Реферат: Модемные протоколы

PEP, TurboPEP

Полудуплексные протоколы семейства PEP (Packetized Ensemble Protocol) разработаны фирмой Telebit и реализованы в модемах фирмы серий TrailBlazer (PEP) и WorldBlazer (TurboPEP). В этих протоколах принципиально иным образом используется вся полоса пропускания канала тональной частоты для высокоскоростной передачи данных. Весь канал разбивается на множество узкополосных частотных подканалов, по каждому из которых независимо передается своя порция бит из общего потока информации. Такого рода протоколы называют многоканальными, или параллельными, или протоколами с множеством несущих (multicarrier). В протоколе PEP канал разбивается на 511 подканалов. В каждом подканале шириной около 6 Гц с модуляционной скоростью от 2 до 6 бод с помощью квадратурной амплитудной модуляции кодируются от 2 до 6 бит на бод. Имеется несколько степеней свободы для обеспечения максимальной пропускной способности каждого конкретного канала, имеющего свои характеристики по части искажений и помеховой обстановки. В процессе установки соединения каждый частотный подканал независимо тестируется и определяется возможность его использования, а также параметры: модуляционная скорость подканала и число позиций модуляции. Максимальная скорость передачи по протоколу PEP может достигать 19200 бит/с. В процессе сеанса при ухудшении помеховой обстановки параметры подканалов могут меняться, а некоторые подканалы - отключаться. При этом декремент понижения скорости не превышает 100 бит/с. Протокол TurboPEP за счет увеличения числа подканалов, а также количества кодируемых на одном бодовом интервале бит, может достигать скорости 23000 бит/с. Кроме того, в протоколе TurboPEP применяется модуляция с треллис-кодированием, что увеличивает помехоустойчивость протокола.

Основными преимуществами этих протоколов является слабая чувствительность к искажениям амплитудно-частотной характеристики канала и значительно меньшая чувствительность к импульсным помехам по сравнению с традиционными протоколами. Если первое не вызывает вопросов, то по части импульсных помех требуются некоторые комментарии. Дело в том, что хотя импульсная помеха "бьет" практически по всей ширине спектра, т.е. по всем подканалам, но в связи со значительно большей длительностью сигнала по сравнению с традиционными протоколами (6 бод против 2400), искаженная помехой доля сигнала много меньше, что позволяет в ряде случаев нормально его демодулировать. И последнее, что стоит отметить, это то, что в ряде стран протоколы этого типа запрещены для использования на коммутируемых телефонных каналах. Возможно потому, что многоканальные протоколы позволяют успешно работать даже на линиях, на которых ретивыми канализаторами установлены режекторные фильтры (для того, по-видимому, чтобы лишить клиентов, в чем-то провинившихся, возможности использовать телефонные каналы для передачи данных с помощью стандартных модемов).

Производители 56К модемов, как с протоколом K56flex, так и с протоколом х2, обеспечили в свое время модернизацию своих изделий до V.90 путем простого перепрограммирования ППЗУ (микросхемы на плате модема).

Кроме того, все модемы 56К совместимы со стандартом ITU V.34, поэтому если пользователь соединяется с провайдером, который не поддерживает 56К техноло­гию, связь будет установлена по стандарту V,34, то есть со скоростью до 33,6 Кбит/с.

Протоколы коррекции ошибок и сжатия

Одновременно с развитием протоколов передачи данных шло и развитие протоколов сжатия  и коррекции ошибок. Это было связано с тем, что требовалась передача больших объемов информации, чем позволяли существующие модемы, кроме того, как было сказано выше, качество каналов обещало желать лучшего. Поэтому фирмы - производители модемов разрабатывали для своей аппаратуры передачи данных необходимые ей протоколы сжатия и коррекции ошибок.. Почти все представленные протоколы предназначены для асинхронной передачи данных, за исключением SDC, который наиболее эффективен для повышения качества и скорости передачи трафика X.25, Frame Relay, SDLC, PPP.

Протоколы сжатия и коррекции ошибок

Сжатие информации

Теперь давайте обсудим еще одно важное понятие - сжатие информации. Конечно, вы знакомы с программами-архиваторами и понимаете, какую выгоду может дать сжатие информации при ее перекачке по каналу связи, за пользование которым приходится платить. Понимали это и разработчики протоколов связи, и поэтому самые совершенные из этих протоколов предусматривают сжатие информации перед самой отправкой. Как вы знаете, достаточно лишь пяти бит, чтобы передать любую из 32-х букв русского алфавита. Это иллюстрирует тот факт, что если в сообщении используются не все 256 символов ASCII, то при его передаче можно обойтись "урезанным байтом" - с меньшим количеством бит (конечно, передаваемые байты остаются восьмибитовыми, а группы из, скажем, 5 бит могут начинаться в одном байте и заканчиваться в следующем).

Разумеется, вряд ли в вашем сообщении будут задействованы все до одного символы таблицы ASCII. Поэтому за счет такого "укорачивания байта" можно заметно сократить объем файла, не потеряв ничего из его содержимого. Более того, длина таких укороченных байтов может быть даже переменной, причем более часто встречающиеся символы кодируются более короткими последовательностями битов. Ну и наконец, еще большей экономии можно достичь, сокращая повторяющиеся группы символов по принципу:

ААААА - 5A

Конечно, этим методы сжатия данных не исчерпываются, и, например, программы-архиваторы работают по гораздо более сложным алгоритмам. Но, к сожалению, при сжатии данных прямо во время передачи (как говорят, "на лету") алгоритм в каждый момент времени видит лишь небольшую часть всех данных - один блок (см. ниже). Поэтому большой эффективности достичь при этом не удается; скажем, если два подряд идущих блока совершенно одинаковы, посылающий модем не может просто сказать, что второй блок совпадает с первым, - ему все равно придется послать еще раз те же данные, так как сжимать информацию позволяется только в пределах одного блока.

Перечень протоколов MNP

MNP (Microcom Network Protocols) -  серия  наиболее  распространенных аппаратных  протоколов,  впервые  реализованная на модемах фирмы Microcom. Эти протоколы  обеспечивают  автоматическую коррекцию ошибок и компрессию передаваемых данных.

Сейчас следующие протоколы:

MNP1.  Протокол коррекции ошибок,  использующий асинхронный полудуплексный метод передачи данных.  Это самый простой из протоколов MNP.

MNP2.  Протокол коррекции ошибок,  использующий асинхронный дуплексный метод передачи данных.

MNP3.  Протокол коррекции ошибок,  использующий  синхронный дуплексный метод  передачи данных между модемами (интерфейс модем - компьютер остается асинхронным). Так как  при  асинхронной передаче используется десять бит на байт - восемь бит данных,  стартовый бит и стоповый  бит,  а при синхронной  только  восемь,  то  в этом кроется возможность ускорить обмен данными на 20%.

MNP4.  Протокол,  использующий  синхронный  метод передачи, обеспечивает оптимизацию фазы данных, которая несколько улучшает неэффективность протоколы MNP2 и MNP3.  Кроме того, при изменении числа ошибок на линии соответственно  меняется  и  размер блоков передаваемых данных.   При увеличении числа ошибок размер блоков уменьшается,  увеличивая вероятность успешного прохождения отдельных блоков. Эффективность этого метода составляет около 20% по сравнению с простой передачей данных.

MNP5.  Дополнительно к методам MNP4,  MNP5 часто использует простой метод  сжатия  передаваемой  информации.   Символы часто встречающиеся в передаваемом блоке кодируются  цепочками  битов меньшей длины,  чем редко встречающиеся символы.   Дополнительно кодируются длинные цепочки одинаковых символов.  Обычно при этом текстовые файлы сжимаются до 35% своей исходной длины.  Вместе с 20% MNP4 это дает повышение эффективности до 50%. Заметим, что если вы передаете уже сжатые файлы, а в большинстве это так и есть,  дополнительного  увеличения  эффективности за счет сжатия данных модемом этого не происходит.

MNP6.  Дополнительно к методам протокола MNP5 автоматически переключается между  дуплексным и полудуплексным методами передачи в зависимости от  типа  информации.   Протокол  MNP6  также обеспечивает совместимость с протоколом V. 29.

MNP7.  По сравнению с ранними протоколами использует  более эффективный метод сжатия данных.

MNP9.  Использует протокол V. 32 и соответствующий метод работы, обеспечивающий совместимость с низкоскоростными модемами.

MNP10.  Предназначен для обеспечения связи на сильно зашумленных линиях,  таких,  как линии сотовой связи, междугородними линиями, сельские линии.   Это достигается при помощи  следующих методов:

- многократного повторения попытки установить связь

- изменения  размера  пакетов  в соответствии с изменением уровня помех на линии

- динамического изменения скорости передачи в соответствии с уровнем помех линии

Все протоколы MNP совместимы между собой снизу вверх.   При установлении связи  происходит  установка наивысшего возможного уровня MNP-протокола.   Если же один из связывающихся модемов не поддерживает протокол MNP, то MNP-модем работает без MNP-протокола.

Сравнение V.42 с 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 телекоммуникационного пространства реализация тем или иным способом коррекции ошибок становится по понятным причинам совершенно необходимой.

Сравнив MNP2-4 и V.42 ITU-T, становится понятно, какой же перспективнее, и разрешается это сравнение в пользу ITU-T. Попытаемся аргументировать справедливость этого вывода ниже.

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 ка- нал 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.

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 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.

Протоколы коррекции ошибок

      То, что по недоразумению называют протоколом MNP4, протоколом на самом деле не является. Это не более, чем модифицированная реализация протоколов MNP2 и MNP3. Протокол коррекции ошибок определяет формат кадра, перечень допустимых типов кадров, логическую структуру кадра каждого типа и собственно протокол, т.е. порядок установки режима коррекции ошибок, выхода из режима и допустимого чередования кадров.

MNP2

       Протокол коррекции ошибок MNP2 является знак-ориентированным протоколом типа BSC (Binary Synchronous Communications). Его наличие или отсутствие никак не затрагивает формат передачи байта по каналу: он подвергается асинхронно-синхронному преобразованию в соответствии с Рекомендацией V.14 CCITT. Каждый элемент кадра - байт - состоит из 8 информационных бит, передается по каналу последовательно, младшим битом вперед; выдача первого бита предваряется стартовым битом (0), служащим синхросигналом приемнику; после передачи последнего бита выдается стоповый бит (1). Если следующий байт не готов к выдаче, передается поток стоповых битов. Таким образом можно считать, что байт состоит как минимум из 10 бит, включая один стартовый и один стоповый биты .Из этого обстоятельства есть два весьма существенных следствия. Во-первых, процедура входа в протокол прозрачна и не требует специального синхронного переключения обоих модемов в какой-то специфический режим работы асинхронно-синхронного преобразования данных. В любой момент модем может начать передачу символов, являющихся не самоценными данными, а служебным полем кадра протокола MNP2. Лишь бы приемник был готов на логическом уровне идентифицировать это обстоятельство. Во-вторых, реализация протокола может быть вынесена на уровень программного обеспечения компьютера, оставляя модем и вовсе в неведении относительно наличия протокола коррекции ошибок. Хорошо это или плохо - предмет отдельного разговора, но это дополнительная степень свободы, предоставляемая (или, вернее, не отнимаемая) протоколом.

Страницы: 1, 2, 3, 4