Модемная технология K56flex

По результатам исследований, проведенных в США, до 90% киберпутешественников продолжают применять для доступа в Internet и к услугам электронной почты аналоговые каналы телефонной сети общего пользования (ТфОП). Вряд ли стоит сомневаться, что в России доля таких пользователей не меньше. Следовательно, абсолютному большинству пользователей компьютерных сетей требуются (и еще долго будут требоваться) специальные устройства, называемые модемами и служащие интерфейсом между компьютерами и аналоговыми телефонными линиями.

К великому сожалению, эти устройства никак нельзя назвать скоростными. За четверть века их "скорострельность" удалось повысить с мизерных 300 бит/с до 28,8 кбит/с (т. е., как предполагали некоторые инженеры, - до верхнего предела). Но изобретатели не сдавались и пару лет назад довели быстродействие телефонных модемов до 33,6 кбит/с, вплотную приблизившись к барьеру 35 кбит/с, установленному законом Шеннона для стандартных телефонных каналов шириной 3,1 кГц. Все, приехали, решили многие разработчики и операторы сетей, надо браться за освоение других, более скоростных, технологий, поскольку пользователи хотят парить, а не ползать по компьютерным сетям.

В последнее время эта проблема стала особенно актуальной в связи с феноменальным ростом популярности Internet. В Сети наблюдается увеличение доли мультимедийных данных. Web-страницы заполнены видеоклипами, трехмерной графикой, анимацией и аудиоданными. Путешествуя по каналам Internet, мультимедийные файлы буквально пожирают их пропускную способность, а соответственно, время и деньги пользователей.

K56flex или x2?

С 1996 г. в мире, а с недавних пор - и в России разработчики и операторы сетей начали усиленно предлагать пользователям такие технологии доступа, как ISDN, кабельные модемы и xDSL. Но стоимость данных услуг слишком высока, чтобы ими мог воспользоваться рядовой потребитель, поэтому не приходилось говорить о существовании альтернативы старым добрым телефонным модемам. Однако оказалось, что в лабораториях лидеров модемного рынка продолжалась работа над усовершенствованием этих устройств.

Полтора года тому назад буквально друг за другом четыре компании - Rockwell Semicoductor System, Lucent Technologies, U.S. Robotics (летом прошлого года вошла в состав 3Com) и Motorola - объявили, что сумели "обойти" закон Шеннона и достичь, правда только в одном направлении, скорости в 56 кбит/с. Поскольку найденные "уловки" были не совместимы друг с другом, чуть было не разгорелась настоящая война за симпатии OEM-производителей модемов, операторов сетей и пользователей. Помятуя трехлетние баталии, предшествовавшие принятию предыдущего единого стандарта, V.34, авторы новых спецификаций попытались прийти к обоюдному согласию.

Еще до конца 1996 г. Lucent, Rockwell и Motorola договорились о поддержке единого скоростного модемного протокола под названием K56flex. В феврале 1997 г. 28 американских производителей компьютерного и телекоммуникационного оборудования объявили об основании консорциума Open 56 Forum, главной задачей которого стала разработка единого стандарта на 56К-модемы. Основу инициативной группы составили сторонники протокола K56flex (в их числе - такие известные компании, как Rockwell, Lucent, Motorola, Zoom, Ascend, Compaq и Cisco).

В списке отцов-основателей фигурировала и фирма 3Com, которая на выставке "Comdex'96" заявила о поддержке тогда еще самостоятельной технологии V.flex2 компании Lucent. Накануне выставки Rockwell и Lucent сообщили, что добиваются совместимости своих фирменных технологий (К56Plus и V.flex2 соответственно), поэтому 3Com как бы автоматически становилась сторонницей К56flex. Однако в тот же день, когда был анонсирован консорциум Open 56 Forum, 3Com и U.S. Robotics объявили о своем решении слиться в одну компанию. В результате 3Com возглавила лагерь приверженцев протокола х2, разработанного инженерами U.S. Robotics. Из известных производителей к этому альянсу присоединились Texas Instrument (поставщик микросхем для модемов U.S. Robotics), IBM и Cirrus Logic.

Таким образом, сформировались два союза, продвигающих несовместимые друг с другом технологии высокоскоростных модемов. В марте 1997 г. компания U.S. Robotics выбросила на рынок первые x2-модемы. Немного позже, в мае, началось массовое производство устройств по технологии K56flex (табл. 1). По данным исследовательской фирмы PC Data, уже в июне прошлого года 56К-устройства составили 20% выпущенных в США модемов, а еще через три месяца объем их продаж (в денежном выражении) впервые превысил аналогичный показатель по 33,6К-устройствам (рыночные доли составили 46 и 45% соответственно).

Таблица 1.
Производители K56flex-модемов.

Конкуренция нарастала. Аналитики заговорили о "войне модемных протоколов". Соперникам приходилось действовать особенно энергично, чтобы привлечь на свою сторону побольше сторонников из числа независимых производителей модемов, провайдеров доступа в Internet и пользователей (индивидуальных и корпоративных). Для последних очень важно соответствие приобретаемых устройств открытым стандартам, обеспечивающее взаимодействие продуктов разных поставщиков. Поскольку с самого начала было ясно, что стандарт на 56К-модемы появится не раньше 1998 г., почти все производители (в том числе компании Ascend и Zoom, лидеры в производстве соответственно узловых и пользовательских K56flex-устройств), предлагая 56К-продукты, обещали их бесплатную модернизацию после вступления в силу единой спецификации.

В то же время проблема разработки стандартного протокола для модемной связи со скоростью 56 кбит/с ни на минуту не упускалась из виду. Западным производителям хорошо известно, что при появлении отраслевого стандарта резко увеличиваются объемы продаж. В сентябре прошлого года в Женеве проходило заседание технического комитета Международного союза по электросвязи (МСЭ), где состоялась первая попытка согласования стандарта на 56К-модемы. Как известно, тогда представителям компаний - производителей модемов, не удалось достигнуть договоренности из-за разногласий по вопросу прав на интеллектуальную собственность.

Следующая попытка будет предпринята в конце января текущего года. Когда этот номер журнала выйдет из печати, уже станут известны ее результаты. Все имеющиеся на начало января данные, свидетельствуют о том, что она окажется успешной. Следует подчеркнуть, что на очередной встрече в Женеве планируется принять лишь проект отраслевого стандарта, а окончательный вариант, по мнению наблюдателей, будет принят в сентябре. Тем не менее эксперты ожидают, что весной появятся устройства, изготовленные в соответствии с проектом стандарта.

Какие же проблемы приходится решать при подготовке единого протокола? Чтобы понять это, рассмотрим особенности 56К-технологии.

Как невозможное стало возможным

Название "модем" образовано от слов "МОдулятор" и "ДЕМодулятор", которые указывают на основные функции соответствующего устройства или программы. Модем позволяет после соответствующей обработки (модуляции) передавать цифровые данные по аналоговым телефонным линиям. Принимающий модем выполняет обратное преобразование - демодуляцию.

Существует множество протоколов передачи данных по телефонным линиям. Некоторые из них, например V.34, являются официальными стандартами, другие основаны на запатентованных технологиях, принадлежащих отдельным компаниям. Как правило, средства поддержки наиболее распространенных протоколов встроены в модемы, что позволяет им взаимодействовать друг с другом.

Модемы всех предыдущих стандартов, включая V.34, разрабатывались с учетом того, что в ТфОП установлено как аналоговое, так и цифровое оборудование, которое соединено между собой как цифровыми, так и аналоговыми линиями. Таким образом, во время путешествия от передающего к приемному модему сигнал подвергается многочисленным преобразованиям из аналоговой в цифровую форму и обратно, а также влиянию различных помех на аналоговых участках пути. Все эти "превратности" не позволяют обеспечить величину отношения полезного сигнала к шумам выше 30-35 дБ. В соответствии с законом Шеннона теоретически возможная скорость в таком канале связи вычисляется по следующей формуле:

V=F log2(1+S/N),

где V - скорость, бит/с; F - ширина полосы пропускания канала, Гц; S/N - отношение сигнал/шум, дБ. Произведя соответствующие вычисления, установим, что по стандартному (3,1 Гц) аналоговому или смешанному телефонному каналу можно передавать данные со скоростью не выше 35 кбит/с.

56К-технология служит своеобразным мостом между современными ТфОП и полностью цифровыми сетями, например ISDN. Она обеспечивает увеличение скорости получения данных без дополнительных капиталовложений на организацию цифровых абонентских линий. С ее помощью пользователи Internet могут значительно быстрее загружать на свой компьютер графические Web-страницы, аудио- и видеофайлы, т. е. данные, для транспортировки которых в случае применения модемов стандарта V.34 требуется продолжительное время.

Новая технология предназначена для современных ТфОП. В таких сетях остался аналоговым только небольшой абонентский участок - от местной АТС до квартиры пользователя. Вся транспортная сеть, оборудование АТС, узлов провайдеров Internet и крупных компаний, а также линии связи, соединяющие эти узлы с ближайшими АТС, являются полностью цифровыми.

Разработчики 56K-модемов исходили из известного факта, что цифровые каналы практически не подвержены влиянию внешних электронных помех. Соответственно, они способны обеспечить большее значение соотношения полезный сигнал/шум, а следовательно, повысить скорость модемных соединений. Однако на пути к скорости 56 кбит/с оставались два очень серьезных препятствия: наличие шумов квантования и короткого, но пока "неизбежного" аналогового абонентского участка со всеми его помехами.

Первое препятствие было преодолено благодаря тому, что современные цифровые сети не требуют осуществления аналого-цифрового преобразования при передаче сигнала пользователю от узлов доступа в Internet или корпоративную сеть, поскольку в развитых странах (и все чаще у нас) последние подключены к ближайшим АТС цифровыми каналами связи (Т1, Е1 или ISDN). Дело в том, что шумы квантования - разность между переданным и принятым сигналами - являются результатом аналого-цифрового преобразования (см. врезку).

Вторую проблему удалось решить за счет того, что 56К-устройства (для обозначения которых используют термин ИКМ-модем), в полном смысле слова не являются модемами. В качестве обычного модема стандарта V.34 они работают только в двух случаях: при передаче восходящего трафика (в направлении от пользователя к узлу доступа в Internet или корпоративную сеть) и если по каким-либо причинам не удалось соединиться по одному из 56К-протоколов. Так, K56flex-модем, установленный на узле Internet-провайдера, автоматически переходит в режим V.34, если пользовательское устройство поддерживает протокол х2 или V.34.

Когда K56flex-модем участвует в соединении со стороны пользователя и качество абонентской линии не препятствует установлению связи по скоростному протоколу (в частности, ее длина не должна превышать 3 км), то передача нисходящего трафика (в направлении пользователя) осуществляется методом, не имеющим ничего общего с предыдущими стандартами телефонных модемов.

Сигнальный процессор узлового модема преобразует биты информации, поступающие из компьютерной сети, в сигналы типа АИМ, соответствующие уровням квантования ИКМ. Затем восьмизначные коды этих уровней передаются по цифровой сети до ближайшей к пользователю АТС. Кодек последней генерирует в аналоговой абонентской линии напряжение, величина которого изменяется в соответствии с уровнем квантования. Главная сложность для абонентского модема заключается в необходимости опознать каждый уровень напряжения, причем делать это надо 8 тыс. раз в секунду.

Теоретически технология ИКМ-модемов способна обеспечить скорость 64 кбит/с (передачу за каждую секунду 8000 символов по 8 бит в каждом), однако на практике такого быстродействия добиться невозможно. Назовем лишь главные причины.

1. Разработчики ИКМ-модемов, в частности компания Rock-well, отказались от использования всех уровней квантования. Это объясняется следующим: чем выше уровень, тем меньше шаг квантования, т.е. расстояние между последовательными уровнями квантования, а следовательно, абонентскому модему труднее распознавать конкретные символы. Кроме того, с увеличением уровней напряжения возрастают амплитудные искажения, что также усложняет распознавание принимаемых сигналов (символов).

Именно поэтому разработчики протокола К56flex решили использовать максимум 128 уровней квантования. Таким образом, даже в самом благоприятном случае за шаг (одним символом) могут передаваться только 7 бит (табл. 2); соответственно, максимально возможная скорость составила 56 кбит/с. В процессе установления связи узловой и абонентский модем "договариваются" между собой о количестве распознаваемых уровней напряжения при текущем состоянии абонентской линии. Скорость соединения по протоколу K56flex устанавливается от 32 до 56 кбит/с с шагом по 2 кбит/с.

Таблица 2.
Напряжение определяет скорость.

2. Абонентский модем должен быть синхронизирован с сетевым тактовым генератором, чтобы он мог декодировать символы, поступающие с цифрового конца линии. Следовательно, в абонентском модеме необходимо предусмотреть средства доступа к сетевому тактовому генератору.

3. Существует проблема, обусловленная шириной стандартного телефонного канала каналов. Поскольку передача информации по аналоговым каналам с полосой около 4 кГц осуществляется на скорости 8 тыс. символов в секунду (хотя она должна быть минимум в два раза меньшей), возникают мощные межсимвольные помехи. Для их преодоления требуется, чтобы модем обеспечивал жесткую синхронизацию.

Хотя все эти проблемы успешно решаются, они неизбежно приводят к замедлению скорости передачи. Например, в крупных городах США в среднем удается установить соединение со скоростью передачи 44-52 кбит/с. В Москве мало кто достигает скорости свыше 47 кбит/с. Кроме того, подтвердилось решающее значение качества линий связи. Так, при установке соединения между двумя точками по разным маршрутам оказалось, что в одном случае скорость не превышает 19,2 кбит/с, а в другом достигает 48 кбит/с. Однако не будем судить строго, для многих российских пользователей и такое быстродействие является пределом мечтаний.

В декабре прошлого года на рынке 56К-модемов наступило затишье. Противоборствующие стороны вроде бы достигли договоренности по основным параметрам единого стандарта и усиленно готовились к заседанию технического комитета МСЭ. Пользователи в Северной Америке усиленно раскупали 56К-модемы, поскольку в результате продолжавшейся в течение года острой конкурентной борьбы цены на устройства среднего класса установились ниже 100 дол.

Российские пользователи пока подобной активности не проявляют. В первую очередь это объясняется сравнительно малым количеством Internet-провайдеров, обеспечивающих на своих узлах поддержку скоростных протоколов модемного доступа. Например, по данным электронного сообщества "Телеком-Форум", официально о поддержке протокола K56flex объявили лишь шесть московских провайдеров - "Гласнет", "Демос", "Россия-он-Лайн", "Ситилайн", "Телепорт ТП" и "Элвис-Телеком" . Сторонников протокола х2 среди российских поставщиков услуг Internet еще меньше.

Откуда берутся шумы квантования

На телефонных станциях ТфОП преобразование информации из аналоговой формы в цифровую осуществляется в соответствии с методом, получившим название "импульсно-кодовая модуляция" (ИКМ). Он включает в себя стробирование аналоговых сигналов, квантование и кодирование результатов в цифровой форме.

Стробирование заключается в замене аналогового сигнала последовательностью его мгновенных значений, отсчитываемых с определенной частотой. Согласно теореме Шеннона-Котельникова, значение сигнала будет точно воспроизведено, если частота стробирования по крайней мере в два раза выше частоты самого сигнала. Для речевого сигнала, ограниченного при передаче по стандартному телефонному каналу частотой 3400 Гц, частота стробирования принята равной 8000 импульсов/с.

Процесс стробирования имеет и другое название - "амплитудно-импульсная модуляция" (АИМ). Последовательность импульсов АИМ не может быть передана по линии, поскольку из-за амплитудных искажений на приемной стороне невозможно восстановить модулированный сигнал. Согласно теории информации для восстановления на приемной стороне модулированного сигнала с достаточной точностью необходимо определенное число значений (уровней) амплитуды. В европейских системах ИКМ используются 256 уровней. Таким образом, по линии можно передавать не сами значения амплитуды сигнала, а номера уровней. Это и составляет сущность ИКМ.

Квантование - процесс сопоставления значений амплитуды взятого дискрета (сигнала АИМ) с ближайшим выделенным уровнем, т. е. с одним из 256 так называемых уровней квантования. Номер каждого уровня выражается в двоичной системе счисления.

Кодирование предполагает замену значения квантованного сигнала АИМ восьмиразрядным словом. Такая последовательность операций обеспечивает представление сериями восьмиразрядных слов (кодов) любого изменяемого во времени аналогового сигнала.

Квантование и кодирование, а также обратные операции осуществляются с помощью кодека. Воспроизводимый в приемнике сигнал не совпадает в точности с оригинальным сигналом. Дело в том, что из-за конечного числа уровней квантования (256) вершина дискрета может занимать произвольное положение внутри интервала, который определяется величиной шага квантования, т.е. расстоянием между последовательными уровнями квантования. В приемнике же значение восстановленного сигнала располагается в середине интервала квантования. Разность между оригинальным сигналом и восстановленным на приемной стороне называется шумом квантования.

Опередить время с "Кварта Сети"

Все большее число российских Internet-провайдеров заменяют на своих узлах модемные пулы на интегрированные серверы доступа, которые, как правило, подключаются к ТфОП по цифровым каналам E1 или ISDN PRI. Причем такая работа ведется не только в Москве, но и во многих других городах, например Туле, Сургуте, Чебоксарах и Ярославле.

Абсолютное большинство современных устройств подобного рода производят компании, поддержавшие протокол K56flex, такие как Ascend, Cisco, Livingston, Cabletron и Shiva. Устройства Bay Networks совместимы с модемными платами обеих спецификаций. И лишь 3Com выпускает модульные концентраторы семейства Total Control в соответствии со спецификацией x.2. По данным независимых экспертов, к концу ноября прошлого года был произведен 1 млн х2-портов, в то же время только компания Ascend выпустила 1,7 млн K56flex-портов (1,5 млн уже установлены).

Российская компания "Кварта Сети" является официальным дистрибутором фирмы Ascend - ведущего в мире производителя интегрированных серверов доступа (см.: Серверы удаленного доступа MAX//Сети, 1997, N 10, с. 54). Изучив предложение на международном рынке модемов, она на свой страх и риск привезла первую партию модемов Zoom, поддерживающих технологию K56flex. Сразу же подтвердилось, что работают они на наших пресловутых телефонных линиях ничуть не хуже, а зачастую и значительно лучше, чем модемы "установленного образца", т. е. производства U.S. Robotics (в настоящее время - 3Com. - Прим. ред.).

Представители отечественных компаний, которым "Кварта Сети"предоставляла для тестирования продукты Zoom, высказывались в один голос: это оборудование по крайней мере не хуже, чем все опробованное до сих пор. Правильность выбора ежемесячно подтверждается результатами тестирования модемов Zoom в лабораториях авторитетных компьютерных и телекоммуникационных изданий. За последние полгода различные 56К-модемы фирмы Zoom получили высшие оценки в испытаниях, проведенных Data Communications, ZD Internet Magazine, Byte, LAN Times и др. Специалисты "Кварта Сети" не сомневаются, что даже после принятия V.PCM - единого стандарта на 56К-устройства - модемы производства Zoom будут работать с серверами доступа компаний Ascend, Cisco, Livingston, Cabletron и Shiva лучше, чем продукты 3Com.