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8-3 CSMA/CD 網路規範
8-3-1 CSMA/CD 通訊結構 圖 8-7 表示 CSMA/CD 的通訊結構圖，一般都將其建構在網路卡上。隨著 MAC 層不同，可區分為 Ethernet 網路卡或 Token-Ring 網路卡等。Ethernet 網路卡也會依照實體層和傳輸速率的不同，區分為各式各樣的網路卡，如 BNC、AUI、10BaseT、100BaseT 等等。但基本上都是 CSMA/CD 通訊協定。圖 8-7 是最基本的通訊結構，其包含有下列：（請參照圖 8-1） 圖 8-7 CSMA/CD 的通訊結構 (A) MAC 服務規格（Service Specification） IEEE 802 所制定的 MAC 規格內並沒有服務存取點，也就是說 MAC 並不提供多工處理的功能。對於邏輯鏈路的多工處理是由 LLC 層負責。因此 MAC 所提供的服務就只有單一鏈路，亦是 MAC 只接受一個 LLC 的服務存取點。LLC 如欲發送資料，首先將資料（LLC-PDU）傳給 MAC，MAC 再依照媒介存取方法發送資料，傳送成功後回應告知 LLC。所以回應訊號是由本身的 MAC 層發出，而不是由對方的 MAC 發出。所以 MAC 只有三個基礎呼叫（沒有 "response"）。（MAC 的訊號動作請參考 7-5-3 節與圖 7-14） ● MA_DATA.request：LLC 要求 MAC 將資料傳給對方 LLC。 ● MA_DATA.indication：LLC 由 MAC 上讀取接收的資料。 ● MA_DATA.confirm：回應 MA_DATA.request 是否傳送成功。 (B) MAC 通訊協定（CSMA/CD Protocol） 在 IEEE 802 系列裡，MAC 協定是規定在同一網路上，所有工作站必須依照一個共通的方法來存取傳輸媒介。譬如，在 CSMA/CD 網路上所有必須依照 CSMA/CD 的網路存取方法，其中有一部工作站沒有按照此方法（也許是 Token-Ring），它就無法和其他工作站通訊。但除了完成 CSMA/CD 工作外，必須負責將 LLC-PDU 加上一些訊框頭（SFD, DA, SA, LEN）及訊框尾（PAD, FCS）構成傳送的訊框。或者由接收到的訊框，反方向拆除訊框頭和訊框尾，回到原來的 LLC-PDU。前者稱為資料包裝（Data Encapsulation），後者工作稱為資料拆裝（Data Decapsulation）。 (C) 實體層訊號處理（Physical Layer Signaling, PLS） 此部份有三個主要工作： ● 當 MAC 在傳送資料時，將資料加以編碼成訊號（採用 Manchester 編碼）；另一方面，MAC 接收資料時，將訊號解碼成資料。因此具有編碼/解碼功能（Codec）。（有關 Manchester 編碼請參照第二章說明） ● 產生前置訊號（Preamble）（傳送資料時）及刪除前置訊號（接收資料時）。 ● MAC 在接收資料時，提供通道時序校準（Channel Checking）的功能。其利用 Manchester 編碼裡，每一個位元中間都有變化的訊號取出同步訊號。依此同步訊號校準本身的時序，使其同步於發送端。 (D) 接觸單元介面（Attachment Unit Interface, AUI） AUI 介面是由同軸電纜連接到工作站之間的介面，其中包含 AUI 接頭（AUI Connector）和 AUI 電纜（AUI Cable）。AUI 接頭是 15 pin、D-type 的標準接頭，連接網路卡和 MAU 之間。AUI 電纜又稱為分歧電纜（Branch cable）或收發器電纜（Transceiver cable）。 (E) 媒介接觸單元（Medium Attachment Unit, MAU） MAU 的主要功能是將訊號發送到纜線上，以及由纜線上接收訊號。因為同軸電纜上傳遞電波訊號，只要用感應的方式，就可以發送和接收，不必要完全接觸。同時，MAU 也必須負責將 AUI 纜線上電流訊號轉換成電波訊號；接收時，將電波訊號轉換成電流訊號。 8-3-2 CSMA/CD 最大纜線系統 在 IEEE 802.3 CSMA/CD 通訊協定裡規定網路最大範圍 2500 公尺。但限定網路最大範圍的原因，是為了要符合 CSMA/CD 協定中的最小訊框限制，也就是為了能夠順利完成碰撞偵測的功能。其中最主要的癥結是我們假設一個時槽時間是 51.2 us（最遠距離來回時間）。因此，在考慮最大纜線系統時，必須瞭解所使用的纜線特性，和其他各種設備的延遲時間。如果我們可以將各種設備的延遲時間縮短，也同樣可以延伸更遠的距離。 圖 8-8 為 CSMA/CD 網路的最大纜線系統的示意圖，以下介紹它可能用到的纜線及其他設備。 (1) 同軸電纜（Coaxial cable）：一般皆作傳輸骨幹使用，其特性如下： ● 採用基頻傳輸，電纜阻抗為 50 歐姆。 ● 被動式廣播性傳輸媒體（Passive Broadcast Medium）。 ● 訊號傳遞速率為光速的 0.77 倍。 ● 電纜兩端各需要一個終端器（Terminator）。 ● 每一段電纜最長 500 公尺，可利用訊號增益器來延長網路長度。 ● 任何兩個工作站之間的路徑上最多只能有兩個訊號增益器。 ● 任何兩部工作站之間的同軸電纜最長 1500 公尺。在這距離上訊號來回延遲時間約 13 us。 (2) 收發器電纜（Transceiver cable）：為絞對線電纜，連接工作站和同軸電腦之間。其特性如下。 ● 共有四對絞對線，其功能為： ● 傳送訊號（Transmit Signal） ● 接收訊號（Receive Signal） ● 碰撞顯示訊號（Collision Presence Signal） ● 電源（Power），電源由網路卡送往 MAU。 ● 訊號傳遞速率為光速的 0.65 倍。 ● 最大長度為 50 公尺。傳遞延遲 5.13 ns/M。每段來回延遲 0.513 us。 (3) 半訊號增益器間電纜（Half-Repeater Cable）：點對點（Point to Point）的傳遞方式，主要功能是延伸網路的距離。在這條纜線無法連接工作站的時候（不可以接 MAU），可以採用光纖、紅外線、無線電波、同軸電纜等傳輸媒介。如使用同軸電纜，一般特性如下： ● 訊號傳遞速度為光速的 0.65 倍。 ● 最大長度為 1000 公尺。來回延遲時間約 10.26 us。 (4) 訊號增益器（Repeater）：訊號增益器是將纜線上傳遞的脈衝訊號（基頻傳輸）重新整形後再往前送，屬於雙方向性的。主要使用於延伸網路的長度，但也使用於不同連接接頭（AUI、BNC、RJ45）之間的轉換。來回傳遞時間約 1.2us。 (5) 半訊號增益器（Half-Repeater）：和訊號增益器功能相同，但其連接半增益器電纜，可增加纜線的長度。其來回延遲時間和訊號增益器相同。 由圖 8-8 可以看出工作站 A 和 H 之間在網路之中最遠的兩端，它們之間的路徑可由其所經過的 AUI 電纜看出（a → b → c → d → e → f）。也可計算出它們所經過的纜線：經過三條同軸電纜為 1500 公尺（3 × 500公尺）、六條 AUI 電纜為 300 公尺（6 × 50公尺）、一條半訊號增益器電纜為 1000 公尺（以上都以最大纜線計算）。在每部工作站上的網路卡皆有編碼和解碼、以及訊號轉換的延遲。又在訊號增益器上也有 MAU 的時間延遲。我們將工作站 A 和 H 之間所經過的纜線和網路設備的來回時間預估為 51.2 us。 我們必須瞭解一點，最大纜線到底有多大？是由各種纜線和設備的延遲時間而定，並非固定 2500 公尺。基本上，51.2 us 是協定制定的標準，只要最遠之間來回時間不超過該值即可。當然各種設備之中延遲時間也不盡相同，因此，我們設計網路時，必須了解自己所使用設備的特性，才不至於發生網路不穩定現象。如果所架設的網路超過 51.2 us 的延遲時間，並不會使網路立即癱瘓，但在運作時，經常會發生碰撞鎖定的現象（其實並沒有發生碰撞）。 圖 8-8 CSMA/CD 最大纜線系統 8-3-3 CSMA/CD 網路實體層 為了滿足不同環境的需求，IEEE 802.3標準在實體層上提供多種不同架構的版本，如表 8-1 所示。圖 8-9 為 CSMA/CD 網路的基本架構圖，其中包含了三個實體層規範（10Base5、10Base2 與 10BaseT），但這些不同實體層可共同存在於同一網路架構上，這也是早期 Ethernet 網路最常見的佈線方式，以下分別介紹這三種實體層的特性。 表 8-1 CSMA/CD 網路實體層規格
圖 8-9 CSMA/CD 網路架構圖 (A) 10Base5 網路系統 10Base5 網路（IEEE 802.3）是依照 CSMA/CD 網路標準所製作，它的網路架構就如圖 8-1 所示。早期 Ethernet 網路剛開始使用時，都以 10Base5 作為傳輸骨幹（如圖 8-9 所示）。其主要特性如下： ● 傳輸速率 10Mbps。 ● 基頻傳輸技術，使用 Manchester 編碼。 ● 同軸電纜直徑 10mm（RG-11），又稱『粗線 Ethernet』（Thick Ethernet）。 ● 每一段同軸電纜的最大長度為 500 公尺。 ● 網路最大範圍可達 2500 公尺。 ● 每一段同軸電纜上最多可接 100 部電腦。 ● 任何二個收發器（MAU）之間的距離為 2.5 公尺的整數倍。 ● 使用阻抗為 50 歐姆的同軸電纜。電纜兩端必須接與纜線阻抗相同的電阻，以消除反射波。我們將該電阻裝成接頭直接鎖在纜線的端點，稱之為『終端器』（Terminator）。 ● 時槽時間（Slot Time）為 51.2us。相當於 512 位元時間，一位元時間為0.1us。 ● 每一筆訊框在連續發生碰撞的情形下，最高嘗試傳送次數為 16 次。 ● 傳送訊框間格時間（Inter-frame Gap）為 9.6 us。 ● 訊框傳送發生碰撞後延遲時間的取樣範圍最大為 210 ，即是 [0, 1, 2, .., 1023] 的時槽時間。 ● 訊框傳送發生碰撞後送出的擾亂訊號（Jamming Signal）長度為 32 位元。 (B) 10Base2 網路系統 10Base2 網路（IEEE 802.3a）的纜線連線比較簡單，但傳輸距離較短，最主要是用於連接終端電腦使用。一般佈線時，我們會以 10Base5 為網路主幹，工作站之間的串接再使用 10Base2。 10Base2 和 10Base5 最主要的不同點是，10Base2 將 MAU 部分裝設在網路卡上，因此不需要 AUI 接頭和 AUI 電纜。同軸電腦直接透過 BNC 接頭連上網路卡，多部電腦之間只要利用同軸電纜和 BNC 接頭就可以串接在一起，如圖 8-9 所示。所以對整個佈線系統而言，比 10Base5 簡單且便宜。其特性如下： ● 使用同軸電纜的直徑為 5mm、阻抗為 50 歐姆（RG-58A/U）。因此也稱為『細線 Ethernet』（Thin Ethernet）。 ● 傳輸速率為 10Mbps。 ● 基頻傳輸技術、使用 Manchester 編碼。 ● 每一段同軸電纜的最大長度為 185 公尺。 ● 網路最長可達 925 公尺（185 × 5 = 925）。 ● 任何兩部電腦之間的連線為 0.5 公尺的整數倍。 ● 每一段同軸電纜上最多可接上 30 部工作站。 ● 每一段同軸電纜的兩端需接上 50 歐姆的終端器。 ● 每段同軸電纜的連線是利用 BNC-T 型連接器以『雛菊花環式』（Daisy Chaining）串接法，將電腦串接起來。 其他特性和 10Base5 的參數相同，彼此可以經由訊號增益器相連接起來成為一個 Ethernet 網路，如圖 8-11 所示。 (C) 10BaseT 網路系統 如果用 10Base2 來佈放電腦端的連線，在某區段中任何地方斷線，或任何一處的 BNC 接頭接觸不良，將使該區段的網路將完全癱瘓。而且當網路故障時，要找出故障點，的確不是一件容易的事。10BaseT 網路（IEEE 802.3i）系統保持原來 CSMA/CD 的特性，將網路架構更改為星狀的集中式。集中設備稱之為『集線器』（Hub），又稱為 10BaseT Hub，如圖 8-10 所示。任何一部工作站都有專線連接到集線器上，如果該連線斷線，將不會影響到其他工作站的通訊，而且佈線方面比 10Base2 容易得多，而且維護上也較容易。另一方面，亦可將 10BaseT 與 10Base5 結合在一起，如圖 8-9 所示。（有關 10BaseT 佈線規範請參考第十章說明） 圖 8-10 10BaseT 網路系統佈線圖 基本上，集線器（Hub）是整合型的共通匯流排（Common Bus），將多重存取（Multiple Access）的連接點集中在一個裝置上。不但保留原來匯流排的特性，又可用星狀或樹狀的拓樸圖來佈線，圖 8-11 為集線器的內部示意圖。集線器還有一個重要的特性，在 10Base5 或 10Base2 網路上，任何一部工作站斷線或接線不良，都會造成整個網路癱瘓，但使用集線器來佈線則不然，任何一部工作站與集線器之間都是專線連接，網路中某一工作站連線不良，對其它工作站的影響較少。 圖 8-11 集線器內部結構示意圖 我們將利用集線器所構成 10BaseT 網路的特性歸類如下： ● 傳輸速率為 10Mbps。 ● 基頻傳輸，資料編碼採用 Manchester 技巧。 ● 使用直徑 0.4 ~ 0.6mm 的雙絞線（Cat-3 UTP）。 ● 雙絞線接頭為 RJ-45（8 pin）、接續規格為 EIA-568B 方式。 ● 工作站和集線器之間的絞對線最長 100 公尺。 ● 網路最大範圍為 500 公尺。 ● 利用集中器串接以延伸距離。最多可以串接五段傳輸線（其中兩條為中繼傳輸線），也就是說最多只能連接四台集線器。 ● 其他特性與 10Base5 及 10Base2 的參數相同，彼此可以經由訊號增益器相連接起來成為一個 Ethernet 網路。如圖 8-11 表示由 10Base5 為網路骨幹，10Base2 和 10BaseT 為分歧電腦連線。
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