Последовательная коммуникация

Необходимость взаимодействия между удаленными компьютерами привела к использованию для передачи данных существующей телефонной сети. Однако большинство телефонных линий было рассчитано на передачу аналоговой информации - речи, а компьютеры работают только с двоичными сигналами - импульсами. Поэтому для использования аналогового носителя потребовался согласующий преобразователь между двумя системами. Такой преобразователь называется модемом, потому что он выполняет модуляцию (MOdulation) и демодуляцию (DEModulation) передаваемых данных. Модем воспринимает последовательные двоичные данные от РС, модулирует некоторую характеристику (амплитуду, частоту или фазу) аналогового сигнала и посылает сигнал в аналоговый носитель; модем выполняет и обратное преобразование, обеспечивая подачу двоичных сигналов в РС, который находится на другом конце соединения.

В PC всегда предусматривались средство "общения" с внешним миром через последовательный коммуникационный порт, но до начала 90-х годов это средство применялось редко. Конечно, некоторых пользователей привлекала возможность общения через электронные бюллетени (bulletin boards) и передача факсов, но, в общем, модем считался роскошью, которая требовалось только деловым пользователям. Однако ситуация резко изменилась в связи с огромной популярностью Internet, что позволило обмениваться электронной почтой, и появлением в начале 90-х годов прошлого века Всемирной Паутины (World Wide Web). Сейчас модем считается обязательной принадлежностью любого РС.

Модемы

Модем позволяет РС соединяться с другими компьютерами для передачи и получения файлов по телефонной сети. На одном конце он преобразует цифровые данные в аналоговые сигналы для передачи по телефонным линиям, а на другом конце модем выполняет обратное преобразование, превращая аналоговые сигналы в цифровые данные.

Модемы бывают двух типов: внутренние модемы вставляются в слот расширения внутри корпуса РС, а внешние модемы подключаются к РС через один из его последовательных портов - COM1 или COM2

Первые модемы были асинхронными устройствами и работали с низкой скоростью до 18 000 бит/с в режиме частотной манипуляции (Frequency-Shift Keying - FSK), используя две частоты для передачи данных и еще две частоты для приема данных. Асинхронные данные не сопровождались никакой синхронизацией, а передающий и принимающий модемы знали только номинальную скорость передачи данных. Чтобы предотвратить смещение данных относительно генераторов синхронизации модемов, данные всегда группировались в короткие блоки (символы), обрамленные кадровыми битами (стартовый бит - start bit и стоповый бит - stop bit). Наиболее часто применялся 7-битовый код ASCII с четным паритетом (even parity).

Синхронные модемы работают на звуковых линиях со скоростью до 56 Кб/с, используя синхронные данные. Такие данные сопровождаются сигналами синхронизации и почти всегда группируются в блоки. Источник данных должен собрать эти блоки, вставить кадровые коды, а также все дополнительные биты, которые необходимы для обнаружения и/или исправления ошибок в соответствии с одним из многочисленных протоколов BISYNC, SDLC, HDLC и др. Для модуляции применяется фазовая модуляция, а также амплитудно-фазовая модуляция.

Модуляция

Коммуникационные каналы типа телефонных линий обычно являются аналоговыми носителями. Аналоговый носитель - это канал с ограниченной полосой пропускания (bandwidth). В случае телефонных линий полоса пропускания занимает частотный диапазон от 300 Гц до 3300 Гц.

Коммуникация данных (data communication) означает передачу цифровой информации из одного места в другое по коммуникационным каналам. Сигналы цифровой информации имеют прямоугольную форму и означают двоичные нули и единицы.

Если такие цифровые сигналы передаются по аналоговому носителю, прямоугольная форма искажается. Воспринимающий искаженные сигналы приемник не сможет правильно интерпретировать поступающие сигналы. Решение этой проблемы состоит в том, чтобы преобразовать цифровые сигналы в аналоговые сигналы, чтобы коммуникационный канал мог надежно переносить информацию из одного места в другое. Метод, обеспечивающий такое преобразование, называется модуляцией (modulation).

Модуляция состоит в изменении некоторого базового аналогового сигнала известным способом, чтобы закодировать информацию в этом базовом сигнале. Любое измеримое свойство аналогового сигнала можно использовать для передачи информации, изменяя это свойство некоторым известным, а затем обнаруживая эти изменения на приемном конце. Сигнал, который модулируется, называется несущим сигналом, или просто несущей (carrier), потому что он переносит цифровую информацию с одного конца коммуникационного канала на другой конец.

Устройство, которое изменяет сигнал на передающем конце коммуникационного канала, называется модулятором (modulator), а устройство на приемном конце канала , которое выделяет цифровую информацию из модулированного сигнала, называется демодулятором (demodulator).

В частотной модуляции (Frequency Modulation - FM) в соответствии с данными изменяется частота несущего сигнала. Передатчик посылает разные частоты для двоичных единиц и нулей. Этот способ называется также частотной манипуляцией (Frequency-Shift Keying - FSK). Недостатки этого способа состоят в том, что скорость изменения частоты ограничивается полосой пропускания линии и вводимые линией искажения делают выделение цифровых труднее, чем в амплитудной модуляции. Сейчас этот способ практически не применяется.

При использовании амплитудной модуляции (Amplitude Modulation - AM) изменяется амплитуда синусоидального сигнала. В первых модемах цифровые сигналы превращались в аналоговые посредством передачи синусоиды с большой амплитудой для двоичных единиц и с нулевой амплитудой для двоичных нулей. Основное достоинство этого способа модуляции состоит в простоте формирования таких сигналов и их восприятия. Однако у него имеются два основных недостатка.

Во-первых, скорость изменения амплитуды ограничивается шириной полосы телефонной линии.

Во-вторых, небольшие изменения амплитуды вызывают ненадежное обнаружение. Телефонные линии ограничивают изменения амплитуды до 3000 изменений в секунду.

В чистом виде амплитудная модуляция в современных модемах не применяется, но используется совместно с другими способами.

Под фазовой модуляцией (Phase Modulation - PM) понимается процесс, когда сравниваются два синусоидальных сигнала. Ситуация, когда два сигнала в одно и то же время изменяются в одном и том же направлении, называется нулевым сдвигом фазы (zero phase shift). Когда фазовый сдвиг составляет 180 градусов, сигнал

В начинается в средней точке сигнала А, поэтому когда сигнал А положителен, сигнал В отрицателен, и наоборот. Два состояния фазы допускают представление одного бита цифровых данных, который может иметь только значения '0' или '1'.

Дополнительные сдвиги фазы на 90 и 270 градусов обеспечивают четыре состояния фазы и возможность представлять два бита цифровых данных.

В этом способе для обнаружения фазы сигналов требуется синхронизация по фазе между фазами передатчика и приемника, что усложняет схему приемника.

Разновидностью фазовой модуляции является дифференциальная фазовая модуляция (differential phase modulation). Здесь модем сдвигает фазу каждого последующего сигнала на определенное число градусов для двоичного '0' (например, на 90) и на другое число градусов для двоичной '1' (например, на 270градусов. В этом способе проще обнаруживать поступающие сигналы, чем в чистой фазовой модуляции. Приемник должен обнаруживать сдвиги фазы между посылками, а не абсолютное значение фазы. Этот способ называется также фазовой манипуляцией (Phase-Shift Keying - PSK). В случае двух возможных сдвигов фазы модуляция называется Binary PSK (BPSK). При наличии четырех различных сдвигов фазы каждая посылка может представлять два бита данных и модуляция называется квадратурной фазовой манипуляцией (Quadrature Phase-Shift Keying - QPSK). Наконец, в случае восьми различных сдвигов фазы получающийся способ модуляции называется 8PSK.

Квадратурная амплитудная модуляция (Quadrature Amplitude Modulation - QAM) допускает передачу данных с использованием сдвига фазы из фазовой модуляции и амплитудной модуляции одновременно. Чем больше сдвигов фазы и уровней амплитуды используется, тем больше данных можно передать в посылке. Однако при увеличении числа уровней амплитуд и сдвигов фазы становится все труднее различать близкие комбинации посылок.

Телефонная сеть общего пользования (Public Switched Telephone Network - PSTN) была рассчитана на речевую коммуникацию. Искусственно ограничивая спектр звука частотами, характерными для человеческого голоса, специалисты открыли, что можно уменьшить ширину полосы пропускания для телефонного разговора. Этот прием отлично подходит для передачи речи, но накладывает ограничения на передачу цифровых данных. В соответствии с теоремой Шеннона ограничения телефонной сети общего пользования обеспечивают максимальную теоретическую скорость передачи данных 35 Кб/с для чисто аналогового соединения.

Скорость

Фактическая скорость работы модема зависит от самого РС, в частности, его последовательного порта, состояния телефонной линии и типа модема, используемого на другом конце.

Первым среди множества "узких мест" в потоке данных является микросхема универсального асинхронного приемопередатчика (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter - UART), которая управляет соединением между последовательным портом и шинной системой РС. Шина PCI работает блоками по 32 бита, а последовательные кабели передают отдельные биты. Микросхема UART должна воспринять быстрый трафик с шины и направить его в медленный последовательный порт. Старые микросхемы UART 8250-B и 16450 не могли справиться со скоростями передачи современных модемов. Только новая микросхема UART 16550 гарантирует скорости коммуникации 28.8 кб/с без потери данных.

Следующим препятствием, которое необходимо преодолевать, является сама телефонная линия. Ошибочно считать, что вся телефонная система цифровая, так как в ней сохранились многие аналоговые элементы. Даже не все телефонные автоматические станции являются цифровыми. Телефонные линии в домах обычно аналоговые и подвержены всем проблемам, характерным для такого носителя. Основная проблема заключается в ограниченной ширине пропускания, которая показывает, какой объем информации способна передавать линия. Другой проблемой оказываются помехи в линии.

Были разработаны различные стандарты для решения проблемы помех в линии. Один модем посылает сигналы другому с которым он хочет соединиться, чтобы проверить, как второй модем может взаимодействовать и каково состояние линии. Два модема обмениваются сообщениями, согласуя общий режим работы в так называемом процессе квитирования (handshaking), или установления соединения.

Скорость, с которой модем может взаимодействовать, эффективно ограничивается самым медленным компонентом цепи. Если телефонное соединение плохое или в линии сильные помехи, скорость снижается до тех пор, пока можно поддерживать надежную связь (reliable link). Модем, способный обеспечить скорость 33.6 Кб/с, снижает скорость до 14.4 Кб/с, взаимодействуя с модемом, работающим на скорости 14.4 Кб/с. Итогом процесса квитирования является согласованный стандарт, который включает в себя общую скорость, формат исправления ошибок и степень сжатия.

Модем разбивает данные на пакеты, образуя из них легко различимые блоки данных. Он добавляет в пакет служебные данные, отмечающие, где начинается и где заканчивается пакет. Модем добавляет биты паритета или контрольной суммы для контроля того, что принятые в пакете данные точно соответствуют переданным и правильная ли формула применяется для распаковки. Если пакет принят неверно, принимающий модем должен запросить передающий модем передать пакет повторно. Требуется также подтверждение об объеме переданных данных, чтобы соединение не заканчивалось до передачи последних данных или находилось в состоянии ожидания приема несуществующих данных.

Всей операцией квитирования управляет модем. Соединение может срываться много раз прежде, чем оно будет установлено, поэтому процесс квитирования в аналоговых линиях может длиться до 30 секунд.

Часто сообщение о скорости соединения, например 'connected at 115200', которое пользователи видят при установлении телефонного сетевого соединения, понимается неправильно. Оно относится к скорости терминального оборудования (Data Terminal Equipment - DTE), т.е. скорости между РС и модемом, а не к скорости взаимодействия модемов. Эта скорость, называемая скоростью аппаратуры передачи данных (Data Communications Equipment - DCE), согласовывается в процедуре квитирования.

Последовательные порты

Компания National Semiconductor производит микросхемы UART, которые управляют последовательным портом еще со времен первых РС. В последовательном интерфейсе оригинального IBM PC применялась микросхема UART 8250-B. Она могла передавать и принимать данные со скоростью до 56 Кб/с, что во времена частоты синхронизации 4.77 МГц и последовательных принтеров было вполне достаточно. Когда разрабатывался компьютер IBM PC/AT, потребовался новый UART из-за повышения скорости шины и перехода к 16-битовой шине. Новая микросхема UART 16450 обеспечила циклы считывания и записи процессора в пять раз более быстрые, чем у ее 8-битовой предшественницы.

В компьютере PC/AT с шиной AT всеми последовательными передачами данных управлял процессор и каждый байт данных должен был пройти через регистры процессора для передачи в память или на диск. Это означает, что время обращения должно быть достаточно быстрым, чтобы избежать ошибок перегрузки (overrun errors) при считывании и запаздывания (latency) при передаче в случае высокой скорости передачи и приема. Когда появился IBM PC/AT, производительность 16450 была вполне достаточной, так как скорость передачи данных через последовательный порт была значительно ниже, чем в современных модемах.

Для понимания ограничений микросхемы 16450 необходимо понимать, как последовательный порт прерывает процессор, который до обслуживания UART должен завершить текущую задачу или обслуживание прерывания с более высоким приоритетом. Эта задержка представляет собой время запаздывания (latency) шины, ассоциируемое с обслуживание запроса прерывания UART. Если процессор не смог обслужить UART до приема следующего байта данных (микросхемой UART из последовательного порта), данные теряются с последующими повторными передачами и неизбежным снижением производительности.

Такая ситуация называется ошибкой перегрузки (overrun error). При низкой скорости коммуникации компьютер PC/AT был достаточно быстрым для того, чтобы считывать каждый байт из приемника UART до приема следующего байта. Более высокие скорости коммуникации заставляют процессор расходовать все больше времени на обслуживание UART, что снижает эффективность всего РС.

Для решения этой проблемы компания National Semiconductor разработала UART 16550A. В этой микросхеме имеются буферы FIFO (First In - First Out - "первый пришел - первый ушел") в секции приемника и передатчика, что резко повысило производительность при скорости передачи модема 9.6 Кб/с и выше.

Размер буфера FIFO приемника обеспечивает, что до 16 байтов готовы к передаче, когда процессор обслуживает запрос прерывания UART. Приемник может запросить считывание при пороге заполнения FIFO одним, двумя, четырьмя, восемью и 16-ю байтами. Это позволяет программе изменять порог FIFO в соответствии с ее текущей задачей и позволяет не переключать контекст процессора только для того, чтобы считать всего пару принятых байтов данных.

Буфер FIFO передатчика обеспечивает передачу до 16 байтов, когда процессор обслуживает запрос прерывания UART на передачу. Это снижает потери времени на переключение контекста процессора. Однако поскольку временное запаздывание при обслуживании асинхронного передатчика имеет небольшое значение, запаздывание процессора при передаче не играет существенной роли, хотя общая производительность РС может уменьшиться.

Факс-модемы

Почти все современные модемы предоставляют возможности передачи и приема факсов и обычно поставляются с программой, которая предоставляет РС функциональность факс-машины. Цифровые документы можно преобразовать в аналоговую форму с получением файла изображения (если приемником является другим факс-модемом) или напечатанным документом (при приеме факс-машиной). Поступающие факсы, принятые как файлы изображений, сохраняются на жестком диске.

Факс-модемы могут использовать "интеллект" РС для выполнения таких задач, которые не могут решать автономные факс-машины. Например, можно спланировать передачу факсов в то время, когда телефонные тарифы ниже. Поскольку принятые данные представлены в цифровой форме, они немедленно доступны на РС для редактирования и ретуширования до печати. Одной из возможностей программы факсирования является определение обложки (cover-sheet) факса. Средство быстрого факсирования (quick-fax) позволяет создать одностраничный факс, не загружая текстовый процессор.

Факс-модемы Group 3 предоставляют различные уровни обработки на основе их класса обслуживания (service class). Устройства Class 1 выполняют базовое квитирование и преобразование данных и являются наиболее гибкими, потому что большую часть работы выполняет процессор РС. Устройства Class 2 устанавливают и заканчивают телефонный вызов и производят контроль ошибок. Имеется несколько de facto реализаций Class 2 и один стандарт Class 2.0. Поскольку РС становятся все более мощными появление будущих классов обслуживания маловероятно.

Одна из проблем со сканированными изображениями и принятыми факсами состоит в том, что они занимают большое дисковое пространство. Некоторые программы факсирования имеют средство оптического распознавания символов (Optical Character Recognition - OCR), которое позволяет преобразовать сканированные изображения или принятые факсы из растрового формата в обычный текст. Это не только сокращает размер документа, но и позволяет редактировать его в текстовом процессоре.

Речевые модемы

Речевые модемы (voice modems) являются частью современной тенденции коммуникации - слияние речи, данных, факсов и даже видео, которая влияет на все аспекты передачи цифровых данных. Например, Internet, первоначально служившая системой передачи файлов, теперь передает радиосигналы, звук в реальном времени, телефонные разговоры, а для пользователей с достаточно широкой полосой пропускания - даже "живое" видео. Сейчас выпускаются модемы, способные отвечать по телефону и записывать речевые сообщения.

Такие многофункциональные модемы выполняют все - от функций простого ответчика (записывая сообщения на жесткий диск) до законченной системы речевой почты (voicemail) с сотнями ящиков, ретрансляцией сообщений и поиском факсов. Поступающие данные или звонки факсов автоматически направляются в соответствующий программный модуль и речевые звонки обрабатываются программой ответчика и речевой почты.

Стандарты

В прошлом стандарты на модемы создавались довольно хаотично. Наряду с определением скорости работы модема они точно определяли, как модем сжимает данные и реализует управление ошибками. Международный Консультативный Комитет по Телеграфии и Телефонии (Comite Consultatif International Telegraphique et Telephonique - CCITT) и Международный Союз по Телекоммуникации (International Telecommunications Union - ITU) разработали наиболее распространенные стандарты ‘V dot’ (V точка).

Первые стандарты V.22bis, V.32 и V.32bis определяли скорости передачи в 2.4 Кб/с, 9.6 Кб/с и 14.4 Кб/с, соответственно.

В конце 1994 г. был принят стандарт V.34, который поддерживает скорость 28.8 Кб/с и считается сейчас минимально приемлемым стандартом. Модемы V.34 могут снижать свою скорость при взаимодействии с более медленными модемами и опрашивать линию, повышая или понижая свою скорость в соответствии с состоянием линии.

В 1996 г. стандарт V.34 был усовершенствован в стандарт V.34+, который допускал скорость передачи данных до 33.6 Кб/с, был обратно совместим со всеми предыдущими стандартами и адаптировался под состояние линии для использования ее максимальной ширины пропускания.

В следующей таблице приведены скорости передачи неупакованных данных для различных типов модемов. Сжатие (упаковка) данных повышает скорость в 2 - 3 раза. Однако поскольку графические изображения на Web-страницах уже упакованы, реальный выигрыш при "блуждании" по Web составляет 1.5 - 2. Для модемов V.90 приведены два значения из-за широкого диапазона скорости соединения.

Другими важными стандартами ‘V dot’ являются:

• V.17 - обеспечивает соединение с факс-машинами Group 3, которые являются обычными автономными факс-машинами.
• V.42 - мировой стандарт на исправление ошибок, возникающих при передаче по телефонным линиям с помехами.
• V.42bis - протокол сжатия данных.

Имеются также стандарты MNP (Microm Networking Protocol) от MNP Class 1 до MNP Class 10. Они не являются автономными, а действуют совместно с другими стандартами на модемы. Стандарт MNP 1 определяет полудуплексную коммуникацию. Стандарты MNP Classes 2 - 4 посвящены управлению ошибками и могут передавать безошибочные данные, повторно передавая блоки данных, которые были искажены при передаче. Стандарты MNP Classes 5 - 10 определяют различные рабочие параметры модема. Стандарт MPN Class 5 представляет собой протокол улучшенного сжатия данных, который может сжимать данные в два раза, эффективно удваивая скорость передачи данных. MNP Class 10 является фирменным протоколом управления ошибками компании Microcom. Он предоставляет набор усовершенствований канала, которые помогают модемам справиться с плохими телефонными соединениями, производя несколько попыток установления соединения и корректируя размер пакетов данных и скорость передачи в соответствии с состоянием линии. Наиболее часто на практике применяются протоколы MNP с номерами 2 - 5 и часто включается MNP 10.

Протокол доступа к коммуникационному каналу для модемов (Link Access Protocol for Modems LAPM) является одним из двух протоколов в стандарте V.42 для обнаружения и исправления ошибок в коммуникационном канале между двумя модемами во многом превосходит MNP. Алгоритм стандарта V.42bis используется модемами для сжатия данных с теоретическим коэффициентом сжатия 8:1. На практике этот коэффициент обычно составляет 2.5:1. Исправление ошибок стандарта MNP 4 и сжатие стандарта MNP 5 используются при переходе на пониженную скорость, если удаленный модем не поддерживает LAPM или V.42bis.

Система команд АТ

Система команд АТ (AT Command Set) разработана компанией Hayes и превратилась в универсальный стандарт. Каждая командная строка должна начинаться с двухсимвольного кода внимания АТ (ATtention). Набор команд представляет собой совокупность инструкций для автоматического набора телефонных номеров, управления телефонным соединением и сообщений РС о том, что происходит.

Протоколы FTP

Протоколы передачи файлов (File Transfer Protocols - FTP) были разработаны для того, чтобы помочь предотвратить ошибки до разработки стандартов. До сих пор протокол Zmodem широко применяется для передачи файлов через последовательный порт. Если принятые данные не соответствуют информации, используемой для контроля качества данных, система оповещает отправителя об ошибке и запрашивает повторную передачу. Этот протокол применяется для загрузки файла в РС из другого компьютера в Internet.

Скорость 56 Кб/с

В 1997 г. появился модем со скоростью 56 Кб/с несмотря на отсутствие международного стандарта на эту скорость. Группа K56flex, включающая компании 3Com, Ascend, Hayes, Motorola, Lucent Rockwell, для повышения скорости использовала чипсеты компании Rockwell, а компания US Robotics применила свою технологию x2. Эти две системы были несовместимы, что заставило провайдеров Internet выбирать одну из них. Кроме того, у технологии 56К имеются внутренние ограничения. В ней использовались асимметричные скорости передачи данных, поэтому высокая скорость обеспечивалась только при загрузке данных из сервера.

К тому времени большинство телефонных станций (Central Offices - CO) были цифровыми и такими же были соединения между станциями. Все провайдеры имели цифровые линии, связывающие их с телефонной сетью (в Европе это линии E1 или ISDN). Но домашние и офисные телефонные линии оставались аналоговыми, т.е. имели ограниченную полосу пропускания и были подвержены помехам (в основном статическим). Эти линии были рассчитаны на передачу речи, а не цифровых данных, поэтому даже после сжатия они могли передавать ограниченный объем данных. Поэтому цифровые данные от РС приходится преобразовывать в аналоговые (с помощью модема), а затем вновь в цифровые (в телефонной станции) прежде чем они попадают в сеть.

Технология 56K ускоряет самую быструю часть соединения - цифровые линии. Данные можно передавать от провайдера по цифровой сети до тех пор, пока они не проходят последнюю часть своего "путешествия" от локальной телефонной станции до дома или офиса.

С помощью импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation - PCM) формируется аналоговый сигнал, который и передается по аналоговой стороне соединения. Однако здесь скрыта ловушка: технология 56К допускает одно преобразование из цифровой формы в аналоговую, поэтому если в соединении имеется секция, которая работает с аналоговыми сигналами, а затем возвращается к цифровым, то максимальная скорость соединения составляет 33.6 Кб/с.

Причина невозможности выгрузки (upload) со скоростью 56К состоит в том, что аналоговые линии недостаточно хороши. Имеются многочисленные препятствия прохождения чистого сигнала, например аномалии в домашней проводке, переменные расстояния (от 1 до 6 км) и выбросы. Теоретически можно получить скорость выгрузки 33.6 Кб/с и ведутся исследования, которые позволят увеличить ее примерно на 20% - 30%. Еще одной проблемой, возникающей при передаче сигнала из аналоговой линии в цифровую, является шум квантования (quantisation), возникающий при аналого-цифровом преобразовании.

Цифро-аналоговое преобразование можно считать представлением восемью битами одного из 256 напряжений - преобразование выполняется 8000 раз в секунду. Производя дискретизацию этого сигнала с той же скоростью, модем 56 Кб/с может теоретически передавать со скоростью 64 Кб/с (8000х8) без потерь. Однако другие потери снижают эту скорость до 56 кб/с.

Некоторые пользователи считают, что для работы со скоростью 56 Кб/с необходимо модернизировать последовательный порт РС. Сейчас практически во всех РС используется микросхема UART 16550. Он рассчитан на максимальную скорость 115 Кб/с и представляется, что модем 56 Кб/с может вызвать перегрузку, так как он выполняет упаковку и распаковку данных "на лету". Однако в Internet большинство данных упаковано, поэтому дополнительное сжатие модемом минимально.

В феврале 1998 г. ITU опубликовал стандарт на скорость 56 Кб/с под названием V.90. Этот стандарт не будучи ни K56Flex, ни x2, все же использует методы, аналогичные этим двум технологиям, поэтому ожидалось, что производители максимально быстро освоят выпуск удовлетворяющих стандарту изделий. Формально стандарт V.90 был принят летом 1998 г.

Стандарт V.90

Стандарт V.90 не был ни x2, ни K56Flex, хотя и использовал приемы обеих технологий. Фактически он объединял два стандарта в одном и спецификация определяла "пару цифрового модема и аналогового модема, способную передавать данные со скоростью 56 Кб/с вниз (downstream) и до 33.6 Кб/с вверх (upstream)".

В этом случае "вниз" (downstream) означает передачу от цифрового модема в аналоговый. Первый подключался к телефонной сети общего пользования через линию ISDN и обычно был частью банка модемов, подключенного к многоканальной линии ISDN у провайдера. Аналоговый модем подключается к телефонной сети общего пользования на стороне абонента.

Ключом скорости 56 Кб/с стандарта V.90's является способ кодирования импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation - PCM). Коды PCM являются цифровыми представлениями звуковых сигналов и оказываются естественным языком телефонной системы. Телефонная станция генерирует их при получении аналоговых сигналов от телефонной трубки абонента. Коды имеют длину восемь битов и передаются со скоростью 8000 в секунду и общая пропускная способность составляет 64 Кб/с. Цифровой модем стандарта V.90 использует большое подмножество этого кода для кодирования данных и доставки их в телефонную систему через линию ISDN. На стороне абонента коды преобразуются в аналоговый сигнал телефонной станцией, который посылается в модем абонента.

Значительная часть работы при создании стандарта V.90 касалась способов тестирования линии и генерирования сигналов. Когда устанавливается первое соединение V.90, два модема посылают друг другу список своих возможностей. Если коммуникация V.90 возможна, аналоговый и цифровой модемы посылают друг другу тест-сигналы для контроля качества соединения и проверки отсутствия таких цифровых препятствий в телефонной системе, которые могут не разрешить правильную передачу кодов PCM. Например, в некоторых международных вызовах сигнал 64 Кб/с сжимается до 32 Кб/с по экономическим соображениям, что препятствует использованию V.90.

Если таких препятствий нет, аналоговый модем анализирует сигналы от цифрового модема и информирует, как лучше кодировать данные. Два модема определяют также задержку двойного пробега и определяют, какую коррекцию (equalisation) применить к линии для получения наилучшей частотной характеристики.

Кодирование информации в PCM оказывается сложной процедурой. Телефонная система не интерпретирует коды PCM линейно: она распределяет больше кодов PCM нижним уровням сигнала и меньше кодов верхним уровням. Такая ситуация соответствует способу реакции на звук человеческого уха, но означает также, что принимающий модем не сможет точно различить некоторые соседние коды. Кроме того, синтезированный цифровым модемом сигнал необходимо точно преобразовать в аналоговый и передать по аналоговым частям телефонной станции.

Системы обнаружения и исправления ошибок также ограничивают допустимые последовательные перестановки. Коротко говоря, имеются последовательности кодов, которые нельзя посылать, и другие, которые необходимо посылать, но они зависят от передаваемых данных. Последняя сложность состоит в том, что американские и европейские телефонные системы используют различные наборы кодов PCM.

Стандарт V.90 был формально принят 15 сентября 1998 г. Помимо стандарта V.90 исследовательская группа ITU разрабатывает следующее поколение модемов PCM, намереваясь достичь скорости передачи от 40 Кб/с до 45 Кб/с для аналогового модема.

Цифровая сеть с интегрированными услугами

Цифровая сеть с интегрированными услугами (Integrated Services Digital Network - ISDN) долгое время считалась самым большим секретом компьютерных сетей. Продолжающийся рост Internet и особенно Web, наконец, привлекли большой интерес к ISDN, так как пользователи РС все больше раздражались долгим ожиданием загрузки насыщенных графикой Web-страниц и желали более высоких скоростей своих телефонных соединений. Бизнесмены также искали экономичные способы обеспечения сотрудников высококачественными соединениями с Internet.

ISDN была первоначально доступна в двух версиях: Basic Rate ISDN (BRI), которая также называлась ISDN-2, и Primary Rate ISDN (PRI), или ISDN-30:

• Установка Basic Rate, предназначенная для домашнего пользователя или небольшой компании, состоит из двух В-каналов со скоростью 64 Кб/с для передачи данных и одного скрытого D-канала со скоростью 16 Кб/с для управляющей информации. Два B-канала можно использовать по отдельности или объединить в один канал со скоростью 128 Кб/с.
• Установка Primary Rate ISDN состоит из 30 B-каналов (хотя можно инсталлировать минимум шесть) со скоростью 64 Кб/с каждый и D-канала со скоростью 64 Кб/с для управляющих данных, который обычно устанавливается в учрежденческой автоматической телефонной станции для достижения максимальной гибкости. Как и в Basic Rate, В-каналы можно объединить в один канал со скоростью 1.92 Мб/с.

В конце 1998 г. компания BT сделала первую серьезную попытку предоставить технологию ISDN домашним пользователям, объявив свою услугу 'BT Highway'. Когда потребитель подписывается на одну из этих услуг, его существующая телефонная линия сохраняется, но старая розетка заменяется на устройство Highway. Оно имеет четыре розетки - две аналоговых и две ISDN, и может поддерживать до трех вызовов (звонков) одновременно. Подписчик сохраняет свой старый аналоговый номер и получает два дополнительных номера - один для второго аналогового порта и один для линий ISDN. Два основных различия между услугами 'Home' и 'Business' состоят в том, что второй поддерживает нумерацию нескольких подписчиков (Multiple Subscriber Numbering - MSN), благодаря которой различные устройства, подключенные к одной линии ISDN, могут иметь различные номера, а также новую информационную услугу ISDNConnect компании ВТ - постоянную низкоскоростную линию, которая использует сигнализационный канал (signalling channel) ISDN.

Цифровая абонентская линия

Аббревиатура xDSL означает несколько технологий цифровой абонентской линии (Digital Subscriber Line - DSL), разработанных для того, чтобы предложить телефонным компаниям окунуться в сферу кабельного телевидения. Эта идея оказывается не новой, так как еще в 1987 г. компания Bell Communications Research Inc. разработала первую DSL для доставки видео по требованию и интерактивного телевидения по медным проводникам. Однако до реальной реализации дело не дошло из-за отсутствия промышленных стандартов. Однако интерес к xDSL возрос с момента принятия в 1996 г. Telecommunications Reform Act. Этот акт прекратил монополию локальных станций и разрешил конкуренцию локальных телефонных компаний, междугородних компаний, компаний кабельного телевидения, радио- и телевещательных станций и провайдеров Internet. Внезапно локальным телефонным станциям потребовалась широкополосное обслуживание, чтобы бороться с планами компаний кабельного телевидения предложить кабельный модем и телефонные услуги.

Технологии xDSL обычно предлагают скорости загрузки до 52 Мб/с и скорости выгрузки от 64 Кб/с до 2 Мб/с. Имеется несколько разновидностей этих технологий:

• Асимметричная DSL (Asymmetric DSL - ADSL).
• Скоростная DSL (High-bit rate DSL - HDSL)
• Однолинейная (Single-line DSL - SDSL)
• Сверхскоростная DSL (very-High-data-rate DSL - HDSL).

Эти технологии различаются компромиссами между расстоянием передачи сигналов и скоростью, а также разницей в симметрии трафика вверх и вниз, которые совместно определяют пригодность технологий для различных применений. Недавние разработки сделали асимметричную цифровую линию абонента (Asymmetric Digital Subscriber Line - ADSL) наиболее обещающей для домашних пользователей.

Асимметричная цифровая линия абонента

Асимметричная цифровая линия абонента (Asymmetric Digital Subscriber Line - ADSL) работает на паре обычных телефонных проводников. Она опирается на тот факт, что поскольку речь не использует всю полосу стандартной линии из медной витой пары, можно одновременно обеспечить скоростную передачу данных. Для этого ADSL переносит по одной и той же линии три отдельных частотных канала. Первый набор частот переносит разговоры обычной телефонной системы общего пользования. Еще один набор частот передает сигнал данных со скоростью от 64 Кб/с до 640 Кб/с (фактическая скорость зависит от качества линии, расстояния и качества проводников), который переносит информацию вверх из дома абонента в Internet. Как и ISDN, это цифровой сигнал, но в отличие от ISDN каждый канал действует только в одном направлении. Третий канал представляет собой скоростное соединение вниз, которое имеет скорость от 1.5 Мб/с до 6.1 Мб/с.

ADSL имеет несколько сходств с ISDN. Обе технологии требуют, чтобы медные телефонные линии были электрически "чистыми" и обе могут работать только на линиях с относительно небольшой длиной (обычно менее 6 км) до телефонной станции. В большинстве случаев ADSL может работать на существующих речевых телефонных кабелях с витой парой без нарушения существующих телефонных соединений, т.е. локальные телефонные компании не должны прокладывать дополнительные линии для предоставления услуги ADSL.

На телефонной станции мультиплексор доступа DSL (DSL Access Multiplexer - DSLAM), состоящий из ADSL-модема и размножителя, объединяет входные линии ADSL для передачи в речевые и информационные сети. Телефонные сигналы посылаются в телефонную сеть общего пользования (Public Switched Telephone Network - PSTN), а цифровые данные направляются в Internet через скоростное соединение, реализованное в виде линии Т1, волоконно-оптической линии связи или DSL.

Для пользования ADSL абонентам потребуется только внешний ADSL-модем и такой же модем потребуется в телефонной компании. Такие устройства пока только разрабатываются, но прототипы имеют три разъема на задней стороне устройства: один идет к телефонной розетке и затем к телефонной компании; второй является стандартной телефонным гнездом RJ11 для аналоговой телефонии и еще один разъем для витой пары Ethernet подключает ADSL-модем к РС.

Для создания каналов вверх и вниз ADSL-модемы разделяют доступную полосу пропускания телефонной линии с использованием одного из двух методов: частотного мультиплексирования (Frequency-Division Multiplexing - FDM) или эхо-компенсации (echo cancellation).

FDM выделяет одну полосу для потока данных вверх и еще одну полосу для потока данных вниз. Тракт потока данных вниз еще разделяется с помощью временного мультиплексирование (Time-Division Multiplexing - TDM) на один или несколько скоростных каналов для данных и на один или несколько медленных каналов, один из которых предназначен для речи. Тракт потока данных вверх мультиплексируется на несколько медленных каналов.

Эхо-компенсация выделяет полосу потока данных вверх с перекрытием полосы потока данных вниз и разделяет две полосы с помощью локальной эхо-компенсации - аналогичные способ применяется в модемах V.32 и V.34. Эхо-компенсация использует полосу более эффективно, на за счет усложнения и повышения стоимости.

С помощью FDM и эхо-компенсации размножитель ADSL-модема выделяет канал 4 кГц для речи, предоставляя пользователям телефонное обслуживание и передачу цифровых данных по одной и то же паре проводников. Это означает, что после установки ADSL-модема абонентам не нужна специальная интерфейсная электроника для работы аналоговых телефонов. Это очень сильное достоинство, которое может ускорить внедрение ADSL как единственного решения для пользователей домашних РС и небольших компаний, которые не захотят прокладывать дополнительную линию данных. Кроме того, большинство домашних РС находятся вблизи телефонных розеток, что упрощает установку ADSL по сравнению с кабельными модемами.

Скорость передачи данных вниз зависит от нескольких факторов, включая длину медной линии, качество проводников, наличия отводов и перекрестных помех.

Ослабление линии ухудшается при увеличении ее длины и частоты и улучшается при увеличении диаметра проводника. Мостовой отвод (bridged tap) представляет собой ненагруженную пару проводников, которая включена параллельно основной паре. В домашних условиях каждая неиспользуемая телефонная розетка является мостовым отводом. Без учета мостовых отводов линия ADSL обеспечивает возможности, приведенные в таблице.

Кабельные модемы

Кабельные модемы (cable modems) предоставляют быстрый и удобный доступ к Internet с использованием существующих широкополосных сетей кабельного телевидения. Эта технология ориентирована на домашних пользователей.

Кабельные модемы, выпускаемые компаниями Bay Networks и Motorola представляют собой внешние устройства, которые подключаются к клиентскому РС с помощью интерфейса Ethernet, но разработаны кабельные модемы для шин USB и FireWire. В большинстве случаев пользователю кабельного модема выделяется один IP-адрес, но многие провайдеры кабельных модемов предлагают дополнительные IP-адреса для нескольких компьютеров за дополнительную плату. Кроме того, некоторые провайдеры разрешают нескольким РС разделять один IP-адрес при установке прокси-сервера.

Имеется два совершенно отличающихся класса кабельных модемов: гибридные оптоволоконные коаксиальные (Hybrid Fibre-Coax - HFC) модемы представляют собой двунаправленные устройства, которые работают по HFC-кабелю, и старые односторонние модемы, которые работают по традиционным коаксиальным телевизионным кабелям. Несмотря на то, что сейчас преобладают односторонние кабели, почти все новые кабельные конструкции используют HFC. В любом случае кабельный модем использует один или два телевизионных канала 6 МГц.

Так как кабельная сеть имеет шинную топологию, каждый кабельный модем разделяет доступ к одному магистральному коаксиальному кабелю с соседними модемами. Двусторонний кабельный модем обеспечивает двунаправленное соединение с Internet. Односторонний кабельный модем требует телефонного модема для передачи вверх. Концентратор объединяет данные от нескольких соседних кабелей и передает их мощному маршрутизатору, или хабу, компании кабельного телевидения обычно через волоконно-оптический кабель. Хаб посылает данные TCP/IP от каждого модема в Internet через скоростную арендованную линию или частную магистраль.

Каждый кабельный модем имеет порт Ethernet, который подключается к компьютеру или сети с одной стороны и к кабельному соединению с другой. Собственно РС подключается прямо к Internet через кабель Ethernet. Здесь не нужно набирать телефонных номеров и нет ограничений на пропускную способность последовательного порта, как в случае ISDN-модемов.

По сравнению с технологией xDSL кабель имеет несколько практических недостатков. Пока не все дома оснащены кабельным телевидением и у многих пользователей РС расположен ближе к телефонной розетке, чем к телевизору. Однако для многих домашних пользователей кабель предоставляет быстрый доступ к Internet за приемлемую стоимость. Теоретически возможна скорость соединения до 30 Мб/с. На практике компании кабельного телевидения обычно предлагают скорость 512 Кб/с вниз и 128 Кб/с вверх. Конечно, скорость будет снижаться с ростом числа абонентов в данном районе.