4. Лекция: Модемы и факс-модемы | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Еще одно оконечное устройство, которое включается в телефонную сеть, — это модем (модулятор/демодулятор). Модем преобразует компьютерные данные в аналоговый или цифровой сигнал (модуляция), который может передаваться по телефонной линии и достигать другого модема. Удаленный модем переводит полученный сигнал снова в данные (демодуляция) и посылает эти данные на свой компьютер. Поскольку модем относится к устройствам систем передачи данных и изучается в рамках другой дисциплины, рассмотрение этого терминала будет кратким. Модем состоит из следующих блоков [4.14,4.23] (рис. 4.1):
На рисунке не показаны следующие внешние устройства:
Рассмотрим отдельные блоки. Устройства сопряжения с каналом связиУстройства сопряжения с каналом связи отвечают за преобразование сигнала из цифровой формы в аналоговую, переход от четырехпроводной системы передачи к проводной и обратное преобразование. Оно обеспечивает модуляцию и передачу по каналу с обнаружением и обработкой ошибок. Эти вопросы будет рассмотрены в дальнейшем при описании аппаратуры уплотнения и способов модуляции. Цифровой сигнальный процессорПредставляет собой устройство, обрабатывающее поступающие сигналы в реальном масштабе времени [4.31]. В модеме он обеспечивает работу алгоритмов кодировки и декодирования информации, алгоритмы авторизации и другие логические действия. ПротоколыПротокол — это набор формализованных правил, процедур и спецификаций, определяющих формат и способ передачи данных. [4.18, 4.23, 4.30] Протоколы, предназначенные для работы модемов по телефонным каналам, представлены в рекомендациях ITU-T и обозначаются V. xx. Все модемы V можно условно разделить на три группы:
Полное описание этих протоколов содержится в материалах ITU-T. Краткое описание можно прочитать в [4.40]. Основные протоколы модемов перечислены в таблице 4.1. Во второй строке этой таблицы приведены применяемые для данного протокола способы модуляции и манипуляции. Некоторые из них будут рассмотрены в этой книге. Для более детального их изучения можно рекомендовать [4.2].
Наиболее распространенный в настоящее время протокол V.32 предназначен для передачи данных по двухпроводной линии в дуплексном режиме на скорости 9600 Кбит/с по нормальным коммутируемым телефонным линиям. В большинстве случаев он оснащается средствами, выполняющими протокол сжатия данных V.42 bis (на передающем и приемном концах). Тогда скорость передачи и приема возрастает до 38400 бит/с. Кроме того, протокол предусматривает обратный канал для служебных функций, обеспечивающий скорость 4800 Кбит/с. Модификация V.32 bis обеспечивает наивысшую скорость 14,4 Кбит/с и, так же как и в предыдущем случае, обеспечивает взаимодействие с протоколом сжатия V.42bis. Это протокол, как и другие существующие протоколы сжатия данных (например, MNP-5), на передающем конце убирает избыточность текста, заключающуюся, например, в последовательной передаче одинаковых символов, и заменяет ее более короткой служебной информацией. На приемном конце эта удаленная информация восстанавливается. Одно из положительных свойств протокола V.42 состоит в том, что операция сжатия осуществляется над "проходящей информацией" ("on the fly") без большой задержки в памяти устройств. Степень сжатия во многом зависит от передаваемой информации. В настоящее время в среднем протоколы обеспечивают сжатие от 2 до 4 раз. При использовании этого протокола реальная скорость может возрасти для:
Протокол V.90 применяется с 1998 года для модемов, использующих для обмена каналы с импульсноцифровой модуляцией. Они обеспечивают скорость 56 Кбит/с. Это протокол обеспечивает асимметричный обмен данными, а именно 56 Кбит/с в направлении от центральной станции к пользователю и 33,6 Кбит/с. в направлении "пользователь — центральная станция". Для работы используется обычная телефонная линия, выполненная из меди. Протокол V.92 применяется с 2000 года, в нем имеются следующие улучшения: Повышена скорость в направлении от пользователя к центральному устройству до 48 Кбит/с. Протокол V.92 взаимодействует с протоколом сжатия V.44, разработанного для цифровых каналов. Это обеспечивает эффект сжатия 6:1, т. е. больший, чем в протоколе V.42bis. В результате реальная скорость передачи может быть поднята до 300 Кбит/с. Стандарт включает в себя алгоритмы, известные как "Быстрое соединение" (Quick Connect), которые уменьшают время вхождения в связь двух модемов. Модемы, работающие по протоколу V.92, распознают и отвечают на сигнал "посылка вызова" и устанавливают сеанс передачи данных в режим "удержание" ("on hold") до момента окончания разговора. Это свойство имитирует вторую линию, после отбоя речевого соединения сеанс восстанавливается без набора номера. Эту же услугу может обеспечить и модем с протоколом V.90, при загрузке дополнительного программного обеспечения.Рассмотрим эти свойства более подробно. Быстрое соединение (Quick Connect)Установку коммутируемого сеанса "точка — точка" можно разбить на четыре этапа. Вопервых, модем должен набрать номер и установить физическое соединение с модемом провайдера. Вовторых, модемы должны определить и компенсировать искажения канала связи и соединиться на оптимальной скорости. В-третьих, модемы должны установить соединение с коррекцией ошибок по протоколу V.42 с другим модемом. В-четвертых, система должна выполнить авторизацию пользователя и соединиться с сервером. "Быстрое соединение" (Quick Connect) сокращает время установки соединения благодаря запоминанию модемом характеристик телефонной линии. Все это позволяет сократить обычное время установки соединения (около 30 с) до 10 с. Для начала при первом звонке модем как бы изучает линию и проверяет ее на соответствие параметрам, занесенным в его память. Если соответствие не найдено, то запускается процедура начальной "тренировки", во время которой линия тестируется модемом. И далее, именно благодаря этой "тренировке", последующие звонки будут осуществляться быстрее и повысится качество соединения. В V.92 процедура начальной тренировки обеспечивает запоминание скорости и момента синхронизации модемов. Это позволяет начать синхронизацию с момента наибольшей вероятности вхождения в синхронизм модемов. Фиксация номера исходящего соединения при предыдущем звонке позволяет упростить процесс авторизации. По мере распространения Quick Connect, в основном в серверных модемах, может найти применение и другая модель его использования. С Quick Connect IP-соединение между клиентом и провайдером можно будет поддерживать без постоянно занятой физической линии. Когда клиент инициирует IP-запрос или обращается за данными, физическое соединение с использованием Quick Connect восстанавливается без необходимости повторной авторизации. При этом серверные порты доступа будут менее загружены, а клиенты тем не менее смогут пользоваться преимуществами работы в онлайн-режиме. Предполагается, что эта модель резко повысит коэффициент использования оборудования и заметно сократит стоимость подключения по коммутируемой линии. Удержание соединения (Modem-on-Hold)Как правило, телефонные и модемные звонки в домашних условиях осуществляются по одной линии. Соответственно, во время обычного сеанса связи вы не можете пользоваться телефоном. Функция Modem-on-Hold позволяет вам принимать входящие звонки (Call Waiting Survival), а также самому звонить куда-либо, оставаясь при этом в Internet. Связь с провайдером не обрывается даже тогда, когда вы не желаете отвечать на поступивший входящий звонок. Если вам необходимо срочно позвонить по телефону, когда линия занята модемом, вы просто запускаете специальную программу, которая ставит ваш модем в режим ожидания, приостанавливая сеанс обмена данными между модемом и сервером. За время, которое модем находится в режиме ожидания, вы можете переговорить по телефону, а затем модем, после отбоя разговорного соединения, снова активизирует сеанс связи. Возможны несколько сценариев использования функции Modem-on-Hold.
В общем, при использовании совместно с ускоренной установкой соединения постановка в режим ожидания вызова может сделать применение модема более гибким и удобным. Кроме того, возможность работы без разрыва соединения означает повышение качества предоставляемых услуг и рост производительности труда пользователей. Последовательный интерфейс RS-232RS-232 — наиболее популярный из последовательных интерфейсов [4.19, 4.30]. Этот стандарт соединения оборудования был разработан в 1969 г. рядом крупных промышленных корпораций и опубликован Ассоциацией электронной промышленности США (Electronic Industries Association — EIA) как вариант С рекомендуемого стандарта (Recommended Standard — RS) номер 232. RS-232 разработан как стандарт для соединения компьютеров и различных последовательных периферийных устройств. Международный союз электросвязи ITU-T использует аналогичные рекомендации под названием V.24 и V.28. Модификация "D" RS-232 была принята в 1987 г. В ней определены некоторые дополнительные линии тестирования, а также в качестве наиболее предпочтительного соединителя для рассматриваемого интерфейса рекомендован разъем типа DB-25. Самой последней модификацией является модификация Е, принятая в июле 1991 г. как стандарт EIA/TIA-232E. В данном варианте нет никаких технических изменений, которые могли бы привести к проблемам при совместимости с предыдущими вариантами этого стандарта. Передача тактовых сигналов для синхронизации потока данныхИнтерфейс RS-232 является последовательным асинхронным интерфейсом. Последовательная передача означает, что данные передаются по единственной линии. Для синхронизации битам данных предшествует специальный стартовый бит, после битов данных следует бит паритета и один или два стоповых бита. Такая группа битов совместно со стартовым и стоповым битом, а также битом паритета, носит название стартстопного символа. Каждый стартстопный символ, как правило, содержит один информационный символ, например символ ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Для передачи символов по интерфейсу RS-232 наибольшее распространение получил формат, включающий в себя один стартовый бит, один бит паритета и два стоповых бита. Начало асинхронного символа всегда отмечает низкий уровень стартового бита. После него следуют 7 бит данных символа кода ASCII. Бит паритета устанавливается в 1 или О так, чтобы общее число единиц в 8-битной группе было нечетным (нечетный паритет — нечетность) или четным (четный паритет — четность). Последними передаются два стоповых бита, представленных высоким уровнем напряжения. Часто используются национальные расширения кода ASCII, который полностью включает в себя 128 стандартных ASCII-символов и дополнительно содержит еще 128 символов с единицей в старшем бите. Среди дополнительных символов применяются буквы ряда европейских алфавитов, буквы греческого алфавита, математические символы и символы псевдографики. У нас наибольшее распространение получила альтернативная кодировка ASCII. Число всех символов расширенного кода ASCII равно 256, и, следовательно, каждый такой символ кодируется восьмью битами (28 = 256). Удобнее передавать каждый символ расширенной кодировки в виде отдельного стартстопного символа. Поэтому часто используется формат, состоящий из одного стартового бита, восьми информационных и одного стопового бита. При этом бит паритета не задействуется. Таким образом, полный асинхронно передаваемый символ данных состоит из 10-11 бит, При этом собственно пользовательские данные состоят из 7-8 бит. Сигналы интерфейса RS-232Стандарт RS-232 в общем случае описывает четыре интерфейсные функции: Определение управляющих сигналов через интерфейс. Определение формата данных пользователя, передаваемых через интерфейс. Передачу тактовых сигналов для синхронизации потока данных. Формирование электрических характеристик интерфейса.
Алгоритмы работы модема при исходящем соединенииАлгоритмы работы модема показаны на рис. 4.2 (исходящее соединение). При установлении соединения модем взаимодействует с компьютером, получает от него команды, которые он выполняет, или получает команды с линии и передает компьютеру для выполнения. Асинхронные модемы поддерживают определенный набор команд, который был впервые применен фирмой Hayes в модеме Smart Modem 1200. Модемы, придерживающиеся этого стандарта, называются Hayes-совместимыми. Совместимость предполагает идентичность функций первых 28 управляющих регистров модема (всего модем может иметь более сотни регистров). Почти все внутренние команды начинаются с символов AT (attention) и имеют по три символа. По этой причине их иногда называют AT-командами [4.32]. Hayes-совместимость гарантирует, что данный модем будет работать со стандартными терминальными программами. Реально набор команд для модемов разных производителей варьируется в широких пределах. Основные этапы исходящего соединения: Подъем трубки и получение сигнала "ответ станции" (операторы 1-5). На этом этапе имитируется подъем трубки, и станция устанавливает соединение в обычном режиме. В конечном итоге станция посылает ожидаемый сигнал. Набор номера и ожидание сигнала "connect" (соединение установлено) операторы 7, 8, 12-15.
На этом этапе проводится процедура обмена сигналами синхронизации и предложение возможных скоростей. Модемы делают попытку синхронизации на большой скорости, и если это не удается, то переходят на более низкую скорость обмена. После того как синхронизация достигнута (сигнал "connect"), информация о выбранной скорости передается в компьютер, и модем переходит в состояние "обмен данными" (оператор 22). Этап от состояния "обмен данными" до "исходного состояния". На этом этапе происходит обмен данными, и после завершения сеанса компьютер вырабатывает сигнал отключения. В этом случае работа модемов на обоих концах зависит от алгоритма отбоя, принятого на станции (односторонний или двухсторонний отбой). Во всех случаях исходящий модем освобождается и переходит в исходное состояние. Нестандартные ситуации. Окончание тайм-аута и отсутствие сигнала Эти процедуры весьма разнообразны и информируют пользователя о невыполненном соединении. Подробность информации зависит от особенностей программного обеспечения, обеспечивающего диагностику и контроль работы модема. Окончательным результатом этих процедур является отключение модема и отбой соединения. Алгоритм работы модема при входящем соединенииАлгоритм работы при входящем соединении показан на рис. 4.3, где показано два этапа.
Рис. 4.3. Процесс работы модема при установлении входящего соединения Первый этап от исходного состояния до ожидания передачи данных (операторы 108). Начинается с приема со станции сигнала "посылка вызова". Модем переходит в режим передачи данных и начинает процедуру синхронизации и согласования скоростей. Второй этап от состояния "ожидания синхронизации" (операторы 8, 11-15) приводит модем в состояние передачи данных. Последний этап после приема сигнала отключения совпадает с действиями по отбою при исходящем соединении. Нестандартные ситуации Процедуры в этом случае аналогичны действиям при исходящем соединении. Факсаппарат и факсимильная связь Слово "факс" (fax) появилось как сокращение от слова "факсимильный" (facsimile) Обычный факс-аппарат состоит из 4 основных частей, а именно: сканера, кодирующего/декодирующего устройства, модема, принтера. Посылаемая страница сканируется, данные в бинарном (bit-mapped) формате кодируются со сжатием, затем передаются по телефонной линии с помощью внутреннего модема. Удаленный факс-аппарат получает эти данные с помощью своего внутреннего модема, данные декодируются в картинку бинарного формата, а затем распечатываются на бумаге. Компьютер, в который загружено программное обеспечение факса, может посылать и принимать факсы с помощью такой факс-карты. Факскарта — это внутренняя плата, вставляемая в компьютер, тип которой определяется в зависимости от его типа. Она выполняет модемную функцию факсимильной машины. Компьютер при этом используется как входная и выходная части факсимильной машины, а факс-карта — как передающая/принимающая часть, а также может выполнять кодирование/декодирование — в зависимости от конструкции. Компьютер осуществляет связь через факс-карту с помощью специального набора устройств и программ, который отличается у разных производителей факс-карт. Обычный модем также может быть предназначен для выполнения передачи и приема факсов, как это делает факс-карта. Поскольку интерфейс модема с компьютером — это стандартный последовательный интерфейс RS-232, этот интерфейс можно использовать для выполнения функций и модема, и факса. Учитывая, что пропускная способность последовательного интерфейса RS-232 ограничена, через этот последовательный интерфейс могут быть переданы только сжатые данные факса. Кодирование и декодирование образа факса должны выполняться в компьютере. Сочетание "модемфакс" также называется "факс-модем", он может быть и внешним, отдельно стоящим устройством, и внутренней, вставляемой в компьютер платой. Внешнее отдельно стоящее устройство может присоединяться к любому компьютеру со стандартным последовательным портом RS-232. Факс, используемый для передачи образов, и модем, используемый для передачи данных, имеют различные последовательности сигналов для вхождения во взаимодействие (handshaking signal sequence). Существует возможность автоматически определить, с какого устройства звонят — с факса или модема. Для этого нужно протестировать и распознать начальную последовательность сигналов. Модем, имеющий такую возможность, способен выполнять компьютерную обработку как соединения по модему для передачи данных, так и соединения для факса, по одной и той же телефонной линии. Краткие итоги
Задачи и упражненияПо блок-схеме (рис. 4.1) перечислите задачи каждого из блоков, входщих в модем. Согласно таблицам 4.1-4.2 опишите свойства каждого из модемов. Что означают указанные в таблице типы модуляции? Опишите области применения каждого из типов модемов. Как можно использовать ассимитричность? Опишите, для чего используется выделенная линия. Что обеспечивают протоколы сжатия? Какие преимущества обеспечивают данные алгоритмы?
Укажите номера контактов для этих цепей. Согласно алгоритму работы модема при установлении исходящего соединения укажите возможные пути, приводящие к окончанию процесса обслуживания. Согласно алгоритму работы модема при установлении входящего соединения укажите возможные пути, приводящие к окончанию процесса обслуживания.Напишите функцию на языке C (или на любом языке, с которым вы знакомы), выполняющую алгоритмы работы модема при установлении исходящего и входящего соединений. |
Основные порталы (построено редакторами)