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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2-5 Gigabit Ethernet 網路

        一般稱『超高速 Ethernet』網路為 Gigabit Ethernet，它的標準規範是 IEEE 802.3z（1000BaseX（LX、SX、CX））和 IEEE 802.3ab（1000BaseT），首先我們將 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）、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。

2-5-1 Gigabit Ethernet 基本原理

        我們回顧一下，如何由 Ethernet 網路演變到 Fast Ethernet 所使用到的技術。我們為了提高 10 倍的傳輸速率（由10 Mbps 到 100 Mbps），我們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），也就是所謂最遠距離『來回傳遞延遲時間』（Round-Trip Propagation Delay）的 51.2 us 時槽限制（為了達到碰撞偵測功能）。

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，依然延伸 Fast Ethernet 中所使用到的技術是幾乎不可行的，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，當然也要相容於原來的 Ethernet 網路，需要一些補救的措施，以下幾節介紹一些相關的技術。

2-5-2 Gigabit Ethernet 訊框格式

        Gigabit Ethernet 網路有一個重要的目標就是必須和現有的 Ethernet 標準（10 Mbps Ethernet, 100 Mbps Ethernet）相容。首先不同速度的網路區段之間必須能順利轉送訊框，方能簡化多重速度的網路連接器設計，例如：多重速度的集線器、橋接器、交換器、或路由器。為了能讓訊框於不同傳輸速度的區段上順利轉送，訊框格式也必須符合 CSMA/CD 標準格式。Gigabit Ethernet 沒有變更 Ethernet 協定中最短訊框（64 位元組）及最長訊框（1518 位元組）的限制，甚至連發生碰撞的延遲時間計算方式（二元指數後退演算法）也沒有改變。讓我們回顧一下，最小訊框計算方式：

最小訊框 = 時槽時間（51.2 us）×傳輸速率（10 Mbps, 100 Mbps, 1000Mbps）

如果我們將傳輸速率提高到 1000 Mbps，但還要保留最小訊框長度（64 位元組），唯一的方法就是減低時槽時間（51.2 us）。一個時槽時間就是來回傳遞延遲時間（round-trip propagation delay），也就是說，訊號在最遠距離兩端來回的時間。如要減低訊號來回時間，只好縮短網路的距離。如依照 Fast Ethernet 的技術而將速率提高到 1000 Mbps，網路距離將由 205 公尺縮短到 25 公尺，如此Gigabit Ethernet 網路將出不了機房。所以我們的思考範圍不能侷限於縮短網路範圍，更非僅思考提高傳輸媒介的品質（100BaseTx）或數量（100BaseT4）。最小訊框的限制最主要的原因是為了讓傳送端有足夠的時間來作碰撞偵測。我們另一種思維方式，就是在不改變最小訊框的前提之下，加長訊框停留在傳輸媒體上的時間，也就是說，在最小訊框的後面增加載波延伸（Carrier Extension），以維持碰撞偵測的功能。如此便能保留 205 公尺的網路距離，而將傳輸速率提高到 1000 Mbps。IEEE 802.3z Gigabit Ethernet 標準將時槽時間由原來的 512 位元（64 位元組）時間增加到 4096 位元（512 位元組）時間，增加 8 倍。

(A) 載波延伸

在『載波延伸』（Carrier Extension）的技術下，最短訊框的長度仍然為 64 位元組（與 10/100 Mbps Ethernet 相同）。但每次成功傳送所需的載波感測最短時間增加為 512 位元組時間，也就是將一個時槽時間增為 4.096 us（4096 × 1/1000 ×106）。其方法有兩個重點：

(1) 傳送訊框長度高於 512 位元組。其工作並沒有變更，傳送端將訊框發送出去後，未感測到碰撞發生表示發送正常。

(2) 傳送訊框長度低於 512 位元組。表示傳送訊框時間低於一個時槽時間（512 位元組時間）。傳送端發送完訊框後，在訊框的 FCS 欄位之後增加載波延伸訊號。載波延伸訊號的長度以補滿一個時槽時間為準，如圖 2-23 所示。如果在傳送過程之中發現碰撞，不論是發生在傳送訊框本身或載波延伸部份，則立刻停止發送，並送出一個 32 位元長度的擾亂訊號（Jam Signal）。

圖 2-23 含延伸載波之訊框格式

        在接收端部分也必須特別的處理，我們希望如果碰撞發生在載波延伸部分，接收端也必須將該訊框丟棄。事實上，接收端很難區分擾亂訊號和一般數據訊號。如果碰撞發生在載波延伸部分，接收端可能已經完整的收到該筆資料，而且經過錯誤檢查並傳送給上一層 LLC。這時候它才收到擾亂訊號，又無法辨識擾亂訊號或一般數據訊號，它將因為不知道傳送端已發生碰撞而照常拋棄該訊框。在這種情況下，傳送端認為碰撞而接收端卻認為接收成功，傳送端重送造成訊框重覆問題。

為了克服碰撞發生在載波延伸部分的問題，接收端必須稍作修改。傳送端在發送載波延伸訊號時偵測出發送碰撞，它必定停止發送載波延伸訊號，而改發送擾亂訊號。這樣的話，整個訊框時間將少於一個時槽時間（512 位元組時間），接收端就利用這個因素來判斷該訊框是否有發生碰撞。因此，在接收端部份，當它偵測出前置訊號（Preamble）和訊框起始符號（SFD）便開始計數（設定延伸旗標）。將包含資料訊框和載波延伸訊號累加起來，如果少於一個時槽時間就停止，判斷傳送端因碰撞而停止發送。相反的，如果累加時間超過一個時槽時間，就判斷訊框傳送正常（其中可能沒有載波延伸訊號）。

(B) 訊框爆發

從另外一個角度來看，雖然我們只要稍微修改 CSMA/CD 通訊協定，就能增加時槽時間而不必變更最小訊框的限制。但如果我們連續傳送最小訊框時，會發現整個網路傳輸絕大部分都在傳送載波延伸訊號。雖然我們將傳輸速率提高 10 倍（100 Mbps → 1000 Mbps），但整個傳輸效率並沒有增加，因為每傳送一筆最小訊框竟然花費 8 倍的訊框時間。我們有一個簡單的構想，就是將一些較短的訊框（也許大於最小訊框）組合成一個較大的訊框再來傳送，可以大大地提高網路的傳輸效率，但如此更改所影響的層面非常廣。首先，影響網路傳送即時性的問題，當MAC 層收到一個訊框後必須即時送給 LLC 層，如要傳送多筆訊框給 LLC 層，則 LLC 層的通訊協定也必須修改；再者，封裝後的訊框如要轉送到較低速率（10/100 Mbps）區段，是否必須重新拆裝組合，所有路由器或橋接器必須重新更改。由以上觀察，重整訊框來提高傳輸效率所發生的困難重重而不可行。

IEEE 802.3z 也期望訊框傳輸中能具有水管式（pipelining）傳輸技術，能在一個時槽時間內傳送若干個較短訊框，同時又能保持 MAC 層的一次『傳送/接收』一筆訊框的功能。因此，提出一種稱為『訊框爆發』（Frame Bursting）的技術。訊框爆發技術也和訊框打包一樣，允許在一個訊爆（burst）中傳送多筆訊框，訊框之間則以延伸載波來區分。但是訊爆的最大長度還是以訊框最大長度（1518 位元組）為基準，而不是以時槽時間（512 位元組）為基準。所以訊爆的概念是採用最長訊框，希望訊框傳送都採用最長訊框來提高網路的傳輸效率。而且最長訊框也在標準 Ethernet 協定規範的範圍內，對整個通訊協定來講變更可降到最小。

圖 2-24 為一個訊爆週期的範例。每一個訊爆中的第一筆訊框的傳送時間至少必須等於一個時槽時間，如果訊框過短，則以延伸載波加長之。此特性保證碰撞只會影響到訊爆的第一個訊框，因此傳送端和接收端都能保持一次『傳送/接收』一個訊框的特性。訊框爆發技術傳送訊框技術如下：（傳送端部分）

1. 傳送訊框之前，傳送端首先檢查訊爆計時器是否已啟動。

(1) 如果未啟動，則表示該訊框為訊爆週期內第一個訊框，則依照 CSMA/CD 通訊協定取得網路傳輸權。如取得網路傳輸權，才將訊爆計時器啟動並傳送訊框，如該訊框低於 512 位元組則以延伸載波補滿 512 位元組。

(2) 如果訊爆計時器已啟動，表示該訊框在訊爆週期時間內，則立刻進行傳送工作。

2. 在訊框傳送當中，傳送端繼續偵測是否發生碰撞，如發生碰撞時，便將訊爆計時器關閉並歸零，並停止傳送（送出擾亂訊號）回到步驟 1。否則緊接著步驟 3。

3. 傳送完第一個訊框後，並且繼續擁有線路使用權。此時檢查訊爆計時器是否溢時。

(1) 如尚未溢時，則發送 96 位元長度的延伸載波（訊爆中訊框區隔），然後進入第 4 步驟。

(2) 如計時器已溢時，則清除及關閉計時器，停止傳送回到步驟 1。

4.    此時表示已送完 96 位元訊框間隔的延伸載波，如還有訊框要傳送就繼續傳送；否則就清除及關閉計時器，等待下一個傳送。

圖 2-24 訊爆週期範例

        由圖 2-24 之中，我們可以看出一個訊框要傳送之前，必須在訊爆期間之內，但該訊框結束時可能已超出週期時間。因此是否可將訊框加入一個訊爆週期時間是根據下列兩項檢查：一、此訊框必須能在訊爆計時器溢時之前開始傳送；二、此訊框必須在 96 位元長度的訊框間隔結束之前準備好傳送。早期在 IEEE 802.3z 的草案中，將一個訊爆最大長度設為 12000 位元時間，此值剛好比因公平考量而制定的最大訊框長度1518 位元組（12144 位元）稍小。因此，對於一個訊爆中所包含的訊框來說，無論其長度如何組合，工作站每次傳送訊爆的長度至少可以等於一個最大訊框長度，最多也不會超過兩個最大訊框。不過，進一步的研究卻發現增加訊框上限能明顯改善效能。因此 IEEE 802.3z 在 1997 年將訊爆上限提升到 65536 位元時間。

        將訊框爆發技術加到 CSMA/CD 通訊協定上時，接收端也必須作部份修改：

(1) 當接收端依照 CSMA/CD 通訊協定的程序接收到第一筆訊框時（還未知是否是訊爆訊框），也就是說，它偵測到前置訊號（Preamble）和訊框起始符號後，便啟動延伸旗標（Extending Flag）並接收訊號直到載波結束。判斷在這段期間內，計數訊框長度加延伸載波長度是否大於或等於一個時槽時間（512 位元組）。如果是，則清除延伸旗標再進入步驟 2；否則，直接進入步驟 2。

(2) 此時接收端已收到一個訊框，再觀察延伸旗標是否被清除。如未清除，表示傳送端在發送訊框時發生碰撞而停止，此時接收端將該訊框丟棄，並清除延伸旗標回到載波偵測，預備再重新接收訊框；否則，表示傳送端在發送訊框時沒有發生碰撞，並且將該訊框傳送給上一層，直接進入步驟 3。

(3) 接收端繼續偵測載波，其情況有三種：(1) 載波停止傳送，表示傳送端不再傳送訊框（不是訊爆傳送），則回到預備接收訊號狀態。(2) 偵測到訊框間隔（96 位元）之後，也沒有載波繼續傳送，表示傳送端欲結束該訊爆，不再傳送訊框，則回到預備接收訊號狀態。(3) 訊框間隔之後，偵測到另一個訊框（由前置訊號和訊框起始符號），便依照正常接收訊框程序接收訊號，如發生碰撞則停止，否則回到步驟 2 繼續下一個訊框接收。

2-5-3 Gigabit Ethernet 通訊結構

        圖 2-25 為 Gigabit Ethernet 網路通訊架構圖。其中主要分為兩大類：IEEE 802.3z（1000BaseX）和 802.3ab（1000BaseT）。1000BaseT 為 1999 年 IEEE 所制定的標準。以下分別敘述其特性。

圖 2-25 Gigabit Ethernet 通訊架構

(A) 1000BaseX

1000Base-X 的實體層主要採用 ANSI-X3T11 光纖通道（Fiber Channel）的標準，其資料編碼方式採用 8B/10B 編碼技巧。主要有下列三種標準：

(1) 1000Base-SX（Short-Wavelength Fiber）：在傳輸媒介方面使用 50 μm 和 62.5 μm（micro-diameter）的多模光纖纜線（multi-mode fiber）。50 μm 光纖傳輸距離可達 550 公尺（頻寬 500 MHz）和 500 公尺（頻寬 400 MHz）；62.5 μm 可達 220 公尺（160 MHz 頻寬）和 275 公尺（200 MHz 頻寬）。

(2) 1000Base-LX（Long-Wavelength Fiber）：可使用單模光纖和多模光纖。多模光纖纜線也可以採用 50 μm 和 62.5 μm 兩種，傳輸距離可達 550 公尺（500 MHz）。單模光纖是採用 9 芯的光纖纜線，傳輸距離可達 3 ~ 10 公里，主要使用於較遠距離的傳輸骨幹使用。

(3) 1000Base-CX：使用 150 歐姆平衡式遮蔽式銅絞線電纜（150 Ω balanced shielded copper cable），傳輸距離只有 25 公尺，最主要使用於電信機房內主機系統的連線，接續端子採用 DB-9。

(B) 1000BaseT

一般環境佈線還是以第五級的無遮蔽式雙絞線（Cat-5 UTP）最為方便，還可以延續 100BaseT 的使用環境，不必做任何變更。何況 UTP 的價格比光纖便宜許多，倘若一般環境都要使用光纖纜線，實務上的確有困難，也會限制 Gigabit Ethernet 網路的應用範圍。IEEE 802.3 工作小組有鑑於此，於 1999 年制定 1000BaseT（IEEE 802.3ab）標準，其連線規格力求儘量相容於 100Base-T。

1000Base-T 提供半雙工（CSMA/CD）及全雙工 1000Mbps 之 Ethernet 服務，同樣採用ANSI/TIA/EIA 568-A 的佈線標準，以 Cat-5 UTP 作為傳輸線及 RJ45 接續端子，傳輸距離保持 100 公尺，但在同一碰撞網域下只允許連接一個訊號增益器（或集線器）。目前許多廠商都提供 Cat-5e（頻寬 100 MHz）、Cat-6（頻寬 250 MHz）、或 Cat-7（頻寬 600 MHz）的 UTP 纜線。1000BaseT 也使用如同 100BaseTx 的自動協商系統，為了簡化操作及快速進入現有的 Ethernet 系統上使用。一般廠商都有建立符合 100 和 1000 Mbps 實體層（PHY），可讓 1000 Mbps 的傳輸速率退回（fall back）到 100 Mps，提供較彈性的方法來提昇系統。

在訊號傳輸方面，1000Base-T 採用四對雙絞線作傳送和接收，如圖 2-26 所示。每一對雙絞線的傳輸速率為 250 Mbps（= 1000 Mbps ÷ 4），四對線同時作傳送或接收功能。在每對雙絞線上採用 5-水平基準的脈衝調幅調變（5-Level Pulse Amplitude Modulation, 5-level PAM）。5-level PAM 的每個傳送符號可代表二個位元，因此，每對線傳送頻率為 125 MHz（= 250 ÷ 2）。

圖 2-26 1000Base-T 四對雙絞線工作模式

2-5-4 Gigabit Ethernet 網路架構

        我們可以發現 Gigabit 網路可能主要應用於網路骨幹的傳輸，在這方面還是以交換器的架構最為理想，因此，802.3z 標準中規劃兩種網路架構：

(1) Gigabit Ethernet Switch 全雙工交換架構：提供具有流量控制的全雙工點對點鏈路（Full-duplex point–to –point links），其連接埠之間訊框的轉送機制，不限制於 CSMA/CD 通訊協定，且沒有碰撞機率的問題，所以在製作上反而較容易。

(2) Gigabit Ethernet Hub半雙工集線架構：提供具半雙工共享碰撞特性的網域（Half –duplex shared collision domain），還限制於 CSMA/CD 通訊協定，會有碰撞機率產生。

圖 2-27 為兩種架構所建立的基本 Gigabit Ethernet 網路型態，一般在集線器或交換器的連接埠上都具有多重速率自動選擇功能，我們可將全雙工交換器作為傳輸骨幹交換，來連結各地區之全雙工集線器，並且將網路伺服器連結到交換器上，如此各分歧網路上都享有獨立的碰撞網域，網路整體的傳輸效率也較高。

圖 2-27 Gigabit Ethernet 網路架構圖

由以上的介紹，我們大略可以瞭解區域網路上較普遍的網路架構，一般辦公室自動化網路系統還是以 Ethernet 網路佔大部份，當然還有許多網路系統也應用在各種環境之中，譬如，Token Ring、FDDI、ATM、甚至 10 Gigabit Ethernet 網路等等，本書限於篇幅不另敘述，讀者如欲更進一步研習，請參考『電腦網路理論與連結技術』翻轉電子書。

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