Довжина кабелю USB та Ethernet

Я говорив з колегою про обмеження довжини кабелю USB, і, наскільки я пам'ятаю, його обмежувало тісне вікно, від якого хост вимагає від пристрою реагування ( тут згадується ).

Він зазначив, що Ethernet передає дані з більш високою швидкістю ( USB 1,5 / 12/480/5000 Мбіт / с (залежно від режиму) проти 10/100 Гбіт / с Ethernet) і дозволяє отримати більшу довжину кабелю ( 100 м для кабелю CAT6 ).

Тому я думаю, що нам обом цікаво, який аспект протоколу USB обмежує довжину кабелю до 5 м і чим це відрізняється від Ethernet?

За даними Вікіпедії :

USB 2.0 забезпечує максимальну довжину кабелю в 5 метрів для пристроїв, що працюють на високій швидкості (480 Мбіт / с). Основна причина цієї межі - максимально дозволена затримка в обороті близько 1,5 мкс. Якщо USB-хост-команди не відповідають на пристрої USB протягом дозволеного часу, хост вважає команду втраченою. При додаванні часу відгуку пристрою USB, затримок від максимальної кількості концентраторів, що додаються до затримок з підключенням кабелів, максимальна допустима затримка на один кабель становить 26 нс. Специфікація USB 2.0 вимагає, щоб затримка кабелю була менше 5,2 нс на метр (192 000 км / с, що близьке до максимально досяжної швидкості передачі для звичайного мідного дроту).

Таким чином, із затримкою на кабель 26ns та специфікацією, яка вимагає затримки кабелю, бути менше 5,2ns / m, що дає теоретичну максимальну довжину кабелю 26ns / (5,2ns / m) = 5m.

Це джерело також згадує, що USB 2.0 обмежений 5м, але USB 3.0 - ні.

USB був розроблений для заміни різних периферійних інтерфейсів для ПК, включаючи такі речі, як клавіатури та миші. Пріоритети включали низьку вартість, низьке енергоспоживання та пропускний трафік високого пріоритету з низькою затримкою. Підтримка великої довжини кабелю не була пріоритетною. Тож на стороні протоколу вони перейшли на простий напівдуплексний протокол "говорити, коли тебе говорять" з невеликими розмірами пакетів. З боку апаратного забезпечення вони розробили неізольовану диференціальну систему сигналізації, яка зайняла деякі комбінації клавіш по завершенню.

USB поступово розвивався, щоб додати більш високі швидкості та повний дуплекс, але більша відстань ніколи не була метою дизайну.

Ethernet (в ранньому вигляді) мав різний набір проектних критеріїв. Він був розроблений як стандарт локальної мережі, жодна станція не була майстром, і вони використовували систему множинного доступу з носієм зв'язку з виявленням зіткнень. Щоб забезпечити належне спрацювання виявлення зіткнень, вони встановлювали обмеження як на мініатюрний розмір пакету, так і на загальний розмір мережі. Фізичний рівень був розроблений з набагато більш ретельним завершенням, щоб забезпечити збереження цілісності сигналу навіть на тривалих дистанціях. Був ізоляційний бар'єр для захисту від проблем, спричинених різницею потенціалів заземлення в довгострокових періодах (кручена пара Ethernet використовує трансформатори, я вірю коаксіальним Ethernet, використовуючи оптоізолятори та перетворювачі постійного струму в постійний струм)

CSMA / CD добре працював у невеликих локальних мережах 10 Мбіт / с, але він почав демонструвати напругу, оскільки швидкість зростала, а мережі зростали. Були введені мости (пізніше відомі як комутатори), що дозволяло розбивати мережі на кілька доменів зіткнення. Це дозволило збільшити кількість мереж, ніж обмеження, накладені CSMA / CD, а також дозволило співіснувати декілька швидкостей.

Пізніше Ethernet відійшов від CSMA / CD ¹ та концентраторів у напрямку до пункту повного дуплексного зв'язку та комутаторів. Це дозволяє високошвидкісні міжміські зв’язки, оскільки пакети ніколи не можуть стикатися один з одним.

Хоча за все це варто заплатити, але фізичні шари, які можуть працювати на великих відстанях, потребують значно більшої енергії та, можливо, дорожчих приймачів, ніж ті, які призначені лише для роботи на невеликій відстані. Буфер даних, в кінцевому рахунку, пристрої повинні бути набагато більшими, щоб вирішити потенційно довгий час підтвердження та потенційну втрату пакету. Вимикачі - це досить складні пристрої, що часто включають значну кількість буферної пам'яті. Визначення пріоритетів вимагає, щоб кожен перемикач ланцюга повинен знати про інформацію про пріоритетність.

¹ На концентраційних центрах 10 Мбіт / с і CSMA / CD були майже універсальними. Ранні розгортання 100 Мбіт / с також широко використовуються концентратори та CSMA / CD. Пізніше мережі 100 Мбіт / с мали тенденцію використовувати повні дуплексні посилання та комутатори. На гігабіті стандарти включали CSMA / CD та концентратори, але я ніколи не чув, щоб хтось продавав гігабітний концентратор. Підтримка CSMA / CD та концентраторів на рівні 10 гігабітів і вище не існує взагалі.

Ще один аспект, який є важливим, - це те, що високошвидкісний Ethernet є повнодуплексним : використовуються дві кабельні пари, по одному для кожного напрямку. USB є напівдуплексним : є лише одна пара, і його можна використовувати відразу в одному напрямку.

USB також вимагає підтвердження, тоді як Ethernet цього не робить. Протоколи, що знаходяться поверх нього, можуть вимагати підтвердження (TCP), а можуть і не (потокове передавання UDP). Однак, оскільки це повний дуплекс, підтвердження можуть бути відправлені однією парою, не перериваючи потік даних, що йде в іншому напрямку.