第 4 章 動手架設區域網路 -以乙太網路為例 著作權所有 © 旗標出版股份有限公司

本章提要 乙太網路簡介 以雙絞線架設乙太網路 乙太網路的工作原理

乙太網路簡介 乙太網路的源起 10 Mbps 乙太網路 100 Mbps 乙太網路 1000 Mbps (1 Gigabit) 乙太網路

乙太網路的源起 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 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。

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： 10Base5 乙太網路 10Base2 乙太網路 10BaseT 乙太網路 10BaseF 乙太網路

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 RG11 同軸電纜。

10Base5 乙太網路架構圖

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。

10Base2 乙太網路架構圖

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。

10BaseT 乙太網路架構圖

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。

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 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。

100 Mbps 乙太網路規格 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 100BaseT2 (1997年新增)

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。

100BaseT4 同樣採用雙絞線傳輸, 而且可以使用 Cat 3~ Cat 6 等級的線材作為傳輸媒介, 不過因為只有半雙工的傳輸模式, 而且推出時間太晚, 因此市場上很難見到相關產品。

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。

100BaseT2 它使用 Cat 3 雙絞線即可達到 100 Mbps 的頻寬, 而且能以全雙工模式傳輸資料, 兼具 100BaseTX 和 100BaseT4 的優點。 理論上應可擊敗其它競爭對手才是。不過由於它的傳輸電路較難設計, 成本相對較高, 而且推出時間晚, 已經失去先機, 因此投入生產的廠商並不多, 消費者也就不易買到 100BaseT2 的產品。

100 Mbps 乙太網路規格

1000 Mbps 乙太網路 在 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 (規格－802.3ab, 1999 年發表)

1000BaseSX 短波長 (850nm, 1nm=10-9m) 光纖乙太網路, 只能使用多模光纖做為傳輸媒介。 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。

1000BaseLX 長波長 (1300nm) 光纖乙太網路, 可採用單模或多模光纖來傳輸。 使用多模光纖時, 在全雙工模式下, 最長傳輸距離為 550 公尺；若是採用單模光纖, 在全雙工模式下, 傳輸距離則高達5000 公尺。

1000BaseCX 使用特殊的同軸電纜為傳輸媒介, 最長的傳輸距離僅有 25 公尺, 因此並不適合拿來架設網路, 比較適合用來連接鄰近的設備。

1000BaseT 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 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 1000 Mbps 乙太網路使用許多新的技術, 以克服乙太網路在高頻寬下, 傳輸距離愈來愈短的問題。

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

以光纖為傳輸介質 為了達到每秒 10 Gigabit 如此高的傳輸速率, 而且傳輸距離又能長達數十公里, 因此在擬議規格時, 大家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 LAN PHY 適用於區域網路 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。

實體層規格 WAN PHY 適用於廣域網路 兩者最大的差別在於 WAN PHY 多定義了 WIS（WAN Interface Sublayer, 廣域網路介面子層）, 可提供與 SONET 技術相容的能力。

沿用 10/100Base 乙太網路 的封包長度和格式 為了與先前版本的乙太網路相容, 所以保留原本的封包長度與格式, 不予改變。

只支援全雙工傳輸模式 半雙工傳輸模式已經無法滿足高速傳輸的需求, 所以 10GbE 只支援全雙工傳輸。也因為如此, 所用的光纖都是成雙成對, 使得兩端的節點可以同時發送與接收資料。

10GbE 的現況與發展 雖然當初制定 802.3ae 規格時, 決定採用光纖作為傳輸介質, 但是光纖與相關硬體的成本畢竟較昂貴, 不易被大眾接受。於是多家廠商致力於開發以 Cat5e、Cat6 雙絞線為傳輸介質的新規格－10GBaseT, 目前仍在集思廣益、積極制定中。 另一方面, IEEE 也已經成立研究小組, 研究使用特殊同軸電纜作為短距離連接之用, 其角色類似於 1 Gbps 乙太網路的 1000BaseCX。但是否會推出相關規格, 目前仍言之過早。

以雙絞線架設乙太網路 安裝網路卡 使用材料介紹 佈線與連接 插上網路卡 在 Wiindows XP 安裝網路卡驅動程式 認識 RJ-45 接頭 選購雙絞線 佈線與連接 準備基本工具與材料 動手壓接 RJ-45 接頭 接上集線器, 大功告成

插上網路卡

插上網路卡

插上網路卡

安裝網路卡驅動程式 重新開機進入Windows XP ：

認識 RJ-45 接頭 RJ-45 接頭前端有 8 個凹槽, 簡稱 8P (Position)﹔凹槽內的金屬接點共有 8 個, 簡稱8C (Contact), 因此標示為 8P8C。 而電話線使用的 RJ-11 接頭, 外觀和 RJ-45 很相似, 但 RJ11 只有 6 個槽 (Position), 且僅有 2 或 4 個金屬接點 (Contact), 因此在一般電料行中, 常可看到標著 6P2C 或 6P4C 的接頭。

認識 RJ-45 接頭 從側面觀察 RJ-45, 可見到平行排列的金屬片, 仔細數數, 一共有八片, 每片金屬片前端都有個突出透明方塊的部份, 從外部來看就是一隻金屬接點。

認識 RJ-45 接頭 依金屬片的形狀來區分, 又有 雙叉式RJ-45 和 三叉式RJ-45 之別。

認識 RJ-45 接頭 雙叉式的金屬片只有兩隻鍘刀、三叉式的金屬片則有三隻；金屬片前端會有一小部份穿出 RJ-45 塑膠殼, 形成和 RJ-45 插槽接觸的金屬接腳。 金屬片的鍘刀在壓接纜線的過程中, 必須刺入雙絞線的芯線、並與芯線中的銅質內芯接觸, 以構成整個網路線的連通。 至於金屬片的品質, 通常含銅純度愈高, 通訊品質愈好、鍍金層愈厚, 愈能抗氧化。

認識 RJ-45 接頭 RJ-45 接頭的一側帶有一條具彈性的卡榫, 用來固定在 RJ-45 插槽上；另一面, 則可看到八隻金屬接腳：

選購雙絞線 進口或國產： 一般個人使用時, 因電腦少且距離短, 買常見的國產品就可以了。假使您真的很挑牌子, 像 AT&T 或 Belden 之流的名牌都可以考慮。 UTP 或 STP： STP 雖然有比較好的抗干擾性、並能達到 300 公尺的傳輸距離, 但一般個人應該不太需要用到 STP (即使企業用的也很少), 因為 UTP 的品質在正常環境下應已足矣。

準備佈線與連接的工具 斜口鉗：用來剪線, 一般家庭 DIY 幾乎都少不了它。

準備佈線與連接的工具 剝線器：用來剝除雙絞線的外皮。雖然你也可以用斜口鉗代替, 但是使用時要特別小心, 別傷了裡面的芯線。

準備佈線與連接的工具 壓線鉗：將 RJ-45 接頭和雙絞線咬合夾緊用的, 功能較完整的還可壓接 RJ-45、RJ-11 及其它類似接頭, 是製作 UTP 和 STP 網路線時必備的工具。

準備佈線與連接的工具 雙絞線：若只有您個人使用, 買段長度正好夠用的線就好；假使是大量或經常使用, 可考慮一次買一箱, 通常每箱有 1000 呎 (約 305 公尺)。若要特殊規格, 一般賣線材的電料行多可代工。 RJ-45 接頭：有三叉式和雙叉式, 三叉式的接觸較好 。

準備佈線與連接的工具 護套：用來防止接頭遭到壓迫時, 正好壓到卡榫而脫離插槽, 造成斷線。

動手壓接 RJ-45 接頭 1. 利用斜口鉗剪取所需要的雙絞線長度 (每條線不得超過100 公尺), 剪下後先將雙絞線穿過護套：

動手壓接 RJ-45 接頭 2. 用剝線器將雙絞線外皮剝去至少 2 公分：

動手壓接 RJ-45 接頭 3. 將每一對線分開排齊, 注意調整第 2、3 對線的位置:

動手壓接 RJ-45 接頭

動手壓接 RJ-45 接頭 4.將八條線併攏後用斜口鉗剪齊, 並留下約14mm 的長度：

動手壓接 RJ-45 接頭 5. 將併攏的雙絞線插入 RJ-45 接頭中, 注意白橙線要插入 RJ-45 的第一隻腳：

動手壓接 RJ-45 接頭 6. 將 RJ-45 接頭放入壓線器中的壓接槽, 一面將線往接頭前端頂住、一方面用力將壓線鉗夾緊：

動手壓接 RJ-45 接頭 7. 抽出接頭後, 再把護套推往接頭方向, 套住接頭, 就算完成單邊接頭的壓接。

接上集線器, 大功告成 把網路線接到集線器和電腦。爾後, 若要電腦要加入該網路, 只要依上述步驟製作雙絞線, 將電腦和集線器連接起來, 即可成為網路的一員。

乙太網路的工作原理 訊號的廣播 MAC 位址與定址 碰撞 CSMA/CD 碰撞領域 半雙工/全雙工

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。

訊號的廣播 當 A 要傳資料給 B 時, 其送出的訊號並不會自動流向 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。

MAC 位址與定址 圖中的 0000E8977381 是網路卡的MAC 位址, 每張網路卡都會有一個 MAC 位址, 其前 3 Bytes 為廠商代號, 後 3 Bytes 為流水號。 它是由硬體製造商向 IEEE 統一註冊登記而來的。

MAC 位址與定址 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。

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)。

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。 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 10/100Mbps 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。

CSMA/CD 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。

CSMA/CD 傳輸流程

CSMA/CD 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。

碰撞領域 何謂碰撞領域？ 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。 最小訊框限制 在傳輸媒介線路的最大距離下, 訊號在媒介來回一次的時間, 稱為來回時間 (roundtrip time)。

碰撞偵測的持續時間

最小訊框限制 在送出訊框後, 必須持續偵測一個來回時間, 才能確定訊框不會遭到碰撞。 為避免在還未確定之前, 訊框就已經傳送完畢而開始傳送下一個訊框, 所以訊框不能太小。乙太網路訊框的最小限制為 64 Bytes = 512Bits。 因此 512 Bits 的最小訊框限制, 意味著必須持續偵測 512 Bit Time, 以10 Mbps 來說, 就是 51.2 μsec。

中繼器的使用 由於中繼器只是延長訊號傳輸的距離, 使經過長距離傳輸而衰減的訊號能恢復其強度。 當 A 與 B 的訊框發生碰撞時, 其碰撞的訊號會透過中繼器傳遍整個網路, 所以中繼器等於延長了碰撞領域。

橋接器的使用 橋接器能分隔兩個區域網路。 由於橋接器能過濾、轉送訊框, 所以橋接器兩端的訊框不會相互碰撞。而進一步地, 我們可以說橋接器將區域網路分隔成兩個獨立的碰撞領域。 基於此一特性, 我們可利用橋接器取代中繼器來突破最大區段的限制。

半雙工/全雙工 由於使用同一條同軸電纜傳輸, 10 Base-2 的網路卡一次只能傳輸或接收資料, 無法同時傳輸及接收, 也就是只能使用半雙工傳輸。 直到 10 Base-T 使用兩對雙絞線, 一對用來傳輸、一對用來接收, 才使全雙工的理想成為可行。

半雙工/全雙工 目前所市面上的乙太網路卡, 在包裝上都有支援半雙工/全雙工的標示,不過是否真的能達到全雙工的功能, 除了雙絞線的使用外, 還得使用點對點的連接方式才行。 所謂點對點連接方式, 是指一條傳輸線路的碰撞領域只包含兩個連接的裝置,例如：兩台電腦對接。 在這種情形下, 才能同時傳輸資料並接收另一邊傳來的資料, 而不必考慮碰撞偵測的問題。