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Signallaufzeiten, Slot Time

Bei jedem Kabel gibt es eine Konstante, welche die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen Signale in dem Kabel angibt. Die Maximalgeschwindigkeit, die Lichtgeschwindigkeit c, wird jedoch nie erreicht. Die Ausbreitungszeit für elektromagnetische Wellen ist abhängig vom Medium:

Ausbreitungsfaktor Medium
1.00
Vakuum
0.77
Koax-Kabel
0.60
Twisted-pair-Kabel

Aber wozu ist dieser Wert bei Netzen interessant? Nehmen wir als Beispiel für die folgenden Berechnungen das 10Base2-Ethernet-Kabel.

Nehmen wir nun an, daß zwei Stationen A und B, die sich an gegenüberliegenden Enden des Kabelsegments befinden. Die Station A sendet zum Zeitpunkt t ein Datenpaket ab. Die Station B sendet ihrerseits zum Zeitpunkt t + (T - dt), also kurz bevor das Signal von A bei B ankommt. Damit A die Kollision erkennen kann, vergeht nochmals die Zeit (T - dt), also insgesamt t + 2*(T - dt).

Für den Grenzfall können wir dt gegen 0 gehen lassen, woraus folgt, daß die Dauer der Übertragung eines Datenblocks mindestens 2*T betragen muß, damit eine Kollision bei CSMA/CD sicher erkannt wird. Ein Datenblock muß also mindestens diese Zeit 2*T zur Übertragung benötigen.

Die kleinste erlaubte Packetgrösse vom 64 Byte benötigt bei 10Base2 51.2 µs, um komplett gesendet zu werden.
Ein Signal, das 51.2 µs dauert, legt im Coax-Medium folgende Strecke zurück:

      0.77 * 3 * 108 = 231 * 106 m/s
      231*106 * 51.2*10-6 = 11827.20 m = 11.82 km  
Das 64-Byte-Ethernetpacket benötigt also für die Strecke von 2 * 2,5 = 5 km im idealen Fall nur etwa die Hälfte der minimalen Übertragungsdauer von 51.2 µs. - die LAN-Sepzifikation beinhaltet somit eine Sicherheitsreserve um dem CSMA/CD-Protokoll des Ethernet auch im realen Fall zu genügen.

Das ideale Beispiel ist sehr weit von der Realität entfernt. Es liefert jedoch ein Gefühl für die Zeiträume, mit denen beim Ethernetverkehr gerechnet wird. Für jeden Planer eines Netzes ist es wichtig, möglichst genau den "worst case" seines Netzes zu kennen, damit sicher gestellt ist, daß die Kollisionsbehandlung korrekt arbeitet. Dazu werden die jeweils am weitesten entfernten Netzwerkdevices einer Kollisionsdomäne betrachtet. Hierbei ist sowohl die Entfernung, als auch die zwischen Ihnen liegende Netzhardware zu beachten.

Entsprechend jedem physikalische Element auf der Strecke zwischen den Netzwerk-Devices (Hin- und Rückweg) werden bestimmte Werte addiert. Dies sind die sogenannten "Bitzeiten", die spezifisch für jede Hardware sind. Diese Bitzeiten sind entweder aus der Literatur oder der jeweiligen Herstellerbeschreibung zu entnehmen. Aber nicht immer findet man alle Werte; dann muß man allgemeingültige Werte benutzen, z. B. 8 Bitzeiten für einen Repeater. Diese Zahl soll das Zeitintervall repräsentieren, die ein Repeater benötigt um das Ethernetpaket weiterzuleiten.

Ist jede auf der Strecke befindliche Hardware in die Rechnung eingeflossen, so erhält man den Round Trip Delay (RTD). Der RTD muß unter einem definierten Schwellwert liegen. Dieser Schwellwert von 51,2 µs entspricht 512 Bitzeiten. Zur Erinnerung: das kleineste Paket hat 64 Byte = 512 Bit Länge. Dieser Wert wird auch als "Slot-Time" bezeichnet.

Das Kabel zwischen AUI und MAU hat abweichende Spezifikationen (Twisted-Pair, jeweils für Senden und Empfangen getrennt, abgeschirmt), seine Maximallänge beträgt 50 m, die Mindestsignalausbreitungsgeschwindigkeit beträgt 0,65*c = 195000 km/s. Daraus folgt eine maximale Laufzeit von 0,05/195000 s = 0,256 Mikrosekunden.

Da sich maximal drei 10Base2-Netzsegmente über Verstärker (Repeater) verbinden lassen, ergibt sich eine Maximallänge von 1500 m, und so eine Laufzeit von 13 Mikrosekunden. Dabei ist noch zu berücksichtigen, daß bis zu sechs Transceiverkabel beteiligt sein können (je eines an den Stationen und je zwei an den beiden Repeatern). Die maximale Verzögerung ist hier also 3,08 Mikrosekunden. Wenn man noch die Zeiten für die Collisionserkennung im Ethernet-Interface und weitere Hardwareparameter berücksichtigt, kommt man auf die im Ursprungsdokument von 1980 angegebene maximale Laufzeit von 45 Mikrosekunden.

Zu lange Kabel, zuviele hintereinandergeschaltete Repeater, aber auch das Ausreizen der im Standard angegebenen Parameter kann durchaus im Zusammenspiel mit Komponenten, die am Rande der Toleranzgrenze liegen, zu Fehlfunktionen führen. Daher sollte man die angegebenen Längen immer unterschreiten. Auch bei der Planung von Netzen ist zu berücksichtigen, daß Kabel niemals in "Luftlinie" verlegt werden und die Kurven und Schleifen in den Kabelkanälen sich schnell addieren.

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