В настоящей книге показано, как ввести в компьютерную игру синтетические игровые персонажи с реалистичными формами поведения, сосредоточиваясь на отдельных аниматах (автономных созданиях с искусственным телом), находящихся в виртуальном мире. Книга посвящена описанию того, как создавать подобные автономные персонажи, основанные на использовании средств ИИ, и заставлять их интеллектуально реагировать на происходящие события. В качестве испытательной площадки применяется реалистичная трехмерная игра.

Эта книга представляет собой уникальное сочетание теоретических основ, практических рекомендаций и oпределений основных понятий, относящихся к области разработки средств ИИ, и предназначена для читателей, которые стремятся приобрести знания о средствах ИИ и применить эти знания на практике для создания игр.

От издателя: Итак, вы решили серьезно взяться за Visual C++ .NET. Это хорошая идея, ведь вы в действительности убиваете сразу трех зайцев: в ваших руках оказывается мощный, полезный и широко распространенный инструмент. С языком С++ можно сделать очень многое. С его помощью созданы такие продукты, как Hxeel и Access. 'Jror язык также применяется при разработке управленческих информационных систем и систем целевого назначения, используемых для анализа деятельности предприятий и принятия решений в сфере управления бизнесом. И. конечно же, целые армии хакеров и не только хакеров используют C++ для создания инструментов, утилит, игр и шедевров мультимедиа. Знания, которые вы получите, изучив язык C++ .NET. позволят создавать не просто приложения, а приложения, работающие в разных операционных системах. Возможности этого языка практически не ограничены, и вы сами в этом убедитесь, прочитав эту книгу.

Семейство протоколов TCP/IP широко применяется во всем мире для объединения компьютеров в сеть Internet. Единая сеть Internet состоит из множества сетей различной физической природы, от локальных сетей типа Ethernet и Token Ring, до глобальных сетей типа NSFNET. Основное внимание в книге уделяется принципам организации межсетевого взаимодействия. Многие технические детали, исторические вопросы опущены. Более подробную информацию о протоколах TCP/IP можно найти в RFC (Requests For Comments) - специальных документах, выпускаемых Сетевым Информационным Центром (Network Information Center - NIC). Приложение 1 содержит путеводитель по RFC, а приложение 2 отражает положение дел в области стандартизации протоколов семейства TCP/IP на начало 1991 года.

В книге приводятся примеры, основанные на реализации TCP/IP в ОС UNIX. Однако основные положения применимы ко всем реализациям TCP/IP.

Надеюсь, что эта книга будет полезна тем, кто профессионально работает или собирается начать работать в среде TCP/IP: системным администраторам, системным программистам и менеджерам сети.

Первоначальный вариант программы Photoshop, разработанный братьями Knoll, был приобретен компанией Adobe у фирмы BarneyScan в 1988 году. После значительного усовершенствования, в 1989 году был выпущен первый коммерческий вариант Adobe Photoshop. За прошедшие годы программа стала мировым стандартом в области обработки растровой графики, особенно с появлением версии Photoshop 4.0, выпущенной в ноябре 1996 года. Adobe Photoshop применяется при создании, ретуши и улучшении качества изображений, ее используют практически во всех технологических циклах воспроизведения и передачи изображений — от полиграфии до World Wide Web.

Редкая книга 1964 года.
Предисловие: Эта книга популярно излагает основы математической логики. Необходимость такой книги вызвана тем, что в настоящее время все большее значение приобретает автоматизация производственных процессов. Программа КПСС прямо указывает на важность автоматизации для создания материально-технической базы коммунизма. Математическая логика является теоретической основой кибернетики, а эта последняя в свою очередь применяется для решения проблема автоматизации. Несмотря на важность математической логики, в нашей стране почти нет книг, излагающих основы этой науки. Имеющиеся у нас книги по математической логике рассчитаны на читателя, достаточно математически подготовленного. Между тем необходимо создать такую книгу, которая давала бы представление о математической логике и в то же время не требовала бы для своего понимания большего, чем школьный курс математики. Данна книга, по-моему, решает эту задачу.

Настоящая книга является обработкой лекций, которые автор читал в Саратовском университете в 1962-66 гг. В параграфе 1 вводятся основные понятия теории множеств. В параграфах 2 и 3 излагаются элементы содержательного исчисления высказываний и предикатов. Содержательное исчисление предикатов представляет наибольшие трудности, этот раздел занимает в книге значительное место. Формальное исчисление высказываний и предикатов не затрагивается. В параграфах 4 и 5 логика предикатов применяется для построения начал алгебры подмножеств и теории бинарных отношений. В 6-ом на основе теории бинарных отношений излагаются начальные сведения по теории отображений и преобразований множеств.
Каждый параграф книги снабжен упражнениями. Часть из них содержит дополнительные теоретические сведения. В конце книги приведен краткий список литературы, по которой можно более подробно познакомиться с математической логикой и теорией множеств.

Какие данные можно получить о посетителе сайта при помощи php (браузер, ip, url и другое) или сервере (имя, почта и другое)?

PHP - Код


echo ("REDIRECT_UNIQUE_ID==");echo (getenv (REDIRECT_UNIQUE_ID));echo ("< br >");
echo ("QUERY_STRING==");echo (getenv (QUERY_STRING));echo ("< br >");
echo ("DBENTRY==");echo (getenv (DBENTRY));echo ("< br >");
echo ("REDIRECT_SCRIPT_URI==");echo (getenv (REDIRECT_SCRIPT_URI));echo ("< br >");
echo ("HTTP_ACCEPT_LANGUAGE==");echo (getenv (HTTP_ACCEPT_LANGUAGE));echo ("< br >");
echo ("HTTP_REFERER==");echo (getenv (HTTP_REFERER));echo ("< br >");
echo ("REDIRECT_SCRIPT_URL==");echo (getenv (REDIRECT_SCRIPT_URL));echo ("< br >");
echo ("REMOTE_PORT==");echo (getenv (REMOTE_PORT));echo ("< br >");
echo ("HTTP_ACCEPT==");echo (getenv (HTTP_ACCEPT));echo ("< br >");
echo ("HTTP_USER_AGENT==");echo (getenv (HTTP_USER_AGENT));echo ("< br >");
echo ("GATEWAY_INTERFACE==");echo (getenv (GATEWAY_INTERFACE));echo ("< br >");
echo ("HTTP_HOST==");echo (getenv (HTTP_HOST));echo ("< br >");
echo ("SCRIPT_URI==");echo (getenv (SCRIPT_URI));echo ("< br >");
echo ("SCRIPT_NAME==");echo (getenv (SCRIPT_NAME));echo ("< br >");
echo ("SCRIPT_URL==");echo (getenv (SCRIPT_URL));echo ("< br >");
echo ("SERVER_NAME==");echo (getenv (SERVER_NAME));echo ("< br >");
echo ("REDIRECT_STATUS==");echo (getenv (REDIRECT_STATUS));echo ("< br >");
echo ("UNIQUE_ID==");echo (getenv (UNIQUE_ID));echo ("< br >");
echo ("HTTP_VIA==");echo (getenv (HTTP_VIA));echo ("< br >");
echo ("SCRIPT_FILENAME==");echo (getenv (SCRIPT_FILENAME));echo ("< br >");
echo ("PATH==");echo (getenv (PATH));echo ("< br >");
echo ("STATUS==");echo (getenv (STATUS));echo ("< br >");
echo ("SERVER_ADDR==");echo (getenv (SERVER_ADDR));echo ("< br >");
echo ("SERVER_PROTOCOL==");echo (getenv (SERVER_PROTOCOL));echo ("< br >");
echo ("HTTP_CONNECTION==");echo (getenv (HTTP_CONNECTION));echo ("< br >");
echo ("REDIRECT_DBENTRY==");echo (getenv (REDIRECT_DBENTRY));echo ("< br >");
echo ("SERVER_SIGNATURE==");echo (getenv (SERVER_SIGNATURE));echo ("< br >");
echo ("PATH_TRANSLATED==");echo (getenv (PATH_TRANSLATED));echo ("< br >");
echo ("PATH_INFO==");echo (getenv (PATH_INFO));echo ("< br >");
echo ("SERVER_ADMIN==");echo (getenv (SERVER_ADMIN));echo ("< br >");
echo ("SERVER_SOFTWARE==");echo (getenv (SERVER_SOFTWARE));echo ("< br >");
echo ("REMOTE_ADDR==");echo (getenv (REMOTE_ADDR));echo ("< br >");
echo ("DOCUMENT_ROOT==");echo (getenv (DOCUMENT_ROOT));echo ("< br >");
echo ("REQUEST_URI==");echo (getenv (REQUEST_URI));echo ("< br >");
echo ("REDIRECT_URL==");echo (getenv (REDIRECT_URL));echo ("< br >");
echo ("REQUEST_METHOD==");echo (getenv (REQUEST_METHOD));echo ("< br >");
echo ("SERVER_PORT==");echo (getenv (SERVER_PORT));echo ("< br >");
echo ("HTTP_REFERER==");echo (getenv (HTTP_REFERER));echo ("< br >");


Как расшифровываются переменные окружения в PHP (SERVER, REDIRECT и др) и что они передают?

DOCUMENT_ROOT - Путь к корневой папке сайта. Для локального веб-сервера значение может принимать вид z:/home/htmlbook.ru/www, а в других случаях зависит от операционной системы сервера и используемого программного обеспечения.
GATEWAY_INTERFACE - Версия CGI (Common Gateway Interface, общий шлюзовый интерфейс). Значение обычно равно CGI/1.1.
HTTP_ACCEPT - Типы файлов, которые способен принять браузер. В качестве значения возвращается список поддерживаемых MIME-типов разделенных между собой запятой, например: text/html, application/xhtml+xml.
HTTP_CONNECTION - Тип соединения браузера с веб-сервером. Так, значение keep-alive означает, что браузер поддерживает постоянное соединение с сервером. При этом в течение одного сеанса соединения разрешено делать несколько запросов. Повторного соединения в таком случае уже не происходит.
HTTP_HOST - Доменное имя сайта. Обычно различают имена с префиксом www (www.tradebenefit.ru) и без него (tradebenefit.ru). Переменная вернёт тот адрес сайта, который указан в адресной строке браузера.
HTTP_REFERER - Адрес страницы, с которой пользователь перешел на данный сайт, он еще называется реферер.
HTTP_USER_AGENT - Идентификатор используемого браузера и операционной системы. В качестве значения возвращается строка, содержащая ключевые слова. Например, следующая строка

Код

Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; WOW64; rv:6.0.2) Gecko/20100101 Firefox/6.0.2

говорит, что пользователь использует браузер Firefox 6.0.2 под операционной системой Windows 7.

QUERY_STRING - Запрос, который указан в адресной строке после вопросительного знака (?). Обычно пишется в форме «переменная=значение», где переменные разделяются между собой амперсантом. Рассмотрим пример.

Код

& - амперсант. Разделитель передаваемых в URL переменных
http://site.ru/?id=5&art=34
Будет возвращено значение id=5&art=34

REMOTE_ADDR - IP-адрес посетителя сайта.
REQUEST_METHOD - Метод отправки данных на сервер. По умолчанию применяется метод GET.
REQUEST_URI - Адрес запрашиваемого документа. Отсчёт ведётся от корня сайта, т.е. для полного адреса http://site.ru/1.html вернется значение 1.html.
SERVER_ADDR - IP-адрес компьютера, на котором размещается сайт.
SERVER_ADMIN - Адрес электронной почты администратора сайта.
SERVER_NAME - Имя сервера.
SERVER_PORT - Порт, по которому ожидается получение данных.
SERVER_PROTOCOL - Протокол для получения и отправки данных. Значение обычно равно HTTP/1.1.
SERVER_SOFTWARE - Программное обеспечение установленное на сервере. Для веб-сервера Apache возвращается номер версии (Apache/2.2.4), а также версия PHP (PHP/5.3.3).


Пример вывода переменной окружения в php

Вывод одной переменной делается так:

Код

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="utf-8">
<title>SSI</title>
</head>
<body>
<p>Ваш IP-адрес: echo $_SERVER['REMOTE_ADDR']; </p>
</body>
</html>

А для вывода всех данных создаём цикл:

PHP - Код


 print "<!DOCTYPE html>&#092;n<html>&#092;n<head><title></title></head>&#092;n<body>&#092;n";
 print "<table border=1>&#092;n";
 foreach ($_SERVER as $a => $b) print "<tr><td>$a</td><td>$b</td></tr>&#092;n";
 print "</table>&#092;n";
 print "</body>&#092;n</html>&#092;n";


Можно создать массив с набором данных

PHP - Код

 
 $indicesServer = array('PHP_SELF', 
'argv', 
'argc', 
'GATEWAY_INTERFACE', 
'SERVER_ADDR', 
'SERVER_NAME', 
'SERVER_SOFTWARE', 
'SERVER_PROTOCOL', 
'REQUEST_METHOD', 
'REQUEST_TIME', 
'REQUEST_TIME_FLOAT', 
'QUERY_STRING', 
'DOCUMENT_ROOT', 
'HTTP_ACCEPT', 
'HTTP_ACCEPT_CHARSET', 
'HTTP_ACCEPT_ENCODING', 
'HTTP_ACCEPT_LANGUAGE', 
'HTTP_CONNECTION', 
'HTTP_HOST', 
'HTTP_REFERER', 
'HTTP_USER_AGENT', 
'HTTPS', 
'REMOTE_ADDR', 
'REMOTE_HOST', 
'REMOTE_PORT', 
'REMOTE_USER', 
'REDIRECT_REMOTE_USER', 
'SCRIPT_FILENAME', 
'SERVER_ADMIN', 
'SERVER_PORT', 
'SERVER_SIGNATURE', 
'PATH_TRANSLATED', 
'SCRIPT_NAME', 
'REQUEST_URI', 
'PHP_AUTH_DIGEST', 
'PHP_AUTH_USER', 
'PHP_AUTH_PW', 
'AUTH_TYPE', 
'PATH_INFO', 
'ORIG_PATH_INFO') ; 

echo '<table cellpadding="10">' ; 
foreach ($indicesServer as $arg) { 
    if (isset($_SERVER[$arg])) { 
        echo '<tr><td>'.$arg.'</td><td>' . $_SERVER[$arg] . '</td></tr>' ; 
    } 
    else { 
        echo '<tr><td>'.$arg.'</td><td>-</td></tr>' ; 
    } 
} 
echo '</table>' ; 



Спасибо за внимание!

Вторая часть серии статей "Использование регулярных выражений в PHP" посвящена решению ряда проблем обработки сложных текстов с помощью "продвинутых" операторов регулярных выражений.

Несмотря на то, что термины данные и информация используются взаимозаменяемо, между ними есть существенная разница. Данные существуют реально. Данные — - это список температур, перечень недавних продаж или опись товара, имеющегося в наличии. Информация — это прогнозы. Информация — это предсказание погоды, прогноз прибылей и убытков и тенденции сбыта. Данные записываются в виде нулей и единиц, в то время как информация обрабатывается мозгом.

Между данными и информацией располагается приложение: механизм, который преобразует одно в другое и наоборот. Например, при покупке книги в Интернете это приложение преобразует вашу информацию — название книги, идентификатор, информацию о банковском счете — в данные: номер заказа, цену со скидкой, характеристики транзакции с использованием кредитной карточки и количество оставшихся в наличии экземпляров книги. Аналогичным образом, приложение преобразует данные в запрос на выборку со склада, отметку об отгрузке и номер отслеживания — информацию, необходимую для реализации продажи.

В действительности сложность создания приложения прямо пропорциональна преобразованиям, которые оно выполняет. Гостевая книга Web-сайта, передающая имя и адрес в поля базы данных, устроена элементарно. С другой стороны, онлайновый магазин, который передает большое количество видов информации в модель данных коммерческой сделки и преобразует данные в информацию для реализации процесса принятия решений, достаточно сложен с точки зрения разработки. Искусство программирования заключается в умелом манипулировании данными и информацией — мастерство, схожее с фиксацией света в живописи.

Как было сказано в первой части, регулярные выражения являются одним из самых мощных средств манипулирования данными. Регулярные выражения лаконично описывают форму данных и раскладывают их на составляющие. Например, следующее регулярное выражение можно использовать для обработки температуры, заданной в градусах по Цельсию или по Фаренгейту: /^([+-]?[0-9]+)([CF])$/.

Регулярное выражение сравнивает начало строки (отображается знаком "крышка" (^), за которым идет знак "+", знак "-", или ничего ([+-]?), за которым следует целое число ([0-9]+), обозначение шкалы — Цельсия или Фаренгейта ([CF]) — и заканчивается концом строки (обозначается знаком доллара $).

В данном регулярном выражении операторы начала строки и конца строки представляют собой примеры операторов нулевой ширины или совпадений по положению, а не по символам. Круглые скобки также не указывают на символы. Зато, если заключить шаблон в круглые скобки, то будет извлечен текст, соответствующий шаблону. Следовательно, если текст полностью сопоставим с шаблоном, то первая пара круглых скобок выдаст строку, представляющую собой положительное или отрицательное целое число, например, +49, а вторая пара круглых скобок - или букву C, или F.

В первой части серии представлено понятие регулярного выражения и были описаны PHP-функции для сравнения текста с шаблонами, а также для извлечения совпадений. А теперь давайте углубимся в изучение регулярных выражений и посмотрим на некоторые "продвинутые" операторы и средства.

Круглые скобки опять приходят на помощь

В большинстве случаев пара круглых скобок используется для описания части шаблона и получения текста, соответствующего этой части. Однако от круглых скобок не всегда требуется получение части шаблона. Как и в сложной арифметической формуле, круглые скобки можно использовать для группировки условий.

Приведу пример. Догадаетесь, какому типу данных соответствует данное выражение?

/[-a-z0-9]+(?:\.[-a-z0-9]+)*\.(?:com|edu|info)/i


Как можно догадаться, это регулярное выражение определяет имена Интернет-сайтов (только для доменов .com, .edu, и .info). Отличием является использование дополнительного оператора ?:. Квалификатор части шаблона ?: отключает функцию извлечения данных, и тем самым дает круглым скобкам возможность обозначать последовательность действий. Например, в данном случае фраза (?:\.[-a-z0-9]+)* соответствует нулю или более элементам строки, например, ".ibm." Аналогично, фраза \.(?:com|edu|info) обозначает последовательность символов, за которой идет одна из строк com, edu, или info.

Отключение функции извлечения информации может показаться бессмысленным, если не подумать о том, что извлечение информации требует дополнительной обработки. Если программа обрабатывает большое количество данных, то отказ от извлечения может быть целесообразным. Кроме того, если вы имеете дело со сложным регулярным выражением, то отключение функции извлечения информации в некоторых частях шаблона может упростить извлечение тех частей шаблона, которые реально нужны.

Примечание: Модификатор i в конце регулярного выражения делает все сопоставления с шаблоном нечувствительными к регистру. Следовательно, подмножество a-z будет сопоставимо со всеми буквами, независимо от регистра.

В PHP есть и другие модификаторы частей шаблона (subpattern). Используя отладчик регулярных выражений, показанный в первой части данной серии (повторно показан в листинге 1), попробуйте сопоставить регулярное выражение ((?i)edu) со строками "EDU," "edu," и "Edu." Если в начале части шаблона задать модификатор (?i), то сопоставление с шаблоном не будет зависеть от регистра. Чувствительность к регистру восстанавливается, как только заканчивается данная часть шаблона. (Сравните с модификатором / ... /i, который применяется ко всему шаблону.)

Листинг 1. Простой отладчик регулярных выражений

PHP - Код

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

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

    //
    // поиск слов, совпадающих с регулярным выражением
    //
    $matches = preg_grep( "/${_REQUEST[ 'regex' ]}/", $words );

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

Еще один полезный модификатор части шаблона - это (?x). Он позволяет добавлять в шаблон пробелы, что упрощает чтение регулярных выражений. Таким образом, часть шаблона ((?x) edu | com | info) (обратите внимание на пробелы между операторами дизъюнкции, которые добавлены для удобочитаемости) аналогична (edu|com|info). Для того, чтобы добавлять пробелы и комментарии в регулярное выражение, можно использовать глобальный модификатор / ... /x, см. листинг ниже.

Листинг 2. Добавление пробелов и комментариев

PHP - Код

$matches = preg_grep( 
            "/
              [- a-z 0-9]+            # machine name
              (?: \. [- a-z 0-9]+)*   # subdomains
              \. (?: com | edu | info)# domain
             /xi", $words );

Как видно из листинга, при необходимости модификаторы можно объединять. Если необходимо включить в регулярное выражение символ пробела при использовании модификатора (?x), используйте метасимвол \s для поиска любого пробельного символа и \ (обратный слеш с пробелом) для поиска одного пробела, например, ((?x) hello \ there).

Оглядываемся вокруг

В подавляющем большинстве случаев регулярные выражения используются для проверки или декомпозиции входной информации на отдельные "лакомые кусочки", которые записываются в архив данных или сразу же обрабатываются приложением. Общепринятыми сферами применения являются: обработка полей форм, парсинг XML-кода и анализ протоколов.

Еще одна область применения регулярных выражений - форматирование, нормализация или улучшение читаемости данных. Вместо того чтобы использовать регулярные выражения для поиска и извлечения текста, при форматировании они применяются для поиска и вставки текста в надлежащее местоположение.

Вот пример полезного применения форматирования. Предположим, что Web-форма передает приложению значение зарплаты с округлением до целого доллара. Так как зарплата хранится в виде числа целого типа, то перед сохранением переданных данных приложение должно удалять из них знаки пунктуации. Однако при извлечении данных из хранилища, возможно, понадобится изменить их формат и сделать удобочитаемыми с помощью разделителей. В листинге 3 показано, как простой PHP-запрос преобразует сумму в долларах в число.

Листинг 3. Преобразование суммы в долларах в число

PHP - Код

$salary = preg_replace( "/[\$\s,]/", '', $_REQUEST[ 'salary' ] );

if ( is_numeric( $salary ) ) {
    // persist the data
}
else {
    // error
}

Вызов функции preg_replace() заменяет знак доллара, любой пробельный символ и все запятые -- на пустую строку, возвращая то, что предположительно является целым числом. Если проверка функцией is_numeric() подтверждает правильность входных данных, их можно сохранить.

А теперь давайте выполним обратную операцию - добавим к числу знак денежной единицы и запятые-разделители сотен, тысяч и миллионов. Для добавления запятых в определенных позициях можно написать программу для поиска этих компонентов, а можно воспользоваться операторами посмотри вперед и посмотри назад. Модификатор части шаблона ?<= обозначает посмотри назад (то есть влево) от текущей позиции. Модификатор ?= означает "посмотри вперед" (то есть вправо) от текущей позиции.

[pagebreak]

Итак, какие позиции нам нужны? Любое место в строке, при условии, что есть как минимум один символ слева и одна или более групп по три символа справа, не считая десятичной точки и количества центов. Соблюдая это правило и используя два модификатора, анализирующих символы справа и слева от определенной позиции и являющихся операторами нулевой ширины, мы можем достичь цели с помощью следующей инструкции:

PHP - Код

$pretty_print = preg_replace( "/(?<=&#092;d)(?=&#092;d&#092;d&#092;d)+$)/", ',', $salary );

Как работает это регулярное выражение? Начиная с первого символа строки и обрабатывая каждый символ, регулярное выражение отвечает на вопрос: "Есть ли хотя бы один символ слева и одна или несколько групп из трех символов справа?" Если да, то наш оператор нулевой ширины заменяется запятой.

Большинство сложных сопоставлений можно реализовать, используя стратегию, аналогичную приведенной выше. Например, вот еще один вариант использования оператора "посмотри вперед", который решает широко распространенную дилемму.

Листинг 4. Пример использования оператора "посмотри вперед" ("предвидение")

PHP - Код

$tab_data = preg_replace( '/
    ,                               # look for a comma
    (?=                             # then look ahead for
        (?:[^"]*$)                  # a string with no quotes and eol
        |                           #  -or-
        (?:[^"]*"[^"]*"[^"]*)*$     # a string with balanced quotes
    )                               # 
    /x', "\t", $csv_data );

Оператор preg_replace() преобразует строку данных, разделенных запятыми, в строку данных, разделенных знаком табуляции. Предусмотрительным образом, он не заменяет запятые в строке, заключенной в кавычки.

Это регулярное выражение при каждом обнаружении запятой (на это указывает запятая в самом начале регулярного выражения) проверяет утверждение: "Впереди не было кавычек или было четное количество кавычек". Если утверждение верно, то запятую можно заменить знаком табуляции (the \t).

Если Вам не нравятся операторы «посмотри вперед» и «посмотри назад» или вы работаете с таким языком, в котором их нет, можно добавить запятые в число и с помощью обычного регулярного выражения. Однако для реализации такого решения потребуется много итераций.

Листинг 5. Добавление запятых

PHP - Код

$pretty_print = preg_replace( "/[\$\s,]/", '', $_REQUEST[ 'salary' ] );

do {
    $old = $pretty_print;
    $pretty_print = preg_replace( "/(\d)(\d\d\d\b)/", "$1,$2", $pretty_print );
} while ( $old != $pretty_print );

Давайте пройдем по коду. Сначала параметр зарплаты очищается от знаков пунктуации для моделирования ситуации чтения целого числа из базы данных. Затем выполняется цикл в поисках позиций, где за одним числовым символом ((\d) идут три числовых символа ((\d\d\d\): если обнаруживается граница слова, заданная как \b, цикл прекращается. Граница слова -- это еще один оператор нулевой ширины, который соответствует следующим позициям:

* Перед первым символом строки, если это буква слова.
* За последним символом строки, если это буква слова.
* Между буквой слова и небуквенным символом, непосредственно за буквой слова.
* Между небуквенным символом и буквой слова, непосредственно за небуквенным символом.

Таким образом, примерами правильных границ слова являются пробел, точка и запятая.

Благодаря внешнему циклу регулярное выражение перемещается слева направо в поисках цифры, за которой идут три цифры и граница слова. При обнаружении совпадения между двумя частями шаблона добавляется запятая. Цикл должен продолжаться до тех пор, пока оператор preg_replace() находит совпадения, что задано в условии $old != $pretty_print.

Жадность и лень

Регулярные выражения обладают большими возможностями, иногда даже слишком большими. Например, давайте рассмотрим, что произойдет, если регулярное выражение ".*" будет обрабатывать строку "The author of 'Wicked' also wrote 'Mirror, Mirror.'" Вероятно, вы предполагаете, что preg_match() вернет два совпадения, и с удивлением обнаружите, что результат всего один: 'Wicked' also wrote 'Mirror, Mirror.'

Почему? Если не задать иное, то такие операторы как * (ноль или более) и + (один или более) -- "жадные". Если сопоставление с образцом может продолжаться, то они и будут его продолжать до тех пор, пока не будет возвращен максимальный результат из возможных. Для сохранения минимальных совпадений необходимо принудительно заставлять определенные операторы быть "ленивыми". "Ленивые" операторы находят самое короткое совпадение и на этом останавливаются. Чтобы сделать оператор более "ленивым", добавьте суффикс в виде знака вопроса. Пример показан в листинге 6.

Листинг 6. Добавление суффикса в виде знака вопроса

PHP - Код

$text = 'The author of "Wicked" also wrote "Mirror, Mirror."';
    if ( preg_match_all( '/".*?"/', $text, $matches ) ) {
        print_r( $matches[0] );
    }

Приведенный фрагмент кода дает:

Array ( [0] => "Wicked" [1] => "Mirror, Mirror." )


Регулярное выражение ".*?" расшифровывается следующим образом: "найти кавычку, за которой идет ровно столько символов с последующей кавычкой.

Однако иногда оператор * может быть слишком "ленивым". Например, посмотрите на следующий фрагмент кода. Что он делает?

Листинг 7. Простой отладчик регулярных выражений

PHP - Код

if (preg_match( "/([0-9]*)/", "-123", $matches  ) ) {
    print_r( $matches );
}

Что вы загадали? "123"? "1"? Нет результата? На самом деле результатом будет Array ( [0] => [1] => ), означающий, что совпадение было найдено, но никаких данных извлечено не было. Почему? Вспомните, что оператор * ищет совпадения с нулем или более символов. В данном случае, выражение [0-9]* находит совпадение с нулем символов от начала строки, и обработка заканчиваетс.

Для решения данной проблемы добавьте оператор нулевой ширины для привязки совпадения, который заставляет регулярное выражение продолжать сопоставления; /([0-9]*\b/.

Советы и рекомендации

С помощью регулярных выражений можно решать как простые, так и сложные задачи при обработке текста. Начните с небольшой группы операторов и по мере того, как вы будете набираться опыта, расширяйте свой словарь. В качестве вознаграждения за ваши старания -- некоторые советы и рекомендации.

Создание переносимых регулярных выражений с помощью классов символов

Вам уже знакомы метасимволы, например, \s - соответствует любому пробельному символу. Кроме того, большинство реализаций регулярных выражений поддерживает предопределенные классы символов, которые более просты в использовании и переносимы с одного письменного языка на другой. Например, класс символов [:punct:] замещает все символы пунктуации в данном языке. Вместо [0-9] можно использовать [:digit:] и более переносимое замещение [:alpha:] вместо [-a-zA-Z0-9_]. Например, можно убрать все знаки пунктуации, используя:

PHP - Код

$clean = preg_replace( "/[[:punct:]]/", '', $string );

Класс символов представляет собой более сжатую форму по сравнению с подробным описанием всех символов пунктуации. Полный перечень классов символов можно найти в документации по версии языка PHP.

Как исключить то, что вы не ищете

Как показано в примере с данными, разделенными символом табуляции, в качестве значений, разделенных запятыми (CSV), иногда проще и точнее задать список тех вариантов, которые не нужно находить (сопоставлять). Последовательность, начинающаяся со знака "крышка" (^) будет соответствовать любому символу, не принадлежащему данной последовательности. Например, для проверки правильности телефонных номеров для США можно использовать регулярное выражение /[2-9][0-9]{2}[2-9][0-9]{2}[0-9]{4}/. Используя набор ограничений можно написать регулярное выражение в более явном виде /[^01][0-9]{2}[^01][0-9]{2}[0-9]{4}/. Оба регулярных выражения работают, хотя смысл последнего, вероятно, более понятен.

Пропуск новой строки

Если во входных данных несколько строк, стандартного регулярного выражения будет недостаточно, так как сканирование прекращается на начале новой строки, которая обозначается $. Однако, если воспользоваться модификаторами s или m, то регулярное выражение будет обрабатывать входные данные по-другому. Первый модификатор рассматривает строковую последовательность как одну строку, где точка указывает на начало новой строки (обычно она этого не делает). Второй рассматривает строковую последовательность как несколько строк, где ^ и $ соответствуют началу и концу любой строки, соответственно. Приведем пример. Если задать $string = "Hello,\nthere";, то оператор preg_match( "/.*/s", $string, $matches) параметру $matches[0] присвоит значение Hello,\nthere. (При удалении s будет выдано Hello.)

dBASE и Paradox таблицы имеют в своем арсенале BLOB-поля, позволяющие хранить бинарные данные, в том числе bitmap-формат, отображаемый с помощью компонента TDBImage. В Database Desktop данный тип полей указан как Binary и Graphic (для dBASE и Paradox таблиц, соответственно). Тем не менее, процесс сохранения изображений в InterBase BLOB-полях и их использование в компонентах TDBImage не такой уж простой.

Таблицы InterBase не имеют простого типа BLOB-поля. Есть три варианта, или подтипа: тип 0, тип 1 и подтип, определенный пользователем. Типы 0 и 1 - "встроенные" типы. Тип 0 - BLOB-поля (тип по умолчанию) для хранения общих бинарных данных. Тип 1 - BLOB-поля для хранения текстовых BLOB-данных. Ни один из предопределенных типов не допускает автоматического извлечения данных изображения из BLOB-поля для его последующего отображения в компоненте TDBImage. BLOB-поля типа 0 могут использоваться для хранения данных bitmap-формата, но данные должны извлекаться и передаваться в объект типа TBitmap программным путем. Вот пример ручного извлечения данных изображения, хранящихся в BLOB-поле типа 0 (Table1BLOBField), и его показ в компоненте TImage (не предназначенным для работы с БД) :

Код

procedure TForm1.ExtractBtnClick(Sender: TObject);
begin
Image1.Picture.Bitmap.Assign(Table1BLOBField);
end;

Естественно, поскольку это должно делаться вручную, данный процесс менее желателен в приложении, нежели автоматическое отображение данных изображения в комбинации BDE и компонента TDBImage. Здесь происходит определение подтипа определенного пользователем BLOB-поля. При работе с данными подтип BLOB-поля учитывается, т.к. сохраненные первыми данные устанавливают тип данных для этого поля для всей таблицы целиком. Таким образом, если данные bitmap-формата оказывается первым загружаемым типом, то данный формат будет единственно возможным для данного поля. До сих пор по умолчанию тип бинарного BLOB-поля (предопределенный тип 0) позволял BDE читать и отображать данные в компоненте TDBImage без особых проблем.

Утилиты Database Desktop допускают создание бинарных BLOB-полей только типа 0 и не имеют возможности самим определять подтипы BLOB-полей. Из-за такого ограничения таблицы, подразумевающие хранение и вывод изображений, должны создаваться с помощью SQL-запросов. Обычно это делается посредством утилиты WISQL, но вполне достаточно выполнение SQL-запроса с помощью компонента TQuery. Ниже приведен SQL-запрос, создающий таблицу с определенным пользователем подтипом BLOB-поля:

Код

CREATE TABLE WITHBMP
(
FILENAME CHAR(12),
BITMAP BLOB SUB_TYPE -1
)

После создания таблицы с совместимыми BLOB-полями, для хранения данных изображения в BLOB-поле и его вывода в компоненте TDBImage используются те же самые методы, что и при работе с таблицами dBASE и Paradox.

Имеется множество способов загрузки изображений в BLOB-поле. Три самых простых метода включают в себя:

копирование данных из буфера обмена Windows в компонент TDBImage, связанный с BLOB-полем

использование метода LoadFromFile компонента TBLOBField

использование метода Assign для копирования объекта типа TBitmap в значение свойства Picture компонента TBDBImage.

Первый способ, когда происходит копирование изображения из буфера обмена, вероятно, наиболее удобен в случае, когда необходимо добавить изображение в таблицу при использовании приложения конечным пользователем. В этом случае компонент TDBImage используется в роли интерфейса между BLOB-полем таблицы и изображением, хранящимся в буфере обмена. Метод PasteFromClipboard компонента TDBImage как раз и занимается тем, что копирует изображение из буфера обмена в TDBImage. При сохранении записи изображение записывается в BLOB-поле таблицы.

Поскольку буфер обмена Windows может содержать данные различных форматов, то желательно перед вызовом метода CopyFromClipboard осуществлять проверку формата хранящихся в нем данных. Для этого необходимо создать объект TClipboard и использовать его метод HasFormat, позволяющий определить формат хранящихся в буфере данных. Имейте в виду, что для создания объекта TClipboard вам необходимо добавить модуль Clipbrd в секцию uses того модуля, в котором будет создаваться экземпляр объекта.

Вот исходный код примера, копирующий содержание буфера обмена в компонент TDBImage, если содержащиеся в буфере данные имеют формат изображения:

Код

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var
C: TClipboard;
begin
C := TClipboard.Create;
try
if Clipboard.HasFormat(CF_BITMAP) then
DBImage1.PasteFromClipboard
else
ShowMessage('Буфер обмена не содержит изображения!');
finally
C.Free;
end;
end;

Второй способ заполнения BLOB-поля заключается в загрузке изображения непосредственно из файла в BLOB-поле. Данный способ одинаково хорош как при создании приложения (формирование данных), так и при его использовании.

Этот способ использует метод LoadFromFile компонента TBLOBField, который применяется в Delphi для работы с dBASE-таблицами и двоичными Windows полями или таблицами Paradox и графическими Windows полями; в обоих случаях с помощью данного метода возможно загрузить изображение и сохранить его в таблице.

Методу LoadFromFile компонента TBLOBField необходим единственный параметр типа String: имя загружаемого файла с изображением. Значение данного параметра может быть получено при выборе файла пользователем с помощью компонента TOpenDialog и его свойства FileName.

Вот пример, демонстрирующий работу метода LoadFromFile компонента TBLOBField с именем Table1Bitmap (поле с именем Bitmap связано с таблицей TTable, имеющей имя Table1):

Код

procedure TForm1.Button2Clicck(Sender: TObject);
begin
Table1Bitmap.LoadFromFile(
'c:\delphi\images\splash\16color\construc.bmp');
end;

Третий способ для копирования содержимого объекта типа TBitmap в свойство Picture компонента TDBImage использует метод Assign. Объект типа TBitmap может быть как свойством Bitmap свойства-объекта Picture компонента TImage, так и отдельного объекта TBitmap. Как и в методе, копирующем данные из буфера обмена в компонент TDBImage, данные изображения компонента TDBImage сохраняются в BLOB-поле после успешного сохранения записи.

Ниже приведен пример, использующий метод Assign. В нашем случае используется отдельный объект TBitmap. Для помещения изображения в компонент TBitmap был вызван его метод LoadFromFile.

Код

procedure TForm1.Button3Click(Sender: TObject);
var
B: TBitmap;
begin
B := TBitmap.Create;
try
B.LoadFromFile('c:\delphi\images\splashh\16color\athena.bmp');
DBImage1.Picture.Assign(B);
finally
B.Free;
end;
end;

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

Каждый абонент (узел) локальной сети должен иметь свой уникальный адрес (идентификатор или MAC-адрес), для того чтобы ему можно было адресовать пакеты. Существуют две основные системы присвоения адресов абонентам сети (точнее, сетевым адаптерам этих абонентов).

Первая система сводится к тому, что при установке сети каждому абоненту пользователь присваивает индивидуальный адрес по порядку, к примеру, от 0 до 30 или от 0 до 254. Присваивание адресов производится программно или с помощью переключателей на плате адаптера. При этом требуемое количество разрядов адреса определяется из неравенства:

2n > Nmax

где n – количество разрядов адреса, а Nmax – максимально возможное количество абонентов в сети. Например, восемь разрядов адреса достаточно для сети из 255 абонентов. Один адрес (обычно 1111....11) отводится для широковещательной передачи, то есть он используется для пакетов, адресованных всем абонентам одновременно.

Именно такой подход применен в известной сети Arcnet. Достоинства данного подхода – малый объем служебной информации в пакете, а также простота аппаратуры адаптера, распознающей адрес пакета. Недостаток – трудоемкость задания адресов и возможность ошибки (например, двум абонентам сети может быть присвоен один и тот же адрес). Контроль уникальности сетевых адресов всех абонентов возлагается на администратора сети.

Второй подход к адресации был разработан международной организацией IEEE, занимающейся стандартизацией сетей. Именно он используется в большинстве сетей и рекомендован для новых разработок. Идея этого подхода состоит в том, чтобы присваивать уникальный сетевой адрес каждому адаптеру сети еще на этапе его изготовления. Если количество возможных адресов будет достаточно большим, то можно быть уверенным, что в любой сети по всему миру никогда не будет абонентов с одинаковыми адресами. Поэтому был выбран 48-битный формат адреса, что соответствует примерно 280 триллионам различных адресов. Понятно, что столько сетевых адаптеров никогда не будет выпущено.

С тем чтобы распределить возможные диапазоны адресов между многочисленными изготовителями сетевых адаптеров, была предложена следующая структура адреса (рис. 4.7):

* Младшие 24 разряда кода адреса называются OUA (Organizationally Unique Address) – организационно уникальный адрес. Именно их присваивает каждый из зарегистрированных производителей сетевых адаптеров. Всего возможно свыше 16 миллионов комбинаций, то есть каждый изготовитель может выпустить 16 миллионов сетевых адаптеров.
* Следующие 22 разряда кода называются OUI (Organizationally Unique Identifier) – организационно уникальный идентификатор. IEEE присваивает один или несколько OUI каждому производителю сетевых адаптеров. Это позволяет исключить совпадения адресов адаптеров от разных производителей. Всего возможно свыше 4 миллионов разных OUI, это означает, что теоретически может быть зарегистрировано 4 миллиона производителей. Вместе OUA и OUI называются UAA (Universally Administered Address) – универсально управляемый адрес или IEEE-адрес.
* Два старших разряда адреса управляющие, они определяют тип адреса, способ интерпретации остальных 46 разрядов. Старший бит I/G (Individual/Group) указывает на тип адреса. Если он установлен в 0, то индивидуальный, если в 1, то групповой (многопунктовый или функциональный). Пакеты с групповым адресом получат все имеющие этот групповой адрес сетевые адаптеры. Причем групповой адрес определяется 46 младшими разрядами. Второй управляющий бит U/L (Universal/Local) называется флажком универсального/местного управления и определяет, как был присвоен адрес данному сетевому адаптеру. Обычно он установлен в 0. Установка бита U/L в 1 означает, что адрес задан не производителем сетевого адаптера, а организацией, использующей данную сеть. Это случается довольно редко.

Структура 48-битного стандартного MAC-адреса

Рис. 4.7. Структура 48-битного стандартного MAC-адреса

Для широковещательной передачи (то есть передачи всем абонентам сети одновременно) применяется специально выделенный сетевой адрес, все 48 битов которого установлены в единицу. Его принимают все абоненты сети независимо от их индивидуальных и групповых адресов.

Данной системы адресов придерживаются такие популярные сети, как Ethernet, Fast Ethernet, Token-Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN. Ее недостатки – высокая сложность аппаратуры сетевых адаптеров, а также большая доля служебной информации в передаваемом пакете (адреса источника и приемника вместе требуют уже 96 битов пакета или 12 байт).

Во многих сетевых адаптерах предусмотрен так называемый циркулярный режим. В этом режиме адаптер принимает все пакеты, приходящие к нему, независимо от значения поля адреса приемника. Такой режим используется, например, для проведения диагностики сети, измерения ее производительности, контроля ошибок передачи. При этом один компьютер принимает и контролирует все пакеты, проходящие по сети, но сам ничего не передает. В данном режиме работают сетевые адаптеры мостов и коммутаторы, которые должны обрабатывать перед ретрансляцией все пакеты, приходящие к ним.

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.

Информация в кабельных локальных сетях передается в закодированном виде, то есть каждому биту передаваемой информации соответствует свой набор уровней электрических сигналов в сетевом кабеле. Модуляция высокочастотных сигналов применяется в основном в бескабельных сетях, в радиоканалах. В кабельных сетях передача идет без модуляции или, как еще говорят, в основной полосе частот.

Правильный выбор кода позволяет повысить достоверность передачи информации, увеличить скорость передачи или снизить требования к выбору кабеля. Например, при разных кодах предельная скорость передачи по одному и тому же кабелю может отличаться в два раза. От выбранного кода напрямую зависит также сложность сетевой аппаратуры (узлы кодирования и декодирования кода). Код должен в идеале обеспечивать хорошую синхронизацию приема, низкий уровень ошибок, работу с любой длиной передаваемых информационных последовательностей.

Некоторые коды, используемые в локальных сетях, показаны на рис. 3.8. Далее будут рассмотрены их преимущества и недостатки.

Наиболее распространенные коды передачи информации

Рис. 3.8. Наиболее распространенные коды передачи информации
Код NRZ

Код NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) – это простейший код, представляющий собой обычный цифровой сигнал. Логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения в кабеле, логической единице – низкий уровень напряжения (или наоборот, что не принципиально). Уровни могут быть разной полярности (положительной и отрицательной) или же одной полярности (положительной или отрицательной). В течение битового интервала (bit time, BT), то есть времени передачи одного бита никаких изменений уровня сигнала в кабеле не происходит.

К несомненным достоинствам кода NRZ относятся его довольно простая реализация (исходный сигнал не надо ни специально кодировать на передающем конце, ни декодировать на приемном конце), а также минимальная среди других кодов пропускная способность линии связи, требуемая при данной скорости передачи. Ведь наиболее частое изменение сигнала в сети будет при непрерывном чередовании единиц и нулей, то есть при последовательности 1010101010..., поэтому при скорости передачи, равной 10 Мбит/с (длительность одного бита равна 100 нс) частота изменения сигнала и соответственно требуемая пропускная способность линии составит 1 / 200нс = 5 МГц (рис. 3.9).

Скорость передачи и требуемая пропускная способность при коде NRZ

Рис. 3.9. Скорость передачи и требуемая пропускная способность при коде NRZ

Передача в коде NRZ с синхросигналом

Рис. 3.10. Передача в коде NRZ с синхросигналом

Самый большой недостаток кода NRZ – это возможность потери синхронизации приемником во время приема слишком длинных блоков (пакетов) информации. Приемник может привязывать момент начала приема только к первому (стартовому) биту пакета, а в течение приема пакета он вынужден пользоваться только внутренним тактовым генератором (внутренними часами). Например, если передается последовательность нулей или последовательность единиц, то приемник может определить, где проходят границы битовых интервалов, только по внутренним часам. И если часы приемника расходятся с часами передатчика, то временной сдвиг к концу приема пакета может превысить длительность одного или даже нескольких бит. В результате произойдет потеря переданных данных. Так, при длине пакета в 10000 бит допустимое расхождение часов составит не более 0,01% даже при идеальной передаче формы сигнала по кабелю.

Во избежание потери синхронизации, можно было бы ввести вторую линию связи для синхросигнала (рис. 3.10). Но при этом требуемое количество кабеля, число приемников и передатчиков увеличивается в два раза. При большой длине сети и значительном количестве абонентов это невыгодно.

В связи с этим код NRZ используется только для передачи короткими пакетами (обычно до 1 Кбита).

Большой недостаток кода NRZ состоит еще и в том, что он может обеспечить обмен сообщениями (последовательностями, пакетами) только фиксированной, заранее обговоренной длины. Дело в том, что по принимаемой информации приемник не может определить, идет ли еще передача или уже закончилась. Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, чей уровень отличается от пассивного состояния линии связи (например, пассивное состояние линии при отсутствии передачи – 0, стартовый бит – 1). Заканчивается прием после отсчета приемником заданного количества бит последовательности (рис. 3.11).

Определение окончания последовательности при коде NRZ

Рис. 3.11. Определение окончания последовательности при коде NRZ

Наиболее известное применение кода NRZ – это стандарт RS232-C, последовательный порт персонального компьютера. Передача информации в нем ведется байтами (8 бит), сопровождаемыми стартовым и стоповым битами.

Три остальных кода (RZ, манчестерский код, бифазный код) принципиально отличаются от NRZ тем, что сигнал имеет дополнительные переходы (фронты) в пределах битового интервала. Это сделано для того, чтобы приемник мог подстраивать свои часы под принимаемый сигнал на каждом битовом интервале. Отслеживая фронты сигналов, приемник может точно синхронизовать прием каждого бита. В результате небольшие расхождения часов приемника и передатчика уже не имеют значения. Приемник может надежно принимать последовательности любой длины. Такие коды называются самосинхронизирующимися. Можно считать, что самосинхронизирующиеся коды несут в себе синхросигнал.

Кроме кабельных каналов в компьютерных сетях иногда используются также бескабельные каналы. Их главное преимущество состоит в том, что не требуется никакой прокладки проводов (не надо делать отверстий в стенах, закреплять кабель в трубах и желобах, прокладывать его под фальшполами, над подвесными потолками или в вентиляционных шахтах, искать и устранять повреждения). К тому же компьютеры сети можно легко перемещать в пределах комнаты или здания, так как они ни к чему не привязаны.

Радиоканал использует передачу информации по радиоволнам, поэтому теоретически он может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров. Скорость передачи достигает десятков мегабит в секунду (здесь многое зависит от выбранной длины волны и способа кодирования).

Особенность радиоканала состоит в том, что сигнал свободно излучается в эфир, он не замкнут в кабель, поэтому возникают проблемы совместимости с другими источниками радиоволн (радио- и телевещательными станциями, радарами, радиолюбительскими и профессиональными передатчиками и т.д.). В радиоканале используется передача в узком диапазоне частот и модуляция информационным сигналом сигнала несущей частоты.

Главным недостатком радиоканала является его плохая защита от прослушивания, так как радиоволны распространяются неконтролируемо. Другой большой недостаток радиоканала – слабая помехозащищенность.

Для локальных беспроводных сетей (WLAN – Wireless LAN) в настоящее время применяются подключения по радиоканалу на небольших расстояниях (обычно до 100 метров) и в пределах прямой видимости. Чаще всего используются два частотных диапазона – 2,4 ГГц и 5 ГГц. Скорость передачи – до 54 Мбит/с. Распространен вариант со скоростью 11 Мбит/с.

Сети WLAN позволяют устанавливать беспроводные сетевые соединения на ограниченной территории (обычно внутри офисного или университетского здания или в таких общественных местах, как аэропорты). Они могут использоваться во временных офисах или в других местах, где прокладка кабелей неосуществима, а также в качестве дополнения к имеющейся проводной локальной сети, призванного обеспечить пользователям возможность работать перемещаясь по зданию.

Популярная технология Wi-Fi (Wireless Fidelity) позволяет организовать связь между компьютерами числом от 2 до 15 с помощью концентратора (называемого точкой доступа, Access Point, AP), или нескольких концентраторов, если компьютеров от 10 до 50. Кроме того, эта технология дает возможность связать две локальные сети на расстоянии до 25 километров с помощью мощных беспроводных мостов. Для примера на рис. 2.7 показано объединение компьютеров с помощью одной точки доступа. Важно, что многие мобильные компьютеры (ноутбуки) уже имеют встроенный контроллер Wi-Fi, что существенно упрощает их подключение к беспроводной сети.

Объединение компьютеров с помощью технологии Wi-Fi


Рис. 2.7. Объединение компьютеров с помощью технологии Wi-Fi

Радиоканал широко применяется в глобальных сетях как для наземной, так и для спутниковой связи. В этом применении у радиоканала нет конкурентов, так как радиоволны могут дойти до любой точки земного шара.

Инфракрасный канал также не требует соединительных проводов, так как использует для связи инфракрасное излучение (подобно пульту дистанционного управления домашнего телевизора). Главное его преимущество по сравнению с радиоканалом – нечувствительность к электромагнитным помехам, что позволяет применять его, например, в производственных условиях, где всегда много помех от силового оборудования. Правда, в данном случае требуется довольно высокая мощность передачи, чтобы не влияли никакие другие источники теплового (инфракрасного) излучения. Плохо работает инфракрасная связь и в условиях сильной запыленности воздуха.

Скорости передачи информации по инфракрасному каналу обычно не превышают 5—10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров может быть достигнута скорость более 100 Мбит/с. Секретность передаваемой информации, как и в случае радиоканала, не достигается, также требуются сравнительно дорогие приемники и передатчики. Все это приводит к тому, что применяют инфракрасные каналы в локальных сетях довольно редко. В основном они используются для связи компьютеров с периферией (интерфейс IrDA).

Инфракрасные каналы делятся на две группы:

* Каналы прямой видимости, в которых связь осуществляется на лучах, идущих непосредственно от передатчика к приемнику. При этом связь возможна только при отсутствии препятствий между компьютерами сети. Зато протяженность канала прямой видимости может достигать нескольких километров.
* Каналы на рассеянном излучении, которые работают на сигналах, отраженных от стен, потолка, пола и других препятствий. Препятствия в данном случае не помеха, но связь может осуществляться только в пределах одного помещения.

Если говорить о возможных топологиях, то наиболее естественно все беспроводные каналы связи подходят для топологии типа шина, в которой информация передается одновременно всем абонентам. Но при использовании узконаправленной передачи и/или частотного разделения по каналам можно реализовать любые топологии (кольцо, звезда, комбинированные топологии) как на радиоканале, так и на инфракрасном канале.