Сетевая модель OSI – это эталонная модель взаимодействия открытых систем, на английском звучит как Open Systems Interconnection Basic Reference Model. Ее назначение в обобщенном представлении средств сетевого взаимодействия.

То есть модель OSI – то обобщенные стандарты для разработчиков программ, благодаря которым любой компьютер одинаково может расшифровать данные, переданные с другого компьютера. Чтобы было понятно, приведу жизненный пример. Известно, что пчелы видят все окружающее их в утрафиалетовом свете. То есть одну и ту же картинку наш глаз и пчелиный воспринимает абсолютно по-разному и то, что видят насекомые, может быть незаметно для зрения человека.

То же самое и с компьютерами – если один разработчик пишет приложение на каком-либо программном языке, который понимает его собственный компьютер, но не доступен ни для одного другого, то на любом другом устройстве вы прочитать созданный этим приложением документ не сможете. Поэтому пришли к такой идее, чтобы при написании приложений следовать единому своду правил, понятному для всех.

Уровни OSI

Для наглядности процесс работы сети принято разделять на 7 уровней, на каждом из которых работает своя группа протоколов.

Сетевой протокол – это правила и технические процедуры, позволяющие компьютерам, объединенным в сеть, осуществлять соединение и обмен данными.
Группа протоколов, объединенных единой конечной целью, называется стек протоколов.

Для выполнения разных задач имеется несколько протоколов, которые занимаются обслуживанием систем, например, стек TCP/IP. Давайте здесь внимательно посмотрим на то, каким образом информация с одного компьютера отправляется по локальной сети на другой комп.

Задачи компьютера ОТПРАВИТЕЛЯ:

• Взять данные из приложения
• Разбить их на мелкие пакеты, если большой объем
• Подготовить к передаче, то есть указать маршрут следования, зашифровать и перекодировать в сетевой формат.

Задачи компьютера ПОЛУЧАТЕЛЯ:

• Принять пакеты данных
• Удалить из него служебную информацию
• Скопировать данные в буфер
• После полного приема всех пакетов сформаровать из них исходный блок данных
• Отдать его приложению

Для того, чтобы верно произвести все эти операции и нужен единый свод правил, то есть эталонная модель OSI.

Вернемся у к уровням OSI. Их принято отсчитывать в обратном порядке и в верхней части таблицы располагаются сетевые приложения, а в нижней – физическая среда передачи информации. По мере того, как данные от компьютера спускаются вниз непосредственно к сетевому кабелю, протоколы, работающие на разных уровнях, постепенно их преобразовывают, подготавливая к физической передаче.

Разберем их подробнее.

7. Прикладной уровень (Application Layer)

Его задача забрать у сетевого приложения данные и отправить на 6 уровень.

6. Уровень представления (Presentation Layer)

Переводит эти данные на единый универсальный язык. Дело в том, что каждый компьютерный процессор имеет собственный формат обработки данных, но в сеть они должны попасть в 1 универсальном формате – именно этим и занимается уровень представления.

5. Сеансовый уровень (Session Layer)

У него много задач.

1. Установить сеанс связи с получателем. ПО предупреждает компьютер-получатель о том, что сейчас ему будут отправлены данные.
2. Здесь же происходит распознавание имен и защита:
   • идентификация – распознавание имен
   • аутентификация – проверка по паролю
   • регистрация – присвоение полномочий
3. Реализация того, какая из сторон осуществляет передачу информации и как долго это будет происходить.
4. Расстановка контрольных точек в общем потоке данных для того, чтобы в случае потери какой-то части легко было установить, какая именно часть потеряна и следует отправить повторно.
5. Сегментация – разбивка большого блока на маленькие пакеты.

4. Транспортный уровень (Transport Layer)

Обеспечивает приложениям необходимую степень защиты при доставке сообщений. Имеется две группы протоколов:

• Протоколы, которые ориентированы на соединение – они отслеживают доставку данных и при необходимости запрашивают повторную отправку при неудаче. Это TCP – протокол контроля передачи информации.
• Не ориентированные на соединение (UDP) – они просто отправляют блоки и дальше не следят за их доставкой.

3. Сетевой уровень (Network Layer)

Обеспечивает сквозную передачу пакета, рассчитывая его маршрут. На этом уровне в пакетах ко всей предыдущей динформации, сформированной другими уровнями, добавляются IP адреса отправителя и получателя. Именно с этого момент пакет данных называется собственно ПАКЕТОМ, у которого есть (IP протокол – это протокол межсетевого взаимодействия).

2. Канальный уровень (Data Link Layer)

Здесь происходит передача пакета в пределах одного кабеля, то есть одной локальной сети. Он работает только до пограничного маршрутизатора одной локальной сети. К полученному пакету канальный уровень добавляет свой заголовок – MAC адреса отправителя и получателя и в таком виде блок данных уже называется КАДРОМ.

При передачи за пределы одной локальной сети пакету присваивается MAC не хоста (компьютера), а маршрутизатора другой сети. Отсюда как раз появляется вопрос серых и белых IP, о которых шла речб в статье, на которую была выше дана ссылка. Серый – это адрес внутри одной локальной сети, который не используетс яза ее пределами. Белый – уникальный адрес во всем глобальном интернете.

При поступлении пакета на пограничный роутер IP пакета подменяется на IP этого роутера и вся локальная сеть выходит в глобальную, то есть интернет, под одним единственным IP адресом. Если адрес белый, то часть данных с IP адресом не изменяется.

1. Физический уровень (Transport layer)

Отвечает за преобразование двоичной информации в физический сигнал, который отправляется в физический канал передачи данных. Если это кабель, то сигнал электрический, если оптоволоконная сеть, то в оптический сигнал. Осуществляется это преобразование при помощи сетевого адаптера.

Стеки протоколов

TCP/IP – это стек протоколов, который управляет передачей данных как в локальной сети, так и в глобальной сети Интернет. Данный стек содержит 4 уровня, то есть по эталонной модели OSI каждый из них объединяет в себе несколько уровней.

1. Прикладной (по OSI – прикладной, представления и сеансовый)
   За данный уровень отвечают протоколы:
   • TELNET – удаленный сеанс связи в виде командной строки
   • FTP – протокол передачи файлов
   • SMTP – протокол пересылки почты
   • POP3 и IMAP – приема почтовых отправлений
   • HTTP – работы с гипертекстовыми документами
2. Транспортный (по OSI то же самое) – это уже описанные выше TCP и UDP.
3. Межсетевой (по OSI – сетевой) – это протокол IP
4. Уровень сетевых интерфейсов (по OSI – канальный и физический)За работу этого уровня отвечают драйверы сетевых адаптеров.

Терминология при обозначении блока данных

• Поток – те данные, которыми оперируются на прикладном уровне
• Дейтаграмма – блок данных на выходе с UPD, то есть у которого нет гарантированной доставки.
• Сегмент – гарантированный для доставки блок на выходе с протокола TCP
• Пакет – блок данных на выходе с протокола IP. поскольку на данном уровне он еще не гарантирован к доставке, то тоже может называться дейтаграммой.
• Кадр – блок с присвоенными MAC адресами.

Протокол RS-232.

Существует несколько протоколов физического уровня, которые ориентированы на работы с портами типа UART. Один из таких протоколов – RS-232.

Аббревиатура RS означает Recommended standard (то есть де-юро он стандартом не является). Протокол RS-232 определяет физический уровень протокола, который часто используется совместно с UART (то есть использует для передачи асинхронный старт-стопный режим, способ физического кодирования NRZ). Основные характеристики RS-232:

· Среда передачи данных – медный провод. Сигнал является небалансным (потенциальным). В этом случае сигнал передается по одному индивидуальному проводу кабеля, передатчик и приемник имеют по одному выводу в отличие от дифференциального сигнала (каждый сигнал передается по индивидуальной паре). Вторым проводом является общий (земля), используемый сразу всеми сигналами и подключаемый к общим вывода питания приемника и передатчика. Такой способ снижает стоимость соединительного кабеля, но и ухудшает помехоустойчивость системы.

· Количество узлов – всегда 2. Передатчик первого узла соединен с приемником второго и наоборот. Соответственно всегда используется полнодуплексный режим работы – данные передаются в обоих направлениях одновременно и независимо.

· Максимальная длина провода – 15,25 м. для скорости передачи 19,2 Кбит/с.

· Уровни напряжений сигнала на выходе передатчика: сигнал двуполярный, логической “1” соответствует напряжение -5 ¸ -15 В., логическому “0” - +5 ¸ +15 В.

· Минимальные уровни напряжения на входе приемника ±3 В.

· Ток в линии – 500 ма (на самом деле выпускаемые драйверы RS-232 допускают ток в пределах 10 ма).

В настоящее время существует большое количество драйверов, выполняющих преобразование сигналов из цифровых уровней (однополярный сигнал, ограничиваемый уровнем цифрового питания) к уровню RS-232.

Протокол RS-485.

Обеспечивает упрощенное равноправное (на физическом уровне) подключение произвольного числа устройств к линии передачи данных.

Основные характеристики:

· среда передачи данных – всегда витая пара. Обычно используется 1 пара (полудуплексный режим), возможно использование 2-х пар (полнодуплексный режим, не являющийся стандартным). Линии пары также маркируются буквами A и B. Рекомендуется использование экранированной витой пары;

· способ передачи – полудуплексный (при использовании одной пары) либо полнодуплексный (при использовании двух пар). В последнем случае режим связи аналогичен режиму RS-422.

· максимальная дальность передачи – 1220 м на скорости 100 кбит/с;

· максимальная скорость передачи – 10 Мбит/с на расстояние до 15 м;

· сигнал передатчика двуполярный. Соотношения потенциалов линий A и B: состояние 0 – A>B, состояние 1 – B>A. Разность потенциалов A и B должна составлять 1,5 – 5 В, уровень тока в линии – до 250 ма.

Изначально протокол предусматривал подключение к одной линии до 32 устройств, но производители драйверов линии увеличили это количество до 128-256.

Тема 6 . Архитектура протокол DSS-1

Введение

Разработанный ITU-T протокол цифровой абонентской сиг­нализации №1 (DSS-1 - Digital Subscriber Signaling 1) между поль­зователем ISDN и сетью ориентирован на передачу сигнальных сообщений через интерфейс «пользователь-сеть» по D-каналу это­го интерфейса. Международный союз электросвязи (ITU-T) оп­ределяет канал D в двух вариантах:

а) канал 16 Кбит/с, используемый для управления соединения­ми по двум В-каналам;

б) канал 64 Кбит/с, используемый для управления соединения­ми по нескольким (до 30) В-каналам.

Концепции общеканальной сигнализации протоколов DSS-1 и ОКС-7 весьма близки, но эти две системы были специфициро­ваны в разное время и разными Исследовательскими комиссиями ITU-T, а потому используют различную терминологию. Тем не менее, некоторые пояснения в отношении сходства концепций и различий в терминах DSS-1 и ОКС-7 представля­ются полезными. На рис. 1 показаны АТС ISDN, звено сигна­лизации ОКС-7, оборудование пользователя ISDN и D-канал в интерфейсе «пользователь-сеть». Функции D-канала сходны с функциями звена сигнализации ОКС-7. Информационные бло­ки в D-канале, называемые кадрами, аналогичны сигнальным единицам (SU) в системе ОКС-7.

Рис. 1. Функциональные объекты протоколов DSS-1 и ISUP: (а) -примитивы DSS-1 и (б) - примитивы ОКС-7

Архитектура протокола DSS-1 разработана на основе семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (модели OSI) и соответствует ее первым трем уровням. В контексте этой модели пользователь и сеть именуются системами, а протокол, как это имело место, например, для ОКС-7 определяется специ­фикациями:

Процедур взаимодействия между одними и теми же уровня­ми в разных системах, определяющих логическую последо­вательность событий и потоков сообщений;

Форматов сообщений, используемых для процедур органи­зации логических соединений между уровнем в одной систе­ме и соответствующим ему уровнем в другой системе. Фор­маты определяют общую структуру сообщений и кодирова­ние полейв составе сообщений;

примитивов, описывающих обмен информацией между смежными уровнями одной системы. Благодаря специфика­циям примитивов интерфейс между смежными уровнями может поддерживаться стабильно, даже если функции, вы­полняемые одним из уровней, изменяются.

Уровень 1 (физический уровень) протокола DSS-1 содержит функции формирования каналов В и D, определяет электрические, функциональные, механические и процедурные характеристики доступа и предоставляет физическое соединение для передачи со­общений, создаваемых уровнями 2 и 3 канала D. К функциям уров­ня 1 относятся:

Подключение пользовательских терминалов ТЕ к шине S-интерфейса с доступом к каналам В и D;

Подача электропитания от АТС для обеспечения телефонной связи в случае отказа местного питания;

Обеспечение работы в режиме «точка-точка» и в многоточеч­ном вещательном режиме.

Уровень 2 звена, известный также под названием LAPD (link access protocol for D-channels), обеспечивает использование D-канала для двустороннего обмена данными при взаимодействии про­цессов в терминальном оборудовании ТЕ с процессами в сетевом окончании NT. Протоколы уровня 2 предусматривают мультиплек­сирование и цикловую синхронизацию для каждого логического звена связи, поскольку уровень 2 обеспечивает управление сразу несколькими соединениями звена данных в канале D. Кроме того, функции уровня 2 включают в себя управление последовательно­стью передачи для сохранения очередности следования сообще­ний через соединение, а также обнаружение и исправление оши­бок в этих сообщениях.

Формат сигналов уровня 2 - это кадр. Кадр начинается и за­канчивается стандартным флагом и содержит в адресном поле два. важнейших идентификатора - идентификатор точки доступа к ус­лугам (SAPI) и идентификатор терминала (TEI).

SAPI используется для идентификации типов услуг, предос­тавляемых уровню 3, и может иметь значения от 0 до 63. Значение SAPI =0, например, используется для идентификации кадра, кото­рый применяется для сигнализации.

TEI используется для идентификации процесса, обеспечи­вающего предоставление услуги связи определенному терминалу. TEI может иметь любое значение от 0 до 126, позволяя идентифи­цировать до 127 различных процессов в терминалах ТЕ. В базовом доступе эти процессы могут распределяться между 8 терминала­ми, подключенными к общей пассивной шине. Значение ТЕ1=127 используется для идентификации вещательного режима (инфор­мация для всех терминалов).

Для уровня звена данных определены две формы передачи ин­формации: с подтверждением и без подтверждения. При неподтвер­ждаемой передаче информация уровня 3 переносится в ненумеро­ванных кадрах, причем уровень 2 не обеспечивает подтверждение получения этих кадров и сохранение очередности их следования.

При подтверждаемой передаче информации передаваемые уровнем 2 кадры нумеруются. Это позволяет подтверждать (кви­тировать) получение каждого кадра. Если обнаруживается ошиб­ка или отсутствие кадра, осуществляется его повторная передача. Кроме того, при работе с подтверждением вводятся специальные процедуры управления потоками, предохраняющие от перегрузки оборудование сети или пользователя. Передача с подтверждением применима только к режиму «точка-точка».

Уровень 3 (сетевой уровень) предполагает использование сле­дующих протоколов:

Протокол сигнализации, определенный в рекомендации 1.451 или Q.931 (эти две рекомендации идентичны). В этом случае SAPI=0, а протокол сигнализации используется для установ­ления и разрушения базовых соединений, а также для пре­доставления дополнительных услуг;

Протокол передачи данных в пакетном режиме, определен­ный в рекомендации Х.25 и рассмотренный в главе 9 данной книги. В этом случае SAPI= 16;

Другие протоколы, которые могут быть определены в буду­щем. В этих случаях для SAPI всякий раз будет устанавли­ваться соответствующее данному протоколу значение.

Протокол сигнализации Q.931 (уровень 3) определяет смысл и содержание сигнальных сообщений и логическую последователь­ность событий, происходящих при создании, в процессе сущест­вования и при разрушении соединений. Функции уровня 3 обес­печивают управление базовым соединением и дополнительными услугами, а также некоторые дополнительные к уровню 2 транс­портные возможности. Примером таких дополнительных транс­портных возможностей является опция перенаправления сигналь­ных сообщений на альтернативный D-канал (если это предусмот­рено) в случае отказа основного D-канала.

Физический уровень протокола DSS-1

Уровень 1 (физический уровень) интерфейса базового доступа определяется в рекомендации 1.430. Как уже упоминалось в пара­графе 2.2 (рис. 2.4), в базовом доступе скорость передачи на уровне 1 равна 192 Кбит/с и обеспечивает формирование двух В-каналов со скоростью передачи данных 64 Кбит/с и одного D-канала со ско­ростью передачи данных 16 Кбит/с. Оставшийся ресурс скорости - 48 Кбит/с - используется для цикловой синхронизации, байтовой синхронизации, активизации и деактивизации связи между терми­налами и сетевым окончанием NT. Длина цикла составляет 48 би­тов, а продолжительность цикла - 250 мкс. Там же, в предыдущей главе, отмечалось, что интерфейс в точке S перед передачей кадров должен проходить фазу активизации. Цель фазы активизации со­стоит в том, чтобы гарантировать синхронизацию приемников на одной стороне интерфейса и передатчиков на другой его стороне, что достигается обменом сигналами, называемыми INFO. Исполь­зуется пять различных сигналов INFO.

Первый, INFO 0, свидетельствует об отсутствии какого-либо активного сигнала, поступающего от приемопередатчиков S-интерфейса, и передается в том случае, если все приемопередатчики деактивизированы. Когда терминалу ТЕ необходимо установить соединение с сетью, он инициирует активизацию S-интерфейса путем передачи сигнала INFO 1 в направлении от ТЕ к NT. В ответ на сигнал INFO 1 сетевое окончание NT передает в направлении к ТЕ сигнал INFO 2. Сигнал INFO 2 соответствует циклу, рассмот­ренному в предыдущей главе (рис. 2.4), со всеми битами В- и D-каналов, имеющими значение 0. Циклы INFO 2 могут пред­усматривать передачу информации в сверхцикловых каналах, что приводит к нескольким разным формам сигнала INFO 2. Для ука­зания незавершенной активизации интерфейса биту А, называе­мому битом активизации, также присваивается значение 0, а за­тем, когда активизация достигнута, - значение 1. Каждый цикл INFO 2 содержит изменения полярности импульсов, создаваемые последним битом D-канала предыдущего цикла и битом цикло­вой синхронизации F текущего цикла, а также изменения поляр­ности, вызываемые битом L (см. рис.2).

Когда в ТЕ достигается цикловая синхронизация, к NT пе­редается сигнал INFO 3. В ответ на информацию о достижении синхронизации из NT передается сигнал INFO 4, который содер­жит данные В- и D-каналов и данные сверхциклового канала. Теперь интерфейс полностью активизирован циклами INFO 3 в направлении от ТЕ к NT и циклами INFO 4 в направлении от NT к ТЕ.

В том случае, когда сеть инициирует соединение с ТЕ, т.е. активизация осуществляется в направлении от NT к ТЕ, последо­вательность обмена сигналами почти такая же, кроме одного мо­мента: NT выходит из исходного состояния, в котором посылался сигнал INFO 0, передавая сигнал INFO 2. Сигнал INFO 1 в этом случае не используется.

Рис. 2. Последовательность сигналов при активизации S-интерфейса: (а) - активизация отТЕ;

(б) - активизация от NT

Уровень LAPD

Протоколы уровня 2 (LAPD - Link Access Procedure on the D-channel) как базового, так и первичного доступа определены в рекомендациях ITU-T 1.440 (основные аспекты) и 1.441 (подроб­ные спецификации). Эти же рекомендации в серии Q имеют но­мера Q.920 и Q.921. Обмен информацией на уровне LAPD осуще­ствляется посредством информационных блоков, называемых кад­рами и схожих с сигнальными единицами ОКС- 7.

Сформированные на уровне 3 сообщения помещаются в ин­формационные поля кадров, не анализируемые уровнем 2. Задачи уровня 2 заключаются в переносе сообщений между пользовате­лем и сетью с минимальными потерями и искажениями. Форматы и процедуры уровня 2 основываются на протоколе управления зве­ном передачи данных высокого уровня HDLC (High-level Data-Link Control procedures), первоначально определенном Международной организацией по стандартизации ISO и образующем подмножест­во других распространенных протоколов: LAPB, LAPV5 и др. Про­токол LAPD, также входящий в подмножество HDLC, управляет потоком кадров, передаваемых по D-каналу, и предоставляет ин­формацию, необходимую для управления потоком и исправления ошибок.

Рис. 3. Формат кадра

Кадры могут содержать либо команды на выполнение дейст­вий, либо ответы, сообщающие о результатах выполнения команд, что определяется специальным битом идентификации коман­да/ответ C/R. Общий формат кадров LAPD показан на рис. 3.

Каждый кадр начинается и заканчивается однобайтовым фла­гом. Комбинация флага (0111 1110) такая же, как в ОКС-7. Имита­ция флага любым другим полем кадра исключается благодаря за­прещению передачи последовательности битов, состоящей из бо­лее чем пяти следующих друг за другом единиц. Это достигается с помощью специальной процедуры, называемой «бит-стаффингом» (bit-stuffing), которая перед передачей кадра вставляет ноль после любой последовательности из пяти единиц, за исключением фла­га. При приеме кадра любой ноль, обнаруженный следом за по­следовательностью из пяти единиц, изымается.

Адресное поле (байты 2 и 3) кадра на рис. 3. содержит иден­тификатор точки доступа к услуге SAPI (Service Access Point Identi­fier) и идентификатор терминала TEI (Terminal Equipment Identifi­er) и используется для маршрутизации кадра к месту его назначе­ния. Эти идентификаторы, определяют соединение и терминал, к которым относится кадр.

Идентификатор пункта доступа к услуге SAPI занимает 6 би­тов в адресном поле и фактически указывает, какой логический объект сетевого уровня должен анализировать содержимое инфор­мационного поля. Например, SAPI может указывать, что содер­жимое информационного поля относится к процедурам управле­ния соединениями в режиме коммутации каналов или к процеду­рам пакетной коммутации. Рекомендацией Q.921 определены зна­чения SAPI, приведенные в табл. 1.

Таблица 1. ЗначенияSAPI

Идентификатор TEI указывает терминальное оборудование, к которому относится сообщение. Код TEI=127 (1111111) указы­вает на вещательную (циркулярную) передачу информации всем терминалам, связанным с данной точкой доступа. Остальные зна­чения (0-126) использются для идентификации терминалов. Диа­пазон значений TEI (табл..2) разделяется между теми термина­лами, для которых TEI назначает сеть (автоматическое назначе­ние TEI), и теми, для которых TEI назначает пользователь (неав­томатическое назначение TEI).

Таблица 2. ЗначенияTEI

При подключении УПАТС (представляющей собой функцио­нальный блок NT2) к АТС ISDN общего пользования с использо­ванием интерфейса PR1 в соответствии с требованиями стандар­тов ETSI, принятых и в России, ТЕ1==0. В этом случае процедуры назначения TEI не применяются.

Бит идентификации команды/ответа C/R (Command/Res­ponse bit) в адресном поле перенесен в DSS-1 из протокола Х.25. Этот бит устанавливается LAPD на одном конце и обрабатывается на противоположном конце звена. Значение C/R (табл..3) классифицирует каждый кадр как командный или как кадр ответа. Если кадр сформирован как команда, адресное поле идентифицирует получателя, а если кадр является ответом, адресное поле иденти­фицирует отправителя. Отправителем или получателем могут быть как сеть, так и терминальное оборудование пользователя.

Таблица 3. БитыC/R в поле адреса

Бит расширения адресного поля ЕА (Extended address bit) слу­жит для гибкого увеличения длины адресного поля. Бит расшире­ния в первом байте адреса, имеющий значение 0, указывает на то, что за ним следует другой байт. Бит расширения во втором байте, имеющий значение 1, указывает, что этот второй байт в адресном поле является последним. Если впоследствии возникнет необходимость увеличить размер адресного поля, значение бита расширения во втором бай­те может быть изменено на 0, что будет указывать на существова­ние третьего байта. Третий байт в этом случае будет содержать бит расширения со значением 1, указывающим, что этот байт являет­ся последним. Увеличение размера адресного поля, таким обра­зом, не влияет на остальную часть кадра.

Два последних байта в структуре кадра на рис. 3. содержат 16-битовое поле проверочной комбинации кадра PCS (Frame check sequence) и генерируются уровнем звена данных в оборудовании, передающем кадр. Это поле имеет ту же функцию, что и поле СВ (контрольные биты) в сигнальных единицах ОКС-7 и позволяет LAPD обнаруживать ошибки в полученном кадре. В поле FSC передается 16-битовая последовательность, биты которой формируются как дополнение для суммы (по модулю 2), в которой: а) первым слагаемым является остаток от деления (по модулю 2) произведения х k (x 15 +x 14 +…+x+l) на образующий поли­ном (х 16 +х 12 +х 5 +1), где k - число битов кадра между последним битом открывающего флага и первым битом проверочной комби­нации, исключая биты, введенные для обеспечения прозрачности;

б) вторым слагаемым является остаток от деления (по модулю 2) на этот образующий полином произведения х 16 на полином, коэф­фициентами которого являются биты кадра, расположенные ме­жду последним битом открывающего флага и первым битом проверочной комбинации, исключая биты, введенные для обеспече­ния прозрачности. Обратное преобразование выполняется уров­нем звена данных в оборудовании, принимающем кадр, с тем же образующим полиномом для адресного поля, полей управления, информационного и FCS. Протокол LAPD использует соглаше­ние, по которому остаток от деления (по модулю 2) произведения х 16 на полином, коэффициентами которого являются биты пере­численных полей и FCS, всегда составляет 0001110100001111 (де­сятичное 7439), если на пути от передатчика к приемнику никакие биты не были искажены. Если результаты обратного преобразова­ния соответствуют проверочным битам, кадр считается передан­ным без ошибок. Если же обнаружено несоответствие результатов, это означает, что при передаче кадра произошла ошибка.

Поле управления указывает тип передаваемого кадра и зани­мает в различных кадрах один или два байта. Существует три кате­гории форматов, определяемых полем управления: передача ин­формации с подтверждением (I-формат), передача команд, реали­зующих управляющие функции (S-формат), и передача информа­ции без подтверждения (U-формат). Табл. 4 содержит сведения об основных типах кад­ров протокола DSS-1.

Рассмотрим эти типы несколько подробнее.

Информационный кадр (I) сопоставим со значащей сигналь­ной единицей MSU в ОКС-7). С по­мощью 1-кадров организуется передача информации сетевого уров­ня между терминалом пользователя и сетью. Этот кадр содержит информационное поле, в котором помещается сообщение сетево­го уровня. Поле управления 1-формата содержит порядковый но­мер передачи, который увеличивается на 1 (по модулю 128) каж­дый раз, когда передается кадр. При подтверждении приема 1-кад­ров в поле управления вводится порядковый номер приема.

Управляющий кадр (S) используется для поддержки функций управления потоком и запроса повторной передачи. S-кадры не имеют информационного поля и сравнимы с сигнальными еди­ницами состояния звена LSSU в ОКС-7 .Например, если сеть временно не в состоянии принимать 1-кадры, пользователю посылается S-кадр «к приему не готов» (RNR). Когда сеть снова сможет принимать 1-кадры, она передает другой S-кадр - «к приему готов» (RR). S-кадр также может использоваться для подтверждения и содержит в этом случае поряд­ковый номер приема, а не передачи.

Таблица 4. Основные типы кадров LAPD

формат	Команды	Ответы	Описание
Информа­ционные кадры (I)	Информация	-	Используется в режиме с подтверждением для передачи нумерованных кадров, содержащих информационные поля с сообщениями уровня 3
Управля­ющие	К приему готов (PR-receive ready)	К приему готов (RR-receive ready)	Используется для указания готовности встречной стороны к приему I-кадра или для подтверждения ранее полученных 1-кадров
кадры (S)	К приему не готов (RNR)	К приему не готов (RNR)	Используется для указания неготовности встречной стороны к приему I-кадра
		Отказ/переспрос (REJ-reject)	Используется для запроса повторной передачи 1-кадра
	Ненумерованная информация (UI-unnumbered information)		Используется в режиме передачи без подтверждения
		Отключено (DM-disconnected mode)
Ненуме­рованные кадры (U)	Установка расширенного асинхронного балансного режима (SABME-set asynchronous balanced mode extended)		Используется для начальной установки режима с подтверждением
		Отказ кадра (FRMR-frame reject)
	Разъединение (DISC-disconnect)		Используется для прекращения режима с подтверждением
		Ненумерованное подтверждение (UA-unnumbered ask)	Используется для подтверждения приема команд установки режима, например, SABME, DISC

Управляющие кадры можно передавать или как командные, или как кадры ответа.

Ненумерованный кадр (U) не имеет аналогов в ОКС-7. В этой группе имеется кадр ненумерованной информации (UI), единст­венный из группы содержащий информационное поле и несущий сообщение сетевого уровня. U-кадры используются для передачи информации в режиме без подтверждения и для передачи некото­рых административных директив. Чтобы транслировать сообще­ние ко всем ТЕ, подключенным к шине S-интерфейса, станция передает кадр UI с ТЕ1==127. Поле управления U-кадров не содер­жит порядковых номеров.

Как следует из вышеизложенного, информационное поле имеется в кадрах только некоторых типов и содержит информа­цию уровня 3, сформированную одной системой, например, тер­миналом пользователя, которую требуется передать другой систе­ме, например, сети. Информационное поле может быть пропуще­но, если кадр не имеет отношения к конкретной коммутируемой связи (например, в управляющих кадрах, S-формат). Если кадр относится к функционированию уровня 2 и уровень 3 не участвует в его формировании, соответствующая информация включается в поле управления.

Биты P/F (poll/final) поля управления идентифицируют груп­пу кадров (из табл.4), что также заимствовано из спецификаций протокола Х.25. Путем установки в 1 бита Р в командном кадре функции LAPD на одном конце звена данных указывают функци­ям LAPD на противоположном конце звена на необходимость от­вета управляющим или ненумерованным кадром. Кадр ответа с F== 1 указывает, что он передается в ответ на принятый командный кадр со значением Р= 1. Оставшиеся биты байта 4 идентифицируют кон­кретный тип кадра в пределах группы.

И в заключение с учетом уже детально проанализированной структуры кадра уровня 2 протокола DSS-1, еще раз рассмотрим оба способа передачи кадров: с подтвержде­нием и без подтверждения.

Передача с подтверждением. Этот способ используется толь­ко в соединениях звена данных, имеющих конфигурацию «точка-точка», для передачи информационных кадров. Он обеспечивает исправление ошибок путем повторной передачи и доставку не со­держащих ошибок сообщений в порядке очередности. Этот спо­соб подобен основному методу защиты от ошибок при передаче значащих сигнальных единиц MSU в системе ОКС-7.

Поле управления информационного кадра имеет подполя «номер передачи» и «номер приема» . Эти подполя сопоставимы с полями FSN, BSN в сигнальных единицах MSU системы ОКС-7 Протокол LAPD присваивает возрастающие порядковые номера передачи N(S) по­следовательно передаваемым информационным кадрам, а имен­но: N(S)=0, 1, 2,... 127, О, 1,... и т.д. Он также записывает переда­ваемые кадры в буфер повторной передачи и хранит эти кадры в буфере вплоть до получения положительного подтверждения их приема.

Похожая информация.

МОДЕМНЫЕ ПРОТОКОЛЫ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ

Телекоммyникации - наиболее динамично развивающаяся отрасль в мире. Актyальность этой отрасли именно для нашей страны в силу ее размеров и традиционных проблем с устойчивостью и управляемостью трyдно переоценить. С другой стороны, неразвитость, к сожалению, современных каналов связи не позволяет в полной мере воспользоваться мировыми достижениями в области высокоскоростных цифровых систем передачи информации. И потому модемы для коммутируемых телефонных каналов связи остаются и, думаю, еще долго будут оставаться наиболее широко распространенным средством информационных коммуникаций. К тому же, судя по энтузиазму, с которым ведущие зарубежные фирмы-производители телекоммуникационного оборудования взялись за разработку и производство модемов по новому стандарту V.34, интерес к модемной тематике не скоро угаснет и в более благополучных в смысле коммуникационной инфраструктуры странах.

В данной статье делается попытка дать обзор протоколов физического уровня и их параметров для модемов, работающих по коммутируемым и выделенным каналам связи тональной частоты (телефонным каналам). Прежде чем начать собственно обзор, стоит сделать несколько замечаний общего характера относительно принятой терминологии и приниципов работы модемов. Это позволит снять возможные недоразумения, связанные с нечеткостью представления широкой публики о разнице между понятиями бода и бит/с, соответственно между модуляционной скоростью и информационной. Кроме того, небесполезными будут сведения о возможных видах модуляции, применяемых в модемах, а также о дуплексной связи и способах ее обеспечения.

Скорость

Аналоговые каналы тональной частоты характеризуются тем, что спектр передаваемого по ним сигнала ограничен диапазоном от 300 Гц до 3400 Гц. Причины, по которым такое ограничение имеет место, пусть останутся за рамками данной статьи. Примем это как данность. Именно это ограничение спектра и является основной преградой в использовании телефонных каналов для высокоскоростной передачи цифровой информации. Человек, знакомый с трудами Найквиста, без сомнения укажет нам, что скорость передачи информации по каналу с ограниченным спектром не может превосходить ширины этого спектра, т. е. 3100 бод в нашем случае. Но как же тогда быть с модемами, передающими информацию со скоростями 4800, 9600, 14400 бит/с и даже больше? Ответ напрашивается сам: в аналоговой технике передачи данных бод и бит/с не есть одно и то же. Для прояснения этого тезиса стоит рассмотреть внимательнее физический уровень работы модема.

Электрический сигнал, распространяющийся по каналу, характеризуется тремя параметрами - амплитудой, частотой и фазой. Именно изменение одного из этих параметров, или даже совместно некоторой их совокупности в зависимости от значений информационных бит и составляет физическую сущность процесса модуляции. Каждому информационному элементу соответствует фиксированный отрезок времени, на котором электрический сигнал имеет определенные значения своих параметров, характеризующих значение этого информационного элемента. Этот отрезок времени называют бодовым интервалом. Если кодируемый элемент соответствует одному биту информации, который может принимать значение 0 или 1, то на бодовом интервале параметры сигнала соответственно могут принимать одну из двух предопределенных совокупностей значений амплитуды, частоты и фазы. В этом случае модуляционная скорость (еще ее называют линейной или бодовой) равна информационной, т. е. 1 бод = 1 бит/с. Но кодируемый элемент может соответствовать не одному, а, например, двум битам информации. В этом случае информационная скорость будет вдвое превосходить бодовую, а параметры сигнала на бодовом интервале могут принимать одну из четырех совокупностей значений, соответствующих 00, 01, 10 или 11.

В общем случае, если на бодовом интервале кодируется n бит, то информационная скорость будет превосходить бодовую в n раз. Но количество возможных состояний сигнала в трехмерном (в общем случае) пространстве - амплитуда, частота, фаза - будет равно 2**n. Это значит, что демодулятор модема, получив на бодовом интервале некий сигнал, должен будет сравнить его с 2**n эталонными сигналами и безошибочно выбрать один из них для декодирования искомых n бит. Таким образом, с увеличением емкости кодирования и ростом информационной скорости относительно бодовой, расстояние в сигнальном пространстве между двумя соседними точками сокращается в степенной прогрессии. А это, в свою очередь, накладывает все более жесткие требования к "чистоте" канала передачи. Теоретически возможная скорость в реальном канале определяется известной формулой Шеннона:

V = F log (1+S/N),

где F - ширина полосы пропускания канала, S/N - отношение сигнал/шум.

Второй сомножитель и определяет возможности канала с точки зрения его зашумленности по достоверной передаче сигнала, кодирующего не один бит информации в бодовом интервале. Так, например, если отношение сигнал/шум соответствует 20 dB, т. е. мощность сигнала, доходящего до удаленного модема, в 100 раз превосходит мощность шума, и используется полная полоса канала тональной частоты (3100 Гц), максимальная граница по Шеннону равна 20640 бит/с.

Модуляция

Говоря о видах модуляции, ограничимся только теми, которые реально используются в модемах. А таких на самом деле всего три: частотная, фазоразностная и многопозиционная амплитудно-фазовая модуляция. Все остальные - не более, чем вариации этих трех.

При частотной модуляции (FSK, Frequency Shift Keying) значениям 0 и 1 информационного бита соответствуют свои частоты физического сигнала при неизменной его амплитуде. Частотная модуляция весьма помехоустойчива, поскольку искажению при помехах подвергается в основном амплитуда сигнала, а не частота. При этом достоверность демодуляции, а значит и помехоустойчивость тем выше, чем больше периодов сигнала попадает в бодовый интервал. Но увеличение бодового интервала по понятным причинам снижает скорость передачи информации. С другой стороны, необходимая для этого вида модуляции ширина спектра сигнала может быть значительно уже всей полосы канала. Отсюда вытекает область применения FSK - низкоскоростные, но высоконадежные стандарты, позволяющие осуществлять связь на каналах с большими искажениями амплитудно-частотной характеристики, или даже с усеченной полосой пропускания.

При фазоразностной модуляции (DPSK, Differential Phase Shift Keying) изменяемым в зависимости от значения информационного элемента параметром является фаза сигнала при неизменных амплитуде и частоте. При этом каждому информационному элементу ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения. Если информационный элемент есть дибит, то в зависимости от его значения (00, 01, 10 или 11) фаза сигнала может измениться на 90, 180, 270 градусов или не измениться вовсе. Из теории информации известно, что фазовая модуляция наиболее информативна, однако увеличение числа кодируемых бит выше трех (8 позиций поворота фазы) приводит к резкому снижению помехоустойчивости. Поэтому на высоких скоростях применяются комбинированные амплитудно-фазовые методы модуляции.

Многопозиционную амплитудно-фазовую модуляцию называют еще квадратурной амплитудной модуляцией (QAM, Quadrature Amplitude Modulation). Здесь помимо изменения фазы сигнала используется манипуляция его амплитудой, что позволяет увеличивать число кодируемых бит. В настоящее время используются модуляции, в которых количество кодируемых на одном бодовом интервале информационных бит может доходить до 8, а, соответственно, число позиций сигнала в сигнальном пространстве - до 256. Однако, применение многоточечной QAM в чистом виде сталкивается с серьезными проблемами, связанными с недостаточной помехоустойчивостью кодирования. Поэтому во всех современных высокоскоростных протоколах используется разновидность этого вида модуляции, т. н. модуляция с решетчатым кодированием или треллис-кодированием (TCM, Trellis Coded Modulation), которая позволяет повысить помехозащищенность передачи информации - снизить требования к отношению сигнал/шум в канале на величину от 3 до 6 дБ. Суть этого кодирования заключается в введении избыточности. Пространство сигналов расширяется вдвое путем добавления к информационным битам еще одного, который образуется посредством сверточного кодирования над частью информационных бит и введения элементов запаздывания. Расширенная таким образом группа подвергается все той же многопозиционной амплитудно-фазовой модуляции. В процессе демодуляции принятого сигнала производится его декодирование по весьма изощренному алгоритму Виттерби, позволяющему за счет введенной избыточности и знания предистории выбрать по критерию максимального правдоподобия из сигнального пространства наиболее достоверную точку и, тем самым, определить значения информационных бит.

Под дуплексным режимом работы понимается возможность передавать информацию в обе стороны одновременно. Обычный телефонный канал - типичный пример дуплексного канала. Он позволяет Вам говорить что-то своему собеседнику в то же самое время, когда тот в свою очередь пытается что-то сообщить Вам. Другой вопрос, поймете ли Вы друг друга, но это уже Ваши проблемы. Аналогию можно в полной мере отнести и к модемной связи. Проблема для модема будет заключаться не в способности канала передавать дуплексную информацию, а в возможности демодулятора модема распознать входной сигнал на фоне отраженного от аппаратуры АТС собственного выходного сигнала, который фактически становится для модема шумом. При этом его мощность может быть не только сравнима, но в большинстве случаев значительно превосходить мощность принимаемого полезного сигнала. Поэтому, могут ли модемы передавать информацию одновременно в обе стороны определяется возможностями протокола физического уровня.

Каковы же способы обеспечения дуплекса? Самый очевидный способ, не требующий от разработчиков модемов особой фантазии, но зато требующий от телефонной сети возможности подключения к четырехпроводному окончанию, вытекает из упомянутой возможности. Если такая возможность есть, то в этом случае каждая пара используется для передачи информации только в одном направлении.

Если же необходимо обеспечивать дуплекс при работе по двухпроводной линии, то приходится использовать другие способы. Одним из них является частотное разделение каналов. Вся полоса пропускания канала разделяется на два частотных подканала, по каждому из которых производится передача в одном направлении. Выбор подканала передачи осуществляется на этапе установки соединения и, как правило, однозначно связан с ролью модема в сеансе связи: вызывающий или отвечающий. Очевидно, что этот метод не позволяет использовать возможности канала в полном объеме ввиду значительного сужения полосы пропускания. Тем более, что для исключения проникновения боковых гармоник в соседний подканал, разносить их приходится со значительным "зазором", в результате чего частотные подканалы занимают отнюдь не половину полного спектра. Соответственно (см. формулу Шеннона), данный метод обеспечения дуплексной связи ограничивает скорость передачи информации. Существующие протоколы физического уровня, использующие частотное разделение каналов, обеспечивают симметричную дуплексную связь со скоростями, не превышающими 2400 бит/с.

Оговорка про симметричный дуплекс не случайна. Дело в том, что ряд протоколов обеспечивают и более скоростную связь, но в одном направлении, в то время как обратный канал - значительно медленнее. Разделение частот в этом случае осуществляется на неравные по ширине полосы пропускания подканалы. Эта разновидность дуплексной связи называется асимметричной.

Другим методом обеспечения симметричного дуплекса, который используется во всех высокоскоростных протоколах, является технология эхо-подавления (эхо-компенсации). Суть ее заключается в том, что модемы, обладая информацией о собственном выходном сигнале, могут использовать это знание для фильтрации собственного "рукотворного" шума из принимаемого сигнала. На этапе вхождения в связь каждый модем, посылая некий зондирующий сигнал, определяет параметры эхо-отражения: время запаздывания и мощность отраженного сигнала. А в процессе сеанса связи эхо-компенсатор модема "вычитает" из принимаемого входного сигнала свой собственный выходной сигнал, скорректированный в соответствии с полученными параметрами эхо-отражения. Эта технология позволяет использовать для дуплексной передачи информации всю ширину полосы пропускания канала, однако требует при реализации весьма серьезных вычислительных ресурсов на сигнальную обработку.

Наконец, стоит отметить, что многие протоколы и не пытаются обеспечить дуплексную связь. Это так называемые полудуплексные протоколы. В частности, все протоколы, предназначенные для факсимильной связи - полудуплексные. В этом случае в каждый момент времени информация передается только в одну сторону. По окончании приема/передачи некоторой порции информации оба модема (факса) синхронно переключают направление передачи данных (ping-pong). Ввиду отсутствия проблем с взаимным проникновением подканалов передачи, а также с эхо-отражением, полудуплексные протоколы в общем случае характеризуются большей помехоустойчивостью и возможностью использования всей ширины полосы пропускания канала. Однако эффективность использования канала для передачи данных по сравнению с дуплексными протоколами ниже. Связано это прежде всего с тем, что практически все протоколы передачи данных, как канального уровня (MNP, V.42), так и уровня передачи файлов (X, Y, Zmodem, не говоря уже о протоколах типа BiDirectional), требуют двустороннего обмена, по крайней мере для подтверждения принятой информации. А любое переключение направления передачи, помимо невозможности в данный момент передавать очередную порцию пользовательской информации, требует дополнительных накладных расходов по времени на взаимную пересинхронизацию приемной и передающей сторон.

Общеупотребительные модемные протоколы ITU-T

Это дуплексный протокол с частотным разделением каналов и частотной же модуляцией FSK. На нижнем канале (его обычно использует для передачи вызывающий модем) "1" передается частотой 980 Гц, а "0" - 1180 Гц. На верхнем канале (передает отвечающий) "1" передается частотой 1650 Гц, а "0" - 1850 Гц. Модуляционная и информационная скорости равны - 300 бод, 300 бит/с. Несмотря на невысокую скорость, данный протокол находит применение прежде всего в качестве "аварийного", при невозможности вследствие высокого уровня помех использовать другие протоколы физического уровня. Кроме того, ввиду своей неприхотливости и помехоустойчивости, он используется в специальных высокоуровневых приложениях, требующих высокой надежности передачи. Например, при установке соединения между модемами по новой Рекомендации V.8, или для передачи управляющих команд при факсимильной связи (верхний канал).

Это дуплексный протокол с частотным разделением каналов и модуляцией DPSK. Несущая частота нижнего канала (передает вызывающийГц, верхнего (передает отвечающийГц. Модуляционная скорость - 600 бод. Имеет режимы двухпозиционной (кодируется бит) и четырехпозиционной (дибит) фазоразностной модуляции с фазовым расстоянием между точками, соответственно, в 180 и 90 град. Соответственно, информационная скорость может быть 600 или 1200 бит/с. Этот протокол фактически поглощен протоколом V.22bis.

Это дуплексный протокол с частотным разделением каналов и модуляцией QAM. Несущая частота нижнего канала (передает вызывающийГц, верхнего - 2400 Гц. Модуляционная скорость - 600 бод. Имеет режимы четырехпозиционной (кодируется дибит) и шестнадцатипозиционной (кодируется квадробит) квадратурной амплитудной модуляции. Соответственно, информационная скорость может быть 1200 или 2400 бит/с. Режим 1200 бит/с полностью совместим с V.22, несмотря на другой тип модуляции. Дело в том, что первые два бита в режиме 16-QAM (квадробит) определяют изменение фазового квадранта относительно предыдущего сигнального элемента и потому за амплитуду не отвечают, а последние два бита определяют положение сигнального элемента внутри квадранта с вариацией амплитуды. Таким образом, DPSK можно рассматривать как частный случай QAM, где два последних бита не меняют своих значений. В результате из шестнадцати позиций выбираются четыре в разных квадрантах, но с одинаковым положением внутри квадранта, в том числе и с одинаковой амплитудой. Протокол V.22bis является стандартом де-факто для всех среднескоростных модемов.

Это дуплексный протокол с эхо-подавлением и квадратурной амплитудной модуляцией или модуляцией с решетчатым кодированием. Частота несущего сигнала - 1800 Гц, модуляционная скорость - 2400 бод. Таким образом, используется спектр шириной от 600 до 3000 Гц. Имеет режимы двухпозиционной (бит), четырехпозиционной (дибит) и шестнадцатипозиционной (квадробит) QAM. Соответственно, информационная скорость может быть 2400, 4800 и 9600 бит/с. Кроме того, для скорости 9600 бит/с имеет место альтернативная модуляция - 32-позиционная TCM.

Это дуплексный протокол с эхо-подавлением и модуляцией TCM. Используются те же, что в V.32, частота несущего сигнала - 1800 Гц, и модуляционная скорость - 2400 бод. Имеет режимы 16-TCM, 32-TCM, 64-TCM и 128-TCM. Соответственно, информационная скорость может быть 7200, 9600, 12000 и 14400 бит/с. Режим 32-TCM полностью совместим с соответствующим режимом V.32. Протокол V.32bis является стандартом де-факто для всех скоростных модемов.

Экзотические модемные протоколы ITU-T

Это полудуплексный протокол с частотной модуляцией FSK. В нем имеется два скоростных режима: 600 бит/с и 1200 бит/с. Модуляционная и информационная скорости равны: соответственно, 600 и 1200 бод. В обоих режимах "1" передается частотой 1300 Гц. В режиме 600 бит/с "0" передается частотой 1700 Гц, а в режиме 1200 бит/с - частотой 2100 Гц. Реализация протокола опционально может включать обратный канал, работающий на скорости 75 бит/с, что превращает протокол в асимметричный дуплексный. Частота передачи "1" в обратном канале - 390 Гц, "0" - 450 Гц. Этот протокол практически вышел из употребления в качестве стандартного протокола межмодемной связи, и далеко не всякий стандартный модем им оснащен. Однако, он служил и до сих пор остается базовым для реализации нестандартных модемов, получивших широкое распространение в нашей стране (типа LEXAND). Видимо, благодаря простоте, высокой помехоустойчивости и приличной (по сравнению с V.21) скорости. Кроме того, в ряде европейских стран этот протокол применяется в информационной системе Videotex.

V.26, V.26bis, V.26ter

Эти три протокола объединяет тип модуляции - DPSK, частота несущей - 1800 Гц и модуляционная скорость - 1200 бод. Разница между ними заключается в возможности и способах обеспечения дуплексной связи и в информационной скорости. V.26 обеспечивает дуплекс только по четырехпроводной выделенной линии, V.26bis - это полудуплексный протокол, предназначенный для работы по двухпроводной коммутируемой линии, а V.26ter обеспечивает полный дуплекс с помощью технологии эхо-подавления. Кроме того, первые два протокола могут быть асимметричными дуплексными, опционально включая обратный канал, работающий на скорости 75 бит/с в соответствии с V.23. Все три протокола обеспечивают скорость передачи информации 2400 бит/с посредством четырехпозиционной (дибит) DPSK. V.26bis и V.26ter, кроме того, имеют режим двухпозиционной (бит) DPSK, обеспечивая скорость 1200 бит/с.

В этом протоколе используется модуляция с решетчатым кодированием TCM. Он предназначен для обеспечения дуплексной связи на четырехпроводных выделенных каналах. Имеет частоту несущего сигнала 1800 Гц, и модуляционную скорость 2400 бод. Работает в режимах 64-TCM и 128-TCM. Соответственно, информационная скорость может быть 12000 и 14400 бит/с. Этот протокол очень напоминает V.32bis без эхо-подавления. Более того, если модем с протоколом V.33 установить на четырехпроводное окончание до дифференциальной системы АТС, то он вполне сможет связаться с удаленным модемом V.32bis, установленным на двухпроводной линии.

Общеупотребительные факс-протоколы ITU-T

В этом протоколе применяется фазоразностная модуляция с частотой несущего сигнала 1800 Гц. Могут использоваться два режима с разными информационными скоростями: 2400 и 4800 бит/с. Информационная скорость 2400 бит/с достигается модуляционной скоростью 1200 бод и кодированием дибита (4-позиционный DPSK), а 4800 бит/с - скоростью 1600 бод и кодированием трибита (8-позиционный DPSK). Стоит отметить, что существуют еще малоупотребительные модемные протоколы данного семейства - V.27 и V.27bis, которые отличаются от V.27ter, главным образом, типом канала (выделенный четырехпроводный), для которого они предназначены.

В этом протоколе применяется квадратурная амплитудная модуляция. Частота несущего сигнала - 1700 Гц, модуляционная скорость - 2400 бод. Имеет режимы 8-позиционной (трибит) и 16-позиционной (квадробит) QAM. Соответственно, информационная скорость может быть 7200 и 9600 бит/с.

Этот протокол по своим параметрам очень напоминает V.32bis. В нем используется модуляция с решетчатым кодированием. Частота несущего сигнала - 1800 Гц, и модуляционная скорость - 2400 бод. Имеет режимы 16-TCM, 32-TCM, 64-TCM и 128-TCM. Соответственно, информационная скорость может быть 7200, 9600, 12000 и 14400 бит/с.

Нестандартные модемные протоколы

Этот протокол, разработанный фирмой AT&T, является открытым для реализации разработчиками модемов. В частности, помимо БИС фирмы AT&T, данный протокол реализован в некоторых модемах фирмы U. S.Robotics. Протокол фактически является механическим развитием технологии V.32bis: дуплекс с эхо-подавлением, модуляция с решетчатым кодированием, модуляционная скорость - 2400 бод, несущая - 1800 Гц, расширение информационных скоростей значениями 16800 и 19200 бит/с за счет 256-TCM и 512-TCM. Следствием такого подхода является весьма жесткие требования, предъявляемые данным протоколом к линии. Так, например, для устойчивой работы на скорости 19200 бит/с отношение сигнал/шум должно быть не менее 30 dB.

Протокол разработан фирмой ZyXEL Coммunications Corporation и реализован в собственных модемах. Этот протокол также, как и V.32terbo, расширяет V.32bis значениями информационных скоростей 16800 и 19200 бит/с с сохранением технологии эхо-подавления, модуляции с треллис-кодированием и несущей 1800 Гц. Модуляционная же скорость 2400 бод сохраняется лишь для 16800 бит/с. Скорость 19200 бит/с обеспечивается повышением модуляционной скорости до 2743 бод при сохранении режима модуляции 256-TCM для обоих скоростей. Такое решение позволяет снизить требование к отношению сигнал/шум на линии на 2.4 dB, однако расширение полосы пропускания может негативно сказываться при больших искажениях амплитудно-частотной характеристики канала.

Протокол HST (High Speed Technology) разработан фирмой U. S.Robotics и реализован в модемах фирмы серии Courier. Это асимметричный дуплексный протокол с частотным разделением каналов. Обратный канал имеет режимы 300 и 450 бит/с. Основной канал - 4800, 7200, 9600, 12000, 14400 и 16800 бит/с. Применяется модуляция с решетчатым кодированием и модуляционной скоростью 2400 бод. Характеризуется сравнительной простотой и высокой помехоустойчивостью вследствие отсутствия необходимости в эхо-компенсации и отсутствия же взаимовлияния каналов.

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).

И, напоследок

Практически полное отсутствие упоминания о последних достижениях в области сверхскоростной передачи данных по телефонным каналам - проекты V. fast разных фирм, V. FC фирмы Rockwell International и, наконец, Рекомендация V.34 ITU-T - в обзоре модемных протоколов физического уровня может показаться вызывающим. Однако, если лишь только слегка затронуть тему V.34, выяснится, что это не просто очередной шаг на пути увеличения скорости модемной связи, а огромный революционный прорыв в стремлении выбрать все резервы канала тональной частоты. Прорыв, некоторым образом, в мировоззрении, демонстрирующий общесистемный подход к проблеме, и опирающийся на резкий технологический скачок в инструментальных средствах, что позволяет приблизиться максимально близко к теоретическому пределу Шеннона. И потому тема эта достойна отдельной статьи...

Александр Пасковатый, "Аналитик-ТелекомСистемы"

волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов , передающих дискретную информацию, такую как крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования , скорость передачи сигналов. Кроме того, здесь стандартизируются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Физический уровень:

• передача битов по физическим каналам ;
• формирование электрических сигналов ;
• кодирование информации;
• синхронизация ;
• модуляция .

Реализуется аппаратно.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом .

Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base -T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45 , максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических сигналов .

Канальный уровень

На физическом уровне просто пересылаются биты . При этом не учитывается, что в тех сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (Data Link layer ) является проверка доступности среды передачи . Другая задача канального уровня - реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок . Для этого на канальном уровне - биты группируются в наборы, называемые кадрами ( frames ). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра , для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму , обрабатывая все байты кадра определенным способом, и добавляет контрольную сумму к кадру . Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра . Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок для канального уровня не является обязательной, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например в Ethernet и frame relay .

Функции канального уровня

Надежная доставка пакета :

1. Между двумя соседними станциями в сети с произвольной топологией.
2. Между любыми станциями в сети с типовой топологией:
   • проверка доступности разделяемой среды ;
   • выделение кадров из потока данных, поступающих по сети; формирование кадров при отправке данных ;
   • подсчет и проверка контрольной суммы .

Реализуются программно-аппаратно.

В протоколах канального уровня , используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации . Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с определенной топологией связей , именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся " общая шина ", "кольцо" и "звезда", а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов . Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring , FDDI , 100VG-AnyLAN .

В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами , коммутаторами и маршрутизаторами . В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов .

В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень часто обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов "точка-точка" (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы PPP и LAP -B. В таких случаях для доставки сообщений между конечными узлами через всю сеть используются средства сетевого уровня . Именно так организованы сети X.25. Иногда в глобальных сетях функции канального уровня в чистом виде выделить трудно, так как в одном и том же протоколе они объединяются с функциями сетевого уровня . Примерами такого подхода могут служить протоколы технологий ATM и frame relay .

В целом канальный уровень представляет собой весьма мощный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях протоколы канального уровня оказываются самодостаточными транспортными средствами, и тогда поверх них могут работать непосредственно протоколы прикладного уровня или приложения, без привлечения средств сетевого и транспортного уровней. Например, существует реализация протокола управления сетью SNMP непосредственно поверх Ethernet, хотя стандартно этот протокол работает поверх сетевого протокола IP и транспортного протокола UDP . Естественно, что применение такой реализации будет ограниченным - она не подходит для составных сетей разных технологий, например Ethernet и X.25, и даже для такой сети, в которой во всех сегментах применяется Ethernet, но между сегментами существуют петлевидные связи. А вот в двухсегментной сети Ethernet, объединенной мостом , реализация SNMP над канальным уровнем будет вполне работоспособна.

Тем не менее, для обеспечения качественной транспортировки сообщений в сетях любых топологий и технологий функций канального уровня оказывается недостаточно, поэтому в модели OSI решение этой задачи возлагается на два следующих уровня - сетевой и транспортный.