64138 (Модемы (модемные протоколы коррекции ошибок))

Реферат по теме:

"Модемы (модемные протоколы коррекции ошибок)"

MNP-КОРРЕКЦИЯ

Для повышения скорости и надежности обмена информацией используются так называемые MNP-модемы - модемы с аппаратным сжатием и коррекцией ин­формации. Многие модемы (практически все) со скоростью 2400 бод являются MNP-модемами. Так как протоколы коррекции ошибок в MNP-модемах реализова­ны аппаратно, скорость обмена заметно возрастает ( в некоторых случаях в 2 раза).Следует отметить,что в отечественной телефонной сети без MNP-кор­рекции на скоростях выше 300 бод практически невозможно работать из-за высокого уровня шума в линии. И в то же время работая с MNP-коррекцией вы можете передавать данные даже тогда, когда за шумом и треском не слышно собеседника. Если ваш модем не является MNP-модемом, не следует огор­чаться - существует ряд коммуникационных пакетов, реализующих MNP-коррек­цию на программном уровне. Одним из таких пакетов (который распростра­няется по сети BBS) является МТЕ v.2.10g (MNP Terminal Emulator) фирмы MagiSoft. Этот пакет обладает всеми основными качествами коммуникационной программы и при обмене данными с модемом может осуществлять (по желанию пользователя) MNP-коррекцию. Существуют также резидентные эмуляторы MNP, перехватывающие прерывание 14h BIOS.

Что же такое MNP? Стандарт Microcom Networking Protocol (MNP) вобрал в себя многие разработки в области протоколов передачи данных. Протокол аппартно реализует коррекцию ошибок и сжатие передаваемой инфор­мации. Принцип работы MNP-модема заключается в использовании при передаче информации блоков переменной длины. Модем принимает от компьютера подле­жащие передаче данные и собирает их в пакет, который затем передается по линии другому MNP-модему. При сборке этого пакета информации вычисляется контрольная сумма, которая передается в конце пакета. Размер блока можно изменять от 64 до 265 байт с шагом в 64 байта, причем, на высококачест­венных телефонных линиях можно использовать блоки большей длины, что уве­личиват скорость передачи. Еще большей производительности можно добиться, применяя сжатие передаваемых данных.При этом скорость передачи повышается вдвое - т.е.модем, работающий в режиме MNP5 со скоростью предачи 2400 бод,работает так же производительно, как обычный можем со скоростью 4800 бод (а MNP7 даже втрое быстрее). При сжатии используются математические методы, аналогичные применяемым в утилитах архиваторов. Приняв сжатое сообщение в буфер,MNP-модем распаковывает его и в обычном виде передает в компьютер. MNP-модемы различаются по классам. Каждый класс отличается от предыдущего более высокой производительностью и расширенными возможностя­ми. Для более совершенных классов требуется более совершенное аппаратное обеспечение, более мощный процессор для микроконтролера модема.Однако в связи с тем, что все классы протокола MNP совместимы друг с другом, модем всегда будет стремиться использовать максимум своих возможностей. Ниже приводится краткое описание основных характеристик каждого из классов MNP.

Класс 1 использует асинхронный полудуплексный метод передачи данных с побайтной организацией. Он имеет наименьшую среди MNP-протоколов произ­водительность, но не требует больших объемов памяти и высокой скорости процессора. Сравнительная эффективность составляет 70 %, т.е. MNP-модем класса 1, работающий со скоростью 2400 бод, передает полезную информцию со скоростью 1680 бод.

Класс 2 использует асинхронный дуплексный метод передачи данных с побайтной организацией. Сравнительная эффективность - 84%.

Класс 3 использует синхронный дуплексный метод передачи данных с побитной организацией. Используемый в нем формат значительно эффективнее, чем асинхронные побайтные форматы.Дело в том, что при асинхронной пере­даче требуется передавать дополнительный старт-бит в начале байта и стоп-бит в его конце. Отказ от их использования заметно повышает произ­водительность протокола. Эффективность класса 3 составляет 108%.

Класс 4 отличается тем, что в нем реализованы два новых метода работы с информацией: адаптивная сборка передаваемых блоков и оптимизация фазы. В процессе передачи данных монитор модема следит за средней ско­ростью передачи, и в зависимости от количества ошибок изменяет длину блока. Использование метода оптимизации фазы позволяет избавиться от повторной передачи части служебной информации. Относительная эффектив­ность - 120%.

Класс 5 использует в дополнение к возможностям класса 4 сжатие данных в реальном масштабе времени. Применяется адаптивный алгоритм, поз­воляющий одинаково хорошо работать как в режиме передачи файлов, так и в интерактивном режиме. Коэффициент сжатия может достигать 99% для некото­рых видов информации. Графические файлы могут сжиматься до 10 % исходного размера, текстовые файлы - до 45-55%, программы -до 60-90%. Средний коэф­фициент сжатия 63%. Относительная эффективность 200%.

Класс 6 в дополнение к возможностям MNP5 обеспечивает совместимость высокоскоростного протокола v.29 с низкоскоростными стандартами и автома­тически переключается между полудуплексным и дуплексным режимами в зави­симости от типа передаваемых данных.

Класс 7 использует более совершенный алгоритм сжатия данных. Отно­сительная эффективность 300%.

Класс 9 применяет протокол v.32 и соответствующий метод работы, обеспечивающий совместимость с низкоскоростнвми модемами. Наиболее употребимым классом для сравнительно недорогих модемов на сегодняшний день является класс 5.

МОДЕМНЫЕ ПРОТОКОЛЫ КОРРЕКЦИИ ОШИБОК:

V.42 ПРОТИВ MNP2-4

Оснащение стандартных среднескоростных модемов аппаратно реализо­ванными протоколами коррекции ошибок и сжатия данных стало в последнее время стандартом де-факто в модемостроении. Если для западного рынка, где качество телефонных каналов весьма высоко, наличие этих протоколов

- небесполезная подробность в рекламе предлагаемого изделия, которая к тому же повышает цену товара не более, чем на 15-20%, то в условиях отечественного (в широком смысле) телекоммуникационного пространства реализация тем или иным способом коррекции ошибок становится по понят­ным причинам совершенно необходимой.

В настоящее время приближается к концу затянувшийся спор о том, какие протоколы коррекции ошибок - MNP2-4 или V.42 CCITT - перспектив­нее, и разрешается он в пользу CCITT. Попытка аргументировать справед­ливость этого вывода и предпринята здесь.

1. Принципы коррекции ошибок

Не вдаваясь глубоко в теорию кодирования и помехозащищенности пе­редачи информации, можно лишь констатировать, что бесплатных ужинов не бывает: избыточность - единственный реальный базис обнаружения и кор­рекции ошибок. Избыточность в широком смысле. Она может быть "последо­вательной", в случаях применения любого из методов кодирования, т.е. передача дополнительной по отношению к "полезной" информации. Либо "па­раллельной", в случаях как использования параллельных каналов связи (возможно, различной физической природы), так и применения информацион­ной обратной связи, т.е. возврата, используя дуплексный канал, принятой информации для анализа передатчиком ее правильности. Применение кодиро­вания с решающей обратной связью - это пример комбинированной, "после­довательно-параллельной" избыточности.

Степень избыточности определяет глубину и надежность обнаружения ошибок. Представляется очевидным, что чем больше дополнительной инфор­мации будет передано, тем большее количество ошибок и с большей досто­верностью может быть обнаружено и даже, возможно, исправлено. Но, в то же время, тем меньше доля полезной информации в общем потоке данных и - тем меньше эффективная скорость приема/передачи и, в конечном счете, пропускная способность канала. Выбор процедуры коррекции ошибок, таким образом, можно рассматривать как оптимизационную задачу, критерием ко­торой является минимизация накладных расходов при заданной надежности приема/передачи информации.

Физическая природа канала передачи информации - коммутируемая те­лефонная сеть - определяет те факторы, вес которых оказывается наиболее значим при решении поставленной оптимизационной задачи. Отсутствие дуб­лирования канала (по крайней мере на абонентском участке линии) исклю­чает из рассмотрения физическое параллельное дублирование. В то же вре­мя, применение обратной связи вполне допустимо вследствие того, что ка­нал дуплексный.

Фактор "стоимость трафика" заставляет с большой осторожностью от­носиться к таким методам коррекции ошибок, как многократное дублирова­ние передаваемой информации с мажоритарным выбором или применение ин­формационной обратной связи. Объем передаваемой информации в первом случае возрастает как минимум втрое, а то и более. Во втором случае, гонять одну и ту же информацию в полном объеме в обе стороны только для обнаружения факта наличия ошибки с последующим повтором представляется также излишне расточительным.

Третьим фактором, оказывающим огромное влияние на выбор методов коррекции ошибок, является помеховая обстановка в канале передачи дан­ных. А она такова (особенно в "отчих пределах"), что ограничиться прос­тым контролем четности, чего бывает достаточно для локальных сетей, - не кажется удачным решением. Представляется на первый взгляд, что при­менение симплексного корректирующего кодирования - неплохое решение поставленной задачи. Это кодирование позволяет не только обнаруживать ошибки, но и указывать на их местоположение, т.е. исправлять их, что позволяет отказаться от обратной связи. Однако, степень избыточности при этом весьма высока: объем дополнительной информации сравним с объ­емом "полезной". Для исправления только одиночной ошибки необходимы по крайней мере три дополнительных бита на байт. И этот объем стремительно возростает с ростом глубины коррекции ошибок, что в конечном счете мо­жет свести выигрыш от высокой надежности и отсутствия повторов к гло­бальному и стабильному проигрышу в стоимости "излишнего" трафика, кото­рый, к тому же, будет совершенно индифферентен к помеховой обстановке (возможно, неплохой).

Разумным компромиссом было сочтено применение циклического поме­хозащищенного кодирования с решающей обратной связью. Суть этого метода состоит в следующем. Вся "полезная" информация разбивается на "порции"

- кадры. Передача каждого кадра завершается передачей специальной конт­рольной последовательности кадра, подсчитанной по некоему, заранее оп­ределенному алгоритму. Этот рекуррентный алгоритм в процессе выдачи кадра модифицирует контрольную последовательность с помощью очередного выдаваемого байта. Удаленная сторона, принимая кадр, также подсчитывает контрольную последовательность по известному алгоритму. По окончании приема кадра производится сравнение подсчитанной контрольной последова­тельности с принятым в конце кадра ее значением. По результатам сравне­ния приемник решает гамлетовский вопрос: быть ли данному кадру, или его следует повторить. Результат решения этого вопроса приемник сообщает передатчику посредством некоей "квитанции". Отсюда другое название это­го метода: метод автоматического повтора запроса (ARQ, Automatic Repeat reQuest).

Основная ответственность за надежность обнаружения ошибок при этом методе лежит на алгоритме вычисления контрольной последовательнос­ти кадра. Здесь используется аппарат циклического избыточного контроля (CRC, Cyclic Redundance Check). Циклическое кодирование базируется на математической теории групп, алгебре многочленов и теории колец. Оста­вив для другого раза теоретические основы циклического кодирования, стоит отметить его свойства, обусловившие выбор циклических кодов.

Главное - это то, что циклические коды обладают высокой надеж­ностью коррекции ошибок при весьма невысокой избыточности. Особенно они эффективны при обнаружении пакетов ошибок. Например, для кадра размером в 256 байт и контрольной последовательности в 16 бит (CRC-16) минималь­ное кодовое расстояние = 3, т.е. одна разрешенная кодовая комбинация отличается от другой, разрешенной же, минимум 3 битами, причем не любы­ми, а расположенными на вполне определенных местах во всей 2064-битовой последовательности. Вероятность появления нераспознаваемой ошибки, т.е. того, что вследствие ошибок одна разрешенная комбинация перейдет в дру­гую, не превосходит 10^(-14). При уменьшении размера кадра или при уве­личении длины контрольной последовательности минимальное кодовое расс­тояние растет, что еще более уменьшит вероятность появления нераспозна­ваемой ошибки.

Другое немаловажное свойство - простота кодирования: рекуррентный характер алгоритма при минимальном расходе вычислительных ресурсов. Причем, существуют по крайней мере два алгоритма, дающих идентичный ре­зультат. Один - битовый, модификация результата в котором производится по каждому биту. Его удобно реализовывать на аппаратном уровне с по­мощью сдвигового регистра. Другой - байтово-табличный, в котором моди­фикация результата производится после приема/передачи целого байта. Этот алгоритм больше подходит для реализации на программном уровне, поскольку требует некоторого объема памяти для хранения таблиц.

Данные принципы циклического помехозащищенного кодирования с ре­шающей обратной связью положены в основу всех аппаратных и программных реализаций наиболее широко распространенных протоколов коррекции ошибок MNP2/MNP3 и V.42 CCITT.