Báječný svět počítačových sítí

Část XXVII: Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

Veřejná (pevná) telefonní síť vznikla pro potřeby přenosu hlasu, a velmi dlouho sloužila výlučně tomuto účelu. Teprve v nedávných letech se stala zajímavou alternativou i pro přenos dat, a zejména pro vytáčené připojení k Internetu (dial-up). Jak ale takovéto přenosy fungují,  jakých rychlosti mohou dosahovat telefonní modemy v analogové telefonní síti, a jakých v digitální síti?

Historie pevné telefonie a telefonování se začala psát v roce 1876, kdy Alexander Graham Bell uskutečnil první telefonní hovor, skrze vlastnoručně zkonstruovaný telefonní přístroj. Nebyl to ještě žádný dálkový hovor, ale pouze vzkaz spolupracovníkovi Thomasu Watsonovi, nejspíše do sousední místnosti, aby za ním přišel („Mr. Watson, come here, I want you“). Nicméně na začátek velké a slavné éry telefonování to stačilo.

Pravdou je, že zpočátku neměl telefon na růžích ustláno. Například ještě ve stejném roce 1876 zhodnotila tehdy největší telegrafní společnost Western Union v jednom svém interním memorandu telefon jako zcela nepoužitelný:

Tento "telefon" má příliš mnoho nedostatků, než aby mohl být někdy použit jako prostředek mezilidské komunikace. Pro nás nemá absolutně žádnou cenu ….

To v Británii to tamní slavná British Post Office zhodnotila přeci jen příznivěji, i když s obdobným výsledkem:

Američané možná potřebují ten telefon, ale my máme dost poslíčků", řekl Sir William Preece, hlavní inženýr, British Post Office

Tehdejší americký prezident Rutherford B. Hayes se na margo telefonu vyjádřil nejprve také dosti odmítavě:

Je to velký vynález, ale kdo by to mohl chtít využívat?" řekl tehdejší prezident USA Rutherford B. Hayes

Nicméně již o dva roky později (v roce 1878) byla telefonní přípojka instalována i v Bílém domě, a jako první ji využil sám prezident Rutherford B. Hayes. Zavolal právě Alexandru Grahamu Bellovi.

Telefonní síť dnes

Od dob svých pionýrských začátků veřejná (pevná) telefonní síť samozřejmě obrovským způsobem vyspěla a rozvinula se. První telefonní ústředny, na kterých živé spojovatelky ručně spojovaly jednotlivé hovory, najdeme dnes tak nejvýše v muzeu. Naše telefonní hovory dnes spojují plně automatické telefonní ústředny, které jsou v rámci telefonní sítě uspořádány do určité hierarchie.

Alespoň v ČR to vypadá tak, že máme 8 tzv. tranzitních telefonních ústředen, které představují nejvyšší patro celé hierarchie. Na ně je pak napojeno přes 140 tzv. místních ústředen (též: tzv. HOST ústředen), které představují další (nižší) patro celé hierarchie.

K místním ústřednám již mohou být připojeni jednotliví „koncoví účastníci“, resp. jejich koncová zařízení (pevné telefony). Pak přímo z těchto místních ústředen paprskovitě vychází velké počty tzv. místních smyček (formálně: účastnických vedení), které vytváří vodivé propojení mezi ústřednou a koncovým zařízením (telefonem). Fakticky jsou tyto místní smyčky tvořeny páry vzájemně zkroucených vodičů (drátů).

Vzhledem k jejich fyzikálním vlastnostem, zejména útlumu (který způsobuje zeslabení přenášeného signálu) ale nemohou být tyto místní smyčky příliš dlouhé. Maximem jsou jednotky kilometrů, obvyklým průměrem vzdálenosti pod pět kilometrů, spíše tak kolem tří kilometrů.

Vzhledem k tomuto omezenému dosahu místních smyček by ale cca 140 místních ústředen nestačilo pro pokrytí všech lokalit v ČR. Proto se v telefonní síti vyskytuje ještě několik tisíc malých „předsunutých ústředen“ (či „satelitních ústředen“), kterým se říká také „jednotky RSU“, z anglického Remote Subscriber Unit. Tam, kde jsou tyto jednotku RSU nasazeny, jsou místní smyčky rozváděny z nich, viz obrázek.

To mj. vysvětluje i to, proč u nás stále není stoprocentní pokrytí technologií ADSL:  vybavit všechny místní ústřední potřebnou technologií (hlavně tzv. DSLAmy) jde poměrně rychle a už to bylo provedeno poměrně dávno. Kromě toho je ale nutné stejně vybavit í všechny jednotky RSU, a to vzhledem k jejich počtu (kolem 3 tisíc) je už dlouhodobější záležitostí, nehledě již na ekonomické aspekty. Ale nepředbíhejme, k využití telefonní sítě pro poskytování broadbandu, skrze technologii ADSL (a rodinu technologií DSL obecně) se ještě dostaneme.

Nyní si ještě upřesněme, že své vlastní ústředny (tzv. pobočkové ústředny, zkratkou PBX, od anglického Private Branch Exchange) mohou mít například firmy, školy, různé instituce, a stejně tak je mohou používat třeba i domácnosti (pokud pro ně mají využití).

Dial-up

Snad největší předností veřejné telefonní sítě, z pohledu datových přenosů a počítačových sítí, je už její samotná existence a relativně velká hustota (pevných) telefonních přípojek. A tak se asi nelze divit, že v určité historické etapě -  u nás řekněme od začátku devadesátých let minulého století, až do počátku nového millenia - se „lidé od počítačů“ dosti intenzivně snažili využít tuto veřejnou (pevnou) telefonní síť  i pro přenos dat. Nejprve pro přenosy mezi dvěma či více počítači, a později stále více pro připojování k Internetu.

Ano, byla to doba největší slávy tzv. vytáčeného připojení k Internetu, alias tzv. dial-upu (opět podle anglického originálu pro vytáčené připojení).  I když to bylo hodně nespolehlivé, pomalé a později i hodně drahé, přesto to lidé využívali, protože mnohdy neměli jinou možnost.

Dnes, s podstatně lepší dostupností jiných a vhodnějších možností, už je doba největší slávy dial-upu za námi. Přesto dodnes může jít o zajímavou alternativu například pro uživatele Internetu, kteří jsou právě někde na cestách (a v dosahu pevné telefonní sítě).

Podívejme se proto, jak se vlastně data přes telefonní síť přenáší.

Analogová telefonní síť

Telefonní síť byla od svého vzniku, až do poměrně nedávných dob, výhradně analogová. To znamená, že lidský hlas přenášela, po celé trase od volajícího až k volanému,  v podobě analogového signálu. Tomu pak byly uzpůsobeny jak samotné (analogové) telefony, tak i (analogové) telefonní ústředny.

Analogová telefonní síť, stejně jako její pozdější digitální nástupkyně, přitom fungovala na principu přepojování okruhů. To znamená, že mezi volajícím a volaným vytvářela přímé spojení (analogový přenosový okruh), které má charakter vyhrazené přenosové cesty, a chová se v zásadě jako ekvivalent přímého „kusu drátu“, vedoucího mezi oběma komunikujícími stranami. Ovšem s důležitým dovětkem, že rozsah frekvencí analogového signálu, který takovýto přenosový okruh (ekvivalent „kusu drátu“) dokáže přenést, je omezen na 3100 Hz, resp. 3,1  kHz. Konkrétně na frekvence od 300 do 3400 Hz.

Důvodem pro toto omezení byla snaha budovatelů telefonní sítě vystačit s co nejmenším přenosovou kapacitou mezi jednotlivými telefonními ústřednami. I tento přenos totiž fungoval analogově, a čím menší frekvenční pásmo zabíral jednotlivý hovor, tím více se jich dalo „naskládat vedle sebe“, pomocí tehdy používané techniky tzv. frekvenčního multiplexu, a přenést po spojích, které propojovaly telefonní ústředny. Praktické zkoušky totiž ukázaly, že omezení hovoru jen na frekvence od 300 do 3400 Hz jeho srozumitelnost až tak nenaruší.

Důležité tedy je, že frekvenční omezení na 300 až 3400 Hz je omezení umělé, realizované pásmovou propustí („omezovačem frekvencí“) v místě, kde místní smyčka vstupuje do telefonní ústředny. Jinak samotná místní smyčka dokáže přenášet podstatně větší rozsahy frekvencí. Toho pak využívají technologie DSL, které nasazují své modemy na obě strany místní smyčky (na straně ústředny ještě před popisovanou pásmovou propustí).

Například „obyčejné“ ADSL takto využívá schopnost místní smyčky přenášet frekvence až do 1,1 MHz. Novější technologie ADSL 2+ pak využívá frekvence až do 2,2 MHz, a ani to ještě není poslední slovo, resp. maximální rozsah frekvencí, které jsou místní smyčky schopné přenášet. Důležité je pak také to, že „datový tok“, přenášený skrze DSL, je odbočen ještě před telefonní ústřednou, a sveden do dostatečně dimenzované datové sítě (a odsud obvykle do Internetu).

Ale k tomu se dostaneme v dalších dílech tohoto seriálu.

Analogové telefonní modemy

Teď se znovu vraťme k našemu záměru přenášet data skrze (pevnou) telefonní síť. Samozřejmě se nám podaří dosáhnout jen podstatně nižších rychlostí, než na jaké jsou stavěny technologie DSL. Mimo jiné i proto, že analogová telefonní síť vlastně není na datové přenosy vůbec stavěna, a tak ji musíme svým způsobem obelstít.

Jestliže analogová telefonní síť umí přenášet pouze analogový signál, a o nějakých digitálních datech nemá ani tušení, pak se musíme této skutečnosti přizpůsobit. Data, která potřebujeme přenést, musíme před samotným přenosem skrze telefonní síť nejprve převést (zkonvertovat) do podoby analogového „telefonního“ signálu, a na druhé straně přijatý signál zase zkonvertovat (převést) zpět na digitální data. Toto vše mají na starosti zařízení, označovaná jako modemy.

Termín „modem“ přitom vznikl jako zkratka ze dvou slov: modulátor a demodulátor. Každé z nich pak odpovídá jedné z činností, popisovaných výše: modulátor vysílá do analogového přenosového okruhu (analogový) signál, a jeho průběh mění (tzv. moduluje) podle toho, jaká data mají být přenesena. Demodulátor na druhé straně takto modulovaný signál přijímá, a podle změn jeho průběhu zjišťuje, jaká (digitální) data jsou přenášena.

Maximální rychlost přenosu dat v analogové síti

Techniky modulace a demodulace, používané dnešními modemy, jsou velmi sofistikované a jejich podrobnější popis by už překračoval hloubku tohoto seriálu. Navíc pro koncové uživatele není podstata těchto technik modulace až tak zajímavá. Uživatele zajímá spíše to, jakých přenosových rychlostí se mohou v daném případě dočkat. A tak se raději zastavme u tohoto aspektu.

Jak jsme si popisovali již v jednom z předchozích dílů tohoto seriálu, rychlost přenosu dat je v praxi samozřejmě závislá i na dokonalosti použité technologie. Nicméně existuje principiální limit, nad který se nedostane ani sebedokonalejší technologie. Existenci tohoto limitu objevil pan Claude Shannon, a podle něj je příslušný vztah také označován jako Shannonův teorém.

Podstatou Shannovova teorému je odhalení závislosti maximální rychlosti přenosu dat (a konkrétní vyjádření této závislosti) na dvou faktorech: na šířce přenosového pásma, a pak na kvalitě přenosové cesty (vyjádřené jako odstup užitečného signálu od neužitečného šumu). Z našeho pohledu je důležitá zejména šířka přenosového pásma, nebo-li rozsah frekvencí, které je možné využít pro (modulovaný) přenos dat.

Jak už víme, v případě pevné telefonní sítě je tento rozsah uměle omezen na 3,1 kHz. Z Shannonova teorému pak vyplývá, že maximální dosažitelná rychlost přenosu dat (skrze analogovou telefonní síť) se pohybuje kolem 30 000 bitů za sekundu. To ale jen v optimálním případě, pokud je telefonní linka „dostatečně kvalitní“ (s dostatečným odstupem signálu od šumu). V praxi, na konkrétní telefonní lince, může být i výrazně nižší.

Na druhou stranu většina modemů, určených pro nasazení v analogové telefonní síti, deklaruje že je schopna přenášet data rychlostí až 33,6 kbit/s. To na první pohled může vypadat jako spor s fyzikálními zákony (skrze Shannonův teorém), ale ve skutečnosti tomu tak samozřejmě nemůže být. Tyto modemy totiž využívají toho, že umělé frekvenční omezení, nasazené na vstupu do telefonní ústředny, není úplně ideální, ale částečně propouští i část dalších frekvencí, kolem hraničních hodnot 300 a 3400 Hz (viz tzv. vanová křivka na následujícím obrázku).

A tak tyto modemy využívají i takováto „boční pásma“, díky čemuž si zvětšují celkovou šířku přenosového pásma, a  díky tomu mohou dosahovat uvedených vyšších přenosových rychlostí.

Pamatujme si také, že standard, který definuje fungování takovýchto modemů, se jmenuje V.34.

Digitální telefonní síť

Přestože analogový způsob fungování vydržel (pevné) telefonní síti od jejího vzniku až do velmi nedávné doby, přeci jen se ani zde pokrok nezastavil. Například v České republice měla být digitalizace veřejné telefonní sítě (tzv. jednotné telefonní sítě, JTS) původně dokončena do roku 2000, ještě než měl tehdejší Český Telecom přijít o monopol na vnitrostátní hlasové služby. Nakonec se tento termín nepodařilo stihnout, a plné digitalizace jsme se dočkali až ke konci roku 2002, když už byl trh (pevných) hlasových služeb otevřen, a plná digitalizace byla nutná kvůli zákonem stanovené povinnosti umožnit tzv. volbu operátora.

Co ale digitalizace telefonní sítě přesně znamená, a jak se projevuje na její schopnosti přenášet data?

Digitalizace (pevné) telefonní sítě fakticky obnáší pouze digitalizaci jejích ústředen a způsobu jejich vzájemného propojení, ale nikoli už „konců“ telefonní sítě, kterými jsou místní smyčky a koncová zařízení (telefony) jednotlivých uživatelů. Tyto „konce“ zůstávají nadále analogové, a díky tomu uživatelé mohou nadále používat své analogové telefony.

Uvnitř digitální telefonní sítě, neboli v rámci ústředen a mezi nimi, však jsou jednotlivé hovory přenášeny již plně digitálně, jako proud (digitálních) dat. To ale nutně znamená, že někde – konkrétně na vstupu do ústředny a na výstupu z ní – musí dojít ke konverzi, neboli k převodu hovoru z analogové do digitální podoby a naopak. O tyto konverze se starají převodníky, umístěné na stejných místech, jako původní pásmové propusti u analogových ústředen (viz obrázek).

Analogové modemy v digitální telefonní síti

„Zpětná kompatibilita“ digitální telefonní sítě vůči původní analogové síti se ale  neprojevuje pouze tím, že v ní můžeme nadále používat původní analogové telefony. Totéž platí i pro výše popisované „analogové“ telefonní modemy (přesněji: modemy, podporující standard V.34). Výsledek je ovšem také stejný, jako v původní analogové síti: maximální přenosová rychlost, které můžeme za optimálních podmínek dosáhnout, je stále 33,6 kbit/s.

Na tom nic nemění skutečnost, že „uvnitř“ digitální telefonní sítě jsou jednotlivé hovory přenášeny (v digitální podobě, jako data) rychlostí 64 000 bit/s. Dosažení potenciálně vyšších rychlostí zde brání zejména potřeba častých konverzí mezi digitálním a analogovým tvarem. Jak vyplývá z předchozího obrázku, takovéto konverze se dělají vlastně čtyři: dvakrát na vstupu/výstupu z ústředny, a stejně tak na obou analogových modemech. To proto, že část přenosu (na obrázku vyznačená červeně) probíhá ještě analogově, zatímco jiné části (na obrázku zelené) probíhají digitálně.

Modemy pro digitální telefonní síť

Analogové modemy, vycházející ze standardu V.34, samozřejmě nejsou posledním výkřikem techniky. Pro digitální telefonní sítě pochopitelně vznikly další verze modemů a modemových standardů, které se snaží dosáhnout vyšších přenosových rychlostí.

Cestou, kterou příslušní autoři zvolili, bylo především odstranění „nadbytečných“ konverzí mezi analogovou a digitální podobou přenášených dat, které jsou asi největší brzdou zvyšování rychlosti. Jak ukazuje následující obrázek, podařilo se jim „odbourat“ jednu dvojici konverzí, a to na straně „dále od uživatele“. Díky tomu mohou příslušné modemy dosahovat vyšších přenosových rychlostí, až 56 kbit/s (opět ale jen v optimálním případě, na dostatečně kvalitní telefonní lince).

Současně ale došlo k jedné dosti zásadní změně, kterou je ztráta symetrie, resp. asymetrický charakter celého nového řešení. Původně, ještě s modemy V.34, bylo vše symetrické a bylo jedno, kdo je na které straně. Takže pokud se pomocí modemů V.34 propojovaly mezi sebou (skrze telefonní síť) dva počítače, používaly se k tomu dva stejné modemy.

Stejné nikoli v tom smyslu, že by muselo jít o stejné typy od stejného výrobce. To nikoli. Šlo spíše o to, že to mohly být jakékoli modemy dle standardu V.34 od jakéhokoli výrobce, protože takovéto modemy mohou mít jen jedno provedení. A bylo jedno, který modem se zapojil na kterou stranu.

Důsledky asymetričnosti

Právě toto ale už neplatí u modemů, určených pro digitální telefonní síť: zde existují modemy „zákaznické“, určené pro koncové uživatele (a běžně prodávané na maloobchodním trhu), a modemy „serverové“, určené pro poskytovatele služby. Typicky: pro internetové providery, k jejichž síti se zákazník připojuje přes vytáčené připojení, alias dial-up.

Dalším důsledkem této asymetričnosti je také to, že maximální dosažitelné rychlosti přenosu dat nejsou pro oba směry stejné. Vyšší rychlosti, a to až 56 kbit/s, lze dosáhnout jen ve směru k zákazníkovi, k jeho (zákaznickému) modemu. Tedy například pro stahování (download) z Internetu, ke kterému je uživatel připojen přes vytáčené připojení (dial-up).

Naproti tomu pro opačný směr přenosu (upload) jsou maximální dosažitelné rychlosti přenosu závislé ještě na provedení modemu, resp. na standardu, ze kterého vychází. Starší standard V.90 umožňuje dosahovat v tomto směru nejvýše 33,6 kbit/s, což je vlastně stejně jako u původní analogové sítě a analogových modemů (modemů dle standardu V.34).

Efektivnější je až novější standard, s názvem V.92, který umožňuje dosahovat na uploadu až 48 kbit/s. Opět ale, jako u všech zde uváděných modemových rychlostí, jen za optimálních podmínek, při dostatečně kvalitní telefonní lince.

Komprese a oprava chyb

Na závěr si ještě řekněme, že dnešní telefonní modemy jsou poměrně sofistikovaná zařízení, která mají vedle své základní funkčnosti ještě řadu dalších schopností. Například dokáží průběžně testovat kvalitu telefonní linky, a podle toho dynamicky volit rychlost vzájemné komunikace s modemem na protější straně, tak aby přenos dat byl co nejefektivnější.

Další užitečnou schopností dnešních modemů jsou jejich mechanismy na opravu chyb. Ty jim umožňují opravit některé chyby, ke kterým může při přenosu docházet, a zajistit tak spolehlivější přenos. Fungování těchto mechanismů je přitom postaveno na obdobném principu, jako jinde v počítačových sítích: data jsou přenášena po určitých blocích, opatřených zabezpečovacím údajem. Pokud ten detekuje v přeneseném bloku chybu, vyžádá si příjemce jeho opakované zaslání. To pak ale zpomaluje přenos dat, což ne vždy musí být žádoucí. Samozřejmě ale lze tuto schopnost u modemů v případě potřeby potlačit, resp. vypnout.

Ještě další schopností dnešních modemů je schopnost komprese přenášených dat, která naopak zvyšuje efektivní (neboli: skutečně dosahovanou) přenosovou rychlost. Zdaleka ale nejde o tak sofistikovanou a účinnou kompresi, jakou nabízí nejrůznější softwarové komprimační nástroje. Ty totiž mají „dostatek času“ na svou práci, neboť nemusí fungovat v reálném čase – zatímco modemy ano.

Proto se úroveň komprese, dosahovaná u telefonních modemů, pohybuje na relativně nízké úrovni. Například u standardu V.90 na hodnotě 4:1, v tom smyslu že objem přenášených dat může být kompresí redukován až na čtvrtinu. Důležité je ale ono „až“, protože jde o optimální případ, a nikoli o případ průměrný.

V případě modemů, vycházejících z novějšího standardu V.92, může úroveň komprese dosahovat až poměru 8:1. Zase ale jen v optimálním případě, který je zde šit na míru potřebám připojování k Internetu a stahování HTML stránek. Komprese, používaná u tohoto standardu, jej totiž optimalizována právě pro jazyk HTML.

Důležitá je také schopnost vzájemně komunikujících modemů dohodnout na tom, jaké mají schopnosti, a používat maximum z toho, co mají společné. Domlouvají se tedy nejen na tom, jakou rychlostí budou komunikovat, ale také na tom, jakou kompresi budou používat, či zda budou využívat mechanismy pro opravu (korekci) chyb při přenosu či nikoli.

Veškeré takovéto „domlouvání“ modemů probíhá na počátku jejich komunikace, a pro lidské ucho má podobu charakteristického „pískání“, skrze které se modemy domlouvají. Teprve pak mezi nimi vzniká průchozí přenosový okruh, skrze který je možné přenášet nějaká užitečná data. Délka domlouvání mezi modemy přitom může trvat až dlouhé desítky sekund, případně i přes minutu.

V tomto ohledu jsou na tom nejlépe modemy, vycházející z novějšího standardu V.92. Ty totiž dokáží navázat spojení a domluvit se mezi sebou podstatně rychleji, než modemy dle ostatních standardů. Využívají k tomu „profilů“, ve kterých si pamatují schopnosti konkrétních modemů, se kterými se již někdy setkaly a vzájemně domlouvaly na svých schopnostech, Jakmile se setkají podruhé, již se nemusí domlouvat znovu, protože výsledek předchozí domluvy najdou v dříve uloženém profilu.  

---