11.1.5. Модемы и факс-модемы для аналоговых линий
Телефонные сети общего пользования, кроме своих «естественных» функции (обеспечения голосовой связи), позволяют передавать цифровые данные при помощи модемов.
Модем (модулятор-демодулятор) служит для передачи информации на большие расстояния, недоступные локальным сетям, с использованием выделенных и коммутируемых телефонных линий. Модулятор поступающую от компьютера двоичную информацию преобразует в аналоговые сигналы с частотной и/или фазовой модуляцией, спектр которых соответствует полосе пропускания обычных голосовых телефонных линий. Демодулятор из этого сигнала извлекает закодированную двоичную информацию и передает ее в принимающий компьютер.
Факс-модем (fax-modem) позволяет передавать и принимать факсимильные изображения, совместимые с обычными факс-машинами. Передача факсов также является передачей цифровых данных, хотя «цифра» не видна конечным пользователям: факс-машина сканирует изображение, оцифровывает его (1 бит на точку), сжимает данные и через модем передает в телефонную линию. На приемной стороне выполняются обратные преобразования. Факс-модем работает аналогично, только вместо сканирования его программная поддержка принимает графические или текстовые данные от других программ. Принятые факсы оформляются в виде файлов графических форматов, доступных приложениям для дальнейшей обработки или печати.
Современные модемы имеют ряд дополнительных возможностей, расширяющих сферу их применения. Голосовой модем (voice modem) способен преобразовывать звуковой сигнал в цифровой вид, в котором он передается по линии связи. На приемной стороне выполняются обратные преобразования. Аудиосигнал сжимается, например, по методу ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation — адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция, АДИКМ). С помощью голосового модема могут быть реализованы звуковая почта, автоответчик и другие речевые функции. Звуковое сообщение может передаваться по электронной почте или в диалоге реального времени и воспроизводиться голосовым модемом через внутренний динамик, дополнительный телефонный аппарат или через мультимедийные средства компьютера (звуковую карту). Средства обработки звуковых сигналов позволяют модему автоматически определять номер вызывающего абонента (АОН), распознавать сигналы тонального набора номера.
Модемы во время сеанса связи могут работать в симплексном, дуплексном или полудуплексном режиме. Для повышения эффективной скорости используются различные методы сжатия информации, реализуемые как самими модемами, так и коммуникационным ПО.
Телефонные линии с точки зрения модемной связи
В зависимости от параметров линий связи доступные скорости передачи могут различаться в сотни раз. Качество линии определяет возможную частоту изменения состояния сигнала в линии. Единицей измерения этого параметра является бод (baud) — количество изменений состояния за одну секунду. В простейшем случае модуляции используются два состояния сигнала (например, две частоты), и тогда скорость передачи двоичной информации, определяемая как число бит, передаваемых за 1 секунду, hps (bit per second, бит/с), будет совпадать со скоростью передачи в бодах. Однако в более эффективных методах модуляции применяют множество возможных состояний сигнала. Это позволяет одним состоянием сигнала кодировать несколько бит данных, в результате чего скорость передачи данных bps превышает скорость изменения сигнала baud. Конечного пользователя больше интересует эффективная скорость передачи полезной информации, которую измеряют в количестве переданных байт или символов за секунду — cps (characters per second). Казалось бы естественным соотношение cps = bps/8 (для восьмибитных символов), но на самом деле оно ниже за счет служебных бит (старт - и стоп-биты, см. 10.1) и накладных расходов протокола передачи.
Работу модемов осложняет масса факторов, обусловленных линиями связи. Это и затухание сигнала, которое может быть различным и меняться даже в течение сеанса связи, и фазовые и частотные искажения, и эхо-сигналы, и перекрестные помехи и шумы. Предел скорости передачи данных определяется свойствами телефонного канала, соединяющего точки подключения абонентских модемов. Телефонные станции, в него входящие, могут принадлежать к разным поколениям. Самые старые из существующих используют чисто аналоговые способы передачи и коммутацию с помощью шаговых искателей. Эти станции вносят большой уровень помех. Следующее поколение при том же аналоговом методе передачи использует лучшие коммутаторы. Станции между собой могут связываться как аналоговыми, так и цифровыми линиями. В современных станциях на стороне абонента имеется ЦАП и АЦП, к абоненту идет аналоговая линия, а магистральная связь с другими АТС производится по цифровым каналам. Если оба модема подключены к таким станциям и между ними не попадается аналоговых линий (рис. 11.10, а), то тракт передачи информации в каждом направлении будет содержать две относительно короткие аналоговые линии («последние мили»), АЦП, ЦАП и цифровой канал передачи. «Неприятным» элементом в этом тракте является АЦП, который всегда вносит шум квантования. На таком тракте достижима скорость передачи 33600 бит/с (V.34+). Если АТС абонентов связаны между собой каналами, включающими и аналоговые участки, то в тракте добавляется еще, по крайней мере, пара АЦП/ЦАП и аппаратура частотного уплотнения каналов, что явно не улучшает качество линии. В чисто аналоговых линиях АЦП/ЦАП нет, зато есть аппаратура частотного уплотнения каналов; дальние аналоговые связи сильно подвержены действиям помех. В этих случаях достижимая скорость передачи будет ниже.
Рис. 11.10. Тракты телефонной связи: а — обычный, б— «полуцифровой»
Исключить принципиально шумящий АЦП позволяет схема, на которую ориентирован стандарт V.90 (рис. 11.10, б). Здесь один из абонентов (Р) должен подключаться к цифровому интерфейсу телефонной сети, что может себе позволить, например, провайдер услуг Интернета. Тогда в тракте передачи от него до обычного абонента (А) АЦП отсутствует, но в обратном тракте АЦП есть. К свойствам ЦАП и линии модем может приноровиться: во время установления соединения модем Р посылает серию известных кодов, из которых модем А выбирает наиболее различимые. Поскольку между цифровым интерфейсом и входом модема стоит только 8-битный ЦАП и не очень длинная линия, в принципе, можно использовать все 256 возможных кодов. Однако коды сигнала со значением близким к нулю сильно подвержены действию шумов. В последующем обмене данными используется часть кодов, например, бит), что дает соотношение bps/baud==7. По направлению от Р к А достижима скорость 56 кбит/с, в обратном направлении — 33,6 кбит/с. Эта асимметрия весьма удачна с точки зрения подключения к Интернету, поскольку основной поток данных идет от провайдера. Модемы V.90 делятся на клиентские и серверные: клиентские подключаются к аналоговой телефонной линии, серверные — только к цифровой. Между двумя аналоговыми модемами V.90 связь может устанавливаться по стандарту V.34 — 33,6 кбит/с, если не помешают аналоговые линии между АТС. Стандарт V.90 основан на технологии х2 фирмы US Robotics (ныне входит в 3Com). Похожими свойствами обладает и протокол K56flex, разработанный компаниями Lucent и Rockwell, но он несовместим со стандартом V.90.
Стандарты модуляции, протоколы исправления ошибок и сжатия данных
При модемной связи на передающей и принимающей стороне должны использоваться одинаковые методы кодирования и декодирования. За всю историю модемной связи было разработано множество методов модуляции, часть из которых вылилась в стандарты (табл. 11.3). Часть из них является фирменными, международные стандарты обозначаются как V. xx. Несмотря на стандартизованность способов модуляции, в реальных условиях возможна несовместимость модемов из-за некоторых отклонений от стандартов; допущенных разработчиками. Простейший способ обеспечения совместимости — установка одинаковых модемов на обоих концах линии — достижим не всегда.
Таблица 11.3. Стандарты на модуляцию
Стандарт | bps | baud | Примечания |
Bell 103 | 300 | 300 | - |
Bell 212А | 1200 | 600 | - |
V.17 | 14400,1200,9600, 7200,4800 | 2400 | Полудуплекс, Fax Group III (аналогивый), обратно совместим с V.29 |
V.21 | 300 | 300 | Несовместим с Bell 103 |
V.22 | 1200 | 600 | Несовместим с Bell 212А |
V.22bis - | 2400 | 600 | - |
V.23 | 1200/75 | 1200/75 | Асимметричный в дуплексном режиме |
V.27ter | 4800 2400 | 1600 1200 | Полудуплекс, Fax Group III (аналоговый) |
V.29 | 9600, 7200 | 2400 | Полудуплекс, Fax Group III (аналоговый) |
V,4800 | 9600, 4800 | 2400 | Дуплекс, дополнительныи контроль |
V.32his | 14400, 1200, 9600, 7200, 4800 | 2400 | Помехоустойчивый, быстрый |
V.32fast | 19200 | 2800 | Расширение V.32Bis |
V.34 | 28800 | 9600 | - |
V.34+ | 33600 | 9600 | Расширение V.34 |
V.90 (x2) | 56000/33600 | Цифровое подключение со стороны АТС | |
К56flex | 56000/33600 | То же, но не в стандарте | |
HST | 16800 | 9600 | При дуплексе в обратном направлении скорости 300/450. Удобен для диалога. Используется в U. S. Robotics |
Совместимость средств факсимильной связи в глобальных масштабах обеспечивается стандартами ССIТТ. Существуют следующие стандарты:
- fclx Group 1, 11 - устаревшие стандарты аналоговой передачи изображений.
I Fax Group 1П - современный стандарт, использующий алгоритмы цифрового сжатия данных, передаваемых по аналоговым телефонным линиям. Скорость передачиили 9600 бод (может снижаться при ухудшении качества связи до 4,800 бод).
I Fax Group IV - стандарты для передачи изображений по каналам цифровой связи (сети ISDN).
В модемной связи важную роль играют протоколы коррекции ошибок, неизбежных в линии связи, и сжатия данных. Законодателем мод в этой области стала фирма Microcom, по имени которой названо семейство протоколов MNP -Microcom Networking Protocol. Это семейство де-факто стандартных протоколов коррекции ошибок и сжатия данных включает 9 классов, определяющих различный сервис. Классы 2-4 предназначены для обеспечения безошибочной передачи, классы 5 и 7-для сжатия данных, класс 6 - расширенный сервис, класс 9 - оптимизация протокольных процедур, класс 10 - адаптация к каналам связи, класс 8 - пропущен. Старшие классы обычно включают в себя и возможности младших. Дадим краткую характеристику этих классов.
i MNP-1. Асинхронный байт-ориентированный полудуплекс с минимальными требованиями к скорости процессора. Только исправление. Эффективность передачи данных -70 % от обычного варианта, в модемы уже не включается.
I MNP-2. Асинхронный байт-ориентированный дуплекс. Только исправление. Эффективность — 84 %.
i MNP-3. Бит-ориентированный дуплекс с синхронной связью между модемами, асинхронный для пользователя. Эффективность — 108% (254 cps при 2400 bps).
I MNP-4. Адаптивная сборка пакетов (длина пакета зависит от качества линии) и сокращение избыточности (повторяющаяся служебная информация удаляется из потока данных). Эффективность - 120% (до 150%).
I MNP-5. Сжатие данных в реальном времени. Эффективность - 150%. На сжатых (ZIP, ARJ...) (файлах снижает скорость передачи.
i MNP-6. Выполняет универсальное согласование связи - настройку скорости модема в диапазоне бод в зависимости от возможностей модема Нс-1 другом конце линии. Симулирует дуплекс («статистический дуплекс»).
I MNP-7. Выполняет более эффективное сжатие данных, чем MNP-5. Эффективность — 300 %.
I MNP-9. Сокращает время на протокольные процедуры подтверждения приема сообщения и повторной передачи после ошибки.
т MNP-10. Коррекция ошибок. Борьба с плохими линиями: множественные агрессивные попытки установления связи, адаптация размера пакета к уровням помех, согласование и динамическое изменение скорости. Для сотовой связи существует протокол MNP-IOEC (Enhanced Cellular), совместимый с MNP-10.
l MNPX. Возможность переключения протокола безошибочной передачи с MNP на LAPM и обратно.
Кроме MNP используются и другие протоколы. В некоторых модемах фирмы Hayes, например, применяется собственный протокол исправления ошибок — Hayes V-Series. МККТТ (СС1ТТ) рекомендует следующие стандарты:
I V.42 — коррекция ошибок. На 20 % эффективнее MNP-4. Использует стандарт LAPM (Link Access Procedure for Modems) — протокол безошибочной передачи данных по телефонным линиям.
I V.42bis — сжатие данных. Включает в себя V.42 — коррекцию ошибок. На 35 % эффективнее MNP-5, не пытается сжимать уже сжатые данные (многие У.42Ь^-модемы поддерживают и режим MNP-5).
Протоколы исправления и сжатия могут быть реализованы на компьютере как программно, так и аппаратно. В случае аппаратной реализации алгоритм выполняется встроенной программой модема, который практически всегда строится на основе микроконтроллера. Модемы с аппаратной реализацией протоколов несколько дороже, но на серверах и рабочих станциях (компьютерах), использующих модемы в фоновом режиме, их применение предпочтительно. Программная реализация протоколов позволяет использовать более дешевые модемы, но при этом во время работы модема загружается CPU, что во многих случаях нежелательно.
Конструкции модемов
Конструктивно модемы для PC выпускаются в двух исполнениях: внутренние (internal) и внешние (external).
Внутренние модемы устанавливаются в слот шины расширения. До недавних пор в основном использовалась шина ISA, теперь эта шина изживается и модемы выпускают для шины РС1. Для блокнотных ПК модемы выпускают в виде карт шины PC Card (PCMCIA). Они обычно эмулируют стандартный СОМ-порт с микросхемой 8250/16450/16550А. Базовый адрес регистров (или номер СОМ-порта) и номер линии запроса прерывания (IRQ) задаются джамперами или переключателями на плате модема. Преимущества встроенных модемов — низкая цена и отсутствие дополнительных блоков на рабочем месте. Главным недостатком является необходимость вскрытия системного блока для установки модема и возможные сложности конфигурирования системных ресурсов, а иногда и отсутствие свободного слота. Следует отметить и низкую защищенность компьютера в случае попадания высокого электрического потенциала на телефонный вход модема (например, при ударе молнии в открытую телефонную линию). Правда, если линия не защищена ограничителем перенапряжений, то и внешнее подключение модема не является надежной защитой компьютера.
Внешние модемы, имеющие собственный корпус и блок питания, подключаются кабелем к 9- или 25-контактному разъему СОМ-порта. Их главное преимущество в том, что для установки не требуется вскрытие системного блока, а недостатки — в более высокой цене, необходимости отдельного питания и наличии дополнительного устройства и кабеля на рабочем месте. Частично эти недостатки устраняются в модемах, подключаемых к шине USB. Некоторые модели вы-
сокоскоростных модемов подключаются к LPT-порту, работающему в режиме ЕРР (расширенный порт).
СОМ-порт PC поддерживает только асинхронный режим работы, в то время как на высоких (для модемов) скоростях широко применяется синхронный режим. Для PC существуют адаптеры синхронных портов, в том числе и карты с интерфейсом V.35. Синхронные адаптеры SDLC мало распространены из-за высокой цены и ограниченной сферы применения — они предназначались для подключения PC к «большим» машинам IBM (mainframe). Интеллектуальные синхронные модемы внешнего исполнения могут подключаться к асинхронному СОМ-порту благодаря наличию буферной памяти значительного объема и асинхронному внешнему интерфейсу.
Функциональная схема аналогового модема с подробностями телефонной части приведена на рис. 11.11. К телефонной линии модем подключается через гнездо RJ-II «LINE» (или «TELCO»), дополнительный телефонный аппарат может ттпл^тттпчятьс. я к гнезду «PHONE».
Рис. 11.11. Функциональная схема модема
Модемы, используемые для коммутируемых линий, имеют средства набора номера и определения состояния линии (гудок, занято и т. п.). Набор номера может быть импульсным (pulse dialing) или тональным (tone dialing), подробнее см. в 11.1.1. В модемах для импульсного набора обычно применяют малогабаритное реле, его характерные щелчки можно услышать при работе модема. Иногда в качестве прерывателя используют электронный ключ (оптрон). При тональном наборе каждая цифра номера кодируется короткими сигналами определенных пар частот, эти «аккорды» можно услышать в телефонной трубке. Цепи сигналов звуковых частот, генерируемых и анализируемых модемом, гальванически развязываются от телефонной линии с помощью трансформатора. Индикатор вызова срабатывает от вызывных импульсов.
Модемы первых поколений имели довольно сложные аналоговые цепи, обеспечивающие требуемые преобразования для модуляции-демодуляции. Управление модемом и некоторые функции протоколов выполнялись микроконтроллером. Современные модемы строятся иначе: аналоговые схемы используются только для обеспечения телефонной сигнализации, а вся обработка для модуляции-демодуляции выполняется цифровыми методами. Для этого в состав модема
входят ЦАП и АЦП. Обработку сигналов в профессиональных модемах выполняет специализированный сигнальный процессор (DSP). Общее управление модемом выполняет микропроцессор, в распоряжении которого имеется локальная оперативная память значительного объема. Функции модема определяются возможностями встроенного процессора и его программного обеспечения. Микропрограммное обеспечение модема (firmware) хранится в ПЗУ (EPROM) или флэш-памяти. Такое построение позволяет относительно легко наращивать функциональные возможности модема перезаписью его программного кода. Правда, эти модернизации всегда имеют предел (на каком-то этапе, например, может уже не хватать производительности DSP). Новые версии ПО модема обычно доступны через Интернет (платно или бесплатно).
Более развитые устройства имеют в своем составе оперативную память значительного размера, позволяя в автономном режиме (без компьютера) принимать факсимильные и голосовые сообщения, которые будут сохранены для дальнейшей обработки. Такие модемы могут иметь и интерфейс для подключения принтера, в результате чего получается факс-машина.
Мощности центрального процессора современных ПК достаточно, чтобы решать часть задач управляющего и даже сигнального процессора модема. При этом аппаратная часть модема сводится к схеме сопряжения с телефонной линией, ЦАП и АЦП. На плате модема может присутствовать и сигнальный процессор (DSP), что особенно желательно для высоких скоростей обмена. Модемы этого класса называют Soft.Modem или WinModem, поскольку программная поддержка обычно существует лишь для ОС Windows. Расплатой за удешевление модема являются повышенная нагрузка на центральный процессор и проблемы совместимости с операционными системами.
Модемы для портативных компьютеров имеют интерфейс PC Card (PCMCIA). Для подключения этих модемов применяются специальные переходные кабели (RJ-1 1 гораздо толще PC Card). Фирма 3Com для них разработана гнезда X-Jack (рис. 11.12). Ряд моделей имеет возможность работы с телефонными каналами мобильной связи (аналоговой NMT-450 или цифровой GSM), имеющими свои специфические особенности.
Рис. 11.12. Гнездо X-Jack
11.1.6. IP-телефония и передача факсов по IP-сетям
IP-телефония, она же Интернет-телефония, означает голосовую телефонную связь между удаленными абонентами с использованием сетей передачи данных с
протоколом IP. Эти два названия можно считать почти синонимами, поскольку в сети Интернет протокол IP является основным.
В традиционных телефонных сетях цифровой канал для абонента предоставляет полосу покбит/с в каждом направлении. Такая большая (по меркам передачи данных при удаленном доступе) полоса требуется из-за принятого в телефонии простейшего способа кодирования — ИКМ (РСМ). Применение адаптивной дельта-модуляции АДИКМ (ADPCM) позволяет сократить поток даже до 16 кбит/с, но для сетей передачи данных (учитывая и неопределенность задержки и колебания нагрузки) и этот поток трудно выдержать в течение длительного времени. Современные алгоритмы сжатия, реализуемые на достаточно мощных процессорах, позволяют сжимать речевой сигнал до полосы 4-8 кбит/с с приемлемым качеством. Такой поток уже можно передавать по обычным IP-сетям, что и реализуется в IP-телефонии.
Аудиокодек для IP-телефонии должен решать довольно сложную задачу — обеспечить значительное сжатие и формировать пакеты данных небольшого размера, а алгоритм упаковки/распаковки должен быть устойчивым к потере отдельных пакетов. Изощренные методы сжатия учитывают специфику речевого сигнала при разговоре: активная речь чередуется с паузами, не несущими информации. Вполне очевидно, что вместо незначащего потока оцифрованной паузы выгоднее передать информацию только об ее длительности. Правда, если в паузе будет полная тишина, то у слушателя может возникнуть ощущение потери соединения. Поэтому пауза на приемной стороне заполняется некоторым «комфортным» шумом, спектральные параметры которого передаются в описателе паузы. Активная речь тоже неоднородна — в ней присутствуют и тональные (во-кализированные), и шумовые фрагменты, для которых эффективны различные методы сжатия. Кодер должен отслеживать текущее состояние сигнала и выбирать соответствующий метод представления данного фрагмента. Декодер из простого ЦАП, применяемого при РСМ (и с несложными дополнениями для ADPCM), превращается в синтезатор, воссоздающий аудиосигнал из принятого (возможно, и неполного) потока пакетов. В результате всех этих ухищрений удается из исходного равномерного потока 64 кбит/с получить неравномерный поток кадров со средней скоростью 4-8 кбит/с, который нормально проходит через большинство сетей. Для IP-телефонии уже существуют стандартизованные методы кодирования и сжатия: G.723.1 определяет кодек для скоростей 5,3 и 6,3 кбит/с, G.729A — для 8 кбит/с. Наличие этих стандартов обеспечивает совместимость устройств IP-телефонии в международном масштабе, как это давно существует в традиционной (телефонной и телеграфной) связи.
Как известно, обычную телефонную сеть используют и для передачи факсов. Кодировать и декодировать модулированный сигнал от факса тем же способом, что и голосовой в IP-телефонии, бесполезно: не получится либо приемлемого сжатия, либо приемлемой достоверности. Однако сервис пересылки факсов через сети передачи данных (тоже с целью экономии на тарифах) начали предоставлять даже раньше голосовой связи. Пересылка факса в отличие от разговора может выполняться и не в режиме реального времени, поэтому вопросы сжатия (и так уже сжатого сигнала) уже не стоят. Работает этот сервис примерно так: передающий факс устанавливает по телефону соединение с ближайшим (по телефонным тарифам) факс-шлюзом и передает ему факсимильное сообщение.
Шлюз, оборудованный обычным факс-модемом, демодулирует принятое сообщение и временно сохраняет его в двоичном виде (графический файл). Этот файл передается по IP-сети на шлюз, ближайший к получателю (хоть по электронной почте). Приняв сообщение полностью, шлюз-получателя «звонит» получателю и передает ему сообщение, снова модулированное по обычному стандарту для факсимильной связи. Однако такой трехступенчатый процесс вносит некоторые сложности в передачу номера телефона абонента-получателя и сигнализацию об успехе/неуспехе приема на факс отправителя. Есть и другие проблемы, связанные с идентификацией и аутентификацией пользователей. Передача факсов к IP-телефонии прямого отношения не имеет, хотя шлюзовые устройства могут распознавать сигналы от факса и по ним либо не предоставлять соединения (поскольку оно бесполезно), либо включать факс-модем для предоставления этого сервиса.
Проще всего организовать IP-телефон между парой пользователей ПК, имеющих доступ к глобальной IP-сети (Пнтернет). Для этого достаточно каждый ПК снабдить обычной звуковой картой с наушниками/колонками и микрофоном. Здесь все задачи могут решаться чисто программно — от звуковых карт требуется только работа обычного кодека (правда, в полнодуплексном режиме, что «умеют» не все карты). Анализ равномерного цифрового потока и упаковка его в кадры, а также обратное декодирование для современных процессоров (особенно с ММХ) не является особо обременительной задачей. Установление соединения между двумя IP-узлами — задача тривиальная. Существует ряд программных продуктов (в их числе и NetMeeting от Microsoft), обеспечивающих связь между пользователями ПК. Внешняя оболочка связи может быть различной — например, можно через Web-броузер обращаться за устными консультациями на сайт какой-нибудь фирмы. «Телефонным номером» пользователя ПК будет IP-адрес этого узла.
Однако IP-телефония не ограничивается только диалогами между пользователями ПК — существуют специальные шлюзы для связи с традиционными телефонными сетями и отдельными телефонами. Задачи шлюза несколько сложнее — кроме обеспечения установления соединения и передачи собственно речи, он должен отрабатывать систему сигнализации телефонной системы и преобразовывать ее сигналы в протокольные сообщения IP-телефонии (и обратно). С традиционной телефонией шлюз может контактировать двояко: через порты FXO к нему могут подключаться телефонные аппараты, а через порты FXS он может подключаться к одной или нескольким линиям обычной телефонной сети (местной или городской). Интерфейс сети передачи данных может быть как портом локальной сети (Ethernet), так и портом для глобальной сети. В глобальную сеть передачи данных можно выходить и через обычный модем, подключенный к коммутируемой телефонной линии. При этом пользователь через одну линию может одновременно работать в сети (просматривать Web-сайты) и вести телефонные переговоры. На рис. 11.13 изображена сеть с парой шлюзов, установленных в разных городах (странах) и подключенных к общей сети (Интернет). Здесь абоненты с обычных телефонов, подключенных к шлюзам, могут общаться между собой без оплаты междугородных переговоров. Более того, абоненты телефонных сетей, подключенных к шлюзам, могут связываться между собой, набирая в начале номер (городской!) телефона шлюза, а дальше, через номер про-
тивоположного шлюза, — номер абонента в его удаленной телефонной сети. Естественно, возможны и связи между «городскими» абонентами и абонентами, подключенными прямо к шлюзам. ПК-пользователи также могут «звонить» через шлюз, зная его IP-адрес. IP-телефония через шлюзы стала конкурировать с традиционной телефонией, вызывая споры на технические, экономические и правовые темы. На рисунке видно, как трафик проходит «мимо кассы» междугородной телефонной сети. Главный козырь IP-телефонии - низкая себестоимость разговоров, а потому и тарифы значительно более низкие, чем международные и междугородные телефонные. Однако шлюзы являются довольно дорогими и сложными устройствами, которые исполняются как в виде ПК с дополнительными платами адаптеров, так и в виде специализированных устройств. На рисунке показаны и два узла, подключающихся к сети непосредственно: один на базе ПК, другой — специальный IP-телефон.
Рис. 11.13. Варианты телефонной связи по IP
Для ПК выпускают платы шлюзовых адаптеров, как правило, на 2 или 4 порта с гнездами RJ-11. Порты могут быть либо жестко специализированными (FXO для подключения телефонных аппаратов, FXS — для подключения к АТС), либо конфигурируемыми программно. Каждый порт должен иметь по крайней мере кодек G.711 и устройство распознавания и генерации сигналов телефонной сигнализации. В многоканальных системах сжатие обычно выполняется специализированными сигнальными процессорами — мощности одного универсального (х86) центрального процессора может и не хватить. Связь с сетью передачи данных обеспечивается стандартной сетевой картой или адаптером интерфейса глобальных сетей. Программное обеспечение шлюзов должно работать в среде ОС, от которой требуется возможность работы в режиме реального времени и, конечно же, устойчивость (шлюз не должен «падать»). Шлюзы выполняют на базе ПК как настольного исполнения, так и промышленного (ар-. хитектуры микро-РС, с шиной Compact-PCI и т. п.). Специализированные устройства-шлюзы внешне выглядят, как обычные сетевые концентраторы и имеют либо фиксированный набор портов, либо модульную конструкцию, комплектуемую по необходимости. В принципе, шлюзы с достаточным количеством портов могут выступать и в роли УАТС или малых АТС, но для этой роли они все-таки
имеют слишком высокую стоимость портов. IP-телефонный аппарат внешне выглядит, как многофункциональный кнопочный телефон с дисплеем — микрокомпьютер с сетевым ПО много места не занимает.
Интересные решения по IP-телефонии предлагают разработчики из ЦНИИ РТК. Кроме традиционных ISA-карт для шлюзов они предлагают недорогие устройства размером с мини-хаб. Каждое устройство имеет два независимых порта Ethernet lOBaseT и 4 или 8 телефонных портов (RJ-11), программно конфигурируемых на FXS или FXO. Телефонные порты имеют кодеки G.711, схемы поддержки аналоговой телефонной сигнализации и сигнальный процессор, обеспечивающий упаковку по G.723.1 или G.729A. Все порты (телефонные и Ethernet) являются периферией микрокомпьютера на процессоре класса 486 с ОЗУ 32 Мбайт и флэш-диском на 12 Мбайт. С флэш-диска загружается ОС семейства Unix, под управлением которой работает специализированное ПО. Между портами Ethernet может быть организован мост или маршрутизатор (коммутатор 3-го уровня) и даже с функциями межсетевого экрана (firewall). По портам Ethernet устройства могут связываться между собой шлейфом (без ограничения в 4 устройства на цепочку) либо подключаться к существующей сети Ethernet. При этом образуется «распределенная АТС» офиса, которая может выходить в глобальную сеть IP-телефонии, а также выходить в городскую телефонную сеть по одной или нескольким линиям. Применение этих устройств коренным образом меняет подход к построению телефонной сети организации, даже не имеющей компьютерной сети. Вместо множества линий (от каждого абонента до УАТС) — шлейф двухнарного кабеля между устройствами, расставленными по телефонизированным помещениям. Правда, возникают вопросы обеспечения живучести этой сети (при отключении или отказе одного узла цепочка разрывается), но они могут решаться с помощью избыточных связей (например, соединения устройств в кольцо) или использования радиальной топологии с хабом в центре.
В этом кратком описании IP-телефонии мы рассмотрели только конечные устройства. Передача голосового IP-трафика через глобальные сети — тема отдельного разговора, скажем лишь, что для этого вполне успешно применяются сети Frame Relay, ISDN, технология АТМ и др.
11.1.7. Технологии xDSL и кабельные модемы
Технологии xDSL основаны на превращении абонентской линии обычной телефонной сети из аналоговой в цифровую, что и отражено в их названии (Digital Subscriber Line — цифровая абонентская линия). Общая идея заключается в том, что на обоих концах абонентской линии — на АТС и у абонента — устанавливаются разделительные фильтры (splitter). Низкочастотная (до 3,5 кГц) составляющая сигнала заводится на обычное телефонное оборудование (порт АТС и телефонный аппарат у абонента), а высокочастотная (выше 4 кГц) используется для передачи данных с помощью xDSL-модемов. Поскольку физическая линия (пара проводов) между абонентом и АТС позволяет пропускать сигнал в полосе даже до 1 МГц, достижимые скорости передачи гораздо выше, чем предел в 56 кбит/с, установленный и достигнутый для обычных модемов. Высокочастотная часть полосы пропускания сигнала может разделяться между встречными потоками данных различными способами. При частотном разделении каналов
(FDM) часть спектра отдается на передачу в одном направлении, часть — в другом. При использовании эхоподавления (echo-cancellation) вся полоса используется для передачи в обе стороны, а каждое устройство при приеме из общего сиг-нала вычитает сигнал собственного передатчика. Пропускная способность может быть как симметричной, так и асимметричной. В случае подключения пользователя к сети Интернет асимметрия выгодна, поскольку поток к абоненту (страницы текста, аудио - и видеопотоки) гораздо больше обратного (запросы URL).
Наибольшее распространение получила асимметричная технология ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), где скорость к абоненту (downstream) до 6,1 Мбит/с, от абонента — 16-640 кбит/с. Скорость передачи к абоненту кратна скорости каналов Е1/Т1 (2,048; 4,096 и 6,144 Мбит/с для базового канала Е1 или 1,544; 3,088; 4,63"2 и 6,176 Мбит/с для базового канала Т1). Достижимая скорость связана с длиной абонентской линии и ее качеством (сечение проводов, материал изоляции, шаг скрутки, однородность и т. п.). Минимальная скорость обеспечивается на линиях длиной до 5,5 км при диаметре провода 0,5 мм (24 AWG) и до 4,6 км при 0,4 мм (26AWG). Скорость 6,1 Мбит/с достигается на линиях длиной до 3,7 км при диаметре провода 0,5 мм и до 2,7 км при 0,4 мм.
UADSL (Universal ADSL), она же DSL Lite, — улучшенный вариант ADSL с меньшими скоростями (при длине линии до 3,5 км скорости 1,5 Мбит/с и 384 кбит/с в разных направлениях; при длине линии до 5,5 км —640 и 196 кбит/с). Устройства просты в установке и относительно недороги.
RADSL (Rate Adaptive Digital Subscriber Line) — технология с адаптивным изменением скорости передачи в зависимости от качества линии.
HDSL (High Data-Rate Digital Subscriber Line) — высокоскоростная технология, обеспечивающая скорости 1,536 или 2,048 Мбит/с в обоих направлениях. Протяженность линии — до 3,7 км, требует четырехпроводной линии.
SDSL (Single-Line Digital Subscriber Line) — симметричная высокоскоростная (1,536 или 2,048 Мбит/с), но на двухпроводной'! линии при длине до 3 км.
VDSL (Very High Data-Rate Digital Subscriber Line) — очень высокоскоростная (до 56 Мбит/с), симметричная. Расстояние до 1,5 км. Технология весьма дорогая, но рассчитана и на коллективное использование линий. После разделяющего фильтра на абонентской стороне может стоять одиночный модем (или концентратор), а может подключаться через специальную кабельную проводку (коаксиальный кабель или витая пара) и группа модемов, разделяя полосу пропускания предопределенным образом.
Для того чтобы использовать xDSL, провайдер (оператор связи) должен установить свое оборудование на территории АТС обслуживаемого абонента и соединить его с. базовой сетью передачи данных каналом достаточной производительности. Конечно, возможны и частные случаи, когда с помощью xDSL объединяются локальные сети в зданиях, охваченных одной АТС. Установка модема ADSL или UADSL на стороне абонента практически не отличается от установки обычного модема. Но технологии xDSL позволяют одновременно и независимо использовать одну и ту же телефонную линию и для передачи данных, и для телефонных переговоров, чего не позволяют обычные модемы для коммутируемых линий.
Кабельные модемы предназначены для работы через сети кабельного телевидения (CATV), для которых используется широкополосный коаксиальный ка-
бель с импедансом 75 0м. Передача данных ведется параллельно с вндеовещанн-ем. Эти модемы к телефонным сетям непосредственного отношения не имеют, они используют кабельное хозяйство операторов услуг кабельного телевидения. Как и ADSL, кабельные модемы асимметричны: скорость к пользователю может достигать десятков мегабайт в секунду, от пользователя — значительно ниже. Кабельные модемы могут быть и симплексными — модем пользователя только принимает нисходящий (downstream) поток данных от модема оператора кабельного TV. При этом восходящий (upstream) поток данных от пользователя должен передаваться по иным каналам (например, ISDN или аналоговым модемам). Для упрощения структуры коммуникаций (но не оборудования) желательно оба потока передавать по одной и той же кабельной сети. Развитием идеи раздельной передачи потоков является передача нисходящего потока по спутниковым каналам, но пока что это слишком дорогая технология. Кабельные модемы в основном предназначены для предоставления пользователям доступа к сети Ин-тернет с высокими скоростями получения информации.
11.1.8. Модемы для выделенных линий
Выделенные физические линии имеют полосу пропускания гораздо более широкую, чем коммутируемые. Для них выпускаются специальные модемы, обеспечивающие передачу данных со скоростями до 2048 кбит/с и на значительные расстояния. Модемы могут работать в синхронном или асинхронном режимах. Асинхронный режим используется на относительно низких скоростях (до 115,2 кбит/с). В физической линии могут применяться различные методы физического кодирования — AMI, HDB3, 2BIQ, РАМ и другие. В качестве цифровых интерфейсов применяются последовательные — RS-232C (V.24+V.28, X.20bis+X.21bis). RS-423A (V. IO, Х.26), RS-422A (V. I 1, Х.27), RS-449 (V.36), RS-485, RS-530, V.35 и другие. Возможная дальность связи и скорость передачи зависит от типа линии (2-проводные или 4-проводные), диаметра проводников (0.4 MM/26AWG или 0,5 MM/24AWG) и способностей модема. Для 4-проводной линии с диаметром проводников 0,4-0,5 мм при скорости 2 Мбит/с достижима дальность 2-2,4 км, при 256 кбит/с —9-12 км, при 32 кбит/с — 15-20 км. Для 2-проводной линии при 160 кбит/с — 4,2-5,6 км, при 144 кбит/с — 6,5-8,5 км. Данные приведены для модемов Zeiax зеленоградского производства, для других модемов цифры могут отличаться. Для этих модемов допустимое напряжение гальванической развязки достигает 1500 В.
