區域網路

區域網路簡介 區域網路定義 LAN可視為是一種資料通訊系統，允許各個獨立的硬體設備（電腦）在適當大小的地理區域內，由實體通訊通道（physical communications channel），用適當的資料傳輸率彼此直接通訊

區域網路的協定標準 區域網路標準  IEEE 802 IEEE 802.1～IEEE 802.14共十三個群組 與OSI架構對應關係 802.1高層介面標準 OSI網路層以上 802.2 LLC 802.1 Secure Data Exchange LLC   資料鏈結層 802.3 CSMA/CD 802.4 Token Bus 802.5 Token Ring MAC 傳輸媒介 實體層

IEEE 802.3 乙太網路

乙太網路源起 1960 夏威夷大學發展CSMA/CD用於 ALOHA網路 1970 Xerox 將CSMA/CD用於 Ethernet 於 1973 年由全錄 (Xerox) 公司所發展, 而後 DIX 聯盟推動乙太網路成為業界的標準, 並將專利權轉移給 IEEE DIX 1982 (DEC 、Intel 、 Xerox) 聯盟於 1982 年推出了 Ethernet Version 2 (簡稱EV2) 規格 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

乙太網路的工作原理

乙太網路的工作原理 訊框的廣播 訊框的定址 碰撞 CSMA/CD 碰撞領域 半雙工/全雙工

訊框的廣播 乙太網路最大的特性在於訊號是以廣播的方式傳輸 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。

訊框的定址 在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) 資料在傳輸到媒介之前, 會劃分為特定大小的資料單元, 稱為訊框 (Frame) 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。

載波偵測多重存取/碰撞偵測CSMA/CD 所謂CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，載波偵測多重存取/碰撞偵測），這是基頻（baseband）所使用的碰撞偵測技術，某台電腦要傳送資料到電纜線時，先檢查線路是否正在傳送資料，若線路正使用中，則先等待一段時間再檢查，待線路有空時，就開始傳送，同時監聽是否也有其他電腦開始傳送。若正好有兩者以上同時傳送時，此時產生碰撞，這時立即停止，各自等待一段時間後，再重新傳送 CSMA/CD 屬於競爭式 (Contention) 的網路存取方式。這個技術最大的缺點是：如果工作站數量多的時候，碰撞機率也隨之大增。

載波偵測-等待時間 電腦要傳送資料時檢查到線路有空時： 1-persistent(1-堅持法) : 立即傳送資料 p-persistent(p-堅持法) : 0<p<1 ，p依照網路負荷所得之機率值 0-persistent(0-堅持法) :先退出等候一隨機時間後再檢查到線路是否有空，線路有空立即傳送資料

擁塞訊號 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且改輸出一個擁塞訊號(Jamming Signal), 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。

訊槽時間(Slot time) 開始傳送訊框時仍需繼續監聽是否有碰撞情形發生，因為可能有多個工作站同時偵測到目前沒有傳送訊號，而開始傳送訊框造成碰撞。這段監聽時間設為2t，t代表同一乙太網路中訊號由一端工作站到相距最遠的工作站之間所需的時間，來回共2t稱為一個「訊槽時間」(Slot time) 訊槽時間是指訊號在乙太網路上相距最遠兩端工作站來回傳輸一次所需時間，也是工作站在傳輸訊框時，為了偵測是否碰撞所必須監聽的時間，所以也稱為「碰撞視窗」(Collision Window) 802.3將一個訊槽時間定為51.2us 。設長度為2500公尺

碰撞領域 所謂碰撞領域，碰撞領域是訊框送出時, 會遭到碰撞的範圍。所有在同一個碰撞領域的電腦, 其送出的訊框, 都有可能會相互碰撞。

訊框的碰撞 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, 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)

碰撞處理 碰撞偵測（CD；Collision Detect ） 碰撞雙方馬上停止傳送資料 送出壅塞信號 各自等待一隨機時間後再聆聽通道是否為空閒，再傳送資料 隨機時間 採用“二元指數退後演算法”

二元指數後退演算法Binary Exponential Backoff Algorithm n：連續碰撞次數 (n <= 16) ，若 n> 16表網路負荷過重，工作站停止傳送並檢視網路狀態 k：K=MIN(n, 10) 。 n> 10時取k=10 r：隨機延遲單位，介於 0 和 (2^k -1) 之間 設k=3則 r由{0,1,2,3,4,5,6,7}隨機取一 t ：延遲單位時間，一般用 slot time。CSMA/CD 為51.2 usec 隨機延遲時間 = r × t

二元指數後退演算法例 隨機延遲時間 = r × t ={0 ×51.2 usec, 1×51.2 usec}} 所以第一次碰撞發生後可能 第一次發生碰撞： n=1 k=MIN(1,10) k=1 r= {0,1} 隨機延遲時間 = r × t ={0 ×51.2 usec, 1×51.2 usec}} 所以第一次碰撞發生後可能 0 ×51.2 usec：立即傳送 1×51.2 usec ：等待51.2 usec

二元指數後退演算法例 若n> 10 k = MIN(11,10) = 10 r = {0, 1, 2, 3‧‧2^10) 如果第二次發生碰撞： n = 2 k = MIN(2,10) = 2 r = {0, 1, 2, 3) 隨機延遲時間 = r × t = {0, 51.2 us, 102.4 us, 153.6 us} 其中任取一值  若n> 10　k = MIN(11,10) = 10 r = {0, 1, 2, 3‧‧2^10) 最大隨機延遲時間 為1023 ×51.2 usec

CSMA/CD封包格式 FCS 1.前置訊號(Preamble)：010101 ~ 01010，8Bytes DA SA LEN LLC+PAD FCS SFD 1.前置訊號(Preamble)：010101 ~ 01010，8Bytes 2.SFD：Start Frame Delimiter，長度為1Byte，內容為10101010，功能是表示訊框即將開始 3.Destination Address (DA) ：目的工作站的硬體位址2-6Bytes ，若為乙太網路卡的MAC位址，則長度為6Bytes 4. Source Address (SA) ：傳送工作站的硬體位址2-6Bytes 5.長度Length (LEN) ： 2Bytes功能是記載LLC長度 6. LLC+PAD：資料區長度為46～1500Bytes，LLC擺放真正要傳送的資料，若LLC長度少於46Bytes，則以PAD填補無意義的資料直到長度為46Bytes。若LLC長度大於或等於46Bytes，PAD長度為0 7 FCS：Frame Check Sequence，長度為4Bytes，採用CRC-32技術作為訊框的檢查碼

訊框長度限制 前置訊號 DA SA LEN LLC+PAD FCS SFD 一個訊框大小=DA+SA+LEN+LLC+PAD+FCS，大小必須大於或等於64Bytes，為何限制在64Bytes，主要與CSMA/CD的碰撞偵測有關，當訊框長度短於64Bytes時，可能會發生還來不及偵測是否碰撞，就已經傳送完畢了。另一方面為避免某工作站佔用傳輸媒體太久，所以限制訊框長度不得超過1518Bytes

最小訊框限制 因為802.3將一個訊槽時間定為51.2us 一個訊框長度最小為=10Mbit * 51.2 * 10-6 = 512 bits = 64 Bytes 不得小於64Bytes，否則這個訊框傳輸時間會低於51.2us

偵測來回時間 10 Mbps為例

IFG(InterFrame Gap) 10/100Mbps 乙太網路規格定義訊框與訊框之間的間隔時間, IFG (InterFrame Gap) 為 96 Bit Time 因 為 偵測到的空檔可能正好位於 IFG 內, 倘若立即送出訊框便會發生碰撞, 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。

乙太網路的重要參數 參數 功能 數值 slotTime 訊槽時間，訊槽傳輸時間 512 bit-time interFrameGap 訊框間隔 9.6 us attemptLimit 至多重傳次數 16 backoffLimit 碰撞後回歸等待時間底限 10 jamSize 碰撞訊號長度 32 bits MaxFrameSize 最大訊框長度 1518 bytes minFrameSize 最小訊框長度 64 bytes addressSize 網路實體位址 6 byes

結論 由於制定乙太網路標準時，是著重於Layer 1、Layer 2的網路協定，並不限制於10Mbps的傳輸速率，也因此保留了往後擴充為100Mpbs、1000Mpbs的彈性，往後的高速乙太網路、GE，都只是修改Layer 1，例如高速乙太網路，或修改Layer 1、Layer 2，例如

乙太網路的分類

Ethernet乙太網路 10 Mbps 乙太網路 100 Mbps 乙太網路 1000 Mbps (1 Gigabit) 乙太網路

10 Mbps 乙太網路

10 Mbps 乙太網路 802.3 規格的乙太網路, 其頻寬為 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： 10Base5 乙太網路 10Base2 乙太網路 10BaseT 乙太網路 10BaseF 乙太網路

Thick Ethernet :10Base5 乙太網路 它使用直徑 1 公分的 RG-11粗線 (Thick Ethernet)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 RG11 同軸電纜 每一區段 500 公尺

10Base5 乙太網路架構圖

Thin Ethernet :10Base2 乙太網路 3Com 公司推出了 10Base2 乙太網路 10Base2 改用較細的 RG58 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。

10BaseT 乙太網路的優點 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。

10BaseT 乙太網路 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 乙太網路採用 UTP 線為傳輸介質, 所有的電腦都透過集線器互相連接, 電腦到集線器的最大長度為 100 公尺。

10BaseF 乙太網路 10BaseFL－L, Link (連接) 10BaseFB－B, Backbone(骨幹) 也就是用來當做兩個區域網路連接的通道。 10BaseFP－P, Passive (被動) 這種架構類似星狀網路, 是以中央一個不具中繼器功能的光纖集線器, 分接到電腦上 (最多可接 33 台)。

10 Mbps 乙太網路規格 參數 10Base5 10Base2 10BaseT 10Broad36 傳輸媒體 同軸電纜 (50 歐姆) 無遮蔽式 雙絞線 (75 歐姆) 訊號處理技術 基頻 (Manchester) 寬頻 (DPSK) 資料傳輸速度 10 Mbps 每段最大長度 500 公尺 185 公尺 100 公尺 1800 公尺 網路最大長度 2500 公尺 925 公尺 3600 公尺 每段最多可連接工作站 100 30 *** 工作站距離 100 公尺* n 0.5 公尺*n 電纜線直徑 10 mm 5 mm 0.4 ~ 0.6 mm

高速乙太網路

1992年包括Boggs在內的幾位乙太網路的老前輩創立Grand Junction網路公司，並提出將10Mpbs的乙太網路，提昇為100Mbps的計劃，並保留現有的乙太網路傳輸協定，這項計劃得到3Com、Sun Microsystems和SynOptics的背書支持。 1995年IEEE 正式通過802.3u規格定義了高速乙太網路（Fast Ethernet

高速乙太網路 高速乙太網路的幾個重要特性如下： 100Mbps 採星狀架構，使用集線器、交換式集線器 MAC技術採用CSMA/CD，訊框與乙太網路完全一樣 傳輸媒體為雙絞線及光纖 仍無法提供保證傳輸延遲服務，所以適合傳輸資料，但不適合傳輸即時性的聲音，影像等資料

高速乙太網路 比較項目 100BASE-TX 100BASE-FX 100BASE-T4 100BASE-T2 通過年度 1995 1998 IEEE規格標準 802.3u 802.3y 傳輸速率 100Mbps 最大區段長度 100公尺 150/412/2000公尺 傳輸媒體 UPT或STP CAT.5兩對 Fiber 多/單模 兩對 UTP CAT.3/4/5四對 CAT.3/4/5兩對 佈線方式 星狀（star） 星狀（star

超高速乙太網路

Gigabit 乙太網路 1995年IEEE 802.3委員會開始研究傳輸速率可達1000Mpbs的乙太網路標準 1996年正式成立802.3z小組著手制定Gigabit Ethernet標準 企業界也成立Gigabit Ethernet Alliance聯盟，共有28家公司參加，共同推動及生產GE產品 Gigabit 乙太網路被視為下一代乙太網路，執行速度可達 1 Gbps (1,000 Mbps)，等於高速乙太網路的十倍。

在 1998 年 IEEE 公佈了 3 種超高速乙太網路 (Gigabit Ethernet) 標準－802.3z： 1998年6月底IEEE 802.3z標準委員會通過傳輸速率高達1Gigabit（即1000Mbps）的超高速乙太網路（Gigabit Ethernet，簡稱GE）GE相關的標準仍陸續制定中 在 1998 年 IEEE 公佈了 3 種超高速乙太網路　(Gigabit Ethernet) 標準－802.3z： 1.1000BaseS 2. 1000BaseLX 3.1000BaseCX 4.1000BaseT (規格－802.3ab, 1999 年發表)

以光纖為傳輸介質 以下是GE的幾個重要特性： 1000Mbps 採星狀架構，使用集線器、交換式集線器 MAC繼續採用CSMA/CD訊框，而CSMA/CD通訊協定部份則有修正 傳輸媒體仍為CAT.5雙絞線及光纖 雙絞線長度仍為100公尺 仍無法提供保證傳輸延遲服務

1000Base-SX 1000Base-SX 使用 短波長 770 到 860 奈米的短波長雷射傳輸，大多用於較短的骨幹和水平佈線。此選項由於採用了較便宜的各等級多模態光纖而比 1000Base-LX 更為經濟，且用來產生短波長的雷射和 CD 以及 CD-ROM 播放器相同。市面上的 Gigabit 乙太網路產品多數支援 1000BaseSX 標準 若採用軸芯直徑為 62.5 微米的多模光纖, 在全雙工模式下, 最長傳輸距離為 275 公尺; 若是使用軸芯直徑為 50 微米的多模光纖, 在全雙工模式下, 最長的傳輸距離為 550 公尺。

1000Base-LX 1000Base-LX 多數是在可擴展極遠距離的骨幹中使用，雷射傳輸的波長範圍從 1,270 到 1,355 奈米 在單一建築物內採用多模態光纖纜線，在社區網路內的多建築物之間則採用單模態光纖 多模態光纖纜線的核心直徑為 50 或 62.5 微米，支援的鏈結長度可達 550 公尺 9 微米的單模態光纖支援的鏈結距離為 5,000 公尺 (5 公里)。兩種光纖都是使用標準的 SC 接頭。

1000Base-CX 原始的 802.3z 文件只有一種銅質佈線標準。1000BaseCX 專供短距離的鏈結使用 (25 公尺以內)，例如單一電傳室或資料中心內部的連線。這些連線必須使用一種特殊的 150 歐姆遮蔽式銅質纜線，且標準中特別建議不要採用 UTP 或 IBM 的 Type 1 STP 1000Base-CX 主要是用在伺服器叢集的設備連線以及交換器之間的鏈結，因為它比光纖便宜且容易安裝。連線通常位於距離較短以及不需抵抗光纖干擾的中央控管環境內部。由於受限於市場的接受度，生產 1000Base-CX 設備的硬體製造商目前並不多。

1000Base-T 1000Base-T，採CAT-5 UTP，4對絞線，達到100米距離，這項標準由預計由802.3ab小組於1999年3月定案，目前有Alteon、3Com、Bay Networks、Cisco、Compaq及Intel等廠商大力推動。 。 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 1000Mbps 的效能, 通常要採用 Cat 5e 或者 Cat6 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。

1000 Mbps 乙太網路規格 比較項目 1000BASE-SX 1000BASE-LX 1000BASE-T 通過年度 1998 預計1999/3 IEEE規格標準 802.3z 802.3ab 傳輸速率 1000Mbps 最大區段長度 550公尺 550或5000公尺 100公尺 傳輸媒體 多模光纖 四對 多模光纖550公尺 單模光纖5000公尺 UTP CAT.5四對 佈線方式 星狀（star）

GE在距離上的規範表 標準 光纖材質 蕊心直徑 (microns) Modal bandwidth (MHz * km) 最小長度 (公尺) 1000BASE-SX 多模 62.5 160 2-200 200 2-275 50 400 2-500 500 2-550 1000BASE-LX 單模 9 2-5000

10 Gigabit 乙太網路 IEEE 協會已於 2002 年 6 月通過 802.3ae 10GbE (10 Gigabit Ethernet, 10Gbps 乙太網路) 的標準規格, 其特色包括: 以光纖為傳輸介質 實體層規格區分為 LAN PHY 和 WAN PHY 兩種 沿用 10/100Base 乙太網路的封包長度和格式 只支援全雙工 (Full Duplex) 傳輸模式

10 Gigabit 乙太網路特色 IEEE 協會已於 2002 年 6 月通過 802.3ae 10GbE (10 Gigabit Ethernet, 10Gbps 乙太網路) 的標準規格, 其特色包括: 以光纖為傳輸介質 實體層規格區分為 LAN PHY 和 WAN PHY 兩種 沿用 10/100Base 乙太網路的封包長度和格式 只支援全雙工 (Full Duplex) 傳輸模式

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