Глава 12. Подключение к глобальным сетям с помощью модемов, страница 2

Рис. 12.3. Однопроводная линия передачи (при симплексном режиме обмена данными)

Обычная линия силового электропитания на 220 В (электропроводка) в последнее время успешно используется для организации двунаправленной системы домашней автоматики, связывающей различные бытовые приборы (осветительные приборы, стиральную машину, телевизор и др.) и датчики (датчики температуры, потребляемой мощности и др.). Цель состоит как в управлении этими приборами, так и в сигнализации об опасных ситуациях (пожар, утечка газа и т.д.). «Побочное» использование электропроводки для организации домашней локальной сети напрашивается само собой, однако при этом надо иметь в виду далеко не идеальные характеристики такой линии. Измерения на реальных линиях электропроводки в диапазоне частот 100...150 кГц, наиболее перспективном для передачи данных, показали существенный разброс модуля импеданса линии (1,5...80 Ом), затухания (2...40 дБ) и уровня шума (до -15 дБ). Эти характеристики существенно зависят от количества одновременно включенных в сеть бытовых приборов.

Для организации домашней локальной сети, использующей линию электропроводки, необходимы специальные модемы (power line modems). Модемы типа CD8000 (фирма Compu Mech) работают на центральной частоте 125 кГц, используют частотную модуляцию и допускают объединение до 15 устройств (с дополнительным модулем адресации - до 255 устройств) при скорости передачи 300бит/с...19,2 Кбит/с. Таким образом, устройства обмениваются данными примерно с такими же скоростями, сак если бы это происходило в сети Internet, хотя и находятся в соседних томещениях. Это не столь важно при обмене чисто цифровыми данными, еднако может создавать проблемы при передаче оцифрованной речи и изображений (особенно динамических).

Двухпроводная телефонная линия в пределах отдельных зданий пред-:тавляет собой простой двухжильный провод, но и это уже прогресс по :равнению с рассмотренной ранее однопроводной линией, так как отсчет гринятого сигнала ведется не от потенциала «земли», а от второго прово-la. в линии. В таких линиях просто организуется симплексный и полугуплексный режим обмена данными, в то время как дуплексный обмен юзможен только ценою снижения скорости передачи (при частотном или феменном разделении «прямого» и «обратного» каналов). Если учесть, (то в лучшем случае скорость передачи по аналоговой телефонной линии !е превышает 33600 Кбит/с (см. предыдущий раздел), то делить в общем-'о и нечего... Правда, иногда требуется передавать в одном из направлений чисто служебную информацию (сообщение о состоянии удаленного юдема, его режимах работы и др.), для которой скорость передачи не-:ритична. Тогда параллельный канал может быть организован практи-[ески без потери скорости по основному каналу.

Четырехпроводная телефонная линия преодолевает недостаток обычной двухпроводной линии, так как позволяет организовать дуплексный обмен без потери скорости в обоих направлениях.

Многопарный телефонный кабель используется в магистральной части телефонной линии (для внешних соединений) и отличается от «внутренних» телефонных линий большей полосой пропускания, которая необходима для уплотнения множества телефонных каналов.

Линии на основе коаксиального кабеля, используемые в системах кабельного телевидения, подобны соединениям во многих локальных сетях. В этих линиях используется еще один тип специализированных модемов, «заслуживших» собственное название: cable modems. Обычный телевизионный сигнал и цифровые данные при передаче по кабелю должны быть разнесены по разным частотным диапазонам Поэтому увеличение скорости не такое заметное, как в локальных сетях, монопольно использующих высокочастотные кабели (100 Мбит/с в сетях типа Fast Ethernet и др.). Компромиссное решение для локальных сетей, основанных на системах кабельного телевидения, состоит в выборе неравных скоростей при передаче запросов от пользователя в сеть (0,512...10 Мбит/с) и при получении информации в обратном направлении (10...40 Мбит/с). Понятно, что вторая скорость важнее.

Беспроводные (радио-) линии привлекательны для тех пользователей, которые не имеют фиксированного рабочего места (учащиеся институтов и университетов, инженеры на производстве и т.д.). Обычно в локальной сети стационарные проводные участки (сегменты) сочетаются с удаленными пользователями или сегментами, обслуживаемыми с помощью радиомодемов (radio modems). Высокая частота несущей (2000...2500 МГц) выбирается из условия малого влияния на передаваемую информацию погодных условий. Однако полоса используемых частот, которая определяет достижимую скорость передачи, ограничена как из-за влияния помех, так и из-за общей занятости радиодиапазонов. В результате максимальная скорость передачи по беспроводным линиям составляет примерно 50 Мбит/с. Следует заметить, что беспроводная связь устойчиво работает только в условиях прямой видимости абонентов (отсутствия препятствий для радиоволн) на расстоянии до 50 км.

Линии передачи с использованием искусственных спутников Земли в

качестве ретрансляторов сигналов в глобальных или региональных компьютерных сетях в целом напоминают наземные варианты беспроводных линий. Для передачи в разных направлениях теперь используются две частоты несущей: 6/4 ГГц (другой вариант - 14/12 ГГц). Однако скорость передачи по-ггоежнему обычно не ппевышает 50 Мбит /г Огнгтняя гтоблема в таких линиях связана с заметной временной задержкой сигналов, передаваемых по длинному маршруту. Например, при числе работающих абонентов, равном 100, используемый алгоритм временного разделения каналов (TDMA) приводит к величине временной задержки 1002 (37100 км/300000 км/с) «24 с. Для компенсации этой задержки, создающей дискомфорт при «живом» общении, используются специальные наземные станции-накопители информации SDU (Satellite Delay compensation Unit).

He все из перечисленных линий передачи нашли в настоящее время широкое применение в качестве основы для построения локальных сетей, хотя роль каких-то из них с течением времени может быстро возрасти. Кроме ограниченной развитости линий (как в случае отечественных телевизионных кабельных сетей), сдерживающими факторами могут быть технические особенности отдельных линий (например, ограничение области действия сети на основе силовой проводки пределами тех помещений, которые питаются от одного силового трансформатора). Как уже отмечалось, стоимость специфических модемов (типа power line modems, cable modems или radio modems) может быть в настоящее время достаточно высока в сравнении со стоимостью обычных телефонных модемов. Наконец, такие глобальные линии передачи, которые используют искусственные спутники Земли, не всегда доступны рядовому пользователю, хотя неявно их эксплуатируют многие пользователи сети Internet.

Среди наиболее распространенных при модемной связи телефонных линий есть такие их разновидности и такие режимы работы, которые, опять же, не всегда доступны на практике. Ниже в двух колонках представлены: слева - желательные типы и режимы работы телефонных линий, а справа - доступные широкому кругу пользователей (применительно к отечественным условиям).

Четырехпроводные телефонные Двухпроводные телефонные линии линии Выделенные (leased) линии Переключаемые (switched) линии Многоточечные (many-points) Двухточечные (point-to-point) линии.

Линии с тональным набором Линии с импульсным набором номеномера (tone dial) pa (pulse dial) В современных стандартах для модемов (например, в стандарте V.34) предусматривается возможность работы на двухпроводных переключаемых двухточечных линиях, как широко распространенных во всем мире.

При работе на выделенных линиях, аренда которых из-за высоких цен считается оправданной только при достаточно высокой и постоянной во времени загрузке (трафике), а также при использовании широко распространенных (но не у нас) линий с тональным набором номера существенно снижается уровень помех и более полно реализуются собственные скоростные возможности модемов. Многоточечные линии обеспечивают дополнительный сервис - возможность одновременного подключения к линии нескольких пользователей для проведения чего-то вроде «селекторных совещаний», в то время как случающееся иногда многоточечное соединение в обычной линии с прослушиванием абсолютно посторонних абонентов никому из участников не нужно и всех раздражает.

В отношении качества отечественных телефонных линий высказываются обоснованные претензии, связанные с возможными искажениями сигналов из-за множества факторов.

Значительную долю искажений вносят абонентские линии:

• затухание (уменьшение мощности) полезного сигнала;

• изменение амплитудно-частотной характеристики по сравнению со стандартными требованиями (изменение мощности сигнала в зависимости от частоты), причем высокочастотные сигналы затухают более сильно;

• импеданс линии при нормативе 600 Ом ± 20% в реальных линиях может лежать в диапазоне от 400 до 1800 Ом. Это означает, что в российских условиях преимущество имеют модемы с перестраиваемым выходным сопротивлением;

• постоянное напряжение смещения (то самое, благодаря которому работают микрофоны) может иметь значительные отклонения от номинала.

При междугородней связи наибольшее влияние оказывают участки переприема, в которых происходит преобразование сигналов из высокочастотных, передаваемых по магистральным линиям с использованием частотного уплотнения каналов, в сигналы звукового диапазона 300..3400 Гц и наоборот. Общее число таких участков может доходить до 8....11. Вносимые искажения во многом зависят от качества настройки полосовых фильтров на телефонных станциях. Основные искажения при этом следующие:

• фазочастотные искажения (отклонение группового времени прохождения относительно его значения на частоте 1900Гц);

• дополнительные амплитудно-частотные искажения (затухание на краях полосы пропускания);

• смещение несущей частоты (спектр сигнала равномерно смещается на несколько герц);

• джиттер фазы (дрожание фазы по периодическому или случайному закону);

• скачки фазы (случайный поток скачкообразных изменений начальной фазы сигнала).

Существует еще целый ряд искажений, которые могут возникнуть на всем пути сигнала: шумы, импульсные помехи, замирание сигнала - временное уменьшение его мощности до уровня ниже распознавания модемом, колебания амплитуды и др.

«Ответ» модема на все эти искажения, независимо от их природы и места возникновения, один и тот же - снижение реальной скорости передачи, вплоть до временного прекращения связи в процессе автоматической адаптации модема к характеристикам линии (см. следующие пункты данного раздела). Так, если рассматривать влияние на скорость передачи только отношения сигнал-шум по мощности S/N, то, как следует из графика на рис. 12.2, даже для достижения сравнительно «скромной» скорости на уровне 10 Кбит/с в соответствии со стандартом V.34 требуемое отношение сигнал-шум должно быть больше 15 дБ. Измерения на реальных отечественных телефонных линиях, особенно при междугородней связи, показывают возможность снижения отношения сигнал/шум и до меньших величин.

12.3. Структура модема

Одна из возможных структурных схем модема показана на рис. 12.4.

Рис. 12.4. Структурная схема модема

Она содержит типовые функциональные узлы обработки и преобразования сигналов, из числа которых намеренно исключены некоторые второстепенные узлы, предназначенные для организации синхронизации и обработки служебных сигналов. Далее узлы, осуществляющие прямое и обратное преобразования в передающей и приемной части модема, рассматриваются попарно.

Кодер/декодер предназначены для защиты от ошибок и «сжатия» данных. Защита от ошибок предполагает включение в пакеты передаваемых данных избыточного циклического кода (CRC), как и в локальных компьютерных сетях. При этом в качестве стандартных протоколов, более подробно описывающих форматы данных (в том числе число бит в коде CRC - 16 или 32), используются протоколы серии MNP (Microcom Networking Protocol от фирмы Microcom) или V.42 (международный стандарт ITU-T).

Протокол V.42bis представляет собой протокол сжатия данных. Если нельзя увеличить пропускную способность линии передачи из-за ограничения, накладываемого теоремой Шеннона, то можно уменьшить избыточность передаваемой текстовой информации, используя свойство повторяемости цепочек символов в словах. Для этого на передающем и приемном конце линии модемы (точнее, их кодеры и декодеры) организуют и поддерживают идентичные динамические словари в виде структур типа дерева с отдельными символами в качестве узлов (см. рис. 12.5). Достаточно передавать не сами слова, а, фактически, специальным образом описанные (в виде чисел) части словарей (пути в дереве), содержащие требуемые последовательности символов. Так, часть словаря на рис. 12.5 позволяет описать строки символов А, В, ВА, BAG, BAR, BI, BIN, C, D, DE, DO и DOG относительно соответствующих корневых узлов.