Методы доступа к физической среде передачи

При использовании любой топологии, когда два компьютера начнут одновременно передавать данные, в сети происходит столкновение (коллизия) (рисунок 5.37).

Для решения этих проблем служат методы доступа – набор правил, по которым РС узнают, когда шина свободна, и можно передавать данные.

Рисунок 5.37 – Коллизия в сети

Наибольшее распространение при проектировании и построении ЛВС получили два метода доступа, зто:

· Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизии (CSMA/CD - Carrier-Sense Multiple Access and Collision Defection).

· Доступ с передачей маркера.

Алгоритм работы рабочей станции, а точнее ее сетевого адаптера при использовании первого метода доступа заключается в следующем:

1. Рабочая станция прослушивает канал, стремясь обнаружить чью-либо передачу данных.

2. Если слышит чью-либо передачу, ожидает ее окончания.

3. Если канал свободен, начинает передачу пакета.

4. При обнаружении коллизии во время передачи прекращает передачу.

5. Через случайный промежуток времени все повторяется (т.е. осуществляется переход к п. 1).

Компьютеры «прослушивают» канал, отсюда – контроль несущей. Чаще всего сразу несколько РС сети хотят передать данные, отсюда – множественный доступ. При передаче прослушивается канал с целью выявления коллизии – обнаружение коллизий.

CSMA/CD – состязательный метод, при котором РС конкурируют за право передачи данных по каналу. Он кажется достаточно громоздким, но современные CSMA/CD настолько быстры, что пользователи даже не замечают, что применяется состязательный метод.

Суть маркерного доступа заключается в том, что пакет особого типа (маркер) перемещается по замкнутому кругу, минуя по очереди все РС, до тех пор, пока его не получит тот, который хочет передать данные (рисунок 5.38а). Алгоритм взаимодействия рабочих станций ЛВС при использовании маркерного метода заключается в следующем:

1. Передающая рабочая станция изменяет состояние маркера на занятое и добавляет к нему пакет данных.

2. Занятый маркер с пакетом данных проходят через все РС сети, пока не достигнет адресата.

3. После этого, принимающая РС посылает передающей сообщение, где подтверждается факт приема.

4. После получения подтверждения, передающая РС создает новый свободный маркер и возвращает его в сеть (рисунок 5.238б).

На первый взгляд кажется, что передача маркера занимает много времени, однако на самом деле он перемещается с очень большой скоростью.

Рисунок 5.38 – Маркерный доступ : а) занятый маркер, б) свободный маркер

В кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10000 оборотов в секунду.

Рассмотренные методы доступа широко используются в современных сетевых технологиях. Они реализуются на аппаратном уровне в платах сетевых адаптеров того или иного сетевого стандарта. Первый из рассмотренных метод используется в сетевой технологии Ethernet, второй – в Token Ring и ArcNet.

Заключение

Изложенный в курсе лекций материал по дисциплине «Вычислительные машины системы и сети» является базовым для понимания основных принципов построения и функционирования современных компьютерных систем, промышленных контроллеров и локальных вычислительных сетей.

Полученные при изучении данной дисциплины знания в первую очередь необходимы студентам для качественного изучения и освоения таких дисциплин как «Распределенные системы», «Интегрированные системы управления». Кроме того сведения, почерпнутые из курса лекций, позволяют уверенно ориентироваться в огромном разнообразии электронных устройств, претендующих на название «компьютер», от однокристальных микропроцессоров до суперкомпьютеров.

Сведения , полученные при изучении материала курса, дают ясное понимание того, что возможности вычислительной техники использующих на традиционную архитектуру и классические электронные элементы подходят к своему пределу, так технология микропроцессоров уже приближается к фундаментальным ограничениям.

Следуя закону Мура, к 2010-2020 годам размеры транзистора должны уменьшиться до четырех-пяти атомов. Рассматриваются многие альтернативы, но, если они не будут реализованы в массовом производстве, закон Мура перестанет работать. Этот закон гласит, что плотность транзисторов в микросхеме удваивается каждые полтора года, и все последние 20 лет он выполнялся. Если в начале нового столетия рост производительности микропроцессоров прекратится, в вычислительной технике наступит стагнация. Но возможно, что вместо этого произойдет технологический скачок с тысячекратным увеличением мощности компьютеров.

К технологиям, способным экспоненциально увеличивать обрабатывающую мощность компьютеров, следует отнести молекулярные или атомные технологии; ДНК и другие биологические материалы; трехмерные технологии; технологии, основанные на фотонах вместо электронов, и, наконец, квантовые технологии, в которых используются элементарные частицы.

Если на каком-нибудь из этих направлений удастся добиться успеха, то компьютеры могут стать вездесущими. А если таких успешных направлений будет несколько, то они распределятся по разным нишам. Например, квантовые компьютеры будут специализироваться на шифровании и поиске в крупных массивах данных, молекулярные - на управлении производственными процессами и микромашинах, а оптические - на средствах связи.

Возможности современного производства пока не позволяют наладить недорогое массовое изготовление подобных устройств. Однако многие ученые уверены в том, что решение будет найдено. Например, эффективность "генетических чипов" удалось повысить (а стоимость - понизить) благодаря использованию других чипов, содержащих почти полмиллиона маленьких зеркал, первоначально они предназначались для оптических систем связи.

В наступающем веке вычислительная техника сольется не только со средствами связи и машиностроением, но и с биологическими процессами, что откроет такие возможности, как создание искусственных имплантантов, интеллектуальных тканей, разумных машин, "живых" компьютеров и человеко-машинных гибридов. Если закон Мура проработает еще 20 лет, уже в 2020 году компьютеры достигнут обрабатывающей мощности человеческого мозга 20 000 000 миллиардов операций в секунду. А к 2060 году компьютер сравняется по силе разума со всем человечеством.

Однако для этого вычислительная техника будущего столетия должна вобрать в себя некоторые новейшие технологии. И они уже существуют - пока лишь в научных лабораториях.

Квантовые компьютеры

Квантовый компьютер будет состоять из компонентов субатомного размера, и работать по принципам квантовой механики. Квантовый мир обладает странными свойствами: объекты в нем могут занимать несколько положений одновременно. Но именно эта странность и открывает новые возможности. Например, один квантовый бит может принимать несколько значений одновременно, то есть находиться сразу в состояниях "включено", "выключено" и в переходном состоянии. 32 таких бита, называемых q-битами, могут образовать свыше 4 млрд. комбинаций - вот истинный пример массово-параллельного компьютера. Однако, чтобы q-биты работали в квантово устройстве, они должны взаимодействовать между собой. Пока ученым удалось связать друг с другом только три электрона.

Уже есть несколько действующих квантовых компонентов - как запоминающих, так и логических. Теоретически квантовые компьютеры могут состоять из атомов, молекул, атомных частиц или "псевдоатомов" - искусственно созданных ячеек для "отлова" электронов. Ряд таких ячеек может служить проводником электронов, так как новые электроны будут выталкивать предыдущие в соседние ячейки. Компьютеру, построенному из таких элементов, не потребуется непрерывной подачи энергии! Однажды занесенные в него электроны больше не покинут систему.

Насколько близко мы подошли к действующему квантовому компьютеру? Прежде всего, необходимо создать элементы проводников, памяти и логики. Кроме того, эти простые элементы нужно заставить взаимодействовать друг с другом. Наконец, нужно выстроить узлы в полноценные функциональные чипы и научиться тиражировать их. Оптические компьютеры

По сравнению с тем, что обещают молекулярные или биологические компьютеры, оптические ПК могут показаться не очень впечатляющими. Однако ввиду того, что оптоволокно стало предпочтительным материалом для широкополосной связи, всем традиционным кремниевым устройствам, чтобы передать информацию на расстояние нескольких миль, приходится каждый раз преобразовывать электрические сигналы в световые и обратно.

Целиком оптические компьютеры появятся через десятилетия, но работа в этом направлении идет сразу на нескольких фронтах. Например, ученые из университета Торонто создали молекулы жидких кристаллов, управляющие светом в фотонном кристалле на базе кремния. Они считают возможным создание оптических ключей и проводников, способных выполнять все функции электронных компьютеров.

Однако прежде чем оптические компьютеры станут массовым продуктом, на оптические компоненты, вероятно, перейдет вся система связи. В ближайшие 15 лет оптические коммутаторы, повторители, усилители и кабели заменят электрические компоненты.

Биокомпьютеры

Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки. Пока это чашка Петри, наполненная спиралями ДНК, или нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам. По существу, наши собственные клетки - это не что иное, как биомашины молекулярного размера, а примером биокомпьютера, конечно, служит наш мозг.

Ихуд Шапиро из Вейцмановского института естественных наук соорудил пластмассовую модель биологического компьютера высотой 30 см. Если бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул, его размер был бы равен размеру одного из компонентов клетки - 0,000025 мм.

Билл Дитто из Технологического института штата Джорджия провел интересный эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи. Вероятно, биологические компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, в отличие от кремниевых устройств, смогут искать нужные решения посредством самопрограммирования. Дитто намерен использовать результаты своей работы для создания мозга роботов.

Молекулярные компьютеры

Недавно компания Hewlett-Packard объявила о первых успехах в изготовлении компонентов, из которых могут быть построены мощные молекулярные компьютеры. Ученые из НР и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе объявили о том, что им удалось заставить молекулы ротаксана переходить из одного состояния в другое - по существу, это означает создание молекулярного элемента памяти.

Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей, способных выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Весь такой компьютер может состоять из слоя проводников, проложенных в одном направлении, слоя молекул ротаксана и слоя проводников, направленных в обратную сторону. Конфигурация компонентов, состоящих из необходимого числа ячеек памяти и логических ключей, создается электронным способом. По оценкам ученых НР, подобный компьютер будет в 100 млрд. раз экономичнее современных микропроцессоров, занимая во много раз меньше места.

Сама идея этих логических элементов не является революционной: кремниевые микросхемы содержат миллиарды точно таких же. Но преимущества в потребляемой энергии и размерах способны сделать компьютеры вездесущими. Молекулярный компьютер размером с песчинку может содержать миллиарды молекул. А если научиться делать компьютеры не трехслойными, а трехмерными, преодолев ограничения процесса плоской литографии, применяемого для изготовления микропроцессоров сегодня, преимущества станут еще больше. Первые опыты с молекулярными устройствами еще не гарантируют появления таких компьютеров, однако массовое производство действующего молекулярного компьютера вполне может начаться где-нибудь между 2007 и 2015 годами.

Что дальше?

Термин "квантовый скачок" означает, что в квантовом мире изменения происходят не постепенно, а скачками. К началу двадцатых годов XXI века, если не раньше, подобный скачок произойдет и в вычислительной технике: к тому времени мы перейдем от традиционных кремниевых полупроводников к более совершенным технологиям.

Результатом станут намного более компактные, быстродействующие и дешевые компьютеры. Появится возможность наделять любые промышленные продукты определенными интеллектуальными и коммуникационными способностями. Банка кока-колы, помещенная в холодильник, на самом деле будет саморегистрироваться в его сети; предметы - автоматически упорядочиваться.

Каждый человек ежесекундно будет пользоваться Интернетом, хотя за большинством обращений к нему будут следить его электронные персональные агенты, автоматически отвечая на вызовы или переадресовывая их в службу передачи сообщений.

К 2030 году может начаться распространение вживленных устройств с прямым доступом к нейронам. Ближе к середине столетия в мире киберпространства будут царить микро- и наноустройства (интеллектуальная пыль). К тому времени Интернет будет представлять собой отображение почти всего реального мира. Причем разрешение изображений, учитывая вероятные размеры емкости запоминающих устройств того времени, будет очень высоким.

Надев на себя шлем виртуальной реальности, можно будет совершить полноценный круиз в любой уголок земного шара, не покидая своей квартиры. А если кто-нибудь, скажем, из Рима, захочет нанести вам визит через Сеть, вы сможете открыть для него (и для всего мира) свое собственное изображение реального времени. Таким образом грань между кибер- и реальным пространством начнет исчезать.

На биологическом фронте исследования в области клетки приближают возможность замены тканей или органов, включая нейроны, которые раньше считались незаменимыми. Более того, клетки и ткани можно будет наделять способностями обработки и передачи данных. Подобный контроль над живыми процессами дает надежду на увеличение продолжительности жизни: ученые не видят принципиальных препятствий к тому, чтобы люди жили по несколько сотен лет.

Пока здравый смысл не приспособился к переменчивому технологическому миру, это будущее кажется чуждым такому знакомому современному миру. Путешествие во времени может завести и в рай, и в ад, но, во всяком случае, скучным его не назовешь.

1.

* Интегральная микросхема — это электронная схема, выполненная на полупроводниковом кристалле. В больших ИС элементы так плотно упакованы, что все электронное оборудование компьютера 1-го поколения занимавшего зал площадью 100-150 м², размещается в одном микропроцессоре площадью 2 - 6 см². Расстояния между активными элементами в БИС составляют 0,09-0,25 микрона (для сравнения, толщина человеческого волоса составляет несколько десятков микрон).

* MIPS миллион операций в секунду над числами с фиксированной запятой