Chapter 04 乙太網路

本章提要 4-1 乙太網路簡介 4-3 乙太網路的工作原理

4-1-1 乙太網路的源起 乙太網路（Ethernet）技術於 1973 年由全錄（Xerox）公司所發展, 而後由於 DIX聯盟（DEC、Intel、Xerox 3 家公司共同組成）推動乙太網路成為業界的標準, 並將專利權轉移給 IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers, 電子電機工程師協會）, 使得乙太網路不再是專屬於某一家廠商的專利。因此各家廠商願意支持、發展乙太網路的產品, 使得它迅速地普及, 終於登上龍頭老大的寶座。

乙太網路的源起 DIX 聯盟於 1982 年推出了 Ethernet Version 2（簡稱 EV2）規格。而後在 1983 年, IEEE 802.3 委員會將 EV2 規格稍加修改, 正式公佈了 802.3 CSMA / CD 規格。因此 EV2 和 802.3 兩種規格都可以算是乙太網路標準的濫觴。

4-1-2 10 Mbps 乙太網路 無論是遵循 EV2 或 802.3 規格的乙太網路, 其頻寬皆為 10 Mbps, 傳輸媒介則包含同軸電纜（又區分為粗、細兩種）、雙絞線和光纖, 分別有不同的特性, 適用於不同的場合, 因此分別賦予『10Base5、10Base2、10BaseT 和 10BaseF』4 種名稱。

乙太網路的命名規則 負責制定乙太網路標準的 IEEE 802.3 委員會, 使用一種簡易的命名方法, 來表示各種規格的乙太網路。其格式為『XBaseY』, 其中『X』表示頻寬, 『Y』若為數字則表示最大傳輸距離, 若為英文字母則表示傳輸媒介, 『Base』表示『基頻』。

乙太網路的命名規則 例如：10Base5, 表示該乙太網路的頻寬為 10 Mbps, 以基頻傳輸, 最大傳輸距離為 500 公尺；而 10BaseT 表示頻寬為 10 Mbps, 以基頻傳輸, 傳輸媒介為雙絞線。

10Base5 乙太網路 10Base5 乙太網路為最早出現的產品, 因此被稱為標準乙太網路。它使用直徑 1 公分的 RG-11 同軸電纜, 以匯流排的形式連接。在線路兩端點必須連接 50 歐姆的終端電阻。每張網路卡以 AUI 線連接到收發器（Transceiver）, 再透過收發器連接 RG 11 同軸電纜, 如下圖。

10Base5 乙太網路

10Base5 乙太網路 上圖中, 由終端電阻到另一個終端電阻的範圍稱為一個『區段（Segment）』, 每一個區段可達 500 公尺, 最多允許連接 100 個節點。最多可用 4 個中繼器來串連 5 個區段, 因此 10Base5 的最大佈線範圍為： 500 公尺 / 段 × 5 段 = 2500 公尺。

10Base2 乙太網路 因 10Base5 乙太網路佈線不易且成本較高, 於是 3Com 公司推出了改良型產品─ 10Base2 乙太網路。10Base2 改用較細的 RG 58 A / U 同軸電纜為傳輸介質, 電纜的兩端也要接上 50 歐姆終端電阻, 兩終端電阻之間的範圍仍然稱為區段, 但是每個區段的最大長度縮減為 185 公尺, 最多可連接 30 部電腦。 雖然網路區段縮小、連接的電腦數目也減少, 但是因為施工容易、材料價格低廉, 因此逐步淘汰 10Base5 乙太網路。

10Base2 乙太網路

10BaseT 乙太網路 由於 10Base5 和 10Base2 都具有下列的缺點： 網路的任何一處斷線, 都會導致整個網路停擺, 而且追查斷線點較為困難。 若有電腦要移動位置, 佈線路徑可能要大幅修改。 因此在管理或維護上十分不便, 而這也促使了 10BaseT 乙太網路的誕生。

10BaseT 乙太網路 10BaseT 乙太網路採用 UTP （Unshielded Twisted Pair, 無遮蔽式雙絞線）線為傳輸介質, 所有的電腦都透過集線器（Hub）互相連接, 電腦到集線器的最大長度為 100 公尺。

10BaseT 乙太網路

10BaseT 乙太網路 10BaseT 乙太網路具有以下的優點： 每部電腦都獨立連接到集線器, 如果電腦或線路發生問題, 只會影響本身這一段的線路, 不會影響其它電腦的運作。 從集線器的燈號即可判斷那段線路故障, 比較容易維護。 移動電腦時, 只需改變局部佈線路徑, 整體佈線路徑不必更動。

10BaseF 乙太網路 事實上, 以光纖傳輸的乙太網路, 比使用雙絞線的乙太網路還早被人使用。不過正式規格, 卻是在 1993 年才由 IEEE 公佈。

10BaseFL 10BaseFL 中的『L』表示 Link（連接）的意思, 也就是說, 10BaseFL 是以光纖連接網路卡、集線器等設備, 每區段連接距離最長可達 2000 公尺。

10BaseF 乙太網路 上述各種 10 Mbps 乙太網路的規格整理如下表：

10BaseF 乙太網路 上表中的最大延伸範圍是指利用集線器（或中繼器）所延伸的最長距離。通常延伸之後的總長度, 會比原先的單一區段要長, 如 10Base5 從 500 公尺延伸為 2500 公尺。 但是光纖卻是例外, 反而從 2000 公尺縮短為 500 公尺。這是因為光波傳輸的特性使然, 所以雖然延伸出較多的區段, 可是總長度卻不如原本單一區段的長度。

4-1-3 100 Mbps 乙太網路 隨著資訊科技的進步, 大眾對於網路的存取需求也越來越高, 這意味著需要更高的傳輸速度, 以應付更大量的資料傳輸量, 此時增加頻寬就成了最直接的解決辨法。 IEEE 在 1995 年發表了 3 種 100 Mbps 的高速乙太網路（Fast Ethernet）規格： 100BaseTX 100BaseT4 100BaseFX

100BaseTX 與 10BaseT 一樣都是使用雙絞線傳輸。不過由於傳輸訊號的頻率較高, 因此需要使用較高品質的雙絞線, 也就是要使用 Cat 5 （含）以上等級的線材。100 BaseTX 是市場上最早推出的 100 Mbps 乙太網路規格, 同時也是目前使用最普遍的網路類型。

100BaseFX 使用光纖來傳輸, 傳輸的距離與所使用的光纖類型及連接方式有關。若使用多模光纖, 在點對點的連接方式下, 可達 2 公里, 而以單模光纖在點對點連接方式傳輸, 其距離更可高達 10 公里。

4-1-4 1000 Mbps（1 Gigabit）乙太網路 追求速度感是人之常情, 因此 100 Mbps 乙太網路出現後, 仍有許多人持續投入研發更高速的傳輸技術, 於是在 1998 年 IEEE 再度公佈了 3 種超高速乙太網路（Gigabit Ethernet）標準─802.3z： 1000BaseSX 1000BaseLX 1000BaseCX 1000BaseT

1000BaseT IEEE 於 1999 年所發表的 1000BaseT 規格─802.3ab, 也受到眾人的矚目。1000BaseT 的特色, 在於可以使用 Cat 5 的雙絞線傳輸, 最長傳輸距離為 100 公尺, 也就是可以完全相容於目前最普遍的 100BaseTX 網路。不過因為線路品質影響傳輸速率極大, 因此若要能真正達到1000 Mbps 的效能, 通常要採用 Cat 5e 或者 Cat 6 的線材才行, 而且市場上相關產品尚屬少數, 價格也偏高, 因此目前還不普及。

4-1-5 10 Gigabit 乙太網路 正當許多使用者還在猶豫是否該將 100 Mbps 乙太網路升級為 1 Gbps 乙太網路時, 市場上卻出現了 10 Gbps 乙太網路產品, 實在讓人感慨網路技術的進步真是一日千里、永不停息！

10 GbE 的特色 IEEE 協會已於 2002 年 6 月通過802.3ae 10 GbE（10 Gigabit Ethernet, 10 Gbps 乙太網路）的標準規格

以光纖為傳輸介質 為了達到每秒 10 Gigabit 的傳輸速率, 而且傳輸距離又能長達數十公里, 因此在擬議規格時, 決定採用光纖為傳輸介質。若使用單模光纖, 最大傳輸距離可達 40 公里；若使用多模光纖, 則最大傳輸距離僅有 300 公尺。

實體層規格區分為 LAN PHY 和 WAN PHY 兩種 在 LAN PHY 規格裡, 相當令人矚目的是採用 WWDM（Wide Wavelength Division Multiplexing, 分波長多工）技術, 在一條光纖內以 4 束不同波長的雷射光同時傳輸資料, 每束光的傳輸速率為 2.5 Gbps, 因此累計得到 10 Gbps 的傳輸速率。這種技術不但在先前的乙太網路未曾使用, 即使在大多數的區域網路也是罕見, 堪稱是一大突破。

只支援全雙工（Full Duplex）傳輸模式

10 GbE 的現況與發展 由於當初制訂 802.3ae 規格時, 採用光纖作為傳輸介質, 但是光纖的施工與相關設備都所費不貲, 不易為大眾接收。於是有多家廠商致力於開發用 Cat 5e 或 Cat 6 雙絞線為介質的技術, 也就是 10GBaseT, 在 IEEE 的編號為 802.3an。

4-3 乙太網路的工作原理 我們在前 2 節已介紹各種乙太網路的規格, 以及 100 Base-TX 的架設方式, 本節將說明乙太網路的基本原理。

4-3-1 訊號的廣播 乙太網路最大的特性在於訊號是以廣播的方式傳輸。意思就是說, 在網路上任一部電腦送出的訊號, 其他相連的電腦都會收到。 讓我們考慮一個簡單的區域網路如下圖所示。

訊號的廣播 當 A 要傳資料給 B 時, 其送出的訊號並不會只是流向 B。正確的情形應該如下圖, 當 A 要傳資料給 B 時, 其送出的訊號會傳經由媒介傳到 B、C、D 三部電腦。

訊號的廣播

訊號的廣播 那麼, 在這種情形下, A 傳資料給 B 時, 豈不是所有的電腦都得接收資料？這時候就需要使用定址（Addressing）方法, 來判斷誰應該收下並處裡這份資料。接下來我們就來看看定址的作法吧!

4-3-2 MAC 位址與定址 傳輸資料前, 必需決定資料由誰接收, 就好像在大庭廣眾之下, 要跟某人講話會先叫他的名字。 當然網路上的裝置也都有它用來識別的名字, 稱為位址。以乙太網路為例, 如下圖 。

MAC 位址與定址

MAC 位址與定址 上圖中的 0000E8977381 是乙太網路卡的 MAC 位址, 每張乙太網路卡都會有一個 MAC 位址, 其前 3 Bytes 為廠商代號, 是由硬體製造商向 IEEE 統一註冊登記而來；後 3 Bytes 則是由製造商自行賦予的流水號。 如此可使每個 MAC 位址保持全球獨一無二。當 A 要傳資料給 B, 會註明資料的目的端為 B 的 MAC 位址, 因此其他 MAC 位址不同的電腦對此資料都不予理會。

MAC 位址與定址 在傳送的資料中記錄目的端與來源端的位址, 以決定資料的接收及回應對象, 這就是所謂的定址（Addressing）。 其實資料在傳輸到媒介之前, 還會劃分為特定大小的資料單元, 稱為訊框（Frame）。在訊框中除了要傳輸的資料外, 還加入一些控制用的資料, 以提供管理的功能, 例如：目的端與來源端的位址。

MAC 位址與定址 這就像寄信一樣, 傳輸的資料相當於信件的內容, 而控制用的資料相當於信封上的姓名、住址、郵票、郵遞區號等資料。

4-3-3 碰撞 定址雖然能解決在訊號廣播之下, 由誰來接收資料的問題, 但是如果 A 傳資料給 B 的同時, C 也將資料傳給 D, 如下圖：

碰撞 此時兩個訊號交會在一起, 破壞了彼此原有的電氣特性, 這就是所謂的碰撞（Collision）。當傳送訊框的電腦偵測到發生碰撞, 便會立即停止傳送, 改為送出一個特殊的訊號, 該訊號稱為『壅塞訊號』（Jam Signal）或『碰撞訊號』（Collision Signal）, 以通知其它電腦：『目前發生碰撞了！請大家暫停一下再嘗試傳送。』這個壅塞訊號所能到達的範圍便稱為碰撞領域（Collision Domain）。

4-3-4 CSMA / CD 乙太網路是以 CSMA / CD（Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection, 載波偵測多重存取 / 碰撞偵測）的方式來做媒介存取控制, 其原理就好像會議規定只能有一個人發言, 而且是以按鈴搶答的方式來取得發言權。 取得發言權的人在發言完畢之後, 其他人又可以再爭取發言權。這也表示在按鈴搶答之前要先聽聽看是否有人正在發言？若然, 則不必按鈴。 listen before talk

CSMA / CD 在乙太網路上, 當 A 有資料需要送出時, 會先偵測媒介上是否已經有訊號？若然, 則耐心等待並繼續偵測；若偵測到有空檔, 且此空檔能持續 96 Bit Time, 才確定可以傳輸資料, 於是立即送出訊框。

CSMA / CD 因為 10 / 100 Mbps 乙太網路規格定義了 96 Bit Time 為訊框與訊框之間的間隔時間, 又稱為 IFG（InterFrame Gap）, 所以 A 偵測到的空檔可能正好位於 IFG 內, 倘若立即送出訊框便可能發生碰撞, 解決之道就是繼續偵測此空檔能否維持 96 Bit Time 之久, 才能確定媒介上真的沒有訊框。

CSMA / CD A 電腦在訊號傳輸的過程中同時也偵測媒介上的訊號, 如果發現碰撞則立即停止傳送並送出一個擁塞訊號, 通知每一部電腦發生碰撞, 使得所有需要送出訊框的電腦等待一段隨機時間之後重新搶送資料。

CSMA / CD 等待一段隨機時間的作法, 是遭遇碰撞時所進行的一個程序。它會依據碰撞的次數而運算出一個隨機的時間值 (稱exponential backoff), 使工作站等待此時間之後再從頭開始, 以錯開再次碰撞的機會。 碰撞的次數愈多, 則平均等待的時間愈久。當連續碰撞 16 次之後, 便宣告失敗, 放棄這次傳送, 並向上層通知錯誤。

ＣＳＭＡ ／ ＣＡ 完整的 CSMA / CD 傳送訊框流程如下圖：

CSMA / CD 由上所述, 可知道 CSMA / CD 屬於競爭式（Contention）的網路存取方式。由於每一個工作站使用媒介的權利相等, 一旦有許多的工作站需要輸出時, 則看誰先送出訊號, 誰就能佔用媒介來作傳輸, 因此也稱為搶線式傳輸。