Rozdział 15. ¨ Modemy telefoniczne                            389

Rozdział 15.
Modemy telefoniczne

u        Podstawy modemów.

u        Oprogramowanie komunikacyjne.

u        Komputery i telefony.

Co robi modem i po co? Modemy to wartościowe narzędzia do komunikacji, ale są one również kłopotliwe i trudne w użyciu. Celem niniejszego rozdziału jest przedstawienie wyczerpujących informacji o modemach i opisanie metod jak najlepszego ich wykorzystania. Szybsze połączenia realizowane przez modemy dla standardowych linii telefonicznych sprawiły, że zaczynają one konkurować z dzierżawionymi liniami telefonicznymi w dziedzinie łączenia sieci LAN. W rozdziale tym zostaną również przedstawione najnowsze dokonania dotyczące modemów, wskazówki przydatne do zakupu i używania modemów oraz niektóre pożądane cechy oprogramowania komunikacyjnego. Na koniec zajmiemy się produktami przeznaczonymi do realizacji zdalnego dostępu do sieci poprzez modem. Produkty te mają duże znaczenie przy zwiększaniu zasięgu sieci poza biura firmy.

Podstawy modemów

Ponieważ systemy telefoniczne z komutacją łączy zostały zaprojektowane do przesyłania sygnałów elektrycznych odpowiadających dźwiękom mowy ludzkiej, nie są one w stanie przesyłać zero-jedynkowych sygnałów używanych przez komputer. Jedynym sposobem na umożliwienie takiej transmisji jest konwersja tych sygnałów na sygnały odpowiadające dźwiękom.

Mówiąc po prostu – modem dokonuje konwersji pomiędzy sygnałami audio w linii telefonicznej a strumieniem danych szeregowych portu RS-232, do którego jest najczęściej podłączony. Inne podejście, reprezentowane przez system ISDN to zamiana linii telefonicznych na kompatybilne z danymi w postaci szyfrowej.

Co ciekawe, analogowe sygnały generowane przez modem wędrują najwyżej przez kilka najbliższych kilometrów. Najczęściej każdy abonent telefoniczny znajduje się nie dalej niż w odległości około 10 kilometrów od centrali swojego operatora telekomunikacyjnego. Centrala ta jest przeważnie cyfrowa. Najczęściej jest to w pełni redundantny system komputerowy, który reaguje na polecenia z „terminala” (aparatu telefonicznego) i wykonuje szereg złożonych czynności w celu nawiązania połączenia.

Jedną z czynności centrali jest translacja sygnału analogowego na strumień danych cyfrowych. Od tego miejsca cały system międzycentralowych łączy telefonicznych
o zasięgu ogólnoświatowym jest systemem cyfrowym. Tylko tak zwane połączenie (ostatniej mili) ostatniego kilometra jest analogowe. I tylko z tego powodu potrzebny jest analogowy modem. Rysunek 15.1 ilustruje proces translacji analog-cyfra-analog.

Należy zauważyć, że w wielu przypadkach, jeśli lokalizacja docelowa odbiera kilkanaście i więcej połączeń, pętla lokalna do tej lokalizacji jest linią cyfrową. Takie cyfrowe łącze końcowe ma zasadnicze znaczenie w związku z wprowadzeniem tak zwanych modemów „56K”. Modemy te zostaną opisane w dalszej części tego rozdziału.

Aby móc jednocześnie przesyłać dane w obu kierunkach, schemat transmisji modemowej dzieli kanał pod względem częstotliwości i fazy sygnałów. Jeden modem używa zestawu sygnałów „inicjujących”, a drugi zestawu sygnałów „odpowiadających”. Zwykle modem odpowiadający wysyła swoje sygnały jako pierwszy po odebraniu połączenia. Ten sygnał początkowy powoduje, że modem dzwoniący wysyła własny zestaw sygnałów. Następnie obydwa modemy negocjują połączenie.

Podczas fazy negocjacji zaawansowane modemy wykonują wiele czynności, w tym elektroniczną adaptację uwzględniającą różny stan linii i określającą największą możliwą dla obu modemów prędkość transmisji. Chociaż procedury negocjacyjne są przedmiotem międzynarodowych standardów, producenci modemów różnie implementują te procedury. Nieskoordynowana praca prowadzi do niekompatybilności, tak więc przy każdej serii modemów, producenci muszą przez kilka miesięcy współpracować ze sobą w celu przetestowania możliwości współpracy różnych urządzeń. Wniosek jest prosty: lepszą wydajność i niezawodność zapewni firmie zakup modemów tego samego producenta. Standardy standardami, a oprogramowanie modemów to przeważnie kwestia stylu.

Modemy i prędkość

Celem użytkowników jest szybkie i niezawodne przesyłanie danych poprzez linie telefoniczne, ale często linie nie chcą współpracować. Modemy przekształcają sygnały cyfrowe z komputera w sygnały o częstotliwościach audio, jednak szerokość pasma częstotliwości linii telefonicznej ogranicza szybkość zmian częstotliwości koniecznych do przedstawienia zer i jedynek danych komputerowych. Wraz z rozwojem modemów działania zmierzające do zwiększenia prędkości skupiły się na dwóch aspektach działania modemu: na metodzie sygnalizacji i na tym, co jest przesyłane podczas sygnalizacji.

W USA pierwsze modemy o prędkościach 300 bodów i 1 200 b/s (bitów na sekundę) wykorzystywały modulację określoną odpowiednio specyfikacjami Bell 103 i 212A. W innych krajach przyjęto podobne konwencje sygnalizacji opisywane standardami CCITT V.21 i V.22. Ten pierwszy dotyczył transmisji z prędkością 300 b/s w trybie pełny-duplex, drugi natomiast transmisji z prędkością 600 b/s w trybie pół-duplex (dwukierunkowej) z kanałem zwrotnym 75 b/s. Te pierwsze standardy stały się podstawą ewolucji modemów na całym świecie.

Modemy ewoluowały w sposób regularny i przewidywalny. Średnio co osiemnaście miesięcy postęp technologiczny pozwalał na podwojenie prędkości transmisji modemowej. Producenci nie dostarczali nowych modeli tak często, ale okresy pomiędzy nowymi generacjami modemów były blisko skorelowane ze wzrostem prędkości.

Brak konkurencji i niedostatek tanich układów scalonych dla modemów były głównymi przyczynami dość wysokich cen modemów w latach 70. i na początku lat 80. W połowie lat 80. firma Rockwell i inni producenci wyprodukowali tani układ modemowy, który nie tylko był zgodny z protokołem V.22bis dla prędkości 2 400 b/s, ale również był kompatybilny „w dół” z protokołami Bell i CCITT dla prędkości 300 i 1 200 b/s. Dostępność i kompatybilność tych układów spowodowała wprowadzenie na rynek wielu tanich modemów 2 400 b/s o wysokiej jakości.

Połączenie działań komisji FCC w Stanach Zjednoczonych, które umożliwiły podłączanie do linii telefonicznych sprzętu innych producentów niż Bell System i wejścia na rynek komputerów osobistych, przyspieszyło proces ewolucyjny w latach 80. W roku 1987 producenci tacy jak Hayes Microcomputer Systems zaczęli oferować modemy z własnym schematem sygnalizacji o prędkości 9 600 b/s i kompresją danych w cenie poniżej 1 000 USD.

W tym samym czasie firma ta zaoferowała modem zgodny ze standardem CCITT V.32 z prędkością 9 600 b/s i możliwością pracy w trybie pełny-duplex za około 2 000 USD.

W roku 1990 producenci modemów wprowadzili na rynek tańsze modemy 9 600 b/s z nowym rozwiązaniem kompresji danych i kontroli błędów zwanym V.42bis. Kompresja zgodna ze specyfikacją V.42bis pozwalała nawet na czterokrotne zwiększenie przepustowości, zależnie od podatności danych, więc chociaż transmisja odbywała się z prędkością 9,6 kb/s, w idealnych warunkach urządzenia te umożliwiały przesyłanie danych z prędkością 38,4 kb/s. W praktyce, jeśli obydwa modemy używały prędkości 9 600 b/s, kompresji V.42bis, przy przesyłaniu danych poddających się kompresji, jak arkusze kalkulacyjne czy niektóre pliki graficzne, można było osiągnąć przepustowość od 20 do 25 kb/s.

Pod koniec roku 1991 na rynku pojawiły się produkty zgodne z poprawionym standardem sygnalizacji zwanym V.32bis. Modemy te mogły przesyłać dane z prędkością 14 400 b/s i oferowały więcej możliwości transmisji z niższymi prędkościami w przypadku braku gorszej jakości linii niż modemy V.32. Modemy V.32 próbowały połączyć się z prędkością 9 600 b/s, a jeśli było to niemożliwe z powodu błędów, łączyły się z prędkością 2 400 b/s. Modemy V.32bis natomiast mogły dokonać szerszej analizy warunków na łączu i natychmiast określić najbardziej użyteczną prędkość spośród wartości: 14,4, 9,6, 7,2, 4,8 lub 2,4 kb/s.

W roku 1994 CCITT (obecnie część Międzynarodowej Unii Telekomunikacyjnej ITU) zaaprobowało nowy standard modemów o nazwie V.34. Ponieważ prace nad tym standardem trwały tak długo, kilka firm wypuściło modemy wykorzystujące standard pośredni, tak zwany V.Fast.Class lub V.F.C. Jednak modele te nie umożliwiały pełnej implementacji standardu.

Modemy V.34 wystąpiły przeciwko prawu fizyki zwanemu ograniczeniem Shannona (twierdzeniem o pojemności kanału komunikacyjnego Shannona – przyp. tłum.). W uproszczeniu prawo to mówi, że maksymalna prędkość transmisji jest zależna od szerokości pasma i stosunku sygnału do szumu dla linii. Ponieważ szerokość pasma komutowanych linii telefonicznych jest definiowana przez standardy techniczne,
a prawo federalne reguluje poziom sygnału wyjściowego modemu, przepustowością w rezultacie rządzi szum w linii telefonicznej. Teoretycznie modemy V.34 powinny być w stanie przesyłać dane z prędkością, na jaką pozwalają idealne linie.

Na początku konstruktorzy modemów sądzili, że systemy telefoniczne umożliwiają transmisję z maksymalną prędkością 19,2 kb/s.

Ale wielokrotne testy pokazały, że kable światłowodowe i nowy sprzęt podwyższają tę granicę do przynajmniej 28,8 kb/s. Współczesne modemy V.34 próbują nawiązywać połączenie z prędkością 33,6 kb/s, a następnie stopniowo przechodzą na niższe prędkości.

W teorii połączenie transmisji według protokołu V.34 z prędkością 33,6 lub 28,8 kb/s wraz z kompresją i kontrolą błędów według standardu V.42bis powinno umożliwić transmisję mocno „upakowanych” danych z efektywną prędkością rzędu jednego megabita na minutę. Jak to jednak bywa z wieloma wyśrubowanymi osiągami, możliwe jest osiągnięcie czegoś zbliżonego do teoretycznego maksimum
w idealnych warunkach – na zamkniętym torze i z profesjonalnym kierowcą. Niestety linia telefoniczna i sprzęt komputerowy działają niekorzystnie na optymalną wydajność transmisji, o czym będzie jeszcze mowa w dalszej części tego rozdziału.

Modem 56K

Najnowszym osiągnięciem ewolucji technologii modemowej jest standard V.90.
W tej technologii – znanej również jako 56K – używa się modulacji pulsowo-kodowej, metody, która umożliwia pokonanie poprzednich barier prędkości przy pobieraniu danych z hosta do klienta. Ponad rok zajęło stopniowe pokonywanie wszelkich niedogodności i niepewności, aby dojść do V.90.

Przez kilka lat upowszechniała się opinia, że 33,6 kb/s to kres możliwości modemów. Prędkość maksymalną modemu określają dwa czynniki. Po pierwsze – odpowiedź częstotliwościowa linii telefonicznej jest ograniczona, przez co modemy

muszą korzystać z wąskiego zakresu częstotliwości audio, aby przesyłać dane tam
i z powrotem. Po drugie – proces konwersji sygnału z postaci analogowej na cyfrową przeprowadzany w centrali telefonicznej wprowadza niewielki poziom szumu do sygnału analogowego.

W roku 1997 firma U.S. Robotics (zakupiona i włączona do 3Com) wprowadziła technologię modemów zwaną x2. Kilka miesięcy później Rockwell wypuścił układ scalony, który wiele firm zastosowało w konkurencyjnym produkcie o nazwie K56Flex. Oba te produkty były powszechnie znane jako modemy o prędkości 56,6 kb/s, ale w obu przypadkach nie było to prawdą. Rozporządzenie FCC, które określa maksymalną moc sygnałów analogowych w liniach telefonicznych, zdławiło prędkość modemów 56K do maksymalnej wartości około 53 kb/s.

Typowa prędkość połączenia w kierunku od usługodawcy internetowego lub z biura korporacyjnego do odległego dzwoniącego użytkownika wynosi około 45 kb/s. Natomiast w kierunku od dzwoniącego do usługodawcy lub biura dane przesyłane są zgodnie z protokołem V.34 z typowymi prędkościami od 19 do 22 kb/s.

Konstruktorzy modemów 56K znaleźli lukę w twierdzeniu Shannona, kierując dane poprzez linię cyfrową z centrali telefonicznej do usługodawcy lub biura korporacji. Wykorzystując zaletę cyfrowego łącza po stronie hosta, charakteryzującego się wysoką jakością i brakiem szumów, osiągnęli oni wyższe całkowite prędkości pobierania danych. Wszystkie pozostałe elementy pozostały niezmienione. Im krótsze
i „czystsze” łącze do centrali telefonicznej, tym wyższa prędkość połączenia.

Znakomita większość łączy biegnących do usługodawców internetowych lub do korporacyjnych serwerów dostępowych, to cyfrowe linie T1 lub ISDN PRI (Primary Rate Interface – interfejs prędkości pierwotnej). Linie te są preferowane głównie z uwagi na lepszą jakość połączeń i dlatego, że są ekonomiczniejsze w eksploatacji. Pojedyncza linia T1 lub ISDN PRI może jednocześnie obsłużyć do dwudziestu czterech użytkowników, a koszty takiej linii są często niższe niż koszty odpowiedniej liczby linii analogowych.

Problemy pojawiają się w przypadku różnych sztuczek ze strony operatora, który stara się wydobyć maksimum ze swoich linii. Wiele linii telefonicznych jest ze sobą łączonych za pomocą urządzeń o nazwie koncentrator linii abonenckich (Subscriber Line Concentrator – SLC). Urządzenie to łączy dwadzieścia cztery lub nawet więcej linii analogowych w jeden sygnał cyfrowy transmitowany poprzez jedną parę przewodów miedzianych.

Problem polega na tym, że wiele starszych central nie może bezpośrednio współpracować z linią SLC. Wówczas potrzebna jest konwersja na postać analogową
i poszczególne linie analogowe są doprowadzane do centrali osobno. Centrale cyfrowe – większość używanych dzisiaj central – ponownie konwertują sygnały analogowe do formatu cyfrowego i przesyłają cyfrową siecią firmy telekomunikacyjnej.

Wniosek jest taki: jeśli ktoś ma linię telefoniczną z nie-cyfrowym podłączeniem SLC, to ma pecha. Modemy V.90 nie działają na takich liniach. Czasami może się udać przekonać operatora, aby pominął SLC i udostępnił dedykowane połączenie do centrali, ale to może być kłopot, bo linii takich brakuje. Użytkownicy laptopów w podróży służbowej oczekujący bliskich ISDN prędkości z pokojów hotelowych będą równie rozczarowani, ponieważ technologia V.90 nie współdziała z większością biurowych i hotelowych centralek, o ile nie są one połączone z centralą telefoniczną łączem T1 lub ISDN PRI.