В мир информатики # 88 (16—31 марта).
Планета “Железяка”

Модемы

Немного истории

Вы, очевидно, знаете, что модем — это устройство, предназначенное для работы компьютера во Всемирной компьютерной сети Интернет. Появление модемов стало следствием появления глобальных компьютерных сетей. Когда были созданы первые такие сети, то, естественно, возник вопрос о возможности использования телефонных линий для передачи информации от одного компьютера к другому (ведь они уже тогда “опутывали” практически весь земной шар). Реализации этой возможности мешала следующая проблема: в компьютерах информация представлена в цифровой (двоичной) форме, а телефонные линии являются аналоговыми (по ним передается ток). Понадобилось устройство, которое бы преобразовывало сигналы из цифровой формы в аналоговую и наоборот. И такие устройства были созданы, а поскольку только что упомянутые процессы преобразования сигналов в технике называют модуляцией и демодуляцией сигнала, то их назвали модемами (МОдуляция/ДЕМодуляция).

Первые модемы передавали данные с ничтожно малой скоростью (300–2400 бит/с), не “умели” сжимать данные и корректировать ошибки. Однако свое основное назначение они выполняли исправно. Современные модемы обеспечивают гораздо большую скорость передачи данных. Применяемые в них протоколы передачи данных и коррекции ошибок обеспечивают надежную связь даже на не очень хороших телефонных линиях.

Принцип работы модемов

Как известно, обычный домашний телефон подключается к телефонной станции посредством двухпроводной линии связи (возможно также подключение с использованием четырех проводов, хотя оно менее популярно). Электрическая схема телефонного аппарата обеспечивает передачу сигнала по такой линии в двух направлениях, поэтому по телефону можно слушать и говорить одновременно.

В процессе передачи компьютерных данных по большинству линий связи выполняется двойное их преобразование: поток данных из компьютера побайтно преобразуется в последовательность отдельных бит, которая далее превращается в сигнал, пригодный для передачи по телефонным линиям. Принимаемые данные претерпевают обратное преобразование: из входного сигнала, приходящего по телефонной линии, они превращаются в последовательность отдельных битов, из которых впоследствии собираются байты данных.

Этот механизм иллюстрируется на рис. 1, где показан процесс передачи через телефонную линию файла с именем report.doc.

Рис. 1

Функции преобразования байтов данных в последовательность битов, а также функции обратного преобразования выполняются в компьютере при помощи специального аппаратного устройства, называемого портом последовательной передачи данных5, последовательными портами, или COM-портами (от англ. communication — связь). Обычно персональные компьютеры комплектуются двумя такими устройствами, обозначаемыми как “СОМ1” и “COM2”. Часто для сокращения порт последовательной передачи данных называют просто “СОМ-портом”, или “портом RS232” (согласно соответствующему стандарту). Название последовательный эти порты получили потому, что данные через эти порты передаются побитно, т.е. в последовательном порядке по одному биту в каждый момент времени.

В основе любого СОМ-порта лежит аппаратное устройство, именуемое сдвиговым регистром. Схематично, это набор из восьми ячеек, допускающих параллельную “загрузку” байта во все ячейки сразу, а также последовательное “выталкивание” содержимого ячеек через один выход. Модель выходного сдвигового регистра, выполняющего параллельно-последовательное преобразование, показана на рис. 2.

Рис. 2

Регистр на рисунке изображен в виде трубки с прорезями в верхней части, предназначенными для “загрузки” отдельных битов данных. Все восемь битов данных “загружаются” в трубку одновременно. Затем с помощью поршня биты данных “выталкиваются” по одному из правого отверстия трубки.

Последовательность битов после этого превращается в так называемый “несущий сигнал” синусоидальной формы, который передается по телефонным линиям.

Входной сдвиговый регистр предназначен для последовательно-параллельного преобразования. Он работает в точности наоборот: данные несущего сигнала после демодуляции вдвигаются в регистр по одному биту, а после заполнения все биты извлекаются из регистра за один прием.

В заключение заметим, что существуют различные методы модуляции (превращения последовательности битов в несущий сигнал) и демодуляции (наоборот): амплитудная, частотная и другие. Мы не будем описывать их особенности (они связаны с некоторыми вопросами из физики и радиотехники). Заметим только, что современные способы модуляции сигнала обеспечивают наибольшую скорость передачи данных 56 Кбит/сек.6, соответствующую физическому пределу пропускной способности телефонных линий.

Модем, телефонные линии и Интернет

Очень часто пользователи, которые впервые подключают свой компьютер из дома к Сети с помощью модема по телефонной линии, плохо понимают, как связаны Интернет и телефонные каналы. Главный вопрос, на который они ищут ответ: “Означает ли, что обычная телефонная розетка у меня дома — это и есть выход в Интернет?”. Нет, Интернет начинается с узла фирмы, которая предоставляет вам услуги по пользованию Всемирной сетью (так называемого провайдера), а телефонная линия — это всего лишь один из способов “дотянуться” до него. Вы можете использовать как обычную телефонную линию, так и другие виды связи между вашим компьютером и узлом провайдера — канал ISDN, ADSL, радиомодем, сотовый телефон, стекловолоконный кабель или даже спутниковую антенну, но в любом случае это лишь способы соединения с провайдером. Следует понимать, что в общем случае сеть телефонных линий и сеть Интернета — это совершенно разные коммуникационные каналы, принадлежащие разным организациям.

Очень упрощенно Интернет можно представить как сеть из каналов, соединяющих разбросанные по миру сотни тысяч компьютеров, которые являются управляющими узлами (nodes) или серверами (sites) и на которых хранится информация. Хотя сама сеть Интернета не принадлежит никому, каждый из узлов или некоторую сеть узлов Интернета вместе с установленным оборудованием и каналами связи обслуживает отдельная компания, являющаяся собственником “своего участка” Интернета. Это может быть как государственная, так и коммерческая организация.

С физической точки зрения сеть каналов связи и узлов выглядит подобно сети автомобильных дорог, где есть свои скоростные автострады, магистрали федерального и местного значения и т.д., вплоть до незаметных “грунтовок”. Интернет также состоит из каналов связи различной пропускной способности, где уровню автострад соответствуют коммуникационные магистрали (backbones), которые связывают узлы (провайдеров) международного и национального масштаба, и далее постепенно “утончающиеся” каналы связи соединяют между собой узлы меньшего масштаба.

Когда вы подключаете свой компьютер к Интернету по обычной телефонной линии, это означает, что модем вашего компьютера связывается через вашу районную АТС с модемом, установленным на ближайшем узле сети, — в данном случае с модемом вашего провайдера. Это происходит так же, как если бы вы звонили туда по обычному телефону. Телефонная компания, как говорят на Западе, или районный телефонный узел, как принято говорить у нас, участвуют в представлении доступа к Интернету только “на последней миле”⁷, зачастую сами об этом не подозревая — ведь звонок модема ничем не отличается от звонка обычного голосового телефона. И только после того, как вы с помощью модема подключились к узлу провайдера, вы получаете доступ к всевозможным ресурсам Сети.

⁵ Портами называют также регистры микропроцессора, через которые осуществляется его связь с элементами компьютера (клавиатурой, принтером, тем же портом последовательной передачи данных и др.).

⁶ Предельно возможная скорость передачи сигнала в реальных условиях снижается из-за шумов и помех на линии.

⁷ Термин “оборудование последней мили” используют для обозначения линий и оборудования, обслуживающего конечных пользователей Интернета.

Окончание — в следующем номере.