 Интерфейсы ПК
Смесь авангарда и ретро
Заметки о legacy-портах, а также о USB 1.1/2.0, IEEE-1394 и других
Переходный период у интерфейсов персонального компьютера затянулся. Он длится уже не один, не два и даже не три года, а на «шоковую терапию» никто не решается. Стратегия интерфейсной «бархатной революции» привела к тому, что сегодня на системных платах наблюдается чудовищное нагромождение прогрессивных и морально устаревших интерфейсных решений. Некоторые из до сих пор используемых интерфейсов унаследованы персональными компьютерами от своих «праотцев» — мини-ЭВМ, которые были в ходу задолго до появления IBM PC XT/AT. Именно поэтому часть используемых в современных ПК интерфейсов вдвое старше их самих. Как могла образоваться такая смесь и чем вызвано такое неадекватное «долгожительство»?
В настоящее время каждый компьютер имеет множество встроенных интерфейсов для подключения периферийных устройств. В этом списке можно отметить последовательные и параллельный порты, разъемы клавиатуры и мыши и др. При этом некоторые из них созданы десятилетия назад и не отвечают современным требованиям производительности, простоты настройки и стабильности (бесконфликтности). Однако даже самый критикуемый интерфейс не может быть «плохим» в общефилософском смысле. Каждый интерфейс создавался под определенные задачи и, как правило, прекрасно с ними справлялся. Недостатки устаревшего (или legacy — от англ. «унаследованный») интерфейса начинают проявляться лишь при попытках выйти за рамки его круга задач. Если все работает хорошо и достаточно быстро, то зачем же воду мутить? Скажем, параллельный порт не зря в обиходе называют принтерным. Он и не обязан демонстрировать чудеса производительности при работе со скоростными внешними накопителями — это не его епархия. Кому нужна скорость обмена — пусть устанавливает интерфейсную карту с контроллером USB 2.0 или FireWire.
Да и вообще, на сегодняшний день полноценных систем legacy-free (то есть без устаревших интерфейсов) в розничной продаже почти не встретишь. Они пока обитают только на выставках и лабораториях ведущих производителей. Процесс понятный. По большей части он объясняется моральной неподготовленностью пользователей списать в утиль свое периферийное оборудование. И, как следствие, неготовностью производителей оборудования надежно перекрыть кислород legacy-системам. Очевидно, что до тех пор, пока абсолютно весь перечень периферийного оборудования не будет обладать поддержкой USB, ни о каком массовом отказе пользователей от привычных интерфейсов не может быть и речи. Кроме того, крайне важно, чтобы новомодные устройства работали по крайней мере не хуже своих предшественников.
Классические внешние интерфейсы: последовательный и параллельный
На самом деле уже с середины 80-х стало очевидно, что унаследованные персональными системами последовательный (RS-232С) и параллельный (Centronics) порты не обеспечивают достаточную для подключения периферии скорость, за исключением простейших устройств типа мыши, принтера и других, нечувствительных к полосе пропускания. В результате развития принятой в 1969 году спецификации появились стандарты RS-422/485, использующие балансный метод передачи и увеличенное за счет этого предельное расстояние передачи с 25 до 1100 м. Развитие технологий параллельного интерфейса привело к принятию стандарта IEEE-1284 (ECP/EPP), поддерживающего значительно большую скорость передачи данных и использующего буферизацию данных. Кроме того, ECP-режим позволял в случае поддержки устройством упаковки-распаковки данных по алгоритму RLE осуществлять передачу данных со сжатием «на лету», что давало возможность увеличить в 2-50 раз фактическую скорость передачи данных. Параллельный порт с режимом ECP использовался в основном для подключения принтеров и сканеров. Однако все эти улучшения носили, скорее, косметический характер и упирались в глухую стену ограниченного количества устройств на порт по схеме «одно устройство на каждый порт». Это ограничение, а также приемлемость ширины полос пропускания для существующих тогда задач привели к появлению большого количества внешних устройств со своими контроллерами (как правило, ISA, реже PCI), позволяющими обойти указанные ограничения. Но это тоже не было выходом из ситуации. Кардинальный выход напрашивался только один — разработка с нуля нового интерфейса подключения периферийных устройств, поддерживающего Plug-and-Play, большее количество устройств на порт и их «горячее» подключение.
Однако, несмотря на все указанные недостатки, последовательный (COM) и параллельный (LPT) интерфейсы целое десятилетие верно несли свою службу. И ограничение «один порт — одно устройство» не вызывало резкого раздражения, поскольку для нужд обычного пользователя двух последовательных и одного параллельного интерфейсов хватало с запасом. К тому же появление интерфейса PS/2 позволило освободить один последовательный порт для подключения дополнительного устройства.
Интерфейсы нового поколения — IEEE-1394 (FireWire) и USB
В 1986 году компания Apple развернула работы по созданию нового интерфейса, и в 1990 году выпустила первое техническое описание шины FireWire (IEEE-1394). К моменту принятия стандарта предельная скорость передачи данных по шине достигла 400 Мбит/с. Основным преимуществом нового интерфейса стала возможность (впервые в области) в реальном масштабе времени передать видеоряд высокого разрешения, о чем ранее без использования специальных весьма дорогостоящих интерфейсных карт даже мечтать не приходилось. Для сравнения в табл. 1 приведены ширины полос пропускания для наиболее распространенных интерфейсов.
Шина FireWire (IEEE –1394) способна самостоятельно обеспечивать питанием подключаемые устройства (напряжение до 40 В при токе до 1,5 А) и позволяет производить их горячее подключение. Используемый разъем имеет 6 контактов: две витые пары для передачи данных и питание. Для устройств с собственным блоком питания (например, видеокамер) возможно применение 4-контактного разъема. Теоретически возможно подключение до 63 устройств на единственный порт с максимальным количеством промежуточных узлов между взаимодействующими устройствами, равным 16, что неизбежно накладывает дополнительные ограничения на топологию подключения. Передача данных в IEEE-1394 может происходить как в асинхронном, так и в синхронном режиме с заданной гарантированной скоростью передачи данных для каждого устройства (при условии невыхода суммарной скорости за пределы полосы пропускания шины), что важно для передачи данных в реальном масштабе времени. На практике это означает, что всегда можно зарезервировать «коридор» (например, между компьютером и видеокамерой), который останется в полном распоряжении пользователя независимо от уровня нагрузки на шину со стороны остальных устройств. Если устройство должно работать в синхронном режиме, оно резервирует для себя определенное место в кадре данных (длина кадра равна 125 мс). Для этого рабочий квант времени передачи делится на зарезервированные участки, и «незаказанные» участки используются для менее приоритетной асинхронной передачи. Интерфейс FireWire уже несколько лет применяется как в профессиональных, так и в бытовых цифровых видео/телекамерах, магнитофонах и фотоаппаратах. Существует и гигабитный вариант IEEE-1394.2, в котором используется оптоволоконный соединительный кабель.
Несмотря на очевидные преимущества нового интерфейса, поддержка FireWire впервые появилась в составе операционной системы (естественно, это была Mac OS) только в апреле 1997 года (сравнительные характеристики даны в табл. 2). Этого события давно ожидали производители разнообразных плат расширения, предназначенных главным образом для подключения цифровых видеокамер — других FireWire-устройств в это время практически не существовало. Массовое появление периферии с интерфейсом FireWire началось в 1999 году, когда он стал стандартным компонентом всех профессиональных компьютеров Power Macintosh G3 и G4, а с осени — потребительских систем iMac DV. Компьютеры iMac DV имеют два внешних 6-контактных FireWire-разъема (питание устройств мощностью до 6 Вт), а профессиональные станции Power Mac G4 — целых три (питание устройств мощностью до 15 Вт), один из которых — внутренний. Следуя давней традиции, Apple не указывает компанию — производителя контроллеров для своих систем, хотя известно, что более 90% современного рынка FireWire-чипсетов принадлежит компании Texas Instruments. А поскольку доля Apple среди поставщиков FireWire-компьютеров более чем весома (уже продано несколько миллионов таких систем), «вычислить» таинственного поставщика несложно.
Стандарт USB — ныне главный и единственный конкурент шины FireWire — относительно молод. Однако это не помешало ему существенно потеснить своего противника на рынке периферийных устройств, не посягая только на специфический (и относительно небольшой) сегмент устройств, для которых возможность резервирования полосы пропускания является жизненно необходимой. Спецификация периферийной шины USB разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности — Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC — для подключения компьютерной периферии вне корпуса машины по стандарту Plug-and-Play. В результате отпадает необходимость в установке дополнительных плат в слоты расширения и переконфигурировании системы. Персональные компьютеры, имеющие шину USB, позволяют подключать периферийные устройства и осуществлять их автоматическое конфигурирование сразу же после физического подключения устройства к машине. При этом нет необходимости перезагружать или выключать компьютер, а также запускать программы установки и конфигурирования. USB-кабель содержит 4 проводника: две витые пары, питание 5 В и общий провод. Таким образом, устройства разделяют одну сигнальную линию. Для коррекции одиночных ошибок на линии используется циклический CRC-код. Помимо общего канала шириной в 12 Мбит/с в USB имеется так называемый подканал шириной в 1,5 Мбит/с для медленных устройств, таких как клавиатура, мышь, джойстик, перо и т.д. Это позволяет снизить стоимость медленных USB-портов в этих устройствах, поскольку более высокая скорость для таких устройств не нужна. Шина USB позволяет одновременно подключать последовательно до 127 устройств, или концентраторов (то есть устройств, через каждое из которых подключается еще несколько). К таким устройствам относятся: телефоны, модемы, клавиатуры, мыши, устройства чтения CD-ROM, джойстики, ленточные и дисковые накопители, сканеры и принтеры. Пропускная способность в 12 Мбит/с позволяет подключать через USB все современные периферийные устройства, включая аппаратуру для обработки видеоданных формата MPEG-2, перчатки для управления виртуальными объектами и дигитайзеры. Кроме того, ввиду ожидающегося большого роста в области интеграции компьютеров и телефонии шина USB может выступать в качестве интерфейса для подключения устройств цифровой сети с интегрированными услугами (ISDN) и цифровых устройств Private Branch eXchange (PBX), позволяющих подключать большое количество телефонов к небольшому количеству линий связи.
USB версии 2.0 обладает значительно большей пропускной способностью (до 480 Мбит/с). Для совместимости с USB 1.1 новый порт способен работать в нескольких режимах. При подключении только высокоскоростных устройств шина работает в режиме USB 2.0, а если подключено устройство, не способное работать на такой скорости, шина снижает рабочую частоту до приемлемой для данного устройства. Несмотря на некоторую «вялость» нашего рынка, на западе USB с успехом заменяет и последовательный RS-232C-порт, и параллельный IEEE 1284. Удобство универсальной шины очевидно. Благодаря USB большое разнообразие портов на задней стенке нашего персонального компьютера скоро уйдет в прошлое.
В целях создания режима максимального благоприятствования появлению новых USB-устройств разработчики стандарта предприняли беспрецедентный ход. Использование USB свободно от авторского гонорара, то есть создатели спецификации разрешают всем желающим разрабатывать на ее основе продукцию без какой-либо платы за это. Разработчики спецификации шины подписали соглашение об отсутствии всякого судебного преследования по любому включенному в соглашение пункту в пределах спецификации. Обратный договор является копией этого соглашения с возможностью для любого, кто внедряет шину USB, подписать этот договор и вернуть его в администрацию USB-IF для внесения записи о том, что соглашение прочитано и понято. Обратный договор доступен каждому (членам USB-IF или нет) для разъяснения лицензионного соглашения на USB. Это привело к настоящему буму USB-устройств.
Необходимо отдавать себе отчет в том, что до широкого внедрения USB 2.0 при внедренных контроллерах USB1.1 ограничивать скорость обмена персонального компьютера с внешним миром жалкими полутора мегабайтами в секунду не представляется ни разумным, ни оправданным. Поэтому придется немного подождать — хотя бы до лета. Ближе к лету появятся коммерчески доступные платы с поддержкой USB 2.0 ( «сырые» экземпляры, хотя и редко, встречаются в продаже уже сейчас). Однако ряд компаний уже представили периферийные устройства, совместимые со стандартом USB 2.0. Но это не значит, что через год можно будет выкинуть наши заслуженные «многопортовые» материнские платы, купить новую, поддерживающую только USB-интерфейс, и полноценно работать. Задуматься об этом нам придется еще не очень скоро. Это вызвано прежде всего высокой стоимостью нового оборудования. Но со временем цены станут вполне приемлемыми и приобретение системы legacy-free (то есть системы, не использующей для подключения периферийных устройств интерфейсов, отличных от USB) станет вполне реальным. С другой стороны, намечающаяся тенденция перевода всех устройств на USB может привести к отмиранию привычных нам с вами слотов расширения ISA/PCI. Это приведет к миниатюризации персональных компьютеров до размеров современных ноутбуков. Во что превратятся нынешние ноутбуки — предсказывать не возьмусь, но полагаю, что через 5-8 лет никого не удастся удивить ноутбуком размером с современный мобильный телефон, реализующим функции стенографиста и управляемым голосом. Очевидно пока одно: интерфейс USB после долгих лет подготовки позволил осуществить давнюю мечту пользователей о горячем подключении периферийного оборудования, причем сделал это легко, элегантно и с минимальными финансовыми затратами для пользователей. Фактически затрат и не потребовалось — просто в конфигурацию компьютера была включена поддержка нового интерфейса на тех же правах, что и интерфейса ATA. В дальнейшем скорость передачи данных через этот интерфейс будет расти, а вместе с тем будет расширяться и список подключаемых устройств. А затем наступит такой момент, когда, глядя на заднюю крышку компьютера, мы не увидим никаких других разъемов, кроме USB. И это будет конец истории интерфейсов, унаследованных нами от самой первой IBM PC XT и ее предшественников.
Интерфейсы подключения внутренних устройств и жестких дисков
Ровно восемь лет назад в моем доме появился первый компьютер (486DX2-66 с 1х CD-приводом, подключаемым через интерфейсную карту). Уже тогда для подключения жестких дисков использовался интерфейс АТА, а также интерфейсы ISA и VESA-local bus для подключения внутренних устройств. Прошло восемь лет. Интерфейс ISA практически в неизмененном виде присутствует в миллионах компьютеров. Попытка улучшения шины ISA (VESA Local Bus) благополучно провалилась. 32-разрядная шина PCI (существует и 64-разрядная модификация) с успехом заняла заслуженное место в качестве основной шины подключения внутренних устройств. Последние годы соотношение слотов расширения ISA к PCI неуклонно изменялось в пользу последних, и ряд новейших моделей материнских плат уже не имеет слотов ISA.
Интерфейс подключения жестких дисков АТА за прошедшие годы постепенно развивался, обеспечивая все большие скорости передачи данных и позволяя подключать все больший набор устройств. Первая версия стандарта АТА была утверждена в 1994 году национальным комитетом по стандартам информационных технологий (NCITS). Стандарт ATA-1 определял 16-битный шинный интерфейс для обмена информацией между винчестерами и контроллерами на системной шине. Он позволил привести существовавшие к тому времени на рынке IDE винчестеры к взаимной совместимости. Тем, кто имел с ними дело еще в начале 90-х, памятны случаи невозможности совместной работы двух винчестеров от разных производителей. Появление единого официального стандарта решило проблемы с несовместимостью различных моделей. Последняя версия интерфейса АТА-6 была принята менее года назад и поддерживается большинством новых материнских плат.
КомпьютерПресс 5'2001
Интерфейсы подключения периферийных устройств!
Большинство периферийных устройств подключаются через промежуточные периферийные интерфейсы, находящиеся на нижних уровнях иерархии подключений (на верхнем уровне — системная шина, см. 1.6). Периферийные интерфейсы — самые разнообразные из всех аппаратных интерфейсов. К периферии, подключаемой через промежуточные интерфейсы, относятся большинство устройств хранения (дисковые, ленточные), устройств ввода-вывода (дисплеи, клавиатуры, мыши, принтеры, плоттеры), ряд коммуникационных устройств (внешние модемы). По назначению периферийные интерфейсы можно разделить на специализированные и универсальные, выделенные и разделяемые:
• Специализированные интерфейсы ориентированы на подключение устройств определенного узкого класса, и в них используются сугубо специфические протоколы передачи информации. Примеры — популярнейший интерфейс мониторов VGA, интерфейс накопителя на гибких дисках, традиционные интерфейсы клавиатуры и мыши, IDE/ATA и ряд других.
• Универсальные интерфейсы имеют более широкое назначение, их протоколы обеспечивают доставку данных, не привязываясь к специфике передаваемой информации. Примеры — коммуникационные порты (СОМ), интерфейс SCSI, шины USB и FireWire.
• Выделенные интерфейсы позволяют подключить к одному порту (точке подключения) адаптера (контроллера) лишь одно устройство; число подключаемых устройств ограничено числом портов. Примеры — СОМ-порт, интерфейс VGA-монитора, порт AGP, интерфейс Serial SCSI.
• Разделяемые интерфейсы позволяют подключить к одному порту адаптера множество устройств. Варианты физического подключения разнообразны: шина (жесткая, как ISA или PCI; кабельная шина SCSI и IDE/ATA), цепочка (daisy chain) устройств (SCSI, IEEE 1284.3), логическая шина на хабах (USB) или встроенных повторителях (IEEE 1394 FireWire).
Виды передаваемой информации
Информация (данные), которую следует передавать по интерфейсам, может быть разной природы:
• Аналоговая информация отображает процесс, непрерывный во времени и произвольный по величине (может принимать любое из бесконечного числа значений, пусть и в ограниченном интервале). Пример: звуки, которые мы слышим (в том числе речь), представляют собой непрерывное изменение давления. Передача такой информации осуществляется, например, при подключении микрофона (устройства, преобразующего изменения давления в изменения электрического напряжения) к компьютеру.
• Дискретная информация отображает процесс конечным числом значений. Элементарная единица дискретной информации — 1 бит, который может принимать лишь одно из двух логических значений: 1 (истина, «да») или О (ложь, «нет»). Одним битом, к примеру, можно отобразить состояние кнопки мыши — нажата или нет. Дискретная двоичная информация является «родной» для большинства компьютеров, поскольку ее проще всего получать, обрабатывать, хранить и передавать. Дискретная информация может быть не только двоичной — интересны, например, и троичные системы; состояние одного трита можно трактовать как «да», «нет», «не знаю».
• Цифровая информация представляет собой последовательность (набор) чисел, имеющих ограниченную разрядность (и соответственно, конечное число возможных значений). Пример — оцифрованный звук, являющийся последовательностью отсчетов мгновенных значений давления, взятых через равные интервалы времени.
Дискретную и цифровую информацию не всегда корректно различают (и не всегда это требуется), поскольку «выглядит» она похоже: в двоичной системе та и другая представляет собой наборы ноликов и единичек. Важным отличием цифровых данных является осмысленность сравнения значений по условиям «больше-меньше». Цифровая информация является особым видом дискретной. Для передачи данных по различным интерфейсам наиболее существенно разделение на аналоговые (непрерывные) и дискретные данные.
Для того чтобы передавать данные, их нужно представить в виде сигнала — физического процесса (электрического, оптического, электромагнитного, хотя возможны и другие). Сигналы могут быть различных типов: аналоговые (непрерывные), дискретные, цифровые. Заметим, что тип сигнала может и не соответствовать типу передаваемых данных. Так, аналоговый сигнал телефонного модема несет дискретные (цифровые) данные. Тип и природа используемого сигнала определяются требованиями к интерфейсу: дальностью связи, скоростью передачи данных, надежностью, достоверностью, безопасностью, стоимостью, удобством подключения, энергопотреблением и др.
Параллельные и последовательные интерфейсы
Для компьютеров и связанных с ними устройств наиболее распространенной является задача передачи дискретных данных, и, как правило, в значительных объемах (не один бит). Самый распространенный способ представления данных сигналами — двоичный: например, условно высокому (выше порога) уровню напряжения соответствует логическая единица, низкому — логический ноль (возможно и обратное представление). Один двоичный сигнал за один квант времени передает один бит информации. Как говорилось ранее, процессор с периферийными устройствами обменивается байтами (8 бит), словами (в мире х86 — 16 бит), двойными словами (32 бита) данных. Для того чтобы передавать группу битов, существует два подхода к организации интерфейса:
• Параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы имеется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты группы передаются одновременно за один квант времени, то есть продвигаются по интерфейсным линиям параллельно. Примеры: параллельный порт подключения принтера (LPT-порт, 8 бит), интерфейс ATA/ATAPI (16 бит), SCSI (8 или 16 бит), шина PCI (32 или 64 бита).
• Последовательный интерфейс — используется лишь одна сигнальная линия, и биты группы передаются друг за другом по очереди; на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал). Примеры: последовательный коммуникационный порт (СОМ-порт), последовательные шины USB и FireWire, интерфейсы локальных и глобальных сетей.
На первый взгляд, организация параллельного интерфейса проще и нагляднее (не надо выстраивать биты в очередь на передачу и собирать байты из принятой последовательности битов). Также, на первый взгляд, параллельный интерфейс обеспечивает более быструю передачу данных, поскольку биты передаются сразу пачками. Очевидный недостаток параллельного интерфейса — большое количество проводов и контактов разъемов в соединительном кабеле (по крайней мере, по одному на каждый бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабелей и интерфейсных цепей устройств, но с этим мирятся ради вожделенной скорости. У последовательного интерфейса приемно-передающие узлы функционально сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и дешевле. Понятно, что на большие расстояния тянуть многопроводные кабели параллельных интерфейсов неразумно (и невозможно), здесь гораздо уместнее последовательные интерфейсы. Эти рассуждения были основополагающими при выборе типа интерфейса примерно до начала 1990-х годов. Тогда выбор был прост: на ближних расстояниях (максимум — до пары десятков метров) при требованиях к высокой скорости использовали параллельные интерфейсы, а на дальних расстояниях или в случае неприемлемости параллельных кабелей — последовательные, жертвуя скоростью передачи.
Теперь поточнее разберемся со скоростью передачи данных. Очевидно, что она равна числу бит, передаваемых за квант времени, деленному на длительность кванта. Для простоты можно оперировать тактовой частотой интерфейса — величиной, обратной длительности кванта. Это понятие естественно для синхронных интерфейсов, у которых имеется сигнал синхронизации (clock), определяющий возможные моменты возникновения всех событий (смены состояния). Для асинхронных интерфейсов можно пользоваться эквивалентной тактовой частотой — величиной, обратной минимальной длительности одного состояния интерфейса. Теперь можно сказать, что максимальная (пиковая) скорость передачи данных равна произведению тактовой частоты на разрядность интерфейса. У последовательного интерфейса разрядность 1 бит, у параллельного — столько, сколько имеется параллельных сигнальных цепей для передачи битов данных. Остаются вопросы о достижимых тактовой частоте и разрядности. И для последовательного, и для параллельного интерфейсов максимальная тактовая частота определяется достижимым (при разумных цене и затратах энергии) быстродействием приемопередающих цепей устройств и частотными свойствами кабелей. Здесь уже проглядывают преимущества последовательного интерфейса: для него затраты на построение высокоскоростных элементов не приходится умножать на разрядность интерфейса, как в случае параллельного интерфейса.
В параллельном интерфейсе есть явление перекоса (skew), существенно влияющее на достижимый предел тактовой частоты. Суть его в том, что сигналы, одновременно переданные с одного конца интерфейсного кабеля, доходят до другого конца не одновременно из-за отклонений характеристик цепей. На время прохождения влияют длина проводов, свойства изоляции, соединительных элементов и т. п. Очевидно, что перекос (разница во времени прибытия) сигналов разных битов должен быть явно меньше кванта времени, иначе биты будут искажаться (путаться с одноименными битами предшествующих и последующих посылок). Вполне понятно, что перекос ограничивает и допустимую длину интерфейсных кабелей: при одной и той же относительной погрешности скорости распространения сигналов на большей длине «набегает» и больший перекос. Перекос сдерживает и увеличение разрядности интерфейса: чем больше параллельных цепей, тем труднее добиться их идентичности. Из-за этого даже приходится «широкий» (многоразрядный) интерфейс разбивать на несколько «узких» групп и для каждой группы использовать свои управляющие сигналы. В 90-х годах в схемотехнике приемно-нередающих узлов стали осваиваться частоты в сотни мегагерц и выше, то есть длительность кванта стала измеряться единицами и долями наносекунд. Достичь соизмеримо малого перекоса можно лишь в пределах жестких компактных конструкций (печатная плата), а для связи отдельных устройств кабелями длиной в десятки сантиметров пришлось остановиться на частотах до десятков мегагерц. Для того чтобы ориентироваться в числах, отметим, что за 1 наносекунду сигнал пробегает по электрическому проводнику порядка 20-25 сантиметров.
Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов с середины 90-х годов стали применять двойную синхронизацию (Dual Data Rate, DDR). Ее идея заключается в выравнивании частот переключения информационных сигнальных линий и линий стробирования (синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных линий воспринимаются только по одному перепаду (фронту или спаду) синхросигнала, что удваивает частоту переключения линии синхросигнала относительно линий данных. При двойной синхронизации данные воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота смены состояний всех линий выравнивается, что при одних тех же физических параметрах кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную способность. Волна этих модернизаций началась с интерфейса АТА (режимы U1-traDMA) и прошла уже и по SCSI (Ultra160 и выше), и по памяти (DDR SDRAM). Кроме того, на высоких частотах применяется синхронизация от источника данных (source synchronous transfer): сигнал синхронизации, по которому определяются моменты переключения или действительности данных, вырабатывается самим источником данных. Это позволяет точнее совмещать по времени данные и синхронизирующие импульсы, поскольку они распространяются по интерфейсу параллельно в одном направлении. Альтернатива — синхронизация от общего источника (common clock) — не выдерживает высоких частот переключения, поскольку здесь в разных (географически) точках временные соотношения между сигналами данных и синхронизации будут различными.
Повышение частоты переключений интерфейсных сигналов, как правило, сопровождается понижением уровней сигналов, формируемых интерфейсными схемами. Эта тенденция объясняется энергетическими соображениями: повышение частоты означает уменьшение времени, отводимого на переключения сигналов. Чем больше амплитуда сигнала, тем большие требуются скорость нарастания сигнала и, следовательно, выходной ток передатчика. Повышение выходного тока (импульсного!) нежелательно по разным причинам: большие перекрестные помехи в параллельном интерфейсе, необходимость применения мощных выходных формирователей, повышенное тепловыделение. Тенденцию снижения напряжения можно проследить на примере порта AGP (3,3/1,5/0,8 В), шин PCI/PCI-X (5/3,3/1,5 В), SCSI, шин памяти и процессоров.
В последовательном интерфейсе явление перекоса отсутствует, так что повышать тактовую частоту можно вплоть до предела возможностей ириемнопере-дающих цепей. Конечно, есть ограничения и по частотным свойствам кабеля, но изготовить хороший кабель для одной сигнальной цепи гораздо проще, чем для группы цепей, да еще и с высокими требованиями к идентичности. А когда электрический кабель уже «не тянет» требуемые частоту и дальность, можно перейти на оптический, у которого есть в этом плане огромные, еще не освоенные «запасы прочности». Устраивать же параллельный оптический интерфейс -слишком дорогое удовольствие.
Приведенные соображения объясняют тенденцию перехода на последовательный способ передачи данных.
Идентификаторы интерфейса IPv!
Последние 64 бита адреса IPv6 представляют собой идентификатор интерфейса, уникальный для 64-битного префикса адреса IPv6. Идентификатор интерфейса определяется следующими способами:
• согласно документу RFC 2373, все адреса одноадресной рассылки, использующие префиксы с 001 по 111, должны также использовать 64-битный идентификатор интерфейса, образованный из адреса EUI-64 (Extended Unique Identifier);
• документ RFC 3041 описывает генерируемый случайным образом идентификатор интерфейса, изменяющийся со временем для обеспечения определенного уровня анонимности;
• идентификатор интерфейса, назначаемый при автоматической настройке адреса с ведением базы данных (например, по протоколу DHCPv6). Стандарты DHCPv6 в настоящее время находятся на стадии определения. Протокол IPv6 для Windows XP не поддерживает настройку адресов с ведением базы данных или по протоколу DHCPv6.
Идентификаторы интерфейса на основе адресов EUI-64
64-разрядный адрес EUI-64 определен IEEE (Electrical and Electronic Engineers). Адреса EUI-64 либо назначаются сетевому адаптеру, либо выводятся из адресов IEEE 802.
Адреса IEEE 802
Традиционные идентификаторы интерфейсов для сетевых адаптеров используют 48-битный адрес, называемый адресом IEEE 802. Этот адрес состоит из 24-битного идентификатора компании (также называемого идентификатором изготовителя) и 24-битного идентификатора расширения (также называемого идентификатором платы). Сочетание уникального идентификатора компании, назначаемого каждому изготовителю сетевых адаптеров, и уникального идентификатора платы, назначаемого каждому сетевому адаптеру на этапе сборки, образует уникальный 48-битный адрес. Этот 48-битный адрес также называют физическим, аппаратным или MAC-адресом (Media Access Control).
В адресе IEEE 802 определены следующие биты.
• Бит глобальности/локальности (U/L)
Бит U/L является седьмым в первом байте и используется для определения способа администрирования данного адреса (глобально или локально). Если бит U/L имеет значение 0, администрирование данного адреса осуществляет IEEE путем назначения идентификатора компании. Если бит U/L имеет значение 1, администрирование адреса осуществляется локально. Сетевой администратор переопределяет адрес, заданный изготовителем, и указывает другой адрес.
• Бит отдельности/принадлежности к группе (I/G)
Бит I/G является битом низкого порядка в первом байте и используется для определения типа адреса: является ли он адресом одного узла (одноадресная рассылка) или адресом группы (многоадресная рассылка). Значение 0 указывает на то, что адрес используется для одноадресной рассылки. Значение 1 указывает на то, что адрес используется для многоадресной рассылки.
Для типичного адреса сетевого адаптера 802.x биты U/L и I/G имеют значение 0, что соответствует глобально администрируемому MAC-адресу одноадресной рассылки.
Адреса IEEE EUI-64
Адреса IEEE EUI-64 представляют новый стандарт адресации сетевых интерфейсов. Длина идентификатора компании по-прежнему составляет 24 бита, но идентификатор расширения имеет длину в 40 бит, что создает гораздо большее пространство адресов для изготовителей сетевых адаптеров. Адрес EUI-64 использует биты U/L и I/G точно так же, как адрес IEEE 802.
Сопоставление адресов IEEE 802 с адресами EUI-64
Для создания адреса EUI-64 из адреса IEEE 802 16 битов вида 11111111 11111110 (0xFFFE) вставляются в адрес IEEE 802 между идентификатором компании и идентификатором расширения. На следующем рисунке представлено преобразование адреса IEEE 802 в адрес EUI-64.
Сопоставление адресов EUI-64 с идентификаторами интерфейсов IPv6
64-битный идентификатор интерфейса для адресов одноадресной рассылки IPv6 создается путем инвертирования бита U/L в адресе EUI-64 (значение 1 обращается в 0; значение 0 обращается в 1). На следующем рисунке показано преобразование глобально администрируемого адреса одноадресной рассылки EUI-64.
Для получения идентификатора интерфейса IPv6 из адреса IEEE 802 необходимо сначала сопоставить этот адрес IEEE 802 с адресом EUI-64, а затем инвертировать бит U/L. На следующем рисунке показан процесс преобразования глобально администрируемого адреса одноадресной рассылки IEEE 802.
Пример преобразования адреса IEEE 802
Узел A имеет MAC-адрес Ethernet 00-AA-00-3F-2A-1C. Сначала этот адрес преобразуется в формат EUI-64 путем вставки разрядов FF-FE между третьим и четвертым байтами: 00-AA-00-FF-FE-3F-2A-1C. Затем инвертируется бит U/L (седьмой бит в первом байте). Первый байт в двоичном формате выглядит как 00000000. После выполнения операции дополнения седьмого бита первый байт принимает вид 00000010 (0x02). Конечный результат, 02-AA-00-FF-FE-3F-2A-1C, после преобразования в двоеточечно-шестнадцатеричную нотацию становится идентификатором интерфейса: 2AA:FF:FE3F:2A1C. Таким образом, сетевому адаптеру с MAC-адресом 00-AA-00-3F-2A-1C соответствует адрес локальной связи FE80::2AA:FF:FE3F:2A1C.
Примечание
• При инвертировании бита U/L добавьте к первому байту 0x2, если администрирование адреса EUI-64 осуществляется глобально, и вычтите из первого байта 0x2, если администрирование адреса EUI-64 осуществляется локально.
Идентификаторы интерфейса анонимного адреса
В современном Интернете на базе протокола IPv4, обычный пользователь Интернета подключается к поставщику услуг Интернета и получает адрес IPv4 с использованием протоколов PPP (Point-to-Point Protocol) и IPCP (Internet Protocol Control Protocol). Адрес IPv4 может изменяться при каждом подключении данного пользователя. В связи с этим сложно отследить трафик пользователя в Интернете по IP-адресу.
При подключении удаленного доступа на базе протокола IPv6 после установки соединения пользователю назначается 64-битный префикс (путем обнаружения маршрутизатора и автонастройки адреса). Если идентификатор интерфейса всегда основан на адресе EUI-64 (полученном из статического адреса IEEE 802), то существует возможность определения трафика конкретного узла, независимо от его префикса, что облегчает отслеживание конкретных пользователей и использование ими Интернета. С учетом этого для обе
|
