Σαχπατζίδης Αβραάμ Καθηγητής Πληροφορικής Π.Ε 20 Master of Arts (M.A) in "Gender, New Forms of Education, New Forms of Employment and New Technologies in the Information Age". Πώς Δουλεύουν τα Modems Τι Είναι τα Modems
Αν διαβάζετε αυτό το άρθρο μέσω ενός υπολογιστή, τότε το πιο πιθανό είναι ότι έχει φθάσει σε σας μέσω ενός modem. Θα δούμε πώς ένα modem φέρνει τις ιστοσελίδες (Web pages) στον υπολογιστή μας, θα ξεκινήσουμε με τα πρώτα modems των 300 baud και θα φθάσουμε μέχρι και τις συνδέσεις ADSL. Η λέξη modem αποτελεί μια συνένωση των λέξεων modulator-demodulator. Ένα modem χρησιμοποιείται για να στέλνει ψηφιακά δεδομένα μέσω μιας τηλεφωνικής γραμμής και να βοηθάει έτσι στην επικοινωνία μεταξύ δύο υπολογιστών. Το modem που κάνει την αποστολή διαμορφώνει (modulates) τα ψηφιακά δεδομένα του υπολογιστή σ ένα σήμα (signal) που είναι συμβατό με την τηλεφωνική γραμμή, δηλ. αναλογικό, και το modem που κάνει τη λήψη αποδιαμορφώνει (demodulates) το αναλογικό αυτό σήμα πίσω στη μορφή των ψηφιακών δεδομένων, που μπορεί να καταλάβει ο υπολογιστής. Τα ασύρματα (wireless modems) μετατρέπουν τα ψηφιακά δεδομένα σε ραδιοσήματα (radio signals) και το αντίθετο. Τα modems εμφανίσθηκαν τη δεκαετία του 1950 ως ένα μέσο που επέτρεπε στα τερματικά (terminals) να συνδέονται με τους υπολογιστές μέσω των τηλεφωνικών γραμμών. Σε μια παλιά διάταξη modem, ένα κουτό τερματικό (dumb terminal) σ ένα γραφείο μπορεί να τηλεφωνήσει (καλέσει) σ έναν μεγάλο, κεντρικό υπολογιστή. Η δεκαετία του 1960 ήταν η εποχή των υπολογιστών καταμερισμού χρόνου (time-shared computers) και έτσι μια επιχείρηση πλήρωνε (νοίκιαζε) συνήθως χρόνο σ έναν μεγάλο υπολογιστή και συνδεόταν σ αυτόν μέσω ενός modem με ταχύτητα 300 bps (bits per second). Ένα κουτό τερματικό είναι απλά ένα πληκτρολόγιο και μια οθόνη. Ένα πολύ κοινό κουτό τερματικό εκείνη την εποχή ήταν το DEC VT-100, το οποίο μπορούσε να εμφανίσει 25 γραμμές των 80 χαρακτήρων η καθεμία. Όταν ο χρήστης έγραφε έναν χαρακτήρα στο τερματικό, το modem έστελνε στον υπολογιστή τον ASCII κώδικα του χαρακτήρα αυτού. Ο υπολογιστής έστελνε μετά τον χαρακτήρα πίσω στο τερματικό ώστε να εμφανισθεί στην οθόνη. Όταν οι προσωπικοί υπολογιστές (PCs, Personal Computers) άρχιζαν να εμφανίζονται στα τέλη της δεκαετίας του 1970, τα BBS (Bulletin Board Systems) έγιναν η νέα τρέλα της εποχής. Ο καθένας μπορούσε να στήσει έναν υπολογιστή μ ένα modem και κάποιο λογισμικό για το BBS και κάποιοι άλλοι θα μπορούσαν να κάνουν κλήση (dial in) για να συνδεθούν με το bulletin board. Οι χρήστες μπορούσαν να έχουν εξομοιωτές τερματικών (terminal emulators) στους υπολογιστές τους για να εξομοιώσουν ένα κουτό τερματικό.
Η ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων ήταν τότε γύρω στα 300 bps για ένα διάστημα. Ο λόγος που αυτή η ταχύτητα ήταν ανεκτή ήταν ότι τα 300 bps αντιστοιχούσαν σε περίπου 30 χαρακτήρες το δευτερόλεπτο, δηλ. πολύ περισσότεροι χαρακτήρες το δευτερόλεπτο απ ό,τι μπορεί να γράψει ή να διαβάσει ένας άνθρωπος. Από τη στιγμή που οι χρήστες ξεκίνησαν να μεταδίδουν μεγάλα προγράμματα και εικόνες προς και από τα bulletin board systems, τα 300 bps άρχισαν να γίνονται μια μη ανεκτή ταχύτητα. Οι ταχύτητες των modems ακολούθησαν μια ανοδική πορεία : 300 bps Από τη δεκαετία του 1960 έως το 1983 1200 bps Έγινε δημοφιλής το 1984 και το 1985 2400 bp 9600 bps Εμφανίσθηκε στα τέλη του 1990 και τις αρχές του 1991 19,2 kilobits per second (Kbps) 28,8 Kbps 33,6 Kbps 56 Kbps Έγινε το στάνταρτ το 1998 ADSL, με θεωρητική ταχύτητα έως και 8 megabits per second (Mbps) Έγινε δημοφιλής το 1999
Τα Modems των 300 bps Θα χρησιμοποιήσουμε τα modems των 300 bps σαν το σημείο εκκίνησης καθώς είναι πολύ πιο εύκολο να κατανοήσουμε τον τρόπο λειτουργίας τους. Ένα modem των 300 bps είναι ένα μηχάνημα που χρησιμοποιεί την τεχνολογία FSK (Frequency Shift Keying) για να μεταδώσει ψηφιακές πληροφορίες μέσω μιας τηλεφωνικής γραμμής. Στην τεχνολογία αυτή, ένας διαφορετικός τόνος (συχνότητα) χρησιμοποιείται για τα διαφορετικά bits. Όταν το modem ενός τερματικού καλεί το modem ενός υπολογιστή, το modem του τερματικού αποκαλείται το originate modem (modem εκκίνησης). Εκπέμπει έναν τόνο των 1.070 Hertz για το δυαδικό ψηφίο 0 και έναν τόνο των 1.270 Hertz για το δυαδικό ψηφίο 1. Το modem του υπολογιστή αποκαλείται το answer modem (modem απάντησης) και εκπέμπει έναν τόνο των 2.025 Hertz για το δυαδικό ψηφίο 0 και έναν τόνο των 2.225 Hertz για το δυαδικό ψηφίο 1. Επειδή τα δύο αυτά modems (originate και answer) εκπέμπουν σε διαφορετικούς τόνους, μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη γραμμή ταυτόχρονα. Αυτή η λειτουργία είναι γνωστή ως full-duplex, ενώ τα modems που μπορούν να εκπέμψουν μόνο προς μία κατεύθυνση κάθε φορά είναι γνωστά ως half-duplex modems και είναι πιο σπάνια. Ας υποθέσουμε ότι δύο modems των 300 bps είναι συνδεδεμένα και ότι ο χρήστης που βρίσκεται στο τερματικό καταχωρεί το γράμμα "a". Ο ASCII κώδικας γι αυτό το γράμμα είναι ο 97 στο δεκαδικό σύστημα ή ο 01100001 στο δυαδικό. Ένα μηχάνημα μέσα στο τερματικό που αποκαλείται UART (universal asynchronous receiver/transmitter) μετατρέπει το byte στα αντίστοιχα bits και τα στέλνει ένα κάθε φορά μέσα από τη θύρα (port) RS-232 του τερματικού, που είναι γνωστή και ως η σειριακή θύρα (serial port). Το modem του τερματικού είναι συνδεδεμένο στη θύρα RS-232 και έτσι λαμβάνει τα bits κατά ένα κάθε φορά, ενώ η δουλειά του είναι να τα στέλνει μέσω της τηλεφωνικής γραμμής.
Τα Ταχύτερα Modems Για να μπορέσουν να δημιουργήσουν ταχύτερα modems, οι σχεδιαστές έπρεπε να χρησιμοποιήσουν τεχνολογίες πολύ περισσότερο πολύπλοκες από την FSK (Frequency-Shift Keying). Αρχικά στράφηκαν στην PSK (Phase-Shift Keying) και μετά στην QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Αυτές οι τεχνικές επιτρέπουν σε μια πολύ μεγάλη ποσότητα πληροφορίας να στριμωχθεί στο εύρος ζώνης των 3.000 Hertz που είναι διαθέσιμο σε μια κανονική τηλεφωνική γραμμή. Τα modems των 56 K, τα οποία στην πραγματικότητα συνδέονται περίπου στα 48 Kbps σε απολύτως τέλειες γραμμές, αποτελούν το όριο γι αυτές τις τεχνολογίες. Όλα αυτά τα modems υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιούν την τεχνική της βαθμιαίας υποβάθμισης (gradual degradation), που σημαίνει ότι έχουν τη δυνατότητα να δοκιμάσουν την τηλεφωνική γραμμή και να πάνε σε χαμηλότερες συχνότητες αν η γραμμή δεν είναι σε θέση να χειρισθεί την υψηλότερη ταχύτητα που διαθέτει το modem. Το επόμενο βήμα στην εξέλιξη του modem ήταν τα modems της τεχνολογίας ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), όπου η λέξη asymmetric χρησιμοποιείται επειδή αυτά τα modems στέλνουν δεδομένα ταχύτερα προς την μια κατεύθυνση απ ό,τι προς την άλλη. Ένα ADSL modem εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι ένα κανονικό σπίτι, διαμέρισμα ή γραφείο διαθέτει ένα αφοσιωμένο χάλκινο σύρμα που το συνδέει με το πλησιέστερο κεντρικό γραφείο μιας τηλεφωνικής εταιρείας. Αυτό το αφοσιωμένο χάλκινο σύρμα μπορεί να μεταφέρει πολύ περισσότερα δεδομένα απ ό,τι το σήμα των 3.000 Hertz που χρειάζεται στο κανάλι φωνής του τηλεφώνου. Αν και το κεντρικό γραφείο της τηλεφωνικής εταιρείας και το σπίτι μας είναι εφοδιασμένα μ ένα ADSL modem στη γραμμή, τότε το τμήμα του χάλκινου σύρματος ανάμεσα στο σπίτι μας και την τηλεφωνική εταιρεία μπορεί να λειτουργήσει ως ένα καθαρά ψηφιακό κανάλι εκπομπής υψηλής ταχύτητας. Η χωρητικότητα είναι περίπου 1 Mbps (million bits per second) ανάμεσα στο σπίτι και την τηλεφωνική εταιρεία (upstream) και 8 Mbps ανάμεσα στην τηλεφωνική εταιρεία και το σπίτι (downstream), υπό ιδανικές βέβαια συνθήκες. Η ίδια γραμμή μπορεί να μεταδώσει συνομιλίες φωνής και ψηφιακά δεδομένα ταυτόχρονα. Η αρχή λειτουργίας ενός ADSL modem είναι πολύ απλή. Το εύρος ζώνης της τηλεφωνικής γραμμής ανάμεσα στα 24.000 Hertz και τα 1.100.000 Hertz διαιρείται σε μπάντες των 4.000 Hertz και σε καθεμία απ αυτές τις μπάντες εκχωρείται ένα εικονικό (virtual) modem. Το καθένα απ αυτά τα 249 εικονικά modems δοκιμάζει την μπάντα του και κάνει ό,τι καλύτερο μπορεί με το κομμάτι της μπάντας που του έχει δοθεί. Το σύνολο των 249 εικονικών modems αποτελούν τη συνολική ταχύτητα του σωλήνα.
Το Πρωτόκολλο PPP (Point-to-Point Protocol) Σήμερα, κανένας δεν χρησιμοποιεί κουτά τερματικά (dumb terminals) ή εξομοιωτές τερματικών (terminal emulators) για να συνδεθεί σ έναν ανεξάρτητο υπολογιστή. Αντίθετα, χρησιμοποιούμε τα modems μας για να συνδεθούμε σ έναν ISP (Internet Service Provider) και μετά ο ISP μας συνδέει στο Internet. Το Internet, μετά, μάς δίνει την δυνατότητα να συνδεθούμε σ ένα οποιοδήποτε μηχάνημα στον κόσμο. Εξαιτίας της σχέσης ανάμεσα στον υπολογιστή μας, τον ISP και το Internet, το modem δεν είναι πλέον κατάλληλο για να στέλνουμε ανεξάρτητους χαρακτήρες. Αντίθετα, το modem μας δρομολογεί τα πακέτα (packets) του TCP/IP ανάμεσα σε μας και τον ISP που μας εξυπηρετεί. Η στάνταρτ τεχνική για την δρομολόγηση αυτών των πακέτων μέσω του modem μας αποκαλείται PPP (Point-to-Point Protocol). Η βασική ιδέα είναι απλή : η στοίβα του πρωτοκόλλου TCP/IP στον υπολογιστή μας σχηματίζει τα δικά του TCP/IP datagrams κανονικά, αλλά μετά αυτά τα datagrams παραδίδονται στο modem για εκπομπή. Ο ISP λαμβάνει το κάθε datagram και το δρομολογεί (κατευθύνει) κατάλληλα ώστε να βρει τον δρόμο του στο Internet. Η ίδια διαδικασία λαμβάνει χώρα και όταν λαμβάνουμε δεδομένα στον υπολογιστή μας από τον ISP. Μια Σύντομη Ιστορία των Modems Τα πρώτα modems εμφανίσθηκαν την δεκαετία του 1950 όταν παρουσιάστηκε η ανάγκη μεταβίβασης δεδομένων για την εναέρια άμυνα των ΗΠΑ. Τότε έγιναν και οι πρώτες προσπάθειες για την μεταφορά δεδομένων μέσα από τα υπάρχοντα τηλεφωνικά καλώδια. Η πρώτη συσκευή modem που έγινε διαθέσιμη στο ευρύ κοινό το 1962 ήταν η Bell 103 της εταιρείας AT&T, που επέτρεπε την πλήρη μετάδοση δεδομένων με ταχύτητα έως και 300 bps. Ακολούθησε η συσκευή Bell 212 με ταχύτητα έως και 1200 bps. Τα επόμενα χρόνια έγιναν προσπάθειες για να αυξηθεί η ταχύτητα μεταβίβασης δεδομένων μέσω των modems, η οποία το 1980 έφθασε στα 14,4 Kbps, μέσω τετρασύρματων μισθωμένων γραμμών, ενώ το 1984 έγινε εφικτή η διαβίβαση δεδομένων με ταχύτητα 9,6 Kbps μέσω ενός κανονικού τηλεφωνικού κυκλώματος. Το 1991 η ταχύτητα των modems έφθασε τα 14,4 Kbps μέσω ενός κανονικού τηλεφωνικού κυκλώματος και το 1994 διπλασιάστηκε στα 28,8 Kbps. Σύντομα ήρθε και η ταχύτητα των 33,6 Kbps και μετά η ταχύτητα των 56 Kbps, που θεωρείται και το ανώτερο δυνατό όριο για τις τηλεφωνικές γραμμές.
Ένα τυπικό εξωτερικό modem.
Ένα τυπικό εσωτερικό modem.