23. Модемы и факс-модемы. Стандарты модуляции, протоколы исправления ошибок и сжатия данных.

Модем – это техническое устройство, предназначенное для передачи информации по телефонным каналам, способное осуществлять модуляцию и демодуляцию информационных сигналов. Модемы подключаются, с одной стороны, к компьютеру, а с другой – к телефонной линии. Модемы могут работать в синхронном и асинхронном режиме. Кроме того, есть дуплексный и полудуплексный режимы. Их отличие в том, что в полудуплексном режиме передача в один момент времени идёт лишь в одном направлении, в то время как в дуплексном режиме передача осуществляется в обоих направлениях одновременно. Модем принимает факсимильные и голосовые сообщения без участия компьютера. Все полученные сообщения передаются по запросу пользователя или запуском соответствующего приложения. Функции удалённого доступа, позволяют пользователю получать голосовые сообщения из любого места, где имеется телефонная связь.

Как уже было отмечено, получение и хранение факсимильной и голосовой информации может осуществляться без всякого вмешательства ПО, работающего на компьютере, но голосовая связь требует программ для установления коммутируемого соединения.

ЦИФРОВЫЕ МОДЕМЫ(ISDN) Современная технология ISDN далека от совершенства, но на сегодняшний день это наилучший способ перекинуть мостик между пользователями ПК и всем богатством информации, доступной в оперативном режиме. Базовые услуги ISDN обеспечивают скорость передачи до 128 кбит/с. Стандарт ISDN является цифровым, что вполне логично при установлении связи между компьютерами: ПК цифровое устройство, телефонная сеть тоже, любая компьютерная сеть к которой вы можете подключиться тоже имеет цифровую природу.

Все методы обнаружения ошибок основаны на передаче в составе кадра данных служебной избыточной информации, по которой можно судить с некоторой степе­нью вероятности о достоверности принятых данных. Эту служебную информацию принято называть контрольной суммой. Контрольная сумма вычисляется как функция от основной информации, причем необязательно только путем суммирования. При­нимающая сторона повторно вычисляет контрольную сумму кадра по известному алгоритму и в случае ее совпадения с контрольной суммой, вычисленной передаю­щей стороной, делает вывод о том, что данные были переданы через сеть корректно.

Существует несколько распространенных алгоритмов вычисления контрольной суммы, отличающихся вычислительной сложностью и способностью обнаружи­вать ошибки в данных.

Компрессия (сжатие) данных применяется для сокращения времени их передачи. Так как на компрессию данных передающая сторона тратит дополнительное время, к которому нужно еще прибавить аналогичные затраты времени на декомпрессию этих данных принимающей стороной, то выгоды от сокращения времени на пере­дачу сжатых данных обычно бывают заметны только для низкоскоростных кана­лов. Этот порог скорости для современной аппаратуры составляет около 64 Кбит/с. Многие программные и аппаратные средства сети способны выполнять динамичес­кую компрессию данных. На практике может использоваться ряд алгоритмов компрессии, каждый из которых применим к определенному типу данных. Некоторые модемы (называе­мые интеллектуальными) предлагают адаптивную компрессиюДесятичная упаковка. Когда данные состоят только из чисел, значительную экономию можно получить путем уменьшения количества используемых на циф­ру бит с 7 до 4, используя простое двоичное кодирование десятичных цифр вместо кода ASCII. Просмотр таблицы ASCII показывает, что старшие три бита всех кодов десятичных цифр содержат комбинацию 011. Если все данные в кадре ин­формации состоят из десятичных цифр, то, поместив в заголовок кадра соответ­ствующий управляющий символ, можно существенно сократить длину кадра.

Относительное кодирование. Альтернативой десятичной упаковке при переда­че числовых данных с небольшими отклонениями между последовательными цифрами является передача только этих отклонений вместе с известным опор­ным значением. Такой метод используется, в частности, в рассмотренном выше методе цифрового кодирования голоса ADPCM, передающем в каждом такте только разницу между соседними замерами голоса.

Символьное подавление. Часто передаваемые данные содержат большое количество повторяющихся байт. Например, при передаче черно-белого изображения черные поверхности будут порождать большое количество нулевых значений, а макси­мально освещенные участки изображения — большое количество байт, состоящих из всех единиц. Передатчик сканирует последовательность передаваемых байт и, если обнаруживает последовательность из трех или более одинаковых байт, заменяет ее специальной трехбайтовой последовательностью, в которой указывает значение байта, количество его повторений, а также отмечает начало этой последовательно­сти специальным управляющим символом.

Коды переменной длины. В этом методе кодирования используется тот факт, что не все символы в передаваемом кадре встречаются с одинаковой частотой. Поэтому во многих схемах кодирования коды часто встречающихся символов заменяют кодами меньшей длины, а редко встречающихся — кодами большей длины. Такое кодирование называется также статистическим кодированием. Из-за того, что символы имеют различную длину, для передачи кадра возможна только бит-ориентированная передача.

При статистическом кодировании коды выбираются таким образом, чтобы при анализе последовательности бит можно было бы однозначно определить соответствие определенной порции бит тому или иному символу или же запрещенной комбина­ции бит. Если данная последовательность бит представляет собой запрещенную комбинацию, то необходимо к ней добавить еще один бит и повторить анализ. Например, если при неравномерном кодировании для наиболее часто встречающе­гося символа «Р» выбран код 1, состоящий из одного бита, то значение 0 однобит­ного кода будет запрещенным. Иначе мы сможем закодировать только два символа. Для другого часто встречающегося символа «О» можно использовать код 01, а код 00 оставить как запрещенный. Тогда для символа «А» можно выбрать код 001, для символа «П» — код 0001 и т. п.

Вообще, неравномерное кодирование наиболее эффективно, когда неравномер­ность распределения частот передаваемых символов достаточна велика, как при передаче длинных текстовых строк. Напротив, при передаче двоичных данных, например кодов программ, оно малоэффективно, так как 8-битовые коды при этом распределены почти равномерно.

Многие модели коммуникационного оборудования, такие как модемы, мосты, коммутаторы и маршрутизаторы, поддерживают протоколы динамической комп­рессии, позволяющие сократить объем передаваемой информации в 4, а иногда и в 8 раз. В таких случаях говорят, что протокол обеспечивает коэффициент сжатия 1:4 или 1:8. Существуют стандартные протоколы компрессии, например V.42bis, a также большое количество нестандартных, фирменных протоколов. Реальный ко­эффициент компрессии зависит от типа передаваемых данных, так, графические и текстовые данные обычно сжимаются хорошо, а коды программ — хуже.

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы сину­соидального сигнала несущей частоты. При амплитудной модуляции для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля — другой. При частотной модуляции значения 0 и 1 исходных данных пере­даются синусоидами с различной частотой — fo и fi. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных моде­мах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.

При фазовой модуляции (рис. 2.13, г) значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0, 90,180 и 270 градусов. -

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуля-ции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.

24. IP-телефония и передача факсов по IP-сетям.

IP-телефония - голосовая телефонную связь между удаленными абонентами с использованием сетей передачи данных, рабо­тающих по протоколу IP.

В традиционных телефонных сетях цифровой канал для абонента предостав­ляет полосу по 64 (56) Кбит/с в каждом направлении. Такая большая (по мер­кам передачи данных при удаленном доступе) полоса требуется из-за принятого в телефонии простейшего способа кодирования — ИКМ (РСМ). Применение адаптивной дельтамодуляции АДИКМ (ADPCM) позволяет сократить поток до 16 Кбит/с, но для сетей передачи данных (учитывая неопределенность задерж­ки и колебания нагрузки) и этот поток трудно выдержать в течение длительного времени. Современные алгоритмы сжатия, реализуемые на достаточно мощных процессорах, позволяют сжимать речевой сигнал до полосы 4-8 Кбит/с с при­емлемым качеством. Такой поток уже можно передавать по обычным IP-сетям, что и реализуется в IP-телефонии.

Аудиокодек для IP-телефонии должен решать довольно сложную задачу — обеспечить значительное сжатие и формировать пакеты данных небольшого раз­мера, а алгоритм упаковки-распаковки должен быть устойчивым к потере от­дельных пакетов. Кодер должен отслеживать текущее состояние сигнала и выбирать соответствующий метод представления данного фрагмента. Деко­дер из простого ЦАП, применяемого при РСМ, превращается в синтезатор, воссоздающий аудиосигнал из принятого (возможно, и неполного) потока пакетов. В результате всех этих ухищрений удается из исходного равномерного потока 64 Кбит/с получить не­равномерный поток кадров со средней скоростью 4-8 Кбит/с, который нор­мально проходит через большинство сетей. Проще всего организовать IP-телефон между парой пользователей ПК, име­ющих доступ к Интернету. Для этого достаточно каждый ПК снабдить обычной звуковой картой с наушниками (колонками) и микрофо­ном. Здесь все задачи могут решаться чисто программно — от звуковых карт требуются только функции обычного кодека в полнодуплексном режи­ме. Анализ равномерного цифрового потока и упа­ковка его в кадры, а также обратное декодирование для современных процессо­ров не является особо обременительной задачей. Существует ряд программных продуктов, обеспечиваю­щих связь между пользователями ПК.

Однако IP-телефония не ограничивается только диалогами между пользо­вателями ПК — существуют специальные шлюзы для связи с традиционными телефонными сетями и отдельными телефонами. Задачи шлюза несколько слож­нее — кроме установления соединения и передачи собственно речи он должен отрабатывать систему сигнализации телефонной системы и преобразовывать ее сигналы в протокольные сообщения IP-телефонии (и обратно). С традици­онной телефонией шлюз может контактировать двояко: к нему могут подклю­чаться телефонные аппараты, и он может подключаться к одной или несколь­ким линиям обычной телефонной сети (местной или городской). На рис. 10.12 изображена сеть с парой шлюзов, установленных в разных городах (странах) и подключенных к общей сети (Интернету). Здесь абоненты с обыч­ных телефонов, связанных со шлюзами, могут общаться между собой без опла­ты междугородных переговоров. Более того, абоненты телефонных сетей, под­ключенных к шлюзам, могут связываться между собой. Естественно, воз­можны и связи между «городскими» абонентами и абонентами, подключенны­ми прямо к шлюзам. ПК-пользователи также могут «звонить» через шлюз, зная его IP-адрес. IP-телефония через шлюзы стала конкурировать с традиционной телефонией, вызывая споры на технические, экономические и правовые темы. На рисунке видно, как трафик проходит «мимо кассы» междугородной теле­фонной сети. Главный козырь IP-телефонии — низкая себестоимость разгово­ров, а потому и тарифы значительно более низкие, чем международные и меж­дугородные телефонные. Однако шлюзы являются довольно дорогими и слож­ными устройствами, которые исполняются как в виде ПК с дополнительными платами адаптеров, так и в виде специализированных устройств. На рисунке показаны и два узла, подключающихся к сети непосредственно: один на базе ПК, другой — специальный IP-телефон.

Для ПК выпускают платы шлюзовых адаптеров, как правило, на 2 или 4 пор­та с гнездами RJ-11. В многоканальных системах сжатие обычно выполняется специализиро­ванными сигнальными процессорами — мощности одного универсального (х86) центрального процессора может и не хватить. Связь с сетью передачи данных обеспечивается стандартной сетевой картой или адаптером интерфейса глобаль­ных сетей. Программное обеспечение шлюзов должно работать в среде ОС, от которой требуется «умение» работать в режиме реального времени и, конечно же, устойчивость (шлюз не должен «падать»). Шлюзы выполняют на базе ПК как настольного исполнения, так и промышленного (архитектуры микро-РС, с шиной Compact-PCI и т. п.). Специализированные устройства-шлюзы внешне выглядят как обычные сетевые концентраторы и имеют либо фиксированный набор портов, либо модульную конструкцию, комплектуемую по необходимос­ти. В принципе шлюзы с достаточным количеством портов могут выступать и в роли УАТС или малых АТС, но для этой роли они все-таки имеют слишком вы­сокую стоимость портов. IP-телефонный аппарат внешне выглядит как много­функциональный кнопочный телефон с дисплеем — микрокомпьютер с сетевым ПО много места не занимает.

Телефонные порты имеют кодеки G.711, схемы поддержки аналоговой телефонной сигнализации и сигнальный процессор, обеспечивающий упаковку по стандарту G.723.1 или G.729A. Все порты (телефонные и Ethernet) являются периферией микрокомпьютера на процессоре класса 486 с ОЗУ 32 Мбайт и флэш-диском на 12 Мбайт.