Протоколы исправления ошибок

При модемной связи на передающей и принимающей стороне должны использоваться одинаковые методы кодирования и декодирования. За всю историю модемной связи было разработано множество методов модуляции, часть из которых вылилась в стандарты (табл. 12). Часть из них является фирменными, международные стандарты обозначаются как V.xx. Несмотря на стандартизованность способов модуляции, в реальных условиях возможна несовместимость мо­демов из-за некоторых отклонений от стандартов, допущенных разработчиками. Простейший способ обеспечения совместимости – установка одинаковых моде­мов на обоих концах линии – достижим не всегда.

Таблица 12

Стандарты на модуляцию

Совместимость средств факсимильной связи в глобальных масштабах обеспе­чивается стандартами CCITT. Существуют следующие стандарты:

Fax Group I, II – устаревшие стандарты аналоговой передачи изображений.

Fax Group III – современный стандарт, использующий алгоритмы цифро­вого сжатия данных передаваемых по аналоговым телефонным линиям. Скорость передачи 14 400 или 9600 бод (может снижаться при ухудшении качества связи до 4,800 бод).

Fax Group IV – стандарты для передачи изображений по каналам цифро­вой связи (сети ISDN).

В модемной связи важную роль играют протоколы коррекции ошибок, неиз­бежных в линии связи, и сжатия данных. Законодателем мод в этой области стала фирма Microcom, по имени которой названо семейство протоколов MNP – Microcom Networking Protocol. Это семейство де-факто стандартных протоколов коррекции ошибок и сжатия данных включает 9 классов, определяющих различ­ный сервис. Классы 2-4 предназначены для обеспечения безошибочной переда­чи, классы 5 и 7 – для сжатия данных, класс 6 – расширенный сервис, класс 9 – оптимизация протокольных процедур, класс 10 – адаптация к каналам связи, класс 8 – пропущен. Старшие классы обычно включают в себя и возможности младших. Дадим краткую характеристику этих классов.

MNP-1. Асинхронный байт-ориентированный полудуплекс с минималь­ными требованиями к скорости процессора. Только исправление. Эффек­тивность передачи данных – 70 % от обычного варианта, в модемы уже не включается.

MNP-2. Асинхронный байт-ориентированный дуплекс. Только исправле­ние. Эффективность – 84 %.

MNP-3. Бит-ориентированный дуплекс с синхронной связью между моде­мами, асинхронный для пользователя. Эффективность – 108% (254 cps при 2400bps).

MNP-4. Адаптивная сборка пакетов (длина пакета зависит от качества ли­нии) и сокращение избыточности (повторяющаяся служебная информа­ция удаляется из потока данных). Эффективность – 120% (до 150%).

MNP-5. Сжатие данных в реальном времени. Эффективность – 150%. Ha cжтых (ZIP, ARJ…) файлах снижает скорость передачи.

MNP-6. Выполняет универсальное согласование связи – настройку скорости модема в диапазоне 300-9600 бод в зависимости от возможностей модема на другом конце линии. Симулирует дуплекс (“статистический дуп­лекс”).

MNP-7. Выполняет более эффективное сжатие данных, чем MNP-5. Эф­фективность – 300%.

MNP-9. Сокращает время на протокольные процедуры подтверждения приема сообщения и повторной передачи после ошибки.

MNP-10. Коррекция ошибок. Борьба с плохими линиями: множественные агрессивные попытки установления связи, адаптация размера пакета к уровням помех, согласование и динамическое изменение скорости. Для со­товой связи существует протокол MNP-10EC (Enhanced Cellular), совмес­тимый с MNP-10.

MNPX. Возможность переключения протокола безошибочной передачи с MNP на LAPM и обратно.

Кроме MNP используются и другие протоколы. В некоторых модемах фирмы Hayes, например, применяется собственный протокол исправления ошибок – Hayes V-Series. MKKTT (CCITT) рекомендует следующие стандарты:

V.42 – коррекция ошибок. На 20 % эффективнее MNP-4. Использует стан­дарт LAPM (Link Access Procedure for Modems) – протокол безошибочной передачи данных по телефонным линиям.

V.42bis – сжатие данных. Включает в себя V.42 – коррекцию ошибок. На 35% эффективнее MNР-5, не пытается сжимать уже сжатые данные (многие V.42bis-модемы поддерживают и режим MNP-5).

Протоколы исправления и сжатия могут быть реализованы на компьютере как программно, так и аппаратно. В случае аппаратной реализации алгоритм вы­полняется встроенной программой модема, который практически всегда строится на основе микроконтроллера. Модемы с аппаратной реализацией протоколов несколько дороже, но на серверах и рабочих станциях (компьютерах), использу­ющих модемы в фоновом режиме, их применение предпочтительно. Программ­ная реализация протоколов позволяет использовать более дешевые модемы, но при этом во время работы модема загружается CPU, что во многих случаях нежелательно.

Конструкции модемов

Конструктивно модемы для PC выпускаются в двух исполнениях: внутренние (internal) и внешние (external).

Внутренние модемы устанавливаются в слот шины расширения. До недавних пор в основном использовалась шина ISA, теперь эта шина изживается и модемы выпускаются для шины PCI. Для блокнотных ПК модемы выпускают в виде карт шины РС Сагd (РCMCIA). Они обычно эмулируют стандартный СОМ-порт с микросхемой 8250/16450/16550A. Базовый адрес регистров (или номер СОМ-порта) и номер линии запроса прерывания (IRQ) задаются джамперами или пе­реключателями на плате модема. Преимущества встроенных модемов – низкая цена и отсутствие дополнительных блоков на рабочем месте. Главным недостат­ком является необходимость вскрытия системного блока для установки модема и возможные сложности конфигурирования системных ресурсов, а иногда и от­сутствие свободного слота. Следует отметить и низкую защищенность компью­тера в случае попадания высокого электрического потенциала на телефонный вход модема (например, при ударе молнии в открытую телефонную линию). Правда, если линия не защищена ограничителем перенапряжений, то и внешнее подключение модема не является надежной защитой компьютера.

Внешние модемы, имеющие собственный корпус и блок питания, подключаются кабелем к 9- или 25-контактному разъему СОМ-порта. Их главное преимущество в том, что для установки не требуется вскрытие системного блока, а не­достатки – в более высокой цене, необходимости отдельного питания и наличии дополнительного устройства и кабеля на рабочем месте. Частично эти недостат­ки устраняются в модемах, подключаемых к шине USB. Некоторые модели высокоскоростных модемов подключаются к LPT-порту, работающему в режиме ЕРР (расширенный порт).

СОМ-порт PC поддерживает только асинхронный режим работы, в то время как на высоких (для модемов) скоростях широко применяется синхронный ре­жим. Для PC существуют адаптеры синхронных портов, в том числе и карты с интерфейсом V.35. Синхронные адаптеры SDLC мало распространены из-за вы­сокой цены и ограниченной сферы применения – они предназначались для под­ключения PC к “большим” машинам IBM (mainframe). Интеллектуальные син­хронные модемы внешнего исполнения могут подключаться к асинхронному СОМ-порту благодаря наличию буферной памяти значительного объема и асин­хронному внешнему интерфейсу.

Функциональная схема аналогового модема с подробностями телефонной ча­сти приведена на рис. 27. К телефонной линии модем подключается через гнездо RJ-11 “LINE” (или “TELCO”), дополнительный телефонный аппарат может подключаться к гнезду “PHONE”.

Рис. 27. Функциональная схема модема

Модемы, используемые для коммутируемых линий, имеют средства набора номера и определения состояния линии (гудок, занято и т. п.). Набор номера мо­жет быть импульсным (pulse dialing), или тональным (tone dialing). В модемах для импульсного набора обычно применяют малогабаритное реле, его характерные щелчки можно услышать при работе модема. Иногда в качестве прерывателя используют электронный ключ (оптрон). При тональном наборе каждая цифра номера кодируется короткими сигналами определенных пар частот, эти “аккорды” можно услышать в телефонной трубке. Цепи сигналов звуковых частот, генерируемых и анализируемых модемом, гальванически раз­вязываются от телефонной линии с помощью трансформатора. Индикатор вызо­ва срабатывает от вызывных импульсов.

Модемы первых поколений имели довольно сложные аналоговые цепи, обес­печивающие требуемые преобразования для модуляции-демодуляции. Управле­ние модемом и некоторые функции протоколов выполнялись микроконтролле­ром. Современные модемы строятся иначе: аналоговые схемы используются только для обеспечения телефонной сигнализации, а вся обработка для модуля­ции-демодуляции выполняется цифровыми методами. Для этого в состав модема входят ЦАП и АЦП. Обработку сигналов в профессиональных модемах выпол­няет специализированный сигнальный процессор (DSP). Общее управление мо­демом выполняет микропроцессор, в распоряжении которого имеется локальная оперативная память значительного объема. Функции модема определяются воз­можностями встроенного процессора и его программного обеспечения. Микро­программное обеспечение модема (firmware) хранится в ПЗУ (EPROM) или флэш-памяти. Такое построение позволяет относительно легко наращивать функциональные возможности модема перезаписью его программного кода. Правда, эти модернизации всегда имеют предел (на каком-то этапе, например, может уже не хватать производительности DSP). Новые версии ПО модема обычно доступны через Интернет (платно или бесплатно).

Более развитые устройства имеют в своем составе оперативную память зна­чительного размера, позволяя в автономном режиме (без компьютера) прини­мать факсимильные и голосовые сообщения, которые будут сохранены для даль­нейшей обработки. Такие модемы могут иметь и интерфейс для подключения принтера, в результате чего получается факс-машина.

Мощности центрального процессора современных ПК достаточно, чтобы ре­шать часть задач управляющего и даже сигнального процессора модема. При этом аппаратная часть модема сводится к схеме сопряжения с телефонной ли­нией, ЦАП и АЦП. На плате модема может присутствовать и сигнальный про­цессор (DSP), что особенно желательно для высоких скоростей обмена. Модемы этого класса называют SoftModem или WinModem, поскольку программная под­держка обычно существует лишь для ОС Windows. Расплатой за удешевление модема являются повышенная нагрузка на центральный процессор и проблемы совместимости с операционными системами.

Модемы для портативных компьютеров имеют интерфейс PC Card (PCMCIA). Для подключения этих модемов применяются специальные переходные кабели (RJ-11 гораздо толще PC Card). Фирма 3Com для них разработала гнезда X-Jack (рис. 28). Ряд моделей имеет возможность работы с телефонными каналами мобильной связи (аналоговой NMT-450 или цифровой GSM), имеющими свои специфические особенности.

Рис. 28. Гнездо X-Jack