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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2-3 Fast Ethernet 網路

        早期 Ethernet 網路（CSMA/CD）標準，傳輸速率大多限制在 10 Mbps，已漸漸不能符合工業環境的需求。IEEE 802 工作小組為了提高 Ethernet 網路的傳輸速率，制定了 IEEE 802.3u 的標準規範，希望在不改變原來的通訊協定（IEEE 802.3）之下，能將傳輸速率提高到 100Mbps，也稱之為『高速 Ethernet』（Fast Ethernet）網路或 100BaseT。此外，希望不用改變任何環境設施情況下，Ethernet 和 Fast Ethernet 網路能夠相容，並且兩種網路可以共同架設於一個網路環境之下。

2-3-1 Ethernet II 封包格式

早期 Ethernet 網路的規劃是在 OSI 網路架構下的，訊框內是承載 LLC 層的封包。但在 TCP/IP 網路內並沒有 LLC 層，而 Ethernet 訊框直接乘載 IP 封包。另一方面，其他網路如 Novell、Apple Talk、、等的網路存取層也需要用到 Ethernet 網路，因此 IETF 於 RFC 894 定義了 Ethernet II 訊框格式，如圖 2-15 所示，並能以原來 Ethernet I 共存。在原來 Ethernet I 訊框裡 Len(length) 欄位表示後面承載 LLC 資料的長度，基本上不會超過 1500 (十進位)。Ethernet II 將此欄位更改為『型態』(Type)，表示後面乘載資料的型態，並大於 1500。當接收到訊框，觀察此欄位如小於 1500，則表示承載 LLC 資料，如果大於 1500，則表示承載其他協定資料。如 0x0800 則表示承載 IP 封包、0x0806，則是 ARP 封包、如 0x0835，則是 RARP 封包。至於其他網路的識別碼，請參考 RFC 894 規範。

圖 2-15-1 Ethernet II 訊框格式

2-3-2 Fast Ethernet網路簡介

        首先，我們將 Fast Ethernet（100BaseT）網路特性歸類如下：

(1) 傳輸速率為 100 Mbps。

(2) 訊框為 IEEE 802.3 CSMA/CD 訊框。

(3) 傳輸媒介為無遮蔽雙絞線（Unshielded Twist Pair, UTP）之等級 5（Category 5）或等級 3（Category 3）、遮蔽式雙絞線（Shielded Twist Pair, STP）或光纖。

(4) 網路以集線器（100BaseT Hub）為主要佈線主幹，最遠距離 205 公尺。

(5) 通訊協定為 CSMA/CD，不提供優先權傳送服務。

(6) 不提供保證傳送延遲時間限制服務。

(7) 頻寬使用不保證公平。

(8) 高負載時碰撞機率大，因此頻寬使用率低。嚴重碰撞時可能使整個網路癱瘓。

(9) 可適合多媒體資訊傳輸。在一般負載情況下，100 Mbps 的傳輸速率已達到即時多媒體資訊傳輸的要求。

(10) 網路容錯性高。網路架構以集線器為主體，每部工作站都有專屬連線，較容易管理。連線斷線也不會影響到其他工作站的傳輸。

2-3-3 Fast Ethernet 網路基本原理

        首先我們來探討 Fast Ethernet 網路製作的基本原理。原來 Ethernet 的匯流排架構（10Base5、10Base2），不論網路佈線或管理都非常困難，因此，Fast Ethernet 採用集線器的佈線方式（10BaseT）。思考如何在 10BaseT 的架構上來提昇傳輸速率，但必須保留原來的通訊協定。在 IEEE 802.3 協定裡最重要的規範如下：

(1) 為達到碰撞偵測功能，而將網路最遠之間的來回延遲（Round-Trip Propagation Delay）時間規範為51.2 μs，也稱為一個時槽（Time slot）。

(2) 最小訊框時間為一個時槽 51.2 us。最小訊框長度為：

最小訊框長度 =（時槽）×（傳輸速率）

= (51.2 × 10-6) × (10 × 106) = 512 bits = 64 Bytes

        由上式可知，Fast Ethernet 除了要保留原來 IEEE 802.3 的特性外，也要符合最小訊框長度 512 位元的限制，一個時槽時間也是 51.2 us。增加網路傳輸速率的方法之一，就是減少線路傳輸距離（時槽時間）。Fast Ethernet 就以10BaseT 網路為基礎，而要達到 100 Mbps 的傳輸速率，可以從下列幾個因素來思考：

(1) 縮短整個網路連線距離：10BaseT最遠距離是 500 公尺，如果僅採縮短距離來達到 100 Mbps，其連線距離只剩下 50 公尺。這當然不可行，我們還必須再利用其他技術來彌補，於 Fast Ethernet 的規範裡，其最遠距離是 205 公尺。

(2) 提高傳輸線品質，減少訊號傳遞時間的延遲，就可以保留較長的傳輸距離。為了顧及網路佈線的可行性，Fast Ethernet 還是希望保留 10BaseT 的特性，工作站和集線器之間的最遠距離為 100 公尺，而採用第五級無遮蔽式雙絞線（Cat-5 UTP），並改變傳輸技術，此規範稱為 100BaseTx。。

(3) 當然採用光纖為傳輸媒介，不但可以提高傳輸速率，也可以延伸傳輸距離，但大多使用在集線器之間的中繼連線，此規範稱為 100BaseFx。

(4) 如果保留原來的傳輸媒介（Cat-3 UTP）不作任何變更，那麼增加工作站和集線器之間連線的數量，也可以提高傳輸速率。原來 10BaseT 連線就有 4 對線，但只用到其中 2 對線。如 4 對線都使用的話，也是提昇速率的方法之一，此規範稱之為 100BaseT4。

(5) 單單改變傳輸媒介並不能滿足 Fast Ethernet 的要求（205 公尺），其中還必須改變編碼和訊號傳輸技術。

(6) 如果我們希望在建構高速網路的同時，也想保留 10BaseT 網路的特性（傳輸媒介、編碼技術、訊號傳輸）。另一種方法是提高集線器（Hub）的能力，每一部工作站都連接到集線器，如將集線器更改為交換器，也是提昇整個網路傳輸速率的方法之一，此規範稱之為 Ethernet Switch。

        以上我們所考慮之提高速率的方法，大多是提昇傳輸媒介傳輸速率，或使用較多的傳輸媒介來分攤傳輸率（在實體層上變更）。基本上，都沒有修改到原來 CSMA/CD 的通訊協定和訊框格式。因此，Fast Ethernet 完全可以和原來 Ethernet 網路相容，亦可在同一網路上混合架設。這也是，Fast Ethernet 能夠以最快速度切入市場的主要原因。

2-3-4 Fast Ethernet 通訊結構

        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 2-15 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，並且不必讓 MAC 次層知道實體層已經使用了 100 Mbps 的傳輸速率，與不同的傳輸線路。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 2-15 100BaseT 通訊協定架構圖

        依照圖 2-15 所示，不同傳輸媒介都有自已的 PMD 次層，大致上可區分為 100BaseT4、100BaseT2、100BaseTx、以及 100BaseFx，以下分別介紹它們的特性。

(1) 100BaseT4

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，且不可能同時進行。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 2-16 所示，其四對雙絞線使用情況如下：

1. 傳輸線運作模式：

● 第一、二對線：單工運作。

● 第三、四對線：半雙工運作。

2. 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)

3. 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 2-16 100BaseT4 四對雙絞線的使用

(2) 100BaseTx

在 100BaseT 中的 Tx、T2 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）編碼轉換成訊號，如圖 2-17 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））。

圖 2-17 100BaseTx 的訊號編碼方式

(3) 100BaseT2

100BaseT2 的PMD 標準規範是 IEEE 802.3y。也是採用兩對雙絞線就可以傳輸資料（T2 的由來）。而且只要使用第三級雙絞線（UTP-3）即可，和 100BaseTx 一樣，100BaseT2 也採用多層級（Multi-level）的訊號編碼法。100BaseTx 採用了 MLT-3 這種 3 層級的編碼法。而為了讓 100BaseT2 能使用於傳輸品質較差的傳輸媒體，所以 100BaseT2 採用了更複雜的 PAM5×5 的編碼方法。

(4) 100BaseFx

100BaseFx 的 PMD 標準規範是 IEEE 802.3u，傳輸技術也採用 ASNI X3T9.5（FDDI），也因此稱之為『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。

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