МОДЕМИ
Модеми, същност, предназначение, параметри и възможности.
Видове модеми според вида синхронизация, типа на модулация, конструктивното изпълнение.
Стандарти ITU / CCITT и интерфейса RS232C и UART.
Целта на настоящия урок е да се запознаете с още едно комуникационно устройство – модема, с неговата същност, възможности, видове и стандарти, по които работи.
Същност и предназначение
Модемът (МОдулатор/ДЕМодулатор) е специализирано комуникационно устройство, което служи за предаване на цифрови данни през аналогови (най-често телефонни) мрежи. Модемите се използват главно за отдалечен достъп на единични потребители или групи потребители до локални или глобални компютърни мрежи. Например, в локалните мрежи отдалеченият достъп се контролира от специален RAS-сървър (Remote Access Server), който осигурява едновременно включване на множество отдалечени потребители към локалната мрежа.
Когато даден потребител поиска да осъществи отдалечен достъп до своята LAN-мрежа чрез Internet, той трябва да използва протокола РРР (Pomt-to-Point Protocol), който позволява капсулация на блоковете информация на множество мрежови, протоколи (IP, IPX, NetBEUI и др.), давайки им възможност да бъдат пренесени като през тунел по Internet (или всяка друга TCP/IP-мрежа) .
По принцип, модемите могат да се използват и за пряка комуникация между две устройства (например, компютри), които не са част от никакви компютърни мрежи.
С навлизане на цифровите мрежи модемите се заменят с цифрови контролери (адаптери).
Модемите работят в два режима:
· команден - при който модемът получава и изпълнява команди от крайното DTE-устройство1(Data terminal equipment (DTE) е интерфейс, който превръща потребителската информация в сигнали или сигналите в потребителска информация.) - компютъра
· предаване - при който модемът преобразува информацията и я предава по линията.
Преминаването от команден режим в режим на предаване става чрез добавяне на специална команда. Проблемно е обратното превключване, като най-често използваният метод е чрез защитен период (кратък интервал от 1 секунда) и предаване на три знака „+” в качеството на команда (патент на фирма Hayes Microcomputer Products).
Устройство на модемите
Модемите се състоят от следните пет главни елемента:
DTE интерфейс; микроконтролер; модулатор/демодулатор; потребителски интерфейс; линиен интерфейс.
· DTE-интерфейс - Това са средствата за свързване на модема с крайното DTE-устройство (компютър, терминал, хост, мост, маршрутизатор). Ако модемът е външен, то той заема един от серийните (СОМ) портове на компютъра. Сред най-известните стандарти за DTE-DCE интерфейси са: RS-232C/V.24, RS-422/V.36, RS-485, RS-530, Х.21, V..35, G.703 и др.
· Микроконтролерът анализира входящия поток от битове, компресира го, извършва шумоустойчиво кодиране на данните с цел откриване и/или коригиране на грешки, възникнали при предаването им. При приемане на данни микроконтролерът изпълнява същите функции в обратен ред.
· Модулатор/демодулатор - преобразува постояннотоковите импулси, идващи от контролера, в аналогови сигнали, съвместими с телефонната мрежа.
· Потребителски интерфейс - средства за взаимодействие на потребителя с модема: говорител, светлинен или течнокристален дисплей, индикаторни светодиоди и др. Всички те предлагат различни степени за настройка и диагностика на модема, параметрите на комуникационната, за отдалечено конфигуриране на модема и др.
· Линиен интерфейс - средствата за свързване на модема с комуникационната линия. Линийният интерфейс усилва сигнала до ниво, съответстващо на телефонните сигнали, предпазва модема от високи напрежения в линията и др.
Интерфейс RS-232C и UART
Ще разгледаме най-разпространения интерфейс за свързване на модем със сериен порт на персонален компютър, а именно - стандарта RS-232C/V.24. При него всички битове сьс стойност „единица” се изпращат по линията, свързваща компютъра с модема, като отрицателни импулси, а битовете със стойност „нула” се предават като липса на импулс. Разстоянието по свързващия кабел между компютъра и модема е ограничено до 15 м. Освен това, максималната скорост на предаване през серийните портове на персоналните компютри е ограничена на 38400 b/s.
Данните се разделят на отделни блокове (думи) с дължина от 5 до 8 бита (най-често 7 или 8). След това, към всяка дума отпред се добавя един импулс с двойна ширина, наречен стартов бит за означаване началото на думата. След всяка дума се добавят един или два стоп-бита за означаване на нейния край. Освен това, към всяка дума се добавя по един контролен бит (parity bit) за проверка и откриване на грешки, възникнали в думата при предаването й.
При свързване на модем към сериен порт на компютър е необходимо да се извърши конфигуриране на характеристиките на порта и модема. За целта чрез съответното програмно средство на операционната система на компютъра, се установяват стойности за: скоростта на предаване, брой на информационните и стоп-бнтовете, вид на използваната проверка, наличие (хардуерно или софтуерно) или отсъствие на протокол за управление на потока данни (flow control), номер на използвания СОМ порт и др.
UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – универсален асинхронен приемник/предавател) е устройство, което преобразува данните от паралелна в серийна (последователна) форма и обратно. Обикновено се използва във връзка със стандартите RS-232, RS-422 или RS-485 и комуникации през серийния порт.
Вътрешните модеми, които се поставят в слот на дънната платка, трябва да включват UART функция.
Видове модеми
Според вида на използваните линии
· модеми за комутируеми линии (dial-up модеми). При тях комуникационен канал между двата модема се изгражда чрез набиране на съответен номер само при необходимост от предаване на данни. Следователно на телекомуникационната компания, осигуряваща канала, се плаща само при установена връзка с другия модем. Използва се двупроводна линия. Препоръчват се при по-малък трафик.
· модеми за арендувани линии. Непрекъснато включени към предварително прокарана линия (т.е. изграден канал) между тях, за която се плаща месечен наем на телекомуникационната компания, от която е наета. Тези модеми използват 2-проводна, 4-проводна (dual duplex) или 6- проводна линия. При използване на 4-проводна линия много често каналите за предаване и приемане са физически отделени един от друг, т.е едната двойки (чифт) проводници се използва за предаване, а другата - за приемане. Ако връзката на едната двойка се прекъсне, то комуникацията може да продължи (в двете посоки) с използване само на другата двойка. Освен това може да се използва и резервна комутируема линия в случай на авария или прекалено спадане на скоростта на предаване по наетата линия. В този случай модемът автоматични превключва от наетата към комутируемата линия, а при възстановяване на нормалните условия на работа - превключва автоматично обратно. При използване на наети линии се постига по-високо качество на връзката и по-високи скорости на предаване, тъй като линиите, които се наемат са с по-добри качество (за целта те се подбират чрез предварително измерване на параметрите им).
Важен подклас на модемите за арендувани линии са xDSL модемите.
Те могат да бъдат следните видове:
· HDSL (High bit-rate Digital Subscriber Line). могат да пренасят цифрови данни с висока скорост (до 2 Mb/s и повече) в режим на пълен дуплекс на разстояния до няколко километра, използвайки обикновени телефонни линии (2 или 3 усукани двойки медни проводници с диаметър 0,5 mm).
· ADSL (Asymmetrical DSL) - асиметрични модеми, осигуряващи скорост до 8 Mb/s в едната посока (обикновено при download от мрежата към потребителя) и до 1 Mb/s в другата посока (при upioad от потребителя към мрежата);
· RADSL (Rate-Adaptive DSL) - с настройване на скоростта;
· SDSL (Symmetrical DSL) - симетрични DSL модеми,
· VDSL (Very high bit-rate DSL) - високоскоростни DSL модеми (осигуряват скорости до 70 Mb/s, но на малки разстояния).
В зависимост от режима на работа
· модеми с асинхронен режим на работа - данните се разделят предварително на отделни блокове с определена дължина. Всеки блок има начално и крайно поле за означаване на границите му. Блоковете се предават един след друг, като за всеки от тях. приемащият модем извършва проверка за грешки и при констатиране на такива изпраща към предаващия модем заявка за повторно предаване на съответния блок;
· модеми със синхронен режиен на работа. При синхронния режим модемите в двата края на канала са синхронизирани по време, като работят на една и съща честота и се поддържат непрекъснато в правилна фазова зависимост. Специални знаци се използват за . начало на синхронизацията и за периодична проверка на валидността й. По принцип, тези комуникации са по-бързи от асинхронните, защото при тях липсват началните и крайните полета на блоковете, които съдържат различна служебна информация. Затова в синхронен режим работят високоскоростните стандарти и протоколи за предаване чрез модеми, а също и модемите за арендувани линии.
В зависимост от режима на предаване и приемане модемите сa:
- пълнодуплексни, полудуплексни и симплексни модеми:
· пълнодуплексни (Full-Duplex) модеми - могат във всеки момент да предават и приемат информация едновременно. Към гази група спадат повечето съвременни модеми. Разновидност на пълнодуплексните модеми са асиметричните модеми (например, ADSL модемите), които работят в т.нар. статистически дуплекс. При тях честотната лента на канала също се разделя на две, но не еднакви части. По-голямата честотна лента (високоскоростен канал) се предоставя на посоката, която е по-натоварена, а по-тясната лента (нискоскоростен канал) -на обратната посока. · полудуплексни (Half-Duplex) модеми - не могат едновременно да предават и приемат, т.е. в даден момент те извършват или само предаване, или само приемане. Те функционират като алтернативно сменят двата режима на работа - предаване и приемане.
· симплексни (Simplex) модеми - конфигурирани или само за предаване, или само за приемане. Например, такива модеми могат да се използват за предаване от разстояние на данни (събрани от датчици) за някакъв технологичен процес (ядрена реакция или термохимичен процес), опасен за пребиваването на хора.
В зависимост от разположението на модемите:
· външни модеми - отделно устройство, включено към един от серийните портове на компютъра. Те струват по принцип по-скъпо от вътрешните модеми, но от друга страна, могат да се изключват (рестартират) независимо от компютъра, ако се наложи прекъсване на връзката или пренастройване на параметрите й. Освен това могат лесно да бъдат преместени при необходимост от една компютърна система на друга.
· вътрешни модеми – реализират се като разширителни карти или PC card. Удобството им е, че не заемат място върху бюрото, липсват кабели и конектори, не изискват контакт за захранване и не заемат сериен порт.
По начина на свързване на модемите
· модеми с модулно свързване, които се включват чрез конектор (RJ-11) директно към телефонната линия,
· модеми с акустичен съединител (адаптер), който представлява две гумени чашки, в които се поставя слушалката на телефон.
Международни стандарти за модеми
Основните международни стандарти за модеми са:
MNP-стандартите на фирмата Microcom, стандартите на Международния телекомуникационен съюз (ITU) и американските стандарти Bell. Ще разгледаме първите две групи.
MNP-стандарти за модеми
Това са стандарти, създадени от фирмата Microcom (MNP - Microcom Networking Protocol), които са реализирани хардуерно. MNP-стандартите определят главно технологии за компресия и откриване и/или корекция на грешки при предаването, а не за скорости. MNP-стандартите от клас 1 до клас 4 . се занимават с корекция на грешки и са за свободно ползване (т.е. реализирани са и от други фирми). Класовете от 5 до 10 (без 8, който не съществува) са лицензирани от Microcom и работят върху редица параметри на модемите.
MNP-стандартите използват метода на „плъзгащия се прозорец” за предаване на няколко кадъра един след друг, на които приемащият модем издава групова квитанция. Ако с CRC-кода се установи, че някой кадър съдържа грешки, то обратно се изпраща заявка за повторно предаване на сгрешения кадър, като заедно с него повторно се изпращат и всички останали кадри, предадени след него в прозореца.
ITU-стандарти за модеми
Това са международни стандарти за модеми, предложени от Международния комуникационен съюз (ITU) за предаване на данни по телефонни мрежи. Най-важните от тях са: V.21, V.22, V.22bis, V.23, V.32, V.32bis, V.42, V.42bis, V.90, V.110, V.120, V.150 и др.
Факс-модеми
Почти всеки високоскоростен модем днес има вградени възможности за изпращане и приемане на факсимилни съобщения, т.е. поддържа някой от факс-протоколите V.17, V.27, V.29, V.34.
Факсът е предаване на точно копие (факсимиле) на документ на разстояние по електронен път. Може да се каже, че факсът е телекопир, т.е. получаване на разстояние на ксероксно копие на документ. Може да се използва или отделна факс-машина, състояща се от факс-модем, скенер, принтер и телефонен апарат, или персонален компютър с разширителна платка-факсмодем. При класическите черно-бели факс-машини страницата се сканира с фотодетектор (вътре в машината), като по този начин изображението се разделя на черно-бели точки (пиксели) с определена разделителна способност, например, 720x360 dpi (dots per inch), т.е. 720 точки на инч хоризонтално и 360 точки - вертикално. Резултатът е непрекъснат поток от нули и единици, съответстващи на белите и черните образци. След това този поток се преобразува в серия от модулирани сигнали за предаване по телефонната линия. В другия край на линията се извършват обратните преобразувания и принтерът отпечатва копието посредством лазерна, термична или струйна техника.
Компютърно базираната факс-система може да обезсмисли хартията, тъй като факс-софтуерът преобразува електронните образци в стандартен факс-формат. Компютърна факс-система може да се свързва със стандартна факс-машина и да обменя информация с нея. Чрез добавяне на принтер и скенер компютърът може да се превърне в еквивалент на стандартна факс-машина. Компютърната факс-система, обаче, изпреварва отделната факс-машина с възможностите си за управление. Факс-софтуерът може да предава факсимилни съобщения до толкова получатели, колкото могат да се съберат на твърдия диск и да изчаква за предаване нощните часове, когато телефонните тарифи са по-ниски. Освен това съществуват програми, конвертиращи от факс-формат в e-mail формат, и обратно. С тяхна помощ е възможно, например, дадено съобщение, получено по факса, да бъде препратено по електронната поща към потребител, който няма факс-номер.
В локалните компютърни мрежи се използват факс-сървъри, които премахват необходимостта от собствен факс-модем и телефонна линия за всеки компютър. Изпращането и получаването на факсимилни съобщения навън, към и в самата мрежа се осъществява чрез този сървър.
Цифровите данни могат да бъдат предавани коректно по аналогови телефонни канали, само ако са преобразувани в аналогови, преди въвеждането им в канала, което налага и обратното преобразувание при извеждането им от канала в приемната страна. За тази цел се използуват устройствата, наречени
Съществува голямо разнообразие на модеми по отношение на функциите им. Основните различия са в скоростта на предаване, поддържаните стандарти и във възможността за корекция на грешки и за компресиране на обменяните данни.
Скоростите на обмен, алгоритмите за корекция на грешки и компресиране на данни типично са установени с международни стандарти. Типично използуваните скорости при аналоговите модеми са 1200, 2400, 9600, 14400, 28800, 33,600, 56,600 bps.
За да се използува широкото покритие(свързваемост) на обществената комутируема телефонната мрежа(PSTN - Public Switched Telephone Network), модемът, предназначен за работа с комутируеми линии, трябва да осъществява същите последователности от събития, които се извършват по време на стандартното говорно повикване(voice call). Това означава, че той трябва да може да разбира сигналите за готовност за набиране, да разпознава дали отдалечената линия е свободна или заета и да определя кога да започне предаването на данни. Всичко това трябва да бъде извършено преди компютърът да започне предаване или приемане на данни. И накрая модемът трябва да реши кога и как да приключи повикването.
Модемите се класифицират по следните параметри и характеристики:
1. Според вида на синхронизацията:
- Синхронни - работят в режим на синхронно поблоково предаване и генерират сигнали за синхронизация.
- асинхронни - нискоскоростни
- смесени - работещи както в синхронен, така и в асинхронен режим. Те сами генерират сигнали за синхронизация, като обикновено работят с фиксирана скорост на предаване.
2. Според типа на модулацията:
- модеми с дискретна амплитудна модулация(амплитудна манипулация)
- модеми с дискретна честотна модулация
- модеми с дискретна фазова модулация
- модеми с комбинирани и сложни типове модулации - квадратурна амплитудно, амплитудно-фазова, многократна относителна фазова, Трелис кодиране и др.
3. Според типа на връзката и типа на линията:
- аналогова или цифрова
- двупроводна(двуточкова) или четирипроводна
- точка-точка или многоточкова
- комутируема или некомутируема
- наета или физикална
4. Според поддържаните режими на обмен - дуплекс, полудуплекс, симплекс.
5. Според конструктивното изпълнение - автономни(външни, external), за монтаж в компютър(слотови, вътрешни - internal)), за монтаж в шаси/шкаф(rack mounted), картови - за преносими компютри по стандартите PCMCIA - CARDBUS.
6. Специализирани и комбинирани модеми - радио, факс, мултимедийни модеми, модеми за компютърно-интегрирана(с предаването на данни) телефония и др.
7. Според диапазона -
8. Според интелигентността
short haul,
voice grade, wideband
ISDN
X.21 - цифрови ? за предаване на данни по цифрови телефонни канали?
сателитни
по xDSL технологии
кабелни CATV
Асинхронен модем за работа в комутируеми аналогови телефонни линии.
Типичната честотна характеристика на комутируем телефонен канал е представена идеализирано на фиг.1. Върху нея на фигурата е насложен и честотния план на асинхронен модем с честотна манипулация по стандарта ... . Наличието на защитен сигнализиращ тон за поддръжка на носещата с честота 2600 Hz(guard tone) прави използването на тази честота нежелателно, а липсата на сигнал с тази честота води до често прекъсване на телефонната връзка при влошаване на качеството на линията и увеличаване на затихването и. Това, както и относителната непредсказуемост на честотната характеристика в областта от 2600 до 3000 Hz са довели конструкторите на модеми да използването за предаваните данни на честоти в обхвата от 300 Hz до 2400 Hz.
Фиг.1 Честотен план на V.21 модем -
да се допълнят тоновете и да се сложат надписи - guard, Rx Tx - виж слайда си
от лекциите!
На фиг.2 е илюстриран обмен чрез модеми със скорост 300 Bauds по двупроводна телефонна линия чрез честотно уплътняване, при което се осигурява пълен дуплексен обмен. Чрез опериране в отделни честотни ленти се получават два даннови канала, за двете направления на обмен. Конкретните честоти за нивата MARK и SPACE в двата канала са в съответствие с използвания стандарт. Указаните на чертежа стойности отговарят на препоръка V.21 на CCITT (МККТТ), специфицираща модем, със скорост на обмен 300 bps, с честотна манипулация(FSK - Frequency Shift Keying), работещ в режим пълен дуплекс, за ползване в обществени комутируеми двупроводни аналогови телефонни линии. Модемите на американската компания и телекомуникационен оператор Bell, отговарящи на фирмения стандарт Bell 212 използуват същата модулация и скорост на обмен, но друг честотен план, поради което са несъвместими с модемите по препоръката на CCITT V.21.
Повикващ модем Отговарящ модем
Фиг. 2. Честотен план на V.21 модем -
пълен дуплекс по двупроводна линия с дискретна честотна модулация
Структурната схема на модема е показана на фиг. 3.
Фиг. 3. Структурна схема на V.21 модем
Изпращаните данни се подават на входа на честотно модулиран осцилатор. Неговата изходна честота се променя дискретно(манипулира) в съответствие с входните данни между честотите, съответствуващи на предаване на състоянията (MARK/SPACE) по линията. Изходът на осцилатора е включен към входа на лентов филтър за ограничаване честотната лента на осцилатора. (Процесът на непрекъснато изменение на честотата на изходния сигнал от 980 до 1180 Hz [или от 1650 до 1850 Hz] води до получаване на допълнителни честотни съставки в спектъра на изходния сигнал, които трябва да се отстранят и да не се пропускат към телефонната линия.) Изходният лентов филтър е включен към телефонната линия чрез подходящ изходящ разделителен трансформатор.
Приеманият от телефонната линия сигнал преминава през лентов филтър, който намалява страничните шумове и близките предавани сигнали чрез пропускане на честоти в лентата от 1400 до 2000 Hz("повикващ") и 750 до 1350 Hz("отговарящ"). Сигналът от изхода на филтъра се подава към ограничител, който отстранява амплитудните колебания на сигнала. Изходът на ограничителя е свързан към детектор на задръжка, сравняващ сигнала със задържаната му версия и генериращ изходно напрежение пропорционално на честотата на сигнала.
Модемна технология
За да се избегнат грешки, възникващи вследствие на шумовете в линиите, се използват модеми с възможности за корекция на грешките. При асинхронните модеми за двуточкова връзка се осигуряват отделни нискоскоростни теснолентови канали за обратна връзка(обратно сигнализиране) и предаваните данни се съхраняват в буферна памет, докато не се получи потвърждение, че са приети правилно, или до получаване на заявка от приемащия модем за повторно предаване(най-често във вид на негативно потвърждение за приемането). Синхронните модеми, работещи със скорост на обмен от 9600 до 19200 bps, използват "кръстосана модулация" за пряка корекция на грешките. Тази модулация се основава на защитна система с излишък в потока на предаваните данни. Приемащото устройство избира тези данни, които най-точно съответстват на предавания оригинал.
За да се намали скъпоструващото време за използване на каналите за обмен, се прибягва до компресиране на данните. Използват се различни адаптивни алгоритми, чрез които информацията cе сгъстява. Например в поредицата, която трябва да се предаде по линията се търсят дву- или многократно повтарящи се комбинации, които се заменят с броя на повторенията и повтарящата се комбинация, указана еднократно. По този начин по линията реално се предава по-малко информация, но тъй като физическата скорост на обмен е еднаква, независимо дали предаваме компресирани или некомпресирани данни, следва че едно и също количество информация ще се предаде за по-кратко време след подобно предварително съкращаване. В приемната страна данните се възстановяват в първоначалния им вид. Степента на компресирането е в границите от 2 до 3пъти. Например даннов поток със скорост 19200 bit/s при компресиране може да се предава от модем, работещ с физическа скорост 9600 bit/s.
Echo-cancellation - echo-suppression?? локалните модеми за комутируем достъп се свързват към локалната централа на PSTN по двупроводна линия. Там с помощта на хибриден трансформатор двупроводната линия се преобразува в четирипроводна - по една двупроводна линия за предаване и приемане съответно. Хибридният трансформатор свързва(преобразува) дву- и четирипроводните линии и изолира предавания от приемания сигнали в локалния модем. При високоскоростните модеми, такива като V.32 например, в модема се вгражда ехо-подтискащо устройство за допълнителна изолация (развързване) между предавания и приемания сигнали, подобрявайки условията и качеството на приемането[Byte, Nov., 1990, p.356].
Някои характеристики на аналоговите линии за връзка оказват отрицателно въздействие върху работата на модема. Сигналите(съставките на спектъра на реалния сигнал) с различни честоти се разпространяват по линията с различни скорости и амплитудите им затихват по различен начин. Това са т.н. фазови и амплитудни изкривявания, които се избягват чрез съгласуване на стандартните телефонни линии или чрез вграждане в модемите на коректори - изравнители (equalisers) на честотните характеристики - електронни схеми с характеристики, инверсни на съответните характеристики на линията. Действието на един или няколко коректора се състои в подтискане на нежеланите въздействия върху предаваните сигнали. Това се нарича входна корекция. По-използван е начинът за поставяне на коректор между линията и демодулатора - изходна корекция, а в многоточковите линии се използва комбинация от двата типа корекции.
Повечето модеми имат възможност за автоматично превключване на скоростите, за да могат да се адаптират към изискванията на различните системи.
Auto-Dial -
Auto-Answer -
Съществуват синхронни модеми с много кратка задръжка на реверсиране (задръжката между сигнал "заявка за предаване" и "готовност за предаване"). Обикновено те се наричат модеми с бързо запитване.
Short Haul or Limited Distance модеми - модеми за къси разстояния...
Елиминатори на модеми - ...
Null modem - всъщност кабел за връзка между две устройства, оборудвани с RS-232-C интерфейс, разположени наблизко и нямащи нужда от модеми. Тъй като и в двете устройства(компютър, терминал, плотер, принтер и др.) интерфейсът най-често е изведен като за DTE(стандартният случай), се налага кабелът за свързване да е реализиран с кръстосване на линиите си (крос-кабел) за няколко специфични двойки, например TxD(предавани данни, изход, 2 краче на 25-изводния стандартен куплунг) с RxD(приемани данни, вход, 3 краче).
Baseband modems - за къси разстояния по физикални линии; не извършват типичната за модемите модулация, а най-често само формират импулсите(wave shaping) в подходяща за по-далечно и високоскоростно предаване[NCC - p.117]
В зависимост от броя на линиите, които управляват съществуват едновходови и многовходови модеми. В многовходовите са обединени модем и мултиплексор, с канали, уплътнени по време.
Акустични преобразуватели(съгласуватели) -
Модемите, имащи само синхронен режим, работят с 4-проводна двуточкова линия.
Ако искаме да използваме синхронен модем за предаване на данни между устройства, работещи по асинхронен принцип, трябва да използваме асинхронно - синхронен преобразувател. Той се включва към асинхронния интерфейс на устройството и към модема, като събира в буферна памет асинхронните данни, с цел да се премахнат паузите и излишната информация (контролен, старт и стоп битове) и да се отстранят известни разлики в скоростите на синхронното и асинхронно предаване.
Параметри, качества и допълнителни възможности при модемите
· поддържани стандарти
· интерфейси
· линии(наета, комутируема, физикална, двупроводна, четирипроводна)
· параметри на линийните сигналите(предавани и приемани)
· режими на работа -
· синхронен, асинхронен, и двата;
· дуплекс, полудуплекс, симплекс.
· модулации
· скорости
· контрол и корекция на грешки при обмена и компресия на данни - поддръжка на стандартите MNP 4,5(и други нива) и/или V.42, V.42bis; хардуерна или софтуерна реализация на тези протоколи
· система команди за управление (език за управление);
· вътрешна регистрова архитектура
· възможност за автоматично(управляемо от DTE) номеронабиране - импулсно и/или тонално - при модемите, поддържащи комутируем достъп. В някои стари системи се е ползувало отделно автоматично номеранабиращо устройство(ACU - Automatic Calling Unit).
· auto fallback - съгласува скоростите с отдалечения модем чрез автоматично снижаване и проба на всяка нова стандартна скорост, започвайки от максималната; както и при всяко снижаване на качеството на линията(смущения), следейки за него статистически по броя на повторенията поради грешки; при подобряване на качеството се реализира обратната процедура(auto fall forward)
· поддържани преносни(WAN) протоколи - TurboPEP(фирмен протокол на Telebit), HST, V32terbo, Zyxel-Modus
· поддръжка на факс протоколи - G3 Class 1 - 9600 bps или Class 2 - 14400bps
· буфери(памети); памет за определен брой номера на линии и за буфериране на данните; големите буфери позволяват работа по интерфейса DTE-DCE с висока скорост, многократно по-голяма от линейната !!!
· поддържани различни механизми на контрол на потока по интерфейса с DTE - X-on X-off, RTS-CTS
· установявания на параметрите(профили?, конфигурации) и регулировки
· поддържане на мерки за сигурност - автоматично обратно избиране; пароли
· автоматично повторение на избора(Sperre??)
· светодиодни индикатори и дисплей
· наличност на високоговорител
· комплектоване с драйвери и комуникационен софтуер за различни компютърни платформи и среди
· конструктивно изпълнение -
· външен(external)
· платков(слотов) - тип на поддържащата го системна магистрала
· за монтаж в касета(rack mounted)
· PCMCIA картов - за свързване към PCMCIA на преносими компютри
· размери
· тегло
· консумация
· одобрение(сертификация) за работа в обществените мрежи
Интерфейси за модеми
Модемите са устройства, които поддържат два типа интерфейси(Фиг.4) - един към крайното оборудване за данни и един към конкретната съобщителна среда на физическия канал за връзка(аналогова телефонна линия, радиоканал, меден или оптичен кабел и др.). По-долу ще опишем стандартите за интерфейса между модема(DCE - Data Communication Equipment) и терминалното оборудване(DTE- терминал, компютър).
 |
Фиг. 4 Интерфейс DTE-DCE при модемите
Международните стандартизационни организации са установили споразумение по много стандарти(препоръки, спецификации), описващи свързващите интерфейси на модемите с терминално(крайно) оборудване за данни, често използувани и за връзки между разнообразно друго оборудване в телекомуникационната индустрия. Най-често използвани са:
- V.24/V.28 (RS-232-C,D,E) - описват несиметричен интерфейс между ЕИМ и модем, работещи в режим на последователен обмен на двоични данни със скорост на предаване до 20,000 bps. Интерфейсът работи в асинхронен и синхронен режими, а дължината на кабела е ограничена до 50 фута(около 15m). Стандартът RS-232-C е еквивалентен на:
- V.24 - по описание на веригите за обмен(именувани като линии от серия 100);
- V.28 - по характеристиките на електрическите сигнали;
- описанието на 25 контактен съединител между модем и ЕИМ - по механични характеристики.
Основната разлика между стандартите V.24 и RS-232-C се състои в това, че EIA RS-232-C ... дефинира и автоматично повикващо устройство, което позволява на ЕИМ, използвайки номера на абоната, да установи връзка чрез комутируемата телефонна мрежа. Интерфейсът, определен от препоръката V.25, известен още като линии от "серията 200" (RS-366-A), се използва само за установяването на връзката и за разединяването и.
ЕИМ набира телефонен номер, като изпраща по интерфейса V.25 една след друга цифрите във вид на четирибитов паралелен код. След като и последната цифра е предадена, ЕИМ изпраща още един 4 битов знак за край на номера (ЕОN). Веднага щом като връзката бъде установена, започва предаването на данните по интерфейса от серия 100.
- V.25 bis - специфицира команден език за управление ? - разпростира се върху оборудването за автоматично повикване и/или отговор, което може да се свързва към обща комутируема телефонна мрежа, използваща веригите за обмен от серия "100"
- RS-449-A - предназначен e за предаване на данни на по-големи разстояния и със скорости, по-високи от тези на интерфейса RS-232-C. Механическите му характеристики са: -37 контактен интерфейсен съединител и допълнителен 9 контактен - за спомагателен кабел.
За разлика от RS-232-C, който включва в себе си електрическа спецификация, RS-449-А се позовава на две отделни спецификации, едната от които определя несиметричен електрически интерфейс - RS-423-А, еквивалентен на Х.26, а другата- RS-422-А, еквивалентна на Х.27, определя симетричен интерфейс. Симетричният съгласуван(натоварени оптимално линии) интерфейс гарантира скорост на обмен до 10 Мbps(1Mbps на разстояние до 100 m).
- X.21 - препоръката се разпростира върху интерфейса между ЕИМ и АПД (апаратура за предаване на данни) за синхронен режим на работа в мрежи за предаване на данни с общо назначение. Електрическите характеристики на Х.21 са доста сложни. Максималната скорост на предаване не се ограничава от електрическите му характеристики, но тя е ограничена от препоръчваните стойности на скоростта за мрежи за предаване на данни с общо ползуване, определени от препоръка Х.1 - 600, 2400, 4800, 9600, 19200, 48000 bps.
- X.21bis - препоръката
- V.35 - препоръка за работа с аналогови широколентови модеми със скорост 48 Kbps
Стандарти за модеми
- V.21 - асинхронен модел със скорост 200 bps, H/F duplex, PSTN/private
- V.23 - модели със скорост на данните 600/1200 bps.
и други.
- V.22
- V32 - 1984 - 9600 bps
- V32.bis
- V.34 - (V.fast) -1994 -28800 Full Duplex(echo cancellation) - PS?
- V.34bis
- V.FAST;
- Bell стандарти и др. фирмени стандарти
Широколентови модеми във V-серията
[NCC Blackwell -93 Handbook of Data Communications - p.211]
С цел използуването на старите групови канали(12 Frequency Division Multiplexing (FDM - честотно уплътнени) речеви канали), в препоръките V.35, V.36 и V.37 е била специфицирана фамилията от модеми, известни като широколентови(wideband) модеми. Те се използуват основно за синхронен обмен(въпреки че има известни изключения, като например за факс машини) и всичките три позволяват опционален гласов канал върху канала за връзка. Достъпните скорости на обмен варират между трите препоръки: препоръка V.35 специфицира по-високи скорости, стартирайки от 48 Kbps(с опция от 40.8 Kbps); V.36 специфицира по-високи скорости стартирайки от 48 и нараствайки през 56 до 72 kbit/s; 96, 112, 128 и 144 kbit/s са разрешени при V.37. За V.35 и V.36 е специфицирана амплитудна модулация(АМ), а за V.37 - комбинация от АМ и ФМ. Тъй като наличието(гъстотата) на груповите канали силно се стеснява в полза на по-евтините цифрови техники, използуването на широколентовите модеми почти приключва. V.35 се използува от ПТТ за интерфейс към техните 48 К услуги, като например услугата Kilostream на British Telecom(BT).
Частни модемни стандарти
[NCC Blackwell -93 Handbook of Data Communications - p.212]
Въпреки че частно-фирмените решения при модемите често предлагат по-големи възможности, проблемите, свързани с несъвместимостта и с одобрението им при включване към обществени мрежи често клонят към подбиване на въздействието, което те могат да имат върху модемния пазар. Обаче, в няколко изключителни случая, такива технологии са станали толкова популярни, че са получили статут на de facto стандарти. Два важни примера на този феномен са набора инструкции на Hayes за интелигентни модеми и фамилията от мрежови протоколи на фирмата Microcom MNP(Microcom Networking Protocols). Докато Hayes е намерил ниша в разширяващият се PC пазар, и следователно не си съперничи с никоя от областите на работа на CCITT(с изключение на възможностите за номеронабиране), изпитвайки малко съперничество, Microcom, макар спечелил на старта, в смисъл на възприемането му от пазара, използува в аванс работа, която трябваше да бъде свършена от CCITT, което прави случая политически много по-чувствителен.
Водещи световни производители на модеми
Telebit Inc. IBM
Boca Research Digital
US Robotics Bell
Hayes AT&T
Racal-Data
Datatech
Наборът команди на Hayes
[NCC Blackwell -93 Handbook of Data Communications - pp.212-213]
С настъпването на технологията на персоналните IBM PC съвместими компютри, възможността за евтини, интелигентни машини, които изискват възможности за комуникация стана много по-реална. С повсеместния успех на РСтата беше търсено многообразие от приложения, стимулиращи една нова гъвкавост в модемната технология. Чрез вграждане на микропроцесори в модемите, стана възможно те да отговарят на много и различни условия на работа и така се роди интелигентния модем.
С цел да се осигури на потребителя управление върху свойствата(качествата) на модема, на РСто се инсталира софтуер. При стартирането му става възможно потребителят да издава команди към модема и да осигури работата му по начина, очакван от него. Досега най-популярно и най-широко използувано средство за тази цел е наборът АТ команди на Hayes. Веднъж след като модемът бъде установен в команден режим чрез специална командна последователност(обикновено три символа + , със защитни едносекундни паузи преди и след последователността срещу случайно откриване на такава последователност, което би довело до объркване), инструкциите се изпращат до модема, предшествувани от стринга АТ. Чрез набора АТ команди могат да бъдат променяни режимите на работа на модема. Някои от възможностите са дадени по-долу:
· избиране за /отговаряне на телефонно(PSTN) повикване
· установяване на метода на предаване на модема, дефиниран в съответния стандарт, напр. V.22, V.23 и т.н.
· установяване на синхронен или асинхронен режим на работа
· установяване на използването и вида на контрол на потока, корекция на грешките и компресия
· установяване и избиране на профил(конфигурация, установяване) за работата на модема
Последното качество е полезна възможност, позволяваща на потребителя да установява стартови конфигурации за често използувани приложения, като вероятно видеотексен достъп, и да избира с минимално суетене този профил, когато се налага.
Фирмата Hayes Microcomputer Products е една от първите, която разработи модел с вграден микропроцесор, способeн да отговаря на инструкции от главния компютър и система команди, с която да се изменят параметри или протоколи и да се избират номера, паралелно с извършването на други задачи. Въпреки, че много други компании произвеждат модели с еквивалентни или даже по-добри възможности, моделът Hayes стана неофициален стандарт и много от производителите на модели поставят върху своите продукти надписът "Hayes compatible".
Стандартът регламентира изискванията към програмното осигуряване. То трябва да може да активизира процедури за избиране на номер, свързване, отговор с парола, заявка за специфично обслужване и други.
Почти всички комуникационни софтуерни продукти са съобразени с Hayes de facto стандарта.
Команди на стандарта Hayes
Структурата на програмните команди на стандарта Hayes се основават на "АТ" (attention) инструкциите и "S" - регистрите на модела.
Повечето команди трябва да започват с префикс АТ, като това се използва от модела едновременно и като индикация за следваща инструкция и като репер за автоматично установяване.
АТТ- избиране на номер с бутон
АТР- пулсово избиране. Имитира набиране от телефон с шайба
АТА- повтаря последната команда- често се използва за повторно набиране на номер
ATD- Избиране. Извършва начално установяване на модема за избиране на номер
АТА- модемът преминава в режим отговор и го инструктира да отговори веднага при повикване
АТН- модемът "вдига" слушалката
АТО- връща модема в режим "on line" и други.
&D - За избиране на отговора на модема при получаване на данни.
&J - За избиране на точния телефонен жак.
А - Модемът преминава в режим на отговор.
Н - Модемът "вдига" слушалката.
О - Връща в режим "on line".
По-пълен набор команди и функциите и програмирането на системните S-регистри е дадено в приложение М.
S регистри на Hayes съвместимите модеми
MNP (Microcom Networking Protocols) нива
Level 4 - Error correction(V.42) - ARQ and SPAR ? protocols
Level 5 - Data Compression(V.42bis) - 200%; software, hardware
level 6 -
level 7 -
level 8 -
level 9 -
level 10 -
level 11 -
V.42 V42.bis V.42 LAP-M
CAP-M
Motorola UDS ?
Bell ??
Наборът команди на препоръка V.25bis
команден език DCP - модем Paradyne Compsphere 3810 на AT&T
команден език DMCL - Digital (VMS type)
Модемни протоколи
Най-съвременните и популярни протоколи, използвани при трансфера на
данни, имат възможност за корекция на грешките. Тези протоколи дават възможност за опростяване и улесняване движението на данните, текстовите документи, счетоводните и инженерните данни или дори изпълнение на приложни файлове. Най-използваните такива протоколи са: Xmodem, Ymodem, Zmodem, и Kermit.
Xmodem протокол
Оригиналният Xmodem е създаден през 1977 от един от първите специалисти по протоколите за трансфер на файлове Уард Кристенсен, ето защо някъде може да бъде срещнат и като Кристенсен протокол(Christensen Protocol). Методът, по който е изпълнен, се нарича Xmodem Checksum метод. За да работи този метод, както впрочем и останалите версии на Xmodem, форматът на данните трябва да бъде от 8 бита данни, 1 стоп-бит и без проверка. Версии на Xmodem протокола са Xmodem CRC, 1K Xmodem, който е доста по-бърз от оригиналния.
Xmodem Checksum
Xmodem Checksum изпраща данните в пакети от по 128 байта. Затова 1К файл (1.024 байта) ще бъде предаден в 8 даннови пакета. След като един 128-байтов пакет + 1 начален е предаден, изпращащия компютър предава контролна сума, която той изчислява базирайки се на съдържанието на 128 байтовия пакет. Когато всичките тези данни бъдат приети, приемащия компютър преизчислява контролната сума и сравнява резултата с контролната сума, която е била приета от изпращащия компютър. Ако двете числа съвпадат, се предполага, че пакета, който е бил приет съвпада с пакета, който е бил изпратен. Ако двете контролни суми не съвпадат, приемащият компютър изпраща заявка за повторно изпращане на пакета докато двете контролни суми съвпадат и този метод за корекция на грешките осигурява висока степен на защита, но е възможно някоя грешка да бъде коригирана по причина, че просто не е била уловена.
Xmodem CRC
В опит да се предотврати опасността от неоткриване на грешки оригиналния Xmodem е бил подобрен като 8-битовата контролна сума е била заменена с 16-битов цикличен контрол (CRC). Тази промяна осигурява 99.9984% сигурност за откриване на грешки. При метода с контролна сума е възможно един от 256 невалидни пакета да има валидна контролна сума и това да остане незабелязано. С метода CRC само един от 700 млд. невалидни пакета би могъл да генерира валиден CRC. Методът CRC също предава 128-байтови блокове или пакети от данни. От гледна точка на потребителя и двата метода изглежда да работят идентично.
1K Xmodem
Този метод на Xmodem заменя оригиналните 128-байтови пакети с пакети от по 1024 байта, когато това е възможно. Предполагайки, че не са открити грешки при предаването, този метод на Xmodem увеличава размера на пакета до 1К и поддържа този размер толкова дълго, колкото е възможно. Увеличаването на размера на пакета подобрява скоростта на предаване на файла.
Ymodem протокол
Ymodem е много сходен с протокола 1К Xmode, но с една основна разлика. С Ymodem могат автоматично да се приемат повече файлове за един сеанс. Тази процедура понякога се нарича групово предаване на партида (група) файлове. Ymodem е създаден през 1984/85 от Чък Фореберг, който се е стремил да даде на новия протокол по-добри възможности от тези на Xmodem CRC.
Някои програми, например ProComm погрешно наричат протокола 1К Xmodem Ymodem, а други добавят към името му Batch. Последното название обаче е напълно коректно, тъй като Xmodem и Ymodem Batch са един и същ протокол.
Когато се избират файлове за предаване с Ymodem, на потребителя един прозорец за избор на файлове с много приятен дизайн.
Ymodem е едновременно и коригиращ грешките, и предаващ файловете протокол. Негова разновидност е протокола Ymodem-G. Този протокол е също протокол за предаване на файлове, но осигурява само ограничена корекция на грешките и е направен за използване на модеми, които подсигуряват хардуерна корекция, например модемите включващи MNP (Microcom Networking Protokol) в своите ROM чипове. Така, че Ymodem-G протокола не се препоръчва при липса на хардуер за корекция на грешките.
Друга привлекателна черта на Ymodem протокола е, че файловите атрибути също се предават с данните, така че минимум името на изпращащия файл и евентуално големината на файла и дати на създаване могат да бъдат поддържани от приемащия компютър. Тази информация се предава за всички файлове, предавани един единствен Xmodem групов сеанс. Zmodem Kermit
Съществуват две версии на този протокол: оригинален Kermit и мощния Super Kermit. Kermit е разработен в Колумбийския университет през 1981 и многократно е бил подобряван, докато се достигне до неговото оригинално изпълнение. Бил е създаден за задоволяване на нуждите за трансфер на файлове между няколко компютъра от различен тип, включително големи ЕИМ, мини- и персонални компютри. За разлика от Xmodem и Ymodem, Kermit осигурява трансфер на партида файлове.
Super Kermit е особено полезен, когато се предават данни чрез мрежи за данни като Telenet или Tymnet. Тези мрежи имат голямо комуникационно закъснение, което да понижи значително извършването на трансфера на
файлове. За всеки предаден пакет в трансфера ще бъдат вкарани 2 комуникационни закъснения. Super Kermit разрешава проблема, използувайки прозоречна техника и конвейрно предаване на данни(вж. темата Протоколи на канално ниво). Това довежда до голямо намаление на времезакъснението. Един прозорец може да се състои от 1 до 35 пакета.
В добавка Kermit включва и опростена възможност за компресиране на данните, което също води до увеличаване на скоростта на предаване.