Ψηφιακή, τεχνολογία

Τα συστήματα ψηφιακής τεχνολογίας (π.χ. οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, ο τηλεπικοινωνιακός εξοπλισμός κ.λπ.) χρησιμοποιούν ψηφιακά σήματα για τη μετάδοση των δεδομένων. Οι ηλεκτρικοί παλμοί αναπαριστώνται με δυαδικά ψηφία στα ψηφιακά σήματα. Η τάση μεταβάλλεται μεταξύ μιας υψηλής και μιας χαμηλής κατάστασης. Έτσι το δυαδικό 1 μπορεί να αναπαριστά θετική τάση, ενώ το δυαδικό 0 αναπαριστά αρνητική τάση. Τα ψηφιακά σήματα αναγεννώνται περιοδικά όταν εκπέμπονται σε μεγάλες αποστάσεις για να εξαφανιστούν οι παραμορφώσεις. Ήχος, video, δεδομένα (data), κωδικοποιούνται σε δυαδικές τιμές οι οποίες εκπέμπονται ως ηλεκτρικοί παλμοί. Η λειτουργία που μετατρέπει τα αναλογικά σήματα σε ψηφιακά ονομάζεται Analog-to-Digital Conversion (ADC) ή digitizing. To αναλογικό σήμα δειγματοληπτείται (μέγεθος και συχνότητα) στη μονάδα του χρόνου ώστε να είναι δυνατόν να παρασταθεί με τη μορφή δυαδικών τιμών. Για παράδειγμα, η ψηφιακή μουσική απαιτεί 44.000 δείγματα το δευτερόλεπτο. Όσο περισσότερα bits χρησιμοποιούμε για να απεικονίσουμε το σήμα δειγματοληψίας τόσο καλύτερη ανάλυση και ποιότητα έχουμε, χάνοντας όμως σε χώρο στον σκληρό δίσκο του υπολογιστή. Για να μεταφέρουμε φωνή μέσω μιας ψηφιακής γραμμής πρέπει να κάνουμε δειγματοληψία 8.000 φορές το δευτερόλεπτο και κάθε δείγμα μετατρέπεται σε ένα 8-bit αριθμό του δυαδικού συστήματος. Έτσι για ένα κανάλι ψηφιακής φωνής απαιτούνται 64.000 bits το δευτερόλεπτο εύρους ζώνης. Τα ψηφιακά κυκλώματα χρησιμοποιούν την άλγεβρα Boole (Άγγλος μαθηματικός), η οποία έχει το πολύ κρίσιμο χαρακτηριστικό ότι οι τιμές της λαμβάνουν μόνο δύο τιμές, το 0 και το 1. Το γεγονός αυτό την καθιστά πολύ χρήσιμο εργαλείο για τη σύνθεση και την ανάλυση των ηλεκτρονικών υπολογιστών, αφού η παράσταση το 0 και το 1 μπορεί εύκολα να γίνει με τα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Η άλγεβρα του Boole είναι μια άλγεβρα της λογικής, όπου οι λογικές προτάσεις συνδέονται μεταξύ τους με τους συνδέσμους H(OR), KAI(AND), OXI(NOT). Σε κάθε λογική πρόταση δίνουμε την τιμή 1, ενώ σε κάθε ψευδή δίνουμε την τιμή 0. Έτσι π.χ. για την αληθή πρόταση a «3 επί 6 ίσον 18» μπορούμε να γράψουμε a=1, ενώ για την ψευδή λογική πρόταση «3 πολλαπλασιαζόμενο επί 6 δεν δίνει 18» γράφουμε a=0. Η ψηφιακή τεχνολογία χρησιμοποιείται από τα συστήματα ηλεκτρονικών υπολογιστών, τα δίκτυα ηλεκτρονικών υπολογιστών, τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα ακόμα και από τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό των σπιτιών (π.χ. compact disks players, video players, ψηφιακά τηλέφωνα και πρόσφατα ψηφιακή τηλεόραση). Επειδή τη μεγαλύτερη εφαρμογή τη γνωρίζει στα συστήματα και στα δίκτυα ηλεκτρονικών υπολογιστών, ακολουθεί περιγραφή του τομέα αυτού. Ένα δίκτυο ηλεκτρονικών υπολογιστών είναι ένα επικοινωνιακό σύστημα δεδομένων (data), που συνδέει δύο ή περισσότερους ηλ. υπολογιστές και περιφερειακές συσκευές. Το δίκτυο στην πραγματικότητα αποτελείται από ένα καλώδιο που είναι προσαρμοσμένο σε ειδική κάρτα (Network Interface Card - NIC) σε κάθε συσκευή που συνδέει. Ένα τοπικό δίκτυο (Local Area Network - LAN) συνδέει υπολογιστές σε ένα τμήμα ενός οργανισμού ή σε ένα κτίριο. Ένα internetwork είναι ένα σύνολο από τοπικά δίκτυα σε διαφορετικά κτίρια ενώ ένα wide area network (WAN) είναι ένα internetwork που εξαπλώνεται σε μεγάλες γεωγραφικές αποστάσεις και χρησιμοποιεί συνδέσεις των Εθνικών Τηλεπικοινωνιακών Οργανισμών ή ιδιωτικά δίκτυα για να συνδέσει τη μια περιοχή με την άλλη. Το περιβάλλον του δικτύου καθορίζεται από το λειτουργικό σύστημα δικτύου που χρησιμοποιείται. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι λειτουργικών συστημάτων δικτύων που χρησιμοποιούνται: α) Peer-to-peer. Είναι λειτουργικό σύστημα που επιτρέπει στους χρήστες να μοιράζονται τους δικούς τους πόρους (resources) με τους άλλους χρήστες του δικτύου, όπως επίσης και οι ίδιοι να έχουν πρόσβαση σε άλλους υπολογιστές του δικτύου. Στο δίκτυο αυτό όλα τα συστήματα έχουν το ίδιο καθεστώς με την έννοια ότι δεν υπάρχουν συστήματα σκλάβοι (slaves). Π.χ. UNIX peer-to-peer operating systems με το TCP/IP πρωτόκολλο ή Windows NT και Windows για Workgroups peer-to-peer περιβάλλον που τρέχει NetBIOS/NetBEUI ή TCP/IP πρωτόκολλα επικοινωνιών. β) Dedicated-server. Σε λειτουργικό σύστημα αυτού του τύπου, όπως είναι το Novell Net Ware που τρέχει SPX/IPX πρωτόκολλο επικοινωνιών, ένας ή περισσότεροι υπολογιστές λειτουργούν ως file servers (εξυπηρετητές αρχείων) χωρίς να κάνουν άλλη δουλειά. Πρέπει πάντως να σημειωθεί ότι οι κατασκευαστές λειτουργικών συστημάτων δικτύων προσφέρουν ποικιλία λειτουργικών συστημάτων που επιτρέπουν διασύνδεση διαφορετικών δικτύων μεταξύ τους. Τα δίκτυα υπολογιστών είναι συστήματα κατανεμημένης επεξεργασίας, όπου διάφοροι servers και σταθμοί εργασίας (workstations) εκτελούν συγκεκριμένες εργασίες. Με άλλα λόγια μπορούμε να πούμε ότι ένα δίκτυο είναι ένα σύνολο από συσκευές επεξεργασίας. Συνήθως, οι servers είναι οι πιο δυνατές μηχανές του δικτύου. Δίκτυα και εφαρμογές που χωρίζουν την επεξεργασία μεταξύ των σταθμών εργασίας και των servers λέγεται ότι ικανοποιούν την client-server αρχιτεκτονική. Οι servers αναλαμβάνουν την αποθήκευση και αναζήτηση των αρχείων, τη διαχείριση του συστήματος και την ασφάλεια. Ένα δίκτυο υπολογιστών αποτελείται από hardware και software. To hardware, εκτός από τους υπολογιστές, περιλαμβάνει το καλώδιο και τις ειδικές κάρτες δικτύου (NIC). To software περιλαμβάνει το λειτουργικό σύστημα του server, τα πρωτόκολλα επικοινωνιών και τα ειδικά προγράμματα (drivers) των καρτών δικτύου (NIC’s). α) Λειτουργικό σύστημα δικτύου: Σε ένα peer-to-peer δίκτυο, κάθε κόμβος του δικτύου τρέχει λειτουργικό σύστημα με ενσωματωμένη (built-in) υποστήριξη δικτύου, επιτρέποντας στους χρήστες να μοιράζονται τα αρχεία και τα περιφερειακά. Σε δίκτυο dedicated-server το λειτουργικό σύστημα τρέχει σε server και οι σταθμοί εργασίας τρέχουν client-software που επικοινωνεί με τον server. β) Servers: Γενικά οι servers παρέχουν υπηρεσίες αποθήκευσης και αναζήτησης των δεδομένων, πρόσβαση από τους χρήστες στα αρχεία ανάλογα με τα δικαιώματα προσπέλασης που έχουν, υπηρεσίες ηλεκτρονικού ταχυδρομείου, υπηρεσίες επικοινωνιών με άλλα υπολογιστικά συστήματα κ.λπ. γ) Σταθμοί εργασίας (workstations): To λειτουργικό σύστημα των σταθμών εργασίας τρέχει πρόγραμμα που υποστηρίζει τις κάρτες δικτύου και επίσης αποστέλλει τις απαιτήσεις των χρηστών ή των εφαρμογών προς τους servers προς ικανοποίηση. δ) Κάρτες δικτύου (Network Interface Cards-NICS): Οι κάρτες δικτύου εγκαθίστανται στον υπολογιστή και αποτελούν το σημείο σύνδεσης του υπολογιστή στο δίκτυο. Κάθε NIC είναι σχεδιασμένη για ένα συγκεκριμένο τύπο δικτύου, όπως είναι το Ethernet, token ring, FDDI, ARCNET κ.ά. Λειτουργούν στο φυσικό επίπεδο όπως καθορίζεται από το πρωτόκολλο OSI (Open Systems Interconnection - καθορίζονται επτά επίπεδα λειτουργίας: το φυσικό επίπεδο, το επίπεδο σύνδεσης, το επίπεδο δικτύου, το επίπεδο μεταφοράς, το επίπεδο συνεννόησης, το επίπεδο παρουσίασης και το επίπεδο εφαρμογής, και έχουν ειδικό ακροφύσιο ανάλογα με το καλώδιο που θα χρησιμοποιηθεί (ομοαξονικό καλώδιο, συνεστραμμένων ζευγών ή καλώδιο οπτικών ινών). ε) Καλώδιο: Το καλώδιο είναι το μέσον μεταφοράς για τη διακίνηση των δεδομένων στο δίκτυο. Στα ασύρματα δίκτυα δεν απαιτείται καλώδιο. Οι συνηθέστεροι τύποι καλωδίων είναι: το ομοαξονικό καλώδιο που μοιάζει με το καλώδιο της τηλεόρασης, παρέχει σχετικά υψηλές ταχύτητες (10-20 Mbits/sec), χαμηλό κόστος και σχετική ανεξαρτησία σε εξωτερικές παρεμβολές· το καλώδιο συνεστραμμένων ζευγών που είναι αρκετά φθηνό και παρέχει ταχύτητα στα 100 Mbits/sec (Κατηγορία 5 UTP)· καλώδια οπτικών ινών που προσφέρουν υψηλές ταχύτητες (πάνω από 100 Mbits/sec) και ασφάλεια από εξωτερικές παρεμβολές. Ο τρόπος που το καλώδιο διασυνδέει τους υπολογιστές μεταξύ τους καθορίζει και την τοπολογία του δικτύου. Υπάρχουν 3 τοπολογίες δικτύων: α) Γραμμική τοπολογία: Το καλώδιο εκτείνεται από τον έναν υπολογιστή στον άλλο σε μορφή αλυσίδας. Τα άκρα του καλωδίου τερματίζονται με αντίσταση. Τα ομοαξονικά δίκτυα Ethernet χρησιμοποιούν γραμμική τοπολογία. Παρά το ότι είναι εύκολο στην εγκατάσταση, αν παρουσιαστεί πρόβλημα σε κάποιο σημείο του καλωδίου ή της σύνδεσης έχει ως αποτέλεσμα το κόψιμο του δικτύου. β) Τοπολογία αστέρα: Στην τοπολογία αστέρα όλα τα καλώδια ξεκινούν από ένα συγκεκριμένο σημείο, συνήθως file server, και απολήγουν σε κάθε σταθμό εργασίας. Στην περίπτωση αυτή, αν υπάρξει πρόβλημα σε κάποιο καλώδιο, δεν κόβεται όλο το δίκτυο, αλλά μόνο ο συγκεκριμένος υπολογιστής που είναι συνδεδεμένος με τον file server. Τα δίκτυα τύπου Ethernet 10Base-T χρησιμοποιούν τοπολογία αστέρα. γ) Τοπολογία δακτυλίου: Στην τοπολογία δακτυλίου καθώς το καλώδιο διασυνδέει τους υπολογιστές επιστρέφει πάλι στην αρχή του και έτσι το σήμα ταξιδεύει μέσα σε ένα δακτυλίδι. Η φυσική τοπολογία δακτυλίου είναι σχετικά σπάνια. Τέλος, στα δίκτυα ηλεκτρονικών υπολογιστών χρησιμοποιούνται ειδικές συσκευές για την αναγέννηση των σημάτων (repeaters), routers και bridges για τη διασύνδεση απομακρυσμένων δικτύων όπως επίσης hubs και wiring centers για την ανάπτυξη δομημένης καλωδίωσης σε μεγάλα κτίρια. Σύγχρονος ηλεκτρονικός υπολογιστής (φωτ. Rainbow computer AE). Ψηφιακή φωτογραφική μηχανή (φωτ. αντιπροσωπία SONY).