Opowieść o Dwóch Rozmowach: Półdupleks kontra Pełny Dupleks

Aby zrozumieć znaczenie pełnego dupleksu w Ethernecie, kluczowe jest najpierw zrozumienie różnych sposobów przepływu komunikacji. W telekomunikacji istnieją trzy fundamentalne tryby transmisji, z których każdy jest zdefiniowany przez kierunek przepływu danych.

Wczesny Ethernet, ograniczony przez swoją fizyczną budowę opartą na mediach współdzielonych, takich jak kable koncentryczne i koncentratory, był zmuszony do działania w trybie półdupleksu. Było to poważne wąskie gardło, ponieważ urządzenia musiały grzecznie czekać na swoją kolej, by "przemówić" w sieci. Przejście na pełny dupleks było rewolucyjnym krokiem, który uwolnił prawdziwy potencjał wydajności Ethernetu.

Dziedzictwo Półdupleksu: Świat Kolizji

W środowisku Ethernetu półdupleksowego wszystkie urządzenia są częścią jednej domeny kolizyjnej. Ponieważ istnieje tylko jeden wspólny kanał do wysyłania i odbierania, urządzenie musi używać protokołu CSMA/CD do koordynacji dostępu. Kluczowe wnioski z tego trybu pracy to:

• Słuchaj zanim zaczniesz mówić: Urządzenie musi czekać, aż linia będzie cicha, zanim zacznie wysyłać dane.
• Słuchaj mówiąc: Urządzenie musi monitorować linię podczas wysyłania, gotowe do wykrycia kolizji, jeśli inne urządzenie zacznie nadawać w tym samym czasie.
• Współdzielona Przepustowość: Całkowita przepustowość łącza (np. 100 Mb/s) jest współdzielona na potrzeby nadawania i odbierania. W każdym momencie łącze jest albo w stanie nadawania, albo odbierania, albo jest bezczynne. Efektywna przepustowość jest zawsze niższa od nominalnej prędkości łącza z powodu czasu traconego na oczekiwanie i odzyskiwanie po kolizjach.

Technologie Umożliwiające Pełny Dupleks

Przejście z półdupleksu na pełny dupleks nie było tylko zmianą w protokole; stało się to możliwe dzięki dwóm kluczowym postępom w sprzęcie sieciowym: przełącznikom Ethernet i nowoczesnemu okablowaniu typu skrętka.

1. Przełączniki Ethernet: W przeciwieństwie do koncentratora, który rozgłasza sygnały na wszystkie porty, przełącznik tworzy dedykowane połączenia punkt-punkt. Kiedy komputer na porcie 1 wysyła ramkę do serwera na porcie 8, przełącznik tworzy wirtualny obwód tylko między tymi dwoma portami. To eliminuje medium współdzielone. Połączenie komputera z przełącznikiem staje się prywatną linią, a nie linią wielostronną.
2. Okablowanie Wieloparowe: Nowoczesne standardy Ethernet, takie jak 100Base-TX i 1000Base-T, używają kabli typu skrętka, zawierających wiele par przewodów (zazwyczaj cztery). Co kluczowe, różne pary są używane do wysyłania i odbierania. Na przykład w 100Base-TX jedna para przewodów jest dedykowana do transmisji danych (para TX), a zupełnie oddzielna para jest dedykowana do odbierania danych (para RX).

Łącząc te dwie technologie, tworzymy sytuację, w której urządzenie ma prywatną, dwupasmową autostradę do przełącznika. Dane, które wysyła, podróżują jednym pasem (para TX), a dane, które odbiera, podróżują drugim (para RX). Ponieważ ścieżki te są fizycznie oddzielne, czołowe zderzenia między sygnałami nadawanymi i odbieranymi są fizycznie niemożliwe.

Głęboki Wpływ Działania w Pełnym Dupleksie

Włączenie trybu pełnego dupleksu na przełączanym łączu Ethernet typu punkt-punkt fundamentalnie zmienia sposób działania sieci i zapewnia ogromny wzrost wydajności.

1. Śmierć Kolizji

Ponieważ kolizje są teraz fizycznie niemożliwe na łączu, mechanizm „Wykrywania Kolizji” (CD) protokołu CSMA/CD nie jest już potrzebny. Urządzenie działające w trybie pełnego dupleksu wyłącza swoją logikę CSMA/CD. Nie nasłuchuje przed nadawaniem i nie martwi się o wykrywanie kolizji. Po prostu przesyła ramkę, gdy tylko protokoły wyższej warstwy mają ją gotową do wysłania.

2. Podwojenie Przepustowości

To najsłynniejsza korzyść komunikacji w pełnym dupleksie. Ponieważ urządzenie może jednocześnie wysyłać i odbierać dane na oddzielnych parach przewodów, teoretyczna przepustowość łącza zostaje skutecznie podwojona.

Dla aplikacji o symetrycznym charakterze ruchu, jak serwer plików, który jednocześnie odbiera żądania i wysyła dane, to podwojenie pojemności prowadzi do ogromnej poprawy wydajności w świecie rzeczywistym.

Pełny Dupleks w Gigabit i 10-Gigabit Ethernecie

Zasada pełnego dupleksu jest kontynuowana w szybszych standardach Ethernet, ale jej implementacja staje się jeszcze bardziej zaawansowana. W 1000Base-T (Gigabit Ethernet) system w sprytny sposób wykorzystuje wszystkie cztery pary przewodów do jednoczesnego nadawania i odbierania na każdej parze. Jest to możliwe dzięki zaawansowanym cyfrowym procesorom sygnałowym (DSP), które używają układów hybrydowych i technik eliminacji echa, pozwalając urządzeniu odróżnić własny nadawany sygnał od odbieranego na tej samej parze. Mimo tej zaawansowanej techniki, logiczny wynik jest taki sam: 1000 Mb/s dedykowanej przepustowości w każdym kierunku, co daje łączną zagregowaną przepustowość 2000 Mb/s.