|
Реферат: Коммуникационные подсети (Компьютеры)
Новосибирский государственный технический университет
Кафедра вычислительной техники
Расчётно-графическая работа
по дисциплине «Сети и ЭВМ»
на тему
«Коммуникационные подсети »
Группа: АМ-110
Студент: (((((
Преподаватель: Мищенко В.К.
Новосибирск, 2004
Содержание
1. Общие характеристики подсетей 3
1.1 Коммуникационная подсеть 3
2. Одноузловая коммуникационная подсеть 6
3. Многоузловая коммуникационная подсеть 9
3.1. Моноканал 11
3.2 Поликанал 15
4. Циклическое кольцо 19
Литература 22
1. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОДСЕТЕЙ
Коммуникационная подсеть представляет собой совокупность физической
среды, программных и аппаратных средств, обеспечивающих передачу информации
между группой абонентских систем. Рассматриваемая подсеть является важным
компонентом информационно-вычислительной сети. В соответствии с этим к ней
предъявляются требования, основные из которых сводятся к следующим:
- высокая надежность передачи блоков данных
- небольшая стоимость передачи
- высокая скорость передачи
- износоустойчивость и долговечность оборудования
- малые потери информации
- минимальный штат обслуживания
- передача данных, закодированных любым способом.
До сих пор коммуникационные подсети в основном использовались для передачи
информации между такими абонентами, как ЭВМ и терминалы. Параллельно этому
существуют телевизионная, телефонная, телеграфная и телетайпная сети. И
каждая из них предназначена для определенного вида информации. В последние
годы начался переход на передачу любой информации в дискретной форме. Это
открыло возможность создания интегрированных, коммуникационных подсетей, к
которым подключаются различные типы абонентов.
4 Коммуникационная подсеть
Любая коммуникационная подсеть предназначена для обеспечения различных форм
взаимодействия абонентских систем друг с другом. Точки подключения систем к
рассматриваемой сети определяются интерфейсом коммуникационной подсети. Для
всех абонентских систем этот интерфейс один и тот же. Однако в последнее
время в коммуникационную подсеть стали включать дополнительные функции,
связанные с преобразованием нестандартных интерфейсов в интерфейс
коммуникационной подсети. Такие подсети именуются интеллектуальными.
Первоначально через коммуникационную подсеть передавалась информация,
предоставляемая либо потребляемая ЭВМ и терминалами. Теперь же все чаще
через ту же подсеть направляют звукограммы, речь, графические и даже
телевизионные изображения. Естественно, что любая подсеть должна
обеспечивать различные формы передачи данных, включающие: диалоговые
посылки, файлы, сообщения и большие массивы информации. Коммуникационную
подсеть определяют четыре основные характеристики: трафик, надежность
передачи, время установления сквозного (через подсеть) соединения, скорость
передачи блоков данных.
Абонентская система
В соответствии с определением коммуникационной подсети выделим пять ее
типов: одноузловая, многоузловая, моноканальная, поликанальная, циклическое
кольцо.
[pic]
[pic]
Рис. 1. Главные компоненты ИВС
[pic]
[pic]
Абонентская система
[pic]
Рис. 2. Типы локальных коммуникационных подсетей
. Эта классификация определяется характером доставки блоков данных от
абонентской системы-отправителя к абонентской системе-получателю. Что же
касается топологии, то указанные типы подсетей могут иметь одинаковую
форму. Так, из рис..2 видно, что кольцевую форму могут иметь многоузловая
подсеть, моноканал и циклическое кольцо.
Каждая из пяти типов подсетей (рис.2) имеет свои преимущества и недостатки.
Поэтому среди них нельзя выделить лучшую. Каждая хороша в своей области,
определяемой требованиями, предъявляемыми к подсети.
В коммуникационной подсети следует различать два понятия скорости передачи.
Первое из них физическая скорость передачи данных по каналу. Она
определяется числом бит, передаваемых в секунду по конкретному каналу.
Вторая скорость именуется сквозной. Она характеризуется числом блоков
данных в секунду, передаваемых между рассматриваемой парой точек интерфейса
подсети (например, между точками а, б, рис.1). Эта скорость является
главной, ибо она определяет скорость передачи блоков данных сквозь всю
подсеть. А именно эта скорость в первую очередь определяет быстродействие
коммуникационной подсети. Для удобства сравнения с физической скоростью
сквозная скорость часто пересчитывается в биты в секунду.
Так, в одной из локальных сетей [101] физическая скорость передачи данных
по каналу равна 3 Мбит/с. Однако сквозная скорость (в пересчете на мегабиты
в секунду) составляет лишь 0,6 Мбит/с.
На сквозную скорость влияют многие факторы (табл. 3.1). Анализ их
показывает, как велики возможности повышения сквозной скорости.
Следует отметить, что сквозная скорость определяет второй временной
фактор быстродействия коммуникационной подсети время сквозного прохода
блока данных через (сквозь) эту подсеть. Действительно, легко, себе
представить подсеть, в точках интерфейса которой данные проходят быстро,
например со скоростью 1 Мбит/с. Однако если подсеть создана не оптимально,
то блок данных может проходить сквозь нее в течение недопустимо долгого
времени, например 0,5 с.
Важной характеристикой коммуникационной подсети является используемая в ней
физическая среда:
-эфир,
-световод,
-коаксиальный кабель
-скрученная пара проводов
-плоский кабель и т. д.
На этой основе создается канал совокупность физической среды и
каналообразующих аппаратных средств, соединяющая две системы. Примеры
каналов, используемых в коммуникационных подсетях, рассматриваются ниже.
Инфракрасный канал является в сетях новым типом канала, использующим эфир.
Он удобен для получения высоких скоростей передачи на небольшие расстояния.
Примером такого канала является разработка, выполненная фирмой Datapoint.
Созданный ею для передачи данных аппарат имеет мощность всего 1 мкВт, но
обеспечивает при помощи некогерентного инфракрасного излучения передачу
дискретных данных при прямой видимости на расстояние до 3 км со скоростью
2,5 Мбит/с.
Таблица №1 Факторы влияющие на сквозную скорость.
|Фактор |Его характеристика |
|Количество абонентских систем |Длина канала определяет время |
|Структура станций |распространения по нему сигнала; |
| |повторители, расщепители и другие |
| |компоненты канала вносят |
| |дополнительные задержки |
|Топология |Чем больше систем, тем значительнее |
| |потери времени на согласование их |
| |работы в сети |
| |Эффективность структуры, число и |
| |расположение буферов памяти, степень |
| |аппаратной реализации функций, |
| |быстродействие микропроцессоров влияют|
| |на скорость работы станции |
|Величина трафика |Число и частота передач увеличивают |
| |потери времени на управление передачей|
|Число ошибок передачи |Потери времени на проверку, переспрос |
| |и повторную передачу блоков данных |
|Эффективность заполнения блоков |Чем больше в блоке данных упаковано |
|данных |информационных бит, тем меньше число |
| |необходимых блоков |
|Объем операций управления |Минимизация обработки прерываний, |
| |сообщений о передаче, |
| |упаковки/разупаковки позволяет |
| |уменьшить потери времени |
|Интерфейс абонента |Качество и скорость передачи данных |
| |между станцией и абонентом также |
| |определяют возможные потери скорости |
Микроволновый канал позволяет передавать информацию на расстояния до 15—20
км (при обеспечении прямой видимости). Здесь скорости достигают 20 Гбит/с.
Быстродействующим, надежным и эффективным при больших потоках данных
является световодный канал, в котором в качестве физической среды
используется сверхпрозрачное стекловолокно. Простейший световод состоит из
кварцевой сердцевины диаметром 50—70 мкм, окруженной тонкой пленкой из
стекла со значительно меньшим коэффициентом преломления, чем сердцевина.
Это позволяет отражать световые волны внутрь стеклянного волокна, не
выпуская их наружу. Нередко кварцевая сердцевина световода покрывается
пластмассой. Такие световоды дешевле, на менее надежны в работе. В отличие
от них стеклянные волокна не подвержены влиянию влаги и температуры, не
стареют.
Пропускная способность световодного канала очень высока. Ее теоретический
предел определяется десятками триллионов бит в секунду, а практически
достигнутая скорость уже равна 2,41 Гбит/с [123]. Излучение света в этом
канале осуществляется микролазером либо светоизлучающим диодом. Прием света
обеспечивается полупроводниковым фотодиодом.
Преимуществами световодного канала являются надежность, отсутствие
взаимных помех в пучке световодов, невосприимчивость к помехам мощных
энергетических систем и сетей электросвязи. Световоды имеют малый размер,
небольшую массу и хорошо защищены от несанкционированного доступа. Вместе с
тем внедрение световодных каналов сдерживается серийным производством
сверхпрозрачных стеклянных и кварцевых волокон.
Одноузловая коммуникационная подсеть
[pic]
Рис. 3. Одноузловая коммуникационная подсеть
Одноузловая коммуникационная подсеть состоит (рис.3) из одной
коммуникационной системы (заштрихованный кружок) и группы абонентских
каналов, каждый из которых соединяет абонентскую систему с
коммуникационной. Этим и определяется название подсети. Каждый канал
заканчивается аппаратурой передачи данных, к которой с наружной части
подсети подключаются абонентские системы (пунктирные прямоугольники А—Д).
Точки подключения абонентских систем к аппаратуре передачи данных,
определяют интерфейс коммуникационной подсети. Естественно, что одноузловая
подсеть может иметь только одну форму звездообразную.
Логическая структура одноузловой коммуникационной подсети,
соответствующая схемам, представленным на рис.4.
[pic]
Рис. 4. Логическая структура одноузловой подсети
Она состоит из коммуникационной системы и пяти (А—Д) групп двухточечных
физических соединений. Каждая группа соединений (как и на рис. 3.3)
заканчивается аппаратурой передачи данных, изображенной здесь полукругом.
Группа физических соединений с парой аппаратур передачи данных,
расположенных по концам соединений, представляет канал. В точках интерфейса
подсети к ней могут подключаться абонентские системы(А-Д).
Коммуникационная система выполняет протоколы всех семи уровней области
взаимодействия открытых систем. Однако при основном управлении, связанном с
передачей информации между абонентскими системами, используются протоколы
только трех нижних уровней: сетевого, канального и физического. Что же
касается административного управления подсетью, то здесь используются
протоколы всех семи уровней.
Функции сетевого (3), канального (2) и физического (1) уровней в"
коммуникационной системе непосредственно связаны с каналами. Над тремя
уровнями находится общий для всех них сетевой процесс. Этот процесс
обеспечивает маршрутизацию информации: и выполняет функции соединения
каналов для передачи по ним пакетов.
Современная коммуникационная система, как правило, состоит из группы
практически одинаковых микропроцессорных блоков; (рис.5). Один из них
специализируется на выполнении административных функций (сбор статистики,
диагностика системы, выдача отчетов о работе). Остальные блоки 1—D
выполняют функции, связанные с маршрутизацией и коммутацией информации.
Число коммуникационных блоков зависит от размеров создаваемой
коммуникационной подсети. В случае необходимости, при увеличении размеров
подсети, в коммуникационную систему добавляется необходимое число
коммуникационных блоков.
[pic]
Рис. 5. Структура коммуникационной сиситемы
Блоки коммуникационной системы соединяются одной либо, для надежности,
двумя общими шинами. Интересна идея использования здесь не многопроводной
шины, а одного коаксиального кабеля. Она связана с тем, что шина является
сложным образованием, управляющим обменом информацией между
микропроцессорами. И выход ее из строя приводит к серьезным последствиям.
Что же касается коаксиального кабеля, то он является пассивным
высоконадежным элементом.
Операторское управление (передача команд, загрузка и перегрузка программ,
диагностика и т. д.) коммуникационной системой может осуществляться там же,
где система расположена. Для этого административный блок имеет (рис. 3.5)
дисплей и печатающее устройство. Вместе с тем административное управление
коммуникационной системой может осуществляться и из другого удобного для
этого места. Тогда дисплей и печатающее устройство оказываются ненужными, а
операторское управление системой осуществляется дистанционно.
Пример мультимикропроцессорной коммуникационной системы показан на
рис. 6. Она состоит из одинаковых микропроцессоров, подключенных к двум
кольцевым шинам. Структура такой системы включает до 64 микропроцессоров.
Из них два — административных (типа А) и 62 микропроцессора —
коммуникационных (типа К). Каждый из микропроцессоров работает с
оперативной памятью от 64 до 256 Кбайт и набором контроллеров.
Процессоры типа А имеют контроллеры, обеспечивающие подключение к
каждому из них одного либо двух гибких дисков. В основном управлении диски
не участвуют. С них осуществляется загрузка программ и на них собирается
статистика работы комму-шикационной системы.
[pic]
Рис. 6. Коммуникационная система с кольцевыми шинами.
В отличие от процессоров типа А процессоры типа К подключены к
контроллерам взаимодействия с каналами. Кроме того, процессоры различных
типов имеют, естественно, разное программное обеспечение.
Микропроцессоры типа А (основной и резервный) необходимы для
административного управления коммуникационной системой. При выполнении этих
функций они взаимодействуют с оператором управления коммуникационной
подсетью.
Микропроцессоры типа К управляют каналами и обеспечивают маршрутизацию
пакетов. Каждый процессор в зависимости от скорости передачи данных может
взаимодействовать с числом каналов, достигающим 16. При этом скорость
передачи по двум каналам равна 64000 бит/с, а при передаче по 16 каналам
она уменьшается до 50 бит/с. Микропроцессоры типа К выполняют функции,,
определяемые протоколами трех уровней: сетевого, канального и физического.
Все микропроцессоры взаимодействуют с основной и резервной кольцевыми
шинами. Для небольших коммуникационных систем используются простые, но
относительно медленные шины, каждая из которых передает информацию со
скоростью 100 Кбит/с. В больших коммуникационных системах применяются
высокоскоростные шины, быстродействие которых равно 8 Мбит/с.
Первой звездообразной подсетью, которая стала широко использоваться в
различных организациях, является учрежденческая телефонная сеть. Она
состоит из автоматической телефонной станции (АТС), связанной абонентскими
каналами с телефонными аппаратами.
С точки зрения способа управления коммутацией и формы коммутируемых
сигналов АТС прошла три этапа развития На первом из них в АТС
использовались механические устройства. Но на втором этапе они были
заменены микропроцессорами, Это повысило надежность и быстродействие АТС,
позволило добавить новые виды телефонного сервиса: переадресация телефонных
аппаратов, повторные вызовы, передача сигналов в обусловленное время и т.
д. Однако в основном сеть оставалась прежней и обеспечивала передачу
аналоговой информации.
Недостатки. Достоинства:
Одноузловая коммуникационная подсеть имеет ряд преимуществ, отличающих ее
от других типов подсетей. Главными из них являются:
- низкая стоимость включения абонентских систем в сеть,
- возможность использования имеющихся каналов и каналообразующих
компонентов учрежденческих АТС,
- применение типовых коммуникационных систем,
- возможность одновременной передачи данных и речи,
- использование простой физической среды
- скрученных пар
проводов.
Наряду с этим одноузловая подсеть обладает и определенными недостатками.
Основным из них является наличие уязвимой (в смысле надежности) точки —
узла. Это приводит к тому, что все компоненты узла должны иметь необходимый
резерв, а диагностические программы
- быстро находить неисправности и подключать резервные компоненты. Кроме
того, недостатками одноузловой подсети являются:
- ограниченные скорости передачи данных,
- большая суммарная длина каналов.
3. Многоузловая коммуникационная подсеть
Многоузловая коммуникационная подсеть (рис. 7) в отличие от одноузловой
(рис. 3) имеет несколько коммуникационных систем. Поэтому кроме абонентских
каналов здесь необходимы магистральные каналы, связывающие между собой
коммуникационные системы. Характер взаимодействия этих систем по
магистральным каналам определяется внутренним интерфейсом коммуникационной
подсети. Многоузловая подсеть может (рис.2) иметь различную топологию. Так,
на рис.7. показана кольцевая форма многоузловой подсети. Кроме того,
многоузловая подсеть может (рис. 8) быть ячеистой. Эта форма чаще всего
применяется в тех случаях, когда удобно или выгодно использовать простые
необслуживаемые типы коммуникационных систем, каждая из которых коммутирует
небольшое число каналов.
[pic]
Рис. 7. Кольцевая многоузловая коммуникационная подсеть. Рис. 8.
Ячеистая топология
Пример логической структуры многоузловой коммуникационной подсети,
соответствующей схеме на рис. 7, показан на рис. 9. Каждая из
коммуникационных систем при основном управлении организует три уровня
протоколов: сетевой, канальный и физический.
В отличие от одноузловой подсети здесь (рис 1) используется два вида
каналов: магистральные (8—10) и абонентские (1—7). Поэтому стандарты на
сопряжение с каналом
(1, 1') управление каналами (2, 2') и передачу блоков данных могут быть
различными. Для унификации оборудования программного обеспечения
желательно, чтобы стандарты в многоузловой подсети были теми же, что и в
одноузловой. Это позволяет при необходимости
в одноузловую подсеть добавлять вторую и последующие коммуникационные
системы, превращая подсеть многоузловую.
[pic]
Рис. 9. Логическая структура многоузловой подсети.
В одноузловой коммуникационной подсети коммуникационная система может
иметь операторское обслуживание, и тогда здесь располагается
административное управление подсетью. В многоузловой подсети операторское
обслуживание каждой из коммуникационных систем является непозволительной
роскошью. Поэтому в подсети должен быть единый центр, из которого
обеспечивается дистанционное операторское обслуживание коммуникационных
систем. Центр создается на базе коммуникационной либо абонентской системы.
Недостатки. Достоинства:
Административная система обеспечивает выполнение функции управления
многоузловой подсетью. Система выполнена в виде настольного
блока, в который встроен дисплей. Она выполняет значительное число
функций, в перечень которых входят:
- автоматическое управление подсетью и контроль ее работы»
- удаленная поддержка функционирования коммуникационных, систем, в
том числе удаленная загрузка их программного обеспечения,
- теледиагностика и измерение,
- сбор статистики и подготовка отчетов о работе подсети,
- восстановление работы после сбоев и поломок,
- удаленная реконфигурация подсети.
К положительным особенностям многоузловой коммуникационной подсети в первую
очередь относятся:
- распределенная структура подсети, хорошо вписывающаяся в
топологию размещения абонентских систем,
- возможность использования простых необслуживаемых коммуникационных
систем,
- способность одновременной передачи данных и речи, - использование
простых скрученных пар проводов.
Вместе с тем многоузловая подсеть имеет и ряд недостатков,, например:
- значительное число коммуникационных систем и каналов,
- ограниченные скорости передачи информации,
- относительная сложность маршрутизации и управления передачей данных.
3.1. Моноканал
Моноканалом является коммуникационная подсеть, в которой •физическая
среда обеспечивает одновременную (с точностью до распространения сигнала по
физической среде) передачу блоков данных всем сразу подключенным к ней
абонентским системам. В физической среде моноканала для осуществления
передачи не происходит выделение каких-либо частотных полос, т. е. она
используется полностью (монопольно). Поэтому моноканал часто называют
каналом с передачей данных в основной частоте. Передача осуществляется в
дискретной форме. Моноканал (рис.2) может иметь четыре формы:
звездообразную, древовидную, магистральную и кольцевую.
Ядром звездообразного моноканала является (рис. 10) общее звено,
которое состоит из ветвей, исходящих из одной точки и .заканчивающихся
аппаратурой передачи данных. Последняя именуется блоками доступа (БД) к
физической среде. Каждый блок доступа соединяется с абонентской системой
каналом, называемым абонентским звеном.
Рис. 10. Звезообразный моноканал Рис. 11.
Древовидный моноканал
[pic]
Рис. 12. Магистральный моноканал
Рис. 13. Кольцевой моноканал
Границы моноканала определяются точками интерфейса моноканала.
Древовидным моноканалом является, как это следует из названия,
моноканал, общее звено которого образует (рис. 11) форму дерева. Такой
моноканал используется в тех случаях, когда к нему необходимо подключить
значительное число абонентских систем, находящихся на относительно большом
расстоянии друг от друга.
В магистральном моноканале общее звено имеет форму магистрали. Его
структура показана на рис.12. Она проста, удобна и поэтому приемлема для
большинства сетей. Однако магистральный моноканал уступает древовидному в
тех случаях, когда необходимо создать большую локальную сеть, например
информационно-вычислительную сеть города.
Кольцевой моноканал (рис. 13) имеет форму кольца, к которому
подключаются все абонентские системы сети. Этот моноканал имеет
особенность, заключающуюся в том, что при передаче блоков данных системой В
кольцо в точке в должно быть логически разорвано и превращено в магистраль.
Принцип передачи информации во всех моноканалах одинаков. Он заключается в
том, что любой передаваемый блок данных почти одновременно (с точностью до
запаздывания распространения сигналов) принимается всеми абонентскими
системами. После этого каждая абонентская система просматривает полученные
блоки данных, отбирает адресованные ей блоки и уничтожает остальные.
Логическая структура физических средств соединения, образующих моноканал,
структура которого соответствует схемам, приведенным на рис. 10—13,
показана на рис.14. Она содержит группу многоточечных соединений, на
границах которых расположена аппаратура передачи данных, именуемая блоками
доступа. Рассматривая структуру моноканала, следует отметить, что много-и
одноузловые коммуникационные подсети содержат одну либо несколько
коммуникационных систем, связанных группами физических соединений.
Коммуникационные системы выполняют при основном управлении функции
сетевого, канального и физического уровней. Каждый моноканал, хотя он не
выполняет функций области взаимодействия открытых систем и образуется
только группами физических соединений, также обеспечивает необходимый обмен
информацией между абонентскими системами. Однако моноканал доставляет
посланные блоки данных не одной, адресуемой, системе (как в узловых
коммуникационных сетях), а всем подключенным к нему абонентским системам.
В информационно-вычислительной сети для передачи информации может
использоваться не только один, но и несколько одинаковых либо различных
моноканалов. Это происходит тогда, когда необходимо:
- увеличение производительности и надежности передачи данных,
- обеспечение передачи различных видов информации.
Например, в сети может быть несколько моноканалов, по одному из которых
передаются кадры телевидения, по другому ведутся телефонные переговоры, а
по остальным моноканалам взаимодействуют ЭВМ и терминалы.
[pic]
Рис. 14. Логическая структура моноканала
Физическое подключение блока доступа к общему звену моноканала,
построенному на плоском кабеле либо витой паре проводов, осуществляется
достаточно просто. В тех же случаях, когда в качестве физической среды
моноканала используется коаксиальный кабель, возникают некоторые трудности.
В этом случае на практике используются два способа подключения блока
доступа к общему звену.
Первый из них, именуемый разрушающим, заключается в том, что в точке
подключения блока доступа коаксиальный кабель общего звена разрезается . В
точку разреза вставляется тройник, дающий необходимое ответвление от общего
звена.
Второй способ, называемый неразрушающим, состоит в том„ что в нужном
месте коаксиальный кабель для получения необходимого ответвления
прокалывается специальной тупой иглой. Игла, достигая центрального
проводника кабеля, обеспечивает необходимый контакт. Для того, чтобы не
произошло замыкания: на оплетку кабеля, игла у основания изолируется.
Сравнивая оба способа подключения, необходимо отметить, что
разрушающий способ дает более надежный контакт блока доступа с коаксиальным
кабелем общего звена моноканала. Однако разрезание коаксиального кабеля во
многих точках приводит к снижению надежности моноканала, ибо обрыв общего
звена даже в одной точке в этом случае ведет к остановке работы
коммуникационной подсети. Кроме того, многократное разрушение коаксиального
кабеля привносит помехи в его работу за счет появления всевозможных
отражений в точках разреза. Поэтому все большее число производителей
отказываются от разрушающего способа, широко использовавшегося ранее, когда
необходимо было делать немного ответвлений.
Неразрушающий способ обеспечивает целостность общего звена. повышая
надежность и качество работы моноканала. Использование данного способа
обеспечивает также подключение новых блоков доступа и отключение ненужных
блоков доступа во время работы сети, без прерывания ее нормального
функционирования. Моноканал (рис. 3.17) состоит из блоков доступа и
физической среды. Задачей блока доступа является обеспечение взаимодействия
абонентских звеньев с физической средой моноканала и выполнение ряда
функций, связанных с передачей информации через эту среду. Поэтому блок
доступа имеет три модуля. Два из них обеспечивают сопряжение с абонентским
звеном и моноканалом.. Их структура определяется типом используемых
абонентских каналов и физической среды. Третий модуль блока доступа его
логическая часть выполняет функции:
- самодиагностики неисправностей и передачи абонентской
системе сигнала неисправности,
- отключения блока доступа (в случае его неисправности) от
физической среды и подключения его к физической среде,
- приема сигнала из физической среды и предварительной его
обработки,
- передачи сигнала в физическую среду,
- прослушивания физической среды с целью определения ее занятости.
Блок доступа обычно располагается в труднодоступном месте рядом с
физической средой, например коаксиальным кабелем. Поэтому он выполняется в
виде закрытой коробки, располагаемой под полом либо в стене. Такое
размещение требует, чтобы блок .доступа был достаточно надежным и получал
необходимое ему питание от абонентской системы. Общее звено моноканала
может •стать антенной, вносящей помехи в работу блока доступа и абонентской
системы. Чтобы этого не произошло, осуществляется гальваническая развязка
цепей блока доступа и общего звена моноканала. Развязка осуществляется при
помощи импульсных трансформаторов.
Общее звено моноканала (рис10—13) состоит из одного либо нескольких
сегментов — частей, каждая из которых не имеет ни одного повторителя
(усилителя). Соединяются сегменты при помощи повторителей,
восстанавливающих форму сигнала, которая искажается по мере прохождения
сигнала через общее звено. В качестве общего звена моноканала чаще всего
используют коаксиальный кабель. Однако при низких скоростях, не превышающих
нескольких сотен бит в секунду, его заменяет витая пара проводов либо
плоский кабель.
Особое внимание исследователей в последние годы привлекает использование в
моноканалах волоконной оптики. Наиболее подходящими для использования
световодов являются звездообразные моноканалы. Структура такого канала
показана на рис. 15. Здесь, в отличие от рис. 10, общее звено представлено
парами световодов, а в центре звезды установлен световой распределительный
блок.
Общее
звено
Рис.15. Звездообразный моноканал выполненный на световодах
Абоненты моноканала оперируют только электрическими сигналами, а по
световодам передаются лучи света. Поэтому блоки доступа в схеме,
приведенной на рис. 15, кроме своих обычных функций выполняют операции,
связанные с преобразованиями электрических сигналов в световые и обратно.
Технологически источник и преобразователь света должны быть точно
подключены к торцу световода. Поэтому сейчас каждый световод передает
информацию только в одном направлении. Вследствие этого каждый луч
звездообразного общего звена схемы, изображенной на рис. 10, представляется
на рис. 15 двумя световодами.
Распределительный блок благодаря осуществляемому в нем смешению световых
сигналов обеспечивает передачу света, полученного по одному из лучей, всем
исходящим из него лучам общего звена. Число лучей, а следовательно, и
количество подключаемых к моноканалу абонентских систем могут достигать
сотен. Естественно, что при наличии в моноканале абонентов источник света
должен иметь мощность, достаточную для восприятия, приемниками света после
деления света в распределительном блоке на N частей. Световоды используются
и в магистральных моноканалах. Однако из-за технических трудностей,
связанных с созданием ответвлений к блокам доступа, число последних не
превышает пока десяти.
Моноканал является эффективным средством соединения значительного числа
абонентских систем, имеющим серьезные преимущества:
Недостатки. Достоинства:
- возможность одновременной передачи данных и речи,
- высокие скорости передачи информации,
- простота прокладки моноканала,
- большая надежность работы,
- возможность подключения новых систем без остановки информационно-
вычислительной сети,
- малая общая длина всех звеньев моноканала.
Вместе с тем моноканал обладает и рядом недостатков:
- высокая стоимость физической среды,
- сильные шумы, появляющиеся в моноканале при большом числе блоков доступа,
- относительно сложные формы управления передачей.
3.2 Поликанал
Нередко в информационно-вычислительных сетях для передачи7 данных
используются методология и техника стандартного кабельного телевидения,
обеспечивающие особенно высокую пропускную-способность. Так как
производительность и скорость передачи данных здесь велики, то в физической
среде выделяются частотные полосы. Поэтому через физическую среду, которой,
как правило, является широкополосный коаксиальный кабель, передаются
аналоговые (а не дискретные) сигналы.
Частотная полоса может выполнять те же функции, что и физическая среда
рассмотренного в предыдущем параграфе моноканала, — передавать информацию
от абонентской системы-отправителя ко всем абонентским системам
информационно-вычислительной сети. Если обеспечить взаимодействие такой
частотной полосы с необходимым числом блоков доступа, то получим
коммуникационную подсеть, именуемую частотным многоточечным .каналом.
В случаях, когда это необходимо, в частотной полосе выделяется нужное число
частотных, субполос, каждая из которых имеет небольшую пропускную
способность и обеспечивает соединение .двух абонентских систем. Связав
субполосу с блоками доступа, .можно создать частотный двухточечный канал.
Назовем поликаналом группу коммуникационных подсетей, •созданных на базе
единой физической среды, в которой за счет частотного уплотнения выделяется
множество логических частотных двух- и многоточечных каналов. По каждому
частотному каналу, выделяемому в поликанале, информация передается
наложением сигналов на несущую частоту. Так как поликанал характеризуется
широким диапазоном передаваемых частот, то его нередко называют
широкополосным каналом.
В схемном отношении поликанал выглядит так же, как и моноканал (рис.
3.10—3.12). Он состоит из физической среды и блоков доступа. Вместе с тем
логическая структура поликанала существенно отличается от структуры
моноканала. Главное отличие состоит в том, что моноканал образует одну, а
поликанал — группу коммуникационных подсетей. Поэтому на базе моноканала
строится одна, а на основе поликанала — множество коммуникационных
подсетей.
Таким образом, через поликанал по К частотным каналам одновременно
передается К сигналов. Число частотных каналов может достигать сотен. Так
как поликанал образует множество частотных двухточечных каналов, он, как
правило, имеет коммутатор каналов. Задачей последнего является подключение
свободных двухточечных каналов к абонентским системам, которым необходимо
провести сеанс передачи данных.
Как было показано (рис. 2), моноканал может иметь четыре 'формы:
звездообразную, древовидную, магистральную либо кольцевую. Что же касается
поликанала, то из-за наличия в нем значительного числа параллельно
функционирующих частотных каналов кольцевая форма здесь не используется.
Каждый поликанал содержит большое число однонаправленных аппаратов
(усилителей, расщепителей, повторителей и т. д.), поэтому частотные каналы,
выделяемые в поликанале, передают информацию только в одну сторону.
Существует (рис. 3.19) два метода передачи информации в поликанале.
Первый из них заключается в том, что в поликанале выделяются пары частотных
каналов, передача информации по которым осуществляется на различных
частотах (на рис. 3.19,а показана только одна пара каналов). Канал 1 здесь
собирает блоки данных, передаваемые абонентскими системами. Что же касается
канала 2, то он, наоборот, раздает этим системам полученные им блоки
данных. А так как каналы работают на разных частотах, то поликанал имеет
головной преобразователь частоты. Его задачей является передача блоков,
полученных из канала 1, в канал 2.
[pic]
Существует (рис. 16) два метода передачи информации в поликанале.
Первый из них заключается в том, что в поликанале выделяются пары частотных
каналов, передача информации по которым осуществляется на различных
частотах (на рис. 3.19,а показана только одна пара каналов). Канал 1 здесь
собирает блоки данных, передаваемые абонентскими системами. Что же касается
канала 2, то он, наоборот, раздает этим системам полученные им блоки
данных. А так как каналы работают на разных частотах, то поликанал имеет
головной преобразователь частоты. Его задачей является передача блоков,
полученных из канала 1, в канал 2.
Второй метод передачи информации заключается в том, что кабель делает
(рис. 16,6) петлю в головной части поликанала и благодаря этому дважды
проходит мимо всех блоков доступа. Одна его часть (подканал 1а) собирает
блоки данных, а вторая (подканал 16) — раздает эти блоки. Такой поликанал
назовем петлеобразным.
Сравнивая оба метода, следует отметить, что при использовании первого из
них длина дорогостоящего поликанала (вместе с каналообразующими элементами:
повторителями, расщепителями и т. д.) сокращается вдвое. Однако при этом
вдвое уменьшается и пропускная способность поликанала, ибо одна его
половина собирает, а вторая — раздает те же блоки данных. Поэтому выбор
метода зависит от экономических факторов и необходимой пропускной
способности поликанала.
[pic]
Таким образом, в поликанале вся информация передается через: головной
преобразователь частоты либо в головную часть поликанала. Вследствие этого
в поликанале пути, по которым передаются блоки данных, оказываются в
среднем вдвое длиннее, чем в моноканале. Так, на рис. 17 показаны пути
передачи информации из абонентской системы В абонентскую систему как в
моноканале (а), так и в частотном многоточечном канале поликанала (б).Во
втором случае блоки проходят через головную часть поликанала. Поэтому их
путь значительно длиннее.
Логическая структура поликанала достаточно сложна. Это связано с тем,
что поликанал предоставляет значительное число параллельно идущих групп
физических соединений. Структура зависит (рис. 3.19) от метода передачи
информации в поликанале. Так, для способа, показанного на рис. 3.19,6,
логическая структура поликанала имеет вид, изображенный на рис. 3.21. В
представленном здесь петлеобразном поликанале за счет частотного уплотнения
созданы три группы соединений. Любая группа состоит из двух (а, б) частей,
соединяемых петлей.
Каждая группа соединений поликанала используется двояким образом. Так, если
подключить к точкам 1...1 более двух абонентских систем, то группа
соединений будет определять многоточечный канал. Если же к точкам 2... 2
подключить две абонентские системы, то группа соединений образует
двухточечный канал.
Если для создания поликанала используется метод, изображенный на рис.
3.19,а, то логическая структура поликанала несколько видоизменяется. В этом
случае (рис. 3.22) части а, б групп соединений не связываются петлей, а
подключаются к головному преобразователю частоты. В остальном логическая
структура остается такой же, как и в случае использования метода передачи
информации с образованием петли в головной части поликанала.
Блок доступа в поликанале имеет, в общем, ту же структуру (рис. 3.17), что
и в моноканале, но в нем выявляется и ряд новых функций. Так, в поликанале
блок доступа должен передавать в физическую среду аналоговые сигналы.
Взаимодействие же блока с абонентом происходит на дискретной основе.
Следовательно, блок доступа должен осуществлять необходимые преобразования
дискретных сигналов в аналоговые и наоборот. Кроме того, в поликанале часто
блок доступа должен работать попеременно (не сразу) с различными частотными
двухточечными каналами. Поэтому в кем должна быть предусмотрена возможность
изменения; частот передаваемых и принимаемых аналоговых сигналов.
Чаще всего физической средой поликанала является широко-полосный
коаксиальный кабель. Световоды в поликаналах пока не используются, ибо
волоконная оптика еще не обеспечивает выполнения нужных для этого
требований.
Достоинствами поликанала являются его универсальность и высокая пропускная
способность. Выделяя различные полосы и субполосы, здесь можно обеспечить
передачу информации для широкого круга абонентов от терминалов ЭВМ до
аппаратуры стандартного телевидения. Единые физические средства,
используемые для передачи, также относятся к положительным качествам
поликанала. Однако поликанал очень дорог, громоздок и сложен в
эксплуатации. Поэтому поликаналы применяются только в больших локальных
информационно-вычислительных сетях с широким спектром типов абонентов.
[pic]
Рис. 18. Логическая структура петлиобразного канала
[pic]
Рис. 20. Логическая структура поликанала с головным преобразоывателем
частоты
4. Циклическое кольцо
Циклическим кольцом является (рис22) коммуникационная подсеть,
выполненная в виде кольца, содержащего повторители в тех точках, в которых
необходимо подключение абонентских систем. Каждый повторитель обладает
небольшой задержкой, необходимой абонентской системе для записи данных и
чтения-информации, проходящей мимо нее по кольцевому каналу. К повторителю
подключается блок доступа, соединяемый абонентским звеном с абонентской
системой. Так как каждый повторитель имеет задержку, время передачи блока
данных по кольцу оказывается зависимым от числа подключаемых абонентских
систем.
Логическая структура циклического кольца, соответствующая' схеме,
представленной на рис. Рис.22, показана на рис. 23. Характерной ее
особенностью является наличие кольца, проходящего* через блоки специальной
аппаратуры передачи данных. Каждый из этих блоков содержит блок доступа и
повторитель. Последний должен иметь задержку на время, необходимое
абонентской системе для определения адреса кадра, приема либо передачи
пакета.
[pic]
Рис. 22. Циклическое кольцо.
[pic]
Рис. 23. Логическая структура циклического кольца
На рис. 22 показано циклическое кольцо с распределенным управлением.
Примером такого кольца является сеть Ringnet, созданная фирмой Prime
Computer. Однако сложности, которые вносит распределенное управление в
подсеть, привели к выпуску также циклических колец, в которых используется
централизованное управление. Для этой цели добавляется устройство,
именуемое монитором циклического кольца. Примером такого кольца является
подсеть Cambridge Ring.
В большинстве случаев циклические кольца строятся на базе скрученных пар
проводов, плоских либо коаксиальных кабелей. Однако все шире в циклических
кольцах используется волоконная оптика. Это связано с тем, что здесь нет
надобности в осветителях света.
Пример циклического кольца, построенного на световодах, показан на рис. 24.
В отличие от схемы, представленной на рис. 22, здесь появились два новых
типа компонентов: оптический передатчик и приемник. Оптический передатчик
преобразует электрический сигнал в световой и направляет последний в
световод. Оптический приемник, наоборот, получает из световода световой
сигнал и преобразует его в электрический. Ненадежность кольца приводит при
выходе из строя одного из компонентов к остановке работы всей сети. Поэтому
ведутся работы по созданию. оптических переключателей, отключающих от
кольца неисправные его части. Для повышения надежности функционирования, а
иногда и увеличения пропускной способности в информационно-вычислительной
сети нередко устанавливается несколько циклических колец. Чаще всего
используют две коммуникационные подсети, информация в которых по
циклическим кольцам передается в разных направлениях. Пример такой сети
показан на рис. 25. Сеть содержит два циклических кольца (1, 2), к которым
подключаются абонентские системы А—Г.
Рис. 24. Циклическое кольцо выполненное на световодах Рис. 25. Группа
циклических колец
Главным слабым местом циклического кольца является ненадежность
кольцевой цепочки повторителей. Для устранения этого недостатка
разработчики коммуникационных подсетей предлагают два пути.
Первый из них заключается в том, что параллельно с каждым повторителем
устанавливают (рис 26) электронный переключатель. В случае неисправности
переключатель замыкает цепь, создавая обходный путь вокруг повторителя.
Второй путь заключается в том, что в геометрическом центре коммуникационной
подсети создается канальный центр (рис. 27). К нему стягиваются все звенья
циклическго кольца, образуя исходящие из центра петли. На прежнем месте
остаются лишь повторители и точки подключения абонентских систем. В
канальном центре устанавливают электронные переключатели, отключающие петли
без разрыва кольца, выводя из работы необходимый повторитель и связанную с
ним абонентскую систему.
Сравнивая схемы, представленные на рис. 26 и 27, следует отметить, что во
второй из них значительно удлиняются звенья кольцевого канала. Однако в
схеме, приведенной на рис. 27, значительно упрощается задача перекоммутации
этих звеньев.
В циклическом кольце должна быть обеспечена синхронизация работы всех
повторителей. Для этого осуществляется тактирование движения кадров по
кольцу. Оно выполняется следующим образом:
- в начале работы кольца выделяется главный повторитель, под такты работы
которого подстраиваются все остальные повторители.
- осуществляется подтягивание (во времени) отстающих повторителей,
- во время работы кольца выполняется фазовая автоподстройка повторителей.
Циклическое кольцо является простым типом коммуникационной подсети.
Оно обеспечивает:
- легкость подключения абонентских систем,
- несложное управление передачей данных,
- низкую стоимость сети.
Однако циклическое кольцо обладает и рядом значительных
недостатков. К ним в первую очередь относятся:
- ненадежность, связанная с тем, что выход из строя одного элемента кольца
приводит к прекращению работы всей сети,
- возрастание времени передачи данных по кольцу при увеличении числа
абонентских систем, подключенных к сети,
- трудности, связанные с передачей речи,
- необходимость синхронизации работы всех повторителей, установленных в
кольце.
Рис. 26. Повторитель с шунтирующем переключателем Рис.27. Цикл.
кольцо с канальным центром
Литература
1. M59 Компьютерные сети+. Учебный курс: официальное пособие Microsoft для
самостоятельной подготовки/Пер. с англ. — М.: Издательско-торговый дом
«Русская Редакция», 2000. — 552 стр.: ил.
2. Якубайтис Э.А. Локальные информационно-вычислительные сети. – Рига:
Зинатне, 1985г. 284с
-----------------------
Коммуникационная подсеть
Одноузловые
Звездообразные
Многоузловые
Кольцевые
Ячеистые
Моноканалы
Звездобразные
Древовидные
Магистральные
Кольцевые
Поликаналы
Звездообразные
Древовидные
Магистральные
Циклические кольца
Кольцевые
Физические средства соединения
Сетевой процесс
А
Б
В
Г
Д
Интерфейс подсети
Административный блок
Коммуникационный блок
Коммуникационный блок
Диск/Дисплей/Принтер
Точки интерфейса
подсети
К абонентским системам
8 9 7
10 6
5
4
2
3
1
Физические средства соединения
А
Б
В
Г
Д
Е
Ж
Сетев.
процесс
Сетев.
процесс
Сетев.
процесс
АПД
А
Б
В
Г
Д
Физические средства соединения
АПД
Головной преобразователь
БД
БД
1
N
Головная часть
БД
БД
1
N
Форма поликанала а)
Форма поликанала[pic] б)
Рис. 16 .Две формы поликанала
Канал1
Канал2
Канал1а
Канал1б
А
Б
В
Г
Г
В
Б
А
Рис. 17. Пути передачи блоков данных в моноканале (а) и полосе поликанала
(б)
а)
б)
11 22
11
11
11 22
Физические средства соединения
Физические средства соединения
Головной преобразователь частоты
А
Б
В
Г
Д
Е
АПД
Физические средства соединения
Реферат на тему: Компакт-диски. Классификация. Принципы чтения и записи
Министерство образования РФ
Иркутский государственный технический университет
Кафедра АС
Курсовая работа
«Компакт-диски. Классификация. Принципы чтения и записи»
Выполнил: ст. гр. АСУ-99-1
Беляев В. А.
Принял: Бахвалов С. В.
Иркутск, 2002 год
Содержание
Общие сведения о компакт-дисках………………3
Формат компакт-диска……………………………4
Классификация…………………………………….5
Принцип записи CD-R…………………………….6
Принцип записи CD-RW………………………….7
Способы записи……………………………………8
Литература…………………………………………11
В 1982 году фирмы Sony и Philips завершили работу над форматом CD-
аудио (Compact Disk), открыв тем самым эру цифровых носителей на компакт-
дисках. Принцип работы этих дисков – оптический. Чтение и запись
осуществляется лазером. В компакт-диске данные кодируются и записываются в
виде последовательности отражающих и не отражающих участков. Отражение
интерпретируется как единица, «впадина» - как ноль. Приведу некоторые
технические параметры компакт-дисков. Рабочая длина волны лазера - 780 нм.
Диаметр компакт-диска 120 мм. Толщина диска 1,2 мм. Объем диска 680 Мб (74
мин аудио). Вес 14-33 г. Цепочка углублений (pits) расположена по спирали
как в грампластинке, но в направлении от центра (фактически CD является
устройством последовательного доступа с ускоренной перемоткой). Интервал
между витками - 1.6 мкм, ширина пита - 0.5 мкм, глубина - 0.125 мкм (1/4
длины волны луча лазера в поликарбонате), минимальная длина - 0.83 мкм
(рис. 1).
[pic]
Рис. 1. Поверхность компакт-диска.
Существуют модификации в 80 минут (700 МБ), 90 минут (791 МБ) и 99
минут (870 MB). Номинальная (1x) скорость передачи данных - 150 КБ/сек
(176400 байт/сек аудио или "сырых" данных, 4.3 Мбит/сек "физических"
данных). В то время как все магнитные диски вращаются с постоянным числом
оборотов в минуту, то есть с неизменной угловой скоростью (CAV, Constant
Angular Velocity), компакт-диск вращается обычно с переменной угловой
скоростью, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении (CLV,
Constant Linear Velocity). Таким образом, чтение внутренних сторон
осуществляется с увеличенным, а наружных - с уменьшенным числом оборотов.
Именно этим обуславливается достаточно низкая скорость доступа к данным для
компакт-дисков по сравнению, например, с винчестерами.
Рассмотрим формат компакт-диска.
Поверхность диска разделена на области:
. PCA (Power Calibration Area). Используется для настройки мощности
лазера записывающим устройством. 100 элементов.
. PMA (Program Memory Area). Сюда временно записываются координаты
начала и конца каждого трека при извлечении диска из записывающего
устройства без закрытия сессии. 100 элементов.
. Вводная область (Lead-in Area) - кольцо шириной 4 мм (диаметр 46-50
мм) ближе к центру диска (до 4500 секторов, 1 минута, 9 MB). Состоит
из 1 дорожки (Lead-in Track). Содержит TOC (абсолютные временные
адреса дорожек и начала выводной области, точность - 1 секунда).
. Область данных (program area, user data area).
. Выводная область (Lead-out) - кольцо 116-117 мм (6750 секторов, 1.5
минуты, 13.5 MB). Состоит из 1 дорожки (Lead-out Track).
Каждый байт данных (8 бит) кодируется 14-битным символом на носителе
(кодировка EFM). Символы отделяются 3-битными промежутками, выбираемыми
так, чтобы на носителе не было более 10 нулей подряд.
Из 24 байтов данных (192 бита) формируется кадр (F1-frame), 588 битов
носителя, не считая промежутков:
. синхронизация (24 бита носителя)
. символ субкода (биты субканалов P, Q, R, S, T, U, V, W)
. 12 символов данных
. 4 символа контрольного кода
. 12 символов данных
. 4 символа контрольного кода
При декодировании могут использоваться различные стратегии обнаружения
и исправления групповых ошибок (вероятность обнаружения против надежности
коррекции).
Последовательность из 98 кадров образует сектор (2352 информационных
байта). Кадры в секторе перемешаны, чтобы уменьшить влияние дефектов
носителя. Адресация сектора произошла от аудиодисков и записывается в
формате A-Time - mm:ss:ff (минуты:секунды:доли, доля в секунде от 0 до 74).
Отсчет начинается с начала программной области, т.е. адреса секторов
вводной области отрицательные. Биты субканалов собираются в 98-битные слова
для каждого субканала (из них 2 бита - синхронизация). Используются
субканалы:
. P - маркировка окончания дорожки (min 150 секторов) и начала
следующей (min 150 секторов).
. Q - дополнительная информация о содержимом дорожки:
o число каналов
o данные или звук
o можно ли копировать
o признак частотных предыскажений (pre-emphasis): искусственный
подъем высоких частот на 20 дБ
o режим использования подканала
. q-Mode 1: во вводной области здесь хранится TOC, в
программной области - номера дорожки, адреса, индексы и
паузы
. q-Mode 2: каталоговый номер диска (тот же, что на штрих-
коде) - 13 цифр в формате BCD (MCN, ENA/UPC EAN)
. q-Mode 3: ISRC (International Standard Recording Code) -
код страны, владельца, год и серийный номер записи
o CRC-16
Последовательность секторов одного формата объединяется в дорожку
(трек) от 300 секторов (4 секунды, см. субканал P) до всего диска. На диске
может быть до 99 дорожек (номера от 1 до 99). Трек может содержать
служебные области:
. пауза - только информация субканалов, нет пользовательских данных
. pre-gap - начало трека, не содержит пользовательских данных и состоит
из двух интервалов: первый длиной не менее 1 секунды (75 секторов)
позволяет "отстроиться" от предыдущего трека, второй длиной не менее
2 секунд задает формат секторов трека
. post-gap - конец трека, не содержит пользовательских данных, длиной
не менее 2 секунд
Вводная цифровая область должна завершаться постзазором. Первый
цифровой трек должен начинаться со второй части предзазора. Последний
цифровой трек должен завершаться постзазором. Выводная цифровая область не
содержит предзазора.
Существует множество стандартов и форматов компакт-дисков – в
зависимости от назначения и производителей. Приведу для примера далеко не
все существующие: Audio CD (CD-DA), CD-ROM (ISO 9660, mode 1 & mode 2),
Mixed-mode CD, CD-ROM XA (CD-ROM eXtended Architecture, mode 2, form 1 &
form 2), Video CD, CD-I (CD-Interactive), СD-I-Ready, CD-Bridge, Photo CD
(single & multi-session), Karaoke CD, CD-G, CD-Extra, I-Trax, Enhanced CD
(CD Plus), Multi-session CD, CD-Text, CD-WO (Write-Once). Полное описание
их займет слишком много места, и это не является целью написания данной
работы.
В зависимости же от количества возможных операций записи компакт-диски
разделяются на: CD-ROM (read only memory), CD-R (recordable), они же CD-
WORM (write once read many), CD-RW (rewritable). Соответственно, СD-ROM
изготавливается на заводе, и дальнейшая запись на него невозможна; CD-R
предназначен для однократной записи в домашних условиях; CD-RW допускает
множество операций записи. Диски CD-ROM представляют собой поликарбонат,
покрытый с одной стороны отражающим слоем (алюминий или - для ответственных
применений - золото) и защитным лаком с другой. Смена отражающей
способности осуществляется за счет штамповки углублений в металлическом
слое. На заводе их просто штампуют с матрицы. Это для нас не очень
интересно, и мы подробнее остановимся на дисках, запись на которые можно
сделать на домашнем компьютере.
Начнем с однократно-записываемых дисков (CD-R).
По своему внутреннему строению CD-R диск напоминает слоеный пирог,
"начинка" которого состоит из активного, отражающего и защитного слоев,
которые последовательно наносятся на основу из поликарбоната.
При этом основа CD-R диска ничем не отличается от той, что применяется в
технологии изготовления компакт-дисков литьем: характеристики пластмассы
должны быть таковы, чтобы луч лазера, проходящий сквозь нее, должным
образом фокусировался и не вызывал разрушения диска. На основу наносится
активный (или регистрирующий) слой, на котором, собственно, и происходит
запись информации. Во время записи мощный лазерный луч нагревает небольшие
участки активного слоя. Под воздействием высокой температуры меняются
свойства вещества регистрирующего слоя в месте нагрева, в результате он
перестает пропускать свет. В других местах, которые не разогревались
лазером, свет по-прежнему беспрепятственно проходит через регистрирующий
слой. В качестве материалов для регистрирующего слоя обычно используются
цианин и фталоцианин.
Осталось разобраться с отражающим слоем. Итак, отражающий слой - это
тончайшая пластинка из золота или серебра. Причем из серебра лучше, потому
что у него больший коэффициент отражения. Но, тем не менее, диски с золотым
отражающим слоем продолжают выпускаться, хотя они хуже и значительно
дороже. Как обычно, приходится жертвовать одним качеством в угоду другому:
золото - очень долговечный материал, а серебро со временем окисляется.
Поэтому в тех случаях, когда требуется длительное хранение данных,
применяются диски с золотым отражающим слоем. Ну и последний слой,
защитный, наносится поверх отражающего, и служит для механической защиты CD-
R диска и нанесения на него этикетки. Тут тоже возможны варианты: в
простейшем случае защитный слой являет собой покрытие лаком. Не самый
лучший вариант защиты. Лак можно ободрать, и, что еще хуже, возможна
химическая реакция между лаком и различными веществами, которые на него
попадают (например, с чернилами, которыми Вы сделаете надпись на обратной
стороне диска). Однако последнее время некоторые производители CD-R дисков
используют специальные устойчивые лаки для покрытия дисков, что сообщает им
дополнительную надежность. Более надежные защитные покрытия -
дополнительный слой специального пластика. Кроме защиты, такой способ еще и
делает внешний вид диска более привлекательным по сравнению с лаковым.
Восстановить прозрачность веществ, используемых в качестве активного
слоя в дисках CD-R, невозможно. С одной стороны, это дает некоторую
гарантию того, что записанная информация будет надежно сохранена.
Действительно, повредить запись, нанесенную на активный слой, можно только
одним способом - сделать прозрачные участки непрозрачными. Что и может
произойти под воздействием, например, яркого солнечного света. С другой
стороны, один раз записанный диск переписать невозможно. К сожалению,
решить это противоречие пока не удалось. На сегодняшний день мы вынуждены
выбирать между возможностью перезаписи и надежностью хранения информации.
И если мы выбираем перезапись, то придется использовать диск CD-RW.
Единственное отличие таких дисков от CD-R заключается в устройстве
регистрирующего слоя. У CD-R дисков запись основана на изменении оптических
свойств слоя под действием температуры - при нагревании слой мутнеет.
Принцип записи CD-RW дисков чуть сложнее, здесь используется явление
фазового перехода. Промежуточный слой специального органического материала
может пребывать либо в аморфном, либо в кристаллическом виде.
Аморфное вещество, как известно из курса физики, это такое вещество,
которое при нагревании не превращается в жидкость, а постепенно
размягчаются, становятся все более текучими. Примером такого вещества может
быть всем известный пластилин. Или мед. Кстати, на примере меда хорошо
видно общее свойство аморфных веществ - с течением времени они переходят в
кристаллическую форму. Поставьте банку прозрачного свежего меда в шкаф, и
не трогайте года 2. Потом достаньте, и вы увидите, что мед загустел, а то и
вовсе стал твердым, "засахарился". И стал непрозрачным! Вот на этом
принципе и основана запись на CD-RW. Прозрачность регистрирующего слоя CD-
RW зависит от того, в каком состоянии это вещество находится, в аморфном
или в кристаллическом. И мы можем управлять процессом перехода из одного
состояния в другое. Если нагреть регистрирующий слой до достаточно высокой
температуры и затем резко охладить его, то вещество переходит в аморфную
форму. Именно так происходит процесс записи. На чистом диске CD-RW
регистрирующий слой находится в кристаллической форме. Мощный луч
записывающего лазера разогревает участок поверхности и выключается, диск
быстро остывает и в этом месте часть активного слоя переходит в аморфную
форму. Для того, чтобы вернуть вещество активного слоя в кристаллическое
состояние, его опять нагревают, но до меньшей температуры (менее
интенсивным лучом). И вещество возвращается в кристаллическое состояние.
Такую операцию можно проводить около 1000 раз, именно столько циклов
перезаписи выдерживают CD-RW диски.
И все было бы хорошо, если бы не та самая особенность аморфных веществ
кристаллизоваться со временем. Как бы мы ни хранили CD-RW, через несколько
лет запись будет безвозвра | |
