Warum hat Ethernet auf UTP eine viel größere Reichweite als andere moderne Protokolle?

OCuLink, SATA, USB 3 und Displayport bieten alle in der Größenordnung von wenigen Gbit/s pro Signalisierungspaar und sind auf eine Kabellänge von nur wenigen Metern beschränkt. Ethernet über vergleichbare Verkabelung bietet vergleichbare Geschwindigkeit, aber 50-fache Länge! Beispielsweise kann 10GBaseT über Cat6a 100 m erreichen. Was erklärt diesen extremen Unterschied?

Ich frage eher in der Elektronik als im Netzwerk, da dies ein Problem mit der physischen Verbindung ist, kein Netzwerkproblem.

BEARBEITEN: Obwohl Latenz nicht die Erklärung zu sein scheint, haben die Leute es angesprochen, was mir eine Idee gab: Warum enthalten nicht alle kabelgebundenen Hochgeschwindigkeitsprotokolle eine Latenzmessung bei der Verbindung (mit einer Obergrenze von 200 ms für alle praktischen Zwecken) und fügen Sie dieser Messung eine feste Anzahl von Taktzyklen hinzu, um den Wiederholungszeitüberschreitungswert für die Dauer der Verbindung festzulegen? Dann wird das Timeout nie höher als nötig eingestellt, aber alle Verbindungen von einem Meter bis zu Tausenden von Kilometern können untergebracht werden, ohne nur durch Latenz begrenzt zu werden. Rauschmessung und -unterdrückung, adaptive Rate usw., um eine hohe Geschwindigkeit bei großer Reichweite zu erreichen, sind komplexer und unnötig für Protokolle, die für einige Meter oder vielleicht einige zehn Meter ausgelegt sind, aber nur die Latenzmessung scheint sehr einfach und lohnend zu sein. und würde willkürliche Latenzgrenzen wie in USB 2 vermeiden, ohne jedoch eine Standardisierung auf eine übermäßig hohe Zeitüberschreitungsgrenze zu erfordern. Es erfordert nur einen Ping und zählt dann die Taktzyklen, bis eine Antwort zu hören ist. (Um dumme Missverständnisse zu vermeiden: Ich meine nicht ICMP-Ping, sondern einen PHY-zu-PHY-Ping.)

Vergleichen Sie den Preis einer 10GBaseT-NIC mit dem eines SATA-Controllers. Selbst unter Berücksichtigung von Skaleneffekten ist 10GBaseT viel teurer in der Implementierung als alle anderen.
Ich glaube, der auffälligste Unterschied ist, dass Ethernet eine hochentwickelte Signalverarbeitung beinhaltet.
Das Hauptproblem bei Ihrer Bearbeitung ist, dass niemand dafür bezahlt wird, das perfekte Protokoll zu entwerfen. Im Idealfall würde alles optische Übertragung verwenden - keine Probleme mit Erdung, galvanischer Trennung und extrem hohen theoretischen Bitraten. Dann müssen Sie jedoch eine Reihe von Protokollen entwerfen, um darüber zu sitzen – auch hier werden Sie nie alle Unternehmen und Ingenieure dazu bringen, sich auf das bestmögliche Protokoll zu einigen. Warum nicht? xkcd.com/927 : deshalb... Das ist realistischer als Sie vielleicht denken: Jeder neue Standard ist besser, aber oft notwendigerweise nicht abwärtskompatibel.
Auch bei Ihrer Bearbeitung gehen Sie davon aus, dass das Protokoll mit der Latenz umgehen kann. Wenn es möglich ist, gibt es keinen Grund, es zu messen. Sie werden feststellen, dass viele Protokolle bereits die Latenz messen und im Grunde abschalten, wenn sie zu groß ist. Das Problem ist, dass größere Latenzen eine deutlich andere Hardware und einen anderen Code erfordern, um Dinge wie Taktwiederherstellung, korrektes Timing von Ereignissen usw. sicherzustellen. Es ist einfach nicht das Geld wert, diese für Systeme zu implementieren, die im Allgemeinen keine längeren Kabel benötigen. Es ist einfacher, diesen Anwendungsfall einfach zu ignorieren und das Design auf niedrigere Latenzen zu beschränken.
@RJR - Natürlich sind die Kosten die Erklärung für die Verwendung von elektrischer statt optischer Datenübertragung für kurze Reichweiten. Die Notwendigkeit, die Codierung zu ändern, nicht nur den Timeout-Wert, scheint eine gute Erklärung dafür zu sein, dass man sich nicht die Mühe macht, das Timeout anzupassen, um die Latenz zu berücksichtigen. Ich denke, ich hätte meine Bearbeitung als separate Frage stellen sollen.

Antworten (3)

Zuerst die technische Antwort:
Zum einen verwenden USB3 und SATA beide dünne verdrillte Litzenpaare (die USB3-Spezifikation besagt, dass das Kabel „so dünn wie möglich“ gemacht werden soll, wobei 26-34 AWG als Beispiel angegeben sind). 10 GbE verwendet vier solide, relativ dicke Twisted Pairs (mindestens 23 AWG). Die dickeren und massiven Litzen erzeugen eine größere Oberfläche, was wiederum einen geringeren Widerstand gegenüber hohen Frequenzen bedeutet (die sich aufgrund des Skin-Effekts auf unseren Schichten des Drahtes ausbreiten).

Zweitens ist SATA als Festplattenschnittstelle konzipiert. Es muss nicht in der Lage sein, die Leistung der Festplatte zu übertreffen. USB wird durch die Tatsache eingeschränkt, dass USB DMA (Direct Memory Access) nicht unterstützt, sodass für höhere Geschwindigkeiten die CPU des Peripheriegeräts zu einem begrenzenden Faktor wird.
Ethernet wurde entwickelt, um dedizierte Hardware zu verwenden, die eine Mehrpunkt-zu-Mehrpunkt-Topologie unterstützt. Es muss Datenraten aufrechterhalten, die weit über den Anforderungen einer einzelnen Station liegen. Es ist daher auch viel teurer.

Schließlich werden Verzögerungen bei diesen Geschwindigkeiten zu einem erheblichen Faktor. Ethernet ist jedoch speziell für ein verlustbehaftetes Medium mit hoher Latenz ausgelegt und kann daher mit langen Kabeln umgehen. (S)ATA ist das genaue Gegenteil - um maximale Leistung zu liefern, muss die Latenz auf ein Minimum reduziert werden.

Aus Kostengründen erfordert Ethernet die Verwendung von Magneten zur galvanischen Trennung. Dies ist wichtig, da die längeren Kabel bedeuten, dass Sie keine gemeinsame Erdung zwischen Systemen verwenden können. Da die Magnetik (im Grunde Transformatoren) physikalische Geräte sind, die nicht auf reinem Silizium implementiert werden können, sind sie teuer. Ein vollständiger Ethernet-PHY kostet mindestens ein paar Dollar, während ein USB-Chip für ein paar Cent hergestellt werden kann. Bei DSL ist die Geschichte ähnlich.

Zusammenfassend ist es nicht unbedingt das Kabel, das der limitierende Faktor ist (obwohl es auch auf Kosten ausgelegt ist).

Die nicht technische und vielleicht „wirklichere“ Antwort lautet, dass jede Technologie so konzipiert ist, dass sie ihre spezifischen Anforderungen zu einem bestimmten Zeitpunkt erfüllt. Die physische Schicht ist nur ein kleiner Teil der Geschichte.
Warum unterstützt der eine größere Entfernungen als der andere? Die Antwort lautet: „weil sie so konstruiert sind“.
Es kommt darauf an, 'Design to Cost / Requirements' zu machen. Dass es so viele verschiedene Übertragungsprotokolle gibt, liegt vor allem daran, dass es nicht eines gibt, das alle Anforderungen für alles erfüllt. Als solche entwerfen Unternehmen neue Systeme, die alle ihre Anforderungen erfüllen, aber eine andere. Ja, es würde theoretisch auf ein einziges System hinauslaufen, das 90 % der Bedürfnisse aller abdeckt, aber das bedeutet dann sofort, dass die Unternehmen mit ihren eigenen proprietären Systemen kein Geld verdienen können. Außerdem wird alles, was Sie sich einfallen lassen können, in ein paar Jahren veraltet sein.

RJR, Wikipedia sagt, dass sogar USB 2 ein verdrilltes Paar verwendet, also wären die Paare von USB 3 sicherlich auch verdrillt. Und es scheint, dass USB-Kabel und Cat6 eine ähnliche Drahtstärke verwenden, etwa 24 AWG.
SATA Express (NVMe oder AHCI über PCIe) wurde erstellt, weil SATA zu langsam war. Und Latenzgrenzen erklären nicht, warum Displayport so begrenzt ist wie SATA und USB 3.
Sie haben Recht, ich werde das USB-Twisted Pair in der Antwort ansprechen. Displayport ist nicht unbedingt "eingeschränkt" - es ist auf eine Spezifikation ausgelegt (mit der Apple meiner Meinung nach jetzt nicht zufrieden ist, da ihr neues Retina-iMac-Display eine höhere Bandbreite benötigt, als von Displayport und Thunderbolt unterstützt wird. Als solche können sie es kein externes Retina-Display herstellen, ohne eine neue Schnittstelle zu erfinden).
Beachten Sie, dass der neueste DisplayPort-Standard (1.3, 15. September 2014) 32-Gbit/s- und 5k-Displays (5120 × 2880 px) unterstützt.
Verzögerung ist in der Tat einer der wichtigsten Bestandteile davon - Sie können beispielsweise ein Ethernet-Netzwerk nicht drastisch über seine vorgesehene Grenze hinaus erweitern, indem Sie einfach Signalbedingungen hinzufügen, da die Zeitvorgaben im Protokoll nicht ausreichen würden. In ähnlicher Weise hätten Protokolle, die nur für wenige Meter gedacht sind, im Allgemeinen nicht die zeitlichen Möglichkeiten, Entfernungen im Ethernet-Maßstab zu erreichen.
@Chris Stratton - USB 3 lockert die Latenzbeschränkung von USB 2, und DP würde keine strenge Beschränkung benötigen. Beide sind jedoch um das 50-fache bereichsbeschränkter als Ethernet über UTP. Die Erklärung muss etwas anderes als Latenz sein. RjR - Ich meinte Reichweitenbegrenzung, nicht Datenratenbegrenzung.
Es kommt darauf an, 'Design to Cost / Requirements' zu machen. Dass es so viele verschiedene Übertragungsprotokolle gibt, liegt vor allem daran, dass es nicht eines gibt, das alle Anforderungen für alles erfüllt. Als solche entwerfen Unternehmen neue Systeme, die alle ihre Anforderungen erfüllen, aber eine andere. Ja, es würde theoretisch auf ein einziges System hinauslaufen, das 90 % der Bedürfnisse aller abdeckt, aber das bedeutet dann sofort, dass die Unternehmen mit ihren eigenen proprietären Systemen kein Geld verdienen können. Außerdem wird alles, was Sie sich einfallen lassen können, in ein paar Jahren veraltet sein.
Ein weiterer Grund ist, dass die meisten Systeme gewisse Anforderungen an die Abwärtskompatibilität stellen. SATA ist von IDE/ATA abgeleitet, die wiederum von dem inzwischen veralteten PC-ISA-Bus abgeleitet wurden. Gleiches gilt für Ethernet; Switches sind abwärtskompatibel mit Halbduplex 10bT und 100bT. Dies wiederum setzt den Protokollen, die sie unterstützen, Grenzen, was zu allen möglichen Einschränkungen führen kann, einschließlich Latenz, Rauschunterdrückung, Signalleistung usw.
@RJR - Kosten würden es sicherlich erklären, aber warum kostet es dann mehr? mkeith sagte, "Ethernet beinhaltet eine hochentwickelte Signalverarbeitung", aber was ist das? Sind es die mehreren Trägerfrequenzen, adaptiven Raten und die Rauschmessung und -unterdrückung, die xDSL verwendet, oder etwas anderes? Die Signalleistung würde es erklären, aber ist die Leistung von Ethernet wirklich so viel höher als die der anderen, um den 50-fachen Reichweitenvorteil zu berücksichtigen? Abwärtskompatibilität erklärt nicht die Reichweitenbeschränkungen von Displayport oder USB 3 (nicht USB 2). Hohe Leistung und Signalverarbeitung scheinen die plausibelsten allgemeinen Erklärungen zu sein.
@Porthem Ethernet erfordert beispielsweise die Verwendung von Magneten zur galvanischen Trennung. Das ist wichtig, da die längeren Kabel bedeuten, dass Sie keine gemeinsame Erdung zwischen Systemen verwenden können. Da die Magnetik (im Grunde Transformatoren) physikalische Geräte sind, die nicht auf reinem Silizium implementiert werden können, sind sie teuer. Ein vollständiger Ethernet-PHY kostet mindestens ein paar Dollar, während ein USB-Chip für ein paar Cent hergestellt werden kann. Bei DSL ist die Geschichte ähnlich.
@RJR - Können Sie Ihre Kommentare zu höheren Kosten aufgrund galvanischer Trennung und höherer Leistung in Ihre Antwort kopieren? Ich werde es als akzeptiert markieren.

Wie ich der aktualisierten Beschreibung und den gesammelten Kommentaren zu der Frage entnehmen kann („ Warum hat Ethernet auf UTP eine viel größere Reichweite als andere moderne Protokolle? “), ist das OP an zwei Aspekten interessiert (und ich nehme an, mehr am zweiten: -) Hier:

1) gesunder Menschenverstand, dass er definiert als

Ich frage eher in der Elektronik als im Netzwerk, da dies ein Problem mit der physischen Verbindung ist, kein Netzwerkproblem.

2) besonderen Sinn, darüber ließ er in seinem Kommentar verlauten

... es wäre schön, Remote-Webcams (USB) ein paar Dutzend Meter entfernt anschließen zu können, um sie als billige Überwachungskameras zu verwenden, und einen lauten Computer in einen Schrank zu stellen, der 20 m von einem Display (Displayport) entfernt ist.

Bitte beginnen Sie mit dem zweiten Aspekt, weil er mir einfacher erscheint.

20+ m USB-Verbindung

Bei einer so langen USB-Verbindung gibt es kein Problem. In diesem Fall müssen Sie ein sogenanntes "aktives Verlängerungskabel" (ein oder mehrere in Reihe gestapelt) verwenden, wie zum Beispiel dieses . Es kann eine Spannweite von bis zu 20 m überbrücken. Ja, in diesem Fall müssen Sie die entfernte Kamera separat mit Strom versorgen (dh nicht über das AEC), aber ich denke, es sind kleine zusätzliche Kosten, um dieses Szenario zu spielen. Und ja, es ist teuer (~100 USD/Stück), aber die Zielkameras sind billig :-)

Für DisplayPort gibt es auch AECs, versuchen Sie es zum Beispiel. Sie sind auch teuer (~100 USD/Stück für das 15 m lange AEC, auf das verwiesen wird). Aber soweit ich weiß braucht man nur 1-2 Stück und nur einmal für die nächsten 5-10 lärmfreien Jahre :-)

Im Vergleich dazu sieht ein 20-m-Cat5e-UTP so billig aus (~10 USD/Stk.) und dann magnetisch, aber eine Ethernet-fähige Kamera tut das überhaupt nicht. Daher können Sie die billige USB-Kamera in Verbindung mit einem USB-zu-Ethernet-Konverter verwenden (suchen Sie E-Bay, ~5 USD/Stk.), und das letzte Problem, das wir hier immer noch nicht lösen können, ist die Notwendigkeit eines zusätzlichen Strompfads für die Kamera .

Dann, wie Sie sehen können, hat Ihr spezielles Problem eine Lösung.

Warum Ethernet...

RJR zeigt in seiner Antwort mehrere technische Gründe, die ich falsch finde ("Raffinesse", "DMA-weniger", "Kosten"), aber es ist nicht der Fall, und zweitrangig - es ist der Fall.

Der Hauptgrund ist einfach und es ist ... (ta-da:-) die Kraft, die notwendig ist, um die Verbindung zu aktivieren.

Schauen Sie sich die Zahlen an:

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

Wie könnte dies interpretiert werden? Ich bevorzuge das:

  • wenn du eine schnellere geschwindigkeit willst, brauchst du mehr leistung,

  • wenn du eine längere strecke willst, brauchst du auch mehr power,

  • wenn Sie eine breitere SNR-Marge wollen, brauchen Sie wieder mehr Leistung,

ABER:

  • Halten Sie Ihre Technologie in jedem Fall energieeffizient.

Mit anderen Worten: Warum gewinnt USB tischlange Strecken? weil es ineffizient ist, 4 (12) mal mehr Strom zu verschwenden, wenn es möglich ist, mit nur 0,08 W zu arbeiten. Und warum gewinnt Ethernet beim Aufbau langer Entfernungen? Denn auch hier ist es ineffizient, 5 (2) mal mehr Leistung zu verschwenden, wenn dies möglich ist, um mit nur 0,25 (2,5) der Anfangsgeschwindigkeit zu arbeiten.

Alle anderen Gründe, falls vorhanden, sind nur und nur zweitrangig.

PS Für meine Meinung zu RJRs technischen Gründen, nicht nackt zu sein, verspreche ich, dies so informativ wie möglich zu beschreiben (zu versuchen), wenn jemand eine separate Frage dazu stellt (ich würde es hier nicht erklären, weil es so ist weit außerhalb des Rahmens der Frage des OP).

PPS Da ich meine vorherige Antwort als herabgestimmt empfand, glaube ich, dass ich die Ähnlichkeit zwischen 1000BASE-T und xDSL nicht klar genug erklärt hatte, um von einem Nebenprüfer verständlich zu sein. Wenn also auch jemand eine separate Frage zu dieser Ähnlichkeit stellt, verspreche ich, sie auch zu beantworten (zu versuchen).

100BASE-T2 und -T4 (nicht -TX), 1000BASE-T, 10GBASE-T PHYs verwenden Codierungsschemata, die wie xDSL funktionieren. xDSLs sind Last-Mile-Technologien und wurden entwickelt, um Entfernungen von Kilometern und mehr zu erreichen.

SATA, PCI-E, USB 3.0 verwenden Codierungsschemata, die den BASE-X-Ethernet-Familien (100BASE-X, 1000BASE-X, 10GBASE-X) sehr ähnlich sind, die viel einfacher sind als die aufgelisteten physikalischen xDSL-ähnlichen Ethernet-Unterschichten.

Theoretisch könnten SATA, PCI-E, USB-3.0 auf den aufgelisteten xDSL-ähnlichen Ethernet-PCS/PMA-Schichten abgebildet werden, aber ... wofür? Sie alle sind eine Art Peripherie (Datenautobahnen), nicht von der Telekom.

Ok, mkeith sagt, es liegt daran, dass die Signalverarbeitung von Ethernet ausgefeilter ist, DoxyLover sagt, dass 10GBaseT teurer ist (macht Sinn, wenn die Verarbeitung ausgefeilter ist), und Alex antwortete mit Details über die ausgefeiltere Signalverarbeitung. Vorausgesetzt, es ist richtig, ist dies genau die Erklärung, nach der ich gesucht habe. Aber warum wurde die Antwort von Alex abgelehnt? Um die Frage von Alex zu beantworten (wofür?): Es wäre schön, entfernte Webcams (USB) ein paar Dutzend Meter entfernt anschließen zu können, um sie als billige Überwachungskameras zu verwenden, und einen lauten Computer in einen 20 m entfernten Schrank zu stellen von einem Display (Displayport).
(einen Tag später) ... keine Erklärung für die Ablehnung von Alex 'Antwort, also akzeptiere ich seine Antwort.
Das ist völliger Unsinn. Das Codierungsschema hat kaum einen Bezug zur Entfernung. Jedes moderne digitale Übertragungsschema, abgesehen von den trivialsten, hat irgendeine Art von Fehlerkorrektur. Die Art und Weise, wie xDSL seine Reichweite erreicht, besteht in der Verwendung mehrerer Frequenzen, aktiver Rauschmessungen und Anpassung der Modulationsraten für jede Frequenz und (für die meisten modernen Systeme, die Vectoring verwenden) Rauschunterdrückungstechniken. Nichts davon hat etwas mit dem Codierungsschema zu tun (das eine grundlegende Trellis-Codierung ist).
Außerdem verwenden DSL und Ethernet NICHT dasselbe Codierungsschema. Ethernet verwendet PAM (Pulse Amplitude Modulation) oder NRZ, während xDSL QAM (Quadrature Amplitude Modulation) verwendet, das sowohl Phase als auch Amplitude des Signals berücksichtigt.
@RJR - SE hat mir nicht gesagt, dass Sie Kommentare hinzugefügt haben. Ich habe sie erst jetzt bemerkt. Ich habe die Antwort von Alex abgelehnt. Wenn Gigabit-Ethernet (und höher) über UTP nicht mehrere Trägerfrequenzen, adaptive Raten sowie Rauschmessung und -unterdrückung verwendet, kann ich abgesehen von mkeiths allgemeiner "hochentwickelter Signalverarbeitung" immer noch keine plausible Antwort auf meine Frage finden. .
Warum hat Ethernet auf UTP eine viel größere Reichweite als andere moderne Protokolle?
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