USBとイーサネットケーブルの長さ

私は同僚にUSBケーブルの長さの制限について話していましたが、覚えている限り、ホストがデバイスに応答するために必要なタイトなウィンドウによって制限されていることを覚えています（ここで説明します）。

彼は、イーサネットはデータ転送速度が高く（USB 1.5 / 12/480 / 5,000 Mbit / s（モードによって異なります）対イーサネットの10 / 100Gbps）、ケーブル長を長くできる（CAT6ケーブルの場合は100m）と指摘しました。

では、USBプロトコルのどの側面がケーブル長を5mに制限しているのか、イーサネットとどう違うのか、私たちはどちらも疑問に思っていると思いますか？

ウィキペディアによると：

USB 2.0は、Hi Speed（480 Mbit / s）で動作するデバイスに最大5メートルのケーブル長を提供します。この制限の主な理由は、約1.5μsの最大許容往復遅延です。USBホストコマンドがUSBデバイスから許容時間内に応答されない場合、ホストはコマンドが失われたと見なします。USBデバイスの応答時間、最大数のハブからの遅延、ケーブルの接続による遅延を追加すると、ケーブルあたりの最大許容遅延は26 nsになります。USB 2.0仕様では、ケーブル遅延が1メートルあたり5.2 ns（192,000 km / s、これは標準の銅線で達成可能な最大伝送速度に近い）未満である必要があります。

したがって、ケーブルごとの遅延が26nsで、ケーブル遅延が5.2ns / m未満であることを要求する仕様では、理論上の最大ケーブル長は26ns /（5.2ns / m）= 5mになります。

その情報源は、USB 2.0は5mに制限されていると述べていますが、USB 3.0はそうではありません。

USBは、キーボードやマウスなど、さまざまなPCのペリフェラルインターフェイスを置き換えるように設計されています。優先事項には、低コスト、低消費電力、高優先度のトラフィックを低遅延で通過させることが含まれます。長いケーブル長のサポートは優先事項ではありませんでした。したがって、プロトコル側では、パケットサイズの小さい単純な半二重「話しかけたときに話す」プロトコルを採用しました。ハードウェア側では、終端にいくつかのショートカットをとった非絶縁型差動信号システムを採用しました。

USBは徐々に進化して、より高速で全二重になるようになりましたが、より長い距離は設計目標にはなりませんでした。

イーサネット（初期の形）には、異なる一連の設計基準がありました。これはローカルエリアネットワーク標準として設計されたものであり、マスターであるステーションはなく、衝突検出機能を備えたキャリアセンス多重アクセスシステムを採用しました。衝突検出が適切に機能するように、最小パケットサイズとネットワークの合計サイズの両方に制限を設けています。物理層は、非常に注意深くターミネーションを行って設計されており、長期間にわたって信号の整合性が維持されます。長時間の実行での接地電位差によって引き起こされる問題から保護するための絶縁バリアがありました（ツイストペアイーサネットはトランスを使用し、同軸イーサネットはオプトアイソレーターとDCからDCコンバータを使用していると考えています）

CSMA / CDは10Mbpsの小さなLANでは問題なく動作しましたが、速度が向上し、ネットワークが大きくなるにつれて、負荷が増大し始めました。ブリッジ（後でスイッチと呼ばれる）が導入され、ネットワークを複数の衝突ドメインに分割できるようになりました。これにより、ネットワークをCSMA / CDによって課せられる制限よりも大きくすることができ、複数の速度を共存させることもできました。

その後、イーサネットはCSMA / CD ¹およびハブからポイントツーポイントの全二重リンクおよびスイッチに移動しました。これにより、パケットが互いに衝突することがないため、高速長距離リンクが可能になります。

ただし、これらすべての代償を払う必要があります。長距離で動作できる物理層は、短距離でのみ動作するように設計されているものよりもかなり多くの電力とかなり高価なトランシーバーを必要とします。エンドデバイスでのデータバッファは、潜在的に長い確認応答時間と潜在的なパケット損失に対処するために、はるかに大きくなければなりません。スイッチは、かなりの量のバッファメモリを含む比較的複雑なデバイスです。優先順位付けでは、チェーン内のすべてのスイッチが優先順位付け情報を認識している必要があります。

¹ 10MbpsのハブとCSMA / CDは非常に普遍的でした。初期の100Mbpsの展開では、ハブとCSMA / CDもひどく使用されていました。その後の100Mbpsネットワークでは、全二重リンクとスイッチを使用する傾向がありました。ギガビットでは、標準にはCSMA / CDとハブが含まれていましたが、実際にギガビットハブを販売している人のことは聞いたことがありません。10ギガビット以上では、CSMA / CDおよびハブのサポートはまったく存在しません。

重要なもう1つの側面は、高速イーサネットが全二重であることです。各方向に1つずつ、2つのケーブルペアが使用されます。USBは半二重です。ペアは1つだけで、一度に一方向でのみ使用できます。

USBでも確認が必要ですが、イーサネットでは必要ありません。その上にあるプロトコルは、確認応答（TCP）を必要とする場合と、必要としない場合（UDPストリーミング）があります。ただし、全二重であるため、反対方向に向かうデータのストリームを中断することなく、確認応答を1つのペアに送信できます。