Технологія SCSI передавання даних адаптером передавання даних з використанням модема

ТЕХНОЛОГІЯ SCSI. ПЕРЕДАВАННЯ ДАНИХ АДАПТЕРОМ ПЕРЕДАВАННЯ ДАНИХ З ВИКОРИСТАННЯМ МОДЕМА
8.1. Технологія SCSI
8.2. Передавання даних з використанням адаптера локальної мережі
8.3. Модеми та їхня класифікація
8.4. Структурна схема та робота модема
8.5. Передавання даних у двопроводовій лінії з використанням модема
8.6. Стандарти модемів
8.7. Керування модемом
8.1. Технологія SCSI
Паралельну шину SCSI використовують для приєднання різноманітних периферійних пристроїв ще з 80-х років.
Прототипом SCSI був інтерфейс SASI (Sugart Associates System Interface), розроблений у 80-ті роки і призначений для приєднання периферійних пристроїв. На його базі розроблено та прийнято ANSI в 1986 р. стандарт SCSI-1. Того ж року розпочато роботу над стандартом SCSI-2. Розробники ставили перед собою завдання об'єднати стандарт SCSI-1 з системою команд SCSI, яка не ввійшла в першу версію стандарту. Крім того, зроблено і деякі конструктивні зміни: нові команди, диференційну синхронізацію, збільшену частоту та швидкість передавання. Стандарт SCSI-2 ухвалено 1993 р.
Подальший розвиток SCSI був спрямований на збільшення тактової частоти, швидкості передавання та ширини шини. Зокрема, з'явилися такі різновиди SCSI, як Fast SCSI, Wide SCSI, Ultra SCSI та ін. (табл. 12.1).
Ці різновиди розробляли різні виробники в межах стандарту SCSI-2. Виробники SCSI-пристроїв об'єднані в SCSI Trade Association, яка визначає прийнятність того чи іншого варіанта шини.
Історія розвитку стандартів SCSI привела до появи різноманітних вирішень, не завжди сумісних одне з одним. Розробка стандарту SCSI-3 - наступний крок у напрямі універсалізації, розділення єдиного стандарту на множину несумісних технологій, об'єднаних тільки загальною архітектурою та набором команд. Сьогодні розроблено загальну архітектуру стандарту SCSI-3, яка передбачає можливість використання для передавань різноманітних інгерфейсних технологій, у тім числі і послідовного передавання. \/:-i'!Wi-f
Сполучення SCSI має топологію ланцюга (рис. 12.1). На комп'ютері встановлюють адаптер SCSI, перший пристрій приєднують до його роз'єднувача, другий - до відповідного роз'єднувача першого і т. д. З метою узгодження хвильового опору та уникнення відбиття сигналу від "висячих" дротів ланцюга до вільних роз 'єднувачів першого та останнього пристрою ланцюга повинні бути приєднані спеціальні пристрої - термінатори.
Вибирання адреси кожного пристрою відбувається апаратно з використанням спеціальних перемикачів у діапазоні 0-7. Як звичайно, адаптер SCSI отримує адресу 7 як таку, що надає найвищий пріоритет у передаванні. Інші пристрої отримують адреси, починаючи з нульової. Рекомендують для повільних пристроїв, таких як накопичувачі на магнітних стрічках, давати більші адреси (і більший пріоритет), ніж швидким пристроям, таким як накопичувачі на твердих дисках (для того, щоб диски не захопили шини).
Шина SCSI-1 забезпечувала паралельне передавання на відстань до 6 м зі швидкістю 5 Мбіт/с. Передбачили два режими передавання - асинхронний, у якому після кожного надсилання команди повинно було надходити підтвердження, та синхронний. Максимальна кількість приєднаних пристроїв - вісім, що визначено шириною шини та алгоритмом її роботи. Практично значну частину перепускної здатності шини займали накладні видатки на організацію передавання (паузи, очікування підтверджень тощо). Реальна швидкість передавання досягала 1-2 Мбіт/с.
Стандарт SCSI-2 передбачав можливість використання більшої частоти сигналу (10 МГц, Fast SCSI) та збільшення ширини шини (16 біт, Wide SCSI). Для збільшення довжини кабелю приєднання стандарт передбачає використання, крім несиметричних сполучень, також диферен-ційних (симетричних), коли сигнал читається як різниця сигналу на двох лініях. Це дало змогу збільшити довжину сполучення до 25 м. Однак диференційна сигналізація несумісна з симет-ричною в межах однієї шини. Для кожних 8 біт передають один біт контролю парності. Збільшився і список типів пристроїв, які підтримує SCSI, на п'ять нових.
З метою ліпшого захисту від завад у кабелі SCSI використано скручені нари, розташовані концентрично трьома шарами. Зовнішній шар слугує для передавання даних, середній - команд та сигналів керування, внутрішній - для сигналів під-вердження, землі тощо (рис. 12.2).
Детальніша інформація про технологію SCSI наведена уД.12.1.
8.2. Передавання даних з використанням адаптера локальної мережі
Загальна характеристика і класифікація адаптерів. Адаптери станцій локальних мереж безпосередньо приєднують до внутрішньої шини введення-виведення ПК. Вони дають змогу досяіти значно більших швидкостей передавання, ніж через послідовний чи паралельний порти. (Фактично швидкість передавання обмежена швидкістю внутрішньої шини процесора). В адаптерах, як звичайно, апаратно реалізовані протоколи фізичного та канального рівнів ета-лонної моделі взаємодії відкритих систем.
Адаптери різних мереж виробляють багато фірм. Вибираючи адаптер будь-якої фірми, треба звернути увагу на такі його характеристики:
до якої мережі він належить (Ethernet, Arcnet, Token Ring, FDDI та ін);
яку розрядність (8, 16, 32) має та до якої шини (ISA, EISA, PCI, MCA) приєднується;
яку має потужність та які алгоритми використовує (розрізняють адаптери для робочих
станцій, серверів);
які він має роз'єднувачі та до якого кабельного середовища ЛМ приєднується. Роз'єднувачі бувають такі:
BNC —для приєднання тонкого коаксіального кабелю;
AUI - для приєднання товстого коаксіального кабелю;
RJ45 - для приєднання скрученої пари;
МІС, ST, SC - для приєднання волоконно-оптичного кабелю.
Будова та складові частини адаптера. Розглянемо головні складові частини та особливості роботи адаптера ЛМ на прикладі адаптера N1 5210 для мережі Ethernet фірми Interlan Іпс (рис. 12.3).
Центральною частиною адаптера є співпроцесор INTEL 82586, який виконує деякі функції опрацювання інформаційних кадрів протоколу канального рівня. Співпроцесор кодує інформацію перед передаванням у мережу, декодує її після приймання, виявляє та виправляє помилки, повідомляє центральний процесор про надходження інформації, виконує головні функ-ції з реалізації МАС-підрівня протоколу канального рівня. Використання спеціалізованого про-цесора дає змогу розвантажити ЦП та підвищити загальну швидкодію системи.
Важливою частиною адаптера с оперативна пам'ять (8 Кбайт). У цю пам'ять записують інформацію перед передаванням і після приймання. Пам'ять відображається на адресний простір комп'ютера (параметр Base Memory Address). її може одночасно читати і записувати як ЦП, так і мережевий співпроцесор.
У роз'єднувач розширення можна приєднати додаткову мікросхему пам'яті або мікросхему постійної пам'яті (ПЗП) для автоматичного завантаження комп'ютера через мережу.
Вісім регістрів стану та керування дають змогу ЦП та співпроцесору обмінюватися командами. Регістри перенумеровані за їхнім зміщенням від базового значення (параметр I/O Base Adress) - від OOh до 07h.
ПЗП адреси для адаптерів мережі Ethernet містить унікальну мережеву адресу комп'ютера, встановлену фірмою-виробником адаптера. Жодна з цих адрес не може повторитися. Кожна фірма-виробник має адреси з певного діапазону. Довжина фізичної адреси для мережі Ethernet - 48 біт.
Перемикачі дають змогу конфігурувати параметри адаптера.
Кабельні роз'єднувачі призначені для приєднання адаптера до мережі. В адаптері, який розглядаємо, є два роз'єднувачі для приєднання адаптера до тонкого (BNC-роз'єднувач) або до товстого (AUI-роз'єднувач) Ethernet.
Крім того, на платі адаптера також розміщено трансивер (приймач-передавач) для роботи з тонким Ethernet. Товстий Ethernet використовує зовнішній трансивер.
Роз'єднувач приєднання до системної шини ПК. Розглянувши форму роз'єднувача, кількість та конфігурацію контактів, можна визначити розрядність адаптера і тип шини, для якої його спроектовано.
Робота адаптера під час приймання та передавання даних
Передавання даних. Комунікаційне програмне забезпечення будує кадри Ethernet та записує їх у пам'ять адаптера. У регістри керування та стану записується команда передати кадр, адреса та кількість інформації для передавання. Мережевий співпроцесор аналізує значен-ня регістрів, бере кожен кадр, опрацьовує його згідно з вимогами протоколу і передає у мережу.
Приймання даних. Мережевий співироцесор постійно стежить через трансивер за кадра-ми в мережі та виділяє ті, які призначені для конкретного адаптера. У випадку надходження такого кадру співпроцесор перевіряє правильність даних, розміщує. їх у нам 'яті, записує в регіст-ри керування команду приймання даних, адресу їхнього розміщення у пам'яті і видає для центрального процесора переривання з визначеним номером. ЦП та комунікаційне ПЗ відкидає службові дані, аналізує сприйняті дані та переміщає їх у головну пам'ять.
Конфігурування адаптера
Конфігуруванням адаптера задають такі параметри:
I/O Base Address - адресу пам'яті, куди відображаються регістри стану та керування;
Base Memory Address — адресу пам'яті, куди відображається внутрішня нам 'ять адаптера;
IRQ - номер переривання, за яким ЦП повідомляють про прийняті дані.
Конфігурування адаптера відбувається шляхом задания значень параметрів з викорис-танням перемикачів. Сучасні адаптери, як звичайно, не мають перемикачів, їх конфігурують спеціальними програмами, доданими до адаптера. Адаптери, що відповідають вимогам стандартів Plug and Play, можна конфігурувати автоматично засобами операційної системи. Для збільшення швидкості пересилання інформації часто використовують механізми прямого доступу до пам 'яті (Direct Memory Access (DMA)). Номер каналу DMA у цьому випадку - це ще один параметр конфігурування адаптера.
Тенденції розвитку адаптерів
Визначальним для сучасної епохи є перехід від класичних мереж зі швидкістю близько 10 Мбіт/с до швидкісних, що передають дані зі швидкістю 100 та 1000 Мбіт/с. Використання в одній мережі різношвидкісних технологій передбачає, щоб адаптери підтримували функцію автоузгодження, тобто автоматично узгоджували швидкість передавання зі своїм партнером (див. Д.5.1). Високі вимоги щодо швидкості зумовлюють і зміни в структурі адаптерів. Роз-глянемо, наприклад, мережу Gigabit Ethernet. ПК з 32-розрядною PCI шиною здатні переда-вати потік 1 Гбіт/с, а адаптери з 64-розрядною шиною - 2 Гбіт/с. Водночас з такою швидкістю можна завантажити практично 100% ресурсів ЦП. На виконання інших завдань не залишиться ресурсів. Тому адаптери Gigabit Ethernet мають вбудований RISC-процесор, що виконує інтелектуальні функції вивантаження, які налагоджені на параметри конкретного комп'ютера. Дані з мережі відразу надходять у пам'ять і стають доступними для застосувань. Щоб зменшити завантаженість ЦП, регулюють співвідношення кількості переривань та обсягу отриманої інформації. За одне переривання приймається велика кількість кадрів. Співвідношення кількості кадрів на одне переривання можна задати вручну або автоматично. Це дає змогу створити "адаптивні" переривання, частота яких залежить від завантаження.
У додатку Д.12.2 наведеш інтелектуальні функції, якими фірми-виробники оснащують дорогі серверні адаптери з метою збільшити їхню продуктивність.
Шина SCSI ,
Процес передавання. Головним пристроєм є адаптер SCSI на комп'ютері, який визначає, якому з приєднаних пристроїв передавати внаслідок виконання процедури арбітражу. На початку адаптер визначає чи вільна шина. Якщо шина вільна, то він передає по лініях даних свій ідентифікатор. У відповідь пристрої, що претендують на передавання, передають біт по відповідному дроту. (Отже, максимальна кількість приєднаних пристроїв обмежена кількістю дротів у шині та їхнім паралельним використанням у процедурі арбітражу). Право на передавання отримує пристрій з найбільшим пріоритетом.:
У наступних версіях шини SCSI, де її ширина дорівнювала 16,32,... можливе приєднання більшої кількості пристроїв. Уважають, що пристрої з адресами 0-7 мають більший пріоритет, ніж з адресами 8-15. Це зроблено для того, щоб у ланцюзі могли працювати і пристрої старого, восьмирозрядного конструктива.
Пристрій, який перейняв арбітраж, стає ініціатором (initiator) та обирає партнера для передавання (цільовий пристрій (target)), активізуючи одну з восьми ліній шини. Цільовий пристрій керує передаванням. Спочатку він звертається до ініціатора з запитом команди, яку йому потрібно виконати. Ініціатор надсилає потрібну команду. Цікаво те, що команда є досить загальною і не специфікує детально потрібні дії пристрою. Контролер пристрою сам інтерпретує команду та визначає послідовність своїх дій. Наприклад, ПК просить НТД прочитати певний інтервал логічних дисків. Контролер перетворює логічну адресу в фізичну, враховуючи організацію зберігання даних на конкретному диску.
Цільовий пристрій організує передавання даних. Якщо передавання асинхронне, то після передавання кожного байта очікують підтвердження. У випадку синхронного передавання дані передаються суцільним потоком з попередньо визначеною швидкістю. Після завершення передавання цільовий пристрій запитує ініціатора про підтвердження (статус передавання). Якщо помилок не було і повторювати нічого не треба, то цільовий пристрій сповіщає про закінчення виконання команди.
Під час роботи шина може бути в одному з таких станів:
Bus free - вільна шина;
Selection - вибір;
Command - передавання команди;
Data - передавання даних;
Status - передавання статусу;
Message - передавання повідомлення;
Arbitration - арбітраж;
Reselection - повторний вибір.
Типи пристроїв та команди. Для кожного типу пристрою стандарт передбачав власний набір високорівневих команд. Для SCSI-1 визначено шість типів пристроїв:
пристрій довільного доступу (твердий диск);
пристрій послідовного доступу (накопичувач на магнітній стрічці);
принтер;
процесор;
CD-RW (записувач);
пристрій довільного доступу лише для читання.
Довжина команди становить 6 байт. Перший байт визначає тип команди або код операції. Решта байтів команди інтерпретовані залежно від змісту першого. Всі команди передають в асинхронному режимі, та якщо у відповідь на них передають дані, то передавання таких відповідей синхронне.
У стандарті SCSI-2 було введено дві нові команди: Disconnect та Reconnect. Вони давали змогу периферійному пристрою тимчасово вивільнити шину під час виконання внутрішніх операцій, наприклад, шукання даних на диску, та поновити сполучення, коли пристрій готовий до передавання. Завдяки цьому збільшено ефективність використання шини. Загалом у SCSI-2 ефективність використання шини досягла 70%. З'явилася змога формування гостом черг команд для одного пристрою з наступним пересиланням цілого набору послідовних команд. Контролер пристрою може опрацьовувати отриманий набір команд та оптимізувати процес їхнього виконання (наприклад, в елеваторному пошуку, коли запити до диска сортують так, щоб забезпечити мінімальне переміщення головок диска).
Термінування буває пасивним або активним. У разі пасивного термінування опір на 220 Ом приєднують до джерела напруги 4.25-5.25 В, а опір 300 Ом - до землі. Зміни напруги живлення впливають на якість термінування. В активному термінаторі опір 110 Ом приєднаний до регулятора напруги 2.85 Ом, який підтримує це значення сталим, що сприяє ліпшому вирішенню завдання з термінування.
За конструктивним виконанням термінування буває зовнішнім та внутрішнім. Внутрішнє реалізоване безпосередньо на платі SCSI. Його активізують з використанням перемичок та перемикачів. Зовнішній термінатор зроблений у вигляді окремого блока, який вставляють у роз'єднувач. В сучасних реалізаціях термінування може вмикатися автоматично, якщо пристрій є крайнім у ланцюзі.
Стандарт SCSI-3 є не одним документом, а цілим набором документів, пов'язаних один
3 одним. Сьогодні визначена архітектурна модель SCSI-3. Набір стандартів передбачає єдиний стандарт на архітектуру (SCSI Architectural Model (SAM)) та нефіксований набір стандартів для конкретних її реалізацій (рис. Д. 12.1).
Стандарт на загальний метод доступу (Common Access Method) визначає архітектуру засобів доступу госта та відповідні сервіси. Стандарти на конкретні набори команд (Device-Type Specific Command Set) описують моделі конкретних типів пристроїв та команди, з якими працює цей пристрій. Серед тих команд можуть бути й загальні. Стандарт на загальний набір команд визначає командйіа правила поведінки, обов'язкові для всіх типів пристроїв; стандарти на транспортні протоколи - правила взаємодії пристроїв SCSI, стандарти на фізичні сполучення - комплекси електричних, механічних характеристик для різних типів фізичних сполучень. Тут можна використовувати такі технології, як Firewire, Fibre Channel.
Для опису архітектури SCSI-3 використано об'єктну парадигму: її сформульовано в термінах незалежних об'єктів, що взаємодіють та надають один одному через визначені інтерфейси визначені сервіси. Під час обміну пристрої можуть відігравати ролі ініціатора та одержувача.
Запити на передавання генерує клієнт застосування (Application Client). Таким клієнтом найчастіше є драйвер пристрою на гості. Клієнт застосування працює з певною структурною моделлю системи SCSI (рис. Д.12.2). Модель має ієрархічну структуру. В корені ієрархії є вся система SCSI - так званий домен SCSI. Домен складається з пристроїв SCSI, які є передавачами/ одержувачами інформації та підсистеми передавання (доставляння). Мінімальна кількість пристроїв SCSI для утворення домену - два. Це пара - ініціатор (передавач, Initiator) та одержувач (Target).
Завданням підсистеми передавання є доставляння команд і даних між ініціатором та одержувачем. її складовими частинами є підсистема мережевого сполучення та порт доставляння. Порт доставляння фізично розміщений на одному з пристроїв SCSI і є програмно-апа
ратним забезпеченням, яке реалізує протоколи передавання інформації по мережевому сполученню.
Логічні складові пристрою SCSI - ініціатор (передавач), приймач та порт доставляння. Ініціатор генерує команди, а приймач їх виконує. Важливою частиною ініціатора є клієнт застосування.
Приймач складається з менеджера задач та одного або кількох логічних пристроїв. Менеджер задач с диспетчером, який керує виконанням задач, а кожен логічний пристрій відповідає за виконання певного типу задач. Логічний пристрій складається з сервера пристрою, який виконує задачі, та однієї чи більше черг задач, що чекають на виконання.
Загальний метод доступу визначає взаємодію комп'ютера з пристроєм SCSI через адаптер госта. Метод визначає загальну архітектуру такої взаємодії, єдину для різних типів адаптерів та пристроїв SCSI.
Стандарт на спільний набір команд (Primary Commands, SPC) визначає загальні для всіх типів пристроїв команди, модель процесора, його команди та параметри. (Процесор є частиною домену SCSI).
Д.12.2. Інтелектуальні функції сучасних адаптерів
У сучасних мережах швидкість передавання даних вже перевищує швидкість обміну пам'ять - твердий диск. Це призводить до потреби реалізувати в адаптерах розвинуті інтелектуальні функції з метою збільшення їхньої продуктивності.
Розглянемо окремі технології фірм-виробників адаптерів.
3COM. Технологія Parallel Tasking передбачає одночасне виконання передавання та приймання даних. Крім того, зменшена затримка у буфері передавання. Передавання кадру може початися без закінчення його приймання з пам'яті ПК.
У технології Parallel Tasking II збільшена вислідна швидкість передавання завдяки поліпшенню взаємодії з РСІ-шиною. Звичайно, ця шина передає дані порціями по 64 байти, що спричинює невиправдану фрагментацію кадру та зменшення швидкості передавання. Така технологія дає змогу опрацьовувати більші інформаційні фрагменти до 1514 байт, що дорівнює довжині кадру Ethernet.
Технологія Dynamic Access реалізована у ділянці адаптер-порт комутатората підтримує пріоритетне передавання для різних застосувань. Драйвер мережевого адаптера розпізнає типи застосувань та визначає для них біти пріоритету. Крім того, забезпечена підтримка до 64 каналів VLAN на одному адаптері. Підтримка протоколів Fast IP та NHRP дає змогу налагодити сполучення у мережі без перевантажених маршрутизаторів.
Технологія PACE Interactive Access реалізує інтелектуальний вибір часу відкладання передавань у випадку виникнення колізії залежно від інтенсивності потоків.
Intel. Реалізовано можливість зміни коду керування мережевим співпроцесором, що дає змогу динамічно адаптувати алгоритм його роботи (наприклад, налаштовувати на конкретну ОС). Під час завантаження драйвера адаптера він записує в ОП адаптера змінений код, який доповнює код мікропрограми контролера, зашитий у ПП.
У драйвери NDIS уведені засоби статистичного аналізу мережевих потоків та зміни за його результатами довжини міжкадрового інтервалу. Завдяки цьому зменшується вплив колізій та збільшується вислідна продуктивність.
Технологія Adapter Fault Tolerance дає змогу дублювати адаптери у серверах. Після виходу з ладу головного адаптера допоміжний автоматично перебирає на себе всі його налаштування та потік. Працездатність адаптерів відстежує спеціальний агент.
Технологія Adaptive Load Balancing розподіляє інформаційний потік між чотирма адаптерами. Один адаптер працює на приймання, а три - на передавання.
SMC. Технологія Preemptive Interrupt me змогу прогнозувати довжину кадрів, які приймають, та оптимізувати роботу з перериваннями, а технологія Transmit Chaining - передати групу кадрів без переривання.
ПЕРЕДАВАННЯ ДАНИХ З ВИКОРИСТАННЯМ МОДЕМА
Модеми та їхня класифікація. Структурна схема та порядок роботи модема. Передавання даних удвопроводовій лінії з використанням модема. Передавання даних у комутованій телефонній мережі. Керування модемом. Стандарти передавання даних. Характеристики та порівняння стандартів V.32, V32bis, V34, V.90, V92. Стан-дарти ущільнення інформації.
8.3. Модеми та їхня класифікація
Як відомо, модем - це пристрій для передавання та приймання даних з телефонного каналу зв'язку. Є велика кількість різноманітних модемів. Як зорієнтуватися та вибрати потрібний? Для цього треба їх класифікувати. Модеми розрізняють за розміщенням, різновидами каналів, сервісними можливостями, типом передавання, ступенем спеціалізації, набором протоколів.
Розміщення
Модеми бувають внутрішні (які приєднують до роз'єднувача розширення) та зовнішні (які приєднують до послідовного порту). Внутрішні модеми оформлені у вигляді окремої плати, зовнішні мають свій корпус та розміщені ззовні комп'ютера. Внутрішні модеми займають роз'єднувач розширення комп'ютера, а зовнішні - СОМ-роз'єднувач. Користувачу ліпше працювати з зовнішнім модемом, оскільки він має додаткові панелі індикації стану передавання інформації, простіший у конфігуруванні та експлуатації. Зовнішні модеми бувають такі:
настільні - мають автономне живлення;
портативні - менші від настільних;
у вигляді карти інтерфейсу PC Card;
виконані для роботи в модемному стояку.
Різновиди каналів, з якими модеми працюють
Звичайні "телефонні"модеми передають інформацію комутованими з'єднаннями по телефонному каналу.
Чотирипроводовімодеми передають інформацію по чотирьох лініях. Дві лінії використовують для передавання, а дві - для приймання даних. Це дає змогу значно зменшити вплив завад та підвищити швидкість передавання.
Мережеві модеми мають вбудований адаптер локальної мережі, працюють безпосередньо, як вузол локальної мережі (модеми фірми Shiva).
Модеми для швидкісного передавання прямим кабелем (Limited Distance Modem, або Short Range Modem (LDM)) використовують не телефонний канал, а пряме проводове сполучення. Тому швидкість передавання в них значно більша. Наприклад, модеми серії 217х Motorola забезпечують на відстані до 15 км швидкість 80 Кбіт/с (для якісних ліній - до 2 Мбіт/с) (див. Д. 13.1, порівняйте DSL-технології (Розділ 19)).
Якщо модем для прямого передавання працює через ј ART, то швидкість передавання не перевищує швидкості роботи UART.
Радіомодеми передають пакети інформації в діапазоні частот радіотелефону, мають вбудований радіопередавач.
Стільникові модеми призначені для передавання інформації в стільниковій телефонній мережі. Працюють у винятково несприятливих умовах (трясіння, зміна амплітуди сигналу, завади, тимчасове щезання сигналу, його відбивання). Використовують спеціальні протоколи.
На базі радіо- та стільникових модемів будують безпроводові мережі.
Сервісні можливості
Факс-модеми (з інтегрованою можливістю приймати та передавати факс-повідомлення). Звукові модеми (дають змогу записувати мовлення з каналу та відтворювати його). Модеми одночасного передавання мовлення та даних (Simultaneous Voice and Data (SVD)).
Типи передавання
Розрізняють асинхронні та синхронні модеми. Найпоширенішими є асинхронні модеми для передавання даних комутованими телефонними лініями. Синхронні модеми передають дані між мейнфреймами, а також у мережах Х.25. Як звичайно, усі професійні модеми синхронні.
Ступінь спеціалізації
Модеми бувають дешеві широкого використання та дорогі мережеві. Мережеві модеми, як звичайно, виготовляють комплектами. Вони забезпечують як доступ абонентів до мережі, так і міжвузлові та міжмережеві зв'язки. Мережеві модеми передають інформацію пакетами і надають користувачу значно більший обсяг послуг, ніж модеми широкого використання. Мережеві модеми можуть також реалізовувати дво- та чотирипроводове передавання, виконувати мультигшексування даних.
Набір протоколів
Набір протоколів визначає швидкість передавання даних модема, алгоритми виправляння помилок, сумісність та можливість роботи з модемами інших виробників. Це головний параметр вибору модема.
Частота-носій телефонного кабелю становить 3000 Гц, максимальна швидкість передавання - 2400 бод. Це обмежує подальший розвиток модемних технологій. З поширенням мереж ISDN (швидкість передавання - 2-64 Кбіт/с), а в перспективі і мереж ATM (швидкість передавання необмежена, сьогодні - 150-600 Мбіт/с), модем, як засіб передавання, відійде у минуле.
Згідно з міжнародними стандартами смуга перепускання телефонного каналу фіксована - 3100 Гц (300-3400 Гц). На практиці реальна ширина смуги перепускання залежить від апаратури, яку використовують для передавання.
У багатоканальних телефонних системах з частотним ущільненням канал вужчий з огляду на наявність розділювальних міжканальних фільтрів. У цьому випадку спотворення на краях каналу настільки значні, що під час передавання даних ці краї не використовують.
У цифрових каналах з часовим розподілом (ЧРК) ширина смуги перепускання навіть вища від номінальної, що визначене відповідними фільтрами, які перепускають сигнали частотою від нуля герців. Смуга перепускання систем з ЧРК наближається до 4000 Гц.
8.4. Структурна схема та робота модема
Модем перетворює цифрові імпульсні сигнали в аналогові, придатні для передавання телефонним каналом, та навпаки.
Він складається з таких компонентів (рис. 13.1):
лінійного вузла спряження з телефонною лінією, що містить узгоджувальний трансформатор, реле набирання номера, схему фіксування дзвінка;
блока перетворення аналогового сигналу в цифровий та навпаки. Сюди належать АЦП, ЦАП, відповідні фільтри, диференційна система, що виділяє корисний сигнал;
сигнального цифрового процесора (СЦП) (Digital Signal Processor (DSP));
оперативної пам'яті (ОП);
мікроконтролера протоколів з власною постійною пам'яттю (ПП);
інтерфейсного вузла спряження з роз'єднувачем RS-232C;
внутрішньої шини, по якій відбувається взаємодія компонентів модема.
Сигнал з телефонної лінії через вузол спряження надходить на диференційну систему, яка виділяє корисний сигнал, проходить через систему фільтрів, що приглушують високочастотні шуми, та потрапляє на блок АЦП. Розрядність АЦП досить велика (10-12), тому похибкою, яку він спричинює, можна знехтувати. Цифровий сигнал з АЦП надходить на СЦП.
Завдання сигнального процесора - цифрове опрацювання сигналу для передавання з метою збільшення його завадостійкості, що передбачає виконання декількох тисяч обчислювальних операцій на кожен біт переданої інформації.
Мікроконтролер керування ущільнює дані за стандартом V.42, виконує функції опрацювання факсимільних повідомлень (у факс-модемах), інші сервісні функції і в цілому керує роботою модема. В цьому разі він звертається як до власних мікропрограм, записаних у ПП, так ідоОП.
8.5. Передавання даних у двопроводовій лінії з використанням модема
Розглянемо приклад організації передавання даних між двома ПК через модеми по призначених лініях (рис. 13.2).
У цьому випадку відбуваються такі дії (рис. 13.3):
на першому ПК користувач уводить інформацію для передавання та натискає на клавішу Enter;
ПК користувача надсилає на модем сигнал Запит на передавання;
перший модем сприймає цей сигнал та надсилає телефонною лінією сигнал-носій (carrier). Його генерує модем, а не телефонна служба;
другий модем приймає цей сигнал, синхронізує свій приймач і повідомляє другий ПК про його виявлення;
перший модем очікує деякий час, щоб дати змогу другому модему виявити сигнал-носій, і надає першому ПК сигнал Готовий до передавання;
ПК передає на модем блок даних, який модулює сигнал-носій та передає його лінією другому модему;
другий модем демодулює сигнал, одержує дані та передає їх своєму ПК;
другий ПК приймає дані від модема;
коли перший ПК закінчив передавання, він знімає сигнал Запит на передавання;
перший модем виявляє зникнення сигналу Запит на передавання та перестає передавати в канал сигнал-носій;
другий модем виявляє його зникнення і через деякий час знімає сигнал Виявлення сигиалу-носія, який передавав другому ПК.
Отже, передавання закінчилося.
Якщо зв'язок іде комутованими лініями, то передавання відбувається аналогічно, але перед його початком налагоджують сполучення за таким порядком:
ініціалізують послідовний порт;
попередньо налагоджують модем;
коли модем перебуває в командному режимі, програма надсилає сигнал DTR про готовність до передавання даних;
оператор задає в командному рядку команду налагодження сполучення з певним телефонним номером;
модем виконує команду, налагоджує сполучення з віддаленим модемом, переходить у режим передавання даних та подає сигнал DSR; видається сигнал DCD;
програма надсилає сигнал RTS про готовність до передавання, модем - сигнал CTS про готовність до приймання. Відбувається передавання.
Отже, під час налаштування сполучення та передавання даних використовують спеціальні сигнали та команди підтвердження готовності до приймання або передавання. Ці сигнали можуть бути апаратними або програмними. В інтерфейсі модем—локальний комп'ютер застосовують апаратні сигнали DTR/DSR під час налаштування сеансу зв'язку та апаратні RTS/CTS під час передавання кожного інформаційного кадру. У ланці модем-модем неможливість використання більш швидкодійних апаратних сигналів зумовлює потребу обмінюватися спеціальними байтами підтвердження (XON/XOFF).
Звичайні модеми застосовують з такою метою: додзвонювання (автоматичне набирання номера), обмін файлами, обмін текстом у реальному масштабі часу, керування віддаленим коми 'ютером, емуляція термінала, доступ до електронних дощок оголошень (BBS), доступ до глобальних мереж, віддалене використання локальної мережі.
8.6. Передавання даних через телефонну мережу з використанням модема
Телефонний апарат абонента приєднано до районної АТС з використанням пари мідних дротів (абонентської лінії). Інші абоненти використовують інші пари дротів багатопарного кабелю, прокладеного до районної АТС (рис. 13.4).
АТС відправника та одержувача можуть бути сполучені іншою парою дротів (сполучна лінія). Кількість сполучних ліній між двома АТС значно менша, ніж кількість абонентів обох станцій. Такі багатопарні кабелі використовують, якщо дві АТС розташовані на відстані кількох кілометрів. Якщо ж відстань більша, то в кожній сполучній лінії організують цифрове передавання з ЧРК потужністю в декілька десятків каналів зв'язку (ЕЙ, ТІ).
Якщо АТС відправника та одержувача розташовані в різних містах, то до цієї системи між районними приєднуються дві МТС, сполучені міжміським каналом зв'язку. Такі канали можуть мати різне передавальне середовище, однак найчастіше в них використовують ЧРК, а кількість каналів (для мовлення) досягає кількох тисяч.
Теоретичною базою систем з ЧРК є теорема Котельникова, згідно з якою, сигнал, який не містить частотних складових вище частоти/ можна подати як сукупність дискретних відліків з часовим інтервалом 1/(2/). Максимальна частота сигналу мовлення - 3400 Гц, а частота дискретизації могла б бути 6800 Гц. Проте для спрощення технічної реалізації канальних фільтрів цю частоту прийняли на рівні 8000 Гц.
Отримання окремих відліків (дискретизація) та перетворення їх у відповідні цифрові значення виконують АЦП. Кожен АЦП працює з деякою похибкою, пов'язаною з обмеженою кількістю рівнів квантування сигналу. Ця похибка тим менша, чим більша розрядність АЦП (і, відповідно, менший крок квантування). Наприклад, для 20-розрядного АЦП ця похибка менша від одної мільйонної частки сигналу.
У реальних системах використовують восьмирозрядні АЦП як компроміс між значним впливом похибки за меншої розрядності та зменшенням швидкості передавання (потреби детальнішого опрацювання сигналу, наявності більше розрядів для передавання, які займають смугу перепускання) за більшої розрядності. Тому впливом похибки квантування не можна знехтувати. У цьому разі кажуть, що виникає шум квантування.
Будь-який шум (у тому числі й квантування) сильніше впливає на слабкі сигнали. Щоб запобігти цьому, можна застосувати дискретизацію з різними кроками квантування - великими для більших значень сигналів та малими для менших. Для спрощення технічного вирішення цієї проблеми виявилося достатнім наявний сигнал перепустити через спеціальний пристрій (компандер), який слабкі сигнали підсилює, а сильні - послаблює. Сигнал з виходу компандера надходить на АЦП з рівномірним кроком квантування.
У разі восьмирозрядного передавання швидкість передавання така:
2/8 = 2-4000-8 = 64000 біт/с.
На приймальному боці сигнали розділяють на групи по вісім та спрямовують у ЦАП, який відновлює вихідний сигнал. Перед видаванням цього сигналу він проходить операцію, зворотну до компресії, - експандування (пристрій називають експандером).
У системах з ЧРК окремі ІКМ-потоки зливаються в єдиний груповий зі швидкістю 64N біт/с. Так отримують канали Е1 (N=32) та ТІ (N=24).
8.7. Керування модемом
Сучасний модем - це складний технічний пристрій, яким можна керувати з ПК, якщо надсилати на нього коди керування. Як звичайно, модем має два режими роботи:
командний;
передавання даних.
Керувати модемом можна у командному режимі. Коди керування модемів різні, однак є один загальноприйнятий стандарт, розроблений фірмою Hayes на початку 80-х років. Його підтримують більшість модемів, їх ще називаютьHayes-cyjvticHUMii. Майже всі команди модема починаються з комбінації AT (Attention - Увага!). Наведемо приклади деяких команд:
ATZ Налаштування початкових значень
ATDT# Тональне набирання телефонного номера
ATDP# Імпульсне набирання телефонного номера
AT&F Завантаження "фабричних" параметрів модема
AT&W Записування поточних значень параметрів у пам'ять модема. Ці значення
діють у випадку поновного ввімкнення модема або виконання команди ATZ.
Увімкнувши модем, його треба спочатку налаштувати. Для цього використовують послідовність команд, записану в рядку ініціалізації. Для кожного типу модема може бути свій рядок ініціалізації. У командах ініціалізації треба також враховувати тип телефонної станції, тип модема, з яким налаштовують зв'язок. Більшість виробників постачають апаратно зашиту в модем "фабричну" послідовність ініціалізації, яку викликають командою AT&F.
8.8. Стандарти модемів
Усі модемні стандарти можна розділити на три групи: протоколів передавання даних, корекції помилок, стискання. За рівнем поширення та сумісності з іншими стандартами розрізняють міжнародні стандарти, фірмові протоколи, що стали стандартом де-факто, а також малопоширені фірмові розробки. Стандарти передавання даних модемом наведені в табл. 13.1.
Низькошвидкісні стандарти
Bell iO3j -300 біт/с
Bell 212a -1200 біт/с
V.22 -1200 біт/с
V.22bis -2400біт/с
Стандарти Bell прийняті в США, стандарти V.22, V.22bis - ITU. Передавання даних дуплексне для двопроводових ліній зв'язку. У стандарті V.22bis дані груповані по 4 біти і передаються зі швидкістю 600 бод.
Середньошвидкісні стандарти
Bell 208 -4800 біт/с
V.29 - 9600 біт/с
V.33 -14400 біт/с:
Ці стандарти специфікують передавання даних призначеними чотирипроводовими лініями, їх використовують зрідка.
V.32 -9600 біт/с
Стандарт V.32 діє з 1984 р. для звичайних двопроводових комутованих ліній. Дані в ньому груповані по 4 біт і передаються зі швидкістю 2400 бод. Цей стандарт дає змогу обом модемам передавати дані одночасно. Для його реалізації розроблено спеціальний сигнальний процесор, який компенсує луна-сигнали (див. Д. 13.1), та поліпшено техніку фазового матричного кодування, яка значно зменшує рівень помилок.
У1989 р. прийнято стандарт:
V.32bis - 14400 біт/с,
який є розширенням V.32 з сильнішою компенсацією луна-сигналу. Висока швидкість передавання досягається, якщо висока якість ліній зв'язку. Дані груповані по 6 біт і передаються зі швидкістю 2400 бод (про групування даних див. Д.13.2).
З 1994 р. діє стандарт,
V.34 -28800 біт/с.
Порівняно з V.32bis у ньому введено низку нових вирішень.
Попереднє кодування (precoding). У швидкісних модемах широко використовують метод адаптивної корекції, який компенсує тремтіння фази та коливання рівня сигналу. Однак адаптивна корекція інколи призводить до посилення шуму в каналі. Процедура попереднього кодування дає змогу змінити сигнал так, щоб запобігти цьому.
Багатовимірне кодування (multidimensional coding). Кожен символ, що його передає модем, складається з певної кількості бітів. Чим більше обчислювальних ресурсів має модем, тим більше бітів на один символ він зможе передати. Наприклад, модем стандарту V.32bis передає 6 біт на символ зі швидкістю 2400 симв/с. Модеми стандарту V.34 передають 9 біт на символ зі швидкістю 3200 симв/с.
Нелінійне кодування (nonlinear coding) використовують для збільшення відстані між піками сигналів, що робить їх стійкішими до спотворення (порівняйте з поняттям кодова відстань).
Тестування лінії (line probing). Перед та під час роботи перевіряється якість лінії та адаптивно вибирається швидкість передавання.
Ліпші апаратні вирішення. Модем має ліпші аналого-цифровий та цифро-аналоговий перетворювачі (АЦП/ЦАП) з підвищеною роздільною здатністю (сигма-дельта перетворення), більшу ємність пам'яті, використано нове покоління сигнальних процесорів,
які виконують до 1000-2000 обчислень на один біт, тоді як у модемі V.32 — 200-300 обчислень.
З 1998 р. діє стандарт
V.90 -56 Кбіт/с.
Швидкість передавання у модемах стандарту V.90 збільшується тільки у випадку низхідного передавання (сервер—клієнт) унаслідок вилучення етапу аналого-цифрового перетворення сигналу на шляху від сервера до клієнта. У цьому випадку АТС на зворотному шляху сигналу повинні бути цифровими. Збільшення швидкості досягається завдяки зменшенню шуму, який створював АЦП. У прямому каналі (між клієнтом та сервером) швидкість відповідає стандарту V.34. Детальніше принципи роботи модема V.90 описані в Д.13.4.
У листопаді 2000 p. ITU-T схвалило три нові стандарти для модемів. Стандарт
V.92 - 48-56 Кбіт/с
є розширенням V.90. Він передбачає збільшення швидкості висхідного передавання клієнтським модемом до 48 Кбіт/с. У цьому стандарті також уведені такі важливі функції, як Call Waiting та Modem on hold. Вони дають змогу перервати сеанс зв'язку з сервером Internet, якщо надійшов телефонний дзвінок на ту ж лінію і вже після розмови поновити його з моменту припинення. Для успішного використання цих функцій їх теж повинна підтримувати цифрова АТС клієнта. Також затверджено нові методи ущільнення даних у стандарті V.44, які ґрунтуються на алгоритмі LZJH та дають змогу ущільнити дані більш ніж на 25% порівняно з V.42bis. Стандарт V.59 визначає нові методи діагностування модема та виявлення розривів сполучень.
Стандарти виправляння помилок
Стандарти MNP 2-4 розроблені фірмою Microcom і призначені для виправляння поми-лок. MNP 2 - байтова процедура (для обчислення контрольної суми (Cyclic Redundancy Check (CRC)) послідовно використовувані байти даних). MNP 3 - бітова процедура (послідовність бітів не подільна на байти). MNP 4 — це надбудова над MNP 2, 3, яка їх використовує.
Стандарт V.42 (1988) регламентує виправляння помилок за методом повторення запитів. Дані груповані в блоки. Правильність передавання перевіряють підрахунком контрольної суми. В основі стандарту V.42 є протокол LAPM (Link Access Procedure for Modem). Це бітовий протокол, що використовує підмножину протоколу канального рівня HDLC (див. Розділ 8). Під час налагодження сполучення модем пробує працювати на LAPM. Якщо ж це не вдається, то переходить на MNP.
Стандарти ущільнення інформації
Протоколи динамічного пакування/розпакування даних обов'язково працюють разом з відповідними протоколами виправляння помилок. Вони використовують різні модифікації алгоритмів Лемпеля-Зіва.
Протокол MNP 5 працює з протоколами MNP 2-4. Однак сучаснішим є протокол стандарту V.42bis, який можна реалізувати тільки зі стандартом V.42. Середній коефіцієнт ущільнення у ньому становить 4. Автоматично простежується ступінь ущільнення даних, якщо дані вже ущільнені, то вдруге їх ущільнити не можна.
Асинхронний повнодуплексний зв'язок
Інколи виникає потреба налаштувати один швидкісний (9600 біт/с) прямий інформаційний канал та повільний зворотний (300 біт/с). У цьому випадку не виходять за межі перепускної здатності телефонного каналу, а також не треба дорогих схем коректування луна-сигналів. Така технологія одержала назву HST (High Speed Technology) фірми US Robotics. У 1989 p. US Robotics удосконалила HST-технологію: прямий канал має швидкість 14 400 біт/с, зворотний - 450 біт/с. HST стала стандартом для електронних дощок оголошень BBS.
Стандарти протоколів для стільникових модемів
Усі відомі протоколи для стільникових модемів суміщують функції протоколів передавання даних та виправляння помилок. Працюють вони у винятково несприятливих умовах, з постійними змінами швидкості передавання та розміру блока (V-протоколи не забезпечують динамічної зміни розміру блока).
Прикладами таких протоколів є MNP10 (перший стільниковий протокол, що давав змогу динамічно змінювати швидкість і розмір блоків) та сучасніша розробка ETC (Enhanced Throughput Cellular) компанії AT&T Paradyne (є розширенням протоколів V.32bis та V.42bis).
Стільникові модеми та протоколи можна використовувати і в звичайних лініях, особливо якщо є значні завади.
Д.13.1. Компенсація луни
Під час передавання сигналу телефонною мережею стикаються з явищем луни (рис. Д.13.1).
У цьому випадку прямий сигнал проходить лінією до місця призначення, відбивається і йде в зворотному напрямі. Під час прямого та зворотного проходження він посилюється і потрапляє назад, накладаючись на первинний сигнал. Якщо загальна відстань передавання невелика, то луну не розрізняють. Однак якщо проміжними є супутникові канали з великою затримкою, то вплив луни стає значним. Крім того, луна, що передається каналом зв'язку, використовує деяку частину його перепускної здатності.
Особливо важливо зменшити вплив луни під час передавання даних. З цією метою можна використовувати спеціальні прилади, які по черзі блокують передавання в прямому та зворотному напрямах. У сучасних системах для компенсації луни застосовують електронні засоби, які очищають корисний сигнал від луна-сигналу.
Д.13.2. Групування даних
Телефонні канали, якими передають дані за допомогою модема, були первинно спроектовані для передавання аналогового сигналу мовлення. Відомо, що діапазон сигналу мовлення становить 30-15 000 Гц. Проте головна частина сигналу припадає на діапазон 300-3400 Гц. Смуга перепускання телефонного каналу - 3100 Гц. Для передавання даних зі швидкостями понад 3000 біт/с потрібно за один період модуляції передавати кілька бітів.
Швидкість, виміряна за частотою зміни сигналу-носія, дає швидкість передавання в бодах. Якщо за один період модуляції передається 1 біт, то швидкості передавання, виміряні в бодах і в бітах за секунду, збігаються. Однак це справджується тільки для низькошвидкі с них модемів (до J 200 біт/с).
Відомо, що модеми, у яких швидкість становить 4800 біт/с, передають 3 біти за період з частотою 1600 Гц, модеми, у яких швидкість 9600 біт/с, передають 4 біти за період з частотою 2400 Гц. Як же відбувається подібне групування даних?
Наприклад, модем, у якому швидкість 2400 біт/с, за період передає 2 біти. Кожній з чотирьох можливих комбінацій значень цих бітів відповідає зсув фази у випадку фазової модуляції сигналу-носія (відповідно на 0°, 90°, 180°, 270°). У модемах, де швидкість становить 4800 біт/с, кількість зсувів фази досягає вже восьми. У модемах з більшими швидкостями внаслідок технічних труднощів детектування невеликих зсувів фаз використовують квадратурну амплітудну модуляцію - комбінацію восьми фаз та чотирьох значень амплітуд (у модемах на 9600 біт/с).
Д.13.3. Модеми для фізичних ліній
Модеми для фізичних ліній (МФЛ) - це апаратура передавання даних по призначеній ненавантаженій мідній парі на відстань до 40 км. В англійській термінології для позначення цих модемів є терміни baseband modem, short-range modem, limited distance modem, line driver, short-haul modem.
Якщо мідними дротами з'єднати персональні комп'ютери безпосередньо (без телефонних комутаторів та фільтрів), то дані можна передавати зі швидкістю до 50 Мбіт/с. За даними консорціуму ADSL Forum максимальна дальність передавання цифрового сигналу по одній парі мідних дротів діаметром 0.5 мм на швидкості 1.544 Мбіт/с становить 6 км, а на швидкості 2 Мбіт/с - 5 км.
Отже, МФЛ забезпечують невелику дальність зв'язку, гальванічну розв'язку щодо зазем-лення між пунктами та досить високу швидкість передавання.
МФЛ не виконують функції модуляції/демодуляції, а тільки кодують сигнали. Вони потребують широкої смуги перепускання (не менше 80 МГц) та використовують усю смугу допустимого спектра частот, не дають змоги частотно розподіляти канали.
Одне з обмежень щодо швидкості - телефонні комутатори АТС та встановлені там фільтри (4 кГц).
Класифікація МФЛ:
дешеві модеми зі швидкістю передавання до 160 Кбіт/с та недостатньо новими алгоритмами кодування;
дорогі модеми зі швидкостями близько 2 Мбіт/с. У них часто використані досить дорогі технології xDSL (див. Розділ 28).
МФЛ застосовують для налагодження зв'язку на "останній милі".
Д.13.4. Передавання даних з використанням V.90
Розглянемо схему модемного сполучення (див. рис. 13.4).
Сигнал, що його передає аналогова АТС, проходить через АЦП, який має невелику роз-рядність (8). Це створює додаткові похибки квантування. В модемах на 56 Кбіт/с АТС оператора зв'язку є цифровою. Вона безпосередньо працює з цифровим модемом клієнта без проміжних АЦ-ЦА перетворень сигналу, що дає змогу уникнути шуму квантування та збільшити вислідну швидкість низхідного передавання (рис. Д. 13.2). Зауважимо, що на зворотному шляху сигналу немає жодного АЦП і, отже, не виникає похибки квантування.
Теоретично швидкість передавання можна було б підвищити до 64 Кбіт/с. Однак для боротьби з завадами, що їх створюють абонентські лінії та інші джерела, з 8 біт коду використовують тільки 7, це дає змогу збільшити кодові відстані між дозволеними позиціями сигналів, а також захист від завад. Тому швидкість і становить 7-8000 = 56 Кбіт/с.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать