Rychlý, ale krátký Ethernet

Přechod z desetimegabitového Ethernetu na jeho stomegabitovou verzi neznamenal pouhé mechanické zvýšení přenosové rychlosti na desetinásobek, s tím že všechno ostatní bude zachováno přesně tak jako to bylo u původní verze. Zvýšení rychlosti si zákonitě vynutilo zkrácení maximálního možného dosahu v novém Ethernetu. Ne sice přesně desetinásobně, ale přesto dosti významným způsobem.

Ujasněme si nejprve, v čem je podstata problému: jde o to samé, na co jsme již jednou narazili, a to ve třetím dílu tohoto modulu, když jsme si vysvětlovali, jak se má chovat uzel který se dostal do kolize. Nesmí okamžitě přestat vysílat, ale musí naopak ještě nějakou chvíli ve vysílání pokračovat, tak aby kolizi mohly zaznamenat i všechny ostatní uzly, kterých se to může týkat. Vše je přitom vypočítáno tak, aby vzhledem ke konečné rychlosti šíření signálu a maximální možné vzdálenosti, po kterou se signál šíří, měl každý uzel možnost zaregistrovat kolizi nejpozději do takové doby, která odpovídá přenosu 64 bytů (resp. 512 bitů), měřeno od zahájení vysílání prvním účastníkem kolize. Těchto 64 bytů vytváří "kolizní okénko", během kterého ještě může vysílajícímu některý jiný uzel "skočit do řeči" (vyvoláním kolize). Naopak po uplynutí tohoto kolizního okénka již má vysílající jistotu, že ke kolizi nedojde.

Nyní ale zpět k našemu problému: pravidlo o 64 bytech, od kterého je mimochodem odvozena i minimální velikost Ethernetového rámce, samozřejmě platí beze změny jak v desetimegabitovém, tak i ve stomegabitovém Ethernetu. V obou ale odpovídá jinak velikému časového úseku: při rychlosti deseti megabitů za sekundu zabere přenos zmíněných 64 bytů, alias 512 bitů celkem 51,2 mikrosekundy. Při rychlosti desetkrát větší to naopak zabere desetkrát kratší dobu, tj. 5,12 mikrosekund. V obou případech se ale musí stihnout to, aby se signál rozšířil tam a zpět po své nejdelší možné trase, aby se informace o případné kolizi korektním způsobem dostala ke všem uzlům, kterých se týká. No a právě to je důvod, proč se u rychlého Ethernetu setkáme s menším dosahem, než u Ethernetu desetimegabitového.

Opakovače v rychlém Ethernetu

Než se ale dostaneme ke konkrétním pravidlům, která definují maximální možný rozsah rychlého Ethernetu, musíme si nejprve říci, jak je to v rychlém Ethernetu s opakovači. Tato zařízení, fungující na úrovni fyzické vrstvy, totiž kolize propouštějí, a proto se započítávají do úseku, kterého se týká výše naznačené omezení. Pro úplnost ještě dodejme, že obecně se tomuto úseku říká kolizní doména (collision domain), a je to vše, co je spojeno pomocí opakovačů (a co končí na nejbližším mostu, switchi či směrovači).

Pro rychlý Ethernet (100BaseT) existují dva druhy opakovačů, povinně označované římskými číslicemi I a II. Opakovač třídy I se vyznačuje tím, že se snaží rozpoznávat jednotlivé bity, které skrz něj prochází - což znamená, že musí rozumět způsobu jakým jsou při přenosu po jednotlivých přenosových cestách znázorněny (kódovány), a musí je umět "dekódovat". Díky tomu takovýto opakovač může propojovat segmenty vytvořené z různých přenosových cest - například z optických vláken (dle standardu 100BaseFX) a kroucené dvoulinky kategorie 3 (dle standardu 100BaseF4, viz minule). Nevýhodou je ale skutečnost, že "interpretování" jednotlivých bitů je záležitostí relativně složitou, která způsobuje určité (relativně velké) zpoždění signálu při jeho průchodu tímto opakovačem. V důsledku toho pak smí být v každé kolizní doméně nejvýše jeden takovýto opakovač.

Opakovač třídy II se vyznačuje tím, že se naopak nesnaží interpretovat jednotlivé bity které skrz něj prochází - nezabývá se tím, jak jsou kódovány, resp. "nerozkódovává" příslušný signál, a pouze jej zesiluje. Díky tomu může tento opakovač fungovat rychleji, resp. vytvářet menší zpoždění procházejícímu signálu, a v důsledku toho mohou být v jedné kolizní doméně až dva takovéto opakovače. Na druhé straně daní, kterou za způsob svého fungování platí, je jeho neschopnost propojit mezi sebou segmenty z přenosových cest používajících různé kódování datových bitů. Jelikož standardy 100BaseTX (kroucená dvoulinka kategorie 5) a 100BaseFX (optická vlákna) používají stejné kódování, zatímco standard 100BaseT4 jiné, dokáže opakovač třídy II propojit mezi sebou například optický segment a segment na kroucené dvoulince kategorie 5, ale už ne třeba optický segment a segment na kroucené dvoulince kategorie 3.

Pravidla pro stanovení maximálního dosahu

Nyní, po ujasnění podstaty opakovačů v rychlém Ethernetu, se již můžeme zmínit o způsobu jakým je zde určen maximální dosah - přesněji maximální velikost kolizní domény. Z úvodu již víme, že hlavním omezujícím faktorem je potřeba "vejít se" do kolizního okénka velikosti 512 bitů, odpovídajícího 5,12 mikrosekundy. Jeden možný přístup tedy je vzít jednotlivé komponenty, zjistit k jakým zpožděním na nich dochází, vše sečíst pro cestu signálu tam a zpět (přidat i určitou rezervu), a pak se podívat jestli je výsledek pod magickou hranicí odpovídající 512 bitů, resp. 5,12 mikrosekundy. V praxi lze použít typické hodnoty: například zpoždění na jednom opakovači třídy I odpovídá délce 140 bitů, zatímco na opakovači třídy II se všemi porty TX/FX 92 bitům, a na opakovači s alespoň jedním portem T4 pouze 67 bitům. Optický kabel, díky konečné rychlosti šíření světla, vytváří zpoždění odpovídající přesně 1 bitu na jeden metr své délky, zatímco kroucená dvoulinka kategorie 3 zpoždění 1,14 bitu, a dvoulinka kategorie 5 zpoždění 1,112 bitu na metr atd. V praxi ale mohou platit i přesnější hodnoty, které by měl být schopen poskytnout výrobce konkrétního opakovače, kabelu atd.

Právě popsaný výpočet, který jsme si jen naznačili pro celkovou představu o jeho podstatě (ve skutečnosti je poněkud detailnější), může být pro praktické použití příliš komplikovaný. Proto existuje ještě další možný přístup ke stanovení maximálního možného rozsahu kolizní domény, kterým je aplikování předem stanovených (vypočítaných) pravidel. Ta vychází z následujících premis (které berou v úvahu i další faktory než jen pouhé časové závislosti):

• Žádný segment z kroucené dvoulinky nesmí být delší než 100 metrů
• Žádný optický segment nesmí být delší než 412 metrů.
• Délka tzv. MII kabelů (mezi síťovou kartou a transceiverem, pokud jsou použity externí transceivery), nesmí být delší než 0,5 metru.

Aplikací těchto pravidel, s uvážením zpoždění na jednotlivých opakovačích a možností jejich použití, pak vychází následující tabulka (podle http://www.ots.utexas.edu/ethernet/100quickref/ch14qr_5.html):

Plně duplexní rychlý Ethernet

Nesmírně zajímavý vliv má na možný maximální dosah rychlého Ethernetu jeho plně duplexní varianta. Ta je z principiálních důvodů možná jen nad kabeláži z kroucené dvoulinky kategorie 5 a nad optickými vlákny (které používají dvě přenosové cesty, každou jednosměrným způsobem), tedy pro standardy 100BaseTX a 100BaseFX. Naproti tomu varianta s kroucenou dvoulinkou kategorie 3 (100BaseT4) vyžaduje 4 páry kroucených vodičů, a při přenosu je používá všechny současně pro přenos jedním směrem, takže možnost současného obousměrného přenosu zde nepřipadá v úvahu.

Důležité ale je, že jakmile rychlý Ethernet (dle 100BaseTX nebo FX) funguje plně duplexně, pak nemůže být provozován po sdíleném segmentu (ale pouze po dedikovaném segmentu, na kterém nemůže z principu docházet ke kolizím, protože je nemá kdo vyvolat). Mechanismus detekce kolizí zde dokonce musí být odstraněn, protože jinak by současně probíhající příjem a vysílání interpretoval právě jako kolizi. V důsledku toho ale odpadá důvod, kvůli kterému vychází dosti nepříjemná omezení velikosti kolizní domény. V případě plně duplexního Ethernetu se pak uplatňují už jen další faktory typu útlumu, které ale dovolují například na mnohovidovém optickém vláknu dosáhnout jedním souvislým kabelovým segmentem až například na vzdálenost 2 km.