Передача данных по телефонной линии

CSU и DSU

Взяв в аренду линию T-1 под frame relay или Switched 56, абонент фактически получает от телефонной компании (или другого провайдера) доступ к разъему, к которому он может подключить создаваемую сеть. Все, что находится за вышеупомянутым разъемом, сотрудники телефонных компаний называют оборудованием, расположенным на территории клиента (customer premises equipment - CPE).

Не следует думать, будто абонент может напрямую подключить маршрутизатор к оборудованию телекоммуникационной компании. Правильное взаимодействие сети с телефонной линией обеспечивается целым рядом посредников. Для этих целей служат устройства под названием CSU и DSU.

ДЛЯ ЧЕГО НУЖЕН CSU?

Модуль обслуживания канала (channel service unit - CSU) - это первое устройство на территории клиента, на которое подается сигнал от внешней телефонной линии. Еще в начале 80-х годов CSU всегда был собственностью телефонной компании - клиент просто арендовал данное устройство. Однако в ходе принудительного раздела телекоммуникационных компаний пользователи получили, в частности, право самостоятельно приобретать и устанавливать CSU.

Одна из главных обязанностей CSU - защита телефонной компании и всех ее клиентов от нежелательных эффектов, вызванных работой сети кого-то из них.

CSU обеспечивает правильное оконцевание телефонной линии и выполняет согласование и частотную коррекцию линии. CSU также поддерживает выполнение проверки по шлейфу. Иными словами, CSU возвращает диагностический сигнал на телефонную станцию без передачи его на CPE; тем самым телефонная компания может определить исправность оборудования. На CSU часто устанавливают световые индикаторы или светодиоды, сигнализирующие об обрыве местных линий, потере связи с телефонной станцией, а также о работе в режиме проверки по шлейфу. Когда CSU можно было получить только от телефонной компании, электрическое питание данных устройств обеспечивалось телефонной линией. В настоящее время далеко не все телефонные линии обеспечивают питание подключенных к ним устройств. Поэтому для CSU может потребоваться отдельный (и, возможно, резервный) источник питания; его должен предоставить пользователь.

ЧТО УМЕЕТ DSU

Модули обслуживания данных, или цифровые служебные модули (data service unit, или digital service unit, - DSU), включаются в цепь между CSU и сетевым оборудованием клиента, например маршрутизатором, мультиплексором или оконечным сервером. На DSU обычно устанавливается интерфейс RS-232 или V.35. Основной задачей DSU является приведение потока цифровых данных от пользовательского оборудования в соответствие со стандартом на электрические сигналы, принятом для оборудования телефонной компании. Этот же модуль занимается и обратным преобразованием сигналов.

Чтобы лучше разобраться в функциях DSU, следует чуть поглубже вникнуть в секреты физического уровня стека протоколов. Тот, кто не имеет диплома инженера-электрика, легко может впасть в заблуждение относительно того, насколько важен самый нижний уровень: "Чего тут разбираться - раз есть провод, то ток по нему наверняка пойдет".

На самом же деле, значительная часть расходов телефонной компании как раз и идет на обеспечение совместимости линий на физическом уровне как с оборудованием, накопленным в организациях за много лет их существования, так и с самыми современными технологиями, например волоконной оптикой, Switched Multimegabit Data Service, ATM.

Заметная часть пользовательского оборудования (в особенности если его пропускная способность менее 56 Кбит/с) генерирует асинхронные потоки данных. Это означает, что начало и конец каждого байта отмечены специальными стартовыми и стоповыми битами; интервал же между байтами произволен. Большая часть пользовательского оборудования, используемого в инфраструктуре связи общего пользования, основана на синхронной передаче сигналов. Эта технология предполагает синхронизацию тактов передающего и принимающего оборудования; тем самым обеспечивается правильное определение границ элементов данных.

В данной ситуации DSU обеспечивает однотемпную передачу исходящего потока асинхронных данных по линиям связи, а также обрамление стартовыми и стоповыми элементами входящего потока для дальнейшей передачи принятых данных по пользовательской сети.

Стандарты на электрические сигналы, применяемые в телефонных сетях, часто отличаются от используемых в сети пользователя. Более или менее естественно представлять себе кодировку цифровых сигналов в следующем виде: положительное напряжение соответствует единице, отсутствие напряжения - нулю. Такое представление цифровых данных называют однополярным представлением без возврата на нулевой уровень (unipolar nonreturn to zero, Рис. 1А).

Однополярное представление данных без возврата на нулевой уровень, вполне применимое при работе с интерфейсом RS-232, имеет целый ряд недостатков, с точки зрения телефонной связи. При использовании данного представления в телефонной линии с течением времени нарастает постоянный ток, блокируемый некоторыми электрическими устройствами, например трансформаторами. Кроме того, изменение постоянного тока в телефонной цепи случайным образом отрицательно сказывается на функционировании устройств, рассчитанных на получение электрического питания от телефонных линий (повторителей или CSU).

Использование стандарта, где после отработки единицы или нуля напряжение возвращается к нулевому значению, облегчает распознавание цифр, однако не спасает от нарастания постоянного тока в цепи (см. Рис. 1Б). Использование полярного кодирования, при котором единицы представляются положительным напряжением, а нули - отрицательным, позволяет отчасти решить эту проблему (см. Рис. 1В). Тем не менее длинные последовательности нулей и единиц приводят к тому же результату. Как и при однополярной кодировке, возврат на нулевой уровень не снимает проблему нарастания постоянного тока (см. Рис. 1Г).

Решение проблемы состоит в том, чтобы представлять нули нулевым значением напряжения, а единицы - то положительным, то отрицательным (см. Рис. 2А). При этом нарастания постоянного тока не происходит, поскольку остаточный заряд, сопровождающий появление "положительной" единицы, компенсируется при появлении "отрицательной" единицы. Существуют простые схемные решения для выявления сбоев чередования положительных и отрицательных единиц; такие сбои именуются нарушениями биполярности (bipolar violation - BPV).

Использование кодирования с возвратом к нулевому значению облегчает распознавание цифр (см. Рис. 2Б). Кроме того, такое кодирование позволяет увеличить допустимое расстояние между повторителями. Биполярное кодирование иногда называют также знакопеременной посылкой (alternate mark inversion - AMI). Для термина "возврат на нулевой уровень" (return to zero) часто используется сокращенное обозначение RZ или RTZ, а для термина "без возврата на нулевой уровень" (nonreturn to zero) - NRZ.

ВОЗЬМЕМСЯ ЗА РУКИ, ДРУЗЬЯ

Еще одна проблема, возникающая при использовании синхронной передачи данных по телефонной сети, состоит в обеспечении синхронизации всех наличествующих в системе цепей. В качестве источника сигналов синхронизации телефонного оборудования (в том числе повторителей, обеспечивающих усиление сигнала при передаче его по сети) выступают сами битовые потоки.

Общее правило, которое необходимо соблюдать при соединении оборудования прошлых лет выпуска, заключается в том, что время отсутствия сигнала в цепи не должно превышать восьмикратной продолжительности одного бита. Однако поток данных вполне может содержать восемь нулей подряд, что приведет к сбою тактирования такого оборудования. Без специальной синхронизации передача данных невозможна.

Одно из приемлемых решений могло бы состоять в том, чтобы использовать для управления каждый восьмой бит. Если все остальные биты восьмибитной посылки равны нулю, значение управляющего бита устанавливается в единицу, что позволяет избежать сбоя синхронизации. Именно из-за использования управляющего бита эффективная пропускная способность линий dataphone digital service (DDS) и Switched 56 составляет только 56 Кбит/с, несмотря на то что для этих сервисов используются линии DS0 на 64 Кбит/с. Каждый восьмой бит необходим для поддержки работоспособности оборудования, поэтому для передачи данных можно использовать только остальные семь битов.

Другое решение проблемы синхронизации, получившее широкое распространение начиная с середины 80-х годов, состоит в использовании специально создаваемых нарушений биполярности (BPV), причем оборудование конфигурируется таким образом, чтобы BPV-импульсы не интерпретировались как данные. Этот метод обозначается как B8ZS (от binary eight zero substitution). Линии DS0, поддерживающие технику B8ZS на всем своем протяжении, имеют полезную пропускную способность 64 Кбит/с.

Цифровые сигналы, пересылаемые по телефонным линиям, нуждаются также в кадровой синхронизации. Именно кадровая синхронизация позволяет различать потоки данных, передаваемые по одной и той же линии, когда разным потокам соответствуют разные временные слоты. При такой синхронизации начало каждого кадра отмечается специальным дополнительным битом. Например, при передаче информации по линиям DS1 (T-1) каждый 193-й бит используется для кадровой синхронизации; за битом синхронизации следуют 24 восьмибитных сегмента DS0.

Познакомившись со всеми этими функциями: AMI, B8ZS, а также цикловой синхронизацией, - мы можем вернуться к рассмотрению DSU. Задача DSU состоит в преобразовании однополярного цифрового сигнала, генерируемого аппаратурой пользователя, в сигнал, пригодный для передачи по телефонным линиям.

ДВА В ОДНОМ

DSU часто встраивают в другие устройства, например мультиплексоры или группы каналов, а также комбинируют с CSU; при этом получается единое устройство, именуемое CSU/DSU или DSU/CSU. В CSU/DSU могут встраиваться схемы сжатия передаваемых данных, а также резервные коммутируемые порты (для аналоговых сетей или ISDN).

Грубо говоря, CSU играют примерно такую же роль, что и NT1 для линий ISDN. DSU же можно уподобить терминальным адаптерам ISDN. Иногда модули CSU/DSU (а также терминальные адаптеры ISDN) именуют "цифровыми модемами". Такое название неправильно и может привести к путанице, поскольку CSU/DSU не выполняют ни модуляции, ни демодуляции.

Модуляция - это процесс, в котором один сигнал (аналоговый или цифровой) используется для видоизменения другого сигнала, называемого несущим. Известны три способа модуляции несущего сигнала - амплитудная, частотная и фазовая модуляция. При радиовещании с использованием амплитудной модуляции (amplitude modulation - AM) аналоговый аудиосигнал модулирует несущий сигнал, диапазон частот которого составляет от 540 КГц до 1640 КГц. В технике частотной модуляции (frequency modulation - FM) диапазон частот модулируемого аудиосигналом несущего сигнала составляет от 88 МГц до 108 МГц. В телевизионном вещании AM используется для передачи яркостного (черно-белого) видеосигнала, FM применяется для передачи звука, а цветность передается при помощи некой разновидности фазовой модуляции.

Модемы передают цифровую информацию по обычным телефонным линиям, модулируя несущий аудиосигнал. В современных модемах используется сложная комбинация амплитудной и фазовой модуляции.

При использовании CSU/DSU на коммутируемых линиях они должны передавать информацию об адресате вызова на коммутационное оборудование телефонной компании. При этом иногда целесообразно использовать привычный для любого программиста набор AT-команд, первоначально разработанный для модемов Hayes. Это единственное сходство между модемами и CSU/DSU, если не считать еще того, что модемы тоже включаются между последовательным портом и телефонной линией. Во всем остальном функции модемов и CSU/DSU различны.

Назначение модемов - преобразовывать цифровые сигналы в аналоговые аудиосигналы, которые можно передавать по линиям голосовой связи. CSU/DSU преобразуют цифровые сигналы одного вида в цифровые сигналы другого вида, обеспечивая тем самым передачу информации через цифровую телефонную систему.