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8-5 Fast Ethernet 通訊結構
8-5-1 100BaseT 通訊架構 100BaseT（802.3u）通訊協定必須能相容於兩種規範：802.3i（10BaseT） 和 802.3z（1000BaseT），因此在通訊協定架構裡增加『聚合次層』（Convergence Sublayer, CS），如圖 8-12 所示。其主要目的是提供 CSMA/CD MAC 次層和 PMD（Physical Medial Dependent）次層之間的介面，並且讓 MAC 次層不必知道實體層已經使用了 100 Mbps 的傳輸速率和不同的傳輸線路的情形下，依然可以順利運作。也就是說，CSMA/CD 通訊協定可以完全不必修改，就可以透過 CS 次層連接不同傳輸媒介和傳輸速率。 為了支援不同的傳輸媒體，在 CS 次層及 PMD 次層之間又定義了『媒體無關介面』（Medial Independent Interface, MII）。圖 8-13 表示此介面所包含的訊號。 圖 8-12 100BaseT 通訊架構圖 在曼徹斯特或差動式曼特斯特的『時序編碼』（Clock Encoding）技術之下，為達到傳送端和接收端之間的時脈同步，在傳輸訊號中每個位元的中間都有變化，相對應的傳輸頻寬也因之提高一倍。但在高速網路之下，頻寬是決定傳輸速率的主要因素，因此 Fast Ethernet 不適合使用曼測斯特編碼技術。但為了解決同步問題， Fast Ethernet 採用的『位元串編碼法』（Bit String Encoding），可以保證每一個編碼後之符號都有足夠的訊號轉換，此訊號轉換可以讓接收端達到接收同步的功能。 『位元串編碼法』是將原來資料以每四個位元分成一組，每一個編碼符號是由一組或多組的四位元編碼而成。由圖 8-13 所示，串列位元經過 CS 層後，經過編碼並以四個位元為單位的 MII 介面，再依照各個『實體媒介相依層』（Physical Medial Dependent, PMD）轉換成訊號傳送出去。因此 CS 次層的主要功能包含： (1) 當 MAC 傳送訊框時，負責將 MAC 送出去的位元串轉換成以四個位元為單位（TxD[0], …, TxD[3]）的串列，以便傳給 MII 介面。 (2) 當 MAC 接收訊框時，負責將 MII 介面送來的四位元單位（RxD[0], …, RxD[3]）轉換成位元串，以便傳給 MAC 層。 (3) 將 PMD 次層所產生之載波感測（CRS）和碰撞偵測（CD）訊號傳給 MAC 次層。 圖 8-13 100BaseT 介面訊號 依照圖 8-12 所示，不同傳輸媒介都有自已的 PMD 次層，大致上可區分為 100BaseT4、100BaseTx、以及 100BaseFx，以下幾節我們將分別介紹它們的特性。 8-5-2 100BaseT4 介面技術 100BaseT4 網路的傳輸線採用具有四對線的第三級無遮蔽式雙絞線（Category 3 UPT）。為了達到 100 Mbps 的傳輸速率，每一對線都必須被使用來傳送資料，這也是『T4』名稱的由來。 在 CSMA/CD 通訊協定裡，有一個重要的特性就是在同一網路上只有一部工作站可以傳送訊框。對任何工作站而言，不是在傳送資料就是在接收資料，不可能同時進行。每部工作站都是由集線器連接，因此集線器和電腦之間都是以『半雙工』方式傳輸。在 10BaseT 的系統之下，只用到兩對雙絞線，其中一對用來傳送訊框；而另一對則用來接收訊框，且這兩對線都只能單向傳送。訊框碰撞的偵測方式是當工作站在傳送的雙絞線上發送訊框，同時又在接收的雙絞線上接收訊框。 在 100BaseT4 的四對線使用方式，原來 10BaseT 的兩對雙絞線（第一、二對）仍然相同功能使用（單工模式），但其他兩對則用來傳送和接收交替使用（半雙工模式）。如圖 8-14 所示，其四對雙絞線使用情況如下： ● 傳輸線運作模式 ● 二對線：單工運作。 ● 四對線：半雙工運作。 ● 工作站傳送訊框至集線器 ● 第一、三、四對線傳送訊框運作。(工作站 → 集線器) ● 第二對線使用於載波感測和碰撞偵測。(集線器 → 工作站) ● 工作站由集線器上接收訊框 ● 第二、三、四對線傳送訊框。(集線器 → 工作站) ● 第一對線使用於載波感測和碰撞偵測。(工作站 → 集線器) 也就是說，兩個方向的傳送訊框都適用三對線的並行傳送，對於 100 Mbps 的傳輸速率而言，每對線傳送速率為： 100 Mbps / 3 = 33.33 Mbps 圖 8-14 100BaseT4 四對雙絞線的使用 (A) 8B/6T編碼 100BaseT4 網路不採用曼徹斯特編碼方法，因為曼徹斯特編碼法中，每個位元中間都有變化，所以其頻寬得是傳輸速率的兩倍。如 100BaseT4 以三對雙絞線傳送訊框，而每一對線必須負責傳輸速率為 33.33 Mbps，如採用曼徹斯特編碼則每對線的頻寬是 66.66 Mbaud（訊號變化率），遠超過 Cat-3 UTP 所能容忍的最大頻寬 30 Mbaud。為了減少頻寬，100BaseT4 採用8B/6T 編碼法（亦是位元串編碼法）（請參考本章41頁表8-3），這種編碼法是 8 個位元以 6 個符號字碼表示，每個符號字碼具有『三電位水平編碼』（3-Level（ternary） Code）。這三種電位水平為 +V、0、-V（以 ＋、0、－ 表示之）。也就是說，在傳送訊框之前，先將位元串切成每 8 個位元為一組，而每一組轉換成 6 個符號字碼，每個符號字碼都具有 3 種電位變化可能。如圖 8-15 所示，位元組 "01010101" 轉換為 "－－＋0＋＋"。如果使用這種編碼法，100BaseT4 每對傳輸線的頻寬由原來 33.33 Mbaud 減少為 25 Mbaud（= 100 MHz × 1/3 × 6/8），這已經在 UTP 所能支援的範圍內。 圖 8-15 8B/6T 編碼範例 字碼符號編碼最重要的問題是直流平衡（DC Balance），也就是傳輸上的訊號電位的總和最好能維持在零電位的水平，如此，才可以使接收端於接收訊號時，有一個零電位的參考電壓以便能清楚的辨識 ＋、0、－ 三種電位水平的訊號。在 8B/6T 編碼中，表示字元符號（6T）有 729 個（= 36），而資料（8T）只有 256 個（= 28）。我們由這 729 個字碼之中找出合乎直流平衡的 256 個字碼，它的基本條件是每個符號內的電位總和為 0 或 1。因此，我們選擇字碼的原則是先考慮維持直流平衡的字碼，再由這些字碼之中選出至少兩次電位轉換的字碼。後者的考慮因素是為了讓接收端在接收訊號時能達到同步的功能。在所有字碼之中（729），比重為 0 或 1 的字碼共有 267 個，為了滿足後者的要求，我們將其中電位轉換少於 2 次的字碼剔除（5 個），然後再將前面或後面有連續 4 個零的字碼去除（6 個），則剛好剩下 256 個字碼足於表示 8 個二進位元字串。這些字碼的編碼如表 8-3 所示。 在我們所挑選的字碼比重不是 0 就是 1，它的計算方法是將 6 個符號的電位總合是 0 或 1 個 ＋，例如字碼 ＋＋0＋－－ 的比重是1，而字碼 －＋0 0－＋ 的比重是0。但如果傳送端連續傳送比重為 1 的字碼，接收端在判斷電位的偏移量時有可能會將連續的 +V 電位累加視為零電位，而產生字碼辨識上的錯誤，這個現象稱為『直流迷失』（DC Wander）。為了避免接收端產生直流迷失的現象，最好的方法是傳送端在傳送字碼時，能使比重為1 和 0 的字碼交替發送，讓接收端較容易校準和傳送端同步的電位水平。為了達到這個目的，發送端在發送資料時，就必須依照比重為 1 和 0 的字碼交替發送，因此，連續發送字碼如未交替變化時，則下一個字碼必須反相（＋ → － 或 － → ＋）（比重為 1 的反相為 0、反之亦然）。例如傳送連續為 01101101 的資料，其字碼為 + + 0 + －－，則發送出去的訊號是 ＋＋0 +－－、－－0－＋＋、＋＋0＋－ －、－－0－＋＋、＋＋0 +－－‧‧‧，其中偶數字碼皆以反向發送。接收端以相同的規則處理接收字碼。其傳送字碼之狀態變換如圖 8-16 所示。 圖 8-16 傳送字碼之狀態變換圖 為了傳輸線路比較容易處理，我們將欲傳送的位元串經過 8B/6T 編碼後，以每一個字碼的 6 個符號分別依序輪流在三條傳輸線上發送，如圖 8-17 所示。每一條傳輸線再依照字碼比重為 1 和 0 交替發送（依圖 8-16 字碼狀態變換）。接收端再將每一條雙絞線上所收到的字碼依序進行解碼工作，直到訊框的最後字碼收到後，再整合三條線的接收訊息。 圖 8-17 字碼在雙絞線上的傳送順序 比重為 0 和 1 的字碼交替發送（如圖 8-17）也有助於錯誤的檢出。如果接收端發現所收到的字碼並非如圖 8-17 的變化，或字碼總合比重不是 0 或 1，便知道訊號在傳輸線上已受到干擾破壞。因為發送字碼並無法剛好三條傳輸線平均分配，又發送訊框時，三條傳輸線在時序上會有所延遲。因此，為了讓三條雙絞線能同時結束接收訊息，我們在訊框最後的 CRC（4 個位元組）傳送後加入字串結束（End of Stream, EoS），以便讓三條傳輸線的結束對齊。EoS 的字碼最長為 6 個符號（+ + + + + + 或 - - - - - - ），到底傳送該哪一種符號，是根據該傳輸線上字碼的總合，如為 0 則使用 - - - - - - ；如總合為 1 則使用 + + + + + +。另一則，每條雙絞線上到底傳送幾個符號，這要看最後傳送字碼的結束是否對齊。 (B) 碰撞偵測及預防串音 100BaseT4 的四對雙絞線之中，工作站（集線器）在傳送訊框給集線器（工作站）時，使用第 1、3、4（或 2、3、4）對傳送，而第 2（或 1）對雙絞線則用來偵測是否發生碰撞。如果第 2（或 1）對收到非正常的字碼符號，並判斷訊框已經和其他訊號發生碰撞，如圖 8-17 中。此時，工作站傳送訊框給集線器，而第 1、3、4 對雙絞線上靠近工作站端較強的訊號將會對第 2 對雙絞線發生干擾現象，稱為『近端串音』（Near-End cross-talk, NEXT）。 圖 8-18 串音干擾現象範例 此現象可能讓發送端誤判為已經發生碰撞，同樣的現象也會發生在集線器傳送訊框給工作站。為了減低近端串音現象的發生，對每一個訊框的前導部分（Preamble）採用兩種電位的編碼，而非如同訊框資料採用三種電位編碼。這種方法增加高低電位大小的差異，有助於工作站或集線器在判斷碰撞時，分辨到底是近端串音或是在前導部分發生碰撞。前導部份在編碼上稱為『字串起始』（Start of Stream, SoS），並且包含兩種電位水平的字碼：SOS-1 及 SFD（Start Frame Delimiter）。由圖 8-18 中，可以發現第四條雙絞線上的 SFD 前只有一個 SOS-1 字碼，而其他兩條雙絞線上都有兩個 SOS-1 字碼。這是因為訊框的第一個位元組將由第四條雙絞線上傳送，第二個位元組將由第一條發送，第三位元組將由第三條發送，然後依序輪流發送。 圖 8-19 前導部份的編碼與傳送 當工作站或集線器偵測到訊框發生碰撞時，它會送出一個擾亂訊號（Jam Sequence）然後停止發送訊框。此時發送者必須知道其他參與碰撞的工作站何時停止傳送訊框，以便開始進行重新傳送訊框的步驟。此部份較容易完成，因為在 8B/6T 的編碼法下，沒有傳送訊框可由三條雙絞線上的電位都是 0 判斷出來。此時也不會在碰裝偵測上受到近端串音影響。為了增加傳輸線的使用率，傳送訊框的間隔時間（Inter-Frame Gap）也由原來 Ethernet 的 9.6 μs 縮短為 960 ns。 8-5-3 100BaseTx 介面技術 在 100BaseT 中的 Tx 和 Fx 只針對傳輸技術規範的加強，使其達到傳輸100 Mbps 的能力，不同於 T4，需修改傳輸模式始能達到。100BaseTx 的 PMD（Physical Medial Dependent） 標準是 IEEE 802.3u，幾乎完全依照 ASNI X3T9.5 的規範，也因此稱之為『x』。其採用 ANSI 所發展的『雙絞線實體層傳輸媒體』（Twisted-Pair Physical Medial Dependent, TP-PMD），或稱為『銅線分散式資料傳輸介面』（Copper Distributed Data Interface, CDDI）規範。 100BaseTx 採用兩對雙絞線作為傳輸訊框，一對使用在傳送訊框；另一對作接收訊框使用，其接頭方式（RJ-45）和 10BaseT 都相同。為了傳輸 100 Mbps 的速率，100BaseTx 採用頻寬較高的第五級雙絞線（Cat-5 UTP）或150 歐姆的遮蔽式雙絞線（STP）。傳輸線每段長為 100 公尺。 在資料編碼方面，100BaseTx 也是採用 FDDI 的兩階段編碼技術，第一階段是資料經過 4B/5B 編碼後，再經過第二階段的 NRZI 的 MLT-3（Multi-Level Transmission -3）編碼轉換成訊號，如圖 8-19 所示。而雙絞線上所需的頻寬是 31.25 MHz（=100 × 4/5（4B/5B 編碼）× 1/2（NRZI 編碼）× 1/2（MLT-3 編碼））。（相關技術請參考第十八章） 圖 8-20 100BaseTx 的訊號編碼方式 8-5-4 100BaseFx 介面技術 100BaseFx 的 PMD 標準規範是 IEEE 802.3u，傳輸技術採用 ASNI X3T9.5（FDDI），因此稱之為『x』。它的應用的目標是放在使用光纖線路和目前廣泛使用的 FDDI 傳輸線路。也就是高速傳輸骨幹的應用、長距離連線的應用、電子干擾環境下的傳輸應用、或者是更安全（Security）的傳輸連線使用。100BaseFx 跟 100BaseTx 一樣，也都借用了 ANSI X3T9.5 的實體層規格，但 100BaseFx 採用光纖實體規格（Fiber PMD）。如同 FDDI，100BaseFx 可以採用多模光纖或單模光纖來當傳輸線路，而其接頭也是採用與 FDDI 相容的 ST 接頭或 MIC 接頭。一般 100BaseFx 大多使用在集線器（或交換器）之間的中繼連線。（相關技術請參考第十八章） 8-5-5 100BaseT 自動協商 自動協商（Auto-negotiation）是 100BaseT 一項非常重要的特性。適用於所謂的雙速（dual-speed）網路卡或集線器。也就是說，網路卡和集線器的連接埠皆支援 10 Mbps 和 100 Mbps 兩種速率。如果雙方都同時支援 100 Mbps，則以此速率通訊，否則以 10 Mbps 速率通訊。彼此之間協商是由網路卡和集線器的連接埠自動完成，使用者完全不必參與。自動協商除了協商網路卡的雙速特性外，其他協商因素還有收發器型態、傳輸模式（全雙工或半雙工）、纜線規格（Cat-3 或 Cat-5 UTP）、以及雙絞線的對數（二對或四對）等，如圖 8-20 所示。表 8-2 為自動協商的優先次序。 圖 8-21 100BaseT 自動協商功能 表 8-2 自動協商優先次序表
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