История развития протоколов передачи данных

Работа c Internet становится все более актуальной для пользователей ПК, и мы постоянно получаем просьбы от наших читателей рассказать о том, что максимально можно «выжать» из коммутируемого доступа на их линиях, что дают новые протоколы, каковы перспективы развития доступа в Internet.

В прошлом номере (cм. «Мир ПК», № 3/01, c. 84) мы кратко коснулись того, чего ждать от новых модемных протоколов. Однако, на наш взгляд, интерес представляют не только сегодняшние события в этой области, но и история создания протоколов. Опираясь на нее, можно лучше понять, как происходит развитие новых технологий передачи данных, и даже предсказать недалекое будущее.

М.Г.

С каждым годом растут объемы передаваемой информации, развивается сеть Internet, расширяются предоставляемые услуги по использованию средств связи, появляются новые технологии. А что же происходит в России с ее огромными просторами и доставшейся в наследство от СССР устаревшей инфраструктурой кабельных сетей и оборудования связи?

Для передачи информации используются различные сети. Десяток лет назад это были и телефонная сеть общего пользования (ТфОП), и цифровая сеть делового обслуживания (ЦСДО) «Искра-2», и сети на основе выделенных аналоговых каналов. В качестве аппаратуры передачи данных использовались обычные двухпроводные модемы, например Discovery 2400 CM/D, поддерживающий протокол передачи V.22 bis (табл. 1) Международного союза электросвязи, отдел телефонии (ITU-T), протокол сжатия MNP-5 (табл. 4) и протокол коррекции ошибок MNP-4. Discovery 2400 CM/D считался весьма неплохим, но, к сожалению, он редко работал на максимальной скорости, а соединение часто прерывалось. Среди причин прежде всего следует назвать использование прямых проводов, идущих от АТС (автоматическая телефонная станция) или МТС (междугородняя телефонная станция) до компьютера пользователя.

Спустя некоторое время после выхода протокола V.32 bis в нашей стране появились модемы, обеспечивающие максимальную скорость 14 400 бит/с. Это были Unicom 1414 VQE, а также модели фирм US Robotics и ZyXEL. Кроме V.32 bis последние поддерживали и фирменные протоколы, такие как HST и ZyX (табл. 3). Перечисленные выше модемы позволяли работать со скоростями от 14 400 до 16 800 бит/с, хотя реально скорость передачи данных редко превышала 4800-9600 бит/с. Естественно, возник вопрос — что влияет на скорость и качество передачи данных?

Как видно из табл. 1, первые протоколы имели низкую скорость передачи данных, что обусловлено рядом характеристик существовавших телефонных сетей, которые не позволяли передавать по ним информацию с большей скоростью. Оборудование, используемое на сетях связи, в основном было аналоговое, что вносило следующие негативные характеристики:

• ограничение полосы пропускания канала, связанное с завалами частоты на краях канала, кроме того, его ширина могла значительно уменьшиться при неоднократном прохождении через участки низко-частотного (НЧ) переприема. Этот параметр характерен для каналообразующей аппаратуры с частотным разделением каналов (ЧРК), в частности К-60П. Стандартно канал ТЧ имеет полосу пропускания от 300 до 3400 Гц. При 12 транзитных участках с аппаратурой К-60П эффективно передаваемая полоса сужается до пределов 450—2850 Гц;
• сдвиг частоты, вызываемый отсутствием синхронности между задающими генераторами в оконечных устройствах аппаратуры с ЧРК;
• неравномерность группового времени прохождения (ГВП), проявляющаяся в виде неодновременности прихода боковых полос к приемнику, что препятствует восстановлению сигнала;
• импульсные помехи, связанные с перекрестными наводками от вызывных импульсных токов в коммутационном оборудовании;
• перерывы связи, вызываемые плохими контактами в разъемах, реле, искателях, что характерно для декадно-шаговых автоматических телефонных станций (АТСДШ).

Соответственно первые протоколы разрабатывались так, чтобы такие негативные факторы, как неравномерность ГВП и сужение полосы пропускания, не оказывали значительного влияния. Модуляция применялась частотная и фазоразностная. Первые протоколы МККТТ и АТ&Т, использующие этот вид модуляции, приведены в табл. 1 и табл. 2. Так как на выделенных каналах не используется коммутация и качество передачи информации на них значительно превосходит то, что можно получить на коммутируемой сети, в результате появился протокол V.29, который использует квадратурную амплитудную модуляцию и бо,льшую, нежели низшие протоколы, полосу частот.

Cо временем шло развитие коммутационного и каналообразующего оборудования, а также совершенствовались микропроцессоры, улучшались характеристики каналов связи, а значит, появилась возможность создания более высокоскоростных модемов. Однако замена каналообразующего оборудования происходила постепенно, и поэтому выпуск более скоростных протоколов, таких как V.33 для выделенных каналов и V.32, V.32 bis для ТфОП, был все еще нацелен на то, чтобы задействовать не всю возможную полосу частот каналов ТЧ, а только ее часть - от 600 до 3000 Гц. Этим же грешили и другие, фирменные протоколы (табл. 3).

Исключение составляли лишь полудуплексные протоколы семейства PEP, разработанные фирмой Telebit и реализованные в модемах серий TrailBlazer (PEP) и WorldBlazer (TurboPEP), которые за период с 1985 до 1988 г. достигли скорости 19 200 бит/с, а впоследствии и 23 000 бит/с. Они пытались использовать всю возможную полосу каналов ТЧ, показывали неплохое качество работы и высокие скорости передачи данных. К сожалению, эти модемы были достаточно дороги, что сказалось на их распространении.

Но нет худа без добра. Длительное измерение характеристик выделенных каналов, приведение их параметров в норму улучшило положение вещей. В ряде случаев повысилась скорость работы аппаратуры передачи данных, хотя в целом мало что изменилось.

Причем это на междугородных выделенных каналах, а вот дела с коммутируемой сетью обстояли значительно хуже. Установление соединения на ней в каждом случае происходит по-разному, конечно, если не используется внутристанционное соединение, и поэтому найти участок, который виновен в низкой скорости, не представляется возможным, тем более что на ТфОП до сих пор преобладают механические АТС и немалую часть занимают АТСДШ. Для этих АТС характерны перерывы связи из-за быстрого износа скользящих контактов, а также нарушение контактов из-за вибрации стоек, связанной с установлением соединения. На ЦСДО «Искра-2» системы типа АТСДШ отсутствуют, поэтому наблюдаются значительно лучшее качество и более высокие скорости.

Таким образом, серьезно повлиять на качество передачи по коммутируемым сетям было невозможно, и поэтому все внимание было уделено выделенным междугородным каналам. «Вылизывание» каналов дало свои плоды, и со временем скорости аппаратуры передачи данных уже редко опускались ниже 9600—14 400 бит/с, но требовалось больше. Эти скорости уже не удовлетворяли конечных пользователей, при этом еще важно заметить, что использовался синхронный режим, при котором нельзя было пользоваться как протоколами сжатия, так и протоколами коррекции ошибок. Потребности же в объемах передаваемой информации продолжали расти. Появилась необходимость передавать одновременно данные и голос. Таким образом, мы перешли к другому типу передачи информации.

Одновременная передача данных и голоса

Работы по обеспечению одновременной передачи данных и голоса велись начиная с 60-х годов. Характеристики каналов в то время, да и уровень техники не позволяли использовать высокие скорости, поэтому в качестве речепреобразующих устройств использовались вокодеры, формантный и полосовой, которым было достаточно скорости 1200 - 2400 бит/с. Передача речи шла либо в ущерб передаче данных, т. е. прерывала последнюю, либо совместно, т. е. для каждой передачи выделялась своя полоса. Поскольку речь получалась синтезированная, данные системы не нашли коммерческого применения, а использовались в основном для служебных переговоров либо в спецаппаратуре.

Первые протоколы, реализующие подобную услугу для коммерческого использования, появились в начале 90-х, например протокол MSP (Multi-Tech System). Он, как и протокол DSVD (V.70), обрабатывал всю информацию, которую получал как цифровую. Речевым пакетам был дан приоритет над данными, но они передаются в общем потоке. При этом увеличить скорость передачи данных можно только за счет использования протоколов сжатия. Протокол ASVD(V.61) обрабатывал голос, данные и информацию управления как раздельные объекты. Пользователю это обеспечивало некоторый комфорт, потому что голос не менялся.

Появление V.34

Потребность в высоких скоростях передачи данных заставила разработать и выпустить на рынок следующие протоколы: HST, ZyX, V.32 ter со скоростями от 16 800 до 19 200 бит/с. Они разрабатывались на основе протокола V.32 bis. Однако довольно быстро и этих скоростей стало не хватать. Различные компании начинают разработку модема, работающего со скоростью 28 800 бит/с, — V.fast. И в 1996 г. былo объявлено о выходе протокола V.34, который включал в себя различные передовые технологии, запатентованные 17 компаниями. Этот протокол в отличие от предшествующих (за исключением PEP и TurboPEP) использовал всю ширину аналогового канала и обеспечивал работу на скоростях до 33 600 бит/с. Однако максимальная скорость не достижима на аппаратуре с ЧРК, так как происходит выход за пределы канала ТЧ, поэтому максимальная скорость для канала ТЧ составляла 31 200 бит/с, что, впрочем, тоже весьма неплохо. Этот протокол явился последним аналоговым протоколом передачи данных.

Время не стоит на месте. В начале 1997 г. появились модемы, работающие со скоростями до 56 700 бит/с по протоколам X2 (3Com - US Robotics) и K56Flex (Lucent Technologies (AT&T), Motorola, Rockwell), а осенью 1998 г. был принят протокол V.90 ITU, включающий в себя 11 пунктов из стандарта K56Flex и один пункт из X2. Эти модемы предназначены для работ с цифровыми АТС. Идущий к абоненту поток может передаваться со скоростями до 56 700 бит/с, а от него на скоростях до 33 600 бит/с, т. е. по V.34. Этот протокол использует ИКМ (импульсно-кодовую модуляцию) и обеспечивает взаимодействие аналоговых и цифровых сетей. Так как скорости первичного канала ЦСП (цифровой системы передачи) составляют 32; 40; 64 кбит/с, то протокол V.90 обеспечивает непрерывность передачи данных.

Что же это дало конечному пользователю? Прежде всего это позволило полноценно работать с Internet, ведь, как правило, в данной Сети больше информации идет к пользователю, а от него — лишь команды управления. Но эти преимущества получили немногие, так как в России преобладают электромеханические АТС и аналоговые каналы связи, поэтому повышение скорости мало сказалось на росте производительности. Максимально возможная скорость на канале ТЧ по сути не превышает 3200 бит/с. Это связано с тем, что в реальности протокол V.34 пытается использовать бо,льшую полосу частот, чем позволяет канал ТЧ. В этом случае на помощь приходят протоколы сжатия и коррекции ошибок.

Протоколы сжатия и коррекции ошибок

Одновременно с развитием протоколов передачи данных шло и развитие протоколов сжатия и коррекции ошибок. Это было связано с тем, что требовалась передача бо,льших объемов информации, чем позволяли существующие модемы, да и качество каналов оставляло желать лучшего. Поэтому фирмы—производители модемов разрабатывали для своей аппаратуры передачи данных необходимые ей протоколы сжатия и коррекции ошибок. Некоторые из них приведены в табл. 4. Несомненно, лучшими среди них являются V.42 и V.42 bis, которые вобрали в себя все прогрессивное из появившихся ранее протоколов. Почти все представленные в табл. 4 протоколы предназначены для асинхронной передачи данных, за исключением SDC, который наиболее эффективен для повышения качества и скорости передачи трафика X.25, Frame Relay, SDLC, PPP.

Новые протоколы и их возможности

В прошлом году появились новые протоколы для передачи данных по ТфОП — V.92, V.44.

Протокол V.92 позволяет увеличить максимальную исходящую скорость с 33,6 (V.90) до 48 кбит/с. Это достигается за счет изменения способа кодирования информации. Теперь оно осуществляется с помощью ИКМ. Но ее применение заставляет придерживаться более жестких требований в отношении оборудования, находящегося на пути следования передаваемой информации, — должно быть не более одного аналого-цифрового преобразования. Исходящая от пользователя информация может передаваться со скоростями от 24 до 48 кбит/с, с шагом 1,333 кбит/с, как и в протоколе V.90. Кроме того, уменьшается время вхождения в связь с 20 (V.90) до 10 с.

Другой протокол, V.44, позволяет увеличить степень сжатия передаваемых данных на 25% (6:1) в сравнении с V.42 bis, который обеспечивал сжатие 4:1. Следовательно, производительность может увеличиться до 300 кбит/с. Но это преимущество не удастся испытать тем, кто использует последовательный порт компьютера, скорость которого ограничена и составляет 115,2 кбит/с. Здесь используется алгоритм сжатия Lempel Ziv Jeff.Heath, разработанный US-based Hughes Network System.

Введение данных протоколов, благо что многие фирмы-производители модемов поддержали их, позволит пользователям более активно работать с аудио- и видеоинформацией. Но, к сожалению, те, кто не мог соединяться по протоколу V.90, не получат ничего. Да и те, кто работает с модемами через последовательный порт с максимальной скоростью 115,2 кбит/с, тоже вряд ли смогут насладиться высокими скоростями.

Прогноз на будущее

Преимущества нового протокола несомненны в сравнении с V.90, который многие считают аналоговым. Однако в последних двух протоколах, V.90 и V.92, используется ИКМ, которая применяется при аналого-цифровом преобразовании. А это значит, что эра аналоговых протоколов передачи данных закончилась с выходом V.34. Что же можно ожидать в будущем? Будет ли продолжена разработка новых модемных протоколов для ТфОП?

Системы сотовой связи и кабельные сети находятся в постоянном развитии, и, например, переход с аналогового оборудования на цифровое приведет в недалеком будущем к значительному повышению скорости и качества передачи данных. Вероятно, следует ожидать появления протокола передачи данных, у которого скорости в обе стороны будут приближены к 56 кбит/с. Аналогичные изменения могут коснуться и факсимильных протоколов. Также возможен выпуск модифицированного протокола V.42 для сотовых сетей. Ну и, наконец, следует ожидать повышения скорости одновременной передачи голоса и данных, т. е. модернизации протокола V.70.

ОБ АВТОРЕ

Мухин Сергей Владимирович — инженер ФГУП ЦНИИ судостроительной промышленности «Центр».

Исследования на российских просторах

Сотовые сети связи

Глоссарий