Модем - устройство, виды, режимы работы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа № 1

По предмету Сети передачи данных

Выполнил студент ВОСС - 11)/ 4 - 3

Султанова Марина



Модем, основные понятия

Слово "модем" (modem) происходит от сочетания "модулятор/демодулятор" и используется для обозначения широкого спектра устройств передачи цифровой информации при помощи аналоговых сигналов путем их модуляции - изменения во времени одной или нескольких характеристик аналогового сигнала: частоты, амплитуды и фазы. При этом модулируемый аналоговый сигнал называется несущим (carrier) и обычно представляет собой сигнал постоянной частоты и амплитуды (несущая частота).

Количество модуляций в секунду называется скоростью модуляции и измеряется в бодах (Бод); количество переданной при этом информации измеряется в битах в секунду (бит/с или BPS - Bits Per Second). Одна модуляция может передавать как один бит, так и большее или меньшее их количество. В новых модемных протоколах единица информации, передаваемая за одну модуляцию, называется символом (character). "Модемный" символ может в общем случае иметь любой размер.

Исходный цифровой сигнал подается на модулятор, преобразующий его в серию изменений несущего аналогового сигнала, по линии связи передаваемого демодулятору, который по этим изменениям воссоздает исходный цифровой сигнал. Для получения симметричной двунаправленной линии связи модулятор и демодулятор объединяются в одном устройстве - модеме

Модемы применяются там, где линия связи не позволяет надежно передавать цифровой сигнал простым изменением амплитуды. Наиболее надежно передаются изменения частоты - частотная модуляция, однако для фиксации такого изменения на приемном конце требуется несколько периодов сигнала, что требует использования несущих частот, значительно большим, чем частоты цифрового сигнала. Для увеличения количества информации, передаваемой за одну модуляцию, используются параллельная фазовая и амплитудная модуляции.

В упрощенном виде, соединение модемов и линии связи можно представить так

DTE 1- DCE 1- Линия связи- DCE 2- DTE 2

Аббревиатурой DTE (Data Terminal Equipment - оконечное оборудование передачи данных) в терминологии систем связи обозначаются оконечные цифровые устройства, генерирующие или получающие данные. Аббревиатурой DCE (Data Communication Equipment - оборудование передачи данных) обозначаются модемы. Линия связи между DCE - аналоговая, между DCE и DTE - цифровая.

Если для связи DTE и DCE используется унифицированный цифровой интерфейс, это зачастую дает возможность связать два расположенных рядом DTE прямой цифровой линией - так называемым нуль-модемным кабелем. В случае разнесения DTE на большое расстояние в разрыв вместо нуль-модемного кабеля включается пара модемов и аналоговая линия связи, обеспечивая прозрачное соединение и передачу данных.

Устройство модема

Практически все современные модемы имеют похожие функциональные схемы, состоящие из основного процессора, сигнального процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, RAM), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ, ROM), перепрограммируемого запоминающего устройства (Non-Volatile RAM, NVRAM - не разрушающаяся память с прямым доступом), собственно модулятора/демодулятора, схемы согласования с линией и динамика.

Основной процессор фактически является встроенным микрокомпьютером, отвечающим за прием и выполнение команд, буферизацию и обработку данных - кодирование, декодирование, сжатие/распаковку и т.п., а также за управление сигнальным процессором. В большинстве модемов используются специализированные процессоры на основе типовых наборов микросхем, а в некоторых (US Robotics, ZyXEL) - процессоры общего назначения (Intel, Zilog, Motorola).

Сигнальный процессор (DSP, Digital Signal Processor - цифровой сигнальный процессор) и модулятор/демодулятор занимаются непосредственно операциями с сигналом - модуляцией/демодуляцией, разделением частотных полос, подавлением эхо и т.п. В качестве таких процессоров также используются либо специализированные, ориентированные на конкретный набор способов и протоколов модуляции (AT&T, Rockwell, Exar), либо универсальные со сменной микропрограммой (например, TMS), позволяющие впоследствии дорабатывать и изменять алгоритмы работы.

В зависимости от типа и сложности модема основная интеллектуальная нагрузка смещается в сторону DSP или модулятора/демодулятора. В низкоскоростных (300..2400 бит/с) модемах основную работу выполняет модулятор/демодулятор, в скоростных (4800 бит/с и выше) - DSP.

В ПЗУ хранятся программы для основного и сигнального процессоров (firmware). ПЗУ может быть однократно программируемым (PROM), перепрограммируемым со стиранием ультрафиолетом (EPROM) или перепрограммируемым электрически (EEPROM, Flash ROM). Последний тип ПЗУ позволяет оперативно менять прошивки по мере исправления ошибок или появления новых возможностей.

ОЗУ используется в качестве временной памяти при работе основного и сигнального процессоров; оно может быть как раздельным, так и общим. В ОЗУ хранится также текущий набор параметров модема (active profile).

В NVRAM хранятся сохраненные наборы параметров модема (stored profiles), один из которых загружается в текущий набор при каждом включении или сбросе. Обычно имеется два сохраненных набора - основной (profile 0) и дополнительный (profile 1). По умолчанию для инициализации используется основной набор, но есть возможность переключиться на дополнительный. Ряд модемов имеет более двух сохраненных наборов.

Схемы согласования с линией включают разделительный трансформатор для передачи сигнала, оптопару для опознания сигнала звонка (Ring), реле подключения к линии ("поднятия трубки", off-hook) и набора номера, а также элементы создания нагрузки в линии и защиты от перенапряжения. Вместо реле могут применяться бесшумные электронные ключи. В некоторых модемах применяются дополнительные оптопары для контроля напряжения линии. Подключение к линии и набор номера могут выполняться как одним, так и раздельными ключами.

На динамик (speaker) выводится усиленный сигнал с линии для слухового контроля ее состояния. Динамик может быть включен на время набора номера и соединения, во время всего соединения, а также отключен совсем.

Внешние модемы дополнительно содержат схему формирования питающих напряжений (обычно +5, +12 и -12 В) из одного переменного (реже - постоянного) напряжения источника питания. Кроме этого, внешние модемы содержат интерфейсные цепи для связи с DTE.

Внешний и внутренний модемы

Внутренний модем выполняется в виде платы расширения, размещаемой в корпусе компьютера, подключаемой напрямую к системной шине и использующей общий источник питания компьютера. Внешний модем выполняется в виде отдельного устройства, подключаемого к одному из портов - последовательному или параллельному, и питаемый от собственного сетевого источника. Внешний модем также имеет индикаторы режимов работы в виде набора светодиодов или жидкокристаллического дисплея.

Достоинства внутреннего модема:

* меньшая сложность и цена за счет отсутствия корпуса,

* преобразователя питания, индикаторов и интерфейсных схем;

* отсутствие проблем с питанием в случае использования UPS;

* отсутствие необходимости в свободном порте;

* меньшее количество внешних соединений и разъемов питания.

Недостатки внутреннего модема:

* внесение в систему дополнительного порта(что может быть чревато конфликтами с другими системными устройствами)

* большая подверженность помехам как от компьютерного источника питания, так и от соседних блоков компьютера, что может сказываться на качестве связи;

* отсутствие индикаторов режимов работы, что затрудняет контроль состояния модема и сеанса связи;

* необходимость вскрытия компьютера для установки и снятия модема, а также для настройки конфигурации порта;

* невозможность использования модема с компьютером другого типа или другим интеллектуальным устройством;

* возможность надежного сброса модема в случае "зависания" встроенной микропрограммы, кроме как через глобальный сброс компьютера;

* невозможность использования синхронного режима работы;

Достоинства внешнего модема:

* оптимальное по помехозащищенности исполнение с собственным источником питания;

* наличие индикаторов;

* возможность аварийного сброса в любой момент путем отключения питания;

* возможность использования с любым типом оконечных устройств - компьютерами, терминалами, принтерами, кассовыми аппаратами и т.п.;

* возможность использования синхронного режима работы, при котором данные передаются на уровне битов, а не байтов; этот режим применяется в бит-ориентированных оконечных устройствах.

* простое и быстрое подключение, и также - переключение между оконечными устройствами.

Недостатки внешних модемов:

* более высокая сложность и цена;

* большее количество внешних устройств (модем и блок питания);

* необходимость дополнительной розетки питающей сети, а в случае подключения к UPS - специального переходника;

* необходимость свободного порта и интерфейсного кабеля.

Типы модуляции

При частотной модуляции ЧМ (Frequency Shift Keying - FSK) элементы передаются различными частотами несущего сигнала. Это наиболее надежный и помехоустойчивый способ модуляции, однако наименее скоростной.

При относительной фазовой модуляции ОФМ (Differential Phase Shift Keying - DPSK) информация передается путем сдвига фазы несущего сигнала.

Квадратурно-амплитудная КАМ (Quadrature Amplitude Modulation - QAM) сочетает изменение фазы и амплитуды сигнала. Квадратурной этот вид модуляции называется потому, что сигнал представляется суммой синусоидальной и косинусоидальной составляющих, которые находятся в квадратуре по отношению друг к другу.

Для увеличения помехоустойчивости при многопозиционной модуляции применяется предварительное кодирование информации. Без кодирования появление в сигнале каждой очередной позиции модуляции равновероятно, и при большом количестве позиций сильно возрастает вероятность ошибки демодулятора. Кодирование изменяет статистические свойства потока информации так, что вероятность появления каждой позиции зависит от предыстории, позволяя демодулятору принимать более надежные решения. Такие методы кодирования носят название сверточных, или Trellis Encoding.

Организация передачи данных

Передача данных организуется на основе набора протоколов, каждый из которых устанавливает правила взаимодействия связывающихся устройств. Протоколы, используемые в модемах, делятся на четыре основные группы:

- протоколы модуляции и передачи данных;

- протоколы коррекции ошибок;

- протоколы сжатия передаваемых данных;

- протоколы связи DTE и DCE.

Первые три группы относятся только к связи DCE-DCE, последняя - только к связи DCE-DTE.

Первая группа протоколов устанавливает правила вхождения модемов в связь, ее поддержания и разрыва, параметры аналоговых сигналов, правила кодирования и модуляции. Эти протоколы непосредственно относятся к сигналам, передаваемым по межмодемной аналоговой линии связи. Соединение двух модемов возможно только в случае поддержки ими каких-либо общих или совместимых протоколов этой группы. В семиуровневой иерархии протоколов связи OSI эта группа протоколов имеет уровень 1 (физический) и формирует канал цифровой связи в реальном времени, однако не защищенный от ошибок передачи.

Протоколы физической связи могут быть симплексными (simplex) - реализующими в каждый момент времени передачу только в одну сторону, и дуплексными (duplex) - с одновременной двунаправленной передачей. Чаще всего применяются дуплексные протоколы, которые могут быть симметричными, когда скорости передачи в обоих направлениях равны, и несимметричными, когда скорости различаются. Несимметричный дуплекс применяется для повышения скорости передачи в одну сторону за счет ее снижения в обратную сторону, когда поток передаваемых данных имеет выраженную асимметрию.

Для определения направления передачи в физическом канале используются понятия вызывающего (инициирующего соединение) и отвечающего модемов; направление передачи определяется со стороны вызывающего модема.

Вторая группа устанавливает правила обнаружения и коррекции ошибок, возникающих на этапе передачи с помощью протоколов первой группы. Эти протоколы имеют дело только с цифровой информацией; для проверки целостности информации она разделяется на блоки (пакеты), снабжаемые контрольными избыточными кодами (CRC - Cyclic Redundancy Check). При несовпадении контрольного кода на приемном конце переданный пакет считается ошибочным и запрашивается его повторная передача. Эта группа протоколов формирует из ненадежного физического канала надежный (защищенный от ошибок) канал более высокого уровня, однако это приводит к потере связи в реальном времени и дается ценой определенных накладных расходов. В модели OSI эта группа соответствует уровню 2 (канальный).

Третья группа устанавливает правила сжатия передаваемых данных путем уменьшения их избыточности. При этом на передающем конце происходит их анализ и упаковка, а на приемном - распаковка в исходный вид. Сжатие позволяет повысить скорость передачи сверх физической пропускной способности канала за счет уменьшения объема реально передаваемых данных. Реализация сжатия также требует некоторых накладных расходов на анализ информации и формирование пакетов; в случае неэффективного сжатия скорость передачи может оказаться ниже скорости физического канала.

Последняя группа протоколов задает правила взаимодействия DCE и DTE. Они подразделяются на физические, касающиеся кабелей, разъемов и сигналов взаимодействия, и информационные, относящиеся к формату и смыслу передаваемых сообщений. Посредством этих протоколов реализуется общение DTE и DCE во время подготовки к вхождению в связь, организации вызова и ответа, а также в процессе самого обмена данными.

Протоколы передачи данных

Из протоколов физической связи наибольшее распространение получили следующие:

- Bell 103J (American Telephone & Telegraph, AT&T), V.21 (International Telecommunications Union - Telecommunications, ITU-T). Дуплексные, симметричные, используют ЧМ. Для организации дуплекса полоса частот канала делится на два подканала - нижний для передачи и верхний для приема данных. При модуляции используются следующие частоты:

Bell 103J:

- нижний подканал: 0 - 1070 Гц, 1 - 1270 Гц;

- верхний подканал: 0 - 2025 Гц, 1 - 2225 Гц.

V.21:

- нижний подканал: 0 - 1180 Гц, 1 - 980 Гц;

- верхний подканал: 0 - 1850 Гц, 1 - 1650 Гц.

За одну модуляцию частоты передается один бит; таким образом, скорости модуляции и передачи равны и составляют 300 Бод и бит/с.

- V.22 (ITU-T). Дуплексный, симметричный, использует относительную фазовую модуляцию ОФМ (Differential Phase Shift Keying - DPSK), передающую информацию путем сдвига фазы несущего сигнала. Несущие частоты - 1200 и 2400 Гц, скорость модуляции - 600 Бод. Протокол имеет два режима, в одном из которых одной модуляцией передается один бит, а в другом - два бита (дибит). Соответственно, в первом случае имеется две, а во втором - четыре позиции модуляции с относительным сдвигом фазы на 180 и 90 градусов, а скорость передачи равна 600 и 1200 бит/с. Реализация протокола предусматривает наличие эквалайзера, корректирующего частотные и фазовые характеристики сигнала.

- V.22bis (ITU-T). Развитие V.22 путем исключения однопозиционной и введения шестнадцати позиционной квадратурно-амплитудной модуляции с передачей четырех битов (квадбита) за одну модуляцию сигнала. Соответственно, максимальная скорость передачи увеличена до 2400 бит/с.

- V.32 (ITU-T). Использует шестнадцати позиционную КАМ и Trellis-кодирование, скорости передачи - 4800 и 9600 бит/с.

- V.32bis (ITU-T). Расширение V.32 со скоростью передачи до 14400 бит/с, введены промежуточные скорости 7200 и 12000 бит/с. В протокол включена поддержка процедур автоматического изменения скорости во время сеанса при изменении качества линии, однако в ряде модемов реализованы лишь процедуры ее снижения без возврата к исходной скорости.

- HST (US Robotics). Оригинальный помехоустойчивый несимметричный протокол с передачей в одну сторону со скоростью до 16800 бит/с, в обратном канале скорость фиксирована - 300 или 450 бит/с. Протокол автоматически ориентируется в сторону наиболее плотного потока данных; при потоках сравнимой плотности происходит периодический "разворот" протокола.

- V.32terbo (AT&T). Расширение V.32bis со скоростью передачи до 19200 бит/с, промежуточная скорость - 16800 бит/с.

- V.32terbo/ASL (USR). Расширение V.32bis со скоростью до 21600 бит/с. ASL - Adaptive Speed Leveling, адаптивная коррекция скорости в зависимости от качества передачи. Управление осуществляется по протоколу V.42. Поддерживаются быстрые пересоединения (retrain) без полной настройки систем эхоподавления. Начальное соединение для надежности выполняется на скорости 7200.

- ZYX (ZyXEL). Оригинальный протокол со скоростью передачи от 7200 до 16800 бит/с в обычных моделях, и до 19200 бит/с - в моделях Plus. Дискретность изменения скорости - 2400 бит/с.

- ZyCELL. Оригинальный помехоустойчивый протокол, ориентированный на работу по сотовым (cellular) линиям связи.

- V.34 (ITU-T). Протокол последнего поколения со скоростью передачи до 28800 бит/с, промежуточные скорости - 2400..26400 бит/с с дискретностью 2400. Принятию стандарта ITU предшествовали протоколы ряда производителей под названиями V.Fast и V.FC. Модуляция - 256-позиционная КАМ с дополнительным временнЫм кодированием, при котором решение на приемном конце принимается по двум смежным состояниям сигнала. В связи с увеличением размера передаваемого за одну модуляцию элемента данных вместо понятия "бод" используется "символ в секунду"; в данном случае размер символа равен 8 битам, или одному байту. Соответственно, введено понятие "символьная скорость" - 2400, 2743, 2800, 3000, 3200, 3429 симв/с. Две последние скорости формально не укладываются в стандартную полосу пропускания телефонного тракта, однако ряд телефонных линий реально обладает нужной пропускной способностью.

- V.34bis (ITU-T). Расширение V.34 до скорости 33600 бит/с с промежуточной скоростью 31200 бит/с.

- V.90 (ITU-T). Несимметричный, "полуцифровой" скоростной протокол, позволяющий поднять скорость передачи в одну сторону до 56 кбит/с. Стандарту предшествовали протоколы x2 (USR/3COM) и k56flex (Rockwell/Lucent). Данная группа протоколов известна также под названиями V.PCM и 56k. Протоколы 56k реализуются только на несимметричных линиях, когда с одной стороны устанавливается блок прямого сопряжения ("цифровой модем") с подключением к цифровому каналу T1/E1, ISDN и др., а с другой - аналоговый модем с поддержкой V.90. При таком соединении сигнал со стороны цифрового канала большую часть расстояния передается в неизменной цифровой форме, и только от абонентского комплекта до обычного модема - в аналоговой. Поскольку преобразование из цифровой формы в аналоговую сопряжено с меньшими потерями информации, чем обратно, предельная пропускная способность цифрового канала (64 кбит/с) понижается только до 56 кбит/с (реально обычно до 45-53 кбит/с). В обратную сторону предельной является скорость 33.6 кбит/с.

Протоколы 56k ориентированы в первую очередь на централизованные системы связи - провайдеры Internet (ISP - Internet Service Provider), банковские и информационные сети и т.п., где преобладает передача информации от центра к абоненту (download), а передача от абонента к центру (upload) встречается гораздо реже.

- V.92. В июне прошлого года ITU (International Telecommunications Union) анонсировал протоколы для аналоговых модемов нового стандарта: V.92 и предназначенный для совместного с ним применения новый протокол сжатия данных V.44. Главный интерес представляет первый, хотя новизны в нем, по сравнению с V.90, на первый взгляд, не так уж и много: те же 56 кбит/с от провайдера к пользователю и с теми же ограничениями. Основных новинок три, рассмотрим их по порядку.

Modem-on-Hold (MOH) -- особенность, позволяющая пользователю при поступления входящего звонка временно приостановить обмен данными, не разрывая соединения, а по окончании разговора вернуться к приостановленной сессии. Запрос клиента на приостановку соединения эквивалентен функции Flash телефонных аппаратов: станция провайдера переводит линию в режим Hold, выйти из которого можно или по сигналу клиента, или по тайм-ауту, расценив долгое молчание как обрыв связи. Возможность приостановить соединение, поставив клиентскую линию в Hold, имеет и провайдер, но вряд ли это найдет какое-либо применение. Кроме собственно процедуры приостановки соединения, V.92 оговаривает механизм, позволяющий модемам корректно разбираться с тональным сигналом вызова. Дело в том, что для модемов V.90, используемых с электронными АТС, сигнал вызова является настоящим бичом: он подобен сигналу разъединения, и в зависимости от настроек модема может заставить последний «повесить трубку» (впрочем, некоторые считают это достоинством -- всегда можно дозвониться). Существующие сегодня решения, касающиеся приема второго вызова во время активного соединения, допускают длительность второго соединения не более семи секунд, что недостаточно для ответа, а позволяет только принять Caller ID. Технология MOH рассчитана на длительность второго соединения в несколько минут, что уже вполне достаточно для нормального разговора. К тому же клиент и сервер могут заранее устанавливать время, на которое линия на сервере будет установлена в Hold, до того как сервер посчитает это обрывом связи. Различные варианты использования этой технологии предусматривают не только решение со стороны клиента о принятии или отклонении входящего вызова, но и разрешение сервера на прерывание соединения.

Quick Connect (QC) -- позволяет уменьшить время установки соединения в части измерения параметров линии связи. Типовой процесс соединения включат четыре стадии.

1. установление физического соединения путем дозвона клиентского оборудования до серверного (или наоборот, при использовании Callback).

2. выполнение процедуры измерения параметров канала связи, выбор оптимальной скорости соединения, компенсация неравномерности АЧХ канала, подавление эхосигналов аналоговой петли, компенсация прямой и обратной задержки прохождения и пр.

3. установка цифрового соединения с коррекцией ошибок по протоколу V.42

4. соединение по протоколу PPP или SLIP.

Суммарное время всех этапов -- 25-30 секунд. Не считая процесса дозвона, который достаточно быстр при тональном наборе и может быть ускорен не более чем на пару секунд за счет длительности DTMF-сигналов в 200-300 мс против 700-800 положенных, наибольшее время занимает вторая стадия. QC предусматривает сохранение параметров (аналоговых -- АЧХ и характеристик подавления эхосигналов, а также цифровых -- задержки прохождения сигнала и т. п.) настройки клиентского модема в энергонезависимой памяти при первом соединении с использованием процедуры тестирования канала по стандарту V.90. При последующих соединениях клиентский модем загружает предыдущие установки и тестирует только тональный ответ модема провайдера. Если условия связи близки к предыдущим, процесс тестирования канала пропускается, если нет -- снова выполняется стандартная процедура соединения V.90.

Если клиент подключен к АТС, имеющей выход на городскую сеть по цифровому каналу, параметры аналоговой линии от модема до станции не подвержены изменениям, а значит, технология QC будет работать. Если же станция клиента промежуточная и коммутирует аналоговый канал на другую АТС, то преимущества QC востребованы не будут. Зарубежные провайдеры предусматривают и более интересные варианты использования «быстрого коннекта», типа «виртуального онлайна», когда при неактивности соединение разрывается, но за клиентом сохраняется IP-адрес, и при получении запроса соединение быстро восстанавливается (как со стороны клиента, так и со стороны провайдера).

V.PCM Upstream -- увеличение скорости передачи данных от пользователя к провайдеру до 48 кбит/с. Протокол V.90 оговаривал применение модуляции PCM для канала от провайдера к пользователю и применение QAM (в V.34) в обратном канале. Спецификация V.90 Issue 2, на практике не использовавшаяся, предусматривает применение PCM в обоих каналах, и именно на ее базе появился V.92. Топология соединени сохранилась, и основное требование -- чтобы между клиентским модемом и телефонной станцией был один-единственный аналоговый участок -- соответствует V.90. Принципиальные изменения для пользователя это новшество вряд ли принесет, кроме более корректной работы в приложениях, требующих по возможности симметричного трафика.

Для совместной работы с V.90 предназначен новый протокол сжатия V.44. Как известно, к алгоритмам сжатия, интегрируемым в модемы, предъявляются довольно противоречивые требования. Во-первых, минимум загрузки процессора -- ведь в модемах используются относительно маломощные микропроцессоры, которым надо обслуживать еще и интерфейс и DSP. Во-вторых, небольшой объем памяти, иначе стоимость модема значительно возрастет. В-третьих, малая временная задержка между входом и выходом данных как для кодера, так и для декодера, иначе приложения типа Интернет-телефонии или онлайновых игр окажутся неработоспособными. Именно по этим причинам алгоритмы с высокой степенью сжатия, применяемые в программных архиваторах типа ZIP, в данном случае неприменимы (ZIP использует объем памяти, равный объему файла).V.92 включает в себя еще и стандарт V.250 -- набор команд управления и диагностики модемов, который должен быть идентичным для всех производителей. Сегодняшняя ситуация с технологиями доступа такова, что V.92 вполне может оказаться действительно последним писком: выжать из аналогового коммутируемого соединения что-то большее уже проблематично, а альтернативные технологии типа выделенных каналов, радио- или спутникового доступа стремительно отвоевывают клиентов у аналоговых модемов. Впрочем, движение не в сторону увеличения скорости, а в сторону придания аналоговым каналам свойств каналов цифровых позволит первым продержаться на сцене еще некоторое время.



Что такое CPS

CPS - Это исторически укоренившаяся единица измерения скорости передачи данных между программами (Characters Per Second - символов в секунду), которая обозначает скорость передачи "компьютерных" (восьмибитовых) символов (байтов) между оконечными программами. "Модемная" скорость в BPS для этого не подходит, так как обозначает скорость передачи данных между модемами в физическом канале, а на реальную скорость передачи по полному каналу (между программами) влияют коррекция ошибок, сжатие данных, тонкости аппаратных и системных протоколов, настройки портов и т.п.

CPS - чисто "компьютерная" единица, не имеющая отношения к "модемным" символам модуляции, введенным в V.FC, V.34 и более поздних протоколах.

Сжатие данных

Сжатие данных выполняется путем обнаружения и частичного устранения избыточности информации во входном потоке передающего модема, после чего закодированные блоки данных уменьшенного размера направляются принимающему модему, который восстанавливает их исходный вид. Принцип действия алгоритмов сжатия во многом похож на работу архиваторов.

Наиболее распространены протоколы сжатия MNP5, введенный фирмой Microcom, и V.42bis, введенный ITU-T. Алгоритм MNP5 основан на относительно простых методах сжатия, его эффективность в лучших случаях редко превышает 2. V.42bis основан на популярном методе сжатия LZW, применяемом в большинстве архиваторов, и в удачных случаях обеспечивает сжатие до четырех раз. В модемах, где реализованы оба протокола, предпочтение при соединении по умолчанию отдается V.42bis.

В протоколе MNP5 алгоритм сжатия не отключается, и протокол всегда пытается кодировать поступающие данные. Это часто приводит к тому, что данные, не поддающиеся сжатию, за счет кодирования увеличиваются в размере, и эффективная скорость передачи падает. Протокол V.42bis следит за эффективностью сжатия потока, и временно прекращает работу, если сжатие не достигает своих целей. Если в модеме реализован только протокол MNP5, рекомендуется отключать его для сеансов, в которых преобладают данные с низкой избыточностью (архивы, дистрибутивы, изображения, звук, видео и т.п.), и включать - для сеансов передачи текстов, HTML-страниц, не пакованных баз данных и т.п.

Алгоритм сжатия в модеме всегда имеет дело с непрерывным потоком данных, из-за чего сжатию подвергаются лишь отдельные, относительно небольшие и независимые фрагменты потока, а это не позволяет достичь столь же высокой степени сжатия, как в архиваторах. Например, текст на русском языке большинством архиваторов сжимается в 4-5 раз, в то время как реальная эффективность лучших модемных протоколов сжатия не превышает 2-3, а более высокая степень достигается лишь при передаче повторяющихся серий (таблиц, не пакованных баз данных с высокой избыточностью и т.п.).

Классификация модемов

Область применения

модемы для коротких линий (short range);

модемы для голосовых линий (voice grade - VG);

модемы для широкополосных линий (wideband).

Тип линии

коммутируемые;

арендованные (выделенные);

частные.

Режим работы

полудуплексный;

полнодуплексный;

симплексный.

Синхронизация

синхронные;

асинхронные

Модуляция

амплитудная (AM);

частотная (FM/FSK);

фазовая (PM);

TCM

Дополнительные функции

Факс-модем

Голосовой модем

Soft-модем

Скорость, Размещение

Область применения

Модемы для коротких дистанций (short-range, short haul).

Модемы short-range являются эффективным недорогим решением для связи на расстояниях, не превышающих 15 -30 км, по частным линиям, не являющимся частью телефонных систем общего пользования. Такие модемы могут использоваться и для связи на больших расстояниях при соединении через линию, принадлежащую одной телефонной системе (АТС) - такое соединение называется физической линией (local loop). Модемы для коротких дистанций чувствительны к длине линии связи, поскольку при передаче в линии происходит ослабление и искажение сигналов. С увеличением длины линии скорость обмена данными должна снижаться для обеспечения безошибочной передачи.

Short-range модемы дешевле остальных типов модемов по двум причинам:

они не содержат устройств для компенсации разности частот модулятора и демодулятора;

зачастую такие модемы не содержат устройств снижения/коррекции шума, поскольку на коротких дистанциях уровень шумов существенно меньше.

Модемы для коротких дистанций делятся на два основных типа:

Аналоговые модемы с использованием простых методов модуляции без изощренного контроля ошибок. Обычно скорость таких модемов не превышает 9600 bps, однако отдельные модели поддерживают обмен данными на скорости до 64 Kbps.

Драйверы линий повышают уровень цифровых импульсов и передают в линию непосредственно цифровые сигналы без их модуляции, как это происходит при использовании обычных модемов. Драйверы линий очень дешевы, имеют крошечные размеры и присоединяются непосредственно к портам RS-232, используя для питания напряжение сигналов DCE-DTE.

Модемы для голосовых линий (voice grade - VG).

Передача осуществляется по коммутируемым или арендованным линиям.

Коммутируемый канал - временно существующий канал от одного абонента до другого, образованный в процессе коммутации, т. е. установления соединения, путем использования межАТСных соединений.

Выделенная линия - в противоположность коммутируемому каналу постоянно существующий канал, который может быть образован как физической линией, так и с помощью каналообразующей аппаратуры с использованием межАТСных связей.



Тип линии

Стандартная коммутируемая линия отличается наличием питающего напряжения (около 60 вольт в российских телефонных сетях) и способностью выдавать и принимать сигналы состояния линии и набора номера. Соответственно, при работе по коммутируемой линии вызывающий модем в общем случае дожидается непрерывного гудка, затем набирает номер, и только после этого ожидает ответа от удаленного модема. Отвечающий модем, в свою очередь, воспринимает сигнал вызова (звонок), после чего подключается к линии ("берет трубку") и переходит в режим ответа.

Выделенная линия представляет собой постоянное двухточечное соединение между двумя абонентами. Обычно это - двух или четырех проводная линию связи, напрямую соединяющая два модема и никак не соединенная со станционной аппаратурой. В простейшем случае это может быть обычный телефонный кабель, входящий в комплект модема, в наиболее сложном - участок многоканального проводного, оптоволоконного или радиотракта, который при помощи канальной аппаратуры имитирует простое проводное соединение.

Модемы, поддерживающие работу по выделенной линии (команда &L1) в этом режиме автоматически отключают проверку наличия непрерывного гудка, а также автоматически пытаются восстановить соединение при его разрыве. Для начальной установки соединения один модем должен быть активизирован как вызывающий (команда D), а другой - как отвечающий (команда A). После этого восстановление связи при обрыве модемы выполняют сами в тех же ролях.

Кроме этого, модемы с поддержкой выделенных линий имеют запоминаемые режимы, в которых установление связи в выбранной роли выполняется автоматически при включении питания (либо после появления сигнала DTR). Таким образом, пара таких модемов сразу после включения питания или появления DTR создает автоматически поддерживаемое соединение без вмешательства управляющих программ, которым в этом случае остается лишь слежение за сигналом DCD и/или сообщениями CONNECT/NO CARRIER. В идеальном случае такая пара модемов позволяет организовать полностью прозрачное соединение, аналогичное нуль-модемному кабелю, при котором программам совершенно неизвестно о существовании в каких-либо дополнительных устройств в тракте.

По выделенной линии могут работать практически все модемы - даже не поддерживающие команду &L1. Достаточно, чтобы модем не обращал внимания на наличие напряжения в линии (некоторые модемы имеют датчик напряжения) и не пытался ожидать гудка при переходе в режим вызова (это обеспечивает команда X3). Для установления связи на вызывающем модеме вводятся команды X3D, после чего на отвечающем вводится команда A. Единственное неудобство в этом случае - обычные модемы не умеют автоматически восстанавливать оборванное соединение.

Описанная технология может использоваться и при работе по коммутируемой линии - для установления модемной связи по каналу, уже соединенному для голосового разговора. При этом модемы должны быть подключены параллельно каждому телефонному аппарату, их операторы выбирают для себя роли вызывающего/отвечающего, после чего вызывающий вводит команду D и после подключения его модема к линии кладет трубку. Отвечающий оператор, услышав щелчок подключившегося к линии удаленного модема, вводит команду A и тоже кладет трубку, после чего модемы переходят к обмену сигналами установки соединения.

Режим работы

Факс-модем. Это модем со встроенными факсовыми протоколами установления связи, модуляции и передачи изображений. Такой модем может работать как с обычными модемами посредством протоколов передачи данных, так и с факс-машинами через протоколы передачи изображений.

Функциональность факс-модема определяется его классом: 1, 2 или 2.0. Класс 1 предполагает поддержку только протоколов физического уровня, все остальные процедуры выполняет управляющая программа компьютера. Класс 2 вносит бОльшую часть интеллектуальных функций в сам модем, однако является "промежуточным" стандартом де-факто. Класс 2.0 добавляет функции кодирования и декодирования изображений, содержит ряд изменений, и утвержден в качестве официального стандарта.

Классы факс-модемов не совместимы снизу вверх (функции младших классов не поддерживаются в старших), а модемы старших классов чаще всего не поддерживают младшие классы факсовых команд.

Программы, ориентированные на работу с факс-модемами (BitFax, BGFax, WinFax и др.), позволяют передавать и принимать изображения в различных графических форматах (BMP, GIF, TIFF, JPG и т.п.). Кроме этого, большинство программ, а также встроенные факс-службы современных ОС, позволяют передавать документы любого типа, для чего в системе устанавливается фиктивное устройство класса "принтер", при "печати" документов на которое они преобразуются в чистое изображение и отправляются факс-модемом.

Голосовой модем. Это модем с возможностью голосового (voice) контакта между абонентами. Первые модемы с поддержкой голоса имели только микрофонный и телефонный усилитель с возможностью подключения наушников с микрофоном, что добавляло к модему функции обычного телефонного аппарата. Современные модемы, кроме этого, способны одновременно передавать по каналу данные и голос, отчего эта группа модемов имеет общее обозначение SVD (Simultaneous Voice and Data), и часто позволяет делать это при помощи подключенного к модему телефонного аппарата.

Различаются две основные технологии передачи голоса вместе с данными:

- ASVD - аналоговая, когда звуковая информация внедряется в поток данных в аналоговом виде на этапе модуляции. Скорость потока данных в канале при этом падает. Примером может служить протокол V.61 (скорость данных 4800 бит/с), а также его расширения от Rockwell, называемые AudioSpan: ML144 (4800..9600 бит/с) и ML288/V.34Q (4800..14400 бит/с). ASVD позволяет разговаривать с абонентом при помощь телефонной трубки или наушников с микрофоном, но не позволяет передавать по голосовому каналу звук из компьютера без его преобразования в аналоговую форму.

- DSVD - цифровая, когда звук в цифровом виде прозрачно внедряется в основной цифровой поток посредством служебных кадров. При этом звук может как оцифровываться с микрофона на входе и подаваться на наушники с выхода, так и напрямую передаваться с компьютера или на компьютер. Пример - протокол V.70.

Помимо прямых голосовых разговоров, при помощи голосовых модемов реализуются системы определения номера звонящего абонента, автоответчики, системы автоматической рассылки речевых сообщений и т.п.

Soft-modem Так называют класс модемов, часть "интеллекта" которых переносится из самого модема в основной компьютер. Повышение быстродействия центральных процессоров и появление специализированных команд для обработки сигналов (MMX) позволяют передать часть функций модемной аппаратуры операционной системе основного компьютера.

Встречаются также три наиболее распространенные разновидности soft-модемов:

- модем без ПЗУ микропрограммы, содержащий только ОЗУ. Микропрограмма в такой модем загружается из файла специальным программным загрузчиком, после чего такой модем вплоть до отключения питания работает, как обычный. Такая конструкция облегчает обновление микропрограмм и исключает полную потерю работоспособности модема с некорректно "перешитым" ПЗУ, однако требует операции первоначальной загрузки микропрограммы, без которой модем неработоспособен.

- модем с упрощенным контроллером, реализующим только протоколы модуляции и установления связи. Коррекция ошибок, сжатие данных и другие сервисные функции выполняются программным обеспечением (драйверами ОС или специализированными связными программами). Такой модем выглядит как обычный, имеет набор команд, однако без внешних сервисных программ неспособен реализовать описанные функции. Частным случаем являются модемы с интерфейсом RPI (Rockwell Protocol Interface - интерфейс протоколов Rockwell), построенные на серии микросхем Rockwell.

- модем без контроллера (controllerless). Такие модемы выпускаются только во внутреннем исполнении, и фактически представляют собой модулятор/демодулятор с "неинтеллектуальным" интерфейсом. Все функции по инициализации такого адаптера и превращению его в привычный интеллектуальный модем с набором AT-команд возлагаются на центральный процессор и драйверы, что создает значительные накладные расходы и требует процессора значительной мощности. Модемы этого типа работоспособны только в среде ОС, в которой установлены их драйверы, в остальных случаях они не имеют никакого смысла. Наиболее известным примером является USR Sрortster WinModem.

Скорость

В зависимости от поддерживаемого протокола возможны следующие скорости установки связи:



Также необходимо учитывать некоторые аспекты, которые сильно влияют на реальные скорости получения и отправки данных.

Компрессия (сжатие) данных включает различные методы, подобные кодированию Хаффмана или групповому кодированию (run length coding). Первый метод использует кодирование часто встречающихся символов короткими последовательностями бит, а редких символов - длинными последовательностями. Во втором методе передается значение бита и длина цепочки одинаковых битов вместо передачи всей цепочки. Главной чертой протоколов компрессии является буферизация данных с последующим их сжатием и передачей другому модему. Получивший сжатые данные модем должен выпонить обратное преобразование. Алгоритмы сжатия данных подобны алгоритмам, используемым программами сжатия ARC, ZIP и ARJ. Код программы компрессии хранится в ПЗУ модема и обеспечивает компрессию в реальном времени. Степень сжатия зависит от характера данных. Например, исполняемые файлы PC могут быть сжаты на 40-50%. Сжатие текстовых файлов может достигать 100% (вдвое).

Протоколы, используемые модемами для передачи файлов. Широко растпространены протоколы передачи файлов Xmodem, Ymodem, Zmodem, в мэйнфреймах используется также протокол Kermit. Протокол Xmodem делит данные на блоки, каждый из которых содержит 128 байт данных и 4-байтовую контрольную сумму. На приемном конце контрольная сумма блока (128 байт) вычисляется заново и сравнивается с полученным в блоке значением. Если суммы не совпадают, запрашивается повторная передача блока. Протокол Ymodem использует блоки длиной 1024 байта с 4-байтовой контрольной суммой. За счет увеличения размера блока протокол Ymodem обеспечивает более быструю передачу. Кроме того, Ymodem обеспечивает пакетную передачу файлов с включением в пакет информации о каждом файле и его размере. Это позволяет пользователю на другом конце линии оценить время, требующееся для передачи файлов. Zmodem является свободно распространяемой (public domain) программой, которую написал Chuck Forsberg (Omen Technology). Этот протокол имеет несколько преимуществ. Размер блока составляет от 16 до 1024 байт протокол динамически определяет оптимальный размер блока в соответствии с качеством линии. Начальный размер блока составляет 1К. При наличии в линии сильных шумов размер блока автоматически уменьшается, при повышении качества связи - увеличивается заново. Скорость передачи растет с увеличением размера блока, но следует помнить, что при возникновении ошибки приходится повторять передачу большого блока. Поскольку протокол может автоматически регулировать размер блока в зависимости от качества линии, он позволяет обеспечить высокую скорость передачи. Протокол Zmodem обеспечивает продолжение передачи файла при обрыве связи с места обрыва. Размер контрольной суммы составляет 8 байт (CRC32), что повышает достоверность контроля ошибок.

Неисправности

Неисправности модемов можно разделить на физические и программные, внешние и внутренние. внешние - такие, как неисправность телефонной сети. Физические тоже можно разделить на внешние и внутренние: плохой контакт разъемов, обрыв провода, отсутствие электроэнергии, выход из строя какого-либо узла или компоненты самого модема, плохое качество связи. К программным я бы отнесла неверные значения имени пользователя или пароля, неверные настройки высокоскоростного подключения PPPoE.

Рассмотрим некоторые типовые ошибки аналогового модема. Очень часто неисправности возникают со стороны телефонной линии, особенно после гроз. В зависимости от применяемой схемы аналоговой части они немного разные. Посмотрев внешне на модем иногда на глаз видны неисправности. Зачастую выходит из строя, особенно в старых моделях, с трансформатором:

o Нагрузочный резистор. Он низкоомный, сопротивление его, как правило, не превышает 5 - 20 Ом.

o Контакты реле, особенно если реле герконовое. Если реле оптоэлектронное то выходит из строя его внутренний полевой транзистор.

o Стабилитрон. Менять его можно, как правило, на любой с напряжением стабилизации около 9 В.

o Защитные элементы.

o Разделительный конденсатор. Особенно часто в старых модемах, которые лет по 10 отработали.

o Конденсаторы в блоке питания. Просто высыхают электролиты от старости. Модем при включении «глючит», от наводок.

В моделях без трансформатора выходят из строя:

· Ключевой транзистор, например в Zyxel 56k, и Courier, их несколько.

· Стабилитрон.

· Защитные элементы.

· Микросхема кодека SI3014, а также ведущая её SI3021.

· Диодный мост. Особенно это касается внутренних модемов 3Com 0766 и других.

· Микросхема(мы) порта 232.

Вот эти неисправности применимы для всех типов модемов. Для конкретных видов написано на других страницах.



Ошибки, возникающие при создании подключений удаленного доступа и VPN-подключения

· Ошибки 600, 601, 603, 606, 607, 610, 613, 614, 616, 618, 632, 637, 645 - произошла внутренняя ошибка Windows.

· Ошибки 604, 605, 608, 609, 615, 620 - файл телефонной книги подсистемы удаленного доступа Windows и текущая конфигурация Удаленного Доступа к Сети несовместимы друг с другом.

· Ошибка 611, 612 - внутренняя конфигурация сети Windows некорректно настроена.

· Ошибка 617 - Windows находится в процессе подключения к Интернету, либо произошла внутренняя ошибка Windows

· Ошибка 629 -VPN соединение было разорвано по причине плохого качества связи либо после неудачного согласования.

· Ошибка 642 - вашему компьютеру присвоено имя NetBIOS, уже используемое в сети.

· Ошибка 678 - отсутствует отклик от VPN (PPPoE) сервера.

· Ошибка 619 - не удается подключиться к удаленному компьютеру, поэтому порт подключения закрыт.

· Ошибка 633 - модем уже используется, или не настроен для исходящих подключений удаленного доступа.

· Ошибка 635 - произошла неизвестная ошибка. Эта ошибка возникает из-за проблем VPN-клиента на компьютере он или испорчен или установлен неправильно. Как правило, такая проблема может возникнуть на старых ОС Windows 95/98.

· Ошибка 650 - сервер удаленного доступа не отвечает.

· VPN-сервер доступа в Интернет не отвечает.

· Ошибка 678/815 (Vista) - удаленный компьютер не отвечает

· Ошибка 691 - ошибка на стадии авторизации.

· Ошибка 721 - Сервер VPN не отвечает на запросы.

· Ошибка 735 - Неправильно настроено VPN соединение.

· Ошибка 743 - неверно настроены параметры шифрования.

· Ошибка 769 - отсутствует отклик от VPN (PPPoE) сервера.

· Ошибка 789 -выбран неверный тип VPN соединения

· Ошибка 797 -в настройках компьютера указано уже использующееся имя

· Ошибка 718 - истекло время ожидания допустимого отклика с удаленного компьютера.Некорректно настроено подключение для доступа в Интернет.

· Ошибка 734 - проблемы с настройкой PPP соединения.

· Ошибка 733 - этот компьютер и удаленный компьютер не смогли согласовать протоколы управления PPP.

· Ошибка 734 - протокол управления РРР - связью был прерван.

· Ошибка 735 - запрошенный адрес был отвергнут сервером.

· Ошибка 741, 742 - Локальный компьютер не поддерживает требуемый тип шифрования данных. (Удаленный компьютер не поддерживает требуемый тип шифрования данных). Ошибка 741, 742 означает, что соединение с сервером авторизации не установлено по причине несоответствия уровней шифрования на компьютере и сервером авторизации.

· Ошибка 769/814 (Vista) - указанное назначение недостижимо.

· Ошибка 789 - попытка L2ТР-подключения не удалась из-за ошибки, произошедшей на уровне безопасности во время согласований с удаленным компьютером.

· Ошибка 797 - подключение к удаленному компьютеру не удалось установить из-за того, что модем не найден или занят

· Ошибка 800 - отсутствие и/или проблемы сети. Проблемы, как на стороне провайдера, так и у клиента.

· Ошибка 652 - не удалось подключиться к сети из-за существования совпадающих имен.

Коррекция ошибок

Практически все протоколы коррекции ошибок основаны на повторении передачи ошибочного блока (кадра) по запросу от принимающего модема. Каждый блок снабжается контрольной суммой, которая проверяется на приемном конце, и блок не отдается потребителю до тех пор, пока не будет принят в правильном виде. Это порождает возможные задержки передачи, однако практически гарантирует безошибочную передачу данных без дополнительного контроля более высокого уровня.

Для увеличения эффективности передачи протоколы коррекции устанавливают соединение в синхронном режиме, в котором передаваемые по физическому каналу биты уже не делятся на байты, а оформляются в пакеты большего размера. За счет этого одна и та же пара модемов по чистому качественному каналу на протоколах с коррекцией чаще всего передает данные быстрее, нежели на низкоуровневых асинхронных протоколах без коррекции.

Наиболее распространенные протоколы коррекции - MNP (Microcom Networking Protocol) уровня 4 (MNP4), введенный фирмой Microcom и ставший стандартом де-факто, и включающий его более поздний V.42, называемый также LAP-M (Link Access Procedure - Modems), введенный ITU-T. Последний более эффективен, поэтому при установлении связи модемы в первую очередь пытаются использовать V.42, а при неудаче - MNP4.

И в MNP4, и в V.42 отвергание (reject) принимающим модемом ошибочного кадра может быть как индивидуальным, так и включать в себя все последующие кадры, которые к этому моменту успел передать удаленный модем. Чаще всего реализуется вторая схема, как более простая, однако в ряде моделей используется выборочный повтор кадров - Selective Reject (SREJ), заметно повышающий скорость передачи на каналах с частыми ошибками связи. Еще более позднее расширение MNP уровня 10 ориентировано на каналы с быстро меняющимися параметрами (радиочастотные, сотовые) и оптимизировано для снижения потерь от таких изменений.

Кроме исправления ошибок, протоколы коррекции могут передавать ряд служебных сообщений между модемами. В основном используется два типа таких сообщений - сигнал временного перерыва в передаче (Breаk), передаваемый между компьютером и модемом в виде длинной серии без стопового бита в конце, и сигнал разрыва связи (Link Disconnect), передаваемый одним модемом другому при прекращении связи (многократная неудача приема блока, падение DTR, команда ATH и ей подобные). Первое сообщение позволяет передавать между компьютерами "не символьный" сигнал, который часто называется сигналом типа "внимание", а второе - облегчить и ускорить процедуру разрыва связи, чтобы удаленный модем не пытался ее восстановить.

...