December 4, 2022

Modemek, Dial-up Networking

Bár az előfizetők a helyi központhoz egy fémes vezető párral csatlakoznak, és elvileg ezeken akár 1-2 Mbit/s-os adatátviteli sebesség is lehetséges, azonban a telefonbeszélgetések váltakozó áramú jeleit szűrők segítségével 300 Hz – 3 kHz között tartják. Ezért az információt ebbe a hangfrekvenciás tartományba eső szinuszos hullám valamelyik jellemzőjéhez (és annak diszkrét változásához) célszerű hozzárendelni. Ezt a hullám modulálásával érhetjük el, A moduláció tetszőleges fizikai folyamat egy paraméterének megváltoztatása valamilyen elsődleges vezérlőjel segítségével.

Modulációs módszerek
35. ábra: Modulációs módszerek

Szinuszos jel esetén annak amplitudóját, frekvenciáját, illetve fázisát lehet modulálni. Azt az eszközt amely a bemenetére adott bináris jel vezérlésével a modulációt elvégzi (modulálja), illetve a modulált analóg jelből a bináris jelet visszaállítja (demodulálja) modem-nek (modulátor – demodulátor) nevezzük.

Az amplitudó modulációra jó példa a morze jelek használata. Egy adott amplitudóju jel (a hang), illetve annak hiánya ( csend) hordozza az információt. Jól működő, de lassú átvitelt biztosító megoldás.

A frekvencia modulációt használták először a modemeknél, jó zajtűrése és a biteket hordozó frekvenciák szűrőkkel való könnyű szétválaszthatósága miatt. Szokták a módszert FSK-nak (Frequency Shift Keying) is hívni. Mivel a telefonösszeköttetések duplex rendszerűek, ezért a szabványos adási és vételi, 0 és 1 értékű bitekhez tartozó frekvencia kiosztás a 36. ábrán látható. Az adatátviteli sebességet a használt alacsony frekvencia erősen korlátozza, mivel például a legkisebb, 1070 Hz-es frekvencián a minimális 1 teljes színuszhullám átvitele ~ 1 msec, ami 1 kbit/s átviteli sebességet jelent.

Teljes duplex FSK adatátvitel
36. ábra: Teljes duplex FSK adatátvitel

A modemek mint adatátviteli hálózati eszközök is tárgyalhatók az OSI-modell alapján; a 37. ábra ezt mutatja be.

Modem az OSI-modell szerint
37. ábra: Modem az OSI-modell szerint

A modemek önállóan működő számítógépes perifériák, amelyeknek az adatátvitel megvalósításához a számítógépnek kell felprogramozni, parancsokkal vezérelni, és állapotát (státuszát) ellenőrizni. Az összekapcsolás a később részletesen ismertetett szabványos soros vonalon keresztül valósul meg.

Modem bekötése
38. ábra: Modem bekötése

Modem-parancsok

 

AT Parancs prefix
A/ Ismételd az utolsó parancsot (pl. Ismételt tárcsázás)
Bn n=0 vagy 1. Protokoll kiválasztása (BELL/CCITT)
D Tárcsázási parancs
P Pulse mód
T Tone mód
, Szünet tárcsázás közben
; Tácsázási parancs végén a modemet parancs üzemmódben tartja.
R Fordított kapcsolat, a hívást kezdeményező modem üzemmódba kerül
W A modem tárcsázás közben tárcsahangra vár
Hn Vonali relé H0 esetén a modem lelép a vonalról (on hook, v. hung up) H1 esetén rálép.
In Gyártási kód és memória ellenőrzés
F4 Fax üzemmódra váltás
Ln Hangerő szabályozás. N=0….3
Mn hangszóró ki-be kapcsolása
O Vonali üzemmód
Qn Eredménykód küldés engedélyezés/tiltás
Sn? Regiszter (n=0…27) tartalmának lekérdezése.
Sn=X X érték írása a regiszterbe
Vn Eredménykód formátum
Xn Eredménykód részletes kiírásának engedélyezése
Y A hosszú szünet: kapcsolat megszakítása.
Zn Reset parancs
+++ Kilépő parancs vonali üzemmódból parancs üzemmódba.

A modem használatához a modemet a telefonhálózatba a telefon és a hálózati csatlakozó közé kell kötni. A számítógép a szöveges formájú parancsokat soros vonalon keresztül adja ki a modemnek, a modem parancs üzemmódjában értelmezi azokat, és szintén szöveges, általában “OK” üzenettel válaszolva fogadja el, és esetleg egy eredménykódot is visszaküld. Minden parancs az AT karaktersorozattal kezdődik, és ezt követi (betűköz nélkül!!!) a parancs további része. Csupán az AT utána Enter begépelésére a modem OK üzenettel jelzi a kapcsolat meglétét. A legtöbb modemben 28 regiszter van (S0 -S27), amelyek a modem működési paramétereit határozzák meg. Ezek szerepe lehet az, hogy időzítőként vagy számlálóként működnek, vagy az, hogy a tartalmuk határoz meg bizonyos jellemzőket (bitminta). Egyes jellemzők értékei nem törlődő memóriában (NVRAM) tárolhatók és a későbbiekben újra bekapcsoláskor ezek jelentik az alapbeállítást. A regisztertáblázat:

Regiszter

Érték

Gyári érték

Feladat

SO* 0-255 0 Csengetésszám, hányadik csengetés után válaszol automatikusan
S 1 0-255 0 Csengetésszámláló, ha csengetés jön tartalma 1-el nő
S2 0-127 43 Kilépési karakter, utána adat üzemmódból helyi üzemmód
S3 0-127 13 Kocsi vissza karakter, ez van minden parancssor végén
S4 0-127 10 Soremelés karakt. ez van minden parancssor végén a kocsi
vissza után
S5 0-32,127 8 Backspace karakter
S6 2-255 2 (sec) Tárcsahang kivárás vonalra lépés után tárcsázás előtt.
Mo.-n 30-50!
S7 1-255 30 (sec) Vivőre várakozás, utána bont, NO CARRIER üzenet.
S8 0-255 2 (sec) a “,” parancs szünetideje
S9 0-255 6 (0.1 sec) CD válaszidő a vivőérzékelés válaszideje
S10 1-255 14 (0.1 sec) Vivőhiány, Ha nincs vivő ennyi ideig, a modem bontja a vonalat.
S11 50-255 85 Hangtárcsa sebesség csak DTMF esetén
S12 20-255 50 Kilépési késleltetés
S13 Nem használt
S14* Bitminta Üzemmód regiszter. echo, tárcsázási mód, válasz v. kezdeményező mód
S15 Nem használt
S16 Bitminta Modem teszt módok
S17 Nem használt
S18* 0-255 Tesztidőzítő, a diagnosztikai teszt hossza
S19 Nem használt
S20 Nem használt
S21* Bitminta Üzemmód regiszter.csatlakozó tipus, DTR, DCD, DSR jelek hatása
S22* Bitminta Üzemmód regiszter. Hangszóró hangereje, vezérlése
S23* Bitminta Üzemmód regiszter. Sebesség, paritás
S24 Nem használt
S25* 0-255 5(0.01sec) DTR késleltetés
S26* 0-255 1(0.01sec) RTS-CTS késleltetés
S27* Bitminta Üzemmód regiszter. Üzemmód (szinkron, aszinkron), adatátviteli szabvány

A táblázatban *-al jelölt regiszterek tartalma az NVRAM-ban eltárolható. A regiszterek tartalmának módosítása és kiolvasása két modemvezérlő paranccsal lehetséges:

  • Módosítás: ATSn=X ahol n = 0…27 és X = 0…255
  • Kiolvasás: ATSn? N = 0…27 és kiírja az Sn regiszter értékét decimálisan

A modemek által használt vonalak nem tesznek lehetővé fizikailag megbízható átvitelt. Ezért meg kellett találni azokat az átviteli hardver és szoftver megoldásokat, ami ezt mégis megbízatóvá teszi.

Az MNP (=Microcom Networking Protocol) egy különleges hibajavító és adattömörítő eljárás, amely zajos vonalakon is biztosítja a hibátlan adatátvitelt. Az OSI modell hálózati rétegének része, azaz szabványos adatkapcsolatot biztosít a különböző eszközök között. Lehet szoftveres és hardveres megoldású. Fokozatai:

  • MNP1 Aszinkron, bájt-orientált kapcsolatot valósít meg, fél duplex (half duplex) eljárással, ma már nem alkalmazzák. Egy 2400 bit/s sebességű modem ezzel az eljárással 1690 bit/s sebességet tud elérni.
  • MNP2 Aszinkron teljes (full) duplex átvitelt megvalósító eljárás. A Z80 és Intel 6800 típusú processzorokra dolgozták ki. Nem lassítja az átvitelt, zavart vonalakon az MNP2 egy 2400 bit/s-os modemen valóban eléri ezt a sebességet.
  • MNP3 Az MNP3 szinkron teljes duplex adatcserét valósít meg. 10 bites adatcsomagokat használ: 1 start-, 8 adat- 1 stopbit. Szinkron átvitelnél nincs start- és stopbit, ami gyorsítja az átvitelt. Az MNP3 már némi tömörítést is eredményez, tehát a modem fizikai sebességénél látszólag gyorsabb az adatátvitel: egy 2400 bit/s-os modem látszólagos sebessége 2600 bit/s lesz.
  • MNP4 Az MNP4-nél megjelent két új optimalizálási eljárás, amit Adaptive Packet Assembly(tm) és Data Phase Optimization(tm) neveken jegyeztek be. Ezek valamiféle csomag jelleget adtak az átvitelnek. Az egyes adatblokkok átvitele úgynevezett adatkeretekben, azaz csomagokban történik, és a keret tartalmazza a szükséges ellenőrző biteket. Szintén kerettel szinkronizálnak és nyugtáznak e rendszerben. Emellett bizonyos adattömörítés is végbemegy, így MNP4 alatt egy 2400 bit/s-os modem 2900 bit/s sebességet tud elérni, ami 20% nyereség.
  • MNP5 Az MNP5 tovább tökéletesítette az adattömörítést. A valós idejű tömörítés nagy hibája: nem ismeri fel azt, ha az alapinformáció eleve tömörített. Ilyenkor a különböző algoritmusokkal kísérletezve erősen lelassul. A szokásos fájlok esetén egy MNP5-tel működő 2400 bit/s-os modem látszólag 4800 bit/s sebességgel kommunikál.
  • MNP6 Sajnos nem kompatibilis számos MNP hibakorrekcióval dolgozó modemmel. Az MNP6 félduplex kommunikációt valósít meg, de teljes duplex szolgáltatásokat kapunk tőle. Ezt a Statistical Duplexing nevű eljárással érik el, amely az ellentétes irányú jelfolyamot az egyes keretek között, az adatáramlás szünetében továbbítja.
  • MNP7 Az MNP7 technológiánál az Enhanced Data Compression eljárást kombinálják az MNP4 szabványos kódolási eljárásával, aminek eredménye a szokásos fájlok továbbításának mintegy 300%-os felgyorsulása.
  • MNP8 Kimaradt a fejlesztésből.
  • MNP9 Az MNP9 esetében az Enhanced Data Compression eljárást kombinálták a V.32 szerinti kommunikációval, így egy ilyen modem 300%-kal gyorsabb, mint az eredeti CCITT V.32 szerinti modem.
  • MNP10 Fejlesztés alatt áll. Célja a korábbi eredmények felhasználásával a tömörítési eljárás intelligenssé tétele.

A modemek fejlődése az előbbiekben kifejtett okok miatt töretlen. Folyamatosan jelennek meg az egyre nagyobb sebességű modemek (a könyv írása idején 56 kbit/s a sebesség), és a modemek segítségével újabb szolgáltatásokat is megvalósítanak. Az előbbiek alapján nyilvánvaló, hogy a telefonvonalon vagy modemes adatátvitel, vagy beszédátvitel folyik, ezek egymást kizárják. A legkorszerűbb ún. voice-modemek képesek a hangot is felismerni, átalakítóval digitálissá, illetve a digitális jelet analóggá átalakítani, és így a számítógépen tárolni. Segítségével hangposta, üzenetrögzítő szolgáltatások valósíthatók meg.