Дипломная работа: Основы программирования

DRAM, позволяющих улучшить эту характеристику.

Кэш память SRAM

Существует тип памяти, совершенно отличный от других, — статическая оперативная память (Static RAM — SRAM). Она названа так потому, что, в отличие от динамической оперативной памяти (DRAM), для сохранения ее содержимого не требуется периодической регенерации. Но это не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое быстродействие, чем динамическая оперативная память, и может работать на той же частоте, что и современные процессоры.

Время доступа SRAM не более 2 нс; это означает, что такая память может работать синхронно с процессорами на частоте 500 МГц или выше. Однако для хранения каждого бита в конструкции SRAM используется кластер из шести транзисторов. Использование транзисторов без каких-либо конденсаторов означает, что нет необходимости в регенерации. (Ведь если нет никаких конденсаторов, то и заряды не теряются.) Пока подается питание, SRAM будет помнить то, что сохранено. Почему же тогда микросхемы SRAM не используются для всей системной памяти? По сравнению с динамической оперативной памятью быстродействие SRAM намного выше, но плотность ее намного ниже, а цена довольно высокая. Более низкая плотность означает, что микросхемы SRAM имеют большие габариты, хотя их информационная емкость намного меньше. Большое число транзисторов и кластеризованное их размещение не только увеличивает габариты микросхем SRAM, но и значительно повышает стоимость технологического процесса по сравнению с аналогичными параметрами для микросхем DRAM. Например, емкость модуля DRAM может равняться 128 Мбайт или больше, в то время как емкость модуля SRAM приблизительно того же размера составляет только 2 Мбайт, причем их стоимость будет одинаковой. Таким образом, габариты SRAM в среднем в 30 раз превышают размер динамической оперативной памяти, то же самое можно сказать и о стоимости. Все это не позволяет использовать память типа SRAM в качестве оперативной памяти в персональных компьютерах.

Несмотря на это, разработчики все-таки применяют память типа SRAM для повышения эффективности PC. Но во избежание значительного увеличения стоимости устанавливается только небольшой объем высокоскоростной памяти SRAM, которая используется в качестве кэш памяти. Кэш-память работает на тактовых частотах, близких или даже равных тактовым частотам процессора, причем обычно именно эта память непосредственно используется процессором при чтении и записи. Во время операций чтения данные в высокоскоростную кэш-память предварительно записываются из оперативной памяти с низким быстродействием, т.е. из DRAM. Еще недавно время доступа динамической оперативной памяти было не менее 60 нс (что соответствует тактовой частоте 16 МГц). Когда процессор персонального компьютера работал на тактовой частоте 16 МГц и ниже, DRAM могла быть синхронизирована с системной платой и процессором, поэтому кэш был не нужен. Однако, как только тактовая частота процессора поднялась выше 16 МГц, синхронизировать DRAM с процессором стало невозможно, и именно тогда разработчики начали использовать SRAM в персональных компьютерах. Это произошло в 1986 и 1987 годах, когда появились PC с процессором 386, работающим на частотах 16 и 20 МГц. Именно в этих персональных компьютерах впервые нашла применение так называемая кэш-память, т.е. высокоскоростной буфер, построенный на микросхемах SRAM, который непосредственно обменивается данными с процессором. Поскольку быстродействие кэша может быть сравнимо с быстродействием процессора, контроллер кэша может предугадывать потребности процессора в данных и предварительно загружать необходимые данные в высокоскоростную кэш-память. Тогда при выдаче процессором адреса памяти данные могут быть переданы из высокоскоростного кэша, а не из оперативной памяти, быстродействие которой намного ниже.

Кэш-память позволяет сократить количество "простоев" и увеличить быстродействие компьютера в целом. Чтобы минимизировать время ожидания при считывании процессором данных из медленной оперативной памяти, в современных персональных компьютерах обычно предусмотрены два типа кэш-памяти: кэш-память первого уровня (L1) и кэш-память второго уровня (L2). Кэш память первого уровня также называется встроенным, или внутренним кэшем; он непосредственно встроен в процессор и фактически является частью микросхемы процессора. Во всех процессорах 486 и выше кэш-память первого уровня интегрирована в микросхему процессора. Кэш-память второго уровня называется вторичным, или внешним кэшем; он устанавливается вне микросхемы процессора. Первоначально она устанавливалась на системной плате. (Так было во всех компьютерах на основе процессоров 386, 486 и Pentium.) Если кэш-память второго уровня установлена на системной плате, то она работает на ее частоте. В этом случае кэш-память второго уровня обычно находится рядом с разъемом процессора.

Для повышения эффективности в более поздних компьютерах на основе процессоров Pentium Pro, Pentium II/III и Athlon кэш-память второго уровня является частью процессора. Конечно же, он внешний по отношению к кристаллу центрального процессора, просто эта отдельная микросхема устанавливается внутри корпуса (картриджа) процессора. Поэтому на системных платах для процессоров Pentium Pro или Pentium II нет никакого кэша. В последних моделях процессоров Pentium III и Athlon кэш-память второго уровня является частью микросхемы процессора (подобно кэш-памяти первого уровня) и работает на более высоких частотах (на частоте процессора, половинной или трети).

4. Простые файловые структуры данных. Сетевые технологии

Глобальные сети, городские сети, локальные сети

Сети с коммутацией пакетов, которые разрослись до больших географических размеров(например, континентальной части США), сильно отличаются от сетей, имеющих небольшие размеры(например, одну комнату). Чтобы помочь охарактеризовать различия в пропускной способности и способах использования, технологии коммутации пакетов часто делят на три большие категории: глобальные сети(WAN), городские сети(MAN) и локальные сети(LAN). Технологии WAN, иногда называемые long haul networks(буквально - сети дальних перевозок), позволяют взаимодействующим местам быть достаточно далеко друг от друга и предназначены для использования на больших расстояниях. Обычно WAN работают на более низких скоростях, чем другие технологии, и имеют гораздо большие паузы при соединении. Обычно скорости WAN лежат в диапазоне от 9.6 Кбит/с до 45 Мбит/с.

Самый новый вид сетевого оборудования, технологии MAN позволяют взаимодействовать в географических областях средних размеров и работают на скоростях от средних до высоких. Они получили такое имя из-за способности одной MAN занимать область размером с большой город. MAN работают с меньшими паузами, чем WAN, но не могут обеспечить взаимодействие на таких же больших расстояниях. Типичные MAN работают со скоростями от 56 Кбит/с до 100 Мбит/с.

Технологии LAN обеспечивают наивысшие скорости соединений между компьютерами, но не позволяют им занимать большие области. Например, типичная LAN занимает пространство, такое же как одно здание или небольшой университетский городок, и работает со скоростями от 4 Мбит/с до 2 Гбит/с.

Мы уже говорили о компромиссе между скоростью и расстоянием: технологии, обеспечивающие более высокие скорости взаимодействия, работают на более коротких расстояниях. Существуют и другие различия среди технологий в указанных выше трех категориях. В технологиях LAN каждый компьютер обычно содержит сетевое интерфейсное устройство, которое соединяет машину напрямую с сетевой средой передачи данных(например, медным проводом или коаксиальным кабелем). Часто сеть является пассивной, полагая, что электронные устройства в присоединенных компьютерах сами будут генерировать и получать необходимые электрические сигналы. В технологиях MAN сеть содержит активные коммутирующие элементы, которые приводят к появлению коротких задержек при направлении данных к их назначению. В технологиях WAN сеть обычно состоит из групп сложных маршрутизаторов пакетов, соединенных линиями связи. Сеть может быть расширена добавлением нового маршрутизатора и еще одной линии связи. Присоединить компьютер к WAN значит соединить его с одним из маршрутизаторов пакетов. Эти маршрутизаторы вводят значительные паузы при маршрутизации траффика. Поэтому, чем больше становится WAN, тем больше времени ей надо для маршрутизации траффика.

Целью разработки сетевых протоколов является скрыть технологические различия между сетями, сделав соединение независимым от используемого оборудования. Следующие секции содержат шесть примеров сетевых технологий, используемых в Интернете, показывая при этом различия между ними. Следующие главы показывают, как программное обеспечение TCP/IP скрывает такие различия и делает коммуникационную систему независимой от базовой аппаратной технологии.

Технология Ethernet

Ethernet - это имя, данное популярной технологии локальной сети с коммутацией пакетов, разработанной в Xerox PARC в начале 1970 года. Версия, описанная здесь, была стандартизована Xerox Corporation, Intel Corporation и Digital Equipment Corporation в 1978 году. Как показано на рисунке 2.1, Ethernet состоит из коаксиального кабеля приблизительно полдюйма в диаметре и до 500 метров длиной. Между центральным проводом и защитной оболочкой на каждом конце добавляется резистор для предотвращения отражения электрических сигналов. Называемый ether(для удобства будем называть его просто Е-кабель), этот кабель является полностью пассивным; все активные электронные компоненты, выполняющие сетевую функцию, связаны с компьютерами, присоединенными к сети.

Рисунок 2.1 Коаксиальный кабель, иcпользуемый в Ethernet

Ethernet'ы могут быть дополнены устройствами, называемыми повторителями, которые передают электрические сигналы от одного кабеля к другому. Рисунок 2.2 показывает типичное использование повторителей в здании фирмы. Один вертикальный магистральный кабель проложен через все этажи здания, и повторитель соединяет дополнительные кабели на каждом этаже с магистральным кабелем. Компьютеры присоединяются к кабелям, проложенным на каждом этаже. Только два повторителя могут быть помещены между любыми двумя машинами, поэтому общая длина простого Ethernetа довольно маленькая(до 1500 метров). Расширение Ethernetа, используя повторители, имеет свои преимущества и недостатки. Повторители менее избыточны, чем другие типы соединяющего оборудования, что делает их самым дешевым способом расширения Ethernetа. Тем не менее, повторители имеют два недостатка. Во-первых, так как повторители повторяют и усиливают все электрические сигналы, то они копируют шумы, возникающие в одном проводе, в другой провод. Во-вторых, так как они содержат активные электронные компоненты, требующие энергии, они могут выйти из строя. В здании авария может произойти в неудобном месте(например, между перекрытиями или в розетке), делая трудным ее нахождение и устранение.

Рисунок 2.2 Повторители, используемые для соединения кабелей Ethernetа в здании. Самое большее два повторителя могут быть помещены между парой взаимодействующих машин.

Соединения с E-кабелем делаются с помощью ответвлений, как показывает рисунок 2.3. При каждом ответвлении маленькая дырка во внешних слоях кабеля позволяет маленьким контактам касаться центрального провода и защитной металлической оболочки(некоторые производители требуют, чтобы кабель был разрезан и вставлен Т-образный соединитель). Каждое соединение с Ethernetом имеет две основные электрические компоненты. Трансивер присоединяется к центральному проводу и металлической оплетке на Е-кабеле, принимая и передавая сигналы. Интерфейс с ЭВМ соединяется с трансивером и взаимодействует с компьютером(обычно через шину компьютера). Трансивер - это небольшая часть оборудования, физически смежная с Е-кабелем. Помимо аналогового оборудования, которое принимает сигналы от Е-кабеля и управляет им, трансивер содержит цифровые схемы, которые позволяют ему взаимодействовать с цифровым компьютером. Трансивер может определить, когда Е-кабель используется, и может транслировать аналоговые электрические сигналы, идущие по Е-кабелю, в цифровую форму или из нее в аналоговую. По кабелю трансивера, находящемуся между трансивером и интерфейсом ЭВМ, передается питание трансивера, а также сигналы, управляющие его работой. Рисунок 2.4 показывает соединение между компьютером и трансивером. Каждый интерфейс ЭВМ управляет работой одного трансивера согласно командам, которые он получает от программного обеспечения компьютера. Для операционной системы интерфейс представляется в виде устройства ввода-вывода, которое воспринимает основные команды передачи данных от компьютера, управляет трансивером при их выполнении, прерывается, когда задача завершается, и сообщает информацию о состоянии. В то время как трансивер - это простое аппаратное устройство, интерфейс с ЭВМ может быть сложным(например, он может содержать микропроцессор, используемый для управления передачей данных между памятью компьютера и Е-кабелем).

Рисунок 2.3 (а) Наглядное представление кабеля, показывающее детали двух электрических соединений между трансивером и кабелем при ответвлении, и (b) схематическая диаграмма Ethernetа с группой ответвлений.

Свойства Ethernet'а

Ethernet - это технология общей шины со скоростью 10 Мбит/с , с механизмом негарантированной(best effort) доставки и распределенным управлением доступом. Она называется технологией общей шины из-за того, что все станции разделяют один общий канал взаимодействия; она - широковещательная, так как все трансиверы принимают информацию, передаваемую всеми станциями. Метод, используемый для передачи пакетов от одной станции к другой или к группе станций, будет рассмотрен позднее. На данный момент достаточно уяснить, что трансиверы не фильтруют информацию - они передают все пакеты на интерфейс ЭВМ, который выбирает из них нужные этой ЭВМ и отбрасывает другие пакеты. Ethernet называется механизмом негарантированной доставки, так как он не информирует отправителя о том, был ли доведен пакет до получателя. Например, если случилось так, что машина получателя выключена, пакет будет потерян, но отправитель ничего не будет знать об этом. мы увидим позднее, как протоколы TCP/IP согласованы с оборудованием с негарантированным доведением.

Рисунок 2.4 Соединение между кабелем Ethernet и компьютером

память компьютер интернет сеть

Управление доступом в Ethernetе распределенное, так как, в отличие от некоторого другого сетевого оборудования, здесь нет централизованной схемы предоставления доступа. Схема доступа Ethernetа называется множественным доступом с контролем несущей и обнаружением коллизий(CSMA/CD). Она является CSMA, так как несколько машин могут получить доступ к Ethernetу одновременно, и каждая машина определяет, занят ли Е-кабель, по наличию несущей в нем. Когда интерфейс компьютера имеет пакет, который нужно передать, он слушает Е-кабель, чтобы узнать, передается ли уже чье-то сообщение(т.е. определяет наличие несущей). Когда передачи не обнаружено, интерфейс компьютера начинает передачу. Каждая передача ограничена в своей продолжительности(так как существует максимальный размер пакета). Более того, оборудование должно делать небольшие паузы между передачами пакетов, чтобы не получилось так, что сеть используется одной парой машин, и чтобы другие машины тоже имели возможность доступа к сети.

Обнаружение коллизий и восстановление

Когда трансивер начинает передачу, сигнал не достигает всех частей сети одновременно. На самом деле он передается по кабелю со скоростью, составляющей примерно 80% от скорости света. Поэтому возможна ситуация, когда два трансивера могут определить, что сеть незанята, и одновременно начать передачу. Когда два электрических сигнала передаются одновременно, они перемешиваются, в результате чего оба становятся искаженными. Такие события называются коллизиями.

Ethernet обрабатывает коллизии оригинальным способом. Каждый трансивер следит за состоянием кабеля, когда он передает , чтобы узнать, когда другой сигнал помешал его передаче. На техническом языке такое слежение называется обнаружением коллизий и делает Ethernet сетью CSMA/CD. Когда коллизия обнаружена, интерфейс ЭВМ аварийно завершает передачу, ждет конца работы других станций и снова пытается повторить передачу. При этом нужно соблюдать осторожность, иначе сеть может оказаться перегруженной трансиверами, впустую пытающимися передавать, причем каждая передача будет приводить к коллизии. Чтобы избежать таких ситуаций, Ethernet использует стратегию двоичной экспоненциальной задержки, при которой отправитель ждет случайное время после первой коллизии, в два раза дольше, если вторая попытка передать, также привела к коллизии, в четыре раза дольше, если третья попытка привела к коллизии, и так далее. Идея, лежащая в основе экспоненциальной задержки, заключается в том, что при коллизии возможно, что большое число станций будет пытаться передавать одновременно и может возникнуть большие помехи для траффика. При таких помехах существует большая вероятность того, что две станции выберут похожие времена задержки. Поэтому вероятность того, что возникнет новая коллизия, велика. С помощью удвоения случайного времени задержки стратегия экспоненциальной задержки быстро распределяет попытки повторной передачи станций на достаточно большой промежуток времени, что делает вероятность дальнейших коллизий крайне маленькой.

Пропускная способность Ethernet'а

Стандартный Ethernet работает со скоростью 10 Мбит/с, что означает, что данные могут передаваться по кабелю со скоростью 10 миллионов бит в секунду. Хотя многие современные компьютеры могут генерировать данные со скоростью Ethernetа, реальную скорость сети не следует представлять как скорость, с которой два компьютера обмениваются данными. На самом деле скорость сети является мерой пропускной способности общего траффика сети. Представьте сеть в виде высокоскоростной магистрали(highway), соединяющей группу городов. Высокие скорости при движении по магистрали означают, что она может выдержать большую загрузку траффиком, а низкие скорости - что эта магистраль не может выдержать большой объем траффика. Ethernet со скоростью 10 Мбит/с, например, может выдержать несколько компьютеров, генерирующих высокоскоростной траффик или большое число компьютеров, генерирующих медленный траффик.

Вариации Ethernet'а

Последние достижения в технологии сделали возможным создание Ethernetа, который нуждается в электрической изоляции коаксиального кабеля. Называемая Ethernet - витая пара, эта технология позволяет обычному Ethernetу со скоростью 10 Мбит/c передаваться по паре медных проводов, во многом похожих на те, которые используются для соединения телефонов. Преимущество использования витой пары состоит в том, что она дешевле и позволяет многим группам использовать существующие кабеля вместо установки новых.

Когда высокая пропускная способность не нужна, сеть может использовать Ethernet-подобную технологию, но работать на несколько меньших скоростях. Преимущество здесь в основном экономическое. Меньшие скорости означают более простое оборудование и меньшую цену. Одной из причин того, что более низкие скорости сети приводят к уменьшению ее цены, является то, интерфейсы требуют меньше буферной памяти и могут быть созданы на основе простых(и дешевых) интегральных микросхем.

Уменьшения цены можно также добиться, если высокоскоростные цифровые микросхемы соединить напрямую с кабелем, не используя трансивер. В этом случае Ethernet может быть создан с помощью стандартного коаксиального кабеля, такого, который используется для кабельного телевидения. Называемый Ethernet - тонкая пара, этот тонкий кабель является недорогим, но поддерживает меньшее число соединений и может работать только на более коротких расстояниях, чем стандартный Ethernet-овский кабель.

Производители рабочих станций обнаружили, что Ethernet-тонкий кабель особенно привлекателен из-за того, что они могут интегрировать Ethernet-овское оборудование в одноплатные компьютеры и смонтировать BNC-разъемы прямо в задней стенке машины. Не требуя специальных средств, BNC-разъемы делают возможным для пользователей присоединение их рабочих станций к Ethernet-у. Конечно, предоставление пользователям возможности добавлять их машины к сетям имеет свои недостатки. Это означает, что сеть будет чувствительной к разъединениям, неправильным соединениям кабелей, и другим ошибкам. Но в большинстве случаев преимущества перевешивают недостатки.

При другом методе уменьшения цены используется один физический кабель для передачи нескольких Ethernet-ов. Известная как широкополосная, эта технология работает аналогично широковещательному радио. Передатчик объединяет несколько Ethernet-ов в одном кабеле, назначая каждому Ethernet-у уникальную частоту. Приемники должны быть настроены на правильную частоту , чтобы они принимали только нужный сигнал и игнорировали остальные. Хотя оборудование, требуемое для присоединения к широковещательному кабелю, более дорогое, чем оборудование для соединения с обычным кабелем, при широковещании не нужно платить за прокладку нескольких кабелей.

5. Проектирование LAN. Топология локальных сетей

Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи. Важно отметить, что понятие топологии относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по собственному пути. Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, допустимые и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. И хотя выбирать топологию пользователю сети приходится нечасто, знать об особенностях основных топологий, их достоинствах и недостатках надо.

Существует три базовые топологии сети:

·  Шина (bus) — все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи. Информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Сетевая топология шина

·  Звезда (star) — к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует отдельную линию связи (рис. 1.6). Информация от периферийного компьютера передается только центральному компьютеру, от центрального — одному или нескольким периферийным.

Рис. 1.6. Сетевая топология звезда

·  Кольцо (ring) — компьютеры последовательно объединены в кольцо. Передача информации в кольце всегда производится только в одном направлении. Каждый из компьютеров передает информацию только одному компьютеру, следующему в цепочке за ним, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Сетевая топология кольцо

На практике нередко используют и другие топологии локальных сетей, однако большинство сетей ориентировано именно на три базовые топологии.

Прежде чем перейти к анализу особенностей базовых сетевых топологий, необходимо выделить некоторые важнейшие факторы, влияющие на физическую работоспособность сети и непосредственно связанные с понятием топология.

·  Исправность компьютеров (абонентов), подключенных к сети. В некоторых случаях поломка абонента может заблокировать работу всей сети. Иногда неисправность абонента не влияет на работу сети в целом, не мешает остальным абонентам обмениваться информацией.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6