§ 6.6. Дистанционная передача данных
Следует особо отметить, что обмен данными между различными ЭВМ осуществлялся задолго до появления локальных сетей по аналоговым телефонным линиям. Для этого использовались специальные акустические устройства.. При этом передаваемый (получаемый) сигнал поступап непосредственно на телефонную трубку, расположенную в специальной "раковине". Скорость передачи данных была ограничена 2400 бит/с, а различные помехи делали такую связь очень нестабильной.
Аналоговые каналы (телефонные станции и линии) широко используются для передачи информации между ЭВМ и в наши дни. Устройство, позволяющее обмениваться информацией между цифровыми устройствами через эти каналы называется модем. Термин "модем" составлен из двух слов: "модулятор" и "демодулятор". В этом случае опять-таки речь идет о цифро-аналоговом и аналого-цифровом преобразованиях. В процессе обмена цифровая информация передатчика модулируется для передачи через аналоговый телефонный канал в виде тональных посылок звукового диапазона частот. Приемник преобразует (демодулирует) эти аналоговые сигналы в цифровые значения, которые приемник может интерпретировать. Все эти преобразования и возлагаются на модем.
Упрощенная структурная схема современного модема представлена на рис. 6.6.1. Модем состоит из следующих основных элементов:
Адаптеров портов ввода/вывода, предназначенных для обмена данным между модемом и телефонными линиями, а также между модемом и ЭВМ.
Сигнального процессора (DSP), модулирующего/демодулирующего сигналы и обеспечивающего соответствующие протоколы передачи данных.
Рис. 6.6.1. Функциональная схема модема
Контроллера, осуществляющего под управлением DSP, обработку команд и буферизацию данных.
Микросхемы ROM, в которой "прошита" программа управления модемом.
Микросхемы ERPROM, позволяющей сохранять установки модема в момент его выключения.
Микросхемы RAM, которые являются оперативной памятью модема.
По типам модемы делятся на внутренние и внешние. Преимущество внутреннего модема состоит в том, что на рабочем месте нет никакого дополнительного периферийного устройства. Недостатком внутреннего модема является необходимость выполнения ряда операций для перенастройки модема, например, для изменения номера прерывания или адреса порта. Внешний модем намного проще в установке: его достаточно подключить к разъему последовательного интерфейса с помощью специального кабеля, входящего в состав комплекта поставки. Кроме того, из-за наличия у внешнего модема светодиодных индикаторов (LED) появляется больше возможностей для контроля за состоянием устройства, которое у внутреннего модема можно отслеживать только путем использования специального программного обеспечения. Кроме того, благодаря размещению всех компонентов внутри собственного корпуса, который соединен с компьютером только кабелем данных, внешний модем более удобен, так как его можно без проблем подключить к другому компьютеру.
Кроме внешних и внутренних, в особую группу выделяют так называемые "софтмодемы" (программные модемы), часть функций которых выполняет специальная программа, установленная на компьютере. Современные программные модемы можно разделить на два типа.
Модемы, не имеющие собственного контроллера и DSP, и включающие в себя лишь генератор полного набора частот, необходимый для реализации протоколов, и цифровой фильтр входных и выходных сигналов модема.
Модемы, имеющие полноценный DSP, но контроллер в них отсутствует.
Преимуществами программного модема являются низкая стоимость, за счет экономии на элементной базе, легкая установка и
модернизация простой заменой программы.
К недостаткам программного модема относятся следующие: задействование дополнительных ресурсов компьютера, привязанность к определенной операционной системе и необходимость наличия хорошей телефонной линии.
Различают следующие режимы работы модема:
Режим передачи данных, в котором модем передает и принимает данные.
Режим команд, в котором модему даются инструкции, параметры работы и команды вызова абонента, прерывания сеанса связи, инициализация модема и т. п.
Для режима команд стадартным признан набор команд разработанный фирмой Hayes. Этот набор команд состоит из АТ-команд и обеспечивает всем модемам единую основу для осуществления связи друг с другом. За некоторым исключением все команды начинаются с префикса AT (Attention — внимание), который дополняется собственно командой с параметрами. Командная строка может содержать несколько АТ-команд, при этом в начале строки следует только один префикс AT. Ввод командной строки, общая длина которой не должна превышать 40 символов, завершается нажатием клавиши <Enter>. Команды в выполняются слева направо. Список команд приведен в таб. 6.6.1.
Совершенно очевидно, что при передаче данных на большие расстояния через устаревшую телефонную линию возникают ошибки.
Параметр |
Функция |
A |
Модем готов к работе, режим ожидания |
DP |
Импульсный набор абонента+номер |
DT |
Тональный набор абонента+номер |
W |
Ожидание несущей |
Mx |
Вкл/выкл громкоговорителя (0,1,2) |
Lx |
Уровень грокости (0-7) |
Qx |
Ком. управления ответом модема ( OK, Connect) 0-выкл, 1- вкл. |
Hx |
Управление линией (0-откл., 1- подкл.) |
Z |
Инициализация модема |
&W |
Запись тек. конф. модема |
Sx= |
Определение параметров модема (x-0…100) |
Таблица 6.6.1. Список AT-команд модема
Плохо, если при передаче больших массивов данных перед окончанием сеанса связи, эта связь прерывается из-за ошибки. Для решения таких проблем и были разработаны протоколы коррекции ошибок. При этом, как правило, одновременно с коррекцией ошибок используются и протоколы сжатия передаваемых данных. Следует заметить, что эти алгоритмы сжатия данных, похожи на алгоритмы архивирующих программ.
Фирмой Microcom была разработана серия протоколов MNP (Microcom Networking Protocol), фактически ставших стандартом для производителей модемов. Данная серия протоколов определяет организацию обмена данными между компьютерами, различные спецификации коррекции ошибок и сжатия данных. Каждая следующая спецификация стандарта, как правило, наследует возможности предшествующей (совместимость снизу вверх).
Согласно протоколам MNP предача информации осуществляется пакетами. Существуют синхронный и асинхронный режимы передачи данных. В асинхронном режиме пакет содержит стартовый бит, 8 битов информации 1 бит четности и 1-2 стоп-бита. В синхронном режиме стартовый и стоп-бит не передаются. Кроме того, передача информации может осуществляться в дуплексном и полудуплексном режимах.
В дуплексном режиме (full-duplex mode) передача информации происходит одновременно в двух направлениях. В полудуплексном режиме (half-duplex mode) передача данных в каждый момент времени ведется по двухпроводному каналу только в одном направлении (поочередная двунаправленная передача). Модемы, работающие в полудуплексном режиме, проще в реализации и не требуют принятия мер по подавлению сигнала противоположного направления. Однако в таких модемах ниже эффективность использования канала связи. При больших задержках сигнала, например в спутниковых каналах, использование полудуплексного режима приводит к возрастанию потерь времени при сменах направления передачи.
Кроме того, старшие версии протоколов предусматривают возможность гибкой передачи информации в зависимости от качества телефонной линии: величина пакета варьируется в пределах от 32 до 1024 байт. Коэффициент сжатия увеличен до четырех, повышена надежность передачи данных, предусмотрена возможность повторной передачи с момента обнаружения ошибки, а не после передачи всего пакета, была добавлена возможность передачи нескольких файлов.
Все существующие модемы можно также разделить на две группы: поддерживающие аппаратную коррекцих ошибок и не поддерживающие. Первые протоколы передачи файлов появились задолго до модемов, поддерживающих аппаратное исправление ошибок. Для безошибочной передачи данных в этих протоколах применяются специальные методы исправления ошибок. Данные передаются блоками (кадрами) определенной длины, и в каждый из них включается проверочная комбинация (CRC) для обнаружения ошибок. Эта комбинация формируется по определенному правилу на основе предаваемых информационных битов блока. На приемной стороне проверочная комбинация вычисляется повторно по тому же правилу и сравнивается с принятой. При совпадении проверочных комбинаций посылается подтверждение правильного приема, при несовпадении — запрос на повторную передачу данного блока.
Среди протоколов, рассчитанных на отсутствии аппаратной коррекции ошибок можно выделить Xmodem, Xmodem CRC, Xmodem 1K, Ymodem, Kermit, Zmodem. Если применяются модемы с аппаратной коррекцией то лучше использовать протоколы YmodemG или Zmodem. Все эти протоколы основаны на стандартах MNP. Ниже в качестве примеррассмотрим порядок Ниже рассмотрим порядок организации обмена данными на примере протокола Xmodem.
Протокол Xmodem разработан в 1977 г. и стал стандартом для связи персональных компьютеров. Передающий компьютер начинает передачу файла только после приема от принимающего сигнала NAK (Negative AcKnowledge), представляющий собой последовательность 0010101 в кодировке ACSII.
Рис. 6.6.2. Структура пакета информации по протоколу Xmodem
Принимающий передает сигнал NAK до тех пор, пока не начнется передача файла. После приема сигнала NAK передающий компьютер посылает пакет данных стоящий из знака начала блока SOH (Start Of Header), двух номеров блока, блока данных из 128 байт и контрольной суммы CS (Check Sum). Контрольная сумма CS размером в 1 байт представляет собой остаток от деления на 255 значения суммы кодов ASCII знаков, входящих в блок данных. Принимающий компьютер тоже вычисляет контрольную сумму и сравнивает ее с принятой. Если сравниваемые значения различны либо прошло 10 с, а прием блока не завершен, принимающий PC посылает передающему сигнал NAK, означающий запрос на повторную передачу последнего блока. Если блок принят правильно, принимающий компьютер передает сигнал подтверждения приема АСК (AcKnowledge). В случае, если следующий блок не поступил в течение 10 с, то передача сигнала АСК повторяется до тех пор, пока этот блок не будет принят правильно.
После девяти неудачных попыток передачи блока связь прерывается. Использование двукратной передачи номера блока исключает повторную передачу одного и того же блока из-за потери подтверждающего сообщения. Принимающий компьютер проверяет номера принимаемых блоков. Если блок ошибочно передан повторно, то он сбрасывается. После успешной передачи всех данных передающий компьютер посылает сигнал завершения передач EOT (End Of Transmission), сообщающий об окончании сеанса связи. Перерыв в передаче блока свыше 1с считается перерывом связи.
В последующих версиях протокола 8-битная контрольная сумма (CRC) была заменена 16-битной циклической проверочной последовательностью, поэтому существенно повысилась надежность передачи данных.
Особо следует отметить протокол Kermit — протокол передачи, наиболее часто используемый в сетях UUCP (Unix to Unix Copy). Он создан в начале 80-х годов и является универсальным протоколом для передачи данных между разными типами ЭВМ. Протокол Kermit использует для передачи данных пакеты переменной длины с максимальным размером 94 байта и, подобно протоколу Ymodem, может передавать несколько файлов друг за другом, так что каждый отдельный файл не требует нового запроса. Несмотря на то, что протокол Kernirt не слишком эффективен, он довольно часто используется в UNIX-системах.
Использование телефонных сетей и аналоговых модемов возможно самый распространенный, но отнюдь не самый быстрый способ обмена информацией между различными ЭВМ (максимальная скорость обмена 57,6 Кбит/с). Пркладка новых высокоскоростных оптоволоконных линий связи дело и трудоемкое, и дорогое. Это и стало причиной дальнейшего развития и внедрения стандарта цифровой телефонии ISDN (Integrated Services Digital Network — цифровая сеть с предоставлением комплекса услуг). В таких сетях используются обычные телефонные линии связи и специальное оборудование (рис. 6.6.3, NT1 — устройство взаимной связи). Линия включает два цифровых канала (скорость передачи данных до 64 Кбит/с) и сигнальный канал (скорость передачи — 16 Кбит/с). Все три канала обединяются в один с суммарной скоростью 144 Кбит/с.
Рис. 6.6.3. Структура связей ISDN
Отметим, что канал ISDN более надежен (дает меньше ошибок), чем аналоговый.
Другой альтернативой аналоговым каналам связи, а так же каналам ISDN является развитие стандартов xDSL, то есть ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line — Асимметричная цифровая абонентская линия), HDSL (High data rate Digital Subscriber Line — Высокоскоростная цифровая абонентская линия) или VDSL (Very high data rate Digital Subscriber Line — Сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия), которые входят в число технологий высокоскоростной передачи данных, известных как технологии DSL (Digital Subscriber Line — Цифровая абонентская линия).. Общее название технологий DSL возникло в 1989 году, когда впервые появилась идея использовать аналого-цифровое преобразование на абонентском конце линии, что позволило бы усовершенствовать технологию передачи данных по витой паре медных телефонных проводов. Технология ADSL была разработана для обеспечения высокоскоростного (можно даже сказать мегабитного) доступа к интерактивным видеослужбам (видео по запросу, видеоигры и т.п.) и не менее быстрой передачи данных (доступ в Интернет, удаленный доступ к ЛВС и другим сетям). Так что же такое ADSL? Прежде всего, ADSL является технологией, позволяющей превратить витую пару телефонных проводов в тракт высокоскоростной передачи данных. Линия ADSL соединяет два модема ADSL, которые подключены к каждому концу витой пары телефонного кабеля (смотрите рисунок 1). При этом организуются три информационных канала - "нисходящий" поток передачи данных, "восходящий" поток передачи данных и канал обычной телефонной связи (POTS) (смотрите рисунок 2). Канал телефонной связи выделяется с помощью фильтров, что гарантирует работу вашего телефона даже при аварии соединения ADSL.
