TCP/IP 協定與 Internet 網路：第二章 雛形區域網路 - Ethernet  上一頁           下一頁

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2-2 Ethernet 網路

        目前網路環境裡的區域網路大多是 Ethernet 網路，而 Ethernet 網路是 1972 年由Digital公司、Intel公司和Xerox公司依照 CSMA/CD 協定標準所制定的。早期 Ethernet 網路製作簡單，連線也非常容易，因此漸漸被工業界喜愛，應用範圍也漸漸擴大。所以目前講區域網路主要以 Ethernet 為標準。但 CSMA/CD 協定也有致命的缺點，就是頻寬分配不均、易發生碰撞的現象而影響傳輸效率。但目前新的技術足以克服，使效率和速率較原來標準完善。我們以 Ethernet 標準網路為基礎開始介紹，再進入 Fast Ethernet 和 Gigabit Ethernet 網路。

2-2-1 Ethernet 網路簡介

        Ethernet 網路的基本結構為匯流排（Bus）架構，如圖 2-8 所示，基本特性如下：

圖 2-8 CSMA/CD 網路基本架構圖

(1) Ethernet網路基本上為匯流排架構，傳輸媒介為同軸電纜（Coaxial Cable）。該傳輸媒介為網路上所有工作站之間通訊的橋樑，任何一部工作站欲傳送資料給其他工作站，必須將資料廣播到（Broadcasting）傳輸媒介上，而且所有工作站都要能收到網路上所廣播的訊息，如果有任何一部工作站無法接收到他人發送的訊息（也許網路太大），則表示網路不正常。

(2) 網路上同一時間只允許一部工作站發送訊號，如果有兩部以上同時發送訊號，則它們之間的訊號將會在網路上發生碰撞（Collision），造成錯誤訊息而失效（無法解碼）。發生碰撞時，所有傳送中的工作站必須停止傳送，另找適當時機再重新傳送。因此，每部工作站都必須具有偵測碰撞的功能。

(3) 同軸電纜上傳遞的訊號為電波方式。電波傳遞到纜線的端點會發生反射的現象，造成反射波和前進波混合，而發生訊號錯誤。為了讓網路不要發生反射波現象，我們必須在網路的兩個端點安裝『終端器』（Terminator），以便吸收前進波而使不致發生反射波的現象。

(4) 由上述情況可以看出，網路上任何一處斷線、接觸不良、或終端器脫漏將使整個網路癱瘓。

(5) 同軸電纜和工作站之間必須透過『收發器』（Transceiver）和『收發器電纜』（Transceiver Cable）的連接。收發器是電流訊號和電波訊號之間的轉換，其功能是在同軸電纜上發送和接收訊號。收發器電纜是一般絞對線電纜，其傳遞電流訊號。

由以上的特性，我們將標準 Ethernet 網路的基本規格歸類如下：

(1) 傳輸速率：10Mbps（高速 Ethernet 可達 100 Mbps ~ 1 Gbps）

(2) 訊框格式：IEEE 802.3 CSMA/CD格式 ，最大訊框為 1518 位元組，最小訊框為 64 位元組。

(3) 傳輸媒介： 50 歐姆之同軸電纜（Coaxial Cable）、無遮蔽式雙絞線（UTP）或光纖（Optical Fiber）。

(4) 網路拓樸圖：匯流排架構、廣播方式傳輸，最大網路範圍 2500 公尺。

(5) 不提供保證傳送延遲服務：CSMA/CD 協定為競爭式，沒有優先權傳輸服務。所以不保證工作站是否能在某段時間內取得傳輸媒介的使用權。

(6) 頻寬使用不保證公平：工作站的使用頻寬沒有平均分配，由競爭原則取得頻寬使用權。

(7) 高負載時頻寬使用率低：高負載時工作站之間碰撞機率提昇，易造成頻寬使用率降低。

(8) 較不適合多媒體資訊傳輸：因不保證傳輸延遲時間，而且基本協定規格的速率只有 10 Mbps，所以對即時傳輸的多媒體應用較不適合。

2-2-2 Ethernet 運作原理

        Ethernet 網路是採用『載波檢測多重存取附碰撞偵測』（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD）協定，是 IEEE 802.3 所制定的『媒介存取控制』（Medium Access Control, MAC）通訊協定。它的上層必須配合 IEEE 802.2 LLC（如圖 2-7），而下層可依照不同環境需求結合各種傳輸媒介。CSMA/CD 協定是屬於廣播方式傳輸，其工作站不是在傳送資料（發送訊號），就是在接收資料（接收訊號）。網路上同一時間只允許一部工作站傳送資料，其餘則處於接收情況。圖 2-9 為 CSMA/CD 通訊協定的運作流程圖，可分為傳送資料和接收資料兩部分，以下分別說明之：

(A) 傳送資料流程：

(1) 工作站欲傳送資料前，首先聆聽（Listen）網路上是否有訊號在傳送（Carrier Sense）？如果網路上是安靜的 (Quiet)，表示沒有任何工作站在使用，便可開始傳送資料；否則就必須等待，而且繼續聆聽。

(2) 當工作站將資料（訊框）傳送出去後，必須立即將其讀回，判斷是否與其他工作站碰撞（Collision Detection）？如發生碰撞便馬上退回不再傳送，等待某一『隨機時間』（Random Time）後再回到流程 (1) 繼續聆聽；否則便可繼續傳送。

(3) 資料是否傳送完畢？如完畢便發送介面程式通知上一層（LLC 層）；否則回到流程 (2) 繼續發送。

(4) 如發生碰撞（由訊號改變來判斷是否碰撞），傳送端將送出擾亂訊號，告知所有工作站，網路已發生碰撞現象，不要再繼續傳送訊號。如果連續發生16 次以上的碰撞，表示網路或電腦發生嚴重的故障，停止傳送並等待修護人員來修護。

(5) 在網路上可能有多部工作站在載波偵測（Carrier Sense）準備要傳送資料，也有可能在傳送途中與其它工作站的訊號發生碰撞。

(B) 接收資料流程：

(1) 工作站如沒有在傳送資料，就在接收狀態下。當它接收完資料，如判斷該資料太短便將其拋棄（可能傳送途中發生碰撞而停止傳送），繼續接收資料。否則接下一個流程 (2)。

(2) 由訊框內的目的位址（Destination Address, DA）判斷是否傳送給自己，如果不是傳給自己的就將該訊框拋棄，回到流程 (1)。如果是，接下一個流程 (3)。

(3) 由訊框中 FCS（Frame Check Sequence）欄位的值，以 CRC（Cycle Redundancy Check）檢查方法，檢查訊框內資料是否發生錯誤。如果已發生錯誤則通知 LLC（由 LLC 要求對方重送該訊框），回到流程 (1)。如果沒有錯誤則接流程 (4)。

(4) 以訊框中長度（Length）欄位的值，與計算資料欄位內資料長度是否相符。如果不符，則通知 LLC（由 LLC 要求對方重送該訊框）；如果相符，則刪除訊框的頭尾，將資料（LLC-PDU）傳給 LLC。回到流程 (1) 繼續接收資料。

圖 2-9 CSMA/CD 通訊協定流程

2-2-3 Ethernet 延遲等待時間

        在 CSMA/CD 協定中，可能同時有多部工作站正準備傳送資料，它們都會在網路上檢測（Carrier Sense）是否有其他工作站正在傳送資料。如果有一部工作站檢測出網路是空閒時（Quiet），便立即將資料送出，但也有可能與其它工作站同時將資料送出，因此發生碰撞的機率也非常大。因此，在 Ethernet網路上，發送訊號者必須隨時讀回資料，以便確認是否有碰撞發生。如果讀回的資料和發送的資料相同（表示傳輸訊號可解碼回原來資料），則沒有發生碰撞的現象。如果讀回的訊號，無法解碼（decoding）回原來資料，則表示發送出來的訊號已和其他訊號相重疊，成為另一個訊號，和原來發送的訊號不同，也就無法解碼回原來資料。我們判斷這不明訊號也許是其他電腦所發送的，因此稱為碰撞（Collision）現象。其實，這不一定是發生碰撞，也許是接線不良，造成訊號損失過度嚴重，以致發送端無法解碼回原來資料，也有可能係因纜線受到外來訊號干擾所造成的。在此我們假設網路情況都非常好，不明訊號皆來自其他工作站。（因此對一個網路管理者而言，網路時常發生碰撞時，必須另外思考有關網路環境的問題）

發送訊號者如果偵測出已發生碰撞，必須放棄正在傳送中的資料，並送出擾亂訊號告知其他電腦目前已發生碰撞，不要繼續發送資料。這時候，每一個發送訊號者必須等待一段時間後再繼續檢測網路是否空閒，回到最起始流程（如圖 2-9）。現在，我們來思考一個問題，如果我們在通訊協定裡規定一個固定等待的時間，這時候所有電腦都等待一個固定時間後再去監聽網路，大家都認為空閒，所以同時開始傳送資料，碰撞就此發生。因此，等待時間不可以被固定，而必須是隨機性的。然而，產生這一個隨機時間又必須考慮到目前網路的情況，如果網路負載很高，該次傳送資料已連續碰撞多次了，等待的隨機時間就必須久一點；如果從來沒有碰撞過，就可以短一點。如何來產生這『隨機延遲時間』（Random Delay Time），CSMA/CD採用『二元指數後退演算法』（Binary Exponential Backoff Algorithm），簡述如下：

● n：連續發生碰撞次數 (n <= 16) 。當同一筆訊框連續碰撞超過 16 次，表示目前網路負載過重，或者是網路狀況有問題。此時，工作站必須停止傳送，並報告網路狀況。

● k：k = MIN (n, 10)，MIN 是最小值函數。亦即，若碰撞次數超過 10 次，皆以 10 計算。

● r：r 是隨機延遲單位。r 是介於 0 和（2^k -1）之間（0 <= r < = 2^k -1）。例如，k = 3，表示於 r = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} 之間隨機（random）取一個數。

● t：t是延遲單位時間。一般都採用網路上的『時槽時間』（Slot Time）。一個時槽表示訊號傳遞到網路上最遠距離的『來回傳遞延遲時間』（Round-Trip Propagation Delay）。在 CSMA/CD 的通訊協定裡制定網路最遠距離為 2500 公尺，來回時間是 51.2 us。

● 隨機延遲時間 = r * t。隨機延遲時間等於延遲單位時間的隨機延遲單位的倍數。

        例如，當第一次發生碰撞時（n = 1），k = MIN(1, 10) = 1，r = {0, 1}，因此延遲時間有兩種可能：一種立即傳送（0 * 51.2 us）；另一種等待 51.2 us（1 * 51.2us）。如果第二次發生碰撞（n = 2），k = MIN(2, 10) = 2，r = {0, 1, 2, 3}，因此延遲時間變成四種隨機機率（0, 51.2us, 102.4us, 153.6us）。當碰撞超過 10 次時（n >= 10），k = MIN(10, 10) = 10，r = {0, 1, 2, …, 210}，最高的等待時間是 1023 個時槽（1023 * 51.2us）。

2-2-4 Ethernet訊框格式

        『MAC 訊框格式』（MAC-Frame，Ethernet I 訊框）牽涉到實體傳輸媒介存取的技術，它是一組在網路上傳送的連續訊號。訊框的結構和長短，與網路的存取方法有連帶的關係，在後文會有詳細的說明。Ethernet 訊框最長為 1518 位元組、最短為 64 位元組。其格式如圖 2-10 所示。

圖 2-10 CSMA/CD 訊框格式(Ethernet I 訊框)

其中：

● 前置訊號（Preamble）：7個位元組（1010101~1010）。主要是達成接收端的同步功能（Synchronization）。 當傳送端連續發送前置訊號時，接收端利用訊號內的同步訊號（曼撤斯特編碼技巧）調整本身的時序，使其同步於傳送端。

● 訊框起始符號（Start Frame Delimiter, SFD）：一個位元組 (10101011)，表示訊框的開始，也表示前置訊號的結束。

● 目的地位址（Destination Address, DA）：用來註明該訊框欲傳送給目的工作站之 MAC 位址，其長度可以是 2 個 或 6 個位元組，一般都採用 6 個位元組（48 Bits）格式。此位址又稱為『Ethernet 位址』（Ethernet Address）。

● 來源位址（Source Address , SA）：用來註明這訊框是誰發送的。其長度也如同 DA 可以是2 或 6 個位元組。

● 長度（Length, LEN）：2 個位元組，紀錄訊息欄內資料（LLC-PDU）的長度。

● LLC 資料：此欄位是訊息欄位。就是由邏輯鏈路控制層（LLC）所產生的通訊協定單元（LLC-PDU），最長為 1500 byte。

● 補位（Padding, PAD）：如果LLC資料（LLC-PDU）小於 46 個位元組時，填入PAD 內隨意資料（無意義的資料），以補滿訊息 46 位元組。

● 訊框檢查序列（Frame Check Sequence, FCS）：4 個位元組，紀錄該訊框的錯誤檢查碼。其所檢查的範圍是從 DA 欄位到 PAD 欄位之間的資料，錯誤檢查的方法是採用 CRC-32（Cyclic Redundancy Check）技巧，CRC-32 多項式如下：

G(x) = x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x +1

2-2-5 Ethernet 最小訊框

        為了實現 Ethernet 網路中碰撞偵測的功能，必須有最小訊框的限制。依照 CSAM/CD 協定規定，工作站之間最遠的距離是 2500 公尺（並非完全相同於網路範圍），在這距離之中也許會包含：電纜、半增益電電纜、AUI 電纜、增益器、及其他所有設備。我們將從最末端的工作站發出訊號，到達最遠距離的『來回傳遞延遲時間』（Round-Trip Propagation Delay Time），稱之為一個『時槽』（Time slot）。預估經歷所有網路設備（網路卡、增益器、收發器）和纜線（同軸電纜、收發器電纜，半增益器電纜）的延遲大約 46.38 us（微秒）。但為了計算方便及預估不同設備之間的誤差，我們將一個時槽設定為 51.2 us。

如圖 2-11 所示，工作站 A 和 B 在相隔最遠距離（2500公尺）。又CSMA/CD通訊協定裡，傳送端（A）將訊號發送至網路上，再將其讀回判斷是否發生碰撞。於最差狀態（Worst Case）下，當訊號傳遞到最遠的地方時，剛好另一端工作站（B）發送出訊號，兩個訊號發生碰撞。如果訊號太短，發送端傳送完後，訊號還未到達最遠距離，有可能偵測後，才發生碰撞現象。因此，訊框太短有可能無法偵測碰撞現象，所以我們必須增加訊框長度，讓發送端在訊框傳送完成之前，訊框有足夠的時間到達最遠地方。萬一發生碰撞，發送端才能偵測到碰撞現象。也因此，才有最小訊框的限制。

圖 2-11 訊框長度與碰撞偵測

        到底最小訊框是多少？我們必須預估最差狀況下，在最遠的地方發生碰撞，而且能將碰撞訊號傳回原來發送端的時間內，此時發送端還在傳送訊框。這一來回的時間剛好是一個時槽（51.2 us）。也就是說，一個訊框傳遞的時間至少要一個時槽時間以上。我們以網路傳送速率 10Mbps 來計算，最小訊框是：

10 × 106 × 51.2 × 10-6 = 512 位元 = 64 位元組。

由圖 2-10 CSMA/CD 的訊框格式中，在整個訊框裡包含著 DA、SA、LEN、FCS 和 LLC-PDU。這些總共的長度必須高於 64 為元組，因此我們可以算出最小資料：

64 - 6 (DA) - 6 (SA) - 2 (LEN) - 4 (FCS) = 46 位元組。

如果 LLC-PDU 長度不足 46 位元組，就加入 PAD 欄位的無用的資料，以補足 46 位元。因為 LLC-PDU 的資料長度在 LEN 欄位內有紀錄，所以補上 PAD 欄位並不影響接收端的判斷。

2-2-6 Ethernet 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，各種版本規格如表 2-1 所示。早期 Ethernet 網路大多以 10Base5 為傳輸骨幹，而以 10Base2 和 10BaseT 為分歧連線來連接一般工作站。雖然目前已甚少使用，但這些都是 Ethernet 網路的基本觀念，我們用圖 2-12 來說明各網路系統的特性如下：

表 2-1 Ethernet 網路實體層規格

(A) 10Base5 網路系統

10Base5 網路是依照 CSMA/CD 網路標準所製作，它的網路架構就如圖 2-12 所示。早期 Ethernet 網路剛開始使用時，都以 10Base5 作為傳輸骨幹。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 網路的纜線連線比較簡單，但傳輸距離較短，主要是用在連接終端電腦。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 2-12 所示。所以對整個佈線系統而言，比 10Base5 簡單又便宜。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 2-12 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。尤其在辦公自動化的環境裡，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 2-12 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。因此在佈線方面比 10Base2 容易得多，而且維護上也較容易。10BaseT 網路特性如下：

●    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 2-12 表示由 10Base5 為網路骨幹，10Base2 和 10BaseT 為分歧電腦連線。

圖 2-12 Ethernet 網路基本架構

2-2-7 Ethernet 編碼技巧

        傳送端將數位資料轉換成數位訊號稱之為『編碼』（Encoding），編碼設備稱為『編碼器』（Enoder）。編碼後將訊號透過傳輸媒體，接收端接收到訊號再將『解碼』（Decoding）為原來資料，該設備稱為『解碼器』（Decoder）。網路上設備都具有傳送及接收功能，執行此功能設備就是『編碼解碼器』（coder-decoder, codec），如圖 2-13 所示。一般此裝置都設置在網路卡上，譬如 Ethernet 網路卡。

圖 2-13 編碼/解碼器（Codec）

        在數位編碼技巧上有兩大類的表示法，一則是直接用脈衝（Pulse）訊號的高電位和低電位來表示二進位的0 和1，例如電報發送方式。另一則是利用脈衝訊號的變化情形（高低電位的變化）來表示二進位的0 和 1，Ethernet 網路就是使用這種編碼技巧的『曼徹斯特編碼』（Manchester Encoding）。曼徹斯特編碼的主要特性是無論二進位資料是0或1，在每一個位元時間的中央一定有電位變化（由高電位到低電位，或由低電位到高電位），利用位元中間變化的情形來表示1或 0，其編碼如下：（如圖 2-14 所示）

● 0：位元中間由高電位變化到低電位（high → low）。

● 1：位元中間由低電位變化到高電位（low → high）。

曼徹斯特編碼的特點是每一位元中間都有變化，傳輸雙方可利用這個特性達到雙方同步。但該特性也是缺點，因為每個位元都有變化，表示頻寬必須是傳輸速率的兩倍。在目前高速網路上，傳輸媒介的頻寬非常珍貴，是決定傳輸速率的主要因素之一，不可能再浪費在編碼技術上，因此曼徹斯特編碼並不適合於高速網路上使用。

圖 2-14 曼徹斯特編碼技巧範例

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