5.4. Способы доступа к сетям передачи данных

5.4.1. Общие положения

Постоянная потребность пользователей в широкополосных услугах связи и качественной передаче данных обуславливает необходимость организации высокоскоростных каналов связи как на участке от абонента к глобальной сети, так и между абонентами.

Наиболее остро проблема широкополосных услуг стоит на абонентских линиях в сетях доступа, так называемая проблема «последней мили». Сегодня очень широко для решения этой задачи используются модемы, которые обеспечивают передачу данных по стандартному аналоговому телефонному каналу. Такой модем преобразует цифровой сигнал, который поступает от оконечного оборудования данных (ПК, маршрутизатор или другое устройство) в аналоговый сигнал, приемлемый для передачи в частотном диапазоне телефонного канала (канала тональной частоты). Однако характеристики существующих каналов связи, в частности тех, которые построены с использованием медных кабелей, не обеспечивают доступ абонентов к отдаленным серверам на необходимых скоростях и расстояниях. Такие линии связи имеют большое километрическое затухание, подвержены влиянию импульсных и сосредоточенных по спектру помех. В результате снижается пропускная способность канала и достоверность передачи информации.

Существует несколько вариантов выхода из сложившейся ситуации. Первый вариант — организация беспроводного радиодоступа, который может быть оперативно развернут и обеспечит высокое качество связи, однако он потребует большего внимания в процессе эксплуатации. Второй вариант — замена медных абонентских линий на ВОЛС и использование коаксиальных и гибридных сетей. Этот вариант требует больших капиталовложений и значительных временных затрат на развертывание сети. Третий вариант — использование модемов для физических линий, которые позволяют организовать высокоскоростные каналы на медных линиях городской телефонной сети. Такие модемы, в отличие от модемов для телефонных линий, не ограничиваются для передачи информации только спектром КТЧ. Они используют всю возможную пропускную способность телефонных линий. Большинство таких модемов в своей основе имеют одну из технологий xDSL (Digital Subscriber Line — цифровая абонентская линия). Использование модемов для физических линий имеет существенные преимущества по сравнению с другими вариантами, главным из которых является использование уже существующей, хорошо разветвленной кабельной инфраструктуры. Поэтому затраты на организацию высокоскоростных каналов в третьем варианте будут состоять практически только из затрат на самооборудование. Поскольку большую часть затрат на развертывание любой сети составляет прокладка линий, то рассмотренный третий вариант может стать экономически более выгодным по сравнению с другими, что является существенным фактором при принятии решения в пользу одного из вариантов.

5.4.2. Модемы для телефонных каналов

Одна из главных задач при подключении к сети передачи данных состоит в организации высокоскоростного канала связи от абонента к узлу сети. Для решения этой задачи используются специальные устройства — модемы, которые обеспечивают передачу цифрового потока от оконечного оборудования данных (персонального компьютера) к коммутационному центру по обычной аналоговой абонентской линии.

Главная функция модемов — это модуляция (демодуляция) сигналов, которые передаются (принимаются). Современные модемы, кроме этого, выполняют еще ряд функций, среди которых адаптивная коррекция сигнала, эхо-компенсация, помехоустойчивое кодирование (декодирование), защита от ошибок, сжатие данных, тестирование канала связи, формирование на передающей стороне кадров, блоков данных определенной длины, а на приемном — восстановление информационной последовательности. На сегодняшний день распространены факсы-модемы, которые содержат в себе все части факса, за исключением сканирующего и воспроизводящего устройств. В отличие от обычного факса, при использовании факс-модема принятое изображение выводится на монитор компьютера.

Существует большое количество разновидностей модемов, которые можно условно классифицировать по таким признакам:

- область применения;

- метод передачи;

- интеллектуальные возможности;

- конструкция;

- реализуемый протокол.

По области применения модемы можно разделить на: модемы, предназначенные для работы на выделенных телефонных и коммутируемых каналах; модемы по физическим соединительным линиям; а также для работы в цифровых системах передачи, сотовых, пакетных и локальных радиосетях.

Подавляющее большинство выпускаемых фирмами-изготовителями модемов предназначены для использования на коммутируемых телефонных каналах. Такие модемы должны уметь работать с АТС, различать их сигналы и передавать свои сигналы набора номера. Следует отметить, что такие модемы работают только в частотном диапазоне канала тональной частоты 0,3...3,4 кГц.

Основное отличие модемов для физических линий от других типов модемов в том, что они используют всю возможную полосу пропускания физических линий и не ограничиваются значением 3,1 кГц, характерным для телефонных каналов. Однако полоса пропускания физической линии также является величиной ограниченной и зависит, в основном, от типа физической среды (экранированная и неэкранированная витая пара, коаксиальный кабель и др.) и его длины.

В модемах для цифровых систем передачи используются цифровые сигналы, которые позволяют формировать спектр без постоянной составляющей и часто занимают более узкую полосу частот, чем входная цифровая последовательность.

Модемы для сотовых систем связи отличаются компактностью выполнения и поддержкой специальных протоколов модуляции и исправления ошибок, которые позволяют эффективно передавать данные в условиях сотовых каналов с высоким уровнем помех и постоянно изменяющимися параметрами.

Локальные радиосети будут рассмотрены ниже. Они являются перспективной сетевой технологией, которая дополняет обычные локальные сети (разд. 5.4.7, стр. 106).

По методу передачи модемы делятся на асинхронные и синхронные. Как правило, синхронизация реализуется одним из двух способов, в зависимости от того, как работают тактовые генераторы передатчика и приемника: независимо друг от друга (асинхронно) или согласованно (синхронно). Если переданные данные были составлены из последовательности отдельных символов, то каждый символ передается независимо от других, и получатель синхронизируется в начале каждого получаемого символа. Для такого типа связи обычно используется асинхронная передача (как в телеграфии). Если переданные данные образовывают непрерывную последовательность символов или байтов, то тактовые генераторы отправителя и получателя должны быть синхронизированы на протяжении продолжительного промежутка времени. В этом случае используется синхронный метод.

При передаче данных возможности применения асинхронного метода во многом ограниченны его низкой эффективностью и необходимостью использования простых методов модуляции, таких, как амплитудная и частотная. Более сложные методы модуляции, такие, как относительная фазовая, квадратурная амплитудная (ОФМ и КАМ соответственно) и др., требуют поддержки постоянного синхронизма опорных тактовых генераторов отправителя и получателя.

Большинство современных модемов используют синхронный метод передачи. По интеллектуальным возможностям модемы делятся на:

-модемы без системы управления;

-модемы, поддерживающие набор АТ-команд;

-модемы, поддерживающие команды, рекомендованные ITU–T (V.25 bis);

-модемы с фирменной системой команд;

-модемы, поддерживающие протоколы сетевого управления. Модемы с поддержкой АТ-команд позволяют пользователю управлять характеристиками модема и параметрами связи. Модемы, поддерживающие протоколы сетевого управления, позволяют управлять элементами сети с удаленного терминала. По своей конструкции модемы делятся на:

-внешние;

-внутренние, которые монтируются в компьютер;

-портативные, которые имеют уменьшенные габариты;

-групповые, которые предназначены для использования в стойках с общим блоком питания, устройствами управления и отображения, образовывая так называемый «модемный пул».

Модемы можно классифицировать по протоколам — правилам выполнения возложенных на них задач. Все протоколы, которые регламентируют те или иные аспекты функционирования модемов, могут быть отнесены к двум большим группам: международные и фирменные. Международные протоколы разрабатываются международной организацией стандартов, а фирменные — отдельными компаниями.

По функциональным задачам модемные протоколы делятся на протоколы модуляции, исправления ошибок, сжатия информации и протоколы взаимодействия с ПК.

Рассмотрим детальнее модемы для телефонных каналов.

Как уже было отмечено, модемы для телефонных каналов преобразуют цифровые сигналы, получаемые от компьютера пользователя, в аналоговые сигналы, которые затем передаются по телефонному каналу в полосе частот 0,3...3,4 кГц. Если для такого преобразования использовать амплитудную манипуляцию, то максимальная скорость передачи данных, которую будет поддерживать модем, составляет приблизительно 3 Кбит/с. При использовании частотной манипуляции максимальная скорость составляет 1200 бит/с, а при применении корректоров —2400бит/с.

Учитывая современные темпы развития информационных технологий, этих скоростей явно не достаточно. Одним из методов увеличения скорости обмена данными является применение многократных и комбинированных методов модуляции.

При использовании многократных методов модуляции модулируемый параметр (частота, фаза) принимает не два значения, а четыре, восемь и больше значений. Если модулируемый параметр принимает четыре значения, то метод модуляции называется двукратным; при восьми значениях — трехкратным и т.д. Двукратные методы модуляции обеспечивают увеличение скорости передачи данных в два раза, трехразовые, соответственно, в три раза. В этом случае, если скорость передачи по каналу связи составляет 1200 бит/с, то при использовании двукратных методов суммарная скорость будет 2400 бит/с; при использовании трехкратных методов — 3600 бит/с.

На практике широкое распространение получила квадратурная амплитудная модуляция (КАМ или QAM), которая также относится к комбинированным методам. При КАМ информация содержится в соотношении фаз соседних посылок и в амплитуде сигнала. Модем на приемной стороне, проанализировав соотношение фаз посылок и амплитуду лишь одной посылки, принимает решение о содержании четырех бинарных символов. То есть применение КАМ позволяет с помощью лишь одной посылки передать четыре информационных бинарных символа.

На рис. 5.14 приведена векторная диаграмма КАМ при двухуровневом значении амплитуды.

На этой диаграмме показаны только два вектора (а1 и а2). Возможное положение других векторов показано точками, которые обозначают концы этих векторов. Такое изображение сигналов называют сигнальным созвездием. Каждой точке сигнального созвездия соответствует содержание четырех бинарных разрядов. В результате при скорости передачи символов в канале 1200 бит/с суммарная скорость будет 4800 бит/с.

Такое увеличение скорости передачи приводит к возможному увеличению числа ошибок. Поэтому в современных модемах в процессе модуляции (демодуляции) применяется и помехоустойчивое кодирование (декодирование). Такой вид модуляции получил название треллис-модуляция.

За счет применения указанного метода модуляции при скорости передачи в канале связи 2400 бит/с в некоторых модемах обеспечивается суммарная скорость 4800, 7200, 9600, 12000, 14400, 28800 бит/с.

Увеличение скорости передачи может привести к увеличению количества ошибок, поэтому возникает задача повышения достоверности передачи данных. С этой целью используют специальные методы повышения достоверности, к которым относятся:

-многоразовое повторение информации;

-помехоустойчивое кодирование;

-организация обратной связи, при которой получатель «переспрашивает» неправильно принятые кадры.

Принципы помехоустойчивого кодирования. Помехоустойчивый код отличается от простого тем, что в канал передаются не все кодовые комбинации, которые могут быть сформированы при заданной разрядности кода, а лишь некоторые из них, которые имеют определенное свойство и которые называются разрешенными. Другие кодовые комбинации, которые не были использованы, называются запрещенными. Так, например, из трех разрядов можно сформировать восемь кодовых комбинаций, которые разделены на две группы: 1 группа — 000; 011; 110; 101; 2 группа — 001; 010; 100; 111. Комбинации первой группы назовем разрешенными. Эти комбинации содержат нули или четное число единиц. Передавать можно только разрешенные комбинации. Если в результате искажений разрешенная кодовая комбинация перейдет в запрещенную, то ошибка будет выявлена, так как число единиц в этой комбинации нечетное. При переходе одной разрешенной комбинации в другую ошибка не выявляется. В приведенном примере все единичные ошибки выявляются, а двукратные — не выявляются. Следует обратить внимание, что вместо восьми комбинаций могут быть переданы только четыре, которые можно было бы сформировать, используя лишь два разряда (00; 01; 11; 10), а в рассмотренном примере передаче подлежат трехразрядные комбинации (000; 011; 110; 101). Третий разряд в данном случае является проверочным, и именно он позволяет выявлять единичные ошибки.

При построении кодов, исправляющих ошибки, все кодовые комбинации, которые можно сформировать, разбиваются на несколько групп. В каждой группе разрешается только одна комбинация, которая может быть передана. Так восемь трехразрядных кодовых комбинаций разобьем на две группы (рис. 5.15). В каждой группе есть только одна разрешенная комбинация (000 и 111). При приеме любой комбинации из группы пользователю выдается комбинация, разрешенная в этой группе. Так, при приеме комбинации 100 пользователю будет выдана комбинация 000. В результате, для приведенного примера единичные ошибки будут не только выявлены, но и исправлены. Однако в данном случае, можно передавать только две комбинации (000 и 111). Две же комбинации можно передать одним разрядом (0 и 1). В результате два разряда (00 и 11) оказываются избыточными, однако их наличие позволяет исправлять единичные ошибки.

Рассмотрим упрощенную структурную схему модема для телефонного канала. К его состав входят: передатчик, приемник, устройство управления, компенсатор электрического эха, блок питания (рис. 5.16).

Передаваемые данные поступают от оконечного оборудования данных на передатчик, где выполняются операции скремблирования, кодирования и синхронизации. Эхо-компенсатор обеспечивает уменьшение влияния отраженных сигналов, которые отражаются от мест несогласования в сети и возвращаются на передающую сторону, в результате чего пользователь слышит свой голос как эхо.

Устройство управления (как правило, это микропроцессор) обеспечивает стык с оконечным оборудованием данных (интерфейс) и управляет работой всех составных частей модема.

Реализация интерфейса между компьютером и модемом является функцией физического уровня семиуровневой модели. Интерфейсы регламентируются соответствующими рекомендациями и стандартами. Среди интерфейсов, которые широко используются на практике, можно назвать V.24, RS-232, RS-449, RS-422A, RS-423A, V.35 и др. Наиболее распространенным является интерфейс RS-232. В нем используются несимметричные сигналы, то есть потенциалы измеряются относительно уровня «0 В» или «земли». Уровни сигналов управления — биполярные. Для сигналов управления логическая «1» (ON) имеет положительный уровень напряжения между +5 В и +15 В, а логический «0» (OFF) — отрицательный уровень между –5 В и –15 В. В современных вариантах стандарта RS-232 — RS-232D и RS-232E диапазон напряжения ON и OFF увеличен до 25 В.

Интерфейс RS-232 был спроектирован для работы с кабелем длиной до 15 м. Этот интерфейс предназначен для организации обмена данными в последовательном формате в режиме полудуплекса. Следует отметить, что существуют две разновидности разъемов для RS-232: 9-штырьковые и 25-штырьковые. Разъемы первого типа являются более распространенными.

В процессе своей работы модемы реализуют те или иные протоколы (рис. 5.17).

Модемные протоколы можно разделить на такие группы:

-протоколы, регламентирующие взаимодействие модема с каналом связи;

-протоколы, регламентирующие взаимодействие модема с оконечным оборудованием данных;

-протоколы модуляции;

-протоколы защиты от ошибок;

-протокол сжатия данных;

-протоколы, регламентирующие процедуру диагностики модемов и измерения параметров

канала связи (V.51, V.52, V.53 и др). Отметим, что «bis» и «ter» в названии протокола означают его обязательную модификацию. Характеристики основных протоколов модуляции приведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Характеристики протоколов модуляции