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Ethernet 乙太網路

tags: Technology Communication

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。

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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

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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(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(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。

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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）

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交換器 Switch

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。

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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

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  • 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。

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  • 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)

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  • 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/以太网
  3. https://zh.wikipedia.org/wiki/非屏蔽雙絞線
  4. https://zh.wikipedia.org/wiki/8P8C
  5. https://zh.wikipedia.org/wiki/吉比特以太网#1000BASE-SX
  6. https://zh.wikipedia.org/wiki/双绞线以太网
  7. https://en.wikipedia.org/wiki/10_Gigabit_Ethernet
  8. https://zh.wikipedia.org/wiki/2.5GBASE-T_與_5GBASE-T
  9. http://opencourse.ncyu.edu.tw/ncyu/file.php/15/week03/乙太網路.pdf
  10. https://zh.wikipedia.org/wiki/双绞线
  11. https://en.wikipedia.org/wiki/Ethernet_frame
  12. https://zh.wikipedia.org/wiki/以太网帧格式
  13. https://hackmd.io/s/ByzISnSNQ
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陳柏儒
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