Modem, situazione attuale e sviluppi futuri

Prima parte: V.34 a 33.6 Kbps, modem da 56 Kbps, ISDN.

Prima di tutto cominciamo vedendo la componentistica base dei modem, ormai abbastanza standardizzata: in ordine di importanza abbiamo per primo il 'data pump', spesso un DSP specializzato, che si occupa della trasmissione e ricezione vera e propria dei sulla linea telefonica attraverso opportune tecniche di modulazione numerica in banda traslata QAM o TCM (di qui il nome MOdulator/DEModulator), ha spesso il package piu' grande della schedina e viene fabbricato da pochi costruttori tra i quali principalmente Rockwell, Lucent (ex AT&T), Texas Instrument (un vero DSP adattato), Cirrus Logic. Abbiamo poi il controller che gestisce i trasferimenti con la porta seriale e i vari protocolli di trasmissione, un processore specializzato parte di un chipset completo del costruttore del data pump oppure un tradizionale microcontroller con architettura in genere x86, 68k oppure Z80, una porta seriale per i modem interni, una ROM con il codice per controller e/o data pump, poca componentistica aggiuntiva sopratutto per i modem voice e minutaglia elettro-meccanica.
Tutte le velocita' di trasmissione sono misurate in bps (bit per secondo) o in Kbps (Kilo bit per secondo dove 1000 bps = 1 Kbps) oppure per maggior chiarezza e sopratutto a livello dei protocolli superiori in cps (caratteri o Byte per secondo) o KB/s (1024 Byte al secondo).
Vediamo ora di fare un po' di chiarezza sui vari standard e relativi significati in materia e primi fa tutti quelli emessi dall ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunications, ex CCITT), l'ente internazionale preposto alle standardizzazioni nel campo delle comunicazioni. Gli standard (o meglio le raccomandazioni) relativi alla trasmissione su normali linee telefoniche sono quelli caratterizzati dalla lettera V; partendo dai protocolli di comunicazione veri e propri che specificano modulazione, handshake e velocita' consentite abbiamo senza risalire troppo indietro nel tempo il V.32 fino a 9600 bps, il V.32bis fino a 14400 bps e il V.34 fino a 28800bps. Bisogna poi aggiungere degli standard proprietari sviluppati dai produttori per sopperire alla lentezza dell'ITU-T nell'approvazione di protocolli piu' veloci: il V.32terbo fino a 19200 sviluppato da AT&T come evoluzione del V.32bis e presente quasi solamente sui suoi chipset da 19200 e superiori e sugli U.S. Robotics Courier V.Everything; il V.Fast Class (V.FC) fino a 28800 bps sviluppato da Rockwell e supportato sui suoi diffusissimi chipset 28800 e superiori e sul solito Courier.

33.6 Kbps

Circa un anno fa invece U.S.Robotics ha sviluppato un'estensione a 33600 bps del V.34, denominata V.34+, distribuita dopo poco anche su tutti gli altri modem con chipset Texas Instruments, che e' stata ratificata recentemente dall'ITU-T mantenendo il nome V.34. Come tutti i protocolli soffre di qualche problema di giovinezza che porta sopratutto a una non perfetta interoperabilita' con connessioni a velocita' inferiori, sopratutto fra modem con chipset diversi, in particolare fra Rockwell e Texas Instrument anche recenti sono piu' comuni i collegamenti a 31200 bps. In ogni caso comunque la maggior raffinatezza del protocollo esteso a 33600 bps e' di aiuto anche nel caso di linee disturbate; e' comune infatti che dove prima si registravano solo collegamenti a 24000 e 26400 bps questi incrementino almeno a 26400 e 28800bps.
Oltretutto essendo un'estensione della stessa tecnologia e' spesso possibile effettuare un upgrade dei modem a 28800 aggiornando il codice contenuto nella ROM del modem, con la sostituzione del chip nella maggior parte dei casi o un semplice aggiornamento software nei purtroppo ancora rari modelli dotati di FLASH ROM. Nel caso dei modem con il diffusissimo data pump Rockwell 288Dpi l'upgrade e' possibile in questo modo solo con le revisioni 05xx o superiore mentre se si ha una 04xx occorre sostituire anche il chip del data pump; la revisione si controlla con i comandi ATIx, in genere ATI6, che per i modelli recenti riporta tipicamente 'RC288Dpi Rev 05BA' oppure 'RCV288Dpi Rev 05BA' per i chip dotati di funzioni voice.
Tutti i principali costruttori mondiali hanno dei programmi di upgrade piu' o meno convenienti e facili illustrati sui loro siti; per la moltitudine di modem asiatici semi-sconosciuti senza upgrade ufficiali rimane solo un'alternativa artigianale (sempre che ne valga la pena) se il data pump e' compatibile e si trova un chipset uguale con ROM da 33600 bps, anche su modem di altra marca vista l'estrema standardizzazione, e' spesso sufficiente fare un duplicato su una EPROM e tentare la sostituzione, questo e' vero in particolare con il diffuso chipset completo Rockwell costituito dal sopracitato data pump e dal controller L39/U (usato ad esempio sulla serie Zoom V.34).
Fate poi molta attenzione anche ad alcuni modem bacati che circolano con tale configurazione che non funzionano correttamente oltre i 28800 bps e non connettono praticamente mai a piu' di 31200 bps, persino nei test con Local Analog Loopback che vi consiglio di effettuare e che e' quasi sempre documentato sui modem economici asiatici. Per verificare la velocita' massima fate in modo che il messaggio CONNECT indichi la velocita' DCE del modem e non il DTE della seriale (AT\V2 per il DCE dettagliato sui Rockwell) ed eseguite il Local Analog Loopback con timer (ad esempio sempre per i Rockwell AT\N1 seguito da ATS18=30&T1); per controllare il corretto funzionamento almeno interno invece e' opportuno eseguire il Local Analog Loopback with Self-Test che riporta il numero di errori che deve essere 0 (ancora per i Rockwell AT\N1 e ATS18=0T8 per iniziare e AT&T0 per terminare, meglio se dopo qualche minuto). Fondamentali sono poi i protocolli di correzione e compressione, rispettivamente V.42 e V.42bis (incorporano e migliorano i vecchi protocolli Microcom MNP4 e MNP5), ormai onnipresenti sui modem e quasi sempre abilitati di default nelle impostazioni del modem. La correzione V.42 (o la vecchia MNP4) si occupa ovviamente di garantire l'affidabilita' della trasmissione tramite il protocollo LAPM ritrasmettendo eventuali pacchetti errati rilevati con dei CRC: quello che non tutti sanno e' che la sua abilitazione porta anche un aumento della velocita' del modem; la trasmissione normale diffusa oggi 8N1 (8bit dati, Niente bit di parita', 1 bit di stop) infatti spreca un bit di stop e uno di start per ogni 8 bit trasmessi riducendo di fatto le prestazioni di 1/5 mentre attivando la correzione i codici di CRC sprecano solo circa 1/10 dei dati.

La compressione V.42bis invece effettua trasparentemente una compressione fino a un massimo di 4:1 dei dati non gia' compressi (nel qual caso si disabilita per non causare un rallentamento come faceva il vecchio MNP5 che poi arrivava solo a 2:1) utile ad esempio quando si naviga e quindi si scaricano sorgenti html, javascript, ecc. In realta' anche con i file di testo l'efficienza non arriva mai al limite massimo e si attesta su un 2-2,5:1 a causa della compressione effettuata necessariamente in real time e esaminando gruppi di dati molto ridotti, questo fattore puo' poi calare ulteriormente in caso di trasmissione bidirezionale se il controller non e' troppo potente: un compressore di tipo zip, arj o rar sugli stessi tipi di file arriva tranquillamente a fattori di 3-5:1 o anche oltre con delle tecniche piu' sofisticate ma piu' lente, quindi quando possibile trasferite sempre dati gia' compressi. Legato alla velocita' massima del collegamento alla compressione massima dei dati c'e' il tipo della porta seriale e la velocita' a cui va impostata per non agire da collo di bottiglia per le prestazioni del modem, in teoria almeno 4 volte quella della connessione ma in pratica viste le prestazioni del V.42bis bastano anche 2,5-3 volte. Quindi viste le velocita' fisse e limitate della porta seriale per un modem 14.4 Kbps bisognerebbe metterla a 57.6 ma anche 38.4 va bene, un 19.2 avrebbe bisogno di 115.2 ma 57.6 va largamente bene e 28.8 invece e' al limite, un 28.8 richiederebbe 115.2 mentre con 57.6 e' al limite, un 33.6 infine avrebbe bisogno di 230.4 ma in pratica non ci sono differenze con 115.2. Le porte seriali normali accettano rate fino a 115200 bps, oggi con i sistemi operativi multitasking e i modem veloci e' d'obbligo una UART di tipo 16550 che ha un buffer di 16 byte, le vecchie 8250 e 16450 in pratica sono usabili solo fino a 38400 o 57600 bps. Fra le novita' recenti ci sono le UART di tipo 16650 con un buffer raddoppiato a 32 byte che pero' deve essere supportato dal driver (altrimenti si comporta come una 16550) e quelle con moltiplicatore di clock 2x o 4x che aumentano la velocita' effettiva rispetto a quella impostata ottenendo quindi come massimo 230400 e 460800 bps, devono pero' essere supportate dal modem.

56 Kbps

L'ultima novita' in campo di velocita' nei modem e' la nuova generazione da 56 Kbps rappresentata in realta' da 2 standard distinti: X2 sviluppato da U.S.Robotics e Texas Instrument e licenziato da Cirrus Logic e K56Flex realizzato da Rockwell e Lucent come unione dei loro precedenti progetti distinti K56Plus e V.flex 2. I due standard distinti anche se non sono assolutamente compatibili sono in realta' molto simili e proprio in questi giorni circolano voci su di un possibile accordo a breve termine per un protocollo unico; la situazione attuale e' stata causata principalmente da U.S. Robotics che ha voluto sfruttare un vantaggio temporale (e' gia' uscita sul mercato da qualche settimana mentre i prodotti rivali sono imminenti) e sopratutto di base installata vista la possibilita' di upgrade con la sostituzione della sola ROM dei suoi modem che sono basati sul flessibile DSP Texas Instrument e la sua posizione di maggioranza relativa come costruttore di modem (mentre a livello di chipset e' in testa Rockwell).
Per ottenere i 56 Kbps in realta' si e' dovuto scendere a compromessi rispetto allo standard V.34 che come protocollo full-duplex sfrutta gia' al meglio il canale analogico limitato in banda (in un intervallo all'incirca fra 230 e 3670 Hz) della rete telefonica da cui in condizioni ideali non si puo' ottenere piu' di circa 35 Kbps bidirezionali. E' necessario quindi per sfruttare tale velocita' che le centrale telefoniche interessate de tutte le tratte intermedie siano completamente digitali senza conversioni, una condizione peraltro comune da noi nei centri urbani, e che pero' anche il modem all'altro capo sia connesso su una linea digitale, condizione comune solo fra i grandi provider Internet e alcune aziende, ed in ogni caso questa velocita' e' possibile solo in download mentre in upload si ricade nei limiti attuali. Il convertitore Digitale/Analogico con codec PCM della rete telefonica lavora auna frequenza di 8 KHz e adopera una quantizzazione non uniforme a 8bit (256 intervalli) con un transfer teorico massimo di 64 Kbps; in realta' invece si usano solo 7 bit (128 valori) perche' su alcune reti telefoniche l'ottavo bit e' sfruttato da servizi telefonici supplementari e si scende quindi a una velocita' di 56 Kbps.

Il passo successivo e' ovviamente quello di un collegamento completamente digitale, possibilita' offerta oggi da ISDN (Integrated Services Digital Network), a cui e' dedicata la serie di raccomandazioni I (e subordinatamente la E), studiata appositamente per comunicazioni a banda piu' larga di quella necessaria per la trasmissione della voce; ovviamente a patto di essere collegati ad una centrale telefonica digitale predisposta per tale standard (la gran parte fortunatamente in Italia).
Esistono due tipi di connessioni, la prima di queste, ISDN BRI (Basic Rate Interface), e' stata pensata come sostituta della linea telefonica classica e viaggia sullo stesso normale doppino; essa offre due canali logici B (bearer) da 64 Kbps per i dati piu' un canale D (delta) da 16 Kbps per dati accessori e un canale F da 48 Kbps di controllo. Ogni canale B rappresenta di fatto una linea telefonica classica e puo' essere usato indifferentemente e indipendentemente per dati o telefonia; e' poi possibile unire i due canali B in uno unico da 128 Kbps per la trasmissione dati, anche in modo dinamico durante una comunicazione iniziata a 64 Kbps e poi anche risepararli se occorre l'altra linea.
Nella sede dell'utenza ISDN occorre poi installare una apparecchiatura supplementare detta NT (Network Terminator) che funge da terminale di rete e generalmente oltre all'uscita digitale fornisce due uscite analogiche (il segnale in questo caso passa quindi per un DAC in ingresso o un ADC in uscita) per poter collegare tutti i dispositivi telefonici standard attuali. All'uscita digitale va collegato il Terminal Adapter ISDN (TA, chiamarlo modem in effetti e' improprio) collegato al computer e qualsiasi altro apparecchio digitale (ancora rari e costosi) come telefono, fax, segreteria, ecc.
L'adattatore di terminale a sua volta offre spesso un'uscita analogica ed e' talvolta integrato con un modem classico per avere una periferica unica integrata che si connetta a entrambi gli apparecchi; questo adattatore duale inoltre potra' essere la periferica piu' economica per fornire connettivita' ai modem da 56 Kbps, perfetta per una BBS. E' comunque perfettamente lecito collegare un modem standard a un'uscita analogica del TA oppure del NT in quanto corrisponde perfettamente ad una linea standard, per di piu' meno distorta anche di quelle collegate su centrale numerica; ci sono tuttavia dei NT con una assurda elevata attenuazione che limitano la velocita' di connect dei modem V.34 e 56 Kpbs, ad esempio un NT1+ AETHRA fornito da Telecom con -4db in tx e ben -11db in rx.
Fate poi molta attenzione, sopratutto nel caso di adattatori esterni e nell'uso a 128 Kbps, al DTE del PC legato alla compressione dei dati come nei modem che consiglia l'uso di seriali accellerate a 230,4 o meglio 460,8 Kbps oppure di una ben piu' veloce porta parallela, inutile poi sottolineare l'assurdita' di un collegamento a 128 Kbps con una seriale 16550 a 115 Kbps.
La connessione ISDN PRI (Primary Rate Interface) invece e' destinata alle aziende e su due doppini telefonici (ma piu' spesso su fibra ottica) offre fino a 24 canali B per 1536 Kbps (187,5 KB/s) nella versione americana e 30 canali per 1920 Kbps (234,4 KB/s) nella versione europea; resta immutato l'unico canale D ed e' anche qui possibile accorpare i canali B, ad esempio 6 insieme forniscono un canale da 384 Kbps detto H0.

Alcune informazioni e immagini sono tratte dai siti dell'ITU-T e dei costruttori di chipset sui quali potete trovare molto altro materiale.