Protokoły i standardy są zbiorem reguł i uzgodnień, według których mogą komunikować się modemy. Standaryzacją w dziedzinie modemów zajmuje się Międzynarodowa Unia Telekomunikacyjna ( ang. International Telecommunications Union, ITU), która reprezentuje rządy, instytucje naukowe i organizacje badawcze z całego świata. Zagadnienia dotyczące modemów, ITU publikuje w serii zaleceń oznaczonych symbolem V.xx (np.: V.22). Jeśli producent informuje, iż jego modem pracuje zgodnie z protokołem V.22, oznacza to, że musi on spełniać wszystkie wymagania podane przez ITU w zaleceniu V.22, ponadto może współpracować tylko z takim modemem, który również realizuje to zalecenie. Protokoły ściśle definiują sposoby modulacji sygnałów przesyłanych pomiędzy komputerami, szybkości transmisji, sekwencje sygnałów w kanale telefonicznym podczas inicjowania transmisji itd. Dla każdego sposobu modulacji określona jest częstotliwość nośnej. Nośna to sygnał sinusoidalny o określonej częstotliwości. Częstotliwość ta musi dać się przesłać bez zniekształceń przez linię telefoniczną, czyli nie może być większa od 3,4 kHz. Dla każdego sposobu modulacji norma określa szybkość bitowego strumienia wejściowego. Dane zawarte w tym strumieniu bitowym zmieniają jeden lub kilka parametrów nośnej. Każdy sposób modulacji związany jest ściśle ze sposobem kodowania. Przed modulacją wejściowy strumień danych podlega pewnym procesom matematycznym – kodowaniu. Transmitowany ciąg bitów podlega zamianie na inny, dogodniejszy dla transmisji. Po stronie odbiorczej następuje demodulacja i dekodowanie zgodnie z procedurami dokładnie odwrotnymi do kodowania. Możemy wyróżnić następujące rodzaje protokołów dotyczących transmisji danych za pomocą faksów i modemów:
| Zalecenie | Szybkość transmisji | Zastosowanie |
|---|---|---|
| V.21 | 300 b/s | modem |
| V.22 | 1200/6000 b/s | modem |
| V.22bis | 2400/1200 b/s | modem |
| V.23 | 1200/600 b/s | modem |
| V.27 | 4800/2400 b/s | fax |
| V.29 | 9600 b/s | fax |
| V.17 | 14400 b/s | fax |
| V.32 | 9600 b/s | modem |
| V.32 bis | 14400 b/s | modem |
| V.34 | 28800 b/s | modem |
| V.34 bis | 33600 b/s | modem |
| V.90 | 56 kb/s | modem |
| V.92 | 56 kb/s | modem |
Protokół V.21
Obecnie rzadko stosowany, służy do transmisji asynchronicznej. Modem, który nawiązał połączenie generuje nośną fn= 1080 Hz – jest to sygnał pauzy. W takt napływającego strumienia bitowego zmienia się częstotliwość nośnej z szybkością 300 bps. Każdemu stanowi niskiemu – zeru odpowiada częstotliwość 1180 Hz, każdemu stanowi wysokiemu – jedynce odpowiada częstotliwość 980 Hz. Modem odbierający, do którego zadzwoniono, nadaje dupleksowo modulując częstotliwość w granicach 1850 Hz dla zera i 1650 Hz dla jedynki. Sygnał pauzy to częstotliwość 1750 Hz. Owa modulacja częstotliwościowa nazywana jest w skrócie FSK (Frequency Shift Keying). Po stronie odbiorczej modem próbkuje sygnał odebrany, eliminuje własny sygnał nadawany, przeprowadza detekcję częstotliwości i stara się zlokalizować w czasie chwile zmiany częstotliwości nośnej odebranej z linii telefonicznej. Te chwile zmiany częstotliwości występują tylko wtedy, gdy w odbieranym ciągu bitowym występuje zmiana stanu niskiego na wysoki lub wysokiego na niski. Odbiornik – demodulator synchronizuje swój zegar do zlokalizowanych chwil czasu. Zegarem tym będzie taktowany odebrany asynchroniczny ciąg bitowy.
Protokół V.22
Modulacja stosowana w tym protokole nazywana jest w skrócie PSK (Phase Shift Keying). Polega ona na skokowej zmianie fazy nośnej w stosunku do fazy bieżącej. Protokół V.22 przewiduje szybkość modulacji 600 bodów (szybkość modulacji Vm podajemy w bodach, określa ona liczbę elementów przesyłanych w ciągu sekundy,przy szybkości transmisji np. 2400 b/s, gdy element sygnału utworzony jest przez cztery bity szybkość modulacji wyniesie 600 bodów). Wybrany parametr (faza) nośnej zmienia się 600 razy w ciągu sekundy. Nie oznacza to wcale, że szybkość przesyłanego strumienia bitowego będzie równa właśnie 600 bps. Przed modulacją warstwa przygotowania danych dokonuje skramblowania, to znaczy miesza wejściowy strumień danych z ciągiem zwiększającym częstotliwość zmian bitów na przeciwny i nie dopuszcza długich ciągów zer czy jedynek. Istnieją dwie możliwości modulacji. Pierwsza możliwość (wolniejsza) polega na tym, że warstwa przygotowania danych dostarcza dane bitowe z szybkością 600 bodów. Każdy bit równy zero zmienia fazę nośnej o 90o, każdy bit równy jeden zmienia fazę nośnej o 270o. Odbiornik, podobnie jak w protokole V.21, odtwarza zegar i dane, by przekazać je warstwie przygotowania danych, która wykonuje proces odwrotny do skramblowania, czyli deskrambling. Transmisja może być synchroniczna lub asynchroniczna. Druga możliwość polega na tym, że w nadajniku warstwa przygotowania danych dostarcza strumień bitowy dwa razy szybciej, z przepływnością 1200 bodów. Przychodzące bity po skramblowaniu w specjalnym rejestrze grupowane są w pary. Każdej parze przyporządkowano określoną zmianę fazy. Aby jednoznacznie określić parę bitów należy zdefiniować cztery stany: 00, 01, 10, 11. Każdemu stanowi przyporządkowano jedną zmianę fazy o wartość 90o, 0o, 180o, 270o. Odbiornik wykrywa zmiany fazy, odtwarza zegar dwa razy szybszy i w jednej chwili czasu dekoduje nie jeden bit, ale dwa, stanowiące zakodowaną parę. W ten sposób do warstwy przygotowania danych wysyłany jest z demodulatora strumień dwa razy szybszy od szybkości modulacji. Mechanizm ten jest typowy dla wszystkich nowszych protokołów. W ten sposób możliwe stało się przesyłanie wąskopasmowym kanałem telefonicznym strumieni o wyższych przepływnościach. Transmisja między modemami jest dupleksowa. Modem nawiązujący połączenie wykorzystuje nośną 1200 Hz, modem odbierający 2400 Hz.
Protokół V.22 bis
Jest to uzupełnienie protokołu V.22 o szybkość 2400 bps. Stosuje się te same nośne 1200 Hz i 2400 Hz, tę samą szybkość modulacji 600 bodów. Dane wyjściowe po skramblowaniu formowane są w czwórki bitów. Każdej czwórce, a może ich być 16 różnych, przyporządkowano jeden stan zmiany parametrów nośnej. Zmiana parametrów nośnej polega na równoczesnej zmianie fazy i amplitudy. Pierwsze dwa bity kodują zmianę fazy tak, jak w protokole V.22, tworząc cztery stany fazowe sygnału nośnej. Następne dwa bity kodują amplitudę. Możliwe są też cztery stany fazowe sygnału nośnej. W sumie 16 stanów. Ten typ modulacji nosi nazwę QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Praktycznie sygnał nośny powstaje w wyniku sumowania dwóch przebiegów sinusoidalnych przesuniętych w fazie o 90o. Kluczowana jest równocześnie amplituda obu składowych.
Protokół V.23
Umożliwia przesyłanie danych dupleksowo z szybkością 1200 bodów dla modemu odpowiadającego i 75 bodów dla wywołującego. Dla przesyłu półdupleksowego szybkość wynosi 1200 bps.
Protokół V.27
Stosowany do transmisji faksów. Prędkość transmisji Vtran=4800/2400 b/s. Wykorzystywana dupleksowa transmisja synchroniczna.
Protokół V.29
Kolejny z protokołów dotyczących transmisji danych za pomocą faksów. Oferuje szybkość transmisji 9600 b/s, podobnie jak V.27 korzysta z dupleksowej transmisji synchronicznej.
Protokół V.17
Protokół stosowany do transmisji faksów. Prędkość transmisji wynosi: 14400 b/s, 12000 b/s, 9600b/s, 7200 b/s. Wykorzystywana jest modulacja QAM z synchroniczną zmianą parametrów nośnej z szybkością 2400 bodów, fn=1800 Hz. Przed modulacją wejściowy strumień bitów dzielony jest na grupy:
po 6b dla Vtran= 14400 b/s
po 5b dla Vtran= 12000 b/s
po 4b dla Vtran= 9600 b/s
po 3b dla Vtran= 7200 b/s
Dwa najmłodsze bity podlegają operacji skramblowania. Zabieg ten polega na zamianie pary bitów na inną parę wyjściową zależną od pary bitów wejściowych i poprzedniej pary bitów wyjściowych. Proces ten jest stosowany w celu uniknięcia długich czasów bez zmiany parametrów nośnej. Na podstawie pary bitów wyjściowych generowany jest dodatkowy bit umieszczany na najmłodszej pozycji grupy bitów (w ten sposób dodaje się 1b) i uzyskujemy 3b. Taka grupa bitów (3b) zmienia parametry nośnej , zarówno fazę jak i amplitudę tworząc:
128 różnych stanów dla Vtran=14400 b/s
64 różne stany dla Vtran= 12000 b/s
32 różne stany dla Vtran=9600 b/s
16 różnych stanów dla Vtran=7200 b/s
Protokół V.32
Oba modemy stosują tę samą nośną 1800 Hz. Sygnał modemu odległego uzyskuje się metodami numerycznymi poprzez eliminację sygnału własnego. Szybkość modulacji jest stała i wynosi 2400 bodów. Koduje się dwójki lub czwórki bitów uzyskując szybkości bitowe 4800 bodów lub 9600 bodów Stosuje się modulację QAM w połączeniu z metodą kodowania TCM (Trellis Coded Modulation). Metoda TCM polega na zastąpieniu każdej kodowanej czwórki bitów kombinacją pięciu bitów, nie wykorzystując wszystkich 32 możliwości. Sposób kodowania dobrano w ten sposób, by zmniejszyć różnicę parametrów sygnału nośnej dla sąsiednich kombinacji. Wprowadza się w ten sposób korekcję polegającą na eliminowaniu stanów niemożliwych z założenia. Norma przewiduje, że w wyniku dużej stopy błędów system automatycznie zmieni szybkość bitową.
Protokół V.32 bis
Rozszerzenie normy V.32 o szybkości bitowe 7200 b/s, 1200 b/s i 14400 b/s. Wspólna nośna 1800 Hz, szybkość modulacji 2400 bodów, kodowane dwójki, trójki, czwórki i piątki bitów. Dla szybkości od 4800 b/s począwszy stosuje się kodowanie kratowe TCM. Przewiduje się zmianę szybkości bitowej w zależności od stanu linii. Dopuszcza się powtórną negocjację szybkości.
Protokół V.34
Protokół modulacji umożliwiający szybkości bitowe 19200 b/s i 28800 b/s. Protokół opracowany przez firmę Rockwell. Umożliwia on stosowanie czteroprzewodowej linii dzierżawionej lub dwuprzewodowej linii komutowanej (normalna linia telefoniczna). Protokół umożliwia skuteczną kontrolę jakości transmisji, a na podstawie której zmieniana jest nie tylko szybkość modulacji, ale także częstotliwość nośnej.
Protokół V.34 bis
Protokół ten to rozszerzenie metod stosowanych w V.34 do szybkości bitowych 31200 b/s i 33600 b/s.
Protokół V.90
Jest to obecnie najnowszy protokół modulacji, umożliwiający nawiązanie połączenia między modemami przy prędkości do 56 kbs. Protokół ten powstał w lutym 1998 roku i był kompromisem kończącym spór między firmami Rockwell/Lucent i 3COM/USR. Firmy te niezależnie opracowały swoje protokoły modulacji K56flex i X2. Istnienie dwóch różnych protokołów powodowało niemożliwość połączenia się przy prędkości 56 kbs przy stosowaniu modemów konkurujących ze sobą producentów. Obecnie do wszystkich modeli modemów pracujących z protokołem K56flex lub X3 dostępne są, na stronach producentów, nowe wersje oprogramowania, umożliwiające pracę z protokołem V.90. Aby możliwe było nawiązanie połączenia przy protokole V.90 między dwoma modemami, przez komutowaną sieć telefoniczną, wymagana jest linia dobrej jakości oraz odległość między modemami mniejsza od 3 km. Gdy odległość przekracza 3 km, prawdopodobieństwo nawiązania połączenia między modemami w protokole V.90 staje się niewielkie. Protokół V.90 wykorzystuje transmisję danych cyfrowych, używa modulacji impulsowo-kodowej (PCM). Jeżeli niemożliwe jest połączenie się w protokole V.90, modem automatycznie wybiera modulację V.34. V.90 umożliwia transmisję danych z szybkością 56 kb/s tylko w jednym kierunku- od serwera internetowego do użytkownika. Natomiast użytkownik może wysyłać dane z szybkością 33.6 kb/s.
Protokół V.92
Główne zalety protokołu V.92 związane są z jego funkcjonalnością. Modemy wykorzystujące nowy standard mają znacznie szybciej nawiązywać połączenia dzięki bardziej efektywnemu systemowi uzgadniania warunków transmisji. Zapewnia to opracowana specjalnie na potrzeby standardu V.92 nowa technologia QuickConnect. Kolejną i chyba najważniejszą konsekwencją wdrożenia V.92 będzie możliwość przyjmowania głosowych połączeń telefonicznych podczas surfowania. Jest to funkcja przydatna szczególnie użytkownikom indywidualnym, łączącym się z Internetem z domu. Większość z nich ma tylko jedną linią telefoniczną i zajmowanie jej przez modem uniemożliwia równoczesne tradycyjne połączenia. Użytkownik modemu zgodnego z V.92 otrzyma powiadomienie o przychodzącym połączeniu i będzie mógł zawiesić przesyłanie danych na czas rozmowy (z możliwością powrotu do surfowania po sieci w dowolnej chwili). Pauza zostanie jednak prawdopodobnie ograniczona do około 15 minut. Zmiany, które wnosi V.92, dotyczą również wydajności modemów. Szybkość przesyłania (wysyłania) danych od użytkownika zwiększy się z 33,6 do 48 Kb/s, a dzięki zastosowaniu nowego systemu kompresji (V44) zwiększy się także ogólna prędkość przesyłania danych. Do korzystania z dobrodziejstw nowej technologii modemowej niezbędna będzie jednak modernizacja urządzeń dostępowych w centralach telefonicznych. Polscy operatorzy i dostawcy usług internetowych zapowiadają poczynienie odpowiednich kroków, jednak od zatwierdzenia V.92 minie jeszcze trochę czasu, zanim użytkownicy będą mogli odnieść wszystkie korzyści związane z wprowadzeniem nowego standardu. Mimo że specyfikacja V.92 funkcjonuje wciąż półoficjalnie, wielu producentów modemów zapewnia o wstępnej zgodności oferowanych urządzeń z tym standardem.
Należy również wspomnieć o innych standardach. Przed kilkunastoma laty, gdy koncern AT&T (American Telephone and Telegraph) był dominującą firmą telefoniczną, wszystkie modemy musiały spełniać standard BELL´a. Wraz ze zmniejszeniem dominacji AT&T, standardy BELL´a stały się również mniej dominujące. Jednakże nadal w wykazach specyfikacyjnych modemów można zobaczyć te standardy, gdyż definiują one sposób komunikacji z mniejszymi szybkościami szczególnie w USA. Inna grupa zaleceń definiuje parametry i procedury modemu nie związane z transmisją danych:
Protokół V.24
Definiuje linie interfejsu szeregowego. Interfejs V.24 wyposażony jest w linie pozwalające zorganizować pętlę testujące: laokalną (Local Analog Loopback, LAL, lina 141) oraz zdalną (Remote Digital Loopback, RDL, linia 140). Ponadto V.24 posiada linię TI (142), zwaną wskaźnikiem testu, za pomocą którego modem sygnalizuje DTE (komputerowi) fakt wykonania testu.
Protokół V.28
Określa charakterystyki prądowo-napięciowe interfejsu.
Protokół V.42
Określa korekcję błędów. Norma V.42 przewiduje dwa protokoły: LAPM (Link Access Protocol for Modems) i MNP-4 jako dodatkowy. LAPM dzieli dane na bloki o wielkości zależnej od szybkości przesyłania danych i jakości linii oraz szybkości portu szeregowego. Każdy blok uzupełniany jest o tzw. sumę kontrolną CRC(Cyclic Redundancy Code-kod cyklicznej kontroli nadmiarowej), to jest dodatkowe bity wyliczane na podstawie bitów tworzących dany blok. W modemie odległym odbierane są bity danych, a na ich podstawie obliczany według tej samej funkcji ten sam CRC i porównywany z odbieranym. Wynik porównania jest transmitowany do nadajnika, a ten, w wypadku wystąpienia błędu, retransmituje cały blok. Warstwa przygotowania danych usuwa, z napływającego portem szeregowym strumienia danych, bity startu i stopu, ale dodaje bity CRC, co ostatecznie spowalnia transmisję danych około 10 %. Im krótszy jest CRC w stosunku do odległości bloku tym transmisja jest szybsza, ale skuteczność korekcji mniejsza. MNP-4 działa na podobnej zasadzie: uzupełnianie bloków o CRC, potwierdzanie i retransmitowanie.
Protokół V.42 bis
W normie tej zawarto opis procedur kompresji danych. Przewiduje się stosowanie dwóch algorytmów BLTZ (British Telecom Lempe Ziv) i MNP-5. Metoda BLTZ polega na wielokrotnym stosowaniu procedury RLE. Metoda RLE przewiduje zastępowanie ciągów znaków innym ciągiem zgodnym ze słownikiem, który jest ciągle tworzony. W przypadku braku efektów kompresji procedura jest przerywana. W przypadku większości danych efektywność kompresji wynosi 4:1. Metoda MNP-5 to też procedura RLE, inny jest nieco sposób kodowania. Znak koduje się różną ilością bitów, zależną od częstości występowania znaku. Efektywność kompresji średnio wynosi 2:1.
Protokół V.44
Niedawno opracowany i zatwierdzony został nowy standard kompresji – V.44. Charakteryzuje się on znacznie lepszym współczynnikiem upakowania informacji niż V.32 bis. Niestety, V.44 związany jest z protokołem V.92, na którego wprowadzenie będziemy musieli jeszcze troche poczekać.
Protokół V.54
Określa system testów modemu. Modemy mogą obsługiwać kilka różnych testów, zwanych pętlami.
Szumy i zniekształcenia wprowadzane przez linię telefoniczną są powodem poważnych problemów podczas transmisji danych. Nowoczesne modemy wyposażane są więc w sprzętową korekcję błędów, zgodną z protokołem V.42 (ITU) lub protokołąmi MNP (Microcom Networking Protocol) firmy Microcom. Podczas transmisji z korekcją błędów dane przesyłane są blokami o długościach od 64 do 256 znaków.
Protokół MNP-1
Dotyczy korekcji błędów podczas transmisji asynchronicznej znakowej w trybie półdupleksowym. Efektywna szybkość transmisji wynosi tu 70%. (jeśli modemy pracują z szybkością 2400 b/s, to efektywna szybkość transmisji, tzn. szybkość między komputerami wynosi 1690 b/s).
Protokół MNP-2
Jest to również protokół transmisji asynchronicznej znakowej. Stosuje on jednak dupleksowy tryb wymiany danych dzięki czemu jego efektywność wynois około 84%. Modem o szybkości 2400 b/s pracujący z protokołem MNP-2 osiąga efektywną szybkość równą 2000 b/s.
Klasa 3 protokołu MNP
Jest protokołem transmisji synchronicznej bitowej. Z uwagi na to, że protokół synchroniczny umożliwia eliminację (niezbędnych w transmisji asynchronicznej) bitów “startu” i “stopu”, protokół klasy 3 MNP jest bardziej efektywny. Oczywiście wymiana danych pomiędzy komputerem i modemem odbywa się w dalszym ciągu asynchronicznie, ale modemy przesyłają dane pomiędzy sobą w sposób synchroniczny. Protokół klasy 3 stosuje dupleksowy sposób wumiany danych. Jest to pierwsza z klas MNP, która zapewnia zarówno korekcję błędów jak i skrócenie czasu transmisji. Efektywność wynosi tu około 108%. Używając tej klasy w modemoe o szybkości 2400 b/s, osiąga się efektywne przesyłanie danych z szybkością 2600 b/s.
Klasa 4 protokołu MNP
Posiada cechy klasy 3 uzupełnione o dalsze udoskonalenia. Modem pracujący w klasie 4 MNP nieustannie śledzi liczbę błędów spowodowaną szumami linii telefonicznej. Jeśli linia telefoniczna umożliwia bezbłędną transmisję, modem automatycznie zwiększa rozmiar kolejnych bloków danych, tzn jeśli przesyłane są bezbłędnie bloki np. 64-bajtowe, modem zwiększa ich długość do 128 bajtów, itd. Gdy jakość linii jest niska i pojawiają się błędy, rozmiar bloku jest zmniejszany, dzięki czemu skraca się sumaryczny czas retransmisji (ponownej transmisji bloków w których wykryto błędy). Mniejszy rozmiar bloku zwiększa prawdopodobieństwo bezbłędnej transmisji za pierwszym razem. Efektywność protokołu wynosi około 120%. Dzięki temu modem, 2400 pracując z MNP klasy 4 uzyskuje efektywną przepływność binarną 2900 b/s.
Modem pracujący z protokołem V.42 może transmitować dane z korekcją do modemu pracującego z protokołem MNP klasy 3 lub 4.
Współczesne modemy umożliwiają kompresję danych, dzięki której skrócony zostaje czas transmisji (skompresowane pliki mają mniejsze rozmiary). Oprócz protokołu V.42 bis kompresję danych opisuje także protokół MNP 5. Kompresja zgodna z V.42 bis może być zastosowana tylko wtedy, gdy wymiana danych kontrolowana jest przez protokół korekcji błędów V.42 (podobnie kompresja z protokołem MNP5 stosowana jest dla wymiany danych z korekcją MNP4). Skuteczność kompresji zależy od typu transmitowanego zbioru. Zbiory COM i EXE poddają się kompresji słabo. Najlepsze efekty uzyskuje się dla zbiorów tekstowych. Dzięki kompresji danych, protokół MNP5 zwiększa efektywną szybkość transmisji dwukrotnie, natomiast protokół V.42 bis- czterokrotnie.
Przykłady maksymalnych szybkości przepływu danych pomiędzy komputerami, dla różnych standardów modulacji, z zastosowaniem kompresji MNP5 i V.42 bis:
| Maksymalna efektywna szybkość tr. danych komputer-komputer | |||
|---|---|---|---|
| Standard modulacji | Szybkość transmisji modem-modem | MNP5 | V.42 bis |
| V.22 | 1200 bit/s | 2400 bit/s | 4800 bit/s |
| V.22 bis | 2400 bit/s | 4800 bit/s | 9600 bit/s |
| V.32 | 9600 bit/s | 19200 bit/s | 38400 bit/s |
| V.32 bis | 14400 bit/s | 28800 bit/s | 57600 bit/s |
| V.34 | 28800 bit/s | 57600 bit/s | 115200 bit/s |
Najnowszy protokół MNP 10 pozwala zrealizować połączenia dotychczas niemożliwe. Został on opracowany w zasadzie dla telefonii komórkowej, chociaż może być przydatny również dla łączy kablowych o niskiej jakości. Protokół ten charakteryzują następujące cechy:
– negocjowanie i zwiększanie szybkości transmisji (modem rozpoczyna transmisję od niskiej szybkości, a następnie zwiększa ją do wartości na którą pozwalają warunki panujące w linii),
– wymuszanie połączenia (modem łączy się nawet wtedy, gdy w linii występują zakłócenia),
– dynamiczne zmiany prędkości (w czasie trwania połączenia, modem stale dopasowuje szybkość transmisji do warunków panujących w linii),
– szybka zmiana długości ramki (rozmiar ramki w niesprzyjających warunkach może zmienać się od 256 bajtów do 8 bajtów),
– dopasowanie poziomu nadawanego sygnału (modem ustala odpowiedni poziom nadawanego sygnału dla warunków panujących w linii)
