Ethernet

Ethernet Full-Duplex

Jednoczesna komunikacja dwukierunkowa eliminująca potrzebę wykrywania kolizji.

Tryby transmisji: półdupleks i pełny dupleks

Pełny dupleks w Ethernecie oznacza niezależne przesyłanie danych w obu kierunkach. W telekomunikacji wyróżnia się trzy tryby transmisji określane przez kierunek przepływu danych. Tryb opisuje relację nadajnika i odbiornika na danym łączu, niezależnie od protokołu warstwy aplikacji.

Simpleks

Dane płyną tylko w jednym kierunku. Przykładem jest transmisja radiowa lub łącze jednokierunkowe. Jedno urządzenie pozostaje nadajnikiem, a drugie odbiornikiem.

Półdupleks (half-duplex)

Dane mogą płynąć w obu kierunkach, lecz nie w tym samym czasie. Nadajnik musi zakończyć transmisję, zanim drugi kierunek uzyska dostęp do medium. Krótkofalówka jest typowym przykładem półdupleksu.

Pełny dupleks (full-duplex)

Dane mogą płynąć w obu kierunkach jednocześnie. Nadajnik i odbiornik mogą prowadzić transmisję w obu kierunkach w tym samym czasie. Rozmowa telefoniczna jest typowym przykładem pełnego dupleksu.

Wczesny Ethernet ze współdzielonym medium, na przykład magistralą koncentryczną lub koncentratorem, działał w półdupleksie. Stacje musiały uzgadniać dostęp do jednego kanału, co ograniczało wykorzystanie łącza. Przełączane łącza punkt-punkt umożliwiły stosowanie pełnego dupleksu, w którym kierunki transmisji mają niezależne zasoby warstwy fizycznej.

Półdupleks i domena kolizyjna

W środowisku Ethernetu półdupleksowego wszystkie urządzenia są częścią jednej . Jeden kanał obsługuje nadawanie i odbiór, dlatego urządzenia używają CSMA/CD do koordynacji dostępu. Najważniejsze właściwości tego trybu to:

  • Nasłuch przed transmisją: Urządzenie czeka, aż medium będzie bezczynne, zanim zacznie wysyłać dane.
  • Monitorowanie podczas transmisji: Urządzenie obserwuje medium podczas wysyłania i wykrywa kolizję, gdy inna stacja zacznie nadawać w tym samym czasie.
  • Współdzielona przepustowość: Całkowita przepustowość łącza, na przykład 100 Mb/s, jest wspólna dla nadawania i odbioru. W danym momencie medium nadaje, odbiera albo jest bezczynne. Przepustowość użyteczna jest niższa od nominalnej z powodu oczekiwania i obsługi kolizji. Dostępna pojemność jest więc dzielona między stacje rywalizujące o ten sam segment.

Technologie umożliwiające pełny dupleks

Przejście z półdupleksu na pełny dupleks wymagało przełączników Ethernet oraz okablowania obsługującego niezależne kierunki transmisji.

  1. Przełączniki Ethernet: Koncentrator rozsyła sygnał do wszystkich portów, natomiast przełącznik przekazuje ramkę do portu wynikającego z tablicy MAC. Połączenie komputera z przełącznikiem jest łączem punkt-punkt i nie jest wspólnym medium dla innych hostów. Każdy port ma własną domenę kolizyjną, a ustawienie pełnego dupleksu musi być zgodne po obu stronach.
  2. Okablowanie wieloparowe: Standardy 100BASE-TX i 1000BASE-T używają skrętki z wieloma parami przewodów, zwykle czterema. W 100BASE-TX jedna para służy do nadawania (TX), a inna do odbioru (RX). W 1000BASE-T wszystkie cztery pary przenoszą sygnały w obu kierunkach, a układy PHY rozdzielają własny sygnał od sygnału odebranego.

Przełącznik oraz właściwie dobrane PHY i okablowanie tworzą łącze punkt-punkt. W 100BASE-TX kierunki korzystają z odrębnych par, a w 1000BASE-T separacja odbywa się dzięki obróbce sygnału. Obsługa kolizji CSMA/CD jest na takim pełnodupleksowym łączu wyłączona.

Skutki działania w pełnym dupleksie

Włączenie pełnego dupleksu na przełączanym łączu Ethernet punkt-punkt usuwa rywalizację o wspólne medium i zmienia sposób obsługi transmisji. Tryb wpływa na dostęp do medium, a szybkość łącza pozostaje szybkością skonfigurowanego portu.

1. Brak kolizji

Na pełnodupleksowym łączu punkt-punkt nie występują kolizje CSMA/CD, dlatego mechanizm CD nie jest potrzebny. Urządzenie wyłącza logikę CSMA/CD, nie wykonuje losowego wycofania i może rozpocząć nadawanie po spełnieniu wymaganego odstępu między ramkami. Autonegocjacja może uzgodnić szybkość i dupleks, a niezgodność ustawień powoduje błędy i utratę ramek.

Usunięcie oczekiwania na medium

Urządzenie nie czeka na zwolnienie wspólnego medium, nie wysyła sygnału Jam i nie wykonuje wycofania po kolizji. Opóźnienie nadal zależy od czasu przetwarzania, kolejek i właściwości łącza.

2. Przepustowość w obu kierunkach

Urządzenie może jednocześnie wysyłać i odbierać dane, dlatego przepustowość zagregowana dla obu kierunków jest sumą przepływności nadawania i odbioru. Nie oznacza to zwiększenia szybkości pojedynczego kierunku: port 100 Mb/s nadal nadaje najwyżej 100 Mb/s, lecz może osiągnąć tę wartość równocześnie w obu kierunkach.

Łącze 100 Mb/s w półdupleksie

Całkowita współdzielona pojemność: 100 Mb/s.
(W danej chwili wysyłanie albo odbieranie z prędkością do 100 Mb/s)

Łącze 100 Mb/s w pełnym dupleksie

Całkowita zagregowana przepustowość: 200 Mb/s.
(100 Mb/s wysyłania oraz 100 Mb/s odbierania jednocześnie)

Dla aplikacji o symetrycznym ruchu, na przykład serwera plików obsługującego żądania i wysyłającego dane, dostępność obu kierunków zwiększa możliwą przepustowość zagregowaną. W ruchu niesymetrycznym korzyść zależy od tego, czy obciążone są oba kierunki.

Pełny dupleks w Gigabit i 10-Gigabit Ethernecie

Pełny dupleks jest używany także w szybszych standardach. W 1000BASE-T (Gigabit Ethernet) wszystkie cztery pary służą jednocześnie do nadawania i odbierania. Układy DSP stosują hybrydy i eliminację echa, aby odróżnić sygnał własny od odebranego na tej samej parze. Rezultat to 1000 Mb/s w każdym kierunku, czyli 2000 Mb/s przepustowości zagregowanej. 10GBASE-T również działa jako łącze pełnodupleksowe, przy użyciu sygnalizacji określonej w IEEE 802.3. Pełny dupleks nie eliminuje przeciążenia odbiornika. Do sterowania przepływem można użyć ramek PAUSE, lecz nie są one mechanizmem wykrywania kolizji.

Powiązane artykuły