История развития протоколов передачи данных

Табл. 1. Протоколы передачи данных Международного союза электросвязи

Как видно из табл. 1, первые протоколы имели низкую скорость передачи данных, что обуславливалось, тем, что в пору их создания существующие телефонные сети обладали рядом характеристик, которые не позволяли передавать по ним информацию с большей скоростью. Оборудование, используемое на сетях связи, в большинстве своем было аналоговое, что вносило следующие негативные характеристики:

• ограничение полосы пропускания канала. Эта характеристика связана с завалами частоты на краях канала, кроме того, его ширина могла значительно уменьшится при неоднократном прохождении через участки НЧ (низко-частотный) 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. Он вызывается отсутствием синхронизма между задающими генераторами в оконечных устройствах аппаратуры с ЧРК.
• неравномерность группового времени прохождения (ГВП). Это проявляется в виде неодновременности прихода боковых полос к приемнику, что препятствует восстановлению сигнала.
• импульсные помехи. Они могут быть связаны с коммутационным оборудованием, перекрестными наводками от вызывных импульсных токов.
• перерывы связи. Они вызываются плохими контактами в разъемах, реле, искателях, что характерно для декадно-шаговых автоматических телефонных станций (АТСДШ).

Исключение составляли лишь полудуплексные протоколы семейства PEP разработаны фирмой Telebit и реализованы в модемах фирмы серий TrailBlazer (PEP) и WorldBlazer (TurboPEP), начиная с 1985 года, которые в 1988 году достигли скорости 19200 бит/с, а в последствии и 23000 бит/с. Они пытались использовать всю возможную полосу каналов ТЧ и показывали неплохое качество работы и высокие скорости передачи данных. Но, к сожалению, были они достаточно дороги и закрыты, что сказалось на их распространении и конечно же на скорости. Поэтому организация где я работал не могла позволить себе купить подобную аппаратуру, а обходилась более дешевыми моделями модемов.

Таким образом повлиять на коммутируемые сети было не возможно и поэтому все внимание было уделено выделенным междугородним каналам. “Вылизывание” каналов дало свои плоды, и со временем скорости аппаратуры передачи данных уже редко опускались ниже 14400 – 9600 бит/с, но требовалось большее. Эти скорости уже не удовлетворяли конечных пользователей, при этом учтите, при передаче данных использовался синхронный режим при котором нельзя было воспользоваться как протоколами сжатия, так и протоколами коррекции ошибок. Потребности росли. Появилась необходимость передавать одновременно данные и голос. Таким образом, мы перешли к другому типу передачи информации.

Существует еще одно направление в разработке протоколов передачи данных - это одновременная передачи данных и голоса, которая бывает просто необходима, например, при работе врачей и людей других специальностей, при работе которых необходим одновременный обмен данных и голоса. Работы в данном направлении велись начиная с 60-х годов. Как было сказано раньше, характеристики каналов в то время, да и техника не позволяли работать аппаратуре передачи данных с высокими скоростями, поэтому в качестве речепреобразующих устройств использовались вокодары: формантный и полосовой, которым было достаточно скорости 1200 – 2400 бит/с. Передача речи шла, либо в ущерб передачи данным, то есть она прерывала последнюю, либо совместно, то есть на каждую из передач выделялась полоса, в которой они и велись. Речь получалась синтезированная, из чего следовала плохая разборчивость – ниже 90 %, и плохая узнаваемость. С подобной техникой автору пришлось работать, так что он знаком с ней не понаслышке. Данные системы не получили коммерческого развития, а использовались в основном для служебных переговоров, либо в спецаппаратуре.

Первые протоколы, реализующие подобную услугу для коммерческого использования, появились в начале 90-х. В качестве примера могу привести протокол MSP Multi-Tech System. Чем же отличаются способы объединения речи и данных?

Протокол ASVD, например V.61, обрабатывает голос, данные, и информацию управления как раздельные объекты. Пользователю, это обеспечивает некоторый комфорт, потому что голос не цифровой.

Протокол DSVD, например V.70, обрабатывает всю информацию, которую он получает как цифровую. Речевым пакетам дан приоритет над пакетам данных, но они передаются через ту же самую схему как и данные. Ничего не делается для того, чтобы увеличивать скорости передачи данных, обнаружив паузу. Скорость передачи данных увеличивается только за счет использования протоколов сжатия модема.

Необходимость в высоких скоростях передачи данных заставила разработать и выпустить на рынок следующие протоколы: HST, ZyX, V.32terbo со скоростями от 16800 до 19200 бит/с. Они разрабатывались на основе протокола V.32bis. Но и этих скоростей стало не хватать. Различные компании начинают разработку модема, работающего со скоростью 28800 бит/с - V.fast. И в 1996 году был объявлено о выходе V.34, который включал в себя различные технологии запатентованные 17 компаниями. Этот протокол в отличии от предшествующих, за исключением PEP и TurboPEP, использует всю ширину аналогового канала. Это и многое другое позволяет ему работать на скоростях до 33600 бит/с по аналоговому каналу, но работа модема на максимальной скорости не возможна через аппаратуру с ЧРК, так как происходит выход за пределы канала ТЧ, поэтому максимальная скорость для канала ТЧ составляет 31200 бит/с, что тоже не плохо. Этот протокол явился последним аналоговым протоколом передачи данных.

Автор решил узнать, чем отличается новый протокол от предыдущих. Для этой цели была создан протокол для сбора статистики на каналах ТЧ, а также программа его реализующая, которая позволила собрать большой объем статистической информации в совокупе с протоколами измерений прибором TDA-3, который упоминался ранее. Для сбора статистики использовались следующие модемы: Paradyne COMSPHERE 3920 Plus, ZyXEL 2864, ZyXEL 288S, ZyXEL 1496, ZyXEL 1496 Plus, Unicom 1414VQE, US Robotics Courier V. Everything, Discovery CM/D 2400.

Исследования установили, что на качество передаваемой информации влияют следующие характеристики каналов ТЧ – это перерывы связи, скачки фазы. амплитуды, импульсные помехи. Знание этого позволило автору предсказывать качество передачи данных для определенной скорости, которую стало возможным определять при помощи методики компании “Аналитик-ТС”. Кроме того, было выявлено, что использование нового протокола (V.34) на малых скоростях (до 9600 бит/с) не выгодно. Его рекомендуется использовать лишь на более высоких скоростях. Таким образом, результаты проведенных многолетних исследований позволили создать некоторую методику, следуя которой можно было повысить качество передаваемой информации. На рис. 1 представлена реальная ситуация при которой было значительно повышено качество передавамой информации. Оказалось, что у аппаратуры передачи данных был завышен уровень на передачу, и его снижение до нормы привело к результатам представленным на рис. 1.

Время не стоит на месте. В начале 1997 года появились модемы, работающие со скоростями до 56700 бит/с по протоколам X2 (3Com-USRobotics) и K56Flex (Lucent Technologies (AT&T), Motorola, Rockwell), а осенью 1998 года был принят протокол V.90 ITU, включающий в себя 11 пунктов из стандарта K56Flex и 1 пункт из X2. Эти модемы предназначены для работ с цифровыми АТС. Идущий к абоненту поток может передаваться со скоростями до 56700 бит/с, а от него на скоростях до 33600 бит/с, то есть по V.34. Этот протокол используют ИКМ (импульсно-кодовая модуляция) и обеспечивают взаимодействие аналоговых и цифровых сетей. Так как скорости первичного канала ЦСП (цифровой системы передачи) составляют 32, 40, 64 Кбит/с, то протокол V.90 обеспечивают непрерывность передачи данных.

Что же это дало для конечного пользователя? Прежде всего это позволило полноценно работать с Интернет, ведь в данной сети больше информации идет к пользователю, а от него лишь команды управления. Но эти преимущества получило меньшинство, так как я уже писал выше, в России преобладают электромеханические АТС и аналоговые каналы связи, так что повышение скорости мало сказалось на повышении производительности. Максимальная скорость возможная на канале ТЧ не превышает 3100 бит/с. Это связано с тем, что в реальности протокол V.34 пытается использовать большую полосу частот, чем позволяет канал ТЧ. В этом случае на помощь приходят протоколы сжатия и коррекции ошибок.

Одновременно с развитием протоколов передачи данных шло и развитие протоколов сжатия коррекции ошибок. Это было связано с тем, что требовалась передача больших объемов информации, чем позволяли существующие модемы, кроме того, как было сказано выше, качество каналов обещало 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.42bis, которые вобрали в себя лучшее 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.

Табл. 4. Протоколы сжатия и коррекции ошибок

Протокол ETC работает совместно с V.32bis и V.42. Он позволяет осуществлять контроль за амплитудой передаваемого сигнала, автоматически изменяет скорость соединения в зависимости от состояния канала (уменьшение отношения сигнал/шум, колебания фазы), допускает переход в режим более ранних стандартов, таких как V.22 со скоростью 1200 бит/с, если канал связи не в состоянии обеспечить даже 4800 бит/с, обеспечивает быстрый запуск, использует меньший размер кадра, 32 байта вместо 128 байт, имеет возможность селективного отказа, делает до 20 попыток повторно послать кадр, куда вкралась ошибка.

Стабильность работы протокола MNP10 достигается за счет многократного повторения попытки установить связь, изменения размера пакетов и даже динамического изменения протокола соединения в зависимости от качества канала связи.

ZyCELL автоматически меняет скорость в зависимости от характеристик канала, при переходе из одной ячейки в другую от 0,2 до 1,2 с не прерывает связь и быстро синхронизируется, изменяет уровень сигнала.

Но, к сожалению, встает вопрос о реальной скорости передаче данных по сотовой сети. А это порядка 4800 бит/с, что сегодня недостаточно. С начала 1998 года МСЭ поставил своей целью разработать стандарт для сотовых систем нового поколения, который получил название UMTS. Этот стандарт позволит пользователям увеличить многократно скорость обмена информацией. В частности 144 Мбит/с для быстро перемещающихся абонентов, 384 Мбит/с для пешеходов, 2 Мбит/с для фиксированных терминалов.

8 Июня 2000 года появилось сообщение о появлении целой серии новых протоколов для передачи данных по ТфОП. Это протоколы V.92, V.44, V.59. А в ноябре они стали официальными. Чем же они отличаются от своих предшественников?

Начнем рассмотрение с V.92, который позволяет увеличить максимальную исходящую скорость от пользователя с 33,6 (V.90) до 48 Кбит/с. Это достигается за счет изменения способа кодирования информации. Теперь оно осуществляется с помощью ИКМ (импульсно-кодовая модуляция). Но ее применение заставляет придерживаться более жестких требований в отношении оборудования, находящегося на пути следования передаваемой информации - должно быть не более чем одно аналого-цифровое преобразование. 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.

Второй протокол V.44 позволяет увеличить степень сжатия передаваемых данных как 6:1, то есть на 25 % в сравнении с V.42bis, который обеспечивал сжатие 4:1. То есть производительность сможет 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. В качестве алгоритма сжатия используется LZJH, разработанных US-based Hughes Network System.

И, наконец, третий протокол V.59 вводит такую услугу, как возможность прерывания передачи данных на время от 0 до 16 минут и ответ входящему вызову.

Введение данных протоколов, тем более что многие фирмы производители модемов поддержали их, позволит пользователям более активно работать с аудио и видео информацией. 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 115200 бит/с тоже вряд ли смогут насладиться высокими скоростями.

Преимущества нового протокола несомненны в сравнении с V.90, который многие считают аналоговым, хотя это не так. 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 кабельной находятся в постоянном развитии, например, переход с аналогового оборудования на цифровое, что приведет в недалеком будущем к значительному повышению скорости и качества передачи данных. А это значит, что следует ожидать протокол 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, повышение скорости одновременной передачи голоса и данных, то есть модернизация протокола V.70.

ФГУП ЦНИИ “Центр”

serge@mail.sbnet.ru

ITU-T - International Telecommunications Union Telephone – Международный союз по электросвязи отдел телефонии

CSP - CompuCom Speed Protocol – CompuCom скоростной протокол

HST - High Speed Technology – Высокоскоростная технология

FDX (Full Duplex Modem) - дуплексный протокол,

HDX (Half Duplex Modem) - полудуплексный протокол,

EC (Echo Canceler) - эхо-подавление,

FDM (Frequency Division Multiplexing) - частотное разделение каналов,

PSTN (public switched telephone networks) - коммутируемая телефонная сеть,

private - выделенные (арендованные) каналы,

FSK (Frequency Shift Keying) - частотная модуляция,

DPSK (Differential Phase Shift Keying) - фазоразностная модуляция,

QAK (Quadrature Amplitude Modulation) - многопозиционная амплитудно-фазовая модуляция или квадратурная амплитудная модуляция,

TCM (Trellis Coded Modulation) - модуляция с решетчатым кодированием или треллис-модуляция,

PCM (Pulse Coder Modulation) - импульсно-кодовая модуляция.

ASL (Adaptive Speed Leveling) - адаптивная коррекция скорости

ADC - Adaptive Data Compression – адаптивная компрессия данных

MNP - Microcom Networking Protocol – Microcom сетевой протокол

ETC - Enhanced Throughput Cellular – усовершенствованный сотовый протокол

UMTS - Universal Mobile Telephone Service – универсальная услуга мобильной связи

MSP - Multi-Tech Supervisory Protocol - Multi-Tech контролирующий протокол

ASVD - Analogue Simultaneous Voice Data – Аналоговая одновременная передача данных и голоса

DSVD - Digital Simultaneous Voice Data – Цифровая одновременная передача данных и голоса

CCITT – Comite Consultatif Internationale de Telegraphie et Telephonie (пер. см. МККТТ)

МККТТ – Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии

Выше представлен первоначальный вариант статьи опубликованной в:

Мухин С.В. История развития протоколов передачи данных//МирПК - М: - 2001. - N5 - с. 78 - 85.

Назад