以太網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識

以太網(wǎng)絡(luò)（Ethernet）為局域網(wǎng)絡(luò)（Local area network， 簡稱LAN）中最常使用的一種技術(shù)，而目前也是該領(lǐng)域占有率最高的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，相關(guān)規(guī)范由電機電子工程師學(xué)會（IEEE）所訂定，并收錄于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)中。本篇文章將根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)介紹以太網(wǎng)絡(luò)（10M/100M/1000M）與相關(guān)測試內(nèi)容。

以太網(wǎng)絡(luò)的主要概念是透過網(wǎng)絡(luò)上多個節(jié)點（Node）傳送信息，各節(jié)點間以電纜或光纖信道等媒介進(jìn)行傳輸，每個節(jié)點都有其特定門牌號碼－全球僅有一組之48位MAC地址（Media Access Control Address），透過相異的門牌來確保以太網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點能相互確認(rèn)避免造成傳輸錯誤。

想要了解以太網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該先熟悉以下兩個專有名詞：

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌╪etwork topology）

載波檢測多重存取附碰撞偵測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection， 簡稱CSMA/CD）

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌╪etwork topology）：

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D有許多種不同的結(jié)構(gòu)，常見的有星狀拓?fù)鋱D（Star Topology）及總線拓?fù)鋱D（Bus Topological）。

星狀拓?fù)鋱D主要由一架主機集中控制周圍的工作站，透過其他媒介如雙絞線（Twisted Pair）或光纖（Optical Fiber）點對點聯(lián)機形成星狀架構(gòu)如圖1所示，對于布線及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)十分便利，但中央主機的質(zhì)量與穩(wěn)定性為此網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

圖 1

總線拓?fù)鋱D沒有特定主機為核心，而是主要網(wǎng)絡(luò)共享于特定傳輸媒介上，雙絞線、同軸電纜或集線器（Hub）都經(jīng)常被用于總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。布線同樣具有便利性，并且新增或移除新裝置時不須做特別設(shè)定，缺點則是若傳輸主干任一線段發(fā)生問題，將造成整體網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

圖 2

載波檢測多重存取附碰撞偵測（CSMA/CD）

CSMA/CD主要運用于總線架構(gòu)，所有欲傳送數(shù)據(jù)的主機（或工作站），都需將數(shù)據(jù)廣播到（Broadcasting）傳輸媒介上，而所有工作站都須具備接收網(wǎng)絡(luò)上所廣播的訊息之能力。

理想情況下，一段時間內(nèi)只有單一訊號源傳送訊息，傳送數(shù)據(jù)前主機（或工作站）必須確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)上有沒有訊號在傳送，如果網(wǎng)絡(luò)上沒有其他訊號源進(jìn)行傳送或其余工作站閑置（idle），之后便可開始傳送數(shù)據(jù)，反之就必須等待，并繼續(xù)偵測。如果有兩部主機（或工作站）同時傳送訊號，訊號間會在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生碰撞（Collision），如圖3，而導(dǎo)致訊息錯誤無法被接收端（Receiver）解譯。

當(dāng)傳輸訊息發(fā)生碰撞沖突時，其余傳送中的單位必須停止傳送訊號，同時造成碰撞的傳送端將送出擾亂訊息（Jamming Signal），告知其余工作站已發(fā)生碰撞請勿再傳送訊號，而該傳送端將等待隨機時間（Random Time）后再重新傳送。

圖 3

對于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D與CSMA/CD機制有初步認(rèn)知后，接著會介紹一開始所提到的10Base-T/100Base-TX/1000Base-T，并針對各個規(guī)格，介紹如何量測傳輸質(zhì)量。

10Base-T：（IEEE 802.3 Clause 1 through Clause 20）

10代表10Mbps，Base為Baseband（基頻），T為先前提過之Twisted Pair雙絞線，10Base-T常用的電纜線則為Cat-3 UTP。

10Base-T為曼撤斯特編碼（Manchester Encoded），藉由原始訊號的轉(zhuǎn)態(tài)來定義0與1，其雙絞線上最低需求的帶寬為20M，其保持原來 CSMA/CD 的特性，但網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為樹狀拓?fù)洌ɑ旌闲菭钆c總線），如圖4。

圖 4

圖4總線架構(gòu)之設(shè)備為常見的集線器（Hub），如果工作站與該聯(lián)機斷線，將不會影響單位的訊息收發(fā)，而且布線與網(wǎng)絡(luò)維護(hù)上能夠包含兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

測試方面也會對10MBase-T相關(guān)之CSMA/CD特性進(jìn)行驗證，并且應(yīng)用等效雙絞線模塊TPM（Twisted Pair Model）于測試中。首先會針對訊號質(zhì)量進(jìn)行量測，其測試的條件定義在當(dāng)傳送端及接受端從連接上后，傳送端所傳送的Link Pulse及傳輸數(shù)據(jù)之訊號回到閑置狀態(tài)的訊號質(zhì)量，以及量測待測物與常見之接收端阻抗值，確認(rèn)兩者是否匹配，詳細(xì)的測試項目可參考表1：

表 1

100Base-TX：（IEEE 802.3 Clause 21 through Clause 33）

100Base-TX 傳輸速率為100 Mbps，結(jié)尾X代表規(guī)格（Spec）同于美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會所提出之X3T9.5標(biāo)準(zhǔn)。而100Base-TX 使用兩對雙絞線，一對發(fā)出信號而另一對接收訊號。為了傳輸高頻的訊號，電纜通常選擇帶寬較高的Cat-5 UTP以確保訊號質(zhì)量。

通訊協(xié)議同樣為CSMA/CD架構(gòu)，與10Base-T的不同的是，編碼方式與Auto negotiation功能。100Base-TX的編碼方式相比10Base-T更為復(fù)雜，摒棄曼撤斯特編碼而改用4B/5B加上NRZI（Non-Return Zero Inverted code）后，最終再透過Multi-Level Transmission-3 （MLT-3）編碼后送出如圖5所示，故纜線所需帶寬為 。主要的測試都會傾向于檢測MLT-3的訊號完整性為主。

圖 5

為了向下兼容10Base-T 的傳輸，100Base-TX導(dǎo)入了Auto-negotiation的功能，其目的為當(dāng)傳送端與接收端連接后，透過Auto negotiation去判斷接收端裝置所支持的能力，如：傳輸速率、訊號信道數(shù)、傳輸模式（全雙工或半雙工），進(jìn)而完成傳輸條件的設(shè)定。

測試方面由于差分訊號（Differential signal）的峰值對于MLT-3編碼方式十分重要，故正負(fù)電壓的峰值（+Vout， -Vout）還有過沖（Overshoot）等都有訂定相關(guān)規(guī)范，為避免正負(fù)電壓差距過大也有對稱性（Symmetry）的測項。除了電壓，對于時間的偏移量也有所規(guī)范，如圖6所示，若時間偏移過大將導(dǎo)致訊號失真，導(dǎo)致接收端誤判0與1。詳細(xì)測試項目可以參考表2。

圖 6

表 2

1000Base-T：（IEEE 802.3z， IEEE 802.3ab）

1000Base-T千兆位以太網(wǎng)絡(luò)（Gigabit Ethernet， GbE），通訊協(xié)議同樣遵循 CSMA/CD模式，傳輸電纜為Cat-5 UTP，訊號傳輸會同時使用4對絞線進(jìn)行，編碼方式使用PAM-5（Pulse Amplitude Modulation 5），如圖7：

圖 7

四對線同時傳送或接收信號，每對線的傳輸頻率為250MHz又因為PAM-5編碼方式將兩個位以一個電位表示，最終可得出每一對傳輸頻率為125MHz。1000Base-T向下兼容100/10Base-T，并且與100Base-TX同樣擁有Auto negotiation功能，通常在產(chǎn)品能力不相等的情況下，可以降回100Base-TX運行。1000Base-T 所使用之PAM-5編碼還具有脈沖整形（Pulse-Shaping）的特性，數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后的五種電位會相似于連續(xù)訊號，除了有削減高頻噪聲的效果同時也會減少低頻成分，最后達(dá)到強化輸出訊號與噪聲的相對比率。

1000Base-T的測試項目如表3， 各項目皆依據(jù)規(guī)范定義了不同的測試條件：

表 3

Test Mode 1：

測試Pattern Test Mode 1用于確認(rèn)PAM-5的五個準(zhǔn)位，確保數(shù)據(jù)傳送不發(fā)生錯誤，會量測A、B、C、D等點位確認(rèn)電位沒有發(fā)生太多偏移，以及G相對F、J相對H亦不能夠衰減太多。而此波型亦有模板（Template）規(guī)范，測試訊號波型完整性確保訊號質(zhì)量。

圖 8

Test Mode 2 & 3：

測試Pattern Test Mode 2， 3為 125 MHz的周期訊號如圖9所示，Test Mode 2， 3在主、從模式下透過Pattern確認(rèn)Auto negotiation過程中的訊號抖動量多寡，其目的為確認(rèn)訊號抖動量是否符合規(guī)范以避免Auto negotiation失敗。

圖 9

Test Mode 4：

測試Pattern Test Mode 4，傳送端會傳送經(jīng)過scrambler generator polynomial產(chǎn)生的訊號，其為11個位具有迭代特性之訊號，如圖10所示，而其迭代概念的示意圖可參考圖11，第12個位（含）以后會對先前的位做互斥或（exclusive or）邏輯運算后輸出，詳細(xì)代數(shù)運算可參照IEEE 802.3ab。透過不斷迭代的測試訊號，可以驗證電位失真（distortion）程度是否在IEEE規(guī)范內(nèi)，亦會檢查每對Pair所造成的共模電壓（Common Mode）有無符合規(guī)范。

圖10

圖11

本篇文章對于以太網(wǎng)絡(luò)特性和規(guī)格（10/100/1000 Base-T）做了初步的介紹，除此之外以太網(wǎng)絡(luò)還包含了許多不同種類的規(guī)格及傳輸方式。

Granite River Labs （GRL）認(rèn)證測試實驗室的觀察發(fā)現(xiàn)，隨著Server需求量大增，網(wǎng)絡(luò)接口的使用更加廣泛，且傳輸速度也有所提升，測試需求量也相對增加。若想進(jìn)一步了解以太網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)內(nèi)容，后續(xù)我們將為您整理更完整的測試內(nèi)容及架構(gòu)。
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