# Ethernet 乙太網路
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## 分類
* 區域網(LAN)
* 有線區域網
* **==乙太網 (Ethernet)==**
* 令牌環 (Token-ring)
* FDDI
* 無線區域網 (WLAN)
* WIFI
* 虛擬區域網 (VLAN)
* 藍芽
* 網際網路
*

## 簡介
**IEEE 802.3**標準為乙太網路的技術標準，為目前應用最普遍的區域網路技術。:smiley:

## 歷史
發明於1976年，起源於Xerox公司的Bob Metcalfe，當年他發表了一篇名為〈乙太網路：區域電腦網路的分散式封包交換技術〉的文章。
1979年，Metcalfe離開了Xerox成立了3Com公司，並成功遊說Intel、Xerox等公司。
1980年，提出乙太網路的通用標準，取代當時其他的非公用網路標準Token-Ring和ARCNET，**成為區域網路的主流** :+1::+1::+1:

## 1990年代以前的技術
### 同軸電纜 Coaxial Cable / 附加單元介面 AUI
最初的乙太網路採用[**同軸電纜**](https://hackmd.io/s/BJO4tSidQ)(Coaxial Cable)連結各個節點，電腦再透過**Attachment Unit Interface**(AUI)的收發器連結到纜線上。

### MAC address
每個節點都會被分配一個48-bits(6-bytes)的MAC address，可以指示每個data packet的來源及目的
> **MAC位址**: 像是身分證字號，轉接卡不管到哪裡MAC都不會變
> **IP位址**: 像是郵政地址，移動就會變

### 共用媒介 Shared Media
多個終端系統直接連接到纜線上，其中所有的終端系統都可以收到其他終端系統所傳送的任何資料，Coaxial cable扮演廣播(Broadcast)的媒介。而乙太網路採用**CSMA/CD**(carrier sense multiple access with collision detection)規定共享通道的方法。

### 中繼器 Repeater/ 集線器 Hub
因為訊號的衰減與延遲，乙太網路有距離限制，Repeater可以增加訊號強度再傳送到下一段，增加傳輸的最大距離。
後來(1990年代晚期)發現星狀拓樸(star topology)最有效，因此開始研製多埠的集線器(Multiway Repeater)，此即為**集線器 (hub)**。使用hub的乙太網路也是一種廣播LAN:集線器收到的位元，會送到其他所有的介面。

## 現代乙太網路
### UTP / RJ45
後來有不同的實體介面，如:光纖(Optical fiber)、[雙絞線](https://hackmd.io/s/BJO4tSidQ)(Twisted pair)等。其中**無遮蔽雙絞線**(Unshielded twisted-pair cables, **UTP**)取代同軸電纜成為主流。UTP由四對不同顏色的傳輸線互相纏繞所組成，被廣泛用於電腦網路，但由於使用過長的UTP電纜傳輸資料會引致訊號衰減問題，但其價格較光纖和同軸電纜低，因此UTP主要用作短途傳輸，一般不多於100米。

**RJ45**也取代AUI成為電腦跟雙絞線之間的連接器插頭，也被稱為**8P8C**(8 position 8 contact)意思是8個位置（Position，指8個凹槽）、8個觸點（Contact，指8個金屬接點）:heart_eyes_cat:

### [交換器 Switch](https://hackmd.io/s/ByzISnSNQ)
2000早期，乙太網路仍使用star topology但hub被更換成交換器switch，10BASE-T和以後的標準皆為全雙工乙太網路。交換器在記錄了每個埠的MAC位址以後，他就只把非廣播資料傳送給特定的目的埠，從此CSMA/CD不再扮演關鍵角色。

## 雙絞線類型 (Twisted pair)
由兩條相互絕緣的導線按照一定的規格互相纏繞（一般以順時針纏繞）在一起，兩條線搭載著相同但相反的訊號，受到相同的noise干擾，在receiver端對這兩條做相減，noise就會被cancel掉。有許多類型:
| Name | Bandwidth | Application | Notes |
| :------: | :-----: | --------- | ------|
| **Cat5** | 100MHz |100BASE-TX & 1000BASE-T | 最常用的乙太網電纜 |
| **Cat5e** | 100MHz |100BASE-TX & 1000BASE-T & 2.5GBASE-T | Cat5的增強版本 |
| **Cat6** | 250MHz |10GBASE-T & 5GBASE-T| 仍為四對雙絞線、RJ45 |
| **Cat6A** | 500MHz | 10GBASE-T | Augmented Category 6 |

## 乙太網路類型
事實上，乙太網路有很多不同的技術可以選擇，從早期的1BASE5到現在的10GBASE-T，傳送速率越來越大，而各個技術都會有不同的傳送速率、傳輸介質、最大傳送距離。如:10BASE-T、1000BASE-LX、10GBASE-T等等。:heart_eyes:
#### 命名規則
* **開頭數字**：傳送速率，10:10Mbits/s; 10G:10Gbits/s
* **BASE**：基頻Baseband，幾乎所有802.3標準都是基頻乙太網路
* **T**：Twisted pair; **X**：有X通常代表光纖，如:1000BASE-SX、-LX、-BX10 ; **5**:若為數字則代表傳輸距離，再乘100公尺

### 常見類型
* 10BASE-T：1991
* 100BASE-T：1995, IEEE802.3u
* 1000BASE-T：1999, IEEE802.3ab

這三個都使用相同的接頭RJ45，並都在長達100公尺以上的距離以上正常運作

### 10 Gigabit Ethernet (10GbE/10GE)
其實IEEE802.3 task group發布了各種10G的標準，包括光纖、同軸電纜、雙絞電纜等等，其中:
* **10GBASE-T**：又被稱為IEEE802.3an標準，在2006年發布。**CAT6**的傳輸距離可達55米，而 **CAT6A**可達到100米

然而隨著IEEE802.11ac快速WiFi的發展，1000BASE-T提供的傳送速率不足，而10GBASE-T又不支援在建物中CAT5e電纜，因此而衍伸出在GbE跟10GbE之間的中間速度。:v::v::v:
* **2.5GBASE-T**
* **5GBASE-T**

2016/9/23，訂定了IEEE802.3bz，包含了2.5GBASE-T和5GBASE-T的標準。PHY層的傳輸技術是以 10GBASE-T為基準，但工作在一個比較低的發送信號速率。傳輸速率分別下降到2.5或5Gbit/s。訊號的頻寬也相對減少，降低了布線的要求，以便可以部署在分別為Cat5e和Cat6長度為100米的UTP上。

## Ethernet Frame 乙太網路訊框結構
### 類型
Ethernet frame有很多種類型
1. **Ethernet II framing** (a.k.a DIX Ethernet): 最常見的Ethernet Frame
2. Novell raw IEEE 802.3 non-standard variation frame
3. IEEE 802.2 Logical Link Control (LLC) frame
4. IEEE 802.2 Subnetwork Access Protocol (SNAP) frame

### Structure
下圖為一個Ethernet packet(**Physical layer**)，內部包含由IEEE 802.32定義的Ethernet frame(**data link layer**)
* **Preamble and start frame delimiter**
Preamble是由一連串的1和0交錯而成，所以7個bytes的preamble是7組10101010，此為用來"喚醒"接收端的轉接卡，並且將接收端與傳送端的時脈同步化。而start frame delimiter為10101011。

* **Header**
包括MAC destination, MAC source, 802.1Q tag和乙太類型欄位。
**乙太類型欄位**可以讓乙太網路多工處理**網路層**協定，畢竟，除了IP之外還有其他種網路協定，而IP與其他網路層協定都各自擁有自己的編號。
例如: **0x0800**代表此Frame為IPv4資料報;**0x0806**代表一個ARP Frame;**0x8100**說明這是一個IEEE 802.1Q Frame;**0x86DD**說明這是一個IPv6 Frame。

* **Payload**
最大傳輸單位(Maximum Transmission Unit，MTU)為1500 bytes，所以如果資料量超過1500 bytes，就必須將此資料報分段，最小資料大小為46 bytes，所以當資料報小於46 bytes，Payload欄位就必須被填塞(pad)到46 bytes。

* **Frame Check Sequence(FSC)**
這邊我們使用32 bits的Cyclic Redundancy Check(CRC)去偵測Frame中的位元錯誤。

* **Interpacket Gap** - Physical layer
Packets之間的idle time。

### Jumbo Frame 巨型影格
Payload超過IEEE 802.3標準所限制的1500位元組的Ethernet frame，很多1GbE或10GbE支援Jumbo Frame，通常其MTU為9000 bytes，但是Jumbo Frame尚未成為官方的IEEE 802.3乙太網標準的一部分。

## Reference
1. Computer Networking: A Top-Down Approach 6/E
2. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BB%A5%E5%A4%AA%E7%BD%91
3. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9D%9E%E5%B1%8F%E8%94%BD%E9%9B%99%E7%B5%9E%E7%B7%9A
4. https://zh.wikipedia.org/wiki/8P8C
5. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%90%89%E6%AF%94%E7%89%B9%E4%BB%A5%E5%A4%AA%E7%BD%91#1000BASE-SX
6. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%8C%E7%BB%9E%E7%BA%BF%E4%BB%A5%E5%A4%AA%E7%BD%91
7. https://en.wikipedia.org/wiki/10_Gigabit_Ethernet
8. https://zh.wikipedia.org/wiki/2.5GBASE-T_%E8%88%87_5GBASE-T
9. http://opencourse.ncyu.edu.tw/ncyu/file.php/15/week03/%E4%B9%99%E5%A4%AA%E7%B6%B2%E8%B7%AF.pdf
10. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%8C%E7%BB%9E%E7%BA%BF
11. https://en.wikipedia.org/wiki/Ethernet_frame
12. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BB%A5%E5%A4%AA%E7%BD%91%E5%B8%A7%E6%A0%BC%E5%BC%8F
13. https://hackmd.io/s/ByzISnSNQ