電腦網路與連結技術：第九章 Gigabit Ethernet 網路     下一頁

第九章 Gigabit Ethernet 網路連結

 

解說 Gigabit、10 Gigabit 的工作原理、通訊結構、以及網路應用架構。

9-1  Gigabit Ethernet 網路簡介

內容：

  • 9-1-1 Gigabit Ethernet 網路規範

  • 9-1-2 Gigabit Ethernet 基本原理

  • 9-1-3 Gigabit Ethernet 協定堆疊

9-1-1 Gigabit Ethernet 網路規範  

一般將為 Gigabit Ethernet 或 1000BaseX（LX、SX、CX）及 1000BaseT稱為『超高速 Ethernet』網路，它的標準規範是 IEEE 802.3z和 IEEE 802.3ab。首先將 Gigabit Ethernet 網路的主要特性歸類如下：

(1) 傳輸速率為 1000 Mbps。

(2) 訊框為 IEEE 802.3 CSMA/CD 訊框。

(3) 傳輸媒介為第五級無遮蔽式雙絞線（Unshielded Twist Pair, Cat-5 UTP）或遮蔽式雙絞線（Shielded Twist Pair, STP）、或光纖纜線。

(4) 網路架構以集線器或交換器為佈線主要骨幹，網路最大範圍為 205 公尺。

(5) 通訊協定為 CSMA/CD，不提供優先權傳送服務。採用載波延伸（Carrier Extension）技術和訊框爆發（Frame Bursting）技術支援 CSMA/CD，以提昇網路傳輸效率。

(6) 不提供保證傳送延遲服務。

(7) 頻寬使用不保證公平。

(8) 高負載時頻寬使用率低。

(9) 適合多媒體傳送。在頻寬使用容許範圍內，1000 Mbps 的傳輸速率足以應付即時性的多媒體傳送，如語音或視訊等等。

(10) 網路容錯性高。網路主要架構以集線器連線為主，任何工作站和集線器之間連線發生故障，不會影響到其他工作站的運作情形。

9-1-2 Gigabit Ethernet 基本原理

我們回顧一下由 Ethernet 網路演變到 Fast Ethernet 所使用到的技術。為了提高 10 倍的連輸速率（由10 Mbps 到 100 Mbps），不但縮短了網路距離（由 500 公尺到 205 公尺），也改變了編碼技巧（由曼徹斯特編碼到 8B/6T 編碼）和訊號傳輸方式（由二電位之數位編碼到多電位水準編碼），甚至提高了傳輸媒介的品質（由 Cat-3 UTP 到 Cat-5 UTP），好不容易才將速率提高 10 倍。

在這所有過程之中，最主要的目的是要 Fast Ethernet 能和原來的 Ethernet 網路規格相符。其間所遇到最困難的瓶頸是要符合 CSMA/CD 通訊協定裡所規定的最小訊框（512 位元），這是為了要配合 CSMA/CD 協定運作中的碰撞偵測功能。

如果我們現在要將網路傳輸速率由 100 Mbps 提高到 1000 Mbps 的傳輸速率，依然使用延伸 Fast Ethernet 技術的做法幾乎是不可行的，比較可行的方法之一就是打破 Ethernet 的最小訊框限制。因此，Gigabit Ethernet 將最小訊框由原來的 512 位元（64 位元組）提高到 4096 位元（512 位元組），增加 8 倍，延長訊框停留在傳輸媒介上的時間，以符合碰撞偵測的功能，當然也因為要與原來的 Ethernet 網路相容，需要一些補救的措施，以下幾節介紹一些相關的技術。

我們可以發現 Gigabit 網路可能主要做為網路骨幹傳輸之用，在這方面的應用還是以交換器的架構較為理想，因此，802.3z 標準中規劃兩種網路架構：(1) Gigabit Ethernet Switch 提供具有流量控制的『全雙工點對點鏈路』（Full-duplex point–to –point links），其是利用連接埠之間的訊框轉送機制，因此不受限於 CSMA/CD 通訊協定，並且不會發生碰撞，所以在製作上反而較容易。(2) Gigabit Ethernet Hub 網路提供具『半雙工共享碰撞網域』（Half –duplex shared collision domain）的特性，且受限於 CSMA/CD 通訊協定，還得考慮碰撞機率的問題。

9-1-3 Gigabit Ethernet 協定堆疊

圖 9-1 為 Gigabit Ethernet 協定堆疊，其中 MAC 層次以下有四種型態：（1 Mbps, 10 Mbps）、10 Mbps、100 Mbps、1000 Mbps彼此之間並無關連。其中包含的主要內容如下：

  • 聚合次層（Convergence Sublayer, CS）。功能是MAC 層和實體層編碼次層之間訊號的轉換。

  • 媒體相關介面（Medium Dependent Interface, MDI）。隨各種傳輸媒體的接續訊號而不同。

  • 媒介無關介面（Medial Independent Interface, MII）。主要配合 Fast Ethernet 傳輸介面訊號。

  • Gigabit 媒介無關介面（Gigabit Medial Independent Interface, GMII）。Gigabit 網路傳輸介面訊號的轉換。

  • 媒體銜接單元（Medium Attachment Unit, MAU）。配合傳統 Ethernet 網路介面。

  • 實體層訊號（Physical Layer Signaling, PLS）。配合傳統 Ethernet 網路介面。

  • 實體編碼次層（Physical Coding Sublayer, PCS）。依照不同編碼技術（4B/5B, 8B/6T, 8B/10B）架設。

  • 實體媒體銜接（Physical Medium Attachment, PMA）。依照不同傳輸媒介的界面銜接接續端子不同。

  • 實體層元件（Physical Layer Device, PHY）。

  • 實體媒體相關介面（Physical Medium Dependent, PMD）。針對不同傳輸媒介的介面裝置。

圖 9-1 Gigabit Ethernet 協定堆疊

Gigabit Ethernet 標準同時支援全雙工點對點鏈路（交換器連接埠）和半雙工共享傳輸鏈路（集線器連接埠）。在實體層上支援 Cat-5 UTP 和 150 歐姆 STP，在光纖方面同時支援單模和多模光纖。

翻轉工作室：粘添壽

 

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