WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

«ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ В ЗКОНОМИКЕ Под редакцией профессора В.И. Лойко 2-е издание, переработанное и дополненное Допущено Министерством сельского хозяйства Российской Федерации в качестве ...»

-- [ Страница 3 ] --

5.1. ВЫБОР ХРАНИМЫХ ДАННЫХ Информационный фонд системы управления должен обеспе чивать получение выходных наборов данных из входных с помо щью алгоритмов обработки и корректировки данных. Это воз можно, если создана инфологическая модель предметной облас ти, которая вместе с наборами хранимых данных и алгоритмами их обработки позволяет построить каноническую модель (схему) информационной базы, а затем перейти к логической схеме и да лее — к физическому уровню реализации.

Инфологической (концептуальной) моделью предметной облас ти называют описание предметной области без ориентации на ис пользуемые в дальнейшем программные и технические средства.

Однако для построения информационной базы инфологической модели недостаточно. Необходимо провести анализ информаци онных потоков в системе в целях установления связи между эле ментами данных, их группировки в наборы входных, промежуточ ных и выходных элементов данных, исключения избыточных свя зей и элементов данных. Получаемая в результате такого анализа безызбыточная структура носит название канонической структу ры информационной базы и является одной из форм представле ния инфологической модели предметной области.

Для анализа информационных потоков в управляемой систе ме исходными являются данные о парных взаимосвязях, или от ношениях (т.е. есть отношение или нет отношения), между набо рами информационных элементов. Под информационными эле ментами понимают различные типы входных, промежуточных и выходных данных, которые составляют наборы входных N\, про межуточных и выходных элементов данных.

Формализованно связи (парные отношения) между наборами информационных элементов отображаются в виде матрицы смеж ности В, под которой понимают квадратную бинарную матрицу, проиндексированную по обеим осям множеством информацион ных элементов D = {d\, где.? — число этих элементов:

......

...

Ч\2...

«22 •••......

9п...

если между и d.• отношение существует;

О, в противном случае;

I / = 1,5;

В позиции j) матрицы смежности записывают 1 (т.е. = 1), если между информационными элементами и существует от ношение такое, что для получения значения информаци онного элемента необходимо непосредственное обращение к элементу dj. Наличие такого отношения между и обозначают в виде чему соответствует = а отсутствие — в виде, т.е. qy = 0. Для простоты принимают, что каждый ин формационный элемент недостижим из самого себя:

Матрице В ставится в соответствие информационный граф G - (D, Множеством вершин графа G - является мно жество D информационных элементов, а каждая дуга со условию dj, т.е. записи 1 в позиции (if) матрицы В.

Например, задано множество D из четырех наборов инфор мационных элементов, т.е. D = {d\, Пусть матрица смежности В этих элементов имеет вид:

Из этой матрицы видно, что для вычисления элемента не обходимо обращение к элементам d\ и а для получения эле мента — к элементу Чтобы получить элемент d\, надо обра титься к Элемент не зависит от других элементов матрицы.

Информационный граф в этом простейшем случае будет соот ветствовать рис. 5.1.

Рис. 5.1. Информационный граф G = В общем случае структура графа G = вследствие неупо рядоченности сложна для восприятия и анализа. Составлейная на основе инфологической модели, она не гарантирована от не точностей, ошибок, избыточности и транзитивности. Для фор мального выделения входных, промежуточных и выходных на боров информационных элементов, определения последователь ности операций их обработки, анализа и уточнения взаимосвязей на основе графа G = строят матрицу достижимости.

Матрицей достижимости М называют квадратную бинар ную матрицу, проиндексированную по обеим осям множеством информационных элементов D аналогично матрице смежности В. Запись 1 в каждой позиции (у) матрицы достижимости соот ветствует наличию для упорядоченной пары информационных элементов (dj, dj) смыслового отношения достижимости R. Эле мент достижим из элемента dj, т.е. выполняется условие dj dj, если на графе G - существует направленный путь от вер шины к вершине (в процессе получения значения элемента используется значение элемента dj). Если dj, то отношение достижимости между элементами dj и отсутствует и в позиции (у) матрицы М записывают 0. Отношение достижимости транзи тивно, т.е. если dj и dj, то dj i, j, к = S.

Записи 1 в столбце матрицы М соответствуют информа ционным элементам которые необходимы для получения зна чений элементов и образуют множество элементов предшество вания для этого элемента. Записи 1 в строке матрицы М соответствуют всем элементам достижимым из рассматривае мого элемента dj и образующим множество достижимости этого элемента. Информационные элементы, строки которых в матрице М не содержат единиц (нулевые строки), являются вы ходными информационными элементами, а информационные эле менты, соответствующие нулевым столбцам матрицы М, явля ются входными. Это условие может служить проверкой правиль ности заполнения матриц если наборы входных и выходных информационных элементов известны. Информационные элемен ты, не имеющие нулевой строки или столбца, являются промежу точными.

Для полученного графа (см. рис. 5.1) матрица М будет выгля деть следующим образом:

Отличие столбцов матриц М и В объясняется тем, что в мат рице М учитывается смысловое отношение R между информаци онными элементами, а в матрице В — только непосредственно Например, элемент в матрице М достижим из элементов d\, и т.е. и в то время как в матрице В для этих элементов достижим только из т.е. только Из анализа матрицы М следует, что элемент является вход ным, выходным, остальные — промежуточные. На основе матрицы М строится информационный граф Gs (A R) системы, структурированный по входным (N\), промежуточным и вы ходным наборам информационных элементов и полученный из анализа множества элементов предшествования и дости жимости R (dj) (рис. 5.2).

В общем случае информационный граф системы в отличие от вычисленного графа может иметь контуры и петли, что объясня ется необходимостью повторного обращения к отдельным эле ментам данных.

Информационный граф системы структурируется по уровням N2, N3) с использованием итерационной процедуры, что позволяет определить информационные входы и выходы сис темы, выделить основные этапы обработки данных, их последова 6— 5.2. Информационный граф (D,R) тельность и циклы обработки на каждом уровне. Кроме того, уда ляются избыточные (лишние) дуги и элементы. Граф, получаемый после структуризации по наборам информационных элементов и удаления избыточных элементов и связей, определяет каноничес кую структуру информационной базы. Таким образом, канони ческая структура задает логически неизбыточную информацион ную базу. Выделение наборов элементов данных по уровням по зволяет объединить множество значений конечных элементов в логические записи и тем самым упорядочить их в памяти ЭВМ.

От канонической структуры переходят к логической структу ре информационной базы, а затем к физической организации информационных массивов. Каноническая структура служит так же основой для автоматизации основных процессов предпроект ного анализа предметных областей систем управления.

Процедуры хранения, актуализации и извлечения данных не посредственно связаны с базами данных, поэтому логический уровень этих процедур определяется моделями баз данных.

5.2. БАЗЫ ДАННЫХ База данных (БД) определяется как совокупность взаимосвя занных данных, характеризующихся возможностью использова ния для большого количества приложений, возможностью быст рого получения и модификации необходимой информации, ми нимальной избыточностью информации, независимостью от прикладных общим управляемым способом поиска [10].

Возможность применения баз данных для многих прикладных программ пользователя упрощает реализацию комплексных запро сов, снижает избыточность хранимых данных и повышает эффектив ность использования информационной технологии. Минимальная избыточность и возможность быстрой модификации позволяют под держивать данные на одинаковом уровне актуальности. Основное свойство баз данных — независимость данных и использующих их программ. Независимость данных подразумевает, что изменение дан ных не приводит к изменению прикладных программ и наоборот.

Модели баз данных базируются на современном подходе к об работке информации, состоящем в том, что структуры данных об ладают относительной устойчивостью. Действительно, типы объек тов предприятия, для управления которым создается информаци онная технология, если и изменяются во времени, то достаточно редко, а это приводит к тому, что структура данных для этих объек тов достаточно стабильна. В результате возможно построение ин формационной базы с постоянной структурой и изменяемыми значениями данных. Каноническая структура информационной базы, отображающая в структурированном виде информационную мо дель предметной области, позволяет сформировать логические за писи, их элементы и взаимосвязи между ними. Взаимосвязи могут быть типизированы по следующим основным видам:

• "один к одному", когда 'одна запись может быть связана только с одной записью;

• "один ко многим", когда одна запись взаимосвязана со мно гими другими;

• "многие ко многим", когда одна и та же запись может вхо дить в отношения со многими другими записями в различных вариантах.

Применение того или иного вида взаимосвязей определило три основные модели баз данных: иерархическую, сетевую и ре ляционную.

Для пояснения логической структуры основных моделей баз данных рассмотрим такую простую задачу: необходимо разра ботать логическую структуру БД для хранения данных о трех поставщиках: Пз, которые могут поставлять товары и Тз в следующих комбинациях: поставщик — все вида товаров, поставщик — товары и Тз, поставщик Пз — това ры и Тз. Сначала построим логическую модель БД, основан ную на иерархическом подходе.

Иерархическая модель представляется в виде древовидного графа, в котором объекты выделяются по уровням соподчинен ности (иерархии) объектов (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Иерархическая модель БД На верхнем, первом уровне находится информация об объекте "поставщики" (П), на втором — о конкретных поставщиках и Пз, на нижнем, третьем, уровне — о товарах, которые могут поставлять конкретные поставщики. В иерархической модели дол жно соблюдаться правило: каждый порожденный узел не может иметь больше одного порождающего узла (только одна входящая стрелка);

в структуре может быть только один узел (без входящей стрелки) — корень. Узлы, не имеющие входных стре лок, носят название листьев. Узел интегрируется как запись. Для поиска необходимой записи нужно двигаться от корня к листьям, т.е. сверху вниз, что значительно упрощает доступ.

Достоинство иерархической модели данных состоит в том, что она позволяет описать их структуру как на логическом, так и на физическом уровне. Недостатками данной модели являются жесткая фиксированность взаимосвязей между элемен тами данных, вследствие чего любые изменения связей требуют изменения структуры, а также жесткая зависимость физической и логической организации данных. Быстрота доступа в иерархи ческой модели достигнута за счет потери информационной гиб кости (за один проход по дереву невозможно получить информа цию о том, какие поставщики поставляют, например, товар Указанные недостатки ограничивают применение иерархической структуры.

В иерархической модели используется вид связи между элемен тами данных "один ко многим". Если применяется взаимосвязь вида "многие ко многим", то приходят к сетевой модели данных.

Сетевая модель базы данных для поставленной задачи пред ставлена в виде диаграммы связей (рис. 5.4). На диаграмме указа ны независимые (основные) типы данных и Пз, т.е. ин формация о поставщиках, и зависимые — информация о товарах T, и В сетевой модели допустимы любые виды связей меж ду записями и отсутствует ограничение на число обратных свя зей. Но должно соблюдаться одно правило: связь включает ос новную и зависимую записи.

Рис. 5.4. Сетевая модель БД Достоинство сетевой модели БД — большая информаци онная гибкость по сравнению с иерархической моделью. Однако сохраняется общий для обеих моделей недостаток — доста точно жесткая структура, что препятствует развитию информа ционной базы системы управления. При необходимости частой реорганизации информационной базы (например, при исполь зовании настраиваемых базовых информационных технологий) применяют наиболее совершенную модель БД — реляционную, в которой отсутствуют различия между объектами и взаимосвязями.

В реляционной модели базы данных взаимосвязи между элемен тами данных представляются в виде двумерных таблиц, называе мых отношениями. Отношения обладают следующими свойства ми: каждый элемент таблицы представляет собой один элемент данных (повторяющиеся группы отсутствуют);

элементы столб ца имеют одинаковую природу, и столбцам однозначно присво ены имена;

в таблице нет двух одинаковых строк;

строки и стол бцы могут просматриваться в любом порядке вне зависимости от их информационного содержания.

Преимуществами реляционной модели БД являются про стота логической модели (таблицы привычны для представления информации);

гибкость системы защиты (для каждого отноше ния может быть задана правомерность доступа);

независимость данных;

возможность построения простого языка манипулиро вания данными с помощью математически строгой теории реля ционной алгебры (алгебры отношений). Собственно, наличие строгого математического аппарата для реляционной модели баз данных и обусловило ее наибольшее распространение и перспек тивность в современных информационных технологиях.

Для приведенной выше задачи о поставщиках и товарах логи ческая структура реляционной БД будет содержать три таблицы (отношения): R\, состоящие соответственно из записей о поставщиках, о товарах и о поставках товаров поставщиками (рис. 5.5).

5.5. Реляционная модель БД Учитывая широкое применение реляционных моделей баз дан ных в информационных технологиях (особенно экономических), дадим более подробное описание этой структуры.

5.2.1. РЕЛЯЦИОННАЯ БАЗ ДАННЫХ Реляционная база данных — это такая база данных, которая воспринимается ее пользователем как совокупность таблиц [8].

Если детализировать записи приведенного на рис. 5.5 примера, то получим структуру БД, изображенную на рис. 5.6. Эта база данных состоит из трех таблиц: R\, Таблица R\ представляет поставщиков. Каждый поставщик име ет номер, уникальный для этого поставщика, фамилию (естествен но, неуникальную), значение рейтинга и местонахождение (город).

Таблица описывает виды товаров. Каждый товар имеет уникальный номер, название, вес и цвет.

В таблице отражена поставка товаров. Она служит для того, чтобы связать между собой две другие таблицы. Например, первая строка этой таблицы связывает определенного поставщи ка из таблицы R\ (поставщика с определенным товаром из таблицы (с товаром Иными словами, она представляет поставку товаров вида поставщиком по фамилии и объем поставки, равный 300 шт. Таким образом, для каждой поставки имеются номер поставщика, номер товара и количество товара.

Из приведенных на рис. 5.6 таблиц следует:

• все значения данных являются атомарными, т.е. в каждой таб лице на пересечении строки и столбца всегда имеется в точности одно значение данных и никогда не бывает множества значений;

• полное информационное содержание базы данных представ ляется в виде явных значений данных. Такой метод представле ния — единственный, имеющийся в распоряжении реляционной базы данных. В частности, не существует связей и указателей, со единяющих одну таблицу с другой. Для этой цели служат тоже таблицы. Так, таблица отражает связь таблиц R\ и Как указывалось ранее, математическим термином для обо значения таблицы отношение (relation), и реляционные системы берут свое начало в математической теории отношений.

Основы реляционной модели данных впервые были сформулиро ваны и опубликованы в 1970 г. доктором Э.Ф. Коддом.

(поставщики) Рис. 5.6. Реляционная БД поставщиков и товаров женные им идеи оказали большое влияние на технологию баз дан ных во всех ее аспектах, а также на другие области информаци онных технологий, например на искусственный интеллект и об работку текстов на естественных языках.

При работе с реляционными моделями используется как мате матическая терминология, так и терминология, исторически при нятая в сфере обработки данных. Для того чтобы не возникало разночтений, ниже приведены основные формальные реляционные термины и соответствующие им неформальные эквиваленты:

Формальный Неформальный эквивалент реляционный термин Отношение Таблица Кортеж Запись, строка Атрибут Поле, столбец Реляционная модель БД имеет дело с тремя аспектами дан ных: со структурой данных, с целостностью данных и с манипу лированием данными. Под структурой понимается логическая организация данных в БД, под целостностью данных — безоши бочность и точность информации, хранящейся в БД, под манипу лированием данными — действия, совершаемые над данными в БД.

Эти три аспекта отражают и основные процедуры процесса на копления данных (хранение, актуализацию и извлечение).

РЕЛЯЦИОННАЯ СТРУКТУРА ДАННЫХ Наименьшей единицей данных в реляционной модели являет ся отдельное значение данных. Такие значения рассматриваются как атомарные, т.е. неразложимые, когда речь идет о данной мо дели. Множество подобных значений одного и того же типа на зывают доменом. Например, домен номеров поставщиков — это множество допустимых номеров поставщиков, домен объемов поставки — множество целых, больших нуля и меньших, напри мер 10 000. Таким образом, домены представляют собой пулы зна чений, из которых берутся фактические значения, появляющиеся в атрибутах (столбцах). Смысл доменов заключается в следую щем. Если значения двух атрибутов берутся из одного домена, то имеют смысл их сравнение, а следовательно, и соединение, и объе динение, и т.д. Если же значения атрибутов берутся из разных доменов, то всякие их сравнения лишены смысла. Отметим, что домены по своей природе являются в большей степени понятия ми концептуальными и могут и храниться, и не храниться в базе данных как фактическое множество значений. Но они должны специфицироваться как часть определения базы данных, а опре деление каждого атрибута должно включать ссылку на соответ ствующий домен во избежание каких-либо двусмысленностей.

Теперь определим главный элемент реляционной структуры — отношение.

Отношение на доменах состоит из заголовка и тела. Заголовок содержит такое фиксированное множество ат рибутов существует взаимно однозначное соот ветствие между этими атрибутами и определяющими их доме нами = 1, п). Тело — это меняющееся во времени множество кортежей, кортеж, в свою очередь, состоит из мно жества пар атрибутов-значений = по одной такой паре для каждого атрибута в заголовке. Для любой заданной пары : является значением из един ственного домена которым связан атрибут Таким обра зом, все отношения (см. рис. 5.6) соответствуют приведенному определению отношения.

Строго говоря, когда мы изображаем отношение в виде таб лицы, мы просто используем удобный способ представления от ношения на бумаге. Таблица и отношение в действительности не одно и то же. Дело в том, что при изображении таблицы мы явно или неявно упорядочиваем расположение столбцов (атрибутов) и строк (кортежей), хотя отношение — это математическое мно жество, а множество в математике не обладает каким-либо упо рядочением.

Значение п — число атрибутов в отношении — называется степенью отношения. Отношение степени один называется унар ным, степени два — степени три — тернарным, степе ни п — В приведенной на рис. 5.6 базе данных степень отношений R\ равна четырем, а отношения — пяти. Чис ло кортежей в отношении называется кардинальным числом этого отношения. Кардинальные числа отношений R\, и равны соответственно 3, 3 и 7. Кардинальное число отношения изменя ется во времени (кортеж может быть добавлен или удален) в от личие от его степени.

ЦЕЛОСТНОСТЬ РЕЛЯЦИОННЫХ ДАННЫХ Важным следствием определений, сделанных выше, является то, что каждое отношение имеет первичный ключ, идентифициру ющий это отношение. Поскольку отношение - это множество, а множества, по определению, не содержат совпадающих элемен тов, никакие два кортежа отношения не могут в произвольный заданный момент времени быть дубликатами друг друга. Пусть R — отношение с атрибутами Говорят, что множе ство атрибутов К - отношения R является возмож ным R тогда и только тогда, когда удовлетворяются два независимых от времени условия: уникальность и минимальность.

Первое условие указывает на то, что в произвольный задан ный момент времени никакие два различных кортежа отношения R не имеют одного и того же значения Второе условие свидетельствует о том, что ни один из атри бутов не может быть исключен из множества без нарушения условий уникальности.

Каждое отношение обладает по крайней мере одним возмож ным ключом, поскольку комбинация всех его атрибутов удовлет воряет условиям уникальности. Один произвольно выбранный возможный ключ для данного отношения принимается за его пер вичный ключ, а остальные возможные ключи называются альтер нативными.

Помимо первичных и альтернативных ключей, идентифициру ющих данное отношение, есть еще внешний ключ. В общем случае внешний ключ — это атрибут или комбинация атрибутов одного отношения R", значение которого обязательно должно совпадать со значением первичного ключа некоторого другого отношения R', причем внешний и первичный ключи должны быть определены на одних и тех же доменах. Внешние ключи в неявном виде связы вают отношения. Примером внешнего ключа является атрибут "Номер поставщика" в отношении рис. 5.6), поскольку этот атрибут может быть первичным ключом отношения Целостность реляционной модели данных определяется дву мя общими правилами.

1. Целостность по сущностям. Не допускается, чтобы какой либо атрибут, участвующий в первичном ключе базового отно шения, принимал неопределенные значения. Базовым отношени ем называют независимое именованное отношение (для БД по ставщиков и товаров — это отношения и. Мотивировка этого правила определяется тем, что базовые отношения соот ветствуют сущностям в реальном мире, а следовательно, отличи мы друг от друга, т.е. имеют уникальную идентификацию. В ре альной же модели функцию уникальной идентификации выпол няют первичные ключи, и, таким образом, ситуация, первичный ключ принимает неопределенное является противоречивой и говорит о том, что некоторая не об ладает индивидуальностью, а значит, не существует. Отсюда и название — целостность по сущностям.

2. Целостность по ссылкам. Если базовое отношение R" вклю чает некоторый внешний ключ FK, соответствующий некоторо му первичному ключу РК какого-либо базового отношения R', то каждое значение FK в R" должно быть либо равным значению РК в некотором кортеже R", либо полностью неопределенным.

Неопределенность внешнего ключа может возникнуть в ситуа ции, когда, например, имеется вакансия на должность в некото рый отдел. Для такой должности атрибут "Фамилия служащего", являющийся внешним ключом, имеет неопределенное значение в кортеже, представляющем эту штатную должность отдела.

МАНИПУЛИРОВАНИЕ РЕЛЯЦИОННЫМИ ДАННЫМИ Виды действий (манипуляций) над данными в реляционной модели представляют собой множество операций, получивших в совокупности название реляционной алгебры.

Каждая операция реляционной алгебры использует одно или два отношения в качестве операндов и создает в результате некоторое новое отношение. Э.Ф. Коддом были определены восемь таких опе раций, объединенных в две группы по четыре операции в каждой.

Первая группа — традиционные теоретико-множествен ные операции (рис. 5.7).

5.7. Диаграммы традиционных теоретико-множественных операций:

а — объединение;

б - пересечение;

в — разность;

г — декартово произведение В каждой из этих операций используются два операнда (от ношения). Для всех операций, кроме декартова произведения, эти два операнда должны быть совместимы по объединению, т.е. они должны быть одной степени и их i-e атрибуты (i = l,n) должны быть связаны с одним и тем же доменом.

Операция Объединением двух отношений А и В называется множество всех кортежей принадлежащих либо отношению А, либо В, либо им обоим. Символически эта опера ция показана на рис. 5.7, а. Математически операция объедине ния записывается так:

= {t:te А или В}, где — символ объединения;

— знак принадлежности определенному отношению (множеству).

"пересечение". Пересечением двух отношений А и В называется множество всех кортежей t, каждый из которых при надлежит как А, так и В (рис. 5.7, = А и В], где — символ пересечения.

Операция "разность". Разностью между двумя отношениями А В называется множество всех кортежей каждый из которых принадлежит А и не принадлежит В (рис. 5.7, A\B = где \ — символ разности;

— символ отсутствия принадлежности отношению (множеству).

Операция "декартово произведение". Декартовым произведе нием двух отношений А В называется множество всех кортежей t, таких, что t является конкатенацией (соединение в цепочки) некоторого кортежа а, принадлежащего А, и какого-либо корте жа принадлежащего В (рис. 5.7, г):

А В = Ъх, by, су, dx, dy}.

Вторая группа — специальные реляционные операции (рис. 5.8).

Операция "селекция". Пусть theta представляет собой любой до стижимый оператор сравнения скаляров, например =, >', >, и т.д. Theta-селекцией отношения А по атрибутам х и у называет ся множество всех кортежей t из А, таких, что истин предикат t.x theta t.y. Атрибуты должны быть определены на одном и том же домене, и для этого домена оператор theta должен иметь смысл. Вместо атрибута у может быть задана константа (напри мер, выбрать из платежной ведомости записи о сотрудниках, имеющих зарплату 500 руб.). Таким образом, оператор theta-ce лекции позволит получать "горизонтальные" подмножества за данного отношения, т.е. подмножества таких кортежей заданно го отношения, для которых выполняется поставленное условие (см. рис. 5.8, а).

Операция "проекция". Она позволяет получить "вертикальное" подмножество заданного отношения, т.е. такое подмножество, которое получается выбором специфицированных (определенных) атрибутов с последующим исключением, если это необходимо, избыточных дубликатов кортежей, состоящих из значений выб ранных атрибутов (см. рис. 5.8, 5.8. Диаграммы специальных реляционных операций:

а — селекция;

б — проекция;

в — соединение;

г — деление Операция "соединение" (рис. 5.8, в). Пусть theta имеет тот же смысл, что и в операции селекции. Тогда отно шения по атрибуту х с отношением В по атрибуту у называет ся множество всех кортежей таких, что является конкатенаци ей какого-либо кортежа а, принадлежащего А, какого-либо кор тежа в, принадлежащего В, и предикат а.х theta b.y. принимает значение "истина". При этом атрибуты А.х и В.у должны быть определены на одном и том же домене, а оператор theta должен иметь смысл для этого домена. Если оператор — theta-равенство, соединение называется (лат. aequus — рав ный). Из этого определения следует, что результат эквисоедине ния должен включать два идентичных атрибута. Если один из этих атрибутов исключается, что соединение можно осуществить с по мощью проекции, результат называется естественным соедине нием. Под неуточненным термином "соединение" понимают ес тественное соединение.

Операция "соединение" похожа на декартово произведение.

Отличие состоит в том, что декартово произведение предполага ет сцепление кортежа из отношения А с каждым корте жем из В, а в операции "соединение" кортеж из отношения А сцепляется только с теми кортежами из В, для которых выполне но условие а.х = Операция "деление". В простейшей форме операция деления делит отношение степени два (делимое) на отношение степени один (делитель) и создает (продуцирует) результирующее отношение степени один (частное). Пусть делимое А имеет атрибуты х и у, а делитель В — атрибут у (см. рис. 5.8, г). Атрибуты и В.у дол жны быть определены на одном домене. Результатом деления А на В является отношение С с единственным атрибутом х, таким, что каждое значение х этого атрибута С.х появляется как значе ние А.х, пара значений (х,у) входит в А для всех значений у, входящих в В. Другими словами, кортеж включается в результи рующее отношение С только в том случае, если его декартово произведение с отношением В содержит отношение А.

Из восьми рассмотренных нами реляционных операций пять являются базовыми. Это селекция, проекция, декартово произ ведение, объединение и разность. Остальные три операции мо гут быть определены через базовые. Например, естественное со единение может быть выражено как проекция селекции декарто ва произведения.

Назначение реляционной операции присваивания состоит в том, чтобы сохранить значение какого-либо алгебраического выражения.

Операции реляционной модели данных дают возможность произвольно манипулировать отношениями, позволяя обновлять БД, а также выбирать подмножества хранимых данных и пред ставлять их в нужном виде. Таким образом, особенностями, оп ределившими преимущества реляционной модели, являются:

• множество объектов реляционной модели БД однородно — структура БД определяется только в терминах отношений;

• основная единица обработки в операциях реляционной мо дели не запись (как в сетевых и иерархических моделях), а множе ство записей — отношение.

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ АППАРАТ ОПИСАНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В РЕЛЯЦИОННЫХ БД Функционирование материальных систем может быть описа но в форме сообщений. Сообщение о событиях, происходящих в материальной системе, представляет собой информационное ото бражение материальных процессов.

Сообщение может быть выражено на естественном языке, однако часто применяют форматированные сообщения, когда в них приводятся названия опорных свойств (параметров) проис ходящего события и их значения.

Форматированные сообщения — наиболее массовый вид со общений, хранимых и обрабатываемых в Набор сообщений, истинных для соответствующей матери альной системы, непротиворечивых по отношению друг к другу и к концептуальной схеме, является базой данных.

Сообщения в БД обычно представляются в форматирован ном виде и хранятся в виде единиц информации. Единицей инфор мации называется набор символов, которому придается опреде ленный Минимально необходимы две единицы информации — атри бут и составная единица информации (СЕИ).

Атрибутом называется информационное отображение отдель ного свойства некоторого объекта, процесса или явления. Лю бое сообщение, как правило, записывается в форматированном виде как указание свойств (параметров) предметов, о которых мы говорим. Поэтому информационное отображение любого явления представляет собой набор соответствующим образом подобранных атрибутов.

Составная единица информации — это набор, состоящий из атрибутов и, возможно, других СЕИ. Простейшими СЕИ явля ются таблицы. СЕИ позволяет создавать произвольные комби нации из атрибутов.

Разработка баз данных, как известно, начинается с построе ния ее концептуальной схемы (модели).

Концептуальная схема (от слова concept — понятие) представ ляет собой описание структуры всех единиц информации, храня щихся в БД. Под структурой понимается вхождение одних еди ниц информации в состав других единиц информации. Следует отметить, что БД в целом также является информации.

Если рассматривать единицы информации как информационные объекты, то можно говорить об их свойствах. В то же время еди ницы информации — это нефизические объекты, так как они не занимают место в пространстве.

Простейшими характеристиками СЕИ являются имя, струк тура и значение. Имя СЕИ — это ее условное обозначение в про цессах обработки информации. Структура СЕИ показывает вза имосвязь входящих в нее единиц информации.

Существует сравнительно много способов описания структу ры СЕИ. Для описания, не зависимого от конкретных языков программирования и СУБД, достаточно указывать после имени СЕИ список имен входящих в нее атрибутов и СЕИ. Этот список указывается в круглых скобках, а имена внутри скобок перечис лять через запятую. Имя СЕИ может сопровождаться размерно стью, т.е. указанием на количество одинаковых по. структуре зна чений этой СЕИ. Размерность, если она не равна 1, указывается в скобках после имени СЕИ.

Значением СЕИ называются набор значений непосредственно входящих в нее атрибутов и набор собраний непосредственно входящих в нее СЕИ. Одно значение СЕИ при хранении ее в па мяти ЭВМ часто называется записью. Все языки программирова ния содержат средства описания структуры СЕИ. Над СЕИ про изводятся нижеследующие операции.

Присвоение единице информации нового имени называется пе реименованием, объявление синонима — это установление вто рого, третьего и т.д. равноценного имени для единицы инфор мации.

Над значением атрибута производится всего одна операция — перекодирование, т.е. существующий код заменяется на новый для всех значений.

Выборка — операция выделения подмножества значений СЕИ, которые удовлетворяют заранее поставленным условиям выборки.

Корректировка означает выполнение одной из операций:

• добавление нового значения СЕИ;

• исключение существующего значения СЕИ;

• замена некоторого значения СЕИ на новое значение.

Декомпозиция — операция преобразования исходной СЕИ в несколько СЕИ с различными структурами. В результате деком позиции одновременно производится преобразование множества значений.

Композиция — операция преобразования нескольких СЕИ с различными структурами в одну СЕИ. Декомпозиция и компози ция являются взаимообратными операциями.

Нормализация — это операция перехода от СЕИ с произволь ной структурой к СЕИ с двухуровневой структурой. Одновре менно происходит перекомпоновка значений СЕИ.

Свертка — операция преобразования СЕИ с двухуровневой структурой в СЕИ с произвольной многоуровневой структурой.

При анализе экономических документов ставится задача раз деления документа на элементарные осмысленные фрагменты, называемые показателями. Это позволяет установить смысловые взаимосвязи между различными обеспечить одина ковое понимание всеми пользователями применяемых единиц информации и их единое обозначение, использовать полученные результаты для определения структуры базы данных.

Показатель представляет собой полное описание количествен ного параметра, некоторый объект или про цесс. Соответствующее описание произвольного свойства (нео бязательно количественного) называется атомарным фактом.

Чтобы точнее характеризовать атрибуты, образующие пока затель, необходимо отметить существенные различия свойств, которые отображаются атрибутами. Материальные процессы, как известно, имеют качественную и количественную характери стики. Соответственно и атрибуты должны разделяться на два класса, которые называются "атрибуты-признаки" и "атрибуты основания". Атрибут-признак представляет собой информаци онное отображение качественного свойства некоторого объек та, предмета, процесса, а атрибут-основание является отображе нием их количественного свойства. В состав показателя должны входить один атрибут-основание и несколько атрибутов-призна ков, однозначно характеризующих условия существования осно вания.

Как единица информации, показатель является разновиднос тью СЕИ. Схематично структура показателя П представляется выражением где атрибуты-признаки;

Q — атрибут-основание.

Если представить себе показатель с двумя, например, атрибу тами-основаниями, то его можно разделить на две части, в каж дой из которых будут один атрибут-основание и характеризую щие его признаки. Полученные части содержат меньше атрибу тов и поэтому соответствуют определению показателя.

Таким образом, в показателях отображаются количественные свойства объектов и процессов. Вместе с тем существуют доку менты, не содержащие атрибутов-оснований, например анкеты кадрового учета, сведения о структуре подразделений предприя тия и т. д. Следовательно, не вся экономическая информация мо жет быть представлена в форме показателей.

Минимальный набор атрибутов показателя должен содер жать:

• атрибуты, отображающие идентификаторы объектов;

• атрибуты, отображающие признак времени;

• атрибут, отображающий некоторое количественное свой ство объекта или взаимодействия.

При установлении признаков и оснований в конкретных до кументах необходимо учитывать следующие закономерности:

1) если значение атрибута является исходным данным или ре зультатом арифметической операции — это основание;

2) если значение текстовое — это признак;

3) если атрибут обозначает предмет это признак;

4) если атрибут в некотором показателе является признаком (основанием), он будет играть эту роль и в других показателях;

5) если показатели описывают сходные процессы, их признан ные части совпадают;

6) если основание показателя вычисляется по значениям дру гих оснований, то набор признаков такого показателя есть объе динение признаков, связанных с этими основаниями.

Критерием качества создания базы данных может служить минимальная избыточность хранимой информации. Обычно ми нимальная избыточность выражается принципом: каждое сооб щение хранится в БД один раз. Соблюдение этого принципа дает ряд преимуществ:

• сокращается объем памяти ЭВМ, требуемой для хранения базы данных;

• сокращается трудоемкость ввода данных в ЭВМ и упроща ется контроль за достоверностью вводимой информации;

• упрощаются алгоритмы корректировки данных, так как корректировка сообщения может быть проведена за одно обра щение к базе данных.

Использование аппарата экономических показателей позво ляет создать структуру БД с минимальной избыточностью, если сначала расчленить все сведения, циркулирующие в ЭИС, на по казатели, а потом объединить атрибуты родственных показате лей по принципу: в один файл включается группа экономических показателей с одинаковым составом атрибутов-признаков.

Одна из причин выделения показателей в особую разновид ность единиц информации заключается в том, что показатель является минимальной группой атрибутов, сохраняющей инфор мативность (осмысленность) и поэтому достаточной для образо вания самостоятельного документа.

показателей, описывающих экономические процессы (взаи модействие объектов), можно классифицировать их составные части:

• формальную характеристику, указывающую на алгоритм получения атрибута-основания в показателе;

• перечень объектов, участвующих в процессе;

• название процесса;

• единицу измерения атрибута-основания;

• определение момента времени или периода времени;

• название функции управления;

• название системы, в происходит описываемый процесс.

Указание всех названных частей необходимо для точного обо значения показателя. Атрибуты-признаки показателя должны отображать в обязательном порядке лишь перечень объектов, участвующих в процессе, и период (момент) времени. Очень час то в показатель включается признак, отмечающий единицу изме рения, а остальные характеристики показателя обычно указыва ются в его названии, а не в хранимых значениях.

Показатель удобно применять как обобщающую единицу из мерения объема данных.

Существует аналогия между экономическими показателями и переменными с индексами, которые рассматриваются, например, в линейной алгебре. Так, показатель П (Код материала, Цена) соответствует величине где С — цена материала с Кодом материала. Переменная С соответствует атрибуту-основанию Цена, индекс i — атрибуту-признаку Код материала. В общем случае переменная всегда отображает атрибут-основание, а ин дексы этой переменной — значения соответствующих атрибутов признаков показателя.

Естественное отличие состоит в том, что индекс переменной С обычно изменяется от 1 до некоторого фиксированного значе ния, а номенклатурные номера материалов (и вообще любые зна чения атрибутов-признаков) могут кодироваться не только по рядковыми кодами, но и другими способами.

Закономерности, установленные в математике для арифметичес ких операций над переменными с индексами, естественно, трансфор мируются в правила арифметических действий над показателями.

5.2.2. ОБЪЕКТНАЯ МОДЕЛЬ БАЗ В последние годы все большее признание и развитие получа ют объектные базы данных толчок к появлению которых дали объектно-ориентированное программирование и использо вание компьютера для обработки и представления практически всех форм информации, воспринимаемых человеком.

Объектно-ориентированное программирование (ООП) в от личие от структурного делает акцент не на программные струк туры (циклы, условия и т.д.), а на объекты. Объектом называют почти все, что представляет интерес для решения задачи на компьютере. Это могут быть экранное окно, кнопка в окне, поле для ввода данных, пользователь программы, сама про грамма и т.д. Тогда любые действия можно привязать к такому объекту, а также описать, что произойдет с объектом при вы полнении определенных действий (например, при "нажатии" кноп ки). Многократно используемый объект можно сохранить и при менять его в различных программах.

Таким образом, при объектно-ориентированном программи ровании создают необходимые объекты и описывают действия с ними и их реакцию на действия пользователя. Если создан и оп ределен достаточно большой набор объектов, то написание про граммы будет состоять в том, чтобы включить в нее и связать с ней те или иные объекты, обеспечивающие выполнение необхо димых пользователю функций.

Объект — достаточно крупный блок функционально взаимо связанных данных, при извлечении которого из ОБД включают ся процедуры преобразования и отображения данных по про граммам, входящим в состав объекта. Типы и структуры данных, из которых состоит объект, могут быть различными у разных объектов и создаваться самим программистом на основе стан дартных типов данных используемого языка программирования.

Создаваемые и описываемые программистом типы данных полу чили название абстрактных типов данных.

Таким образом, объектом называется программно-связанный набор методов (функций) и свойств, выполняющих одну функци ональную задачу. Например, кнопка управления на экране — это объект, с которым происходят события, который обладает свой ствами, описывающими его внешний вид и назначение, и набо ром методов для управления его поведением на экране.

Свойство — это характеристика, с помощью которой описы ваются внешний вид и работа объекта.

Событие — это действие, которое связано с объектом. Собы тие может быть вызвано пользователем (щелчок мышью), ини циировано прикладной программой или операционной системой.

Метод — это функция или процедура, управляющая работой объекта при его реакции на событие.

Объекты могут быть как визуальными, т.е. их можно увидеть на экране дисплея (окно, пиктограмма, текст и т.д.), так и невизу альными (например, программа решения какой-либо функцио нальной задачи).

Если набор объектов имеет описание (концептуальная модель), указаны свойства и логические связи между объектами (логичес кая модель) и известно их местонахождение в памяти ЭВМ (фи зическая модель), то это позволяет извлекать объекты и приме нять их в соответствии с назначением многими пользователями.

Следовательно, организуется объектная база данных.

Создание объектов — весьма трудоемкая программистская работа. Поэтому для облегчения труда прикладных программис тов системными программистами созданы программы и разви ваются системы программирования, поддерживающие ООП.

В этих системах упорядочены и унифицированы многие процеду ры создания объектов, разработаны шаблоны (классы) для опи сания методов и свойств объектов и т.д.

В настоящее время многие известные фирмы, занимающиеся разработкой программных продуктов, предлагают системы ООП.

Например, широко известны такие продукты фирмы Microsoft, как Visual Basic, Visual FoxPro, Access, SQL Server. Такие системы не только упрощают создание объектов, но и позволяют органи зовать ОБД, и предоставляют средства работы с ней. Помимо поддержки ООП и ОБД перечисленные системы дают возмож ность создавать реляционную БД и манипулировать ею, что, впрочем, является их основным Объектные модели данных еще не имеют строгой теоретичес кой основы (как, например, реляционные), что затрудняет их со здание и использование. Однако развитие средств мультимедиа, вычислительных сетей и передачи по ним аудио- и видеообъек тов заставляет интенсифицировать поиски в направлениях как создания теории, как и практической реализации надежных сис тем объектных баз данных.

5.3. ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ УРОВЕНЬ ПРОЦЕССА НАКОПЛЕНИЯ ДАННЫХ Логический (модельный) уровень процесса накопления дан ных связан с физическим через программы, осуществляющие со здание канонической структуры БД, схемы ее хранения и работу с данными 5.9).

Рис. 5.9. Состав моделей и программ процесса накопления Каноническая структура БД создается с помощью модели выбора хранимых данных. Формализованное описание БД про изводится с помощью трех моделей: модели хранения данных (структура БД), модели актуализации данных и модели извлече ния данных. На основе этих моделей разрабатываются соответ ствующие программы: создания канонической структуры БД (ПКС), создания структуры хранения БД (ПС), актуализации (ПА) и извлечения данных (ПИ) [10], [32].

Таким образом, переход к физической модели базы данных, реализуемой и используемой на компьютере, производится с по мощью системы программ, позволяющих создавать в памяти ЭВМ (на магнитных и оптических дисках) базу хранимых данных и работать с этими данными, т.е. извлекать, изменять, дополнять, уничтожать их — системы управления базами данных (СУБД). На рис. 5.9 программы, входящие в СУБД, заключены в пунктирный Современная СУБД содержит в своем составе программные средства создания баз данных, средства работы с данными и до полнительные, сервисные средства (рис. 5.10) [48]. С помощью средств создания БД проектировщик, используя язык описания 5.10. Состав системы управления базой данных данных (ЯОД), переводит логическую модель БД в физическую структуру, а применяя язык манипуляции данными (ЯМД), раз рабатывает программы, реализующие основные операции с дан ными (в реляционных БД — это реляционные операции). При проектировании привлекаются визуальные средства, т.е. объек ты, и программа-отладчик, с помощью которой соединяются и тестируются отдельные блоки разработанной программы управ ления конкретной БД.

Средства работы с данными предназначены для пользователя БД. Они позволяют установить удобный (как правило, графи ческий многооконный) интерфейс с пользователем, не обходимую функциональную конфигурацию экранного представ ления выводимой и вводимой информации (цвет, размер и коли чество окон, пиктограммы пользователя и т.д.), производить операции с данными БД, манипулируя текстовыми и графически ми экранными объектами.

Дополнительные (сервисные) средства позволяют при проек тировании и использовании БД привлечь к работе с БД другие системы. Например, воспользоваться текстом из системы редак тирования Word или таблицей из табличной системы Excel или обратиться к сетевому серверу.

СУБД принципиально различаются по моделям БД, с которы ми они работают. Если модель БД реляционная, то нужно исполь зовать реляционную если сетевая — сетевую СУБД и т.д.

В технологическом информационном процессе накопления данных наибольший вес имеют базы данных как независимые от прикладных программ хранилища данных. Однако это не един ственный способ накопления данных. Напомним, что любой вид представления информации, будь то числа, текст, программа, изображение, графический объект или звук, в ЭВМ превращает ся в двоичные коды — данные. Одной из форм хранения данных на дисках компьютеров является файловая форма. Она по-пре жнему широко распространена и поддерживается всеми совре менными операционными системами. Файл — это теоретически неограниченный, статистический набор данных, физически рас положенный на магнитном или оптическом диске, имеющий уни кальное имя и метки начала и конца. Файлы не связаны между собой функционально, но для облегчения их поиска и проведе ния необходимых операций, таких, как запись, копирование, пе реименование, удаление и т.п., они имеют иерархическую логи ческую организацию, создаваемую операционной системой ком пьютера. Современные операционные системы предоставляют пользователю разнообразный набор графических экранных средств манипуляции файлами.

Данные, полученные в процессе накопления данных, исполь зуются в информационной технологии для процессов обработки и обмена.

Вопросы для самопроверки Каково назначение процесса накопления?

2. Перечислите состав и определите назначение процедур процесса накопления.

3. Нарисуйте и объясните структурную схему жизненного цикла су ществования данных.

4. Что такое инфологическая модель предметной области?

5. Дайте формализованное описание модели выбора хранимых данных.

6. Нарисуйте информационный граф и объясните его назначение.

7. Чем отличаются матрицы достижимости и смежности?

8. В чем состоит отличие входных, промежуточных и выходных наборов данных? Какие из них подлежат хранению?

9. Что такое каноническая структура информационной базы?

Определите понятие база данных.

Расскажите об основных моделях баз данных.

В каком виде воспринимается пользователем реляционная база данных?

Приведите примеры структуры реляционной БД.

14. Что такое отношение, атрибут, кортеж:, степень отношения, кардинальное Определите понятие ключа. Каковы требования к ключам отно шений?

Каковы правила целостности реляционной БД?

Перечислите и объясните традиционные теоретико-множествен ные операции.

Перечислите и объясните специальные реляционные операции.

Объясните суть объектно-ориентированного программирования и объектной модели базы данных.

20. Нарисуйте схему состава и взаимосвязей моделей и программ процесса накопления данных.

Объясните назначение средств реализации системы управления базами данных.

22. Расскажите о файловой системе хранения данных.

Глава ПРОЦЕСС ОБМЕНА ДАННЫМИ Обмен данными происходит в любой вычислительной системе.

Например, в персональном компьютере системную (магист ральную) шину* производится обмен данными, их адресами и ко мандами между оперативной памятью и процессором. К этой же шине через контроллеры (согласующие устройства) подключены внешние устройства (дисплей, клавиатура, накопители на гибких и жестких магнитных и оптических дисках, манипуляторы и т.д.), которые обмениваются данными с оперативной памятью.

Обмен данными между устройствами ЭВМ обусловлен огра ничениями функций, выполняемых этими устройствами, и дол жен быть запрограммирован. Выполняемая программа хранится в оперативной памяти компьютера и через системную шину пе редает в процессор команды на выполнение определенных опе раций. Процессор на их основе формирует свои команды управ ления, которые по системной шине поступают на соответствую щие устройства. Для выполнения операций обработки данных процессор передает в оперативную память адреса необходимых данных и получает их. Результаты обработки направляются в оперативную память. Данные из оперативной памяти могут быть переданы на хранение во внешние запоминающие устройства, для отображения на дисплее или принтере, для передачи в вычисли тельную сеть. Напомним, что команды, соб ственные данные в компьютере имеют одну и ту же двоичную * Шина — это жгут число которых зависит от разрядности форму представления и обрабатываются, хранятся и передаются с помощью одних и тех же устройств.

Таким образом, в компьютере все три основных информаци онных процесса (обработка, накопление и обмен) тесно связаны на основе общности среды передачи (системная шина) и устройств обработки и накопления. Процессами обмена данными в компь ютере управляет операционная система совместно с прикладны ми программами (приложениями).

В компьютерах любого класса (ПК, серверы, мини-компью теры, мейнфреймы) информационные процессы предельно ло кализованы и их физическое протекание ограничено размером конструкции ЭВМ. Поэтому процесс обмена, являющийся в ЭВМ связующим между процессами обработки и накопления, реали зуется относительно просто через системную шину небольшой протяженности, соединяющую процессор и оперативную память непосредственно. Внешние устройства подключаются к ней че рез контроллеры, выполняющие функции согласования форма тов данных и электрических уровней сигналов. На физическом уровне предоставления информационных технологий компью тер может быть специализирован для выполнения отдельных технологических информационных процессов. Так, в настоящее время созданы специальные компьютеры, называемые хранили щами данных, главное назначение которых накапливать гро мадные объемы данных. Многопроцессорные архитектуры, ре ализующие параллельную и конвейерную обработку данных, предназначены для максимизации производительности процес са обработки. Технологическая же процесса обмена данными в современных информационных технологиях такова, что не может быть реализована на одном специализированном компьютере. Выделению процесса обмена как базового в ин формационной технологии способствует бурное развитие вы числительных сетей, как локальных, так и распределенных, вклю чая глобальную сеть Интернет.

Системы, состоящие из двух и более компьютеров, разнесен ных в пространстве и объединенных линиями связи, называют распределенными вычислительными системами или сетями ЭВМ.

Именно в таких системах процесс обмена данными реализуется в наиболее полном виде и составляет основу функционирования открытых систем. Под открытыми системами в современном мире понимается концепция объединения с помощью процессов обме на данными информационного ресурса мирового сообщества.

В более узком смысле — это информационно-вычислительные сети, к которым может подключиться через компьютер любой человек Земли, любая организация, корпорация, фирма и т.д. и воспользоваться информационными ресурсами этой системы или предложить ей свой информационный ресурс. Наиболее ярким представителем такой системы является мировая вычислительная сеть Интернет. Ее еще называют сеть сетей, так как она объеди няет многие открытые системы (сети) на всех континентах нашей планеты.

6.1. ПОНЯТИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ Распределенные вычислительные системы (вычислительные сети) создаются в целях объединения информационных ресурсов нескольких компьютеров (под словом "несколько" понимается от двух до нескольких миллионов компьютеров). Ресурсы компью тера — это прежде всего память, в которой хранится информа ция, и производительность процессора (процессоров), определя ющая скорость обработки данных. Поэтому в распределенных системах общая память и производительность системы как бы распределены между входящими в нее ЭВМ. Совместное исполь зование общих ресурсов сети породило такие понятия и методы, как распределенные базы и банки данных, распределенная обработ ка данных. В концептуальном плане вычислительные сети, как и отдельные компьютеры, являются средством реализации инфор мационных технологий и их процессов.

Вычислительные сети принято подразделять на два класса:

локальные вычислительные сети (ЛВС) и глобальные вычисли тельные сети (ГВС).

Под локальной вычислительной сетью понимают распределен ную вычислительную систему, в которой передача данных между компьютерами не требует специальных устройств, так как при этом достаточно соединения компьютеров с помощью электри ческих кабелей и разъемов. Электрический сигнал, как известно, ослабевает (его мощность уменьшается) при передаче по кабелю, и тем сильнее, чем протяженнее кабель, поэтому длина проводов, соединяющих компьютеры, ограничена. В связи с этим ЛВС объе диняют компьютеры, локализованные на весьма ограниченном пространстве. Длина кабеля, по которому передаются данные между компьютерами, не должна превышать в лучшем случае 1 км. Указанные ограничения обусловили расположение компь ютеров ЛВС в одном здании или в рядом стоящих зданиях. Обыч но службы управления предприятий так и расположены, что и определило широкое использование в них для реализации про цессов обмена локальных вычислительных сетей.

Глобальные сети объединяют ресурсы компьютеров, распо ложенных на значительном удалении, таком, что простым кабель ным соединением не обойтись и приходится добавлять в меж компьютерные соединения специальные устройства, позволяю щие передавать данные без их искажения и по назначению. Эти устройства коммутируют (соединяют, переключают) между со бой компьютеры сети и в зависимости от ее конфигурации могут быть как пассивными коммутаторами, соединяющими кабели, так и достаточно мощными ЭВМ, выполняющими логические функ ции выбора наименьших маршрутов передачи данных. В глобаль ных вычислительных сетях, помимо кабельных линий, применя ют и другие среды передачи данных. Большие расстояния, через которые передаются данные в глобальных сетях, требуют особо го внимания к процедуре передачи цифровой информации с тем, чтобы посланные в сети данные дошли до компьютера-получате ля в полном и неискаженном виде. В глобальных сетях компьюте ры отдалены друг от друга на расстояние не менее 1 км. В этих сетях объединяются ресурсные возможности компьютеров в рам ках района (округа) города или сельской местности, региона, стра ны и Отдельные локальные и глобальные вычислительные сети мо гут объединяться, и тогда возникает сложная сеть, которую на зывают распределенной сетью.

Таким образом, в общем виде вычислительные сети представ ляют собой систему компьютеров, объединенных линиями связи и специальными устройствами, позволяющими передавать без искажения и переключать между компьютерами потоки данных.

Линии связи вместе с устройствами передачи и приема данных называют каналами связи, а устройства, производящие переклю чение потоков данных в сети, можно определить одним общим названием — узлы коммутации.

6.2. БАЗОВЫЕ ТОПОЛОГИИ ЛОКАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ Термин топология сетей характеризует физическое располо жение компьютеров, узлов коммутации и каналов связи в сети.

Проблема синтеза структуры (топологии) сети является од ной из важнейших, но до конца не решенной, в связи с чем при решении задач определения числа и взаимосвязи компонентов сети используются приближенные, эмпирические методы.

Все сети строятся на основе трех базовых топологий [40]: "звез да" (star), "кольцо" (ring), "шина" (bus).

Звезда. Топология звезда характерна тем, что в ней все узлы соединены с одним центральным узлом (рис. 6.1).

Центральный узел коммутации Рис. 6.1. Звездообразная топология сети Достоинства подобной структуры заключаются в эконо мичности и удобстве с точки зрения организации управления вза имодействием компьютеров (абонентов). Звездообразную сеть легко расширить, поскольку для добавления нового компьютера нужен только один новый канал связи. Существенным недостат звездообразной топологии является низкая надежность: при отказе центрального узла выходит из строя вся сеть.

Кольцо. В топологии кольцо компьютеры подключаются к по вторителям (репитерам) сигналов, связанных в однонаправлен ное кольцо (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Кольцевая топология сети По методу доступа к каналу связи (среде передачи данных) различают два основных типа кольцевых сетей: маркерное и так тированное кольца.

В маркерных кольцевых сетях по кольцу передается специаль ный управляющий маркер (метка), разрешающий передачу сооб щений из компьютера, который им "владеет".

Если компьютер получил маркер и у него есть сообщение для передачи, то он "захватывает" маркер и передает сообщение в кольцо. Данные проходят через все повторители, пока не ока жутся на том повторителе, к которому подключен компьютер с адресом, указанным в данных. Получив подтверждение, переда ющий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть.

При отсутствии у компьютера сообщения для передачи он про пускает движущийся по кольцу маркер.

В тактированном кольце по сети непрерывно вращается замк нутая последовательность тактов — специально закодированных интервалов фиксированной длины. В каждом такте имеется бит — указатель занятости. Свободные такты могут заполняться пере даваемыми сообщениями по мере необходимости либо за каж дым узлом могут закрепляться определенные такты.

Достоинствами кольцевых сетей являются равенство ком пьютеров по доступу к сети и высокая расширяемость. К м можно отнести выход из строя всей сети при выходе из строя одного повторителя и остановку работы сети при изме нении ее конфигурации.

7- Шина. В топологии шина, широко применяемой в локальных сетях, все компьютеры подключены к единому связи с по мощью трансиверов (приемопередатчиков) (рис. 6.3).

6.3. Шинная топология сети Канал оканчивается с двух сторон пассивными терминатора ми, поглощающими передаваемые сигналы. Данные от передаю щего компьютера передаются всем компьютерам сети, однако воспринимаются только тем компьютером, адрес которого ука зан в передаваемом сообщении. Причем в каждый момент только один компьютер может вести передачу. "Шина" — пассивная топология. Это означает, что компьютеры только "слушают" передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправи теля к получателю. Поэтому если один компьютер выйдет из строя, это не скажется на работе что является достоин шинной топологии. В активных топологиях компьюте ры регенерируют сигналы и передают их по сети (как повторите ли компьютеров в кольцевой топологии). Другими достоинства ми этой технологии являются высокая расширяемость и экономичность в организации каналов связи. К недостаткам шин ной организации сети относится уменьшение пропускной спо собности сети при значительных объемах трафика (трафик — объем данных).

Узел коммутации Рис. 6.4. Топология звезда — шина В настоящее время часто используются топологии, комбини рующие базовые: "звезда — шина", "звезда — кольцо".

Топология звезда — шина чаще всего выглядит как объедине ние с помощью магистральной шины нескольких звездообразных сетей (рис. 6.4).

При топологии звезда — кольцо несколько звездообразных сетей соединяется своими центральными узлами коммутации в кольцо (рис. 6.5).

Репитер Рис. 6.5. Топология звезда — кольцо 6.3. ТОПОЛОГИЯ ГЛОБАЛЬНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ Расширение локальных сетей как базовых, так и комбиниро ванных топологий из-за удлинения линий связи приводит к не обходимости их расчленения и создания распределенных сетей, в которых компонентами служат не отдельные компьютеры, а от дельные локальные сети, иногда называемые сегментами Уз лами коммутации таких сетей являются активные концентрато ры (К) и мосты — устройства, коммутирующие линии свя зи (в том числе разного типа) и одновременно усиливающие проходящие через них сигналы. Мосты, кроме того, еще и управ ляют потоками данных между сегментами сети.

При соединении компьютеров или сетей (локальных или рас пределенных), удаленных на большие расстояния, используются каналы связи и устройства коммутации, называемые маршрути заторами (М) и шлюзами (Ш). Маршрутизаторы взаимодейству ют друг с другом и соединяются между собой каналами связи, образуя распределенный магистральный канал связи. Для согла сования параметров данных (форматов, уровней сигналов, про токолов и т.п.), передаваемых по магистральному каналу связи, между и терминальными абонентами вклю чаются устройства сопряжения (УС). Терминальными абонента ми называют отдельные компьютеры, локальные или распреде ленные сети, подключенные через маршрутизаторы к магистраль ному каналу. При подключении к магистральному каналу вычислительных сетей (например, мейнфреймов), которые невоз можно согласовать с помощью стандартных устройств сопряже ния, используются стандартные средства, называемые шлюзами.

Таким образом возникает глобальная вычислительная сеть, ти повая топология которой приведена на рис. 6.6.

К другой Рис. Типовая топология глобальной информационно-вычислительной сети Глобальные сети могут, в свою очередь, объединяться между собой через маршрутизаторы магистральных каналов, что в ко нечном итоге приводит к созданию мировой (действительно гло бальной) информационно-вычислительной сети.

6.4. БАЗОВАЯ ЭТАЛОННАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ Координация разработок сетей осуществляется на основе ба зовой эталонной модели (Open System Interconnection), яв ляющейся стандартом 7498 Международной организации стан дартов (ISO — International Organization for Standardization).

Базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем — ВОС 6.7) является гибкой в том смысле, что допускает эво люцию сетей в зависимости от развития теории и новых техни ческих достижений, а также обеспечивает постепенность перехо да от существующих реализаций к новым стандартам.

Основным понятием модели является система — автономная совокупность вычислительных средств, осуществляющих обра 6.7. Базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем ботку данных прикладных процессов пользователей. Прикладной процесс — важнейший компонент системы, обеспечивающий об работку информации. Роль прикладного процесса в системе вы полняет человек-оператор, программа или группа программ.

Основная задача сети состоит в обеспечении взаимодействия при кладных процессов, расположенных в различных системах. При этом система считается открытой, если она выполняет стандарт ное множество функций взаимодействия, принятое в сети.

Область взаимодействия открытых систем определяется пос ледовательно-параллельными группами функций, или модулями взаимодействия, реализуемыми программными или аппаратны ми средствами. Модули, образующие область взаимодействия прикладных процессов и физических средств соединения, делятся на семь иерархических уровней. Каждый из них выполняет опре деленную функциональную задачу (табл. 6.1).

Три верхних уровня (прикладной, представительный и сеан совый) вместе с прикладными процессами образуют область об работки данных, реализующих информационные процессы, вы полняемые в системах. Процессы этой области используют сер вис по транспортировке данных четвертого уровня, который осуществляет процедуры передачи информации от системы-от правителя к системе-адресату.

Три нижних уровня (сетевой, канальный и физический) обра зуют область передачи данных между множеством взаимодейству ющих систем, реализуют коммуникационные процессы по транс портировке данных.

Протоколы операционной системы сети реализуют интерфейс между операционными системами разнотипных ЭВМ. Осново полагающим в этом случае является принцип виртуальности, оп ределяющий общность процессов через виртуальный терминал, виртуальный файл, виртуальное задание и т.д. Существенным для прикладных процессов здесь является включение в систему обмена каналов связи, увеличивающих время реакции, а также реализация взаимодействия процессов удаленных ЭВМ с управ ляющими системами сети. Совокупность программно- и аппа ратно-реализованных протоколов информационного обмена и процедур, осуществляющих интерфейс управляющих сигналов и данных, должна образовывать в логическом смысле единую опе рационную систему сети вне зависимости от способа и места ее реализации.

6. Функции, выполняемые протоколами уровней в различных системах, принято объединять в группы, именуемые службами.

Транспортная служба обеспечивает выполнение задач, связанных с передачей информации через (сквозь) коммуникационную под сеть. Она охватывает транспортный, сетевой, канальный и физи ческий уровни. Над ней находится абонентская служба. Эта служ ба располагается на прикладном, представительном и сеансовом уровнях и предназначена для обеспечения соединения приклад ных процессов с транспортной службой.

Соответственно семи уровням области взаимодействия откры тых систем вводится иерархия семи групп протоколов. Протоко лы именуются так же, как и уровни (см. рис. 6.7). В соответствии с точками приложения иерархия протоколов делится на три спе цифические группы.

Первую группу определяет нижняя пара протоколов — физический (стандартный физический интерфейс Х.21) и каналь ный (стандарт — High level Data Link Control — высший уровень управления каналом данных).

Вторая группа протоколов определяется парой сетевого и транспортного уровней, которые реализуют сквозное взаимо действие абонентских сетей. Здесь сетевые уровни и сетевой про цесс коммуникационных систем инициируют компоненты, свя зывающие последовательность канальных соединений в единую сквозную систему коммуникационной подсети. При этом для со единения оконечного оборудования с сетью передачи данных очень часто используют протоколы Х.25 (стандарт МККТТ — Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии, CCITT — Consultative Committee for International Telegraphy and Telephony). Рекомендация Х.25 включает в себя протоколы трех нижних уровней эталонной модели: на физичес ком стандартный физический интерфейс Х.21, на ка нальном уровне — процедуру управления каналом LAPB — Link Access Procedure Balanced (которая является подмножеством HDLC) и на сетевом уровне — протокол X. 25/3 обмена пакета ми между оконечным оборудованием и сетью передачи данных.

Последовательность канальных соединений предоставляется трем верхним уровням — прикладному, представительному и се ансовому, протоколы которых образуют третью группу (связанную с прикладными процессами).

Интеграция однородных глобальных сетей, использующих протокол Х.25, осуществляется на базе известного протокола Х.75, обеспечивающего логические соединения абонентов через различные сети. В неоднородных сетях используется межсетевой протокол IP (Internetwork Protocol) в его стандартизированной версии. Общий принцип функционирования транслятора IP со стоит в том, что шлюзы, узлы и станции локальных сетей исполь зуют датаграммный протокол, расположенный на транспортном уровне сети. Пакеты, транспортируемые из одной сети в другую, ориентируются в шлюзе и упаковываются в в за головке которых содержится глобальный адрес места назначения.

6.5. СЕТЕВЫЕ ПРОТОКОЛЫ И УРОВНИ Увеличение разнообразия архитектур связи побудило Между народную организацию по стандартизации (ISO) направить зна чительные усилия на разработку стандарта архитектуры связи, ко торый позволил бы системам открыто связываться между собой [36]. В 1979 г. эти усилия увенчались успехом и была предложена, как указывалось выше, эталонная модель взаимодействия откры тых систем (рис. 6.8). Она состоит из семи уровней. Три нижних уровня (сетевой, канальный и физический — на рисунке он не по казан) предоставляют сетевые услуги. Протоколы, реализующие эти уровни, должны быть предусмотрены в каждом узле сети. Че тыре верхних уровня предоставляют услуги самим оконечным пользователям, и таким образом они связаны с ними, а не с сетью.

Канальный уровень передачи данных и находящийся под ним физический уровень обеспечивают безошибочную передачу дан ных между двумя узлами в сети. Функция физического уровня зак лючается в гарантии того, что символы, поступающие в физичес кую среду передачи на одном конце канала, достигнут другого конца. При использовании этой услуги по транспортировке сим волов задача протокола канала состоит в обеспечении надежной передачи блоков данных по каналу.

Функция уровня сети состоит в том, чтобы обеспечить пере дачу данных по сети от узла передачи до узла назначения. Этот уровень предусматривает также управление потоком или пере грузками в целях предотвращения переполнения сетевых уст ройств, которое может привести к прекращению работы сети.

Транспортный уровень обеспечивает надежный, последова тельный обмен данными между двумя оконечными пользователя ми (для этой цели на транспортном уровне используется услуга уровня сети), а также управляет потоком, чтобы гарантировать правильный прием блоков данных.

Существование сеанса между двумя пользователями означает необходимость установления и прекращения сеанса. Это делается на уровне сеанса. Этот уровень при необходимости управляет пе реговорами, чтобы гарантировать правильный обмен данными.

Уровень представления управляет и преобразует синтаксис блоков данных, которыми обмениваются оконечные пользовате ли, а протоколы прикладного уровня придают соответствующий смысл обмениваемой информации.

В сети с коммутацией пакетов блоками данных, передаваемых по сетевому маршруту от одного конца к другому, являются па кеты. Блоки, или кадры, данных, передаваемые по каналу связи через сеть, состоят из пакетов плюс управляющая информация в виде заголовков и окончаний, добавляемых к пакету непосред ственно перед его отправлением из узла. В каждом принимаю щем узле управляющая информация отделяется от остальной ча сти пакета, а затем вновь добавляется, когда этот узел, в свою очередь, передает пакет по каналу в следующий соседний узел.

Этот принцип добавления управляющей информации к данным в архитектуре ВОС расширен и включает возможность добавле ния управляющей информации на каждом уровне архитектуры.

Как это происходит, показано на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Соответствие уровней архитектуры и блоков данных в структуре сети ВОС.

На каждом уровне блок данных принимается от вышестояще го уровня, к данным добавляется управляющая информация, и блок передается нижестоящему уровню. Данный уровень не про сматривает блок данных, который он получает от вышестоящего уровня. Следовательно, уровни самостоятельны и изолированы друг от друга.

На рис. 6.9 показан пример конкретной многоуровневой ар хитектуры связи. Между источником и получателем информации включен промежуточный узел. Пакет, поступающий по физичес кой среде, связывающей исходящий узел с промежуточным, на правляется на сетевой уровень этого узла, на котором определя ется следующая часть пути в составе маршрута через сеть.

Рис. 6.9. Семиуровневая архитектура ВОС 6.6. ФИЗИЧЕСКИЙ И КАНАЛЬНЫЙ УРОВНИ Современные системы связи способны передавать сообщения в любой форме: телеграфные, телефонные, телевизионные, мас сивы данных, печатные материалы, фотографии и др. [29]. Отно сительно эталонной модели взаимодействия открытых систем процедуры передачи данных действуют на физическом и каналь ном уровнях.

В соответствии со спецификой передаваемых сообщений орга низуется канал, представляющий собой комплекс технических средств, обеспечивающих передачу сигналов от источника к потре бителю. К основным параметрам, характеризующим канал связи, относятся ширина полосы пропускания, допустимый динамический диапазон изменений амплитуды сигнала, а также уровень помех.

Передача больших информационных потоков на значительные расстояния осуществляется с помощью кабельных, радиорелейных и спутниковых линий связи. В ближайшие годы можно ожидать широ кого применения оптической связи по оптоволоконным кабелям.

Рассмотрим основные принципы передачи информации с по мощью электрических сигналов. Эти принципы, многие из кото рых носят фундаментальный характер, прочно вошли в практику не только систем электросвязи, но и вычислительной техники и, конечно, информационных технологий.

6.6.1. И Сообщение для передачи данных с помощью средств электро связи (так у нас принято называть то, что на Западе называют telecommunication) должно быть предварительно преобразова но в сигнал, под которым понимается изменяющаяся физическая величина, адекватная сообщению. Процесс преобразования со общения в сигнал называется кодированием [29].

По физическим законам излучение электромагнитных волн эф фективно, если размеры излучателя соизмеримы с длиной излучае мой волны, поэтому передача сигналов по радиоканалам, кабелям, микроволновым линиям производится на высоких частотах (т. е.

на весьма коротких волнах). Сигнал передается на несущей часто те. Процесс изменения параметров несущей в соответствии с сиг налом, передаваемым на этой несущей, называют модуляцией. Мо дуляция — основной процесс (функция) передатчика.

Гармоническая (синусоидальная) несущая и имеет три инфор мационных параметра, которые можно модулировать, — ампли туду, частоту и фазу:

где U — амплитуда гармонического колебания:

— частота несущей;

— начальная фаза.

Соответственно этому при передаче сигналов используют амплитудную, частотную или фазовую модуляцию, которая в слу чае применения дискретных сигналов называется манипуляцией.

Наиболее помехоустойчивой, т.е. невосприимчивой к поме хам, оказывается фазовая модуляция или манипуляция (ФМн).

Это объясняется амплитудным характером воздействующих по мех, и такой параметр, как фаза несущей, менее других парамет ров подвергается губительному воздействию помех. Фазомани пулированный сигнал представляет собой отрезок гармоничес кого колебания с изменяющейся на фазой. В векторной форме это можно изобразить так, как показано на рис. 6.10, а.

Рис. 6.10. Фазовые диаграммы 2-кратной (а), 4-кратной и 8-кратной (в) фазовой манипуляции При векторном изображении сигналов помехи также можно рассматривать как случайные векторы со случайными амплиту дой и фазой. Такое геометрическое представление сигналов и по мех позволяет легко понять, почему ФМн-сигнал с двумя значе ниями фазы оказывается наиболее помехоустойчивым. Дело в том, что приемник при приеме сигналов решает задачу, в какой из областей решения находится сигнал (верхней или нижней, см. рис.

6.10, В том случае, когда область принятия решения состоит только из двух частей, вероятность ошибки наименьшая. Однако если 2ФМн-сигнал переносит один сигнал, то 4ФМн переносит сразу два сигнала (см. рис. 6.10, 8ФМн — четыре сигнала (см.

рис. 6.10, в).

Прохождение сигналов по каналу связи (рис. всегда со провождается искажениями и воздействием помех. Поэтому ос новной функцией приемника является распознание в принимае Рис. 6.11. Схема передачи информации по каналу связи мых колебаниях переданного сигнала. Эту операцию приемник производит в процессе демодуляции, т. е. в процессе выделения передаваемого сигнала, после чего он преобразовывается в сооб щение.

Каналом связи (каналом передачи информации) называют со вокупность технических средств, обеспечивающих передачу сиг налов от одного пункта к другому. Непременной составной час тью любого канала является линия связи — проводная, кабель ная, радио, микроволновая, оптическая, спутниковая.

В современных цифровых системах связи основные функции передатчика и приемника выполняет устройство, называемое модемом. Он представляет собой совокупность передатчика и приемника в одном корпусе для осуществления проводной дуп лексной связи. Если терминал находится на значительном рас стоянии от компьютера, например в соседнем здании или дру гом городе, или связь пользователя с компьютером происходит через обычную телефонную сеть, необходимы приемопередат чики на оконечных пунктах линии, и их функции выполняет модем.

Выпускаемые в настоящее время модемы различны по конст рукции, но, как правило, состоят из интерфейсной части для со единения с компьютером, кодера и декодера, модулятора и демо дулятора. Часто в состав модема входят шифрующее и дешифру ющее устройства, обеспечивающие секретность передаваемой информации. Имеются также способы, обеспечивающие скрыт ность передачи. Модем в зависимости от типа производит амп литудную, частотную или фазовую модуляцию. В целях уплотне ния полосы канала чаще всего используют многократную фазо вую манипуляцию (см. рис. 6.10). Типовые скорости передачи у модемов: 2 400, 4 800, 9 600, 14 400, 19 200, 28 800, 33 600 и 57 600 бит/с.

6.6.2. ЕМКОСТЬ КАНАЛА СВЯЗИ Скорость передачи информации, а ее предельно допустимое зна чение для данного канала называют емкостью канала, относится к фундаментальным понятиям теории связи, она служит одной из глав ных характеристик канала передачи информации. Оценка скорости передачи информации и предельных возможностей канала связи представляет большой практический и теоретический интерес.

Рассматривая процесс передачи информации в общих чертах, можно предположить, что основными факторами, ограничиваю щими скорость передачи информации, являются полоса пропус кания F и уровень помех.

Существует фундаментальная теорема о выборках, которая доказывает, что сигнал, не содержащий в своем спектре частот выше значения F, может представляться 2F независимыми значе ниями в секунду, а совокупность значений, отстоящих друг от друга на Т секунд, определяет непрерывный сигнал полностью.

Заметим, что выборкой является отсчет амплитуды сигнала в оп ределенный момент (на рис. 6.12, а можно увидеть эти выборки, проводимые через интервал Рис. 6.12. Представление непрерывного сигнала в виде дискретных отсчетов (выборок), взятых через интервал 1/2F (а) и квантованных по амплитуде (б) Термин выборки происходит от английского слова sample (в переводе — образец, модель, проба), теорему о выборках назы вают также теоремой отсчетов.

Эта теорема позволяет на интервале Т заменить непрерывный сигнал с ограниченным спектром последовательностью его диск ретных значений, причем их нужно не бесконечное число, а вполне определенное, равное Уровень шумов (помех) не позволяет точно определить амплитуду сигнала и в этом смысле вносит неко торую неопределенность в значение отсчетов сигнала.

Максимально возможная скорость передачи информации по каналу связи при фиксированных ограничениях называется емкос тью канала, обозначается буквой С и имеет размерность бит/с.

Рассмотрим соотношение для емкости канала связи, являю щееся фундаментальным соотношением в теории связи. Оно по зволяет понять некоторые принципиальные зависимости при пе редаче информации вообще.

Напомним, что количество информации снимающее нео пределенность о состоянии объекта с L равновероятными состо яниями, рассчитывается по формуле J = Основание логарифма здесь не имеет значения. Если основа ние равно 2, то единицей измерения количества информации ока зывается бит.

Определим количество различных сообщений, которое мож но составить из п элементов, принимающих любые из т различ ных фиксированных состояний. Из ансамбля п элементов, каж дый из которых может находиться в одном из т фиксированных состояний, можно составить т" различных комбинаций, т. е.

L = Тогда:

При полосе F наибольшее число отсчетов сигнала равно 2F в единицу времени или за время Т, т. е. п = Если бы шума не существовало, то число дискретных уровней сигнала было бы бесконечным. В случае наличия шума последний определяет степень различимости отдельных уровней амплитуды сигнала. Так как мощность является усредненной характеристи кой амплитуды, число различимых уровней сигнала по мощ ности равно + / а по амплитуде соответственно - > — мощность сигнала;

— мощность шума. Тогда емкость канала рассчитывается по формуле Итак, емкость канала ограничивается двумя величинами: ши риной полосы канала и шумом. Приведенное соотношение изве стно как формула Хартли — Шеннона и считается основной в теории информации.

Полоса частот и мощность сигнала входят в формулу таким образом, что С — const при сужении полосы необходимо уве личивать мощность сигнала, и наоборот.

Емкость канала является максимальной величиной скорости. Чтобы достигнуть такой скорости передачи, информация должна быть закоди рована наиболее эффективным образом. Утверждение, что такое коди рование возможно, является важнейшим результатом созданной К.Э. Шенноном теории информации. Шеннон доказал принципиаль ную возможность существования такого эффективного кодирования, не определив, однако, конкретных путей его реализации. (Отметим, что на практике инженеры часто говорят о емкости канала, подразумевая под этим реальную, а не потенциальную скорость передачи.) Эффективность систем связи характеризуется параметром, равным скорости передачи информации R на единицу ширины полосы F, т. е. R/F. Для иллюстрации существующих возможнос тей по созданию эффективных систем связи на рис. приведе Рис. 6.13. Кривые зависимости эффективности цифровых систем связи при различных модуляциях:

1 — граница Шеннона;

2 — М-ичная фазовая модуляция;

3 — М-ичная амплитудная модуляция;

4 — М-ичная частотная модуляция ны графики зависимости эффективности передачи информации при различных видах М-ичной дискретной амплитудной модуля ции (AM), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) (кроме бинарной модуляции используется также модуляция с 4, 8, 16 и даже с положениями модулируемого параметра) от отношения энергии одного бита к спектральной плотности мощности шума / No).

Для сравнения показана также граница Шеннона.

Сравнение кривых показывает, в частности, что при неизмен ном отношении "сигнал — шум" наиболее популярный вид мо дуляции 4ФМ в три раза хуже потенциально достижимого. Из сравнения кривых можно сделать более общие выводы: наиболее эффективной оказывается передача с фазовой дискретной моду ляцией;

современные методы кодирования и модуляции еще весь ма далеки от совершенства.

6.6.3. КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ Кодированием называется сопоставление алфавитов, а пра вило, по которому оно проводится, — кодом. Иными словами, кодирование можно определить как представление сообщений в форме, удобной для передачи по данному каналу. Электричес кий ток в телефонных проводах — это кодированная речь, а звуковые волны речи — это кодированные колебания голосо вых В рассматриваемом нами конкретном случае кодирование есть представление по определенным правилам дискретных со общений в некоторые комбинации, составленные из определен ного числа элементов — символов. Эти элементы называются элементами кода, а число различных элементов, из которых слагаются комбинации, — основанием кода. Элементы кода образуют кодовые комбинации. Например, если мы составляем комбинации из различных сочетаний 0 и 1, то это код с осно ванием два, или двоичный код. Если все комбинации имеют одинаковое число знаков, код называется равномерным. Широ ко известный код Морзе — неравномерный код. Правило коди рования обычно выражается кодовой таблицей, в которой каж дому символу сообщения ставится в соответствие определенная кодовая комбинация.

Кодовое представление дискретных значений сигнала осуще ствляется с помощью цифр, но необязательно десятичных. На помним, что в десятичной системе, называя число, мы указываем, сколько единиц от нуля до девяти имеется в разряде единиц, в разряде десятков, сотен, тысяч и т. д. То же происходит в любой другой системе счисления с другим основанием. В десятичной си стеме мы пользуемся десятью цифрами: 0,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9.

В двоичной системе счисления в нашем распоряжении только две цифры: 0 и 1.

Если пронумеровать все буквы алфавита и необходимые спе циальные символы и выразить каждую цифру в двоичной систе ме счисления, получится натуральный двоичный код данного ал фавита. Очевидно, что число разрядов в двоичной системе боль ше, чем в десятичной, так как основание системы счисления меньше.

Число кодовых комбинаций определяется числом дискретных значений сигнала. Например, если в языке 32 буквы (или букв и знаков), то для передачи сообщений на этом языке необходимо иметь 32 различные кодовые комбинации. В десятичной системе это означало бы передачу 32 цифр от 0 до 31. В двоичной системе необходимо составить отличающиеся друг от друга 32 кодовые комбинации, и так как 32 = 25, эти комбинации должны быть из 5 элементов, например 01010, 11111, 11001 и т. д. Число возмож ных кодовых комбинаций для представления 32 букв колоссаль но: 32! Один из этих вариантов есть натуральный пятизначный двоичный код, используемый для передачи букв латинского и русского алфавитов. При цифровом кодировании речевых сигна лов исходят из практического наблюдения: искажения сигнала невелики, если его изменения представлять 128 амплитудными значениями, т. е. для его передачи необходимо 128 кодовых ком бинаций. Для двоичного кода из соотношения = 128 определя ем, что длина кодовой комбинации п - 1. Таким образом, для передачи речевых сигналов нужен код с 7-элементными кодовы ми комбинациями. Обычно речевой сигнал по спектру ограничен частотой 4000 В этом случае речь в цифровой форме необхо димо передавать со скоростью (вспомним теорему о выборках) 4000 • 2 • 7 = 56 Кбит/с. Заметим, что обычно в комбинацию до бавляют один служебный символ, и тогда комбинация становит ся 8-элементной, а необходимая скорость передачи увеличивает ся до 64 Кбит/с.

Остановимся также на принципах помехоустойчивого коди рования, играющего чрезвычайно важную роль в развитии средств передачи информации. Отметим, что теория помехоустойчивого кодирования является достаточно сложной, и наши рассуждения носят весьма упрощенный характер.

Основным условием обнаружения и исправления ошибок в принимаемых кодовых комбинациях является избыточность.

Поясним это на примере.

Условимся, что необходимо передавать только четыре сооб щения: А, Б, В и Г. Для передачи этих сообщений можно соста вить четыре 2-элементные комбинации:

Пусть помехи воздействуют на комбинацию таким образом, что изменяют только один из ее элементов. Если помехе подверг лась комбинация 00 и она вследствие этого превратилась в ком бинацию 01, то мы не обнаружим ошибку, а будем просто счи тать, что вместо А передатчик послал Б;

и так будет со всеми четырьмя комбинациями.

Теперь введем избыточность. Используем для передачи А, Б, В и Г 3-элементные кодовые комбинации, которых, кстати, мо жет быть всего восемь. Выберем из восьми возможных комбина ций 000, 001, 010, 100, ПО, 011, 101, (других комбинаций быть не может) только четыре, но так, чтобы они максимально отли чались друг от друга: 000, 011, 101, ПО.

Пусть теперь в результате действия помехи изменится один из элементов в любой из выбранных комбинаций. Она не будет идентичной ни одной из наших комбинаций, и мы сразу укажем, что принята ошибочная. Таким образом, для передачи сообще ний А, Б, В, Г код 00, 01, 10, 11 годится, но он не помехоустой чив, код же 000, 011, 101, ПО является помехоустойчивым. При этом следует оговориться, что он помехоустойчив только к та ким помехам, которые могут привести лишь к однократной ошиб ке в комбинации. При двукратной ошибке код не помехоустой чив. Для защиты от таких помех сообщений А, Б, В и Г пришлось бы допустить еще большую избыточность, используя 4-элемент ные кодовые комбинации, т. е. выбрав четыре комбинации из Таким образом, обнаружить ошибку невозможно, если лю бой принятый символ служит сообщением. Ошибки можно об наружить только в том случае, если на возможные сообщения наложены некоторые ограничения.

Итак, одним из основных достоинств передачи информа ции в цифровой форме является возможность использования ко дированных сигналов и оптимального в заданных условиях спо соба их приема. Важно, что при цифровой передаче все типы сиг налов, такие, как речь, музыка, телевидение, данные, могут объединяться в один общий поток информации, передача кото рого формализована. Кроме того, уплотнение при одновремен ном использовании компьютера позволяет эффективнее исполь зовать спектр и время, защитить канал от несанкционированно го доступа, объединить в единый процесс передачу цифровой информации и цифровую коммутацию каналов и сообщений.

6.6.4. УПЛОТНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ На практике часто требуется осуществить одновременную передачу информации от многих источников по одному каналу ко многим получателям, т. е. осуществить многоканальную пере дачу. Следует сказать, что современные системы передачи инфор мации практически всегда многоканальные [29].

Способ объединения отдельных сообщений в один группо вой сигнал с последующим разделением сообщений на индивиду альные называется уплотнением или мультиплексированием.

К классическим методам уплотнения относятся частотное, вре менное и кодовое.

Современная техника связи позволяет организовывать широ кополосные каналы, поэтому целесообразно использовать мето ды, позволяющие передавать наибольшее число телеграфных, те лефонных, телевизионных и других сообщений на одной несущей или в отведенном интервале частот.

Сущность методов мультиплексирования состоит в том, что сообщения от нескольких источников определенным образом комбинируются в групповой сигнал и принимаются с помощью одного приемопередатчика. Поскольку современная система свя зи обычно является многоканальной, необходимой частью любой системы передачи информации служит мультиплексор (рис. 6.14).

Модем Модем Высокоскоростной канал Рис. 6.14. Схема цифровой системы связи ' Наиболее известным является способ частотного мультиплек сирования, когда в полосе пропускания канала размещается мно жество каналов, разделенных с помощью фильтрации по частоте (рис. 6.15, а). Каждый частотный канал представлен своим спек тром. Его временная структура может быть различной — это может быть последовательность импульсов или телефонное со общение. Соответствующая настройка разделительных фильтров приемника позволяет разделить принимаемый групповой сигнал на отдельные сигналы.

При временном мультиплексировании в условном временном интервале размещают последовательно отрезки сообщений, на пример кодовые последовательности каждого частного канала (рис. 6.15, Если при частотном мультиплексировании сообще ния от разных абонентов передаются одновременно по общему каналу, при временном мультиплексировании передача осуществ ляется строго по очереди, т. е. полоса пропускания канала пре доставляется полностью на определенный интервал времени каж дому абоненту. На практике обычно группы каналов объединя ются в супергруппы, и при каждом иерархическом объединении может применяться разный способ модуляции несущей.

Аналоговый сигнал, например, в телефонном канале преоб разуется в цифровой с помощью модуляции (ИКМ) и передается в каналах с временным мультиплексирова нием. Передача организуется так: выборки каждого непрерывно го сигнала сдвигаются на интервал, достаточный для передачи соответствующей кодовой комбинации. При передаче п непре рывных сигналов в стандартном интервале времени размещают п кодовых комбинаций, по одной на каждую выборку каждого сиг нала. При этом полоса частот группового сигнала увеличивается примерно в п раз. Например, 24-канальная система для передачи речи работает со скоростью Кбит/ с (скорость одного кана ла 64 Кбит/с).

Рис. Диаграмма частотного и временного (б) уплотнения каналов Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии разработал стандарты образования многоканальных сообщений при временном мультиплексировании. Прежде всего были предложены 8-разрядный равномерный код для указания значений уровней квантования сигнала и закон квантования, на званный "А=87,6". Для проведения выборок, изображенных на рис. 6.12, был использован линейный закон квантования, когда интервалы квантования одинаковы. Закон квантования А=87, является нелинейным, он лучше учитывает природу восприятия человеком речевых сигналов. Частота дискретизации телефонно го сообщения принята равной 8 кГц. При этом скорость переда чи одного телефонного сообщения оказывается равной 64 Кбит/с.

Так как принципиальной основой многоканальной цифровой системы передачи информации является временная шкала, опре деляющая расстановку информационных и служебных сигналов, соединение цифровых систем различной емкости в единую сеть возможно лишь при условии кратного соответствия временных шкал различных систем и стандартизации групповых сигналов и способов синхронизации. С этой целью разрабатывается иерар хия (соподчиненность) цифровых систем.

Под уровнем цифровой системы понимается число каналов или скорость передачи. Иерархия предусматривает возможность об разования цифровыми системами низшего порядка системы бо лее высокого порядка. На одном уровне объединяется фиксиро ванное число цифровых сигналов системы более низкого уровня для образования суммарного цифрового сигнала более высокого уровня.

Например, первый уровень соответствует многоканальной передаче 30 телефонных сообщений в цифровой форме. Для это го требуется суммарная скорость передачи 2048 Кбит/с. Второй уровень образован из четырех систем первого уровня с учетом необходимой служебной информации. Он имеет суммарную ско рость 8448 Кбит/с. Система второго уровня способна передавать 120 телефонных каналов или один видеотелефонный. Третий и четвертый уровни по рекомендации МККТТ соответствуют ско ростям 34,368 и 139,264 Мбит/с.

Некоторые фирмы или страны работают по своим стандар там. В табл. 6.2 приведены сведения об иерархии уровней цифро вых систем (скоростей передачи).

Иерархия скоростей цифровых систем является важной эксп луатационной характеристикой. Она предусматривает адаптив ность систем к любым цифровым каналам (от обычных телефон ных до волоконно-оптических) и всем информационным сигна лам (от речевых до сигналов цветного телевидения).

6. i Существует много причин, вызывающих необходимость стан дартизации скоростей передачи цифровой информации. К ним относятся требования потребителей каналов к универсальности передающей аппаратуры по отношению к различным источни кам информации, необходимости планирования развития сетей передачи данных с учетом старой и новой аппаратуры при гар моническом сочетании систем, надежности и гибкости сети пере дачи данных. Благодаря соблюдению стандартов иерархии мож но осуществлять передачу цифровой информации по комбини рованным системам с использованием кабельных, радио-, спутниковых, волоконно-оптических и других каналов.

6.7. ПРОТОКОЛЫ КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ В последнее время международным стандартом становится протокол ВУК (высокоуровневое управление каналом передачи данных, английская аббревиатура HDLC) [36]. Стандартный фор мат кадра ВУК представлен на рис.

Рис. 6.16. Формат кадра HDLC (ВУК) В начале и в конце кадра для установления и поддержания синхронизации применяется восьмиразрядная последовательность называемая флагом или меткой. Поскольку в начале и в конце кадра устанавливаются флаги, определить структуру ин формационного поля нет необходимости: пакет, поступающий с вышестоящего сетевого уровня, может занимать любое желаемое число разрядов. Проверочное поле занимает 16 разрядов, поля адреса, контроля и управления — по 8 разрядов.

Протокол канального уровня реализует следующие функции:

• соединения между концами каналов;

• организации передачи данных по каналу;

• разъединения каналов.

Следуя концепции многоуровневой архитектуры, стан дартизировала применение на каждом уровне архитектуры четы рех основных примитивов услуг, чтобы взаимо действие между пользователями услуг на одном уровне и постав щиками услуг на нижестоящем уровне. Эти примитивы — к ним относятся запрос (request), признак (indication), ответ (response), подтверждение (confirm) — являются основными элементами оп ределения обмена между пользователями услуг.

При работе примитивов два соседних уровня взаимодейству ют между собой. Нижние являются поставщиками услуг, верх ние — потребителями.

СХЕМА ОРГАНИЗАЦИИ ФАЗ КОММУНИКАЦИЙ В качестве конкретного применения указанных выше прими тивов рассмотрим уровень канала передачи данных. Его задачей является предоставление обслуживания сетевому уровню. Услуги делятся на три фазы: установление соединения, передачу данных и разъединение (рис.

Предполагается, что рассматриваемый канал передачи данных в данный момент не используется в сети для передачи. Поэтому перед началом передачи должно быть установлено логическое соединение. Для этого система А выпускает примитив "СОЕДИ НЕНИЕ. Запрос" в свой уровень канала передачи явля ющийся поставщиком услуги. После приема и соответствующей обработки этого примитива в систему В передается блок уста новки асинхронного балансного режима (УАБР), который при водит в действие объект уровня канала, и выдается примитив "СОЕДИНЕНИЕ. Признак". В знак согласия на запрос об уста новлении связи объект уровня сети отвечает примитивом ДИНЕНИЕ. Ответ". Это вызывает посылку со стороны прото кола канала системы В объекту уровня канала системы А блока ненумерованного подтверждения (НП). В системе А выдается примитив "СОЕДИНЕНИЕ. Подтверждение", указывающий на завершение процесса установления соединения. Теперь на обоих концах сетевой уровень может начать передачу данных. Она бу дет происходить аналогично рассмотренной процедуре.

Рис. 6.17. Схема организации фаз коммуникаций Различают три вида протоколов канального уровня [36]:

с остановками и ожиданием, с N-возвращениями (с непрерывной передачей), с выборочной или селективной передачей.

Протокол с остановками и ожиданием. При этой процедуре одновременно может передаваться только один кадр, после чего передающая сторона ждет подтверждения. Если поступит отри цательное подтверждение или произойдет просрочка времени ожидания ответа, кадр передается повторно. Пакет сбрасывает ся из накопителя передающей стороны лишь после получения положительного подтверждения. Этот протокол подходит для полудуплексной передачи, при которой передача сторон чере дуется.

Протокол с (с непрерывной передачей). Здесь кадры передаются непрерывно без ожидания подтверждения. При получении отрицательного подтверждения или истечении уста новленного времени ожидания неподтвержденный кадр и все пос ледующие кадры передаются вновь. Этот протокол более произ водительный и предполагает использование дуплексной связи.

Протокол с выборочной или селективной В этом слу чае повторная передача требуется только для кадра, о котором поступило отрицательное подтверждение или для которого ис текло установленное время ожидания. Однако на приемном кон це требуется накопитель с перестроениями, так как в этом случае кадры могут повторно передаваться и приниматься не по поряд ку. Из-за увеличения стоимости реализации протокол выбороч ного повторения не нашел коммерческой реализации.

МЕТОДЫ СЛУЧАЙНОГО ДОСТУПА К СЕТИ Двумя основными способами доступа к общей среде передачи являются управляемый доступ с применением опроса и случай ный доступ. В свою очередь, существуют различные типы страте гий случайного доступа.

Методы случайного доступа полностью децентрализованы.

Пользователь может передавать сообщения когда угодно, лишь с незначительными ограничениями, зависящими от метода доступа.

Из-за случайности моментов времени, в которые пользова тели могут решить начать независимо от метода не исключена возможность что два или несколько пользова телей могут выйти на связь в пересекающиеся промежутки вре мени. Это приводит к столкновениям (коллизиям), которые сна чала должны быть распознаны, а затем разрешены. При увели чении нагрузки увеличивается и вероятность что приводит к возможной неустойчивости работы рассматривае мых механизмов.

В результате производительность ограничивается некоторым максимальным значением, меньшим пропускной способности ка нала, и это значение в каждом случае зависит от первоначально го механизма доступа и алгоритма разрешения коллизий.

Сначала методы случайного доступа были предложены для случаев, когда большое число пользователей пытались довольно редко передавать пачки сообщений или когда друг с другом свя зывалось небольшое число ЭВМ. Но применительно к производ ственным процессам, которые требуют строгого управления за держкой доступа, более предпочтителен управляемый доступ.

Рассмотрим два простейших типа стратегии случайного доступа:

чистую Алоху и синхронную Алоху [36].

Чистая Алоха. Эта схема сначала была применена для досту па к общему каналу сотрудниками Гавайского университета в начале 1970-х гг. По этой схеме пользователь, желающий пере дать сообщение, делает это когда угодно. В результате два или несколько сообщений могли наложиться во времени, вызвав столк новение (коллизию).

Распознавание коллизий и сообщение о них пострадавшим пользователям в первоначальной системе Алоха по радио на центральный пункт. Это могло осуществляться также путем применения положительных подтверждений в сочетании с перерывом. При обнаружении столкновения пострадавшие стан ции предпринимают попытки повторной передачи потерянного сообщения, но они должны распределять время попыток случай ным образом, следуя некоторому алгоритму уменьшения вероят ности нового конфликта.

Стратегия доступа типа чистой Алохи позволяет добиться производительности самое большее 1/2е пропускной спо собности канала. Рассмотрим пример, вводя одновременно неко торые определения. За доступ к каналу состязаются N станций.

Станция передает в среднем X пакетов в секунду (интенсивность обращений к сети). Величина Mm представляет собой пропуск ную способность канала в передаваемых пакетах в секунду.

В случае, если передаваемые сообщения (пакеты) имеют среднюю длину т, соответствующую т единицам времени передачи, будем считать, что интенсивность нагрузки S (эквивалентна р-норми рованной по нагрузке) характеризует использование канала вновь поступающими пакетами:

S р = Величина которая обозначается представляет собой пропускную способность канала, измеряемую в передаваемых пакетах в секунду. Таким образом, = — относительное использование канала, или производительность, нормированная относительно Общая интенсивность пакетов, передавае т мых в канал, включая вновь генерируемые и передаваемые по вторно, имеет некоторое значение X' > X. Тогда фактическая ин тенсивность нагрузки, или использование канала, является пара метром G, который равен: G = Рассмотрим типичное сообщение длительностью т (рис.

Оно подвергается столкновению с другим сообщением, если эти два сообщения будут наложены одно на другое в любой точке.

Легко заметить, "передвигая" пунктирное сообщение во време ни, что столкновение может произойти в промежутке продолжи тельностью с. Вероятность того, что в промежутке 2т с не произойдет столкновения, равна: '" = т Рис. 6.18. Диаграмма столкновения двух сообщений Отношение S/G представляет долю сообщений из числа пере даваемых в канал, которые проходят успешно. Это число должно быть равно вероятности отсутствия столкновений. Таким обра зом, уравнение производительности для чистой Алохи имеет вид:

(6.1) где S — нормированная производительность (средняя скорость поступ ления пакетов, деленная на максимальную производительность G — нормированная пропущенная нагрузка. Таким образом, S — независимая переменная, a G — ее функция.

График зависимости G от S имеет вид двузначной кривой (рис. 6.19).

Отметим, имеет максимум: S - 0,18 при G = 0,5.

Судя по формуле (6.1) или кривой при малой поступающей на грузке S, столкновения происходят редко, G S. Когда S начи Рис. 6.19. Кривая производительности при чистой нает расти, приближаясь к максимальному значению число столкновений быстро увеличивается, что ведет, в свою очередь, к росту вероятности столкновения. Система теряет устойчивость, S падает, a G увеличивается до больших значений.

Синхронная Алоха. Максимально возможная производитель ность схемы чистой Алохи может быть удвоена с помощью про стого приема разметки шкалы времени и разрешения пользова телям начинать попытки передачи сообщений только в начале каждого временного интервала т (равного длительности сооб щения). Эта схема требует, чтобы работа всех пользователей си стемы была синхронизирована во времени. Пример работы та кой системы показан на рис. 6.20, на котором одно сообщение передано успешно, а с другим произошло столкновение.

Поскольку сообщения могут быть переданы только в разме ченные промежутки времени, столкновения происходят, лишь когда одна или несколько попыток передачи совершаются в том же промежутке.

Канальные интервалы Рис. 6.20. Диаграмма передачи сообщений при синхронной Алохе Вероятность успешной передачи задается в виде а урав нение производительности для синхронной Алохи имеет вид:

S = Нормированная производительность S достигает максималь ного значения: 0,368 при G - |, Зависимость пропущенной нагрузки от производительности для синхронной Алохи показа на на рис. где она сравнивается с соответствующей зависи мостью 0,1 0,2 0, Рис. 6.21. Кривые производительности при чистой и синхронной Алохе Из приведенной характеристики видно, что ввиду двух воз можных значений G при заданной производительности S для этой системы доступа также характерна неустойчивость.

Случайный доступ типа МДПН/ОС (CSMA/CD). Протокол многостанционного доступа с проверкой несущей и обнаруже нием столкновений (МДПН/ОС, CSMA/CD — Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) основан на методе чис той Алохи и позволяет улучшить ее характеристики. Метод МДПН/ОС входит в протокол сети Ethernet и принят как один из стандартных в локальных сетях. Реализация локальных сетей по образцу сети Ethernet распространена весьма широко.

Основная концепция протокола МДПН/ОС очень проста. Все станции прослушивают передачу по линии. Станция, жела ющая передать сообщение, выходит на связь только после обна ружения свободного состояния канала. Очевидно, что столкно вения все же могут возникнуть, поскольку станции физически раз несены одна от другой и две или несколько станций могут обна ружить свободное состояние канала и начать передачу, что и вы зовет столкновение. Если станции обнаруживают столкновение, они передают всем остальным станциям специальный сигнал о помехе и отменяют свои передачи. Возможность проверки несу щей позволяет увеличить производительность канала по сравне нию с чистой Алохой, а обнаружение столкновения с прекраще нием передачи вместо его завершения дает еще большее повыше ние производительности.

Предложенные методы МДПН различаются тем, как проис ходит управление передачей, если канал оказывается занятым.

Например, в схеме с настойчивостью р станция, обнаружившая занятый канал, осуществляет передачу после того, как канал ста нет свободным, с вероятностью р. С вероятностью переда ча откладывается на промежуток времени х распространения сиг нала. При схеме с настойчивостью 1 станция осуществляет по пытку передачи, как только канал окажется свободным. При ненастойчивой схеме станция переносит передачу на другое вре мя в соответствии с предписанным распределением задержек пе редачи, проверяет несущую в это время и продолжает процесс.

Эти схемы применимы прежде всего в локальных сетях или в более крупных сетях, работающих со сравнительно небольшими скоростями передачи.

Протокол МДПН/ОС, работающий по правилу 1 настойчи вости с добавлением возможности обнаружения столкновений, принят в качестве протокола в схеме Ethernet. Если обнаружива ется столкновение и передача прекращается, попытка повторной передачи предпринимается через случайный промежуток време ни, как и в схемах Алоха. Этот случайный промежуток времени удваивается каждый раз после обнаружения нового столкнове ния до некоторой максимальной величины, при которой станция выходит из строя и извещает вышестоящие уровни о нарушении связи. Это удвоение промежутка, называемое процедурой двоич ного замедления, может улучшить характеристику системы.

Манчестерский код. Кроме проверки двух сигналов — обна ружения столкновения и проверки несущей — блоки доступа к каналу передают символы в коаксиальный кабель и принимают их из кабеля. Блок кодирования передаваемых данных физичес 8- кого уровня кодирует символы в двоичные сигналы с помощью манчестерского кода (рис. 6.22).

Рис. 6.22. Манчестерский код При этой схеме половина символьного интервала применяет ся для передачи логического дополнения к разряду данного ин тервала, в течение второй половины передается исходное значе ние разряда. Таким образом, единицы передаются положи тельным переходом сигнала, а нули — отрицательным переходом.

Функции кодирования-декодирования манчестерского кода вы полняются передающим блоком кодирования и приемным бло ком декодирования физического уровня. Эти блоки также гене рируют и удаляют 64-разрядные серии, называемые преамбула ми, которые предшествуют фактически передаваемому кадру и применяются для синхронизации.

Процедура определенная стандартом для коль ца с передачей предусматривает применение дифференци ального манчестерского кода (рис. 6.23).

6.23. Дифференциальный манчестерский код В дифференциальном манчестерском коде для переноса дво ичной информации применяются две полярности и переходы происходят в середине двоичного интервала. Однако для разряда первая половина двоичного интервала несет ту же полярность, что и вторая половина предыдущего интервала. Для разряда О переход происходит как в начале, так и в середине двоичного интервала. При этой процедуре возникают две возможности в зависимости от полярности в конце интервала, предшествующе го первому интервалу (см. рис. 6.23).

СПЕЦИФИКАЦИИ ETHERNET Ethernet — самая популярная в настоящее время сетевая архи тектура. Она использует узкополосную передачу со скоростью 10 Мбит/с, топологию шина, а для регулирования трафика в ос новном сегменте кабеля — метод CSMA/CD ( МДПН/ОС ) [40].

Среда (кабель) Ethernet является пассивной, т.е. получает пи тание от компьютера. Следовательно, она прекращает работу из за физического повреждения или неправильного подключения терминатора.

Характеристика сети Ethernet:

• традиционная топология — линейная шина;

• другие топологии — звезда — шина;

• тип передачи — узкополосная;

• метод доступа — CSMA/CD;

• скорость передачи данных — 10 и 100 Мбит/с;

• кабельная система — тонкий и толстый коаксиальный, UTP (Unshielded Twisted-Pair — неэкранированная витая пара).

Ethernet разбивает данные на пакеты (кадры), формат кото рых отличается от формата пакетов, используемого в других сетях. Кадры представляют собой блоки информации, переда ваемые как единое целое. Кадр Ethernet может иметь длину от 64 до 1518 байт, но сама структура кадра Ethernet использует по крайней мере 18 байт, поэтому размер блока данных в Ethernet — от 46 до 1500 байт. Каждый кадр содержит управ ляющую информацию и имеет общую с другими кадрами орга низацию.

Например, передаваемый по сети кадр Ethernet II (рис. 6.24) используется для протокола управления передачей межсетевого протокола TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internetwork Protocol). Кадр состоит из полей, которые перечислены ниже.

Поле кадра Назначение Преамбула Отмечает начало кадра Указывает адрес источника Местоназначение и источник и адрес приемника Используется для Тип идентификации протокола сетевого уровня Поле информации Циклический избыточный для проверки ошибок код (CRC) Содержит передаваемую Данные в кадре информацию Приемник Тип Рис. 6.24. Кадр данных Ethernet Сети Ethernet используют различные варианты кабелей и то пологий. Далее будут представлены варианты, основанные на спецификации IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Ниже рассмотрены четыре топологии Ethernet со скоростью передачи данных 10 Мбит/с: lOBaseT, 10Base2, 10Base5, lOBaseFL.

В 1990 г. IEEE опубликовал спецификацию 802.3 для построения сети Ethernet на основе витой пары. lOBaseT (10 — ско рость передачи, измеряемая мегабитами в секунду, Base — узкопо лосная, Г — витая пара) — сеть Ethernet, которая для соединения компьютеров обычно использует неэкранированную витую пару (UTP). Тем не менее и экранированная витая пара (STP) также может применяться в топологии lOBaseT без изменения ее параметров.

Большинство сетей этого типа строится в виде звезды, но по системе передачи сигналов представляют собой шину, как и дру гие конфигурации Ethernet. Обычно концентратор сети lOBaseT выступает как многопортовый репитер и часто располагается в распределительной стойке здания. Каждый компьютер подклю чается к другому концу кабеля, соединенного с активным кон центратором (рис. 6.25), и использует две пары проводов: одну — для приема, другую — для передачи.

Максимальная длина сегмента lOBaseT — 100 м (см. рис. 6.25).

Минимальная длина кабеля — 2,5 м. Сеть lOBaseT может обслу живать до компьютеров.

Рис. 6.25. Активный концентратор в сети lOBaseT На 6.26 показано, как сеть lOBaseT реализует преимуще ства топологии звезда. Кабель UTP обеспечивает скорость пере дачи данных 10 Мбит/с. Изменение конфигурации производится на коммутационных панелях — простым переключением шнура из одного гнезда в другое. Эти изменения не затрагивают другие сетевые устройства.

Рис. 6.26. Сеть lOBaseT звездообразной топологии В соответствии со спецификацией IEEE 802.3 эта то пология называется 10Base2 (2 — передача на расстояние, при мерно в два раза превышающее 100 м).

Сеть такого типа ориентирована на тонкий коаксиальный ка бель, или "тонкий Ethernet", с максимальной длиной сегмента 185 м. Минимальная длина кабеля 0,5 м. Кроме того, существует ограничение на максимальное количество компьютеров, которое может быть размещено на сегменте кабеля, — 30 шт.

Компоненты кабеля "тонкий Ethernet": баррел-коннекторы, Т-коннекторы и терминаторы.

Сети на тонком Ethernet обычно имеют топологию "шина".

Стандарты IEEE для "тонкого Ethernet" не предусматривают ис пользования кабеля трансивера между Т-коннектором и компь ютером. Вместо этого Т-коннектор располагают непосредствен но на плате сетевого адаптера.

Баррел-коннектор, соединяя сегменты кабеля, позволяет уве личить его общую длину. Например, вам нужен кабель длиной 30 м, а у вас есть сегменты тонкого кабеля по 20 и 5 м. Соедините двумя баррел-коннекторами эти сегменты, чтобы получить ка бель нужной длины. Однако использование баррел-коннекторов желательно свести к минимуму, поскольку они ухудшают каче ство сигнала.

Сеть на "тонком Ethernet" — экономичный способ реализа ции сетей для небольших отделений и рабочих групп. Использу емый в такого типа сетях кабель относительно недорогой, прост в установке и легко конфигурируется.

По спецификации IEEE 802.3 сеть на "тонком Ethernet" мо жет поддерживать до 30 узлов (компьютеров и репитеров) на один кабельный сегмент. Но при этом необходимо соблюдать правило Поясним его суть. Сеть на "тонком Ethernet" может со стоять максимум из 5 сегментов кабеля, соединенных 4 репитера ми, но только к 3 сегментам могут быть подключены рабочие станции. Таким образом, два сегмента остаются зарезервирован ными для репитеров, их называют межрепитерными связями.

Такая конфигурация известна как правило На рис. 6.27 имеется 5 магистральных сегментов и 4 репитера.

К магистральным сегментам 1, 2, 5 подключены компьютеры. Ма гистральные сегменты 3 и 4 предназначены только для увеличе ния общей длины сети.

Поскольку для сетей на "тонком Ethernet" ограничения слиш ком жесткие, большие предприятия, чтобы соединить сегменты и увеличить общую длину сети до 925 м, используют репитеры.

Магистральный сегмент Репитер Магистральный Магистральный сегмент Магистральный сегмент Репитер Магистральный сегмент 6.27. Правило для "тонкого Ethernet": 5 сегментов, 4 репитера, 3 сегмента для подключения станций 5. Так называется эта технология в соответствии со спецификацией IEEE. Известно и другое ее название — стан дартный Ethernet.

Сети на толстом коаксиальном кабеле ("толстый Ethernet") обычно используют топологию шина. "Толстый Ethernet" может поддерживать до 100 узлов на магистральный сегмент. Магист раль — главный кабель, к которому присоединяются трансиве ры с подключенными к ним рабочими станциями и репитерами (рис. 6.28). Сегмент "толстого Ethernet" может иметь длину 500 м при общей длине сети 2500 м.

Расстояния и допуски для "толстого Ethernet" больше, чем для "тонкого Ethernet".

6.28. "Толстый Ethernet" с подключенным трансивером Компоненты кабельной системы:

• трансиверы. Они обеспечивают связь между компьютером и главным кабелем ЛВС, совмещены с "зубом вампира", соеди ненным с кабелем;

• кабели трансиверов (ответвляющиеся кабели). Они соеди няют трансивер с платой сетевого адаптера;

• или Расположен на кабеле трансивера;

• коннекторы N-серии (в том числе баррел-коннекторы) и тер минаторы N-серии.

Компоненты "толстого Ethernet" работают так же, как ком поненты "тонкого Ethernet".

Суть правила для "толстого Ethernet" (рис. 6.29) состо ит в следующем. Сеть на "толстом Ethernet" может состоять мак симум из пяти магистральных сегментов, соединенных четырьмя репитерами, но только к трем сегментам могут быть подключены компьютеры. При вычислении общей длины кабеля "толстый Ethernet" длина кабеля трансивера не учитывается, т.е. в расчет принимают только длину сегмента кабеля "толстый Ethernet".

Минимальное расстояние между соседними подключениями 2,5 м. В это расстояние не входит длина трансивера. "Тол Рис. 6.29. Правило для "толстого Ethernet'' 1, 2, 3, 4 и 5 — сегменты сети стый Ethernet" был разработан для построения ЛВС в рамках большого отдела или всего здания.

Обычно в крупных сетях используют и Ethernet". "Толстый Ethernet" хорошо подходит в качестве ма гистрали, а для ответвляющихся сегментов применяют "тонкий Ethernet". Трансивер соединяется с кабелем "толстый Ethernet", кабеля трансивера включается в репитер. Ответ вляющиеся сегменты "тонкого Ethernet" соединяются с репите ром, а к ним уже подключаются компьютеры.

Эта топология представляет собой сеть Ethernet, в которой компьютеры и репитеры соединены оптоволоконным ка белем.

, Основная причина популярности lOBaseFL — возможность прокладывать кабель между репитерами на большие расстояния (например, между зданиями). Максимальная длина сегмента lOBaseFL составляет 2 000 м.

Стандарты IEEE на 100 Новые стандарты Ethernet позволяют преодолеть скорость передачи в 10 Мбит/с. Эти но вые возможности разрабатываются для таких приложений, по рождающих интенсивный трафик, как: CAD (Computer-Aided Design) — системы автоматизированного проектирования, САМ (Computer-Aided Manufacturing) — системы автоматизирован ного производства, видео-, отображения и хранения документов.

Известны два стандарта Ethernet, которые могут удовлетво рить возросшие требования:

• 100BaseVG-AnyLAN Ethernet;

• lOOBaseX Ethernet (Fast Ethernet).

И Fast Ethernet, и Ethernet работают при мерно в раз быстрее, чем стандартный Ethernet. Кроме того, они совместимы с существующей кабельной системой lOBaseT.

Следовательно, переход от нее к этим стандартам осуществляет ся достаточно просто и быстро.

6.8. СЕТЕВОЙ УРОВЕНЬ МОДЕЛИ OSI Магистральный канал передачи данных состоит из отдельных линий связи и узлов коммутации, которые обеспечивают соедине ние территориально удаленных абонентов между собой. Установ ление соединения (физического или виртуального) осуществляется с помощью того или иного метода коммутации. В зависимости от методов установления соединения и способов передачи данных от одного узла к другому различают сети с коммутацией каналов, коммутацией сообщений и коммутацией пакетов [32], [33].

Коммутация каналов. В сетях с коммутацией каналов между вызывающей и вызываемой оконечными установками в течение всего времени передачи имеется сквозное соединение (рис. 6.30).

!!! Коммутатор 6.30. Сеть с коммутацией каналов Соединительный тракт состоит из ряда участков, которые в процессе установления соединения включаются последовательно друг за другом. Тракт в отношении кодов и методов управления. Время распространения сигнала данных по соедини тельному тракту постоянно.

В сеансе связи различают три фазы: установление соединения, передачу данных и разъединение соединения (рис.

Процессом установления соединения управляет источник, ко торый посылает сигнал получает ответный сигнал (при Рис. 6.31. Фазы сеанса связи глашение к набору номера) и вслед за этим передает адресную информацию (знаки набора номера). Коммутационный узел об рабатывает эту информацию, занимает один из каналов в пучке кабеля, ведущего к следующему коммутационному узлу, и пере дает последнему знаки набора, необходимые для дальнейшего установления соединения. Таким образом, постепенно, по участ кам, вплоть до вызываемого абонента образуется соединитель ный тракт. После завершения этого процесса от сети на вызыва ющую и вызываемую оконечные установки поступают сигналы, извещающие о том, что соединение готово к передаче данных.

В течение фазы передачи данных управление осуществляется оконечной установкой. В оконечной установке принимается ре шение о мерах, которые необходимо принять для обнаружения и исправления ошибок передачи.

Разъединение может быть начато любой из двух связанных между собой оконечных установок с помощью сигнала отбоя. По этому сигналу все коммутационные узлы, участвующие в образо вании соединительного тракта, отключают соединения. Среди сетей передачи данных с коммутацией каналов различают два типа:

синхронные и асинхронные сети.

В синхронной сети с коммутацией каналов ход во время всех процессов передачи и коммутации определяется единым такто вым синхросигналом. Он подводится ко всей аппаратуре и обо рудованию сети, задает для всей сети жесткий временной растр и обеспечивает синхронизм всех процессов.

В асинхронных сетях общая синхронизация по элементам от сутствует, и для сети не задаются единые такты. Отдельные аппара тура передачи данных и коммутационные устройства имеют само стоятельные, независимые друг от друга тактовые генераторы.

Коммутация сообщений. В сети с коммутацией сообщений (рис. 6.32) между оконечными установками, обменивающимися информацией, нет сквозного соединения. В коммутационных уз лах сообщения заносятся в память и передаются далее по участ кам переприема от узла к узлу.

На оконечной установке, от которой необходимо передать сообщение, оно снабжается заголовком, содержащим адрес же лаемого абонента, и по абонентской линии а передается на бли жайший коммутационный узел А. В нем сообщение запоминает ся, его заголовок обрабатывается, определяется, в какую из ис ходящих линий далее его нужно направить, и, наконец, передается на следующий коммутационный узел В. Если линия по кото рой нужно передать сообщение далее, занята, то оно остается в запоминающем устройстве (буферном накопителе узла) до тех пор, пока не будут переданы все находящиеся перед ним в очереди другие сообщения. Поскольку на участке в магистральном кана ле скорость передачи обычно выше, чем в абонентской линии а, длительность передачи по этому участку на временной диаграм ме {см. рис. 6.32) показана более короткой.

Рис. Сеть с коммутацией сообщений:

оконечная установка передачи данных;

2 узел коммутации Узел коммутации В, в котором сообщение обрабатывается так же, как и в узле А, передает сообщение по линии с на узел С. От последнего оно передается по абонентской линии d на принима ющий модуль абонента.

Время ожидания, в течение которого сообщение хранится в узле коммутации, зависит от длины очередей на линии связи, по этому общее время прохождения сообщения между двумя око нечными установками в сети может быть различным. Запись со общений в память упрощает трансформацию скоростей различ ного оборудования данных, осуществляемую в коммутационных узлах. Использование на межузловых участках дуплексных высо коскоростных линий связи позволяет более эффективно, чем в сетях с коммутацией каналов, передавать требуемый объем ин формации и использовать ресурсы сети. Однако экономию ли ний связи необходимо сопоставлять с затратами, которых тре буют запоминание и обработка сообщений в узлах коммутации.

Коммутация пакетов. Коммутация пакетов является разви тием метода коммутации сообщений. Она позволяет добиться дальнейшего увеличения пропускной способности сети, скорос ти и надежности передачи данных. В сети с коммутацией паке тов сообщения разделяются на отдельные части — пакеты (рис. 6.33). Каждый пакет имеет, как правило, фиксированную длину и снабжается заголовком, указывающим адрес пункта Эотправления, адрес пункта назначения и номер пакета в сооб щении. Максимальная длина пакета лежит в пределах от 10 до 2 • 10 бит. Разложение сообщения на пакеты и восста новление его после передачи осуществляются оконечным обору дованием источника и адресата.

Рис. 6.33. Схема пакетирования сообщений В принимающем коммутационном узле каждый пакет прове ряется на наличие ошибок. На пакеты, принятые без ошибок, в ответ направляется подтверждение их приема (положительная квитанция ДА). Если же в пакете обнаружены ошибки, то посы лается запрос на его повторную передачу (отрицательная кви танция НЕТ).

Для передачи отдельных пакетов каждого сообщения по сети могут выбираться различные пути (рис. 6.34), что обеспечивает более гибкое и оперативное приспособление к состояниям заня Рис. 6.34. Различные пути передачи пакетов тости тех или иных линий связи и узлов коммутации. При этом могут возникнуть ситуации, при которых пакеты могут посту пать в адрес получателя в неверной последовательности.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.