы локальной сети получают ARP запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным. В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес и отправляет его уже направленно, так как в ARP запросе отправитель указывает свой локальный адрес. ARP-запросы и ответы используют один и тот же формат пакета. Так как локальные адреса могут в различных типах сетей иметь различную длину, то формат пакета протокола ARP зависит от типа сети.

В поле типа сети для сетей Ethernet указывается значение 1. Поле типа протокола позволяет использовать пакеты ARP не только для протокола IP, но и для других сетевых протоколов.

Длина локального адреса для протокола Ethernet равна 6 байтам, а длина IP-адреса - 4 байтам. В поле операции для ARP запросов указывается значение 1 для протокола ARP и 2 для протокола RARP.

Узел, отправляющий ARP-запрос, заполняет в пакете все поля, кроме поля искомого локального адреса (для RARP-запроса не указывается искомый IP-адрес). Значение этого поля заполняется узлом, опознавшим свой IP-адрес.

В глобальных сетях администратору сети чаще всего приходится вручную формировать ARP-таблицы, в которых он задает, например, соответствие IP-адреса адресу узла сети X.25, который имеет смысл локального адреса. В последнее время наметилась тенденция автоматизации работы протокола ARP и в глобальных сетях. Для этой цели среди всех маршрутизаторов, подключенных к какой-либо глобальной сети, выделяется специальный маршрутизатор, который ведет ARP-таблицу для всех остальных узлов и маршрутизаторов этой сети.

При таком централизованном подходе для всех узлов и маршрутизаторов вручную нужно задать только IP-адрес и локальный адрес выделенного маршрутизатора. Затем каждый узел и маршрутизатор регистрирует свои адреса в выделенном маршрутизаторе, а при необходимости установления соответствия между IP-адресом и локальным адресом узел обращается к выделенному маршрутизатору с запросом и автоматически получает ответ без участия администратора.

[pagebreak]

Отображение символьных адресов на IP-адреса: служба DNS

DNS (Domain Name System) - это распределенная база данных, поддерживающая иерархическую систему имен для идентификации узлов в сети Internet. Служба DNS предназначена для автоматического поиска IP-адреса по известному символьному имени узла. Спецификация DNS определяется стандартами RFC 1034 и 1035. DNS требует статической конфигурации своих таблиц, отображающих имена компьютеров в IP-адрес.

Протокол DNS является служебным протоколом прикладного уровня. Этот протокол несимметричен - в нем определены DNS-серверы и DNS-клиенты. DNS-серверы хранят часть распределенной базы данных о соответствии символьных имен и IP-адресов. Эта база данных распределена по административным доменам сети Internet. Клиенты сервера DNS знают IP-адрес сервера DNS своего административного домена и по протоколу IP передают запрос, в котором сообщают известное символьное имя и просят вернуть соответствующий ему IP-адрес.

Если данные о запрошенном соответствии хранятся в базе данного DNS-сервера, то он сразу посылает ответ клиенту, если же нет - то он посылает запрос DNS-серверу другого домена, который может сам обработать запрос, либо передать его другому DNS-серверу. Все DNS-серверы соединены иерархически, в соответствии с иерархией доменов сети Internet. Клиент опрашивает эти серверы имен, пока не найдет нужные отображения. Этот процесс ускоряется из-за того, что серверы имен постоянно кэшируют информацию, предоставляемую по запросам. Клиентские компьютеры могут использовать в своей работе IP-адреса нескольких DNS-серверов, для повышения надежности своей работы.

База данных DNS имеет структуру дерева, называемого доменным пространством имен, в котором каждый домен (узел дерева) имеет имя и может содержать поддомены. Имя домена идентифицирует его положение в этой базе данных по отношению к родительскому домену, причем точки в имени отделяют части, соответствующие узлам домена.

Корень базы данных DNS управляется центром Internet Network Information Center. Домены верхнего уровня назначаются для каждой страны, а также на организационной основе. Имена этих доменов должны следовать международному стандарту ISO 3166. Для обозначения стран используются трехбуквенные и двухбуквенные аббревиатуры, а для различных типов организаций используются следующие аббревиатуры:

* com - коммерческие организации (например, microsoft.com);
* edu - образовательные (например, mit.edu);
* gov - правительственные организации (например, nsf.gov);
* org - некоммерческие организации (например, fidonet.org);
* net - организации, поддерживающие сети (например, nsf.net).

Каждый домен DNS администрируется отдельной организацией, которая обычно разбивает свой домен на поддомены и передает функции администрирования этих поддоменов другим организациям. Каждый домен имеет уникальное имя, а каждый из поддоменов имеет уникальное имя внутри своего домена. Имя домена может содержать до 63 символов. Каждый хост в сети Internet однозначно определяется своим полным доменным именем (fully qualified domain name, FQDN), которое включает имена всех доменов по направлению от хоста к корню.

Автоматизация процесса назначения IP-адресов узлам сети - протокол DHCP

Как уже было сказано, IP-адреса могут назначаться администратором сети вручную. Это представляет для администратора утомительную процедуру. Ситуация усложняется еще тем, что многие пользователи не обладают достаточными знаниями для того, чтобы конфигурировать свои компьютеры для работы в интерсети и должны поэтому полагаться на администраторов.

Протокол Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) был разработан для того, чтобы освободить администратора от этих проблем. Основным назначением DHCP является динамическое назначение IP-адресов. Однако, кроме динамического, DHCP может поддерживать и более простые способы ручного и автоматического статического назначения адресов.

В ручной процедуре назначения адресов активное участие принимает администратор, который предоставляет DHCP-серверу информацию о соответствии IP-адресов физическим адресам или другим идентификаторам клиентов. Эти адреса сообщаются клиентам в ответ на их запросы к DHCP-серверу.

При автоматическом статическом способе DHCP-сервер присваивает IP-адрес (и, возможно, другие параметры конфигурации клиента) из пула наличных IP-адресов без вмешательства оператора. Границы пула назначаемых адресов задает администратор при конфигурировании DHCP-сервера. Между идентификатором клиента и его IP-адресом по-прежнему, как и при ручном назначении, существует постоянное соответствие. Оно устанавливается в момент первичного назначения сервером DHCP IP-адреса клиенту. При всех последующих запросах сервер возвращает тот же самый IP-адрес.

При динамическом распределении адресов DHCP-сервер выдает адрес клиенту на ограниченное время, что дает возможность впоследствии повторно использовать IP-адреса другими компьютерами. Динамическое разделение адресов позволяет строить IP-сеть, количество узлов в которой намного превышает количество имеющихся в распоряжении администратора IP-адресов.

DHCP обеспечивает надежный и простой способ конфигурации сети TCP/IP, гарантируя отсутствие конфликтов адресов за счет централизованного управления их распределением. Администратор управляет процессом назначения адресов с помощью параметра "продолжительности аренды" (lease duration), которая определяет, как долго компьютер может использовать назначенный IP-адрес, перед тем как снова запросить его от сервера DHCP в аренду.

Примером работы протокола DHCP может служить ситуация, когда компьютер, являющийся клиентом DHCP, удаляется из подсети. При этом назначенный ему IP-адрес автоматически освобождается. Когда компьютер подключается к другой подсети, то ему автоматически назначается новый адрес. Ни пользователь, ни сетевой администратор не вмешиваются в этот процесс. Это свойство очень важно для мобильных пользователей.

Протокол DHCP использует модель клиент-сервер. Во время старта системы компьютер-клиент DHCP, находящийся в состоянии "инициализация", посылает сообщение discover (исследовать), которое широковещательно распространяется по локальной сети и передается всем DHCP-серверам частной интерсети. Каждый DHCP-сервер, получивший это сообщение, отвечает на него сообщением offer (предложение), которое содержит IP-адрес и конфигурационную информацию.

Компьютер-клиент DHCP переходит в состояние "выбор" и собирает конфигурационные предложения от DHCP-серверов. Затем он выбирает одно из этих предложений, переходит в состояние "запрос" и отправляет сообщение request (запрос) тому DHCP-серверу, чье предложение было выбрано.

Выбранный DHCP-сервер посылает сообщение DHCP-acknowledgment (подтверждение), содержащее тот же IP-адрес, который уже был послан ранее на стадии исследования, а также параметр аренды для этого адреса. Кроме того, DHCP-сервер посылает параметры сетевой конфигурации. После того, как клиент получит это подтверждение, он переходит в состояние "связь", находясь в котором он может принимать участие в работе сети TCP/IP. Компьютеры-клиенты, которые имеют локальные диски, сохраняют полученный адрес для использования при последующих стартах системы. При приближении момента истечения срока аренды адреса компьютер пытается обновить параметры аренды у DHCP-сервера, а если этот IP-адрес не может быть выделен снова, то ему возвращается другой IP-адрес.

В протоколе DHCP описывается несколько типов сообщений, которые используются для обнаружения и выбора DHCP-серверов, для запросов информации о конфигурации, для продления и досрочного прекращения лицензии на IP-адрес. Все эти операции направлены на то, чтобы освободить администратора сети от утомительных рутинных операций по конфигурированию сети.

Однако использование DHCP несет в себе и некоторые проблемы. Во-первых, это проблема согласования информационной адресной базы в службах DHCP и DNS. Как известно, DNS служит для преобразования символьных имен в IP-адреса. Если IP-адреса будут динамически изменятся сервером DHCP, то эти изменения необходимо также динамически вносить в базу данных сервера DNS. Хотя протокол динамического взаимодействия между службами DNS и DHCP уже реализован некоторыми фирмами (так называемая служба Dynamic DNS), стандарт на него пока не принят.

Во-вторых, нестабильность IP-адресов усложняет процесс управления сетью. Системы управления, основанные на протоколе SNMP, разработаны с расчетом на статичность IP-адресов. Аналогичные проблемы возникают и при конфигурировании фильтров маршрутизаторов, которые оперируют с IP-адресами.

Наконец, централизация процедуры назначения адресов снижает надежность системы: при отказе DHCP-сервера все его клиенты оказываются не в состоянии получить IP-адрес и другую информацию о конфигурации. Последствия такого отказа могут быть уменьшены путем использовании в сети нескольких серверов DHCP, каждый из которых имеет свой пул IP-адресов.

Сетевой уровень в первую очередь должен предоставлять средства для решения следующих задач:

* доставки пакетов в сети с произвольной топологией,
* структуризации сети путем надежной локализации трафика,
* согласования различных протоколов канального уровня.

---

Локализация трафика и изоляция сетей

Трафик в сети складывается случайным образом, однако в нем отражены и некоторые закономерности. Как правило, некоторые пользователи, работающие над общей задачей, (например, сотрудники одного отдела) чаще всего обращаются с запросами либо друг к другу, либо к общему серверу, и только иногда они испытывают необходимость доступа к ресурсам компьютеров другого отдела.

Желательно, чтобы структура сети соответствовала структуре информационных потоков. В зависимости от сетевого трафика компьютеры в сети могут быть разделены на группы (сегменты сети). Компьютеры объединяются в группу, если большая часть порождаемых ими сообщений, адресована компьютерам этой же группы.

Для разделения сети на сегменты используются мосты и коммутаторы. Они экранируют локальный трафик внутри сегмента, не передавая за его пределы никаких кадров, кроме тех, которые адресованы компьютерам, находящимся в других сегментах. Тем самым, сеть распадается на отдельные подсети. Это позволяет более рационально выбирать пропускную способность имеющихся линий связи, учитывая интенсивность трафика внутри каждой группы, а также активность обмена данными между группами.

Однако локализация трафика средствами мостов и коммутаторов имеет существенные ограничения.

С одной стороны, логические сегменты сети, расположенные между мостами, недостаточно изолированы друг от друга, а именно, они не защищены от, так называемых, широковещательных штормов. Если какая-либо станция посылает широковещательное сообщение, то это сообщение передается всем станциям всех логических сегментов сети. Защита от широковещательных штормов в сетях, построенных на основе мостов, имеет количественный, а не качественный характер: администратор просто ограничивает количество широковещательных пакетов, которое разрешается генерировать некоторому узлу.

С другой стороны, использование механизма виртуальных сегментов, реализованного в коммутаторах локальных сетей, приводит к полной локализации трафика - такие сегменты полностью изолированы друг от друга, даже в отношении широковещательных кадров. Поэтому в сетях, построенных только на мостах и коммутаторах, компьютеры, принадлежащие разным виртуальным сегментам, не образуют единой сети.

Приведенные недостатки мостов и коммутаторов связаны с тем, что они работают по протоколам канального уровня, в которых в явном виде не определяется понятие части сети (или подсети, или сегмента), которое можно было бы использовать при структуризации большой сети. Вместо того, чтобы усовершенствовать канальный уровень, разработчики сетевых технологий решили поручить задачу построения составной сети новому уровню - сетевому.

Согласование протоколов канального уровня

Современные вычислительные сети часто строятся с использованием нескольких различных базовых технологий - Ethernet, Token Ring или FDDI. Такая неоднородность возникает либо при объединении уже существовавших ранее сетей, использующих в своих транспортных подсистемах различные протоколы канального уровня, либо при переходе к новым технологиям, таким, как Fast Ethernet или 100VG-AnyLAN.

Именно для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи информации между конечными узлами, и служит сетевой уровень. Когда две или более сетей организуют совместную транспортную службу, то такой режим взаимодействия обычно называют межсетевым взаимодействием (internetworking). Для обозначения составной сети в англоязычной литературе часто также используется термин интерсеть (internetwork или internet).

Создание сложной структурированной сети, интегрирующей различные базовые технологии, может осуществляться и средствами канального уровня: для этого могут быть использованы некоторые типы мостов и коммутаторов. Однако возможностью трансляции протоколов канального уровня обладают далеко не все типы мостов и коммутаторов, к тому же возможности эти ограничены. В частности, в объединяемых сетях должны совпадать максимальные размеры полей данных в кадрах, так как канальные протоколы, как правило, не поддерживают функции фрагментации пакетов.

Маршрутизация в сетях с произвольной топологией

Среди протоколов канального уровня некоторые обеспечивают доставку данных в сетях с произвольной топологией, но только между парой соседних узлов (например, протокол PPP), а некоторые - между любыми узлами (например, Ethernet), но при этом сеть должна иметь топологию определенного и весьма простого типа, например, древовидную.

При объединении в сеть нескольких сегментов с помощью мотов или коммутаторов продолжают действовать ограничения на ее топологию: в получившейся сети должны отсутствовать петли. Действительно, мост или его функциональный аналог - коммутатор - могут решать задачу доставки пакета адресату только тогда, когда между отправителем и получателем существует единственный путь. В то же время наличие избыточных связей, которые и образуют петли, часто необходимо для лучшей балансировки нагрузки, а также для повышения надежности сети за счет существования альтернативного маршрута в дополнение к основному.

Сетевой уровень позволяет передавать данные между любыми, произвольно связанными узлами сети.

Реализация протокола сетевого уровня подразумевает наличие в сети специального устройства - маршрутизатора. Маршрутизаторы объединяют отдельные сети в общую составную сеть. Внутренняя структура каждой сети не показана, так как она не имеет значения при рассмотрении сетевого протокола. К каждому маршрутизатору могут быть присоединены несколько сетей (по крайней мере две).

В сложных составных сетях почти всегда существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Задачу выбора маршрутов из нескольких возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы.

Маршрут - это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения.

Маршрутизатор выбирает маршрут на основании своего представления о текущей конфигурации сети и соответствующего критерия выбора маршрута. Обычно в качестве критерия выступает время прохождения маршрута, которое в локальных сетях совпадает с длиной маршрута, измеряемой в количестве пройденных узлов маршрутизации (в глобальных сетях принимается в расчет и время передачи пакета по каждой линии связи).

[pagebreak]

Сетевой уровень и модель OSI

В модели OSI, называемой также моделью взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection - OSI) и разработанной Международной Организацией по Стандартам (International Organization for Standardization - ISO), средства сетевого взаимодействия делятся на семь уровней, для которых определены стандартные названия и функции.

Сетевой уровень занимает в модели OSI промежуточное положение: к его услугам обращаются протоколы прикладного уровня, сеансового уровня и уровня представления. Для выполнения своих функций сетевой уровень вызывает функции канального уровня, который в свою очередь обращается к средствам физического уровня.

Рассмотрим коротко основные функции уровней модели OSI.

Физический уровень выполняет передачу битов по физическим каналам, таким, как коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель. На этом уровне определяются характеристики физических сред передачи данных и параметров электрических сигналов.

Канальный уровень обеспечивает передачу кадра данных между любыми узлами в сетях с типовой топологией либо между двумя соседними узлами в сетях с произвольной топологией. В протоколах канального уровня заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Адреса, используемые на канальном уровне в локальных сетях, часто называют МАС-адресами.

Сетевой уровень обеспечивает доставку данных между любыми двумя узлами в сети с произвольной топологией, при этом он не берет на себя никаких обязательств по надежности передачи данных.

Транспортный уровень обеспечивает передачу данных между любыми узлами сети с требуемым уровнем надежности. Для этого на транспортном уровне имеются средства установления соединения, нумерации, буферизации и упорядочивания пакетов.

Сеансовый уровень предоставляет средства управления диалогом, позволяющие фиксировать, какая из взаимодействующих сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации в рамках процедуры обмена сообщениями.

Уровень представления. В отличии от нижележащих уровней, которые имеют дело с надежной и эффективной передачей битов от отправителя к получателю, уровень представления имеет дело с внешним представлением данных. На этом уровне могут выполняться различные виды преобразования данных, такие как компрессия и декомпрессия, шифровка и дешифровка данных.

Прикладной уровень - это в сущности набор разнообразных сетевых сервисов, предоставляемых конечным пользователям и приложениям. Примерами таких сервисов являются, например, электронная почта, передача файлов, подключение удаленных терминалов к компьютеру по сети.

При построении транспортной подсистемы наибольший интерес представляют функции физического, канального и сетевого уровней, тесно связанные с используемым в данной сети оборудованием: сетевыми адаптерами, концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами. Функции прикладного и сеансового уровней, а также уровня представления реализуются операционными системами и системными приложениями конечных узлов. Транспортный уровень выступает посредником между этими двумя группами протоколов.

Функции сетевого уровня

Протоколы канального уровня не позволяют строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Для того, чтобы, с одной стороны, сохранить простоту процедур передачи пакетов для типовых топологий, а с другой стороны, допустить использование произвольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень.

Прежде, чем приступить к рассмотрению функций сетевого уровня , уточним, что понимается под термином "сеть". В протоколах сетевого уровня термин "сеть" означает совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи пакетов общую базовую сетевую технологию. Внутри сети сегменты не разделяются маршрутизаторами, иначе это была бы не одна сеть, а несколько сетей. Маршрутизатор соединят несколько сетей в интерсеть.

Основная идея введения сетевого уровня состоит в том, чтобы оставить технологии, используемые в объединяемых сетях в неизменном в виде, но добавить в кадры канального уровня дополнительную информацию - заголовок сетевого уровня, на основании которой можно было бы находить адресата в сети с любой базовой технологией. Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня тех сетей, которые могут входить в объединенную сеть.

Заголовок сетевого уровня должен содержать адрес назначения и другую информацию, необходимую для успешного перехода пакета из сети одного типа в сеть другого типа. К такой информации может относиться, например:

* номер фрагмента пакета, нужный для успешного проведения операций сборки-разборки фрагментов при соединении сетей с разными максимальными размерами кадров канального уровня,
* время жизни пакета, указывающее, как долго он путешествует по интерсети, это время может использоваться для уничтожения "заблудившихся" пакетов,
* информация о наличии и о состоянии связей между сетями, помогающая узлам сети и маршрутизаторам рационально выбирать межсетевые маршруты,
* информация о загруженности сетей, также помогающая согласовать темп посылки пакетов в сеть конечными узлами с реальными возможностями линий связи на пути следования пакетов,
* качество сервиса - критерий выбора маршрута при межсетевых передачах - например, узел-отправитель может потребовать передать пакет с максимальной надежностью, возможно в ущерб времени доставки.

В качестве адресов отправителя и получателя в составной сети используется не МАС-адрес, а пара чисел - номер сети и номер компьютера в данной сети. В канальных протоколах поле "номер сети" обычно отсутствует - предполагается, что все узлы принадлежат одной сети. Явная нумерация сетей позволяет протоколам сетевого уровня составлять точную карту межсетевых связей и выбирать рациональные маршруты при любой их топологии, используя альтернативные маршруты, если они имеются, что не умеют делать мосты.

Таким образом, внутри сети доставка сообщений регулируется канальным уровнем. А вот доставкой пакетов между сетями занимается сетевой уровень.

Существует два подхода к назначению номера узла в заголовке сетевого пакета. Первый основан на использовании для каждого узла нового адреса, отличного от того, который использовался на канальном уровне. Преимуществом такого подхода является его универсальность и гибкость - каков бы ни был формат адреса на канальном уровне, формат адреса узла на сетевом уровне выбирается единым. Однако, здесь имеются и некоторые неудобства, связанные с необходимостью заново нумеровать узлы, причем чаще всего вручную.

Второй подход состоит в использовании на сетевом уровне того же адреса узла, что был дан ему на канальном уровне. Это избавляет администратора от дополнительной работы по присвоению новых адресов, снимает необходимость в установлении соответствия между сетевым и канальным адресом одного и того же узла, но может породить сложную задачу интерпретации адреса узла при соединении сетей с разными форматами адресов.

Протоколы передачи данных и протоколы обмена маршрутной информацией

Для того, чтобы иметь информацию о текущей конфигурации сети, маршрутизаторы обмениваются маршрутной информацией между собой по специальному протоколу. Протоколы этого типа называются протоколами обмена маршрутной информацией (или протоколами маршрутизации). Протоколы обмена маршрутной информацией следует отличать от, собственно, протоколов сетевого уровня. В то время как первые несут чисто служебную информацию, вторые предназначены для передачи пользовательских данных, также, как это делают протоколы канального уровня.

Для того, чтобы доставить удаленному маршрутизатору пакет протокола обмена маршрутной информацией, используется протокол сетевого уровня, так как только он может передать информацию между маршрутизаторами, находящимися в разных сетях. Пакет протокола обмена маршрутной информацией помещается в поле данных пакета сетевого уровня, поэтому с точки зрения вложенности пакетов протоколы маршрутизации следует отнести к более высокому уровню, чем сетевой. Но функционально они решают общую задачу с пакетами сетевого уровня - доставляют кадры адресату через разнородную составную сеть.

С помощью протоколов обмена маршрутной информацией маршрутизаторы составляют карту межсетевых связей той или иной степени подробности и принимают решение о том, какому следующему маршрутизатору нужно передать пакет для образования рационального пути.

На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов - Address Resolution Protocol, ARP. Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не изменяют их сути.