Politechnika Warszawska

Transkrypt

1 Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny Laboratorium Teletechniki Skrypt do ćwiczenia LAN3 Dial-Up i modemy.

2 1. Wstęp Największą wadą popularnych sieci LAN opartych na standardzie Ethernet 10/100 BaseT jest ograniczenie długości przewodu łączącego urządzenia sieciowe do ok. 100m. Wadę tę doskonale uzupełnia modem będąc najtańszym, najbardziej dostępnym i rozpowszechnionym rozwiązaniem tego problemu. Połączenie modemowe realizowane przez rozległą sieć telefoniczną, której schemat przedstawiono na rys. 1 dociera niemal wszędzie, jest łatwe do zrealizowania, nie wymaga skomplikowanej konfiguracji, obsługi i posiada względnie niskie koszty niezbędnych urządzeń oraz ich późniejszej eksploatacji. Choć nie pozwala on na osiąganie dużych prędkości przesyłu to nadal pozostaje najpopularniejszym sposobem korzystania z sieci. Jego podstawową wadą jest mała szybkość transmisji, niska niezawodność oraz fakt zajęcia linii telefonicznej podczas połączenia modemowego. Opłata za połączenie jest zależna od czasu jego trwania i wynosi zazwyczaj tyle samo, ile lokalna rozmowa telefoniczna. Największą prędkością, jaką można przy wykorzystaniu tego rodzaju połączenia uzyskać, jest teoretycznie 56 kb/s, ale praktycznie prędkość transmisji rzadko przekracza 40 kb/s. Pomimo swych wad rozwiązanie takie może być stosowane do połączenia z Internetem nie tylko pojedynczych komputerów ale również małych sieci lokalnych (do 3 lub 4 komputerów) przy założeniu, że nie wszystkie komputery będą jednocześnie z połączenia tego korzystać (gdyż znacznie spadnie jego wydajność w przeliczeniu na jeden komputer). Jeśli chodzi o sprzęt to poza komputerem i modemem potrzebny jest jedynie dostęp do sieci telefonicznej (stacjonarnej lub komórkowej). Rys. 1 Schemat połączenia modemowego. 1 - modem wewnętrzny; 2 - modem zewnętrzny; 3 - gniazdko telefoniczne; 4 - linia telefoniczna; 5 - węzły telekomunikacyjne; 6 - połączenie telefoniczne; 7 - sieć telekomunikacyjna; 8 - łącze RS232; 9 serwer dialup; 10 switch; 11 sieć LAN 3

3 2. Transmisja z wykorzystaniem RS-232 Komunikacja pomiędzy modemem i komputerem jest realizowana z wykorzystaniem standardu RS-232. Choć istnieją liczne inne zalecane standardy, bez wątpienia najważniejszym w świecie technologii modemów jest właśnie interfejs RS-232. Istnieje kilka wersji tego interfejsu, a każda z nich jest wyróżniona literą występującą po oznaczeniu RS Najpowszechniejszą implementacją standardu interfejsu RS-232 jest wersja RS-232C. Standard RS wykorzystuje komunikację asynchroniczną, która ma format danych z bitami startu i stopu. Każdy znak jest transmitowany oddzielnie, pomiędzy transmisją poszczególnych znaków wprowadzane jest opóźnienie. Opóźnienie to nazywane jest czasem bezczynności i odpowiada ustawieniu poziomu logicznego wysokiego. Nadajnik przesyła bit startu w celu poinformowania odbiornika, że z ustaloną wcześniej szybkością będzie przesyłany znak. Bitem startu jest 0. Następnie 5,6 lub 7 bitów jest przesyłanych jako 7- bitowy znak ASCII, po nich bit parzystości i na końcu 1; 1,5 albo dwa bity stopu. Nadajnik, jak i odbiornik wymagają ustawienia identycznych parametrów transmisji. RS-232 i jego odpowiedniki zapewniają szeregową transmisję danych przez interfejs. W interfejsie szeregowym bity tworzące dane są wysyłane bit po bicie, synchronicznie lub asynchronicznie. Główną wadą interfejsu RS-232 jest ograniczenie odległości do 15 metrów. Większość producentów modemów zaleca stosowanie kabla RS-232 o długości 4m lub krótszego. Oprócz RS-232 występuje również szereg innych standardów - RS-422, RS-423, RS-449 i RS-530. Nie będą one jednak tutaj szczegółowo opisywane. 2.1 Transmisja asynchroniczna Komunikacja asynchroniczna jest najbardziej rozpowszechnioną formą stosowaną w konwencjonalnych modemach. W takiej komunikacji informacja (znak, litera, liczba, symbol) przesyłane z jednego urządzenia do drugiego jest przedstawiana jako strumień bitów. Każdy strumień bitów jest oddzielony od innych bitem startu i bitem stopu. Dzięki stosowaniu bitu startu i bitu stopu dla każdego transmitowanego znaku, urządzenie wie, kiedy wysyła lub odbiera znak, i nie są potrzebne zewnętrzne sygnały taktujące, które sterowałyby przepływem danych. Jednym z zastrzeżeń wobec komunikacji asynchronicznej jest to, że około 20 do 25 procent przesyłanych danych służy jako informacja sterująca do synchronizowania konwersacji między urządzeniami. 2.2 Transmisja synchroniczna Alternatywą dla komunikacji asynchronicznej jest komunikacja synchroniczna. W komunikacji synchronicznej musi występować sygnał taktujący, sterujący transmisją bloków znaków, zwanych ramkami. W transmisji nie używa się bitów startu i stopu. Znaki synchronizacji służą do rozpoczęcia transmisji oraz sprawdzania jej dokładności. Protokoły wykorzystywane w transmisjach synchronicznych spełniają funkcje nieobecne w protokołach asynchronicznych. Przykładami takich funkcji mogą być: kontrolowanie dokładności wysyłania informacji, formatowanie danych w ramki, dodawanie informacji sterujących. Protokoły synchroniczne są używane w środowiskach cyfrowych. Świat analogowy zwykle wykorzystuje komunikację asynchroniczną. 4

4 3. Pętle abonenckie - zasada działania Pętlą abonencką lub łączem abonenckim nazywane jest analogowe zakończenie linii telefonicznej, będącej końcówką systemu telekomunikacyjnego. Pętla abonencka posiada ściśle określone parametry elektryczne oraz zasadę działania. Od strony abonenta widziana jest jako źródło napięciowe o wartości 66V (najczęściej ok. 54V) i rezystancji wewnętrznej ok. 900Ω. Wszystkie sygnały pojawiające się na linii, tak niosące informację słowną, jak i komunikaty w rodzaju zajętości linii, wybierania numeru itd. są sygnałami prądowymi. W celu przedstawienia zasady działania pętli abonenckiej oraz wprowadzenia terminów przydatnych przy określaniu parametrów elektrycznych łącza zostanie najpierw opisana przykładowa sesja telefoniczna. Jej rozpoczęcie związane jest z podniesieniem słuchawki telefonu co powoduje przepływ prądu w linii, który jest interpretowany przez centralę jako sygnał rozpoczęcia pracy. Wartość prądu jest określona normą i może być różna w różnych krajach. Zwykle prąd ten jest wymuszany przez specjalny rezystor lub układ symulujący rezystancję ok. 200Ω. Sprawa ustalenia właściwej wartości prądu stałego jest bardzo istotna, ponieważ to on jest modulowany prądem przemiennym niosącym informacje lub sygnał głosu i w przypadku jego niewłaściwej wartości może dojść do jego zniekształceń objawiających się mniejszą zrozumiałością mowy lub zerwaniem połączenia przez modemy. Po rozpoczęciu pracy centrala wysyła do abonenta sygnał zgłoszenia mający formę ciągłego prądu przemiennego o częstotliwości 400Hz. Sygnał ten informuje go o możliwości wybrania numeru. I sygnał rozpoczęcia sesji sygnał zgłoszenia centrali przerwa międzyseryjna czas zwarcia i czas przerwy pierwsza cyfra druga cyfra t t z t p Rys. 2 Wykres czasowy prądu w linii przy wybieraniu impulsowym Obecnie znane są dwa rodzaje wybierania: - wybieranie tonowe oraz - wybieranie impulsowe Pierwszy z nich (wybieranie tonowe) polega na przesyłaniu do centrali sumy sygnałów o częstotliwościach określanych mianem wysokich i niskich. W tablicy 1 zaprezentowano przyporządkowanie wybieranym cyfrom i znakom specjalnym odpowiednich par częstotliwości. Tablica 1 Wybieranie tonowe Częstotliwość 1209Hz 1336Hz 1477Hz 1633Hz 697Hz A 770Hz B 852Hz C 941Hz * 0 # D 5

5 (Na przykład wybranie cyfry "1" wiąże się z przesłaniem nałożonych na siebie częstotliwości 697 i 1209Hz) Drugi sposób (wybieranie impulsowe) polega na zwieraniu i rozwieraniu linii. Zwieranie linii następuje zwykle przez wspomniany rezystor wymuszający prąd stały. W tym przypadku wybieranej cyfrze odpowiada liczba przerw w przepływie prądu. Z punktu widzenia centrali telefonicznej istotnymi parametrami tego rodzaju wybierania są czasy wspomnianych zwarć oraz przerw. Ich suma powinna wynosić ok.10ms (±0.5ms), a stosunek czasu przerwy do czasu zwarcia, który zależy od rodzaju centrali, może zawierać się w przedziale (1...4) (zwykle równa się 3). Czas między wybieraniem kolejnych cyfr nie powinien przekraczać ms. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy wykres czasowy prądu w linii przy wybieraniu impulsowym. Po wybraniu numeru centrala wysyła zwrotnie sygnały informujące o stanie realizowanego połączenia. Są to sygnały zmiennoprądowe, przerywane, o częstotliwości 400Hz i ściśle określonych czasach występowania i zaniku. Tablica 2 przedstawia znaczenie i parametry tych sygnałów. Tablica 2 Sygnały wysyłane przez centralę Czas występowania Czas zaniku [ms] [ms] Znaczenie marszrutowanie zajętość zajętość drogi połączeniowej zwrotny sygnał potwierdzający fakt uruchomienia dzwonka u wybieranego abonenta W przypadku zestawienia połączenia u wybieranego abonenta pojawia się sygnał wywołania, który powoduje reakcję dzwonka. Jest to sygnał napięciowy o czasie trwania 1s, czasie przerwy 4s, częstotliwości 25 lub 50Hz i napięciu 65-85V. Fakt podniesienia słuchawki przez wybieranego abonenta powoduje wysłanie do abonenta wywołującego sygnału rozpoczęcia połączenia, którym często jest odwrócenie polaryzacji linii. Po rozpoczęciu połączenia rozpoczyna się zliczanie impulsów taryfikujących rozmowę. Na prośbę abonenta impulsy te mogą być wysyłane na linię w postaci sygnału o częstotliwości 16kHz. I stan nieaktywny wywołanie centrali sygnał zgłoszenia centrali rozmowa wybieranie numeru zestawianie połączenia rozłączenie stan nieaktywny t Rys. 3 Wykres czasowy prądu w linii w czasie rozmowy telefonicznej Po zakończeniu rozmowy abonent wywołujący odkłada słuchawkę powodując przerwę w przepływie prądu polaryzacyjnego. Po czasie 400ms od momentu zmniejszenia wartości 6

6 prądu poniżej 0.5mA centrala rozłącza połączenie. Przebieg prądu w linii telefonicznej w czasie zestawiania, trwania i rozłączenia połączenia przedstawiony został na rys. 3. Jak wspomniano parametry elektryczne sygnałów wstępujących na łączu abonenckim są ściśle określone. Na początku rozdziału podano wymagania odnoszące się do napięć, prądów i rezystancji wprowadzających określony stan polaryzacji linii. Polaryzacja ta ma charakter stałonapięciowy w odróżnieniu od sygnałów niosących informacje, które jak opisano są sinusoidalnie zmienne. Z punktu widzenia centrali telefonicznej, pętla abonencka nie stanowi więc tylko obwodu stałonapięciowego - rezystora, ale posiada również oporność pozorną, tworzącą ze wspomnianą opornością pewną impedancję. Wymogiem określanym przez normy opisujące pętlę abonencką jest, aby była ona równa 600Ω w całym zakresie częstotliwości Hz lub równa impedancji równoważnika linii, złożonego z dwóch rezystorów i jednej pojemności, których wartości nie są jednoznacznie określone, lecz arbitralnie ustalane w poszczególnych krajach. Poza impedancją, znormalizowaniu podlegają także poziomy prądów. Przy ich określaniu stosowana jest miara decybelowa, zgodnie z którą amplitudy wyrażane są za pomocą logarytmu stosunku mocy wytracanej przez nie na impedancji 600Ω do mocy odniesienia wynoszącej 1mW. Dla przykładu poziom sygnału wytracającego moc 1mW na impedancji 600Ω, czyli prąd o amplitudzie 1.29mA wynosi 0dbm. W tablicy 3 przedstawiono znormalizowane poziomy sygnałów wraz z opisem ich przeznaczenia. Tablica 3 Znormalizowane poziomy sygnałów Poziom [dbm] Rodzaj sygnału - 10 marszrutowanie, zajętość, zajętość drogi połączeniowej, zwrotny sygnał potwierdzający fakt uruchomienia dzwonka u wybieranego abonenta - 6 wybieranie tonowe - wysokie częstotliwości - 8 wybieranie tonowe - niskie częstotliwości - 10 głos, transmisja danych 7

7 4. Budowa i działanie modemu Modemy służą do przesyłania danych pomiędzy komputerami za pomocą linii telefonicznych. Aby transmisja poprzez łącza telefoniczne była możliwa, konieczne jest przekształcenie sygnału cyfrowego w analogowy, który musi mieścić się w przedziale częstotliwości przenoszonych przez linię telefoniczną tj. pomiędzy 300 Hz i 3,4 khz. Proces ten nazywamy modulacją. Działanie odwrotne polegające na wychwyceniu w odbieranym sygnale analogowym zakodowanych bitów przesyłanego sygnału cyfrowego nazywamy demodulacją. Modem więc jest to urządzenie, które dzięki procesowi modulacji i demodulacji sygnału umożliwia przesyłanie danych pomiędzy dwoma terminalami oddalonymi od siebie na znaczną odległość. Zadania modemu nie sprowadzają się jednak tylko do samej modulacji i demodulacji. Modem musi jeszcze przyjąć do bufora wejściowego dane przesyłane z komputera, zestawić żądane połączenie (wybrać numer), zdecydować co zrobić gdy numer jest zajęty, wreszcie zadbać o taką prędkość transmisji aby nie występowała nadmierna liczba błędów. Do zadań modemu należy więc m.in. ocena jakości zestawionego połączenia i uzgodnienie z modemem znajdującym się na drugim końcu linii optymalnej prędkości transmisji. Proces ten nazywany jest negocjacją protokołu i realizowany jest zawsze na początku każdego połączenia. 4.1 Budowa modemu Modem jest jednym z bardziej skomplikowanych urządzeń peryferyjnych, którego jednostką centralną jest tzw. Data Pump, czyli specjalizowany układ scalony odpowiadający za modulację i demodulację transmitowanych sygnałów. Układ ten wyposażony jest we własny procesor sygnałowy DSP (ang. Digital Signal Procesor) charakteryzujący się dużą mocą obliczeniową. Pamięć ROM zawarta w układzie Data Pump zawiera procedury obsługi modulacji zgodnych ze standardami ITU-T (CCITT ang. Consultative Committee on International Telegraphy and Telephony) stosowanych w modemach. Interfejsem łączącym modem i linię telefoniczną jest tzw. układ styku, który odpowiedzialny jest za galwaniczne izolowanie modemu od linii telefonicznej oraz jest tym elementem urządzenia, który realizuje dekadowe wybieranie numeru telefonicznego. Przekaźnik jako element składowy układu styku pełni w modemie taką samą rolę jak "widełki" w aparacie telefonicznym. Z uwagi na funkcję układu styku, który jest interfejsem liniowym modemu, musi on spełniać określone wymogi dotyczące współpracy z siecią telekomunikacyjną danego operatora telekomunikacyjnego. Schemat blokowy modemu został przedstawiony na rysunku 4. Rys. 4 Schemat budowy modemu; opracowano wg [1] 8

8 W skład kontrolera modemu wchodzi drugi, pracujący niezależnie procesor, który odpowiedzialny jest za komunikację modemu ze współpracującym komputerem PC, interpretację komend AT Hayes 1 oraz zestawianiem połączenia (ang. call progress). Procedury programu zapisanego w pamięci ROM tego procesora gwarantują rozpoznawanie sygnałów generowanych przez współpracującą z modemem centralę telefoniczną, a więc: sygnału zgłoszenia centrali, sygnału zajętości oraz prądu dzwonienia. Zadaniem kontrolera jest również korekcja, kompresja i dekompresja przesyłanych danych w czasie rzeczywistym, którą można przeprowadzić dzięki wbudowanej pamięci RAM spełniającej rolę bufora wejścia/wyjścia. 4.2 Możliwości modemów Poniżej wyszczególniono funkcje spotykane w modemach. Są to: - automatyczne wybieranie (ang. Auto-dial) numeru odległego modemu (zarówno częstotliwościowe jak i impulsowe), - automatyczne przyjmowanie zgłoszeń (ang. Auto-answer) i nawiązywanie sesji połączeniowej z innym modemem, - rozłączenie połączenia telefonicznego po przesłaniu danych lub po wystąpieniu błędu, - automatyczna negocjacja szybkości połączenia, - konwersja bitów do postaci odpowiedniej dla linii telefonicznej (modulator), - konwersja odebranych sygnałów na bity (demodulator), - niezawodny transfer danych z poprawną sekwencją wymiany. 4.3 Stany modemu Poniżej przedstawiono stany pracy w których może znaleźć się modem. Są to: - stan poleceń (ang. command state) modem interpretuje wszystkie nadchodzące z komputera znaki, wykonując każde zawarte w nich polecenie, - stan połączeń (ang. on-line) wszystkie odbierane znaki modem przekazuje drugiemu modemowi, w tym także polecenia, - stan wybieranie numeru (ang. originate) i automatycznej odpowiedzi (ang. autoanswer) stany pośrednie między stanem poleceń i połączenia. 4.4 Modulacja w modemach Modulacją nazywamy proces nałożenia sygnału niosącego informację na falę nośną. Gdy sygnałem niosącym informacje jest sygnał binarny, wtedy mamy do czynienia z kluczowaniem. Większość modemów pracuje na zasadzie ciągłej emisji sinusoidalnej fali nośnej, której parametry są modyfikowane odpowiednio do wartości przesyłanych danych. Wartość chwilowa każdego z tych parametrów lub ich kombinacji jest uzależniona od wejściowego sygnału cyfrowego. Modyfikacja informacji jednego z trzech parametrów opisujących podstawową i harmoniczne nośnej (A amplitudy, f częstotliwości oraz Θ - fazy sygnału nośnej), umożliwia uzyskanie odpowiednio trzech typów modulacji Modulacja amplitudy AM W transmisjach cyfrowych wartość amplitudy przebiegu nośnej ulega zmianom zgodnie ze stanem cyfrowego sygnału wejściowego. Przełączanie między dwoma poziomami amplitudy w zależności od stanu sygnału cyfrowego (0 lub 1) określa się skrótem ASK, jako kluczowanie amplitudy. Modulacja ASK jest rzadko stosowana do przesyłania danych, gdyż transmitowany sygnał jest podatny na tłumienie, co pogarsza warunki demultipleksacji w modemie odległym po drugiej stronie łącza. Modulacja AM w połączeniu z modulacją fazy 1 Komendy AT zostały opisane w rozdziale 5.2 9

9 jest stosowana w modemach szybkich (powyżej 4,8 kb/s), umożliwiając uzyskanie wysokiej przepływności binarnej dzięki wielowartościowemu kodowaniu sygnału wejściowego Modulacja częstotliwości FM Modulacja częstotliwości fali nośnej za pomocą sygnałów binarnych nosi nazwę kluczowania częstotliwości FSK. W najprostszym przypadku używane są tylko dwie częstotliwości: fl (ang. low) zwykle do przedstawienia stanu logicznej jedynki oraz fh (ang. high) przy interpretacji stanu zera sygnału wejściowego poddawanego modulacji. Przy stosowaniu wyłącznie modulacji FSK można uzyskać jedynie niewielkie szybkości transmisji: 300b/s lub 600 b/s w trybie pracy dupleksowej, a 1,2 kb/s już tylko w pracy naprzemiennej (półdupleks). Praca przy większych szybkościach transmisji nie jest możliwa i wymaga stosowania bardziej wydajnych i złożonych metod modulacji. Sygnały modulowane częstotliwościowo charakteryzują się zadowalającą odpornością, a dewiacja (rozsunięcie) częstotliwości może być zawarta w szerokich granicach w obrębie dostępnego pasma kanału informacyjnego Modulacja fazy PM Modulacja fazy fali nośnej za pomocą sygnałów cyfrowych nosi nazwę modulacji z kluczowaniem fazy PSK i ma kilka wariantowych rozwiązań używanych powszechnie w modemach o średniej szybkości od 1,2 kb/s 4,8 kb/s, a także w połączeniu z innymi rodzajami modulacji. W modulacji PSK stany charakterystyczne nośnej uzyskuje się przez przesunięcie fazy nośnej w zależności od wartości sygnału wejściowego. Podstawową korzyścią w stosunku do FSK jest to, że PSK dopóki wykorzystuje pojedynczą częstotliwość, potrzebuje znacznie mniejsze pasmo. Jest ona dodatkowo mniej czuła na zakłócenia. PSK ma także taką przewagę nad ASK, że informacja nie jest zawarta w amplitudzie nośnej, w związku z czym jest bardziej odporna na zakłócenia. Niezależnie od sposobu podłączenia modemu do komputera PC jest on widziany przez oprogramowanie jako urządzenie podłączone do portu szeregowego komputera. 5. Sterowanie modemem Komputer korzystający z modemu musi mieć możliwość nadzorowania jego pracy i sterowania nim oraz przesyłania danych. Używanych do tego celu jest 10 linii połączeniowych przedstawionych w tabl. 4. Tablica 4. Linie sterujące modemu Linia V.24 Nazwa ang. kier. DB25 DB9 Opis FG Frame Ground do 1 - Masa elektryczna TD 103 Transit Data DCE 2 3 Dane z komputera RD 104 Recive Data DTE 3 2 Dane z modemu do komputera RTS 105 Ready To Send DCE 4 7 Sprzętowe sterowanie przepływem danych CTS 106 Clear To Send DTE 6 6 Sprzętowe sterowanie przepływem danych DSR 107 Data Set Ready DTE 5 8 DCE pracuje i jest w trybie on-line SG 102 Signal Ground 7 5 Masa sygnałowa CD 109 Carier Detect DTE 8 1 Wykrycie nośnej-modemy nawiązały połączenie DTR 108 Data Terminal Ready DCE 20 4 DTE włączony i jest w trybie danych RI 125 Ring Indicator DTE 22 9 Sygnał dzwonka 10

10 Sterowanie przebiegiem transmisji odbywa się za pomocą potwierdzeń. Komputer musi zostać poinformowany o dostępności modemu, natomiast modem, który zrealizował połączenie musi przekazać komputerowi, że nawiązał połączenie z innym systemem komputerowym. Sposób nawiązywania połączenia komputera A z komputerem B (z wykorzystaniem modemu) przebiega w następujący sposób: 1. Komputer A sprawdza czy linia DSR (ang. Data Set Ready) jest aktywna (to znaczy, czy modem jest włączony i gotowy do pracy). Jeżeli nie - błąd, nie można kontynuować połączenia. 2. Komputer A ustawia linię RTS (ang. Ready To Send) sygnalizując modemowi, że chce rozpocząć komunikację. 3. Komputer wydaje polecenie wybrania numeru. 4. Modem A,,podnosi słuchawkę'' i sprawdza czy jest sygnał centrali; jeżeli jest - wybiera numer. 5. W przypadku gdy nie ma odpowiedzi w zadanym czasie - modem sygnalizuje to komputerowi jako błąd, procedura musi rozpocząć się od nowa. 6. Jeżeli modem B odpowie - rozpoczyna się procedura nawiązania połączenia i ustalenia parametrów transmisji. Jeżeli nie powiedzie się ona w zadanym czasie - błąd. 7. Gdy modemy ustalą szczegóły protokołu przesyłania informacji - A ustawia linię CD (ang. Carier Detect) informując komputer o nawiązaniu połączenia. Rozpoczyna się przesyłanie danych. 8. Jeżeli komputer wyłączy linię DTR (ang. Data Terminl Ready) jest to sygnałem dla modemu do przerwania połączenia (,,odłożenia słuchawki''). Gdy modem A przestanie słyszeć nośną z modemu B - wyłącza linię CD informując komputer A o przerwaniu połączenia. 5.1 Sterowanie szybkością przepływu danych Jeśli szybkość transmisji między komputerem a modemem jest inna niż między obydwoma modemami, jedno z tych urządzeń nie nadąża z odbiorem wszystkich otrzymanych znaków; istnieją dwa sposoby przeciwdziałania przepełnieniu buforów odbiorczych i ochrony danych: - programowe (XON/XOFF; cross on sygnał początku transmisji danych, cross off sygnał przerwania transmisji danych ) gdy bufor zostaje wypełniony w określonym stopniu, urządzenie odbierające dane wysyła znak XOFF przez co przerywa transmisję do czasu wysłania przez urządzenie odbierające znaku XON, informującego urządzenie nadające, że może ono przystąpić do wysyłania kolejnych danych - sprzętowe (znacznie wydajniejsze, bardziej niezawodne) komunikacja między obydwoma urządzeniami odbywa się poprzez korzystanie z dwóch linii sterujących: - RTS (ang. Ready To Send) ustawiana przez komputer - zeruje ją wówczas, gdy nie jest w stanie przyjmować kolejnych danych, ustawia ją w stan jedynki logicznej, gdy wznowienie transmisji jest możliwe - CTS (ang. Clear To Send) wykorzystywana w analogiczny sposób przez modem, sygnalizuje komputerowi gotowość lub brak gotowości do odbierania danych. 11

11 5.2 Komendy sterujące modemem Większość modemów jest kompatybilna z modemami Hayesa. Hayes to firma, która była pionierem budowy modemów i zdefiniowała standardową metodę programowania trybów pracy modemów z wykorzystaniem komend AT - polecenia zestawu,,hayes AT rozpoczynają się od sekwencji znaków AT (od angielskiego słowa attention - uwaga). Przykładowe komendy AT zawarte zostały w tablicy 5. Możliwe jest sterowanie modemem, lub zmiana jego parametrów konfiguracyjnych za pomocą przesłania komendy AT. Każde polecenie musi być zakończone naciśnięciem klawisza Enter. Można grupować kompletne polecenia po kilka w jednym wierszu, ale niektóre, tańsze modemy mają bardzo niewielki bufor w którym zapisują polecenie przed analizą. Po każdym poleceniu (lub ich ciągu) modem udziela odpowiedzi informującej o tym czy jego wykonanie zakończyło się poprawnie. Odpowiedź ma postać OK w przypadku poprawnego wykonania albo ERROR w przypadku błędu. Tablica 5 Wybrane komendy AT Komenda ATDT12345 ATPT12345 ATS0=2 ATH Opis wybór numeru telefonicznego z wykorzystaniem sygnalizacji impulsowej; przecinek (,) wewnątrz numeru telefonicznego reprezentuje pauzę, (W) oczekiwanie na następny sygnał z centrali, (@) oczekiwanie 5 sekund wybór numeru telefonicznego z wykorzystaniem sygnalizacji częstotliwościowej automatyczne podniesienie słuchawki ; rejestr S0 zawiera liczbę sygnałów wywołania (ring), po których nastąpi podniesienie słuchawki ; w tym przypadku po dwóch sygnałach wywołania słuchawka zostanie podniesiona ; jeśli S0 jest zerem, to modem nie będzie odbierać wywołań rozłączenie połączenia odłożenie słuchawki przejście do przyjmowania i interpretacji linii komend (w czasie realizacji połączenia) ATA ATE0 ręczne wymuszenie podniesienia słuchawki (nieautomatyczne) komendy nie będą zwrotnie przesyłane do komputera (echo), ATE1 - komendy po odebraniu przez modem są zwrotnie przesyłane do komputera ATL0 niski poziom głośności wbudowanego głośnika modemu; ATL1 - średni poziom, ATL2 - wysoki poziom ATM0 wyłączony głośnik wewnętrzny modemu; ATM1 głośnik wewnętrzny włączony do momentu wykrycia sygnału nośnej, ATM2 głośnik wewnętrzny zawsze włączony, ATM3 głośnik włączony do momentu wykrycia sygnału nośnej i w czasie wybierania numeru ATQ0 modem przesyła odpowiedzi, ATQ1 - modem nie przesyła odpowiedzi ATV0 modem przesyła odpowiedzi w postaci numerycznej, ATV1 przesyłanie odpowiedzi w postaci słów Czasami zamiast odpowiedzi słownych modem udziela ich w postaci liczbowej ( 0 dla OK. lub 1 w przypadku błędu). Czasami odpowiedź jest nieco bardziej komunikatywna: 12

12 CONNECT, NO DIALTONE, BUSY, NO CARIER. Przykładowe odpowiedzi modemu zawarte są w tabl.6. Początkowo, modem jest w trybie przyjmowania komend z komputera. Komendy przesyłane są albo z szybkością 300 b/s albo 1,2 kb/s (modem automatycznie wykrywa, która z szybkości jest aktualnie wykorzystywana). Po każdej komendzie występuje znak powrotu karetki (znak ASCII o kodzie dziesiętnym 13). Komenda, która nie zostanie zakończona znakiem powrotu karetki jest ignorowana (po upływie wyznaczonego czasu). Komendy mogą być przesyłane zarówno w postaci małych jak i dużych liter. Tablica 6 Przykładowe odpowiedzi modemu oraz ich opis Wiadomość Liczba Opis OK 0 komenda wykonana, linia komend bez błędów CONNECT 1 połączenie zestawione RING 2 wykryto wywołanie w linii abonenckiej NO CARRIER 3 nie wykryto sygnału fali nośnej ERROR 4 niepoprawna komenda CONNECT połączenie zestawione z prędkością 1,2 kb/s NO DIALTONE 6 BUSY 7 numer wywoływany zajęty brak sygnału zgłoszenia z centrali telefonicznej obsługującej macierzysty modem NO ANSWER 8 brak odpowiedzi od numeru wywoływanego ( niepodniesiona słuchawka ) CONNECT połączenie w łączu telefonicznym z prędkością 600 b/s (V.23) CONNECT 1200/75 48 połączenie w łączu telefonicznym z prędkością 1,2 kb/s; w kanale powrotnym 75 b/s (V.23) CONNECT połączenie w łączu telefonicznym z prędkością 2,4 kb/s (V.26 bis) CONNECT połączenie w łączu telefonicznym z prędkością 4,8 kb/s (V.32) CONNECT połączenie w łączu telefonicznym z prędkością 9,6 kb/s (V.32) CONNECT połączenie w łączu telefonicznym z prędkością 14,4 kb/s (V.32 bis) CONNECT połączenie w łączu telefonicznym z prędkością 19,2 kb/s (V.34) CONNECT połączenie w łączu telefonicznym z prędkością 28,8 kb/s (V.34) CONNECT CONNECT połączenie w łączu telefonicznym z prędkością 33,6 kb/s (V.34+) połączenie w łączu telefonicznym z prędkością 57,6 kb/s (V.90) Jeżeli nawiązano połączenie modem zwraca odpowiedź o połączeniu, np. CONNECT 9600 (13). Od tego momentu dane mogą być transmitowane pomiędzy modemami z przypisaną szybkością (w tym przypadku 9,6 kb/s). Gdy komputer chce rozłączyć połączenie, przełącza modem do trybu nasłuchu komend, przesyłając do modemu trzy razy co pewien czas znak plus (+ + +). Następnie modem przechodzi do stanu oczekiwania na komendę z komputera. W tym przypadku jest to komenda rozłączenia połączenia (ATH). Następnie, w przypadku poprawnego rozłączenia połączenia, modem odsyła do komputera odpowiedź OK. 13

13 6. Protokoły transmisji danych Przekazywanie plików danych, poprzez modem, z jednego komputera na drugi, jest jednym z najbardziej częstych i popularnych zadań. Przekazywane dane weryfikuje protokół, będący zbiorem zasad, według których komputery, nadawczy i odbiorczy, zgadzają się wymieniać dane, wykrywać i poprawiać błędy transmisji, uruchamiać i zatrzymywać transmisję itd. 6.1 Protokół PPP Protokół PPP (ang. Point to Point Protocol) to standardowy protokół typu punkt-punkt warstwy sieciowej Internetu, gwarantujący niezawodną transmisję w komutowanych lub stałych łączach szeregowych bez ograniczania szybkości, jeden z dwóch datagramowych protokołów IP (SLIP, PPP). PPP może obsługiwać zarówno bitowo zorientowaną transmisję synchroniczną, jak też zorientowaną bajtowo asynchroniczną transmisję danych. Za pomocą protokołu PPP możliwe są przekazy datagramowe zarówno przez sieć IP, jak też transmisje innych protokołów. Istotną cechą w protokole PPP jest wykorzystywanie informacji adresowych w datagramach IP z możliwością obsługi stacji zdalnych (przenośnych), włączających się do sieci w dowolnych punktach infrastruktury. Tablica 7 Protokoły używane w PPP Warstwa modelu ISO/OSI Nazwa i przykład protokołu 3 Warstwa Sieci Protokół warstwy sieciowej (np. IP, IPX, Apple Talk) 2 Warstwa Łącza Danych NCP - protokół sterowania siecią (np. IPCP, IPXCP) LCP - protokół sterowania łączem HDLC - protokół wysoko-poziomowego sterowania łączem danych 1 Warstwa Fizyczna Protokoły warstwy fizycznej (np. RS232, V.34, ISDN ) W warstwie fizycznej protokół PPP współpracuje z urządzeniami DTE i DCE, określonymi przez specyfikacje interfejsowe toru: niesymetrycznego EIA/TIA 232C (RS- 232C), różnicowego EIA/TIA 422 (RS-422) i zmodyfikowanego symetrycznego EIA/TIA 423 (RS-423) dla synchronicznych i asynchronicznych łączy dupleksowych (dedykowanych i komutowanych). W warstwie łącza danych protokół PPP korzysta z zasad terminologii i struktury ramek wspólnych z procedurami definiowanymi przez ISO dla protokołu HDLC (ang. High Data Link Control) według specyfikacji ISO , z późniejszą modyfikacją 1984/PDAD1 dotyczącą działania w środowisku asynchronicznym. Procedury kontrolne określające zawartość pól sterujących ramek protokołu PPP zdefiniowano w specyfikacji ISO , również z późniejszą modyfikacją 1979/Addendum1. Podstawowe funkcje protokołu PPP są realizowane w warstwie łącza danych za pomocą protokołu LCP, który stanowi zasadniczą część protokołu PPP. Protokół LCP ustanawia i utrzymuje połączenie dwupunktowe między dwiema stacjami, specyfikuje metody kapsułkowania i wymiarowania pakietów oraz zapewnia kontrolę prawidłowego funkcjonowania łącza. Wyróżnia się cztery fazy protokołu LCP: 1. Konfigurowanie łącza - przed wymianą jakichkolwiek pakietów danych (np. datagramów IP) protokół LCP wysyła pakiety sterujące w celu określenia rozmiaru pakietów, znaków kontrolnych i protokołów weryfikacji (identyfikator użytkownika i hasło), a system odbiorczy, wysyłając inne pakiety sterujące LCP, potwierdza lub odrzuca proponowane warunki współpracy. 2. Utrzymanie łącza - zapewnia obsługę błędów i utrzymanie łącza na odpowiednim poziomie jakości przekazu. Pakiety z uszkodzoną lub nieznaną informacją podlegają zwrotowi z określeniem rodzaju uszkodzenia. Faza ta jest implementowana opcjonalnie. 14

14 3. Negocjowanie sieciowe - negocjowanie parametrów konfiguracyjnych z protokołami warstwy sieciowej przez odpowiednie protokoły NCP. Przy likwidacji łącza przez LCP pakiety protokołu NCP informują warstwę sieciową (protokoły warstwy sieciowej) o nowej sytuacji w łączu. 4. Zakończenie połączenia - końcowa faza protokołu LCP zapewniająca normalne zakończenie połączenia lub likwidację łącza z przyczyn technicznych. W każdej fazie protokołu LCP są potrzebne trzy typy ramek niezbędne do skompletowania i przeprowadzenia połączenia: ustawienia, zakończenia i zarządzania łączem (sterowanie i diagnoza). Zaraz po nawiązaniu połączenia przez LCP, następuje opcjonalna faza sprawdzenia tożsamości użytkownika. Istnieje możliwość wykorzystania co najmniej dwóch protokołów: PAP i CHAP. Każda implementacja PPP powinna najpierw żądać sprawdzenia użytkownika według bardziej zaawansowanego protokołu CHAP, a dopiero następnie, jeśli druga strona nie zna tego protokołu, próbować wykorzystać prostszy PAP. Protokół PAP (ang. Password Authentication Protocol, RFC 1332) używa jawnie przesłanej (w kodach ASCII) nazwy użytkownika i hasła. Jedna strona wysyła te dane, a druga sprawdza, czy dany użytkownik podał dobre hasło i następnie rozłącza połączenie w przypadku błędnych danych lub odsyła potwierdzenie, że identyfikacja przebiegła pomyślnie. To rozwiązanie jest nieodporne na próby podsłuchania - każdy może zobaczyć, jakie jest hasło. Protokół CHAP (ang. Challenge-Handshake Authentication Protocol, RFC1332) jest bardziej rozbudowany - wykorzystuje on szyfrowanie MD5. Zaraz po nawiązaniu połączenia LCP, klient wysyła zapytanie w postaci pewnej liczby do serwera. Serwer przekształca przysłaną mu liczbę przy pomocy tajnego klucza - innej liczby i zwraca wynik przekształcenia do klienta. Klient sam także dokonuje przekształcenia i porównuje własny wynik z tym, co przesłał mu serwer. Jeśli wartości się zgadzają, to klient wysyła potwierdzenie pozytywnego sprawdzenia tożsamości, zaś w przeciwnym wypadku rozłącza połączenie. Powyższa sekwencja jest także inicjowana przez serwer, może być także przeprowadzana już w trakcie normalnej pracy protokołu PPP - np. dla sprawdzenia, czy druga strona nie została podmieniona. Zastosowanie losowych zapytań utrudnia próby nieautoryzowanego dostępu. Po zainicjowaniu połączenia wymieniane są pakiety NCP (ang. Network Control Protocols) warstwy sieciowej ustalające typ protokołu, następnie rozpoczyna się właściwa wymiana datagramów. Protokół PPP hermetyzuje pakiety protokołów wysokiego poziomu i przesyła je poprzez łącze w ramkach. Na rysunku 5 przedstawiono format ramki PPP. Składa się ona z następujących pól: Pola o nazwie Flaga wskazują położenie początku i końca ramki, jej wartość to 0x7E. W polu Adres zawsze przenoszona jest wartość 0xFF. Pole Kontrola określa sposób sterowania; dla usług bezpołączeniowych jest to LLC. Pole Protokół identyfikuje protokół zawarty w ramce (dla protokołu IP wartość w tym polu to 0x0021, wartość 0xC021 oznacza, że w polu informacji znajdują się dane kontrolne łącza. Jeśli pole protokołu ma wartość 0x8021, to przesyłanymi danymi są dane kontroli sieci). Pole Dane zawiera dane. Długość tego bloku może być zmienna. W polu FCS zawarta jest suma kontrolna ramki wykorzystywana do wykrywania przekłamań transmisji zmienny 2 1 Flaga Adres Kontrola Typ protokołu Dane FCS Flaga 15

15 Rys. 5 Ramka danych protokołu PPP Rozmiar maksymalnego pakietu MTU (ang. Maximal Transmision Unit) jaki obie strony zgadzają się wymieniać. Dla łączy punkt-punkt wynosi 296 bajtów (dla porównania FDDI- 4352, Ethernet-1500). Tak mała wartość nie wynika z fizycznego ograniczenia medium lecz jest określona tak, by gwarantowała odpowiedni dla aplikacji interaktywnych czas odpowiedzi. 7. Technologia Dial-Up Dial-Up to tzw. dostęp "wdzwaniany" do sieci oparty na modelu klient-serwer i umożliwiający utworzenie połączenia punkt-punkt. W celu korzystania z zasobów sieci komputer-klient musi być wyposażony w modem (zewnętrzny lub wewnętrzny), który w tradycyjny sposób wybiera numer dostępowy drugiego modemu podłączonego do komputera-serwera (operatora), identyfikuje użytkownika poprzez login i hasło, a następnie włącza się do zasobów sieci (komutacja łączy). Dostęp Dial-Up występuje zarówno w telefonii stacjonarnej (linie analogowe i cyfrowe ISDN), jak i komórkowej. Dial-Up Networking jest jednym z komponentów systemu Windows umożliwiający łatwe łączenie się z siecią komputerową (Internetem) za pośrednictwem modemu Konfiguracja połączenia Dial-Up Konfiguracja połączenia typu Dial-Up jest procesem złożonym z czterech elementów: instalacji i konfiguracji niezbędnych urządzeń w tym urządzeń wirtualnych, konfiguracji modemów, serwera Dial-Up oraz klienta Dial-Up Instalacja karty Dial-Up Pierwszym etapem konfigurowania połączenia będzie sprawdzenie, czy w systemie mamy zainstalowaną wirtualną kartę sieciową Dial-Up Networking. Aby tego dokonać, otwieramy folder "Mój komputer", gdzie wymieniona karta powinna się znajdować. Jeżeli jest, to możemy od razu przejść do akapitu "Tworzenie nowego połączenia", gdy jej tam nie znajdziemy należy ją doinstalować. Po jej wybraniu zobaczymy listę składników systemu. Wybieramy pozycję "Komunikacja" i naciskamy przycisk "Szczegóły". Spowoduje to otworzenie kolejnego okna "Komunikacja", zawierającego m.in. poszukiwany przez nas element "Dial-Up Networking". Zaznaczamy go i zatwierdzamy wszystko klikając dwukrotnie przycisk OK. Wybrany składnik zostanie skopiowany z krążka i zainstalowany w systemie. Następnym krokiem jest zainstalowanie sterownika karty Dial-Up. W "Panelu sterowania" uruchamiamy ikonę "Sieć", a następnie klikamy na przycisk "Dodaj" znajdujący się w zakładce "Konfiguracja". Wybieramy pozycję "Karta", następnie "Dodaj". Z listy producentów wybieramy "Microsoft", a w sąsiadującym okienku "Karta Dial-Up". Wybór zatwierdzamy klikająca przycisk OK. Teraz należy dodać obsługę protokołu TCP/IP. Postępujemy podobnie jak w przypadku karty "Dial-Up". W "Panelu sterowania" uruchamiamy ikonę "Sieć", przycisk "Dodaj". Wybieramy "Protokół" i przycisk "Dodaj". Z listy producentów wybieramy "Microsoft" oraz protokół "TCP/IP" i zatwierdzamy klawiszem OK Konfiguracja modemu Pierwszym etapem zestawienia połączenia Dial-Up jest konfiguracja modemu. Należy ustawić modem tak aby mógł odbierać połączenia. Wykonuje się to po przestawieniu modemu w tryb przyjmowania poleceń za pomocą odpowiednich komend AT. 16

16 7.4. Konfiguracja Serwera Dial-Up Komputer-serwer musi posiadać zainstalowane specjalne oprogramowanie zwane serwerem zdalnego dostępu (ang. Remote Access Server), które po zestawieniu przez modemy połączenia zweryfikuje nazwę użytkownika i jego hasło dostępu, a następnie obsługując protokoły warstw wyższych umożliwi korzystanie z zasobów sieci. W systemie Windows 98 rolę tę pełni Serwer Dial-Up. Konfigurację Serwera Dial-Up rozpoczyna się od sprawdzenia czy jest on zainstalowany w systemie Windows 98. W tym celu kliknąć na ikonie Mój komputer i sprawdzić czy w otwartym oknie znajduje się folder Dinal-Up Networking. Jego obecność świadczy o poprawnie zainstalowanej karcie dial-up. Na pasku opcji otwartego folderu Dial-Up Networking kliknąć Połączenia i z menu wybrać Serwer Dial-Up co spowoduje otwarcie okna, w którym istnieje możliwość włączenia i konfiguracji serwera. W zakładce Modem standardowy zaznaczyć opcję Dozwolony dostęp dla wywołującego oraz kliknąć przycisk Zmień hasło aby zabezpieczyć serwer przed nieautoryzowanym dostępem. Po potwierdzeniu zmian konfiguracja serwera zdalnego dostępu zostaje zakończona Konfiguracja klienta Dial-Up Konfigurację komputera-klienta rozpoczyna się od utworzenia nowego połączenia. W tym celu należy wybrać z menu: START/Programy/Akcesoria/Komunikacja/Dial-Up Networking. Następnie trzeba kliknąć na ikonie Utwórz nowe połączenie co spowoduje otwarcie kreatora który pomoże poprawnie skonfigurować połączenie. W pierwszym oknie kreator poprosi o wpisanie nazwy nowego połączenia. Po przejściu do następnego okna należy wypełnić pole Numer telefonu i Numer kierunkowy podając numer telefoniczny do modemu komputera na którym zainstalowano serwer zdalnego dostępu. W folderze Dial-Up Networking pojawi się ikona symbolizująca utworzone połączenie. Konfiguracja klienta zostaje zakończona Połączenie Dial-Up Realizację połączenia Dial-Up rozpoczynamy od kliknięcia ikony utworzonego połączenia. Spowoduje to otworzenie okna Połącz z.. gdzie znajduje się pole, w którym należy wpisać hasło dostępu po czym należy kliknąć przycisk Połącz. Jeśli utworzone połączenie Dial-Up zostało poprawnie skonfigurowane modemy zestawią połączenie, natomiast serwer zdalnego dostępu zweryfikuje nazwę użytkownika i hasło oraz zezwoli na zalogowanie do sieci. Po tej operacji zostaje utworzone połączenie przez które przechodzą pakiety IP. 17

17 Spis treści: 1. Wstęp Transmisja z wykorzystaniem RS Transmisja asynchroniczna Transmisja synchroniczna Pętle abonenckie - zasada działania Budowa i działanie modemu Budowa modemu Możliwości modemów Stany modemu Modulacja w modemach Sterowanie modemem Sterowanie szybkością przepływu danych Komendy sterujące modemem Protokoły transmisji danych Protokół PPP Technologia Dial-Up Konfiguracja połączenia Dial-Up Instalacja karty Dial-Up Konfiguracja modemu Konfiguracja Serwera Dial-Up Konfiguracja klienta Dial-Up Połączenie Dial-Up Spis rysunków: Rys. 1 Schemat połączenia modemowego... 3 Rys. 2 Wykres czasowy prądu w linii przy wybieraniu impulsowym... 5 Rys. 3 Wykres czasowy prądu w linii w czasie rozmowy telefonicznej... 6 Rys. 4 Schemat budowy modemu; opracowano wg [1]... 8 Rys. 5 Ramka danych protokołu PPP Spis tablic: Tablica 1 Wybieranie tonowe... 5 Tablica 2 Sygnały wysyłane przez centralę... 6 Tablica 3 Znormalizowane poziomy sygnałów... 7 Tablica 4 Linie sterujące modemu Tablica 5 Wybrane komendy AT Tablica 6 Przykładowe odpowiedzi modemu oraz ich opis Tablica 7 Protokoły używane w PPP