|
Реферат: Интерактивные графические системы (Компьютеры)
Модели машинной графики
Системы машинной графики отображают отработанную информацию о
процессах или объектах в виде синтезированного отображения на экране
дисплея или другой экранной плоскости. Для систем машинной графики
источником входной информации является не сами физические процессы, а их
математические модели. Такие модели в общем случае представляют
упорядоченную совокупность данных, числовых характеристик, параметров,
математических и логических зависимостей, отображающих структуру, свойства,
взаимосвязи и отношения между элементами объекта, а также между объектом и
его окружением.
Модели как правило являются обобщенными, предназначенными для описания
класса объектов. Индивидуальный объект описывается вводом конкретных
значений параметров системы.
Изображение, которому ставится в соответствие моделируемый аналог
называется оригиналом.
При оценке степени соответствия синтезированного изображения и
оригинала будем использовать три уровня подобия:
1. физическое
2. психофизическое (физиологическое)
3. психологическое
Физическое подобие устанавливается на уровне трех групп характеристик:
1. геометрических ( пространственных )
2. яркостных ( энергетических )
3. временных
При физически точном подобии эти характеристики синтезированного
изображения должны либо полностью соответствовать оригиналу, либо быть ему
пропорциональными.
При психофизическом уровне подобия соответствие устанавливается на
уровне зрительных ощущений. В силу ограниченных возможностей зрительного
аппарата при некотором уровне искажений наблюдатель не ощущает разницу
между синтезированным изображением и оригиналом.
Психологическое подобие предполагает, что по общему восприятию
синтезированное изображение и оригинал являются схожими. В следствии этого
синтезированное изображение обеспечивает формирование наблюдателя вполне
определенного суждения о реальном или сюжете, хотя синтезированное
изображение существенно отличается от оригинала по физическим
характеристикам.
Пример
Задача, решаемая на уровне психологического подобия:
формирование трехмерных контурных изображений ( чертежей),
выполненных в выбранной аксонометрической проекции.
Необходимость синтеза изображения на уровне синтеза физического и
психофизического подобия возникает при решении следующих задач:
4. имитация визуального наблюдения обстановки в видео-тренажерах
5. создание банков эталонных изображений автоматического распознавания
систем
6. оценка внешнего вида и эстетических свойств проектируемых изделий или
объектов.
В обобщенном виде процедуру синтеза изображения можно представить
следующей формулой:
Gси=Aмг ( Gмод ,
где соответственно
Gмод - модель наблюдаемого объекта ( сцены )
Aмг - оператор преобразования (обрабатываемая программа системы
машинной графики)
Gси - двумерное изображение, сформированное системой
Синтезированное изображение сопоставляется с оригиналом при визуальной
или аппаратурной съемке.
Gор=Gвиз=Aвиз(Gо
Gор=Gвых=Aс(Gо,
где соответственно
Gо - поле излучения объекта,
Aвиз, Aс - соответственно операторы преобразования при визуальном
наблюдении в съемочной аппаратуре,
Gвиз, Gвых - соответственно изображение, полученное при визуальном
наблюдении или съемке,
Gор - изображение - оригинал.
При физическом уровне подобия оригинал и синтезированное изображение
должны быть идентичны:
Gор ( Gси
Текстура изображения
Под текстурой понимают специфические изменения тона (цвета) в
изображении объекта или некоторой его части.
К текстуре относятся также наличие характерных линий на изображении.
Синонимами термина текстура являются узор, рисунок, фактура.
Виды текстуры
1. Упорядоченная. Изменение тона в виде правильных или почти правильных
геометрических рисунков (кирпичная кладка, кафельная облицовка, шахматный
рисунок).
1. Стохастическая ( случайная ). Присуща естественным объектам и как
правило является следствием шероховатости поверхности.
Один из основных принципов формирования текстуры - перенос регулярного
или стохастического рисунка на поверхность объекта.
Для нанесения рисунка решается задача преобразования систем координат.
Если рисунок задан в пространстве текстуры в системе координат (U, W), а
поверхность в ((,(), то для переноса рисунка определяется функция
отображения одного пространства на другое, т.е. определяется соотношения :
(=f ( U,W )
(=g ( U,W )
U=( ( (,( )
W=s ( (,( )
В большинстве практических случаев такие преобразования линейны, а
коэффициент преобразований может быть вычислен из соотношений между
известными точками в системах координат. Характерные точки узора из
пространства текстуры переносятся в объектное пространство. Затем в
пространство изображений и определенным образом соединяются линии рисунка.
В процедурах нанесения узоров часто используются фрагментирование как
узоров, так и поверхностей.
При переносе на поверхность предмета текстуры, представляющей
непрерывное регулярное или случайное поле яркости наиболее подходящим
является метод обратного трассирования лучей. Центр пикселя изображение
проецируется на поверхность предмета и по координатам точки на поверхности
определяется соответствующая ей точка в пространстве текстуры. Для
устранения эффектов, вызванных пространственной дискретизацией используются
процедуры сглаживания. Одной из возможных процедур сглаживания является
трассирование четырех точек, соответствующим углам пикселя и использования
среднего значения яркости текстуры для этих четырех точек. Использование
четырех точек пикселя позволяет оценить достаточность процедуры
сглаживания, если разность яркостей для выбранных четырех точек больше
заданного порога, есть возможность произвести разбиение пикселя на четыре
части и вычислить для него яркость более точно.
Для синтеза стохастических текстур предпочтительными считаются авто
регрессионная модель и модели с использованием методов линейного
программирования. Синтез осуществляется с использованием статистических
характеристик текстур прототипов:
плотность вероятности
автокорреляционной функции.
Для определения плотности вероятности в пределах некоторого окна
измеряют гистограмму, и для ее отображения используют первые четыре
момента(среднее, стандартное отклонение, асимметрия, коэффициент эксцесса
).
Форму автокорреляционной функции выражают через ее четыре центральных
пространственных момента. В результате такой обработки формируется восьми
мерный вектор признаков текстуры.
Примечание: стохастические текстуры, синтезированные на основе
прототипов хорошо моделируют естественные шероховатые поверхности, если они
обладают сравнительно не большой кривизной.
Для поверхностей со значительной кривизной ( шар, эллипсоид ), перенос
на них даже стохастической текстуры не обеспечивает реалистического вида.
Причина этого в том, что текстура, сформированная без учета формы объекта
не передает изменение освещенности, обусловленной рельефом поверхности. Для
реальных шероховатых поверхностей вектор нормали содержит небольшую
случайную составляющую, которая определяет характер изменения освещенности
в изображении. Для получения изображения, близкого к реалистичному этот
фактор необходимо смоделировать.
N - нормаль к исходной поверхности определяется векторным
произведением
N=Q(u (Q(w , где Q(u ,Q(w - частные производные функции
поверхности Q по направлениям U и W.
Нормаль N( к возмущенной поверхности при малом возмущении F(U,W)
вычисляется по формуле:
N(= N+Fu (N Q(w)((N( + Fw (Q(u N)((N(,
где Fu , Fw - сечение функции F в данной точке по направлениям
соответственно U и W.
В качестве функции F могут быть использованы как аналитические
функции, так и заданные в виде массива. В частности в виде массива можно
задать стохастическую текстуру.
Примечание: изображение при использовании данного метода отображения
шероховатых поверхностей приобретает вид, чрезвычайно близкий к
реалистичному, однако объем вычислений для алгоритма возмущения нормали
примерно в 4-5 раз больше, чем при изображении текстуры без учета рельефа.
Аналогичные методы возмущения используют для придания естественного
вида цветным поверхностям. К исходному цвету добавляется случайная или
псевдослучайная составляющая другого цвета, точки поверхности приобретают
цвет, являющийся интерполяцией между двумя крайними цветами. Метод
применяется для моделирования поверхностей из гравия, цемента и т.д. Для
моделирования наиболее сложных поверхностей, содержащих существенные
нерегулярности (каменные осыпи, деревья, облака и т.д.) используются
фронтальные поверхности, состоящие из случайно заданных полигональных или
биполигональных фрагментов.
Моделирование энергетических преобразований в системах
формирования изображения
Первое звено, осуществляющее преобразование лучистого потока от
элементов сцены - это оптическая система, которая формирует первичное
изображение на светочувствительной поверхности преобразователя.
Геометрические и энергетические характеристики первичного изображения,
определяются на основе геометрической оптики, в соответствии с которой
первичное изображение можно рассматривать как центральную проекцию
наблюдаемой сцены на картинную плоскость.
Центральная проекция обеспечивает точное моделирование процессов
геометрических и энергетических преобразований, но не позволяет передавать
мелкую структуру изображения поскольку сам принцип центральной проекции не
предусматривает учета дифракции, аберраций и прочих явлений, приводящих к
размытию изображений.
При анализе энергетических преобразований и определения освещенности
изображения в картинной плоскости полагаем, что расстояние от наблюдаемой
сцены до объектива оптической системы много больше фокусного расстояния
системы, а угловая ширина индикатрисы излучения любого участка наблюдаемых
поверхностей существенно превышает угловой размер входного зрачка оптики из
любой точки пространства предметов.
Для определения освещенности первичного изображения воспользуемся
методами центральной проекции (рис.1).
[pic]
Рис.1 Геометрическая схема для определения освещенности первичного
изображения
Элементу dS на поверхности наблюдения соответствует элемент dS( в
картинной плоскости. Так как проективное преобразование оптической системы
является центральным, то угол dw, опирающийся на площадку dS, равен углу
dw( в пространстве изображений. Отсюда следует
dS cos (( /(H2/cos2 (() = dS( cos w/(f2/cos2w) (*)
Лучистый поток, собираемый системой от элемента dS, составляет
dФ = L dS cos (( d( (ос(ср (**)
где d( - телесный угол, образуемый косинусом лучей, поступающих от точки
объекта в оптическую систему;
(ос= k(w) (опт - коэффициент ослабления излучения оптической системы,
равный произведению коэффициента виньетирования k(w) и коэффициента
пропускания оптики (опт
(ср - пропускание слоя среды между объектом и оптической системой
Учитывая, что d( = Sопт cos w/(H2/cos2 (()=(D2опт cos w cos2 ((/(4 H2),
получаем
dФ = (D2опт L cos w cos3 (( k(w) (ос(срdS/(4H2) (***)
Величина освещенности в плоскости первичного изображения определяется
следующим образом : Eиз = dФ/dS(=(D2опт L cos w cos3 (( k(w) (ос(ср dS/(4H2
dS()
Т.к. согласно (*) dS/dS(= cos3w cos-3 (((H/f)2, то окончательно получаем
Eиз = (/4 (Dопт/f)2 L k(w) (опт (ср cos4w (****)
Описание геометрических форм
Описание поверхностей
Параметрическое описание поверхностей
Поверхности, заданные в форме
Х = Х(u,t) где u,t - параметры, изменяющиеся в
Y = Y(u,t) заданных пределах,
Z = Z(u,t),
относятся к классу параметрических. Для одной пары значений (u,t)
вычисляется одна точка поверхности.
Параметрическое задание плоскостей.
Плоскость, проходящая через точку r0 =(х0,y0,z0) и векторы
[pic]исходящие из этой точки определяются уравнением:
[pic][pic]
или
[pic][pic]
Данное уравнение описывает прямоугольник со сторонами, равными [pic]и
[pic], если [pic] , а u,t([0,1]. Нормаль к поверхности можно получить,
вычислив векторное произведение: [pic]
Эллипсоид
Каноническое уравнение:
[pic] a, b,c- длины полуосей эллипсоида
Параметрическое задание:
x ( a cos(cos( где ( - долгота , ( - ширина
y ( b cos(cos(
z ( c sin(
Нормаль к поверхности эллипсоида определяется:
[pic]
Общие случаи нормали к поверхности
[pic] [pic]
[pic]
Пример: Описание тороида
[pic] (, u ( [0 , 2(]
где a- радиус кольцевого «баллона» тороида и R - расстояние от центра
тороида до оси «баллона».
Преимущества параметрического описания поверхности :
1. Важным преимуществом параметрического описания поверхностей является
возможность передачи очень сложных геометрических форм, описание
которых другими методами затруднительно.
2. Параметрическое описание поверхности приспособлено к физическим
процессам управления резцом в станках с числовым программным
управлением. Резец вытачивает деталь, двигаясь в пространстве по
закону, заданному параметрическим описанием.
3. Параметрический подход единственно приемлемый для моделирования
сложных, гладких участков поверхностей при помощи сплайновой
аппроксимации.
Недостаток параметрического описания поверхности:
Параметрическое описание предусматривает, что исходной позицией луча,
строящего изображение, является точка на объекте, что затрудняет применение
алгоритмов синтеза изображений с иной начальной позиции луча. Например:
алгоритм трассировки лучей. Это свойство ограничивает изобразительные
возможности: ограничено моделирование теней, передача прозрачности и
зеркального отображения соседних объектов.
Описание поверхностей неявными функциями
Поверхности описываются функцией вида f(X,Y,Z)=0, где X,Y,Z -
координаты из пространства объекта.
Наиболее распространены функции первой и второй степени, существуют
аналитические методы для решения уравнений третей и четвертой степени,
однако они применяются редко.
AX+BY+CZ+D=0 описывает плоскость
AX2+BY2+CZ2+2DXY+2EYZ+2GX+2HY+2JZ+K=0 в зависимости от значений
коэффициентов можно описывать пары плоскостей (вырожденный случай), конусы,
гиперболоиды, параболоиды и эллипсоиды.
Пример: Неявная форма задания поверхностей хорошо приспособлена для
твердотельного или объемного описания объектов. Неявная форма хорошо
сочетается с алгоритмами трассировки лучей т.к. легко определяются взаимное
положение точки и поверхности такого типа, а также точки пересечения прямой
и поверхности.
Поточечное описание поверхностей.
Метод заключается в задании поверхности множеством принадлежащих ей
точек. Следовательно качество изображения при этом методе зависит от
количества точек и их расположения.
Поточечное описание применяется в тех случаях, когда поверхность очень
сложна и не обладает гладкостью, а детальное представление геометрических
особенностей важно для практики.
Пример: Участки грунта на других планетах, формы небесных тел,
информация о которых получена в результате спутниковых съемок.
Микрообъекты, снятые с помощью электронных микроскопов.
Исходная информация о поточечно описанных объектах представляется в
виде матрицы трехмерных координат точек.
Синтез изображений методом обратной трассировки лучей
Трассировка лучей связана с моделированием геометрического пути
каждого светового луча, участвующего в построении изображения. Трассировка
лучей - моделирование лучевой оптики, применительно к задачам компьютерной
графики.
Основная идея метода
ЭВМ повторяет все геометрические преобразования, происходящие с каждым
световым лучам на пути источник - объект - приемник. Хотя бесконечное
количество, для построения изображения достаточно ограничится рассмотрением
тех лучей, которые попадают в центр рецептора или исходящих из
ограниченного числа точек на изображаемую поверхность. Подобно некоторым
разделам геометрической оптики при компьютерном моделировании реальный ход
лучей в объективах не анализируется. Для построения изображения используют
кординальные элементы оптической системы (главная и фокальная точки, а
также соответствующие плоскости).
В соответствии с принципами геометрической оптики сопряженные точки в
пространстве предметов и изображений лежат на прямой, проходящей через
заднюю главную точку оптической системы. На основании закона обратимости
можно синтезировать путь луча как в направлении объект - изображение, так и
в обратном. Отсюда различия между прямой и обратной трассировкой лучей.
[pic]
При прямой трассировке за исходную позицию берется вычисляемая на
изображаемой поверхности точка 1, из нее моделируется путь луча на источник
света 2 и на приемник изображения - точка 3.
При обратной трассировке берется центр рецептора 1 на приемнике
изображения и моделируется путь луча на объект 2 и далее на источник света
- точка 3.
Система координат, применяемая в методе обратной трассировке лучей
Сцена - совокупность изображаемых объектов, включая при необходимости
поверхность основания.
Система координат сцены - правая прямоугольная система координат,
общая для всей сцены Xc Yc Zc.
Объект - совокупность точек пространства, объединенных функциональной
общностью с точки зрения конкретно-целевой задачи.
Соответственно для каждого объекта вводится своя правая прямоугольная
система координат XYZ.
Экранная система координат - система координат X1Y1Z наблюдательной
системы. Данная система координат выбирается левой.
[pic]
По аналогии c физическими устройствами ось z соответствует главному
лучу объектива, плоскость xy - задней фокальной плоскости, а центр проекции
F располагается на оси OZ в точке (0,0,f) и сопоставляют с задней главной
точкой объектива.
Модель приемника света
Так как исходной позицией для трассировки луча является центр
рецептора, то алгоритм начинает работу с определения пространственного
расположения всех рецепторов .
[pic]
В плоскости xoy экранной системы располагается матрица точечных
приемников, где c( и d( шаг сетки рецепторов по оси x и y. Координаты
рецептора (xij, yij,0) могут быть вычислены на основании его индексов:
xij = c((j- J/2 -1/2)
yij = d((I/2-i+1/2), где I,J - максимальное значение соответствующих
индексов
Преобразование координат из экранной системы в объектную
xyz(XYZ
[X,Y,Z,1]=[x,y,z,1] M(
M( - матрица порядка 4, являющееся обратной матрице M, связывающей
объектную правую и экранную левую системы.
[pic]
[pic]
[pic]
Модель объекта
Примитивы
В методе обратной трассировки лучей трехмерные объекты выгодно
представлять в виде отдельных строительных блоков, поверхности которых
можно описать кривыми первого и второго порядка.
Определение: Функциональным объемом называется некоторая часть
пространства (не обязательно конечная), охватываемая поверхностью одной
функции. Принадлежащим телу объекта считается подпространство, выделяемое
поверхностью f (x,y,z)=0 в любой точке которого, значение скалярного поля f
(x,y,z)>0. Такое подпространство именуется положительным.
Определение: Объемный примитив - конечный участок пространства,
ограниченный одной или несколькими функциональными поверхностями.
Определение: Плоский примитив - часть плоскости, ограниченная
замкнутой линией, состоящей из конечного числа прямолинейных или
криволинейных участков.
К структуре примитива относятся неизменное количество ограничивающих
его поверхностей и вид функций, описывающих эти поверхности. Изменение
формы примитива может достигаться варьированием параметров функций.
Пространственные комбинации примитивов
Из комбинаций примитивов образуются более сложные примитивы,
называемые строительными блоками. Над примитивами определены следующие
пространственные комбинации:
объединения
пересечения
исключения
Формализованная модель объекта
Любой пространственный объект, образованный комбинацией примитивов
может быть описан древовидной структурой, корнем которого является сам
объект, вершинами - примитивы, а в узлах ветвей помещаются операции
пространственных комбинаций.
Взаимное положение объекта
Взаимное положение характеризуется через функции принадлежности
((x,y,z;Ф),
где x,y,z - координаты точки, Ф - обозначение примитива, объекта или
фигуры. Соответственно функция:
[pic]
Пусть примитив Ф состоит из k уравнений [pic], тогда
[pic]
Определение видимых и затененных точек
Для определения освещенности изображения устанавливается видимость для
каждого рецептора, ориентация нормали для видимых точек, их отражательную
способность и т.д.
Пересечение светового луча с примитивом
Пусть примитив d-ый содержит Kd поверхностей, которые организованны
по правилу положительности внутренней области, тогда для определения всех
точек пересечения прямой, исходящей из ij рецептора через центр проекции F
и d-ого примитива необходимо решить Kd систему уравнений следующего вида:
[pic]
Для каждой из таких систем возможны 3 случая:
система не имеет решений
одно или больше количество пересечений (счетное число пересечений)
бесконечное число пересечений (если луч лежит на поверхности)
Все точки решения принадлежат поверхности примитива.
Точка, принадлежащая некоторой поверхности, входящей в описание
примитива, принадлежит поверхности примитива, если для всех остальных
поверхностей точка находится в неотрицательной части поверхности.
Возможен случай, когда исследуемый луч проходит через границу смежных
объектов примитива. Для разрешения этой проблемы отбираются две точки
фактического перемещения луча и выпуклого примитива. Из всех возможных
претендентов выбираются ближайшая и самая удаленная точки. В общем случае
должны выполнятся условия:
1) (X1-XF)2 + (Y1-YF)2 + (Z1-ZF)2 ( (XB-XF)2 + (YB-YF)2 + (ZB-ZF)2
2) (X2-XF)2 + (Y2-YF)2 + (Z2-ZF)2 ( (XB-XF)2 + (YB-YF)2 + (ZB-ZF)2 ,
где (X1, Y1, Z1) - ближайшая точка
(X2, Y2, Z2) - самая удаленная точка
B - текущий номер точки действительного пересечения луча с
примитивом.
Информация о пересечении луча с d-м примитивом представляется в виде
матрицы координат точек пересечения:
[pic]
и матрицы номеров поверхностей, которым принадлежат точки X1Y1Z1 и X2Y2Z2
:
[pic]
Алгоритм определения точек пересечения прямой и примитива
1. Устанавливаем kd=1
( k - номер обрабатываемой поверхности в примитиве d)
Устанавливаем FLAG=0
(индикатор отсутствия (0) или наличия (1) решений)
2. Решается система (*)
3. Если решений нет, то увеличиваем kd на 1 (до тех пор, пока kd ( Kd )
и возврат на шаг 2.
4. Если решения есть (в общем случае [pic] решений), то устанавливаем
[pic](где [pic]- номер текущего решения поверхности под номером kd)
5. Для всех Kd поверхностей, кроме kd проверяют условие : [pic] (где (
- текущий номер поверхности в d-ом примитиве)
6. Если условие не выполняется, то увеличиваем [pic]на 1 (пока [pic]) и
возврат на шаг 5.
7. Если условие 5 выполнено и FLAG=0, то точка [pic]размещается в две
первые строки матрицы d, а в две первые строки матрицы WHO заносится
номер kd.
8. Если условие 5 выполнено и FLAG=1, то
(**) точка [pic]ближе к точке (XF, YF, ZF), чем точка, находящаяся в
первой строке матрицы T.
(***) точка [pic]дальше от точки (XF, YF, ZF), чем точка, находящаяся
во второй строке матрицы T.
[pic]
9. FLAG=1, увеличиваем kd на 1 (пока kd ( Kd) и возврат на шаг 2.
Пересечение луча с комбинацией примитива.
Когда задача определения точек пересечения луча с примитивами решена,
в полученной совокупности необходимо выделить точку, ближайшую к
наблюдателю, т. е. видимую. Для этого все матрицы WHO и матрица Т для
каждого из примитивов сводятся в единые блочные матрицы WHO и Т.
[pic]
Матрица Т переформируется таким образом, чтобы в её первой строке
помещалась точка, ближайшая к источнику луча, порядок остальных точек может
быть произвольным. Синхронно сортируется матрица WHO для того, чтобы не
терялась связь между точкой и конкретной поверхностью. Когда таким образом
выделена ближайшая точка (XБ, YБ , ZБ) следует проверить её принадлежность
к поверхности объекта. Для этого оценивается положение точки относительно
каждого из примитива объекта. Положение точки и каждого примитива
определяется функцией принадлежности, а относительно положения точки (XБ,
YБ , ZБ) и объекта О = f ( П1, . . , ПD ), устанавливается путём попарной
проверки функции принадлежности ( (XБ, YБ , ZБ, ПD ) и функции d = 1(1)D
( d = 1. . D
Пример:
[pic]
O = ( П1 ( П2 ) ( П3
Световой луч пересекает объект в точках с 1 по 6, ближайшей к
источнику луча является точка 1. Функция принадлежности этой точки:
( ( X1, Y1, Z1, П1 ) = -1
( ( X1, Y1, Z1, П2 ) = 0
( ( X1, Y1, Z1, П3 ) = -1
( ( X1, Y1, Z1, П1 ( П2 ) = -1
( ( X1, Y1, Z1, ( П1 ( П2 ) ( П3 ) = -1
Таким образом точка 1 будучи ближайшей к источнику луча не является
видимой, так как находится вне объекта.
Если ближайшая точка не находится на поверхности объекта ( см. пример
), она исключается из дальнейшего рассмотрения. Среди оставшихся точек
снова выделяются ближайшие и процесс продолжается до тех пор, пока либо не
исключатся все точки, либо не будет найдена точка, одновременно и
ближайшая, и принадлежащая объекту, так как матрицы WHO и Т перестраивались
синхронно, то номера поверхности и примитива для видимой точки
прочитываются из первой строки матрицы WHO.
Если объект и прямая заданы в объектной системе координат, то наиболее
общий критерий к ближайшей точке
( ХF - ХБ )2 + ( YF - YБ )2 + ( ZF - ZБ )2 (( ( ХF -Xn )2 + (YF - Yn )2 +
( ZF - Zn )2
для любого n.
В частных случаях критерий может быть упрощен:
(XБ, YБ , ZБ) : abs (ХF - ХБ ) (( abs ( ХF -Xn ) для ( n
(XБ, YБ , ZБ) : abs (YF - YБ ) (( abs (YF - Yn ) для ( n
(XБ, YБ , ZБ) : abs ( ZF - ZБ ) (( abs ( ZF - Zn ) для ( n
Применение упрощенных критериев оправдано в том случае, когда априорно
известно не параллельность любого светового луча плоскостям Yz, Xz и XY.
Например: последний критерий может быть использован при моделировании
аэрофотосъёмки.
Определение затенённых точек.
Точки объекта видимые рецепторами подразделяются на два класса:
- точки, освещённые прямым светом;
- точки, находящиеся в тени.
Алгоритм вычисления освещённости для этих классов существенно
различен. Поэтому для каждой видимой точки устанавливается признак
освещённости(затенённости. Идея решения данной задачи основана на следующем
факте: видимая точка освещена (находится на свету), если её не закрывают от
источника света другие поверхности или эта точка является ближайшей к
источнику света, среди всех остальных, лежащих на световом луче.
[pic]
Для определения затенённости точки (XБ, YБ , ZБ) необходимо провести
световой луч из источника света на видимую точку и найти точки пересечения
этой прямой со всеми поверхностями, входящими в состав объекта. Поскольку
объект состоит из примитивов, то первоначально определяется пересечение
луча с поверхностью каждого примитива. Если примитив содержит K
поверхностей вида fk (X,Y,Z) = 0, (k = 1,K), то K раз решается система:
X - XB Y - YB
Z - ZB
------------- = ------------- = ------------
XSUN - XB YSUN - YB ZSUN -
ZB'
fk (X,Y,Z) = 0
Затем среди множества решений отбирают действительное, а среди них
точку, ближайшую к источнику света и лежащую на поверхности объекта.
Примечание: Алгоритм определения затенённости идентичен алгоритму
определения видимости, но точка центра проектирования заменяется на точку
источника излучения, а точка центра рецептора на видимую точку. Если
видимая из рецептора точка является ближайшей к источнику света, то она
освещена прямыми лучами.
Проведя данные вычисления для всех I*J рецепторов удаётся получить
информацию о координатах видимой из каждого рецептора точки (XB , YB ,
ZB)ij, о номере примитива, номере функции поверхности, которой принадлежит
точка и признак затенённости / освещённости.
Примечание: При неизменном ракурсе нет необходимости каждый
раз вновь определять видимые точки, при перемещении источника света.
Координаты видимых точек остаются неизменными. Пересчитывается только
признак освещённости.
Реферат на тему: Интернет
Основы работы в Internet
Д. Бутянов.
Содержание
Краткое историческое введение 4
Что составляет Internet ? 6
Административное устройство Internet 6
Финансы 7
Как структура Internet сказывается на Пользователе ? 7
Потенциальные пользователи 8
Доступ в Internet 9
Работа Internet: организация, структура, методы 10
Введение 10
Структура функционирования сети 10
Уровни работы сети 15
Пересылка битов 15
Пересылка данных 15
Сети коммутации пакетов 16
Протокол Internet (IP) 16
Протокол управления передачей (TCP) и протокол пользовательских дейтаграмм
(UDP) 18
Создание сети с человеческим лицом. Прикладное обеспечение 21
Системы сетевых адресов 22
Региональная Система Имен 22
Структура региональной системы имен 23
Поиск адреса по доменному имени 24
Система адресов X.400 25
Замечания по региональной системе имен 26
Дозволенное в Internet 27
Легальное использование 27
Государственные дотации 27
Коммерческое использование 28
Экспортные законы 28
Права собственности 29
Internet и политика 30
Сетевая этика 30
Наиболее распространенные возможности Internet 31
Удаленный доступ (telnet) 31
Передача файлов (ftp) 31
Электронная почта (e-mail) 32
Использование анонимного ftp по e-mail 33
Доски объявлений (USENET news) 34
Поиск данных и программ (Archie) 34
Поиск людей (Кто есть Who) 35
Oболочка Gopher 36
Поиск данных по ключевым словам (WAIS) 36
Глобальные гипертекстовые структуры: WWW 37
Несколько слов об иных возможностях 38
Краткое историческое введение
Около 20 лет назад Министерство Обороны США создало сеть, которая явилась
предтечей Internet, - она называлась ARPAnet. ARPAnet была
экспериментальной сетью, - она создавалась для поддержки научных
исследований в военно-промышленной сфере, - в частности, для исследования
методов построения сетей, устойчивых к частичным повреждениям, получаемым,
например, при бомбардировке авиацией и способных в таких условиях
продолжать нормальное функционирование. Это требование дает ключ к
пониманию принципов построения и структуры Internet. В модели ARPAnet
всегда была связь между компьютером-источником и компьютером-приемником
(станцией назначения). Сеть a priori предполагалась ненадежной: любая часть
сети может исчезнуть в любой момент.
На связывающиеся компьютеры - не только на саму сеть - также возложена
ответственность обеспечивать налаживание и поддержание связи. Основной
принцип состоял в том, что любой компьютер мог связаться как равный с
равным с любым другим компьютером.
Передача данных в сети была организована на основе протокола Internet - IP.
Протокол IP - это правила и описание работы сети. Этот свод включает
правила налаживания и поддержания связи в сети, правила обращения с IP-
пакетами и их обработки, описания сетевых пакетов семейства IP (их
структура и т.п.). Сеть задумывалась и проектировалась так, чтобы от
пользователей не требовалось никакой информации о конкретной структуре
сети. Для того, чтобы послать сообщение по сети, компьютер должен поместить
данные в некий ``конверт'', называемый, например, IP, указать на этом
``конверте'' конкретный адрес в сети и передать получившиеся в результате
этих процедур пакеты в сеть.
Эти решения могут показаться странными, как и предположение о
``ненадежной'' сети, но уже имеющийся опыт показал, что большинство этих
решений вполне разумно и верно. Пока Международная Организация по
Стандартизации (Organization for International Standartization - ISO)
тратила годы, создавая окончательный стандарт для компьютерных сетей,
пользователи ждать не желали. Активисты Internet начали устанавливать IP-
программное обеспечение на все возможные типы компьютеров. Вскоре это стало
единственным приемлемым способом для связи разнородных компьютеров. Такая
схема понравилась правительству и университетам, которые проводят политику
покупки компьютеров у различных производителей. Каждый покупал тот
компьютер, который ему нравился и вправе был ожидать, что сможет работать
по сети совместно с другими компьютерами.
Примерно 10 лет спустя после появления ARPAnet появились Локальные
Вычислительные Сети (LAN), например, такие как Ethernet и др. Одновременно
появились компьютеры, которые стали называть рабочими станциями. На
большинстве рабочих станций была установлена Операционная Система UNIX. Эта
ОС имела возможность работы в сети с протоколом Internet (IP). В связи с
возникновением принципиально новых задач и методов их решения появилась
новая потребность: организации желали подключиться к ARPAnet своей
локальной сетью. Примерно в то же время появились другие организации,
которые начали создавать свои собственные сети, использующие близкие к IP
коммуникационные протоколы. Стало ясно, что все только выиграли бы, если бы
эти сети могли общаться все вместе, ведь тогда пользователи из одной сети
смогли бы связываться с пользователями другой сети.
Одной из важнейших среди этих новых сетей была NSFNET, разработанная по
инициативе Национального Научного Фонда (National Science Foundation -
NSF), аналога нашего Министерства Науки. В конце 80-х NSF создал пять
суперкомпьютерных центров, сделав их доступными для использования в любых
научных учреждениях. Было создано всего лишь пять центров потому, что они
очень дороги даже для богатой Америки. Именно поэтому их и следовало
использовать кооперативно. Возникла проблема связи: требовался способ
соединить эти центры и предоставить доступ к ним различным пользователям.
Сначала была сделана попытка использовать коммуникации ARPAnet, но это
решение потерпело крах, столкнувшись с бюрократией оборонной отрасли и
проблемой обеспечения персоналом.
Тогда NSF решил построить свою собственную сеть, основанную на IP
технологии ARPAnet. Центры были соединены специальными телефонными линиями
с пропускной способностью 56 Kbps . Однако, было очевидно, что не стоит
даже и пытаться соединить все университеты и исследовательские организации
непосредственно с центрами, т.к. проложить такое количество кабеля - не
только очень дорого, но практически невозможно. Поэтому решено было
создавать сети по региональному принципу. В каждой части страны
заинтересованные учреждения должны были соединиться со своими ближайшими
соседями. Получившиеся цепочки подсоединялись к суперкомпьютеру в одной из
своих точек, таким образом суперкомпьютерные центры были соединены вместе.
В такой топологии любой компьютер мог связаться с любым другим, передавая
сообщения через соседей.
Это решение было успешным, но настала пора, когда сеть уже более не
справлялась с возросшими потребностями. Совместное использование
суперкомпьютеров позволяло подключенным общинам использовать и множество
других вещей, не относящихся к суперкомпьютерам. Неожиданно университеты,
школы и другие организации осознали, что заимели под рукой море данных и
мир пользователей. Поток сообщений в сети (трафик) нарастал все быстрее и
быстрее пока, в конце концов, не перегрузил управляющие сетью компьютеры и
связывающие их телефонные линии. В 1987 г. контракт на управление и
развитие сети был передан компании Merit Network Inc., которая занималась
образовательной сетью Мичигана совместно с IBM и MCI. Старая физически сеть
была заменена более быстрыми (примерно в 20 раз) телефонными линиями. Были
заменены на более быстрые и сетевые управляющие машины.
Процесс совершенствования сети идет непрерывно. Однако, большинство этих
перестроек происходит незаметно для пользователей. Включив компьютер, вы не
увидите объявления о том, что ближайшие полгода Internet не будет доступна
из-за модернизации. Возможно даже более важно то, что перегрузка сети и ее
усовершенствование создали зрелую и практичную технологию. Проблемы были
решены, а идеи развития проверены в деле.
Важно отметить то, что усилия NSF по развитию сети привели к тому, что
любой желающий может получить доступ к сети. Прежде Internet была доступна
только для исследователей в области информатики, государственным служащим и
подрядчикам. NSF способствовал всеобщей доступности Internet по линии
образования, вкладывая деньги в подсоединение учебного заведения к сети,
только если то, в свою очередь, имело планы распространять доступ далее по
округе. Таким образом, каждый студент четырехлетнего колледжа мог стать
пользователем Internet.
И потребности продолжают расти. Большинство таких колледжей на Западе уже
подсоединено к Internet, предпринимаются попытки подключить к этому
процессу средние и начальные школы. Выпускники колледжей прекрасно
осведомлены о преимуществах Internet и рассказывают о них своим
работодателям. Вся эта деятельность приводит к непрерывному росту сети, к
возникновению и решению проблем этого роста, развитию технологий и системы
безопасности сети.
Что составляет Internet ?
В действительности Internet не просто сеть, - она есть структура,
объединяющая обычные сети. Internet - это ``Сеть сетей''. Что включает
Internet? Вопрос непростой. Ответ на него меняется со временем. Вначале
ответ был бы достаточно прост: ``все сети, использующие протокол IP,
которые кооперируются для формирования единой сети своих пользователей''.
Это включало бы различные ведомственные сети, множество региональных сетей,
сети учебных заведений и некоторые зарубежные сети (за пределами США).
Чуть позже привлекательность Internet осознали и некоторые не-IP-сети. Они
захотели предоставить ее услуги своим клиентам и разработали методы
подключения этих ``странных'' сетей (например, Bitnet, DECnet и т.д.) к
Internet. Сначала эти подключения, названные шлюзами, служили только для
передачи электронной почты. Однако, некоторые из них разработали способы
передачи и других услуг. Являются ли эти сети частью Internet? И да, и нет.
Все зависит от того, хотят ли они того сами.
Административное устройство Internet
Internet по организации во многом напоминает церковь. Это организация с
полностью добровольным участием. Управляется она чем-то наподобие совета
старейшин, однако, у Internet нет патриарха, президента или Папы.
Составляющие сети могут иметь своих президентов или аналогичных вождей, но
это совсем другое дело; в Internet нет единственной авторитарной фигуры.
Высшая власть, где бы Internet ни была, остается за ISOC (Internet
Society). ISOC - общество с добровольным членством. Его цель -
способствовать глобальному обмену информацией через Internet. Оно назначает
совет старейшин, который отвечает за техническую политику, поддержку и
управление Internet.
Совет старейшин представляет собой группу приглашенных добровольцев,
называемую IAB (Совет по архитектуре Internet.). IAB регулярно собирается,
чтобы ``благословить'' стандарты и распределить ресурсы, такие, например,
как адреса. Internet работает, поскольку имеются стандартные способы
общения между компьютерами и прикладными программами. Это позволяет
компьютерам разного типа связываться без особых проблем. IAB ответственен
за стан дарты; он решает, когда стандарт необходим и каким ему следует
быть. Когда требуется стандарт, совет рассматривает проблему, принимает
стандарт и по сети оповещает о нем мир. IAB также следит за различными
номерами (и другими вещами), которые должны оставаться уникальными.
Например, каждый компьютер в Internet имеет свой уникальный 32-разрядный
двоичный адрес; никакой другой компьютер не имеет такого же. Как
присваивается этот адрес? IAB заботится о такого рода проблемах. Он не
присваивает адресов самолично, но разрабатывает правила, как эти адреса
присваивать.
Пользователи Internet высказывают свои жалобы и предложения на встречах
IETF (Оперативного инженерного отряда Internet). IETF - это другая
добровольная организация; также собирается регулярно, чтобы обсудить
текущие эксплуатационные и назревающие технические проблемы. При обсуждении
достаточно важной проблемы IETF создает рабочую группу для ее дальнейшего
исследования. (На практике ``достаточно важная'' обычно означает, что для
рабочей группы находится достаточное количество добровольцев). Посещать
встречи IETF и состоять в рабочих группах могут все; главное, чтобы люди
работали, дело-то добровольное. Рабочие группы имеют различные функции: это
может быть выпуск документации, выработка стратегии действий при
возникновении проблем, стратегические исследования, разработка новых
стандартов и протоколов, доработка уже существующих (например, изменение
значений отдельных полей). Рабочая группа обычно выпускает доклад. В
зависимости от вида рекомендации, это может быть просто документацией и
быть доступной для любого желающего, что может быть принято добровольно как
здравая идея, или же это может быть послано в IAB и быть объявленной
стандартом.
Если некая сеть принимает учение Internet, присоединяется к ней и считает
себя ее частью, тогда она и является частью Internet. Возможно ей многое
покажется неразумным, странным, сомнительным - она может поделиться своими
сомнениями с IETF. Некоторые жалобы-предложения могут оказаться вполне
разумными и, возможно, Internet соответственно изменится. Что-то может
показаться просто делом вкуса или традиции, тогда эти возражения будут
отклонены. Если сеть делает что-либо, что может навредить Internet, она
может быть исключена из сообщества до тех пор, пока она не исправится.
Сейчас Internet состоит из более чем 12 тысяч объединенных между собой
сетей.
Финансы
За Internet никто централизовано не платит; нет такой организации как
Internet Inc., которая собирает плату со всех сетей Internet или
пользователей. Вместо этого каждый платит за свою часть. NSF платит за
содержание NSFNET. NASA платит за Научную Сеть NASA (NASA Science
Internet). Представители сетей собираются вместе и решают, как им
соединяться друг с другом и содержать эти взаимосвязи. Колледж или
корпорация платит за ее подключение к некоторой региональной сети, которая
в свою очередь платит за свой доступ сетевому владельцу государственного
масштаба.
Как структура Internet сказывается на Пользователе ?
То, что Internet не сеть, а собрание сетей, мало как сказывается на
конкретном пользователе. Для того, чтобы сделать что-нибудь полезное
(запустить программу или добраться до каких-либо единственных в своем роде
данных), пользователю не надо заботиться о том, как эти составляющие сети
содержатся, как они взаимодействуют и поддерживают межсетевые связи.
Рассмотрим для наглядности телефонную сеть - тоже в некотором роде
Internet. Министерство Связи России, Pacific Bell, AT&, MCI, British
Telecom, Telefon's de Mexico и т.д., - все это отдельные корпорации,
которые обслуживают разные телефонные системы. Они же заботятся о
совместной работе, о создании объединенной сети; все, что вам нужно
сделать, где бы на планете вы ни находились и куда бы вы ни звонили, - это
набрать номер. Если забыть о цене и рекламе, вам должно быть совершенно все
равно, с кем вы имеете дело: с МСI, AT& или Министерством Связи. Снимаете
трубочку, нажимаете кнопочки (крутите диск) и говорите.
Вас, как пользователя, заботит только, кто занимается вашими заявками,
когда появляются проблемы. Если что-либо перестает работать, только одна из
соответствующих компаний может исправить это. Они общаются друг с другом по
проблемным вопросам, но каждый из владельцев сетей ответственен за
проблемы, возникающие на его собственном участке системы, за сервис,
который эта сеть предоставляет своим клиентам.
Это же верно и для Internet. Каждая сеть имеет свой собственный сетевой
эксплуатационный центр (NOC). Каждый такой рабочий центр связан с другими и
знает, как разрешить различные возможные проблемы. Ваш регион имеет
соглашение с одной из составляющих сетей Internet и ее забота состоит в
том, чтобы люди вашего региона были довольны работой сети. Так что, если
что-то испортится, NOC и есть та самая организация, с кого за это спросят,
кого за это будут бить.
Архитектура сетевых протоколов TCP/IP, на базе которых построена Internet,
предназначена специально для объединенной сети. Сеть может состоять из
совершенно разнородных подсетей, соединенных друг с другом шлюзами. В
качестве подсетей могут выступать самые разные локальные сети (Token Ring,
Ethernet, пакетные радиосети и т.п.), различные национальные, региональные
и специализированные сети (например, HEPnet), а также другие глобальные
сети, такие, например, как Bitnet или Sprint. К этим сетям могут
подключаться машины совершенно разных типов. Каждая из подсетей работает в
соответствии со своими специфическими требованиями и имеет свою природу
связи, сама разрешает свои внутренние проблемы. Однако, предполагается, что
каждая подсеть может принять пакет информации и доставить его по указанному
адресу в этой конкретной подсети. Все же не требуется, чтобы подсеть
гарантировала доставку пакетов и имела надежный сквозной протокол (протокол
работы сети в качестве посредника при передаче сообщений между двух внешних
сетей). Природа такого послабления вам станет яснґа позже. Таким образом,
две машины, поключенные к одной подсети, могут напрямую обмениваться
пакетами, а если возникает необходимость передать сообщение машине в другой
подсети, то вступают в силу межсетевые соглашения, для чего подсети
используют свой межсетевой язык - протокол IP; они передают сообщение по
определенной цепочке шлюзов и подсетей, пока оно не достигнет нужной
подсети, где оно и будет доставлено непосредственно получателю. Другими
словами, пользователя вся эта кухня совершенно не заботит. Как и в примере
с телефонной сетью, которая представляется ему единой большой сетью, а не
множеством сетей, для него все это пестрое сборище разнородных и иногда
несовместимых между собой сетей представляется одной сетью - ``Сетью
сетей'' - Internet.
Потенциальные пользователи
Кому же может быть столь полезна Internet и каким образом? Что так
способствует ее развитию?
Полезность Internet повышалась вместе с развитием вычислительной техники с
запаздыванием примерно в 10 лет. В конце 80-х годов появление персональных
компьютеров перенесло информатику из царства знатоков к широкой публике.
Internet в ходе своего развития и повсеместного распространения занимается
именно таким переносом.
Internet, как и вычислительная техника, совершила переход от забавы
экспертов к инструменту ежедневного пользования. И сам процесс перехода был
совершенно аналогичен. Сеть постепенно становилась проще в использовании,
частично потому что оборудование стало лучше, а частично потому, что сама
стала скорее и надежнее. И самые смелые из тех, кто сначала не решались
связываться с Internet, начали ее использовать. Эти новые пользователи
породили огромную потребность в новых ресурсах и лучшем инструментарии.
Улучшались старые средства, появлялись новые, предназначенные для доступа к
новым ресурсам, что облегчало использование сети. И вот уже другая группа
людей стала понимать пользу Internet. Процесс повторялся. Этот круговорот
продолжает развиваться и по сей день.
В общем, все пользователи Internet ищут одного: общения и информации. И они
находят это среди людей и компьютеров. Легко позабыть о людских ресурсах
Internet, но они очень важны, так же, как и доступные компьютеры. Internet
- миролюбивая и дружелюбная страна. Здесь можно встретить таких же людей,
как вы сами. Вы, несомненно, потенциальный пользователь сети, если,
например, вы:
- Биолог , которому потребовалась карта генома дрозофиллы;
- Чань-буддист в стане пан-исламистов, ищущий какое-либо духовное
товарищество и понимание;
- Эстетствующий интеллектуал , поклонник классики и рока, кому осточертела
поп-музыка в эфире;
- Психолог или психотерапевт , желающий обсудить тонкие моменты отношений
тайны исповеди с законом в очень специфическом случае.
И так далее. Всем этим людям Internet предоставляет великолепную
возможность найти единомышленников. Можно - на самом деле, даже очень легко
- найти электронный дискуссионный клуб почти по любой теме (их сейчас всего
около полутора тысяч), или начать новую дискуссию и встать у истоков нового
клуба, который никто до сих пор не догадался создать.
Internet открывает этим людям также и доступ к компьютерным ресурсам.
Лектор общества ``Знание'' может связаться с компьютером NASA, который
предоставит ему информацию о прошлом, настоящем и будущем космической науки
и программы США. Священник может найти Библию, Коран, Тору, чтобы
процитировать нужные отрывки. Юрист может вовремя найти копии докладов на
заседаниях Верховного Суда США по делу ``Иран-контрас''. Восьмиклассница
может обсудить музыкальную лирику В.Цоя с ровесниками или выступить
экспертом среди новичков, ведь только она и понимает лирику по-настоящему.
И это только начало. Несомненно, в конечном счете, все придут к пониманию
того, что наступает Эра Информации; потребность в ней возрастает и будет
возрастать лавинообразно, количество потребителей тоже. Никуда от этого не
деться. Без надежной и оперативной информации нельзя идти в ногу со
временем, развивать науку и технику на уровне лучших мировых образцов. И
все мы, все до единого, - потенциальные пользователи глобальной
информационной сети.
В этом вы убедитесь сами, прочитав и осознав сей труд.
Доступ в Internet
Доступ в Internet, обычно, получают через поставщиков услуг (service
provider). Поставщики эти продают различные виды услуг, каждый из них имеет
свои преимущества и недостатки. Так же как и при покупке садовой тачки (в
оригинале - автомобиля) вы решаете, какими качествами должна она обладать,
сколько вы за нее можете себе позволить заплатить, и, исходя из этого,
выбираете подходящий вариант из предлагаемого множества.
Но перед тем, как начать действовать в этом направлении, т.е. добывать
список поставщиков Internet, читать и выбирать, связываться с ними,
выясните, а не имеете ли вы ужґе доступа в Internet, сами того не ведая.
Такое вполне может иметь место - в России не так часто, в США не так уж и
редко. Если ваша организация или учреждение (институт, компания) уже имеет
доступ в Internet, то вряд ли вы сможете получить персональный доступ в
сеть лучший, нежели ваша организация.
Другими словами, если вы уже имеете доступ в Internet, вам не надо будет
платить денег из своего кармана, не надо будет суетиться вокруг поставщиков
услуг и т.д., вам просто надо будет научиться пользоваться тем, что вы уже
имеете.
Если ваша организация пока не имеет доступа в Internet, или вообще-то
имеет, но, вот беда, не ваше подразделение (лаборатория, отдел, факультет),
вам просто следует понаблюдать и прикинуть, сколько еще потенциальных
пользователей имеется среди ваших сослуживцев, возможно, поговорить с ними
и заручиться поддержкой, составить предложение и/или подать требование
вышестоящему руководству.
Имеются (хотя это встречается, увы, пока очень редко) еще возможности
получить доступ в Internet не через ее прямых распространителей, без лишних
затрат.
Первый - поищите в публичных библиотеках: некоторые (центральные) имеют
службу, называемую Freenet - свободная (бесплатная) сеть. Это
информационная система, основанная соответствующим сообществом, обычно
имеющая модемный доступ к Internet по телефону.
Второй путь полезен для молодых людей, проживающих в странах Запада, или в
центральных городах у нас. Станьте студентом, поступите в западный или
организованный у нас же в России совместно с Западом университет или
колледж. И выберите соответствующую специальность или запишитесь на курсы,
которые позволят вам добраться до заветного компьютера, имеющего доступ в
Internet. Например, научитесь плести лапти - уже потом вам будет чем
развлечься, когда у вас от непрерывной работы в сети поедет крыша. И когда
вы научитесь, у вас будет еще один довод начальству в пользу предоставления
вам доступа в Internet: сети как воздух необходима база данных с
инструкциями по плетению лаптей, без них они как без рук. Такой вклад
руководство не сможет не оценить по достоинству.
Работа Internet: организация, структура, методы
Введение
Чтобы успешно освоить нечто и затем с ним работать, очень полезно знать,
хотя бы в общих чертах, устройство и функционирование этого объекта. Знание
это помогает осмысленно воспринимать и систематизировать навыки работы, а
не пользоваться предлагаемыми рекомендациями чисто механически. Такое
осознание подскажет, что можно ожидать от системы в смысле ее возможностей,
поведения, недостатков, и что более важно, поможет ориентироваться в
необычной ситуации: в случае поломки, смены сервера, программного
обеспечения, появления новых возможностей и т.п.
В этом разделе мы рассмотрим сети с коммутацией пакетов и преимущества
построения сети на принципах TCP/IP протоколов. Здесь будут рассмотрены
основные принципы управления коммуникациями в : TCP и его бедный
родственник UDP. Это основные системообразующие элементы сети. Важным
элементом является также региональная система имен (DNS).
Структура функционирования сети
Современные сети построены по многоуровневому принципу. Чтобы
организовать связь двух компьютеров, требуется сначала создать свод правил
их взаимодействия, определить язык их общения, т.е. определить, что
означают посылаемые ими сигналы и т.д. Эти правила и определения называются
протоколом. Для работы сетей необходимо запастись множеством различных
протоколов: например, управляющих физической связью, установлением связи по
сети, доступом к различным ресурсам и т.д. Многоуровневая структура
спроектирована с целью упростить и упорядочить это великое множество
протоколов и отношений. Взаимодействие уровней в этой модели -
субординарное. Каждый уровень может реально взаимодействовать только с
соседними уровнями (верхним и нижним), виртуально - только с аналогичным
уровнем на другом конце линии.
Под реальным взаимодействием мы подразумеваем непосредственное
взаимодействие, непосредственную передачу информации, например, пересылку
данных в оперативной памяти из области, отведенной одной программе, в
область другой программы. При непосредственной передаче данные остаются
неизменными все время. Под виртуальным взаимодействием мы понимаем
опосредованное взаимодействие и передачу данных; здесь данные в процессе
передачи могут уже определенным, заранее оговоренным образом
видоизменяться.
Такое взаимодействие аналогично схеме цепи посылки письма одним директором
фирмы другому. Например, директор некоторой фирмы пишет письмо редактору
газеты. Директор пишет письмо на своем фирменном бланке и отдает этот
листок секретарю. Секретарь запечатывает листок в конверт, надписывает
конверт, наклеивает марку и передает почте. Почта доставляет письмо в
соответствующее почтовое отделение. Это почтовое отделение связи
непосредственно доставляет письмо получателю - секретарю редактора газеты.
Секретарь распечатывает конверт и, по мере надобности, подает редактору. Ни
одно из звеньев цепи не может быть пропущено, иначе цепь разорвется: если
отсутствует, например, секретарь, то листок с письменами директора так и
будет пылиться на столе у секретаря.
Здесь мы видим, как информация (лист бумаги с текстом) передается с
верхнего уровня вниз, проходя множество необходимых ступеней - стадий
обработки. Обрастает служебной информацией (пакет, адрес на конверте,
почтовый индекс; контейнер с корреспонденцией; почтовый вагон, станция
назначения почтового вагона и т.д.), изменяется на каждой стадии обработки
и постепенно доходит до самого нижнего уровня - уровня почтового транспорта
(гужевого, автомобильного, железнодорожного, воздушного,...), которым
реально перевозится в пункт назначения. В пункте назначения происходит
обратный процесс: вскрывается контейнер и извлекается корреспонденция,
считывается адрес на конверте и почтальон несет его адресату (секретарю),
который восстанавливает информацию в первоначальном виде, - достает письмо
из конверта, прочитывает его и определяет его срочность, важность, и в
зависимости от этого передает информацию выше. Директор и редактор, таким
образом, виртуально имеют прямую связь. Ведь редактор газеты получает в
точности ту же информацию, которую отправил директор, а именно - лист
бумаги с текстом письма. Начальствующие персоны совершенно не заботятся о
проблемах пересылки этой информации. Секретари также имеют виртуально
прямую связь: секретарь редактора получит в точности то же, что отправил
секретарь директора, а именно - конверт с письмом. Секретарей совершенно не
волнуют проблемы почты, пересылающей письма. И так далее.
Аналогичные связи и процессы имеют место и в эталонной модели ISO OSI.
Физическая связь реально имеет место только на самом нижнем уровне (аналог
почтовых поездов, самолетов, автомобилей). Горизонтальные связи между всеми
остальными уровнями являются виртуальными, реально они осуществляются
передачей информации сначала вниз, последовательно до самого нижнего
уровня, где происходит реальная передача, а потом, на другом конце,
обратная передача вверх последовательно до соответствующего уровн | |
