Как работает модем?

Модемы, как средство коммуникации одного компьютера с другим, на историческом пути своего развития претерпели множество изменений. Прежде всего усовершенствований, не оказавших существенного влияния на саму суть передачи цифровой информации на расстояния. Скорость современного модема поразила бы воображение каждого, кому близка была в те годы высокотехнологическая тематика, еще пару десятилетий тому назад. Но сам базовый принцип работы этих устройств во многом остается прежним. Сегодня мы узнаем, как работает модем, устройство, без которого людям по-прежнему приходилось бы довольствоваться бумажными газетами, радиоприемником и телевизором и даже не мечтать о Глобальной Сети и тех огромных возможностях, которые она принесла в этот мир. И немного о том пути, который проделала скорость передачи данных: от трехсот до сорока миллиардов бит в секунду. И это уже в рамках беспроводной технологии, которая традиционно отстает от кабельной.

«Молчаливые» беспроцессорные терминалы



Слово «модем» является аббревиатурой, образованной от английских слов «модулятор» и «демодулятор». Если максимально упростить суть выполняемых им задач, то можно сказать, что это устройство способно отправлять сигнал и считывать сигнал, направленный ему. Изначально цифровой сигнал направлялся от модема к модему по обычной телефонной линии.

Перед отправкой информации модем модулирует данные в сигнал, совместимый с телефонной линией, а принимающий модем демодулирует полученный им сигнал, то есть вновь преобразует его в цифровые данные. Беспроводной модем-передатчик преобразует цифровые данные в радиосигналы, а модем-приемник вновь возвращает их в изначальную форму. То есть на модемы возлагалась задача по «переводу» информации на «язык», понятный коммуникационным линиям. И, разумеется, «перевод» с этого «языка» тоже входил в круг задач модема.

Модемы начали применяться еще в 1960-х годах. Использовались они для того, чтобы соединить между собой терминалы посредством обычной телефонной линии. Опишем наиболее типичную для тех далеких лет ситуацию, в которой использовался модем.

В филиале компании или магазине располагался «немой» терминал ввода-вывода без собственного процессора. Такие терминалы были весьма распространены в те годы, когда большая ЭВМ считалась весьма дорогим удовольствием. Далеко не каждая компания могла позволить себе собственный компьютер. Поэтому была распространена практика брать напрокат некоторую толику времени большой машины. И некоторые фирмы пользовались такой возможностью. Чтобы воспользоваться отведенным компании машинным временем, ее терминал соединялся с удаленным компьютером при помощи модема. Скорость соединения составляла всего 300 бит в секунду.

«Немые» терминалы представляли собой лишь экран и клавиатуру к удаленному компьютеру. Современные облачные технологии во многом являются возвратом в шестидесятые годы минувшего века. Идея та же самая: выполнение программ возлагается на ресурсы удаленного компьютера. Другое дело, что сегодня на службу этой идее поставлена вся мощь и все достижения высокотехнологической отрасли за минувшие с той сравнительно недавней поры десятилетия.

В те годы были очень распространены терминалы, называвшиеся DEC VT-100. Их можно даже считать своего рода «стандартом» тех далеких дней. До сих пор именно этот тип подобного рода устройств является прототипом для эмуляторов терминала. Рассматриваемый нами VT-100 обладал дисплеем, вмещавшим 25 строк текста; по 80 знаков в каждой строчке. Когда пользователь вводил символ, модем отправлял компьютеру его ASCII-символ. А удаленный компьютер вновь возвращал его терминалу, делая возможным отображение знака на расположенном в офисе дисплее. Ведь «немые» терминалы были лишены даже собственных средств редактирования текста и управления экраном.

В конце 1970-х персональные компьютеры получили некоторое распространение. И тогда появился первый робкий аналог Интернета: электронные доски объявлений; bulletin board systems (BBS). Человек мог сделать сервером такой доски объявлений свой компьютер, оборудованный одним или двумя модемами. А другие люди получали возможность подключиться к этой доске объявлений. Не исключено, что это была первая более или менее исторически значимая попытка обычных пользователей наладить цифровое общение. Впрочем, «рядовой пользователь» тех лет был, чаще всего, очень грамотным инженером. Да и модем стоил совсем не дешево. К примеру, модемы для компьютера IBM Portable PC 5110 стоили 900 и даже 2000 долларов США, в зависимости от возможностей модулятора-демодулятора.

В секунду эти древние модемы, как уже отмечалось выше, могли передавать всего 300 бит в секунду. Современному пользователю, привыкшему к гигантским графическим и звуковым потокам, передаваемым по Сети, она может показаться очень маленькой. Но на самом деле это не совсем так. 300 бит это примерно 30 текстовых символов. Намного больше букв, чем способен прочитать за одну секунду человек. До определенного момента эту скорость просто не имело смысла повышать.

Когда электронные доски объявлений стали использоваться для передачи программ и картинок, эта скорость перестала соответствовать велению времени. И промышленность, как это часто бывает, откликнулась на реальные потребности пользователей. С шестидесятых по конец девяностых годов минувшего века сменились несколько поколений модемов. Начиная с 1980-х годов очередное поколение стало появляться примерно каждые два года, хотя, разумеется, никакого строгого правила не существовало:

300 бит в секунду. С 1960-х по 1983 год
1 тысяча 200 бит в секунду. Обрели популярность в 1984 и 1985 году
2 тысячи 400 бит в секунду
9 тысяч 600 бит в секунду. Впервые появились в конце 1990-го и начале 1991 года
19,2 килобит в секунду
28,8 килобит в секунду
33,6 килобит в секунду
56 килобит в секунду. Стали стандартом де-факто в 1998 году
Но уже в 1999 году начали обретать популярность ADSL-модемы, чья скорость могла теоретически достигать 8 мегабит в секунду

Модем со скоростью 300 бит в секунду


Начнем рассмотрение принципов работы модемов с устройств, чья скорость передачи данных составляла всего 300 бит в секунду. На их примере проще всего объяснить принцип работы модема как такового. В этих модемах для передачи информации по телефонной линии использовался ключ смещения частоты; frequency shift keying (FSK). На этом «языке» определенные звуки соответствовали определенным битам. Эти звуки определенной частоты называли тонами модема.

Модем терминала (обращающийся модем) звонил модему компьютера и просил у него разрешения установить соединение. Если говорить о модеме терминала, то логическому нулю соответствовал 1070-герцовый тон, а логической единице — 1270-герцовый. Модем компьютера (отвечающий модем) передавал 2025-герцовый тон, который соответствовал нулю или 2225-герцовый, соответствующий единице.

Поскольку обращающийся и отвечающий модемы использовали разные частоты тонов, они могли использовать телефонную линию одновременно. Такой режим работы называли дуплексным или одновременно двухсторонним. Модемы, которые не могли одновременно передавать и принимать информацию называли полудуплексными. Но такие несовершенные устройства встречались довольно редко даже в те годы, когда цифровые информационные делали первые робкие шаги.

Итак, соединение установлено, и пользователь вводит на клавиатуре букву «a». Ее десятичный код: 97; бинарный: 01100001. В терминале располагалось специальное устройство по имени UART или универсальный асинхронный приемник-передатчик. Оно разбивало байт на отдельные биты и отправляло их через серийный порт RS-232. К этому порту был подключен модем, который по одному передавал биты удаленному компьютеру по телефонной линии.

Модем со скоростью 56 килобит в секунду


Чтобы привести скорость модемов в соответствие с потребностями пользователей, конструкторам уже не хватало возможностей технологии FSK. Сначала ей на смену пришла PSK, а затем QAM. Не станем вдаваться в детали этих технологий. Отметим только, что они позволяли передавать немыслимые по тем временам объемы информации, выжимая все возможное из 3000-герцовой полосы пропускания обычной телефонной линии, изначально предназначенной для голосовых бесед.

Модем, теоретическая максимальная скорость которого могла достигать 56 килобит в секунду, на самом деле соединялся с удаленным компьютером на скорости примерно 48 килобит в секунду. При условии идеальной телефонной линии. Чем лучше качество линии, тем выше скорость соединения. Чтобы определить достижимую скорость, такие модемы использовали концепцию «постепенной деградации» («gradual degradation»). Модем тестировал линию и отсоединялся. Затем соединялся снова на более низкой скорости. И так до тех пор, пока скорость не приходила в соответствие с реальными возможностями телефонной линии.

ADSL-модемы


Следующим этапом эволюции модемов стали ADSL-устройства этой категории. ADSL является аббревиатурой английских слов «asymmetric digital subscriber line» («асимметричная цифровая линия абонента»). В чем же выражается ее асимметрия? Эти модемы способны передавать данные в одном направлении быстрее, чем во втором. Между домом или офисом и телефонной компанией протягивался специальный медный кабель. Этот кабель давал возможность обмениваться с удаленным компьютером намного большими объемами данных, чем это было возможно с использованием обычной телефонной линии. Напомним, что полоса ее пропускания достигала всего 3000 герц.

Если и дома, и в офисе телефонной компании имелись ADSL-модемы, кабель, протянутый от одного модема к другому, играл роль высокоскоростной информационной магистрали. Между домом и телефонной компанией (то есть в направлении противоположном основному трафику) предельная скорость могла достигать примерно одного миллиона бит в секунду, то есть одного мегабита в секунду. В обратном направлении (от телефонной компании к дому) скорость теоретически могла достигать 8 мегабит в секунду. Но это при идеальных условиях, практически недостижимых в реальном мире. Эта же линия могла использоваться и для телефонных переговоров, а не только для передачи потоков цифровых данных.

По своей сути принцип ADSL-модемов очень прост. Полоса пропускания новой, более емкой телефонной линии, в диапазоне от 24 тысяч герц до 1 миллиона 100 тысяч герц делилась на отрезки по 4 тысячи герц каждый. С каждым таким отрезком ассоциировался виртуальный модем. Всего получалось 249 виртуальных модемов, каждый из которых тестировал свой участок полосы пропускания и старался выжать из него максимум скорости. Таким образом скорость передачи данных ADSL-модема вычисляется как сумма скоростей 249 виртуальных модемов. Если максимально упростить описание этой технологии, то можно сказать, что почти две с половиной сотни традиционных модемов объединены в одной коробке и столько же телефонных линий — в одном кабеле.

От точки к точке. Протокол PPP

Наше повествование выглядело бы неполным и незавершенным, если бы мы не уделили внимание протоколу PPP. В наши дни пользователь уже не связывается непосредственно с компьютером другого пользователя. Модем вашего компьютера обращается к провайдеру услуг Интернета (Internet service provider; ISP). Интернет позволяет нам подключиться к любому серверу в Сети. Благодаря Глобальной Сети и провайдерам, больше нет необходимости посимвольной передачи информации. Ваш модем занимается маршрутизацией TCP/IP-пакетов между вашим компьютером и провайдером.

Стандартной технологией маршрутизации этих пакетов для вашего модема является протокол PPP (Point-to-Point Protocol; протокол «от точки к точке»). Его базовая идея весьма проста: TCP/IP-стек вашего компьютера формирует TCP/IP-дейтаграммы, то есть пакеты данных, содержащие адрес, по которому их следует доставить. Эти пакеты направляются в модем для последующей их передачи. Компьютер провайдера получает каждую дейтаграмму и отправляет ее через Интернет по указанному адресу. Процесс передачи данных от провайдера к вам протекает по аналогичному сценарию.

Да, всего за два десятилетия с тех пор, как компьютеры только начинали становиться друзьями семьи и до конца девяностых годов минувшего века скорость передачи информации возросла в десятки тысяч раз. На сегодняшний день — уже в миллионы! Те полтора десятилетия, которые лежат между двухтысячным годом и современностью, могут стать темой отдельного интересного повествования. Это история, которая создается и пишется на наших глазах.

По материалам computer.howstuffworks.com