Почему Ethernet на UTP имеет гораздо больший радиус действия, чем другие современные протоколы?

OCuLink, SATA, USB 3 и Displayport обеспечивают скорость порядка нескольких Гбит/с на сигнальную пару и ограничены длиной кабеля всего в пару метров. Ethernet через сопоставимые кабели обеспечивает сравнимую скорость, но в 50 раз большую длину! Например, 10GBaseT через cat6a может работать на расстоянии 100 м. Что объясняет эту крайнюю разницу?

Я спрашиваю об электронике, а не о сети, поскольку это проблема физической связи, а не проблемы с сетью.

РЕДАКТИРОВАТЬ: хотя задержка, по-видимому, не является объяснением, люди подняли ее, что дало мне идею: почему не все высокоскоростные проводные протоколы включают измерение задержки при подключении (с верхним пределом 200 мс для всех в практических целях) и добавить к этому измерению некоторое фиксированное количество тактовых циклов, чтобы установить значение тайм-аута повторной попытки для продолжительности соединения? Тогда тайм-аут никогда не устанавливается выше необходимого, но все соединения в пределах от одного метра до тысяч километров могут быть размещены, не ограничиваясь только задержкой. Измерение и подавление шума, адаптивная скорость и т. д. для достижения высокой скорости на большом расстоянии более сложны и не нужны для протоколов, предназначенных для нескольких метров или, может быть, нескольких десятков метров, но просто измерение задержки кажется очень простым и полезным, и позволил бы избежать произвольных ограничений задержки, как в USB 2, но не требуя стандартизации чрезмерно высокого предела времени ожидания. Это просто требует ping, а затем подсчитывает тактовые циклы, пока не будет услышан ответ. (Чтобы избежать глупых недоразумений: я не имею в виду пинг ICMP, я имею в виду пинг PHY-to-PHY.)

Сравните цену сетевой карты 10GBaseT и контроллера SATA. Даже с учетом экономии на масштабе реализация 10GBaseT намного дороже, чем любая другая.
Я считаю, что наиболее заметное отличие заключается в том, что Ethernet включает в себя очень сложную обработку сигналов.
В вашем редактировании основная проблема заключается в том, что никому не платят за разработку идеального протокола. В идеале все должно использовать оптическую передачу — никаких проблем с заземлением, гальванической развязкой и чрезвычайно высокими теоретическими битрейтами. Однако затем вам нужно разработать несколько протоколов, чтобы они были поверх этого — опять же, вы никогда не заставите каждую компанию и инженера согласовать наилучший возможный протокол. Почему нет? xkcd.com/927 : вот почему... Это более реалистично, чем вы думаете: каждый новый стандарт лучше, но часто несовместим с предыдущими версиями.
Также в вашем редактировании вы предполагаете, что протокол может справиться с задержкой. Если можно, то нет смысла его измерять. Вы обнаружите, что многие протоколы уже измеряют задержку и в основном отключаются, когда она становится слишком большой. Проблема в том, что большие задержки требуют значительно другого оборудования и кода для обеспечения таких вещей, как восстановление часов, правильное время событий и т. д. Просто не стоит тратить деньги на их реализацию для систем, которым, как правило, не нужны более длинные кабели. Проще просто проигнорировать этот вариант использования и ограничить дизайн меньшими задержками.
@RJR - Конечно, стоимость является объяснением использования электрической, а не оптической передачи данных на короткие расстояния. Необходимость изменить кодировку, а не только значение тайм-аута, выглядит как хорошее объяснение тому, что вы не удосужились настроить тайм-аут для учета задержки. Думаю, мне следовало задать мое редактирование как отдельный вопрос.

Ответы (3)

Во-первых, технический ответ:
во-первых, USB3 и SATA используют тонкие многожильные витые пары (в спецификации USB3 указано, что кабель должен быть «как можно тоньше», например, 26-34 AWG). 10GbE использует четыре сплошные относительно толстые витые пары (минимум 23 AWG). Более толстые и твердые жилы создают большую площадь поверхности, что, в свою очередь, означает более низкое сопротивление высоким частотам (которые проходят по слоям провода из-за скин-эффекта).

Во-вторых, SATA разработан как дисковый интерфейс. Это не должно быть в состоянии превысить производительность диска. USB ограничен тем фактом, что USB не поддерживает DMA (прямой доступ к памяти), поэтому для более высоких скоростей процессор периферийного устройства становится ограничивающим фактором.
Ethernet предназначен для использования специального оборудования, поддерживающего многоточечную топологию. Он должен поддерживать скорость передачи данных намного выше, чем требуется от одной станции. Поэтому он и намного дороже.

Наконец, задержки становятся важным фактором на этих скоростях. Однако Ethernet специально разработан для среды с высокой задержкой и потерями и поэтому может работать с длинными кабелями. (S)ATA — полная противоположность: для обеспечения максимальной производительности задержка должна быть сведена к минимуму.

С точки зрения затрат, Ethernet требует использования магнитов для гальванической развязки. Это важно, потому что более длинные кабели означают, что вы не можете использовать общее заземление между системами. Поскольку магниты (в основном трансформаторы) — это физические устройства, которые нельзя реализовать на чистом кремнии, они дороги. Полный Ethernet PHY будет стоить минимум пару долларов, а USB-чип можно сделать за несколько центов. С DSL история аналогична.

Таким образом, не кабель обязательно является ограничивающим фактором (хотя они тоже рассчитаны на низкую стоимость).

Нетехнический и, возможно, более «реальный» ответ заключается в том, что каждая технология предназначена для удовлетворения своих конкретных требований в определенное время. Физический уровень — это лишь малая часть истории.
Так почему же один поддерживает более длинные расстояния, чем другой? Ответ: «Потому что они так устроены».
Все сводится к «дизайну по стоимости/требованиям». Основная причина, по которой существует так много различных протоколов передачи, заключается в том, что нет ни одного, который отвечал бы всем требованиям для всего. Таким образом, компании разрабатывают новые системы, отвечающие всем их требованиям, кроме одного. Да, теоретически можно было бы создать единую систему, которая покрывает 90% всех потребностей, но это сразу же означает, что компании не могут зарабатывать деньги на своих собственных проприетарных системах. Кроме того, все, что вы можете придумать, устареет через несколько лет.

RJR, Википедия говорит, что даже USB 2 использует витую пару, поэтому, конечно, пары USB 3 также будут витыми. И похоже, что в кабелях USB и Cat6 используется провод одинакового калибра, около 24 AWG.
SATA Express (NVMe или AHCI через PCIe) был создан, потому что SATA был слишком медленным. И ограничения задержки не объясняют, почему Displayport ограничен, как SATA и USB 3.
Вы правы, в ответ я обращусь к витой паре USB. Displayport не обязательно «ограничен» — он разработан в соответствии со спецификацией (которой, я думаю, Apple сейчас недовольна, поскольку их новый дисплей Retina iMac требует более высокой пропускной способности, чем поддерживается displayport и Thunderbolt. Таким образом, они могут нельзя сделать внешний дисплей сетчатки без изобретения нового интерфейса).
Обратите внимание, что последний стандарт DisplayPort (1.3, 15 сентября 2014 г.) поддерживает дисплеи 32 Гбит/с и 5k (5120×2880 пикселей).
Задержка действительно является одной из ее ключевых частей — вы не можете, например, резко расширить сеть Ethernet за пределы ее расчетного предела, просто задав условия сигнала, поскольку временных поправок в протоколе будет недостаточно. Точно так же протоколы, предназначенные только для нескольких метров, как правило, не будут иметь допусков по времени для достижения расстояний по шкале Ethernet.
@Chris Stratton - USB 3 ослабляет ограничение задержки USB 2, и DP не нужно жесткое ограничение. Тем не менее, оба имеют гораздо более ограниченный диапазон, чем Ethernet через UTP, в 50 раз. Объяснение должно быть чем-то другим, кроме задержки. RjR - я имел в виду ограничение по дальности, а не по скорости передачи данных.
Все сводится к «дизайну по стоимости/требованиям». Основная причина, по которой существует так много различных протоколов передачи, заключается в том, что нет ни одного, который отвечал бы всем требованиям для всего. Таким образом, компании разрабатывают новые системы, отвечающие всем их требованиям, кроме одного. Да, теоретически можно было бы создать единую систему, которая покрывает 90% всех потребностей, но это сразу же означает, что компании не могут зарабатывать деньги на своих собственных проприетарных системах. Кроме того, все, что вы можете придумать, устареет через несколько лет.
Другая причина заключается в том, что большинство систем требуют обратной совместимости. SATA является производным от IDE/ATA, которые, в свою очередь, произошли от уже устаревшей шины PC ISA. То же самое для Ethernet; коммутаторы обратно совместимы с полудуплексными 10bT и 100bT. Это, в свою очередь, накладывает ограничения на поддерживающие их протоколы, которые могут вводить всевозможные ограничения, включая задержку, подавление шума, мощность сигнала и т. д.
@RJR - стоимость, безусловно, объясняет это, но тогда почему это стоит дороже? Мкейт сказал, что «Ethernet включает в себя очень сложную обработку сигналов», но что это такое? Используемые xDSL многочастотные несущие, адаптивные скорости, измерение и подавление шума или что-то еще? Мощность сигнала объяснила бы это, но действительно ли мощность Ethernet настолько выше, чем у других, что объясняет его 50-кратное преимущество в дальности? Обратная совместимость не объясняет ограничения диапазона Displayport или USB 3 (не USB 2). Высокая мощность и обработка сигналов кажутся наиболее правдоподобными общими объяснениями.
Например, Ethernet Porthem требует использования магнитов для гальванической развязки. Это важно, потому что более длинные кабели означают, что вы не можете использовать общее заземление между системами. Поскольку магниты (в основном трансформаторы) — это физические устройства, которые нельзя реализовать на чистом кремнии, они дороги. Полный Ethernet PHY будет стоить минимум пару долларов, а USB-чип можно сделать за несколько центов. С DSL история аналогична.
@RJR - Можете ли вы скопировать свои комментарии о более высокой стоимости из-за гальванической развязки и более высокой мощности в свой ответ? Я отмечу его как принятый.

Как я вижу из обновленного описания и собранных комментариев к вопросу (« Почему Ethernet на UTP имеет гораздо больший радиус действия, чем другие современные протоколы? »), ОП интересует два аспекта (и я предполагаю, что больше во втором: -) здесь:

1) здравый смысл, который он определял как

Я спрашиваю об электронике, а не о сети, поскольку это проблема физической связи, а не проблемы с сетью.

2) особый смысл, о котором он высказался в своем комментарии

... было бы неплохо иметь возможность подключать удаленные веб-камеры (USB) на расстоянии нескольких десятков метров для использования в качестве дешевых камер безопасности и перемещать шумный компьютер в шкаф на расстоянии 20 м от дисплея (Displayport).

Пожалуйста, начните со второго аспекта, потому что он кажется мне более простым.

20+ м USB-канал

Проблем с USB-линком такой длины нет. В этом случае необходимо использовать так называемый «активный удлинитель» (один или несколько последовательно уложенных), например , такой . Он один может охватывать пролет до 20 м. Да, в этом случае вам нужно запитать дальнюю камеру отдельно (т.е. не от AEC), но я думаю, что это небольшая дополнительная плата за такой сценарий. И да, это дорого (~100 долларов за штуку), но целевые камеры дешевые :-)

Для DisplayPort тоже существуют AEC, попробуйте это , например. Они также дороги (~ 100 долларов США за штуку за указанный AEC длиной 15 м). Но я так понимаю нужно всего 1-2 шт и только один раз на ближайшие 5-10 бесшумных лет :-)

По сравнению с ними, 20-метровая UTP Cat5e выглядит такой дешевой (~ 10 долларов США за штуку), да еще и магнитной, но камера с поддержкой Ethernet не во всем. Таким образом, вы можете использовать дешевую USB-камеру, соединенную с преобразователем USB в Ethernet (поиск на E-Bay, ~ 5 долларов США за шт), и последняя проблема, которую мы все еще не можем решить, — это необходимость в дополнительном пути питания для камеры. .

Тогда, как вы видите, ваша конкретная проблема имеет решение.

Почему Ethernet может...

RJR в своем ответе показывает несколько технических причин, которые я считаю ложными («сложность», «без DMA», «стоимость»), но это не так, а вторично --- это так.

Основная причина проста, и это... (та-да:-) мощность, необходимая для включения связи.

Посмотрите на цифры:

100BASE-TX: Micrel KS8041 PHY (with xformer)  ....
  for about 200 Mbps (both dirs),  consumes  about 0.33 W,  i.e.  ~3 mW/m @ 100 m span

1000BASE-T: Micrel KS9021 PHY (with xformer)  ....
  for about 2 Gbps (both dirs),    consumes  about 1.12 W,  i.e. ~10 mW/m @ 100 m span

USB 2.0: FTDIChip FT232R IC (self feed only)  ....
  for about 480 Mbps (both dirs),  consumes  about 0.08 W,  i.e. ~15 mW/m @ 5 m span

G.SHDLS: Infinion SOCRATES IC (with hibrid)  ....
  for up to 4 Mbps (both dirs),    consumes  about 2.00 W,  i.e.  ~2 mW/m @ 1000 m span

Как это можно интерпретировать? Я предпочитаю это:

  • если вы хотите более высокую скорость, вам нужно больше мощности,

  • если вы хотите большее расстояние, вам также нужно больше мощности,

  • если вы хотите более широкий запас SNR, вам снова нужно больше мощности,

НО:

  • в любом случае, сохраняйте энергоэффективность вашей технологии.

Другими словами: почему USB выигрывает на столовых дистанциях? потому что неэффективно тратить в 4 (12) раз больше энергии, когда можно работать только с 0,08 Вт. И почему Ethernet выигрывает на больших расстояниях? потому что опять же, неэффективно тратить в 5 (2) раза больше энергии, когда можно работать только на 0,25 (2,5) начальной скорости.

Все остальные причины, если они есть, только и только второстепенны.

PS Для того, чтобы мое мнение о «ложности» технических причин RJR не было голым, я обещаю (постараюсь) описать это информативно, насколько смогу, если кто-нибудь задаст отдельный вопрос об этом (я не буду объяснять это здесь, потому что это далеко выходит за рамки вопроса ОП).

PPS Кроме того, поскольку я обнаружил, что мой предыдущий ответ был отвергнут, я думаю, что не объяснил сходство между 1000BASE-T и xDSL достаточно ясно, чтобы его мог понять сторонний рецензент. Поэтому, если кто-то тоже задаст отдельный вопрос об этом сходстве, я обещаю (постараюсь) ответить и на него.

100BASE-T2 и -T4 (не -TX), 1000BASE-T, 10GBASE-T PHY используют схемы кодирования, работающие как схемы xDSL. xDSL — это технологии «последней мили», и они были разработаны для связи на расстояниях от нескольких километров и более.

SATA, PCI-E, USB 3.0 используют схемы кодирования, очень похожие на семейства BASE-X Ethernet (100BASE-X, 1000BASE-X, 10GBASE-X), которые намного проще, чем перечисленные xDSL-подобные физические подуровни Ethernet.

Теоретически SATA, PCI-E, USB-3.0 могут быть сопоставлены с перечисленными xDSL-подобными уровнями Ethernet PCS/PMA, но... для чего? Все они своего рода периферия (магистрали данных), а не телеком.

Хорошо, mkeith говорит, что это из-за сложной обработки сигналов Ethernet, DoxyLover говорит, что 10GBaseT дороже (имеет смысл, если обработка более сложная), а alex ответил подробно о более сложной обработке сигналов. Предполагая, что это правильно, это именно то объяснение, которое я искал. Но почему за ответ Алекса проголосовали? Отвечая на вопрос Алекса (для чего?), было бы неплохо иметь возможность подключать удаленные веб-камеры (USB) на расстоянии нескольких десятков метров для использования в качестве дешевых охранных камер, а шумный компьютер убрать в чулан на расстоянии 20 метров. с дисплея (Displayport).
(через день) ... нет объяснения отрицательного ответа на ответ Алекса, поэтому я принимаю его ответ.
Это полная ерунда. Схема кодирования почти не имеет отношения к расстоянию. Каждая современная цифровая схема передачи, кроме самой простой, имеет какую-то коррекцию ошибок. Способ, которым xDSL достигает своего расстояния, заключается в использовании нескольких частот, активных измерений шума и адаптации скорости модуляции для каждой частоты и (для большинства современных систем, использующих векторизацию) методов шумоподавления. Ничто из этого не имеет ничего общего со схемой кодирования (которая представляет собой базовое решетчатое кодирование).
Кроме того, DSL и Ethernet НЕ используют одну и ту же схему кодирования. Ethernet использует PAM (импульсно-амплитудную модуляцию) или NRZ, в то время как xDSL использует QAM (квадратурную амплитудную модуляцию), которая учитывает как фазу, так и амплитуду сигнала.
@RJR - SE не сказал мне, что вы добавили комментарии; Я их только сейчас заметил. Я не принял ответ Алекса. Если гигабитный Ethernet (и выше) через UTP не использует несколько несущих частот, адаптивные скорости, а также измерение и подавление шума, то я все еще не могу найти правдоподобного ответа на свой вопрос, кроме общей «очень сложной обработки сигналов» mkeith. .
Почему Ethernet на UTP имеет гораздо больший радиус действия, чем другие современные протоколы?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v