Протоколи корекції помилок.
Протоколи корекції помилок можуть бути реалізовані як на апаратному рівні, так і на програмному. Апаратний рівень реалізації більш ефективний.
Перешкоди і шуми, існуючі в каналах зв'язку, приводять до помилок в інформації, що передається. Частота помилок може мінятися в широких межах і досягати величини 0,01. Раніше функція захисту від помилок виконувалася або за рахунок обчислювальних ресурсів кінцевого обладнання даних (КОД) або шляхом створення спеціальної апаратури – пристроїв захисту від помилок. Висока частота помилок в системах передачі даних комутованими каналами змусила ввести функцію захисту від помилок і інші функції 2 рівня еталонної моделі взаємозв'язку відкритих систем безпосередньо в модем.
З середини 80-х рр. в модемах по Рекомендації V.22bis почав широко застосовуватися протокол MNP (Microcom Networking Protocol) компанії Microcom (США). Аналогічно до широко поширеного протоколу HDLC, цей протокол передбачає виявлення помилок за допомогою коду і повторний запит помилково прийнятих блоків інформації. Завдяки дуже широкому використанню, протокол MNP перетворився на фактичний міжнародний промисловий стандарт. Швидкодія апаратної реалізації протоколу MNP приблизно на 30% вище, ніж програмною.
Незважаючи на універсальні характеристики і широке поширення протоколу MNP, в якості свого основного протоколу в Рекомендації V.42, прийнятої в 1988 р., МККТТ стандартизував протокол LAPM (Link Access Protocol for Modems). Вирішальну роль у цьому виборі зіграла сумісність протоколу LAPM з протоколами мереж з пакетною комутацією X.25 (LAPB) та цифрових мереж інтегрального обслуговування (LAPD). Вихідною базою протоколу LAPM є відомий протокол передачі даних HDLC. Протокол MNP, був прийнятий в якості альтернативного і поміщений в Додатку до Рекомендації V.42.
Таким чином, для відповідності Рекомендації V.42 модем повинен одночасно використовувати обидва зазначених протоколи, а сумісність з Рекомендацією досягається застосуванням одного з цих протоколів. Обидва розглянутих протоколи визначають як функцію захисту від помилок, так і інші функції рівня 2 еталонної моделі взаємозв'язку відкритих систем: встановлення і припинення сполучення з виправленням помилок, обмін з КОД та ін.
Розроблено також цілий ряд нових протоколів захисту від помилок для модемів, таких як PEP, X. PC, CAS, EFS та ін Наприклад, протокол X. PC забезпечує одночасне обслуговування до 15 з'єднань і може знайти застосування в мережевих серверах мереж з архітектурою "клієнт-сервер ".
Протоколи стиску інформації.
Стиснення даних, поряд із захистом від помилок, є тією функцією, введення якої в модеми дозволило значно підвищити їхню ефективність і, тим самим, продовжити існування модемів на етапі переходу до повністю цифрових мереж. У той час, як протокол MNP (клас 5) став фактичним промисловим стандартом на стиск даних в модемах, МККТТ в якості попередньої Рекомендації V.42 bis прийняв метод стиснення даних BTLZ (British Telecom Lempel-Ziv), розроблений компанією British Telecom.
Вибір зазначеного методу був зроблений на підставі порівняльного аналізу результатів випробувальної передачі певних файлів з використанням 5 різних методів стиснення: MNP, класи 5 і 7, фірми Microcom (США); CommPressor, фірми Adaptive Computer Technologies (США); модифікований алгоритм Lempel-Ziv ( BTLZ), компанії British Telecommunication PLC (Великобританія). Випробувальні послідовності включали: текстові файли; електронні таблиці; запис сесій електронної пошти; файли програм для головних ЕОМ і мікрокомп'ютерів. На підставі отриманих результатів було зроблено висновок, що метод BLTZ забезпечує високий ступінь стиснення та більш ефективне використання пам'яті і ресурсів процесора.
Першою відмінністю алгоритму BTLZ від інших алгоритмів є спосіб організації довідника, в якому зберігаються більш короткі коди, що використовуються для передачі замість повторюваних довгих відрізків даних. В інших алгоритмах довідник заздалегідь визначений і зберігається в ПЗУ, алгоритм BTLZ динамічно формує ідентичні довідники на передавальній і приймальній сторонах, і останні зберігаються в ОЗП. Тому досягається ступінь стиснення при цьому тим більший, чим більший обсяг пам'яті зайнятий довідником, в той час, як ступінь стискання при інших алгоритмах обмежений фіксованим обсягом довідника. Іншою перевагою протоколу BTLZ є його здатність розпізнавати наявність послідовностей даних, близьких до випадкових. При виявленні таких послідовностей алгоритм вимикає механізм стиснення, продовжує контроль, і включає цей механізм при пропажі випадкового характеру послідовності даних. Інші розглянуті протоколи в такій ситуації знижують пропускну здатність до величини меншої, ніж навіть номінальна швидкість модему. При стисненні текстів за допомогою протоколу BTLZ можуть бути отримані коефіцієнти стиснення до 3, в той час, як для більш регулярних даних, таких, як файли електронних таблиць і деякі графічні файли, коефіцієнт стиснення може досягати значень 4.
Даний метод сильно чутливий до помилок в потоці даних, які призводять до зміни передавального і приймального довідників. Тому він повинен використовуватися в поєднанні з виправленням помилок; з цієї причини він введений як Рекомендація V.42.bis – додаток до Рекомендації V.42.
Можливі 2 варіанти реалізації методу: простий і складний, останній варіант забезпечує більш високий коефіцієнт стиснення інформації, але вимагає великих апаратних і програмних витрат.
На базі стандартного тестового обладнання на моделях комутованих каналів зі спотвореннями були випробувані 12 модемів різних виробників при різних видах переданих даних (тексти, графіка, програми та ін). Отримувані коефіцієнти стиснення для методу BTLZ були завжди кращі, ніж для протоколу MNP, клас 5, і порівняні з результатами для протоколу MNP, клас 7, а в деяких випадках навіть кращі. При цьому реальна швидкість передачі інформації становила від 6000 до 9000 біт/с для модемів на швидкість 2400 біт/с. Застосування стиснення даних в модемах, відповідних Рекомендації V.32, дозволяє підвищувати фактичну швидкість передачі інформації до 38400 біт/с, а в модемах по Рекомендації V.32bis – до 57600 біт/с, тобто, до швидкості, близької до швидкості передачі в цифровому каналі (64000 біт/с).
Незважаючи на зазначені переваги, є 2 причини, що уповільнюють широке поширення Рекомендації V.42bis. Перша, причина, полягає в тому, що окремі алгоритми протоколу захищені патентами, є власністю компаній British Telecom, IBM і Unisys. Тому компанії, що бажають застосувати Рекомендацію V.42bis, повинні перш за все придбати ліцензії у зазначених компаній. Друга причина пов'язана з наявністю обмеження по швидкості (20 Кбіт/с) на стику з КОД (Рекомендація V.24), в той час, як при використанні стиснення даних фактична швидкість обміну може досягати значень 40-60 Кбіт/с.
Протокол MNP7 використовує більш ефективний (порівняно з MNP5) алгоритм стиснення даних і дозволяє досягти коефіцієнта стиснення порядку 3:1. MNP7 використовує поліпшену форму кодування методом Хаффмена в поєднанні з марківським алгоритмом прогнозування для створення кодових послідовностей мінімально можливої довжини.
Кодування за допомогою марківського алгоритму прогнозування та коду Хаффмена
Марківський алгоритм може передбачати наступний символ у послідовності, виходячи з появи попереднього символу. Для кожного октету формується таблиця з усіх 256 можливих наступних за ним октетів, розташованих відповідно з частотою їх появи. Октет кодується шляхом вибору стовпця, відповідного попереднього октету (озаглавлює стовпець), з подальшим відшуканням в цьому стовпці значення поточного октету. Рядок, в якому знаходиться поточний октет, визначає лексему точно так само, як в описаному вище випадку кодування з використанням коду Хаффмена Після того, як кожен октет буде закодований, порядок проходження записів (октетів) у вибраному стовпці змінюється відповідно до нових відносних частот появи октетів .
Стиснення даних за стандартами V.42bis
В даний час методи стиснення даних, включені до протоколів MNP5 і MNP7, цілеспрямовано замінюються на метод, заснований на алгоритмі словникового типу Лемпеля-Зіва-Уелча (LZW-алгоритмі). LZW-алгоритм має дві головні переваги:
Забезпечує досягнення коефіцієнта стиснення 4:1 файлів з оптимальною структурою;
LZW-метод затверджений ITU-T як складова частина стандарту V.42bis. .
Метод стиснення даних LZW заснований на створенні деревовидного словника послідовностей символів, в якому кожній послідовності відповідає єдине кодове слово. Вхідний потік даних послідовно, символ за символом, порівнюється з наявними у словнику послідовностями. Після того, як у словнику буде знайдена кодована послідовність, ідентична вхідний, модем передає відповідне їй кодове слово. Алгоритм динамічно створює і оновлює словник символьних послідовностей.
Розглянемо, наприклад, послідовності А, АУ, БАР, БАС, БИС, ШАГ, ШАР і ШУМ. На рис. показано, як ці послідовності будуть виглядати у вигляді дерев у словнику стандарту V.42bis. Кожен шлях від кореневого вузла до вершини дерева являє собою послідовність, яка може бути закодована за допомогою одного кодового слова. Наявні послідовності можуть розширюватися до тих пір, поки не буде досягнута їх максимальна довжина. Можна додавати нові послідовності, причому єдиним обмеженням є обсяг використовуваного словника.
Приклад структури деревовидного словника послідовностей стандарту V.42bis
Алгоритм стиснення, який визначається стандартом V.42bis, вельми гнучкий. До параметрів, значення яких можуть бути узгоджені між модемами, відносяться: максимальний розмір кодового слова, загальне число кодових слів, розмір символу, кількість символів в алфавіті і максимальна довжина послідовності. Крім того, алгоритм здійснює моніторинг вхідної і вихідної потоку даних для визначення ефективності стиснення. Якщо стиснення не відбувається або воно неможливе (в силу природи переданих даних) алгоритм припиняє свою роботу. Ця властивість забезпечує найкращі робочі характеристики при передачі файлів, які вже були стиснуті (архівовані), або які не піддаються стисненню.
MNP–протоколи, режими MNP –протоколів.
MNP-протоколи MNP (Microcom Network Protocols) – серія найбільш поширених апаратних протоколів, вперше реалізована на модемах фірми Microcom. Ці протоколи забезпечують автоматичну корекцію помилок і компресію переданих даних. Зараз відомі 10 протоколів.
MNP1. Протокол корекції помилок, що використовує асинхронний напівдуплексний метод передачі даних. Це найпростіший з протоколів MNP.
MNP2. Протокол корекції помилок, що використовує асинхронний дуплексний метод передачі даних.
MNP3. Протокол корекції помилок, що використовує синхронний дуплексний метод передучі даних між модемами (інтерфейс модем – комп'ютер залишається асинхронним). Так як при асинхронній передачі використовується десять біт на байт – вісім біт даних, стартовий біт і стоповий біт, а при синхронній тільки вісім, то в цьому криється можливість прискорити обмін даними на 20%.
MNP4. Протокол, який використовує синхронний метод передачі, забезпечує оптимізацію фази даних, яка дещо покращує неефективність протоколів MNP2 і MNP3. Крім того, при зміні числа помилок на лінії відповідно змінюється і розмір блоків переданих даних. При збільшенні числа помилок розмір блоків зменшується, збільшується ймовірність успішного проходження окремих блоків. Ефективність цього методу становить близько 20% у порівнянні з простою передачею даних.
MNP5. Додатково до методів MNP4, MNP5 часто використовує простий метод стиснення інформації, що передається. Символи, які часто зустрічаються в передаваному блоці, кодуються ланцюжками бітів меншої довжини, ніж символи, які рідко зустрічаються. Додатково кодуються довгі ланцюжки однакових символів. Зазвичай при цьому текстові файли стискаються до 35% своєї початкової довжини. Разом з 20% MNP4 це дає підвищення ефективності до 50%. Зауважимо, що якщо ви передаєте вже стиснені файли, а в більшості це так і є, додаткового збільшення ефективності за рахунок стиснення даних модемом не відбувається.
MNP6. Додатково до методів протоколу MNP5 автоматично перемикається між дуплексним та напівдуплексним методами передачі в залежності від типу інформації. Протокол MNP6 також забезпечує сумісність з протоколом V.29.
MNP7. У порівнянні з ранніми протоколами використовує більш ефективний метод стиснення даних.
MNP9. Використовує протокол V.32 і відповідний метод роботи, що забезпечує сумісніть з низькошвидкісними модемами.
MNP10. Призначений для забезпечення зв'язку на сильно зашумленних лініях, таких, як лінії стільникового зв'язку, міжміські лінії, сільські лінії. Це досягається за допомогою таких методів:
Багаторазового повторення спроби встановити зв'язок
Зміни розміру пакетів відповідно до зміни рівня перешкод на лінії
Динамічнї зміни швидкості передачі відповідно до рівня перешкод лінії
Всі протоколи MNP сумісні між собою знизу вгору. При встановленні зв'язку відбувається установка найвищого можливого рівня MNP-протоколу. Якщо ж один з модемів не підтримує протокол MNP, то MNP-модем працює без MNP-протоколу. У теперішній час за кордоном широко використовуються модеми, в яких застосовані класи 4 і 5 протоколу MNP. Більш високі класи не отримали поки широкого визнання.
Режими MNP-модемів.
MNP-модем забезпечує наступні режими передачі даних:
Стандартний режим. Забезпечує буферизацію даних, що дозволяє працювати з різними швидкостями передачі даних між комп'ютером і модемом і між двома модемами. У результаті для підвищення ефективності передачі даних ви можете встановити швидкість обміну комп'ютер-модем вищою, ніж модем-модем. У стандартному режимі роботи модем не виконує апаратної корекції помилок.
Режим прямої передачі. Даний режим відповідає звичайному модему, не підтримуючому MNP-протокол. Буферизація даних не виробляється і апаратна корекція помилок не виконується.
Режим з корекцією помилок і буферизацією. Це стандартний режим роботи при зв'язку двох MNP-модемів. Якщо віддалений модем не підтримує протокол MNP, зв'язок не буде встановлено.
Режим з корекцією помилок і автоматичним настроюванням. Режим використовується, коли заздалегідь не відомо, чи підтримує віддалений модем протокол MNP. На початку сеансу зв'язку після визначення режиму віддаленого модему встановлюється один з трьох інших режимів.
АТ-команди для модемів.
Програмування модемів
Після випуску американською фірмою Hayes модемів серії Smartmodem, система команд, використана в ній, стала деяким стандартом, якого дотримуються інші фірми – розробники модемів. Система команд, використовувана в цих модемах, носить назву hayes-команд, або AT-команд. З часу випуску перших AT-сумісних модемів набір цих команд трохи розширився, але всі основні команди залишилися без зміни.
Набір команд АТ, що приводиться в інструкціях з експлуатації зарубіжних модемів (наприклад, модему RM9632 компанії Racal-Milgo) дозволяє встановлювати:
конфігурацію модему і необхідні параметри: швидкість роботи, вид модуляції, режим роботи;
режим набору номера: тональний, імпульсний;
режим відповіді модему на команди КОД і відображення відповідей: кодами, словами, набір використовуваних команд;
включення і відключення функцій захисту від помилок і стиснення даних, перемикання різних варіантів протоколів;
алгоритм керування потоком даних на стику модем-КОД;
режими виявлення несучої, функціонування інших кіл стику;
режими перевірки (встановлення шлейфів, підключення тестера);
режим синхронізації модему;
статус команд і відповідей;
включення, відключення і рівень гучності контрольного гучномовця.
регулювання рівня передачі.
Структура команд інтелектуальних модемів
Всі команди, що передаються комп'ютером модему, треба починати префіксом AT (ATtention – увага) і закінчувати символом повернення каретки (<CR>). Тільки команда А/ і Escape-послідовності "+++" не вимагають для себе префікса AT.
Після префікса AT можуть йти одна або відразу кілька команд. Для ясності ці команди можуть бути відокремлені один від одного символами пробіл, тире, дужками. У більшості випадків команди можуть бути написані як великими, так і малими літерами.
При передачі модему команд вони спочатку заносяться у внутрішній буфер, який, як правило, має розмір 40 символів. Команди, записані в буфер модему, виконуються після надходження символу повернення каретки. Внаслідок обмеженості розміру буфера не слід передавати модему занадто довгі команди (більше розміру буфера). Довгі команди можна розбивати на частини і передавати в декілька заходів. При цьому кожна частина повинна починатися префіксом АТ і закінчуватися символом повернення каретки. Якщо ви допустили помилку при наборі команди, то її можна виправити, використовуючи клавішу BackSpace.
Після виконання кожної команди модем посилає назад комп'ютеру відповідь у вигляді числа або слова. Ця відповідь означає, виконана команда чи відбулася помилка.
Якщо у вас зовнішній модем, то на його лицьовій панелі знаходиться вісім світлових індикаторів. Хоча їх розташування на різних моделях може змінюватися, їх позначення є стандартним:
MR Modem Ready – Модем готовий до обміну даними. Якщо цей індикатор не горить, то треба перевірити лінію живлення модему.
TR Terminal Ready – Комп'ютер готовий до обміну даними з модемом. Цей індикатор горить, коли модем отримав від комп'ютера сигнал DTR.
CD Carrier Detect – Індикатор запалюється, коли модем виявив несучу частоту на лінії. Індикатор повинен горіти протягом всього сеансу зв'язку й гаснути, коли один з модемів звільнить лінію.
SD Send Data – Індикатор блимає, коли модем отримує дані від комп'ютера.
RD Receave Data – Індикатор блимає, коли модем передає дані до комп'ютера
HS High Speed – Модем працює на максимально можливій для нього швидкості.
AA Auto Answer – Модем перебуває в режимі автовідповідача. Тобто модем автоматично відповідатиме на дзвінки, які приходять. Коли модем виявить дзвінок на телефонній лінії, цей індикатор заблимає.
OH Off-Hook – Цей індикатор горить, коли модем зняв трубку (займає лінію).