Izochronní Ethernet
V dnešním dílu se budeme věnovat jedné specifické variantě Ethernetu, a to tzv. izochronnímu Ethernetu. Kromě seznámení s jeho podstatou to pro nás bude také příležitostí k opakovanému shrnutí a zdůraznění základních vlastností, výhod i nevýhod „klasického" Ethernetu.
Začněme nejprve rekapitulací zadání, které měli před sebou autoři původního Ethernetu: toto zadání požadovalo vytvořit takovou technologii, která by vycházela vstříc „počítačovým" přenosům typu přenosu či sdílení souborů, přenosu elektronické pošty a vzdálenému přihlašování, a přitom současně byla i dostatečně robustní, jednoduchá na implementaci, a v neposlední řadě i laciná. Autoři přitom vycházeli z předpokladu, že zátěž sítě bude spíše menší než větší (vzhledem k její celkové přenosové kapacitě), a proto se soustředili na „vhodné" chování Ethernetu právě při těchto menších zátěžích. Co nebylo po autorech Ethernetu požadováno, a to je dobré si zdůraznit, je „zaručené" chování přenosových mechanismů, v tom smyslu že by dokázaly garantovat určité vlastnosti, aspekty či přímo parametry přenosu. Místo toho Ethernet funguje na pravděpodobnostním principu, a každému uzlu je schopen poskytnout požadované možnosti přenosu jen s určitou pravděpodobností, nikoli se stoprocentní jistotou - díky čemuž sám Ethernet může být velmi jednoduchý a při nižších zátěžích i velmi efektivní.
Ethernet a přenosy v reálném čase
Rozeberme si nyní podrobněji některé důsledky samotné podstaty Ethernetu: skutečnost, že jeho přístupová metoda CSMA/CD využívá ke svému fungování náhodný prvek, v praxi znamená, že žádný uzel nemá stoprocentně zaručeno, že vůbec někdy získá právo vysílat (byť v praxi je pravděpodobnost neúspěchu opravdu hodně malá). Tím spíše pak žádný uzel nemá zaručeno, že se dostane k vysílání nejpozději za určitou konkrétní dobu.
Nyní si ale představme takové přenosy, které jsou citlivé na časové závislosti - například přenosy digitalizovaného zvuku, obrazu apod. Požadavky těchto aplikací jsou diametrálně odlišné od požadavků těch služeb, které byly uvažovány v zadání autorům Ethernetu, a kterým bylo požadováno vyhovět. Například při přenosu souborů nejsou nepravidelnosti v časových odstupem mezi jednotlivými částmi přenášených dat Ethernetu relevantní, zatímco při přenosu „živého" obrazu či zvuku jsou naopak nejkritičtějším místem. Jestliže ale Ethernet nedokáže garantovat právo odvysílat cokoli v předem zadaném čase, pak nedokáže garantovat ani pravidelné doručování jednotlivých částí dat, které představují části probíhajícího hovoru, videosekvence apod. Například právě u videosekvencí lze nejlépe demonstrovat praktický efekt skutečnosti, že Ethernet nedokáže garantovat pravidelný přísun nových dat: budou-li jednotlivé části dat představovat například jednotlivé snímky, a budou-li docházet s nepravidelnými časovými odstupy mezi sebou, jejich zobrazování by bylo obdobné promítání na promítačce, které neustále (a náhodně) kolísá rychlost posunu filmového pásu. Na to by se asi nešlo dívat.
Právě v tomto smyslu je Ethernet nevhodný pro přenosy „ v reálném čase", které jsou citlivé na pravidelnost doručování dat.
Motivace pro izochronní Ethernet
Ve světě počítačů se ale stále více rozmáhají takové aplikace, které mají charakter „reálného času" - jsou to zejména nejrůznější multimediální aplikace, typu videokonferencí, video on demand, internetového telefonování apod., a potřeba jejich podpory je čím dál tím naléhavější. Obecně přitom platí, že „původním" počítačovým aplikacím typu přenosu souborů vyhovují přenosové technologie na principu přepojování paketů (mezi které patří i Ethernet), zatímco vstříc aplikacím charakteru „reálného času" nejlépe vychází pro změnu přenosové technologie fungující na principu přepojování okruhů. Zkombinovat výhody obou dvou variant přenosových technologií se pokusila technologie ATM (Asynchronous Transfer Mode), a to velmi výrazným zmenšením velikosti přenášených paketů (až na velmi malé buňky, kterých je sice hodně, ale jsou schopné pojmout pouhých 48 bytů užitečných dat).
Technologie izochronního Ethernetu představuje jiné možné řešení toho, jak skloubit výhody obou světů. Dělá to tak, že z každého světa si zvolí jednu již existující a dobře zavedenou technologii, a nechá je koexistovat vedle sebe „na jednom drátě". Konkrétně jde o „klasický" desetimegabitový Ethernet se všemi jeho vlastnostmi, a o technologii ISDN, kterou lze považovat za technologii fungující na principu přepojování okruhů. Právě od ní také pochází přívlastek „izochronní", znamenající „se stejným časováním": jednotlivé kanály ISDN, původně vyvinuté pro přenos telefonního hovoru v digitální podobě, jsou schopné přenášet data v přesně daném rytmu (taktu).
Podstata izochronního Ethernetu
 |
Pro uživatele je podstatné to, že logicky jsou obě přenosové technologie odděleny. Pro využití všech přenosových možností izochronního Ethernetu jsou zapotřebí speciální síťové karty do koncových uzlů, a stejně tak musí být specifické i přepojovací uzly, označované jako „Iso-Ethernet Access Unit (zkratkou AU, fungující z pohledu Ethernetu jako běžné opakovače, a z pohledu ISDN jako ústředny). Zůstat beze změny oproti klasickému Ethernetu však může celá kabeláž (ovšem jen tehdy, jde-li o kabeláž na kroucené dvoulince).
Důležitá je přitom skutečnost, že k jednotkám AU (Access Units) mohou být připojována i zařízení, uzpůsobená jen pro „klasický" Ethernet dle standardu 10BaseT (samozřejmě s tím, že nemohou využívat přenosových služeb ISDN). Také díky tomu je možný postupný přechod z klasického Ethernetu na Ethernet izochronní, a není nutné jej řešit skokem.
Kde se vzalo 6 Mbps navíc?
Sečteme-li přenosové rychlosti všech kanálů v izochronním Ethernetu (10 Mbps na Ethernetový kanál, 96 kanálů B á 64 kbps a 1 kanál D á 64 kbps, dostaneme se přes hranici 16 Mbps na kabeláži, ze které klasický Ethernet dokázal „vyždímat" jen 10 Mbps. Odkud se vzalo dalších 6 Mbps?
Vysvětlení lze najít ve faktu, že klasický Ethernet využívá dostupnou šířku přenosového pásma jen na 50 procent: na každý datový bit spotřebovává dvě změny přenášeného signálu (jedna změna představuje vlastní datový bit, zatímco druhá odpovídá časování). Konkrétní způsob kódování je přitom označován jako tzv. kódování Manchester. Kódování, používané v izochronním Ethernetu, již tak neúsporné není: jde o kódování NRZI (non-return to zero inverted), které vystačí s jednou změnou na jeden datový bit. Potřebné časování je pak do přenášených bitů „zamícháno" tak, že ke každým čtyřem datovým bitů je přidáván jeden další režijní bit (jde o kódování označované jako 4B/5B). Efektivnost využití dostupné přenosové kapacity (přesněji: šířky přenosového pásma) tím stoupá až na 80 procent, a právě to vysvětluje zmíněných více než 16 Mbps.
Další motivace pro izochronní Ethernet
Izochronní Ethernet byl standardizován v rámci pracovní skupiny 802 společnosti IEEE, ovšem nikoli podskupinou 3 (resp. 802.3), která se zabývá Ethernetem, ale samostatnou pracovní podskupinou 802.9 (jako standard IEEE 802.9a). Jeho vznik byl zřejmě motivován také snahou poskytnout jednotné přenosové prostředí v sítích LAN i WAN (na bázi ISDN), a současně s tím přispět i k řešení problému tzv. poslední míle - neboli potřeby rozvést přenosové technologie z prostředí rozlehlých sítí (ISDN) až k jednotlivým koncovým uzlům.