4.3.7. Модемы

Семёнов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ), book.itep.ru

Само название этого прибора происходит от имеющихся в нем модулятора и демодулятора. Современный модем можно отнести к числу устройств с наибольшим числом современных технологий на кубический сантиметр. Разнообразие модемов огромно. Они различаются по конструкции, по используемым протоколам, по характеру интерфейсов и т.д. Основное назначение модема оптимальное преобразование цифрового сигнала в аналоговый для передачи его по каналу связи и, соответственно, обратное преобразование на принимающей стороне. Под “оптимальным преобразованием” понимается такое, которое обеспечивает надежность связи, улучшает отношение сигнал шум и как следствие пропускную способность канала. Это преобразование необходимо для обеспечения улучшения отношения сигнал-шум. В качестве канала передачи данных может быть использована городская телефонная сеть, выделенная линия или радио-канал. Схема взаимодействия модемов показана на рис. 4.3.7.1.

Рис. 4.3.7.1. Схема соединения двух модемов (М1 и М2) через канал

В качестве последовательного интерфейса может выступать RS-232, V.35, G.703 и т.д.. Все модемы содержат в себе управляющий микропроцессор, постоянную память (ROM), куда записано фирменное программное обеспечение и интерпретатор команд, энергонезависимую память (NVRAM - non-volatile RAM), которая хранит конфигурационные профайлы модема, телефонные номера и т.д., буфер ввода/вывода (128-256 байт), сигнальный процессор (DSP), включающий в себя модулятор и демодулятор, интерфейс для связи с ЭВМ (RS-232) и оперативную память.

Первоначально модемы использовались для связи через традиционные коммутируемые телефонные линии. Так как такие линии содержат только два провода, а информационный обмен должен происходить в обоих направлениях одновременно, возникает проблема отделения передаваемого сигнала от приходящего из вне (подавление эхо; см. раздел 2.1). Для выделенных четырехпроводных линий эта проблема значительно упрощается, здесь прием и передача осуществляется по разным скрученным парам и эхо возникает лишь из-за перекрестных наводок (NEXT). Модемы подключаются к последовательным интерфейсам ЭВМ (COM-порт, RS-232), иногда для подключения модема используется специальная плата расширения, которая имеет дополнительные буферы и помогает достичь большего сжатия информации, существуют модемы, подключаемые и к параллельному порту ЭВМ. Модемы (микромодемы) могут работать не только через общедоступную телефонную сеть, они могут найти применение при соединении терминалов или ЭВМ в пределах организации, если расстояние между ними исчисляются сотнями метров (а иногда и километрами). В этом случае они помогают повысить надежность связи и исключить влияние разностей потенциалов между земляными шинами соединяемого оборудования. Микромодемы не требуют подключения к сети переменного тока, так как получают питание через разъем последовательного интерфейса (RS-232).

Все протоколы модемов утверждаются международным телекоммуникационным союзом (ITU), ранее за это был ответственен Консультативный комитет CCITT. Асинхронные модемы поддерживают определенный набор команд, который был впервые применен фирмой hayes в модеме smartmodem 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. Hayes-совместимость гарантирует, что данный модем будет работать со стандартными терминальными программами. Реально набор команд для модемов разных производителей варьируется в широких пределах. Для синхронных модемов набор команд регламентируется стандартом V.25bis. Ниже (таблица 4.3.7.1) приводится перечень стандартных модемных протоколов и стандартов.

Таблица 4.3.7.1. Основные протоколы модемов

Название	Тип модуляции	Назначение протокола
V.21	FSK	Дуплексный модем на 300 бит/с для телефонных сетей общего назначения, используется факс-аппаратами и факс-модемами
V.22	DPSK	Дуплексной модем для работы при скоростях 600/1200бит/с
V.22bis	QAM	Дуплексной модем для работы при скоростях 1200/2400бит/с
V.23	FSK	Асинхронный модем на частоту 600/1200бит/с (сети videotex), несовместим с V.21, V.22 и V.22bis
V.24		Стандарт на схемы сочленения DTE и DCE
V.26		Модем для работы на выделенную линию на частотах 2400/1200бит/с
V.27		Модем для работы на частотах 4800бод/с
V.27bis		Модем для работы на выделенную линию на частотах 2400/4800бит/с
V.27ter	DPSK	Модем с набором телефонного номера на частоту 2400/4800бит/с (fax)
V.29	QAM	Модем на частоту 9600бит/с для 4-проводных выделенных линий (fax)
V.32	QAM tcm	Семейство 2-проводных модемов, работающих на частотах до 9600бит/с
V.32bis	TCM	Модем, работающий на выделенную линию для частот 7200, 12000 и 14400бит/с
V.33	TCM	Модем на частоту 14.4кбит/с для выделенных линий
V.34		Модем на частоту 28.8кбит/с, использован новый протокол установления связи
V.34bis		Модем на частоту 32 кбит/с
V.35		Модем, работающий на выделенную линию с частотами до 9600бит/с
V.42bis		Стандарт для сжатия данных в модемах (4:1)

Начиная с модемов V.32bis, стала использоваться динамическая регулировка скорости в ходе телекоммуникационной сессии в зависимости от состояния линии связи. Качество линии отслеживается по отношению сигнал/шум или по проценту блоков, переданных с ошибкой за определенный период времени.

Важным свойством модемов является возможность коррекции ошибок и сжатия информации. Ошибки корректируются путем повторной пересылки ошибочных блоков (ARQ - automatic repeat request). Ошибки контролируются с использованием CRC (cyclic redundancy check). Этим целям отвечает стандарт V.42, принятый еще в 1988 году, он включает в себя протокол LAPM (link access procedure for modems) и один из протоколов mnp (microcom networking protocol). В V.42 применен алгоритм сжатия информации Lempel-Ziv. При установлении связи между модемами определяется, какой из протоколов коррекции и сжатия они оба поддерживают. Если это V.42, то они сначала пытаются работать с использованием протокола LAPM. При неудаче (один из модемов не поддерживает V.42) используется протокол MNP. Перечисленные ниже алгоритмы коррекции ошибок и сжатия информации работают только для асинхронных модемов. Для синхронных модемов известен алгоритм сжатия SDS (synchronous data compression) фирмы motorola (коэффициент упаковки ~3.5, что для модемов V.34 может довести скорость обмена до 100кбит/с).

Ниже приведена таблица основных протоколов детектирования ошибок и сжатия информации, все протоколы mnp совместимы снизу вверх. При установлении связи между модемами используется наивысший протокол, поддерживаемый с обеих сторон канала.

Таблица 4.3.7.2. Протоколы mnp

MNP-1	Асинхронная полудуплексная передача данных с побайтовой организацией. Эффективность 70% (2400Кбит/с -> 1680Кбит/c).
MNP-2	Асинхронная дуплексная передача данных с побайтовой организацией. Эффективность 84% (2400кбит/с -> 2000кбит/c)
MNP-3	Синхронная дуплексная передача данных с побитовой организацией. Эффективность 108%.
MNP-4	Адаптивная сборка передаваемых блоков (вариация размера блока) и оптимизация фазы. Эффективность 120%
MNP-5	Помимо новшеств MNP-4 применено сжатие данных. Эффективность 200%. Используется только совместно с MNP-2-4
MNP-6	Снабжен адаптивностью скорости передачи, рассчитан на работу до 9.6кбит/с. Имеется возможность автоматического переключения из дуплексного режима в полудуплексный и обратно с учетом ситуации
MNP-7	Усовершенствованный алгоритм сжатия данных. Эффективность до 300%.
MNP-8,9	Еще более мощные алгоритмы сжатия
MNP-10	Протокол, ориентированный на работу в сетях с высоким уровнем шумов (сотовые сети, сельские и междугородние линии), надежность достигается благодаря многократным попыткам установить связь, вариации размера пакета и подстройки скорости передачи

Рис. 4.3.7.2 Схема подключения модема

Модем подключается к ЭВМ (см. рис. 4.3.7.2) через последовательный интерфейс RS-232c (существуют версии модемов, способных работать и с параллельным интерфейсом, который обладает почти в 3 раза большим быстродействием). Ниже в таблице представлена разводка для 9- и 25- контактных разъемов (таблица 4.3.7.3), используемых для последовательных интерфейсов (синхронные модемы используют только 25-контактный разъем).

Таблица 4.3.7.3. Разводка стандартных разъемов модема

Сигнал	Номер контакта (db-9)	Номер контакта (db-25)	Назначение
DCD	1	8	Несущая обнаружена (data carrier detected)
RXD	2	2	Передача данных от DCE к DTE(received data)
TXD	3	3	Передача данных от DTE к DCE(transmit data)
DTR	4	20	Данные для передачи готовы (data transfer ready )
GND	5	7	Земляной контакт
DSR	6	6	Готовность dce к работе (data set ready)
RTS	7	4	Готовность DTE к передаче (request to send)
CTS	8	5	Готовность DCE к передаче (clear to send)
RI	9	22	Индикатор звонка (ring indicator)

В персональных ЭВМ может быть 2 или 4 последовательных портов (интерфейсов), которые имеют логические имена COM1-COM4, им соответствуют следующие прерывания и адреса:

COM1,3	IRQ4	0x3f8
COM2,4	IRQ3	0x2f8

К телефонной сети модем подключается с помощью 6-х контактного разъема RJ11 (используется 4 контакта).

Модем может находиться в режиме данных (режим по умолчанию) и в командном режиме. Последний используется для реконфигурации модема и подготовки его к работе. Реконфигурация и управление возможны из локальной ЭВМ через последовательный порт, с передней панели модема, или при установленной связи через удаленный модем, если такой режим поддерживается. Переключение в командный режим производится с помощью ESC-последовательности (по умолчанию это три символа “+” с предшествующей и последующей секундной паузой).

При использовании большого числа модемов они для удобства обслуживания объединяются в группы (пулы). Модемный пул представляет в себя стандартный каркас, где размещается какое-то количество бескорпусных модемов. На передней панели находится, как правило, только индикация, выходы в телефонную сеть и разъемы последовательного интерфейса подключаются через заднюю панель. Такой пул содержит в себе обычно управляющий процессор. Так как в настоящее время не существует стандартов на организацию модемных пулов, они ориентированы на использование модемов только определенной фирмы. К пулу может подключаться дисплей, который отображает текущее состояние всех модемов. Процессор может контролировать состояние модемов, устанавливать их режим работы, а в некоторых случаях и выполнять функцию маршрутизатора, управляя встроенным многоканальным, последовательным интерфейсом. В последнем случае такой пул подключается непосредственно к локальной сети (например, Ethernet), а не к ЭВМ. Пул позволяет предотвращать “повисание” и отключение телефонных линий, что заметно повышает надежность системы. Некоторые модемы (например, фирмы Penril) имеют независимые узкополосные (~300 бит/с), дополнительные каналы для дистанционного управления. Такие каналы обладают повышенной устойчивостью, что позволяет сохранять целостность системы даже при временных отключеньях электропитания.

Таблица 4.3.7.4. Протоколы передачи файлов

xmodem	Протокол (1977г, В. Кристенсен для ОС CP/M). Алгоритм: принимающая ЭВМ посылает символ NAK (ASCII 021) передающая ЭВМ посылает блок информации принимающая ЭВМ проверяет контрольную сумму и, если все в порядке, посылает код ASCII 06 (ACK), в противном случае NAK далее следует повтор передачи при ошибке или посылка следующего блока данных при успехе. Формат блока данных: номер пакета, 128 байт данных и 2 байта контрольной суммы. В Xmodem на принимающей стороне приходится вручную указывать имя файла
Kermit	Наиболее распространенный протокол, использующий блоки переменной длины с максимальным размером 94 байта (программы написаны на Си или ФОРТРАН). Является пакетным протоколом, позволяя пересылать за один раз несколько файлов, для повышения эффективности пересылки использует предварительную архивацию и коррекцию ошибок (Колумбийский университет, 1981г.).
Modem7	Усовершенствованная версия xmodem для работы по коммутируемым телефонным каналам (передается имя файла).
Xmodem/1024	Разновидность Xmodem с размером блока данных 1024 байта.
Xmodem/CRC	Разновидность xmodem, использующая 16 битовую crc.
Telink	Передается кроме имени файла, дата, время, можно передать несколько файлов за одну сессию.

Практически все выше перечисленные протоколы устарели.

Ymodem	Протокол использует CRC-16, передает имена файлов, размер, дату создания и время, в зависимости от условий передачи размер блока варьируется от 128 до 1024 байт (Чак Форсберг, 1984-85).
Sealink	Модификация протокола ymodem.
Zmodem	Протокол использует CRC-32 (или CRC-16), динамическое изменение размера блока (32-1024 байта), автоматический выбор протокола обмена, сжатие файлов при пересылке, возобновление передачи с прерванного места в случае разрыва связи. На сегодня это самый совершенный протокол.

Передача файлов возможна с использованием терминальной программы, это особенно полезно для удаленных терминалов, не поддерживающих протоколы TCP/IP. Терминальные программы используют один из перечисленных выше протоколов, например, Zmodem. В качестве терминальной программы можно воспользоваться одной из: Term95 (Norton commander 5.0), Bitcom, Teleview, Telix, procomm plus (для DOS и Windows), Mtez, MTE, Zstem-240, Pctalk, Crosstalk (эта и следующие для Windows), Dataline, Hyperaccess.

Чтобы обеспечить безопасность и исключить несанкционированный доступ к сети, можно воспользоваться методом “обратного телефонного вызова”, некоторые модемы реализуют его аппаратно. Метод предполагает, что после установления связи и проверки авторизации связь прерывается, а входной модем сети производит набор номера клиента, который хранится в памяти, и устанавливает связь повторно. Такая схема исключает передачу входного пароля друзьям или знакомым, так как это становится бессмысленным - модем будет пытаться установить связь по номеру вашего домашнего телефона.

Модемы обычно имеют дисплей, который позволяет контролировать работу этого прибора. Модемы разных производителей имеют различные типы дисплеев, ниже приведен список наиболее часто встречающихся индикаторов.

MR	Модем включен и готов к работе (modem ready);
TR	“Терминал готов” (terminal ready) - включается, когда модем обнаруживает сигнал tdr (data terminal ready), передаваемый вашим программным обеспечением;
HS	Индикатор включается, когда модем работает на максимальной для него скорости (high speed).
CD	Обнаружен несущий сигнал (carrier detected), гаснет лишь тогда, когда "партнер положит трубку";
AA	Модем включен в режим авто-ответа (auto answer);
OH	Модем занял линию - “трубка снята” (off-hook);
RD	Индикатор мигает (receive data), когда ЭВМ принимает данные из своего модема.
SD	Индикатор (send data) мигает при передаче данных из ЭВМ в модем.
RL	Индикатор (reliable link) указывает на то, что модем договорился с партнером о типе протокола MNP.
RD	Принимаются данные (receive data). Индикатор мигает при передаче данных в ЭВМ.
TS	Модем находится в режиме самотестирования.
PWR	Включено питание модема.

В современных ЭВМ имеется возможность совместить функции модема и факс-аппарата. Для решения этой задачи используются так называемые факс-модемы. Эти приборы работают в полудуплексном режиме. Ниже перечислены протоколы, используемые в этих аппаратах (кроме протоколов передачи данных факс-модемы поддерживают стандарты T.4 и T.30):

V.17	9.6 или 14.4 Кбит/с
V.21	200 бит/с (используется только на этапе установления связи)
V.27ter	2.4 или 4.8 Кбит/с
V.29	7.2 или 9.6 Кбит/с
V.527ter	2400 или 4800 бит/с

Для обеспечения работы факс-модема пригодны программы: Bitfax, Winfax, Quicklink или любая другая, поставляемая вместе с приобретенным вами модемом. Следует иметь в виду, что для пересылки через факс-модем традиционного документа, подготовленного на типографском бланке, написанного от руки и т.д., вам потребуется сканнер. В перспективе факс-технология будет вытеснена электронной почтой, которая эффективнее и, при необходимости, может обеспечить большую безопасность.

В настоящее время технология модемов продолжает развиваться, появились и активно внедряются кабельные модемы, много усилий тратится на развитие ADSL (см. http://www.adsl.com/general_tutorial.html (asymmetric digital subscriber line), SDSL (single line digital subscriber line), hdsl (high data rate digital subscriber line), VDSL (very high data rate digital subscriber line) и некоторых других технологий, связанных с передачей мультимедиа данных. (См. XDSL. atg’s communications & networking technology guide series. pairgain, copperoptics company; http://www.techguide.com/). Эти технологии предназначены для обеспечения широкополосного канала между провайдером и конечным пользователем (проблема последней мили). [Должен заметить, что миля мера иностранная и российским 1,853 км, если речь идет о телефонных кабелях, не соответствует. Провода у нас другого качества и наша миля как бы длиннее, если судить по искажениям сигнала и шумам]. Здесь используются три метода модуляции (2B1Q, CAP и DMT). ADSL позволяет приспособить обычные телефонные линии для мультимедийных приложений и для высокоскоростной передачи данных (до 6 Мбит/с). Два ADSL-модема, соединенные скрученной парой проводов образуют три информационных канала: скоростной однонаправленный (нисходящий) канал (1,5-6,1 Мбит/с), среднескоростной дуплексный канал (16-640 Кбит/с) и POTS-канал (plain old telephone service). POTS сохраняет работоспособность даже при отказе ADSL. Каждый из этих каналов может мультиплексироваться, образуя каналы меньшего быстродействия. ADSL-модемы могут работать и с ATM-сетями, но следует учитывать их принципиальную асимметричность – передача в одном направлении и в другом имеет разную скорость. Для передачи данных в сети Интернет это не удобно. Но для транспортировки телевизионного сигнала такая схема представляется вполне эффективной.

Для провода длиной 5,5 км при диаметре сечения 0,5 мм (стандартные условия для isdn) пропускная способность составляет 1,5 - 2,0 Мбит/с (верхний край полосы пропускания около 1 МГц). При организации дуплексного канала весь частотный диапазон делится пополам и одна из частей используется для передачи данных в одном направлении, другая - в противоположном. Каждый из частотных диапазонов в свою очередь делится на части и для каждой из них используется техника эхо-подавления. Для POTS-канала выделяется 4 кГц в низкочастотной части диапазона.

HDSL представляет собой способ передачи потоков T1 или E1 по скрученным парам проводов с использованием улучшенной техники модуляции (для передачи 1,544-2,048 Мбит/с достаточно полосы 80-240 кГц). SDSL представляет собой версию HDSL с одной скрученной парой. Ниже в таблице 4.3.7.5 приведены сравнительные данные для различных систем передачи информации.

Таблица 4.3.7.5. Свойства различных систем (модемов) передачи информации.

Название	Расшифровка	Длина канала при 24 awg (0,5мм)	Быстродействие	Применение
V.22 V.32 V.34	Модемы голосового диапазона	12 км	1200 бит/c 28800 бит/c	Передача данных
DSL	digital subscriber line	5,4 км	160 Кбит/с	Услуги ISDN, передача данных и голоса
HDSL	high data rate digital subscriber line	3,6 км	1,544 Мбит/с 2,048 Мбит/с	t1/e1 каналы, локальные и региональные сети.
SDSL	single line digital subscriber line	-	1,544 Мбит/с 2,048 Мбит/с	t1/e1 каналы, локальные и региональные сети
ADSL	asymmetric digital subscriber line	3,6/5,4 км	1,5-9 Мбит/с или 16-640 Кбит/c	Доступ к Интернет, видео, интерактивное мультимедиа.
VDSL	very high data rate digital subscriber line	-	13-52 Мбит/с или 1,5-2,3 Мбит/с	То же, что и ADSL плюс HDTV

Верхние значения в третей колонке для ADSL и VDSL соответствуют нисходящему (асимметричный канал) и дуплексному потокам. HDTV - телевидение высокого разрешения.

Рис. 4.3.7.3. Ограничения пропускной способности для разных типов канала

DSL представляет собой канал ISDN-BRI (Basic Rate Interface; 2*64 + 16 Кбит/c), совместимый с POTS, ISDN и DDS. На рис. 4.3.7.3 показаны области применимости различных канальных технологий.

• Для 5 Мбит/с при симметричной нагрузке можно работать до расстояний 1500 м (VDSL).

• Для 10 Мбит/с при симметричной нагрузке можно работать до расстояний 1200 м.

• Для 15 Мбит/с при симметричной нагрузке можно работать до расстояний 1000 м.

Метод модуляции 2B1Q характеризуется четырьмя уровнями амплитудной модуляции (4-PAM; +3, +1, -1 и -3). CAP-модуляция (Carrierless Amplitude and Phase) характеризуется четырьмя уровнями амплитуды и четырьмя фиксированными значениями фазы, что дает в плоскости амплитуда-фаза 16 независимых состояний. DTM-модуляция (Discrete Multi-tone) предполагает использование нескольких смежных, узких частотных диапазонов. На рис. 4.3.7.2 показана схема подключения оборудования ADSL для различных оконечных терминалов.

Рис. 4.3.7.4. Схема подключения оборудования ADSL (IF – ADSL/Ethernet интерфейс)

В качестве внешней сети на рис. 4.3.7.4 может использоваться практически любая достаточно быстродействующая среда, например ATM. Выбор того или иного внешнего канала зависит от стоящей задачи. Так файл размером 30 Кбайт (среднего размера электронное сообщение) будет передан через модем V.34 за 8,3 сек, по каналу ISDN – за 1,9 сек, по каналу HDSL – за 0,16 сек, а по каналу VDSL – быстрее 0,04 сек. В большинстве случаев вполне приемлемым можно считать уже первые два варианта. Деловой электронный документ имеет размер порядка 250 Кбайт. Здесь для пересылки его указанными способами потребуется уже, соответственно: 69,4; 15,6; 1,3 и 0,3 секунды. Более чем минутное время доставки (в реальности это обычно больше) в некоторых случаях не будет признано удовлетворительным. Время пересылки рентгенограммы (~5 Мбайт) будет пропорционально больше (23 мин, 5,2 мин, 26 сек и 6,5 сек). Считается, что приемлемым временем отклика на команду следует считать 3 секунды, а до 80% трафика локальной сети составляет внешний поток данных. Если же стоит задача организации видеоконференции (384 Кбит/с), то решение проблемы возможно уже только с использованием каналов xDSL. Учитывая стремительный рост потребной пропускной способности каналов, не трудно предсказать перспективность внедрения технологии xDSL.

Пример использования модема ADSL для подключения телевизора и модема к широкополосному каналу представлен на рис. 4.3.7.5. Управляющий канал на 16 кбит/с может использоваться для целей интерактивного телевидения (смотри раздел "Методы преобразования и передачи изображения").

Рис. 4.3.7.5. Схема подключения телевизора и телефона через модем ADSL

Назад: 4.3.6. Синхронные каналы SDH/SONET
Оглавление: Телекоммуникационные технологии
Вперёд: 4.4. Интернет