乙太網是一種計算機區域網技術。IEEE 組織的 IEEE 8023 標準制定了乙太網的技術標準，它規定了包括物理層的連線、電子訊號和介質訪問控制的內容。乙太網是目前應用最普遍的區域網技術，取代了其他區域網標準如令牌環、FDDI 和 ARCNET。 乙太網的標準拓撲結構為匯流排型拓撲，但目前的快速乙太網（100BASET、1000BASET 標準）為了減少衝突，將能提高的網路速度和使用效率最大化，使用交換機（Switch hub）來進行網路連線和組織。如此一來，乙太網的拓撲結構就成了星型；但在邏輯上，乙太網仍然使用匯流排型拓撲和 CSMACD（Carrier Sense Multiple AccessCollision Detection，即載波多重存取 碰撞偵測）的匯流排技術。 歷史 乙太網技術起源於施樂帕洛阿爾託研究中心的先鋒技術專案。人們通常認為乙太網發明於 1973 年，當年鮑勃梅特卡夫（Bob Metcalfe）給他 PARC 的老闆寫了一篇有關乙太網潛力的備忘錄。但是梅特卡夫本人認為乙太網是之後幾年才出現的。在 1976 年，梅特卡夫和他的助手 David Boggs 發表了一篇名為的文章。 1979 年，梅特卡夫為了開發個人電腦和區域網離開了施樂（Xerox），成立了 3Com 公司。3Com 對 DEC、英特爾和施樂進行遊說，希望與他們一起將乙太網標準化、規範化。這個通用的乙太網標準於 1980 年 9 月 30 日提出。當時業界有兩個流行的非公用網路標準令牌環網和 ARCNET，在乙太網浪潮的衝擊下他們很快萎縮並被取代。而在此過程中，3Com 也成了一個國際化的大公司。 概述 乙太網實作了網路上無線電系統多個節點發送資訊的想法，每個節點必須取得電纜或者 zhtw 通道；zhcn 通道； 才能傳送資訊，有時也叫作以太（Ether）。這個名字來源於 19 世紀的物理學家假設的電磁輻射媒體 光以太。 每一個節點有全球唯一的 48 位地址也就是製造商分配給網絡卡的 MAC 地址，以保證乙太網上所有節點能互相鑑別。由於乙太網十分普遍，許多製造商把乙太網卡直接整合進計算機主機板。 乙太網通訊具有自相關性的特點，這對於電信通訊工程十分重要。 CSMACD 共享介質乙太網 帶衝突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMACD）技術規定了多臺電腦共享一個通道的方法。這項技術最早出現在 1960 年代由夏威夷大學開發的 ALOHAnet，它使用無線電波為載體。這個方法要比令牌環網或者主控制網簡單。當某臺電腦要傳送資訊時，在以下行動與狀態之間進行轉換： 開始 如果線路空閒，則啟動傳輸，否則跳轉到第 4 步。 傳送 如果檢測到衝突，繼續傳送資料直到達到最小回報時間（min echo receive interval）以確保所有其他轉發器和終端檢測到衝突，而後跳轉到第 4 步。 成功傳輸 向更高層的網路協議報告發送成功，退出傳輸模式。 線路繁忙 持續等待直到線路空閒。 線路空閒 在尚未達到最大嘗試次數之前，每隔一段隨機時間轉到第 1 步重新嘗試。 超過最大嘗試傳輸次數 向更高層的網路協議報告發送失敗，退出傳輸模式。 就像在沒有主持人的座談會中，所有的參加者都透過一個共同的媒介（空氣）來相互交談。每個參加者在講話前，都禮貌地等待別人把話講完。如果兩個客人同時開始講話，那麼他們都停下來，分別隨機等待一段時間再開始講話。這時，如果兩個參加者等待的時間不同，衝突就不會出現。如果傳輸失敗超過一次，將延遲指數增長時間後再次嘗試。延遲的時間透過（truncated binary exponential backoff）演演算法來實現。 最初的乙太網是採用同軸電纜來連線各個裝置的。電腦透過一個叫做附加單元介面（Attachment Unit Interface，AUI）的收發器連線到電纜上。一條簡單網路線對於一個小型網路來說很可靠，而對於大型網路來說，某處線路的故障或某個聯結器的故障，都會造成乙太網某個或多個網段的不穩定。 因為所有的通訊訊號都在共用線路上傳輸，即使資訊只是想發給其中的一個終端（destination），卻會使用廣播的形式，傳送給線路上的所有電腦。在正常情況下，網路介面卡會濾掉不是傳送給自己的資訊，接收到目標地址是自己的資訊時才會向 CPU 發出中斷請求，除非網絡卡處於混雜模式（Promiscuous mode）。這種 一個說，大家聽 的特質是共享介質乙太網在安全上的弱點，因為乙太網上的一個節點可以選擇是否監聽線路上傳輸的所有資訊。共享電纜也意味著共享頻寬，所以在某些情況下乙太網的速度可能會非常慢，比如電源故障之後，當所有的網路終端都重新啟動時。 乙太網中繼器和集線器 在乙太網技術的發展中，乙太網集線器（Ethernet Hub）的出現使得網路更加可靠，接線更加方便。 因為訊號的衰減和延時，根據不同的介質乙太網段有距離限制。例如，10BASE5 同軸電纜最長距離 500 米 （1640 英尺）。最大距離可以透過乙太網中繼器實現，中繼器可以把電纜中的訊號放大再傳送到下一段。中繼器最多連線 5 個網段，但是隻能有 4 個裝置（即一個網段最多可以接 4 箇中繼器）。這可以減輕因為電纜斷裂造成的問題：當一段同軸電纜斷開，所有這個段上的裝置就無法通訊，中繼器可以保證其他網段正常工作。 類似於其他的高速匯流排，乙太網網段必須在兩頭以電阻器作為終端。對於同軸電纜，電纜兩頭的終端必須接上被稱作 終端器 的 50 歐姆的電阻和散熱器，如果不這麼做，就會發生類似電纜斷掉的情況：總線上的 AC 訊號當到達終端時將被反射，而不能消散。被反射的訊號將被認為是衝突，從而使通訊無法繼續。中繼器可以將連在其上的兩個網段進行電氣隔離，增強和同步訊號。大多數中繼器都有被稱作 自動隔離 的功能，可以把有太多衝突或是衝突持續時間太長的網段隔離開來，這樣其他的網段不會受到損壞部分的影響。中繼器在檢測到衝突消失後可以恢復網段的連線。 隨著應用的拓展，人們逐漸發現星型的網路拓撲結構最為有效，於是裝置廠商們開始研製有多個埠的中繼器。多埠中繼器就是眾所周知的集線器（Hub）。集線器可以連線到其他的集線器或者同軸網路。 第一個集線器被認為是 多埠收發器 或者叫做 fanouts。最著名的例子是 DEC 的 DELNI，它可以使許多臺具有 AUI 聯結器的主機共用一個收發器。集線器也導致了不使用同軸電纜的小型獨立乙太網網段的出現。 像 DEC 和 SynOptics 這樣的網路裝置製造商曾經出售過用於連線許多 10BASE2 細同軸線網段的集線器。 非遮蔽雙絞線（unshielded twistedpair cables UTP）最先應用在星型區域網中，之後也在 10BASET 中應用，最後取代了同軸電纜成為乙太網的標準。這項改進之後，RJ45 電話介面代替了 AUI 成為電腦和集線器的標準線路，非遮蔽 3 類雙絞線 5 類雙絞線成為標準載體。集線器的應用使某條電纜或某個裝置的故障不會影響到整個網路，提高了乙太網的可靠性。雙絞線乙太網把每一個網段點對點地連起來，這樣終端就可以做成一個標準的硬體，解決了乙太網的終端問題。 採用集線器組網的乙太網儘管在物理上是星型結構，但在邏輯上仍然是匯流排型的，半雙工的通訊方式採用 CSMACD 的衝突檢測方法，集線器對於減少封包衝突的作用很小。每一個數據包都被髮送到集線器的每一個埠，所以頻寬和安全問題仍沒有解決。集線器的總傳輸量受到單個連線速度的限制（10 或 100 Mbits），這還是考慮在前同步碼、傳輸間隔、檔頭、檔尾和封裝上都是最小花費的情況。當網路負載過重時，衝突也常常會降低傳輸量。最壞的情況是，當許多用長電纜組成的主機傳送很多非常短的 zhtw 訊框；zhcn 幀；frame 時，可能因衝突過多導致網路的負載在僅 50 左右程度就滿載。為了在衝突嚴重降低傳輸量之前儘量提高網路的負載，通常會先做一些設定以避免類似情況發生。 橋接和交換 儘管中繼器在某些方面分隔了乙太網網段，使得電纜斷線的故障不會影響到整個網路，但它向所有的乙太網裝置轉發所有的資料。這嚴重限制了同一個乙太網網路上可以相互通訊的機器數量。為了減輕這個問題，橋接方法被採用，在工作在物理層的中繼器之基礎上，橋接工作在資料鏈路層。透過橋接器時，只有格式完整的資料包才能從一個網段進入另一個網段；衝突和資料包錯誤則都被隔離。透過記錄分析網路上裝置的 MAC 地址，網橋可以判斷它們都在什麼位置，這樣它就不會向非目標裝置所在的網段傳遞資料包。像生成樹協議這樣的控制機制可以協調多個交換機共同工作。 早期的網橋要檢測每一個數據包，因此當同時處理多個埠的時候，資料轉發比 Hub（中繼器）來得慢。1989 年網路公司 Kalpana 發明了 EtherSwitch，第一臺乙太網交換機。乙太網交換機把橋接功能用硬體實現，這樣就能保證轉發資料速率達到線速。 大多數現代乙太網用乙太網交換機代替 Hub。儘管佈線方式和 Hub 乙太網相同，但交換式乙太網比共享介質乙太網有很多明顯的優勢，例如更大的頻寬和更好的異常結果隔離裝置。交換網路典型的使用星型拓撲，雖然裝置在半雙工模式下運作時仍是共享介質的多節點網，但 10BASET 和以後的標準皆為全雙工乙太網，不再是共享介質系統。 交換機啟動後，一開始也和 Hub 一樣，轉發所有資料到所有埠。接下來，當它記錄了每個埠的地址以後，他就只把非廣播資料傳送給特定的目的埠。因此線速乙太網交換可以在任何埠對之間實現，所有埠對之間的通訊互不干擾。 因為資料包一般只是傳送到他的目的埠，所以交換式乙太網上的流量要略微小於共享介質式乙太網。然而，交換式乙太網仍然是不安全的網路技術，因為它很容易因為 ARP 欺騙或者 MAC 滿溢而癱瘓，同時網路管理員也可以利用監控功能抓取網路資料包。 當只有簡單裝置（除 Hub 之外的裝置）連線交換機埠時，整個網路可能處於全雙工模式。如果一個網段只有 2 個裝置，那麼衝突探測也不需要了，兩個裝置可以隨時收發資料。這時總頻寬是鏈路的 2 倍，雖然雙方的頻寬相同，但沒有發生衝突就意味著幾乎能利用到 100 的頻寬。 交換機埠和所連線的裝置必須使用相同的雙工設定。多數 100BASETX 和 1000BASET 裝置支援自動協商特性，即這些裝置透過訊號來協調要使用的速率和雙工設定。然而，如果自動協商功能被關閉或者裝置不支援，則雙工設定必須透過自動檢測進行設定或在交換機埠和裝置上都進行手工設定以避免雙工錯配 這是乙太網問題的一種常見原因（裝置被設定為半雙工會報告遲發衝突，而裝置被設為全雙工則會報告 runt）。許多較低層級的交換機沒有手工進行速率和雙工設定的能力，因此埠總是會嘗試進行自動協商。當啟用了自動協商但不成功時（例如其他裝置不支援），自動協商會將埠設定為半雙工。速率是可以自動感測的，因此將一個 10BASET 裝置連線到一個啟用了自動協商的 10100 交換埠上時將可以成功地建立一個半雙工的 10BASET 連線。但是將一個配置為全雙工 100Mb 工作的裝置連線到一個配置為自動協商的交換埠時（反之亦然）則會導致雙工錯配。 即使電纜兩端都設定成自動速率和雙工模式協商，錯誤猜測還是經常發生而退到 10Mbps 模式。因此，如果效能差於預期，應該檢視一下是否有計算機設定成 10Mbps 模式了，如果已知另一端配置為 100Mbit，則可以手動強制設定成正確模式。 當兩個節點試圖用超過電纜最高支援資料速率（例如在 3 類線上使用 100Mbps 或者 3 類 5 類線使用 1000Mbps）通訊時就會發生問題。不像 ADSL 或者傳統的撥號 Modem 透過詳細的方法檢測鏈路的最高支援資料速率，乙太網節點只是簡單的選擇兩端支援的最高速率而不管中間線路，因此如果速率過高就會導致鏈路失效。解決方案為強制通訊端降低到電纜支援的速率。 型別 除了以上提到的不同幀型別以外，各類乙太網的差別僅在速率和配線。因此，同樣的網路協議棧軟體可以在大多數乙太網上執行。 以下的章節簡要綜述了不同的正式乙太網型別。除了這些正式的標準以外，許多廠商因為一些特殊的原因，例如為了支援更長距離的光纖傳輸，而制定了一些專用的標準。 很多乙太網卡和交換裝置都支援多速率，裝置之間透過自動協商設定最佳的連線速度和雙工方式。如果協商失敗，多速率裝置就會探測另一方使用的速率但是預設為半雙工方式。10100 乙太網埠支援 10BASET 和 100BASETX。101001000 支援 10BASET、100BASETX 和 1000BASET。 部分乙太網型別 速度 常用名稱 非正式的 IEEE 標準名稱 正式的 IEEE 標準名稱 線纜型別 最大傳輸距離 10Mbps 乙太網十兆乙太網 10BASET 8023 雙絞線 100m 100Mbps 快速乙太網百兆乙太網 100BASET 8023u 雙絞線 100m 1Gbps 吉位元乙太網千兆乙太網 1000BASELX 8023z 光纖 5000m 1Gbps 吉位元乙太網千兆乙太網 1000BASET 8023ab 雙絞線 100m 10Gbps 10 吉位元乙太網萬兆乙太網 10GBASET 8023an 雙絞線 100m 早期的乙太網 施樂乙太網（Xerox Ethernet，又稱「全 錄乙太網」）是乙太網的雛型。最初的 294Mbits 乙太網僅在全錄公司裡內部使用。而在 1982 年，Xerox 與 DEC 及 Intel 組成 DIX 聯盟，並共同發表了 Ethernet Version 2（EV2）的規格，並將它投入商場市場，且被普遍使用。而 EV2 的網路就是目前受 IEEE 承認的 10BASE5。Internet 協定觀念與實作 ISBN 9577177069 10BROAD36 已經過時。一個早期的支援長距離乙太網的標準。它在同軸電纜上使用，以一種類似線纜調變解調器系統的寬頻調製技術。 1BASE5 也稱為星型區域網，速率是 1Mbits。在商業上很失敗，但同時也是雙絞線的第一次使用。 10Mbps 乙太網 10BASE5（又稱粗纜（Thick Ethernet）或黃色電纜）最早實現 10 Mbits 乙太網。早期 IEEE 標準，使用單根 RG11 同軸電纜，最大距離為 500 米，並最多可以連線 100 臺電腦的收發器，而纜線兩端必須接上 50 歐姆的終端電阻。接收端透過所謂的「插入式分接頭」插入電纜的內芯和遮蔽層。在電纜終結處使用 N 型聯結器。儘管由於早期的大量布設，到現在還有一些系統在使用，這一標準實際上被 10BASE2 取代。 10BASE2（又稱細纜（Thin Ethernet）或模擬網路） 10BASE5 後的產品，使用 RG58 同軸電纜，最長轉輸距離約 200 米（實際為 185 米），僅能連線 30 臺計算機，計算機使用 T 型介面卡連線到帶有 BNC 聯結器的網絡卡，而線路兩頭需要 50 歐姆的終結器。雖然在能力、規格上不及 10BASE5，但是因為其線材較細、佈線方便、成本也便宜，所以得到更廣泛的使用，淘汰了 10BASE5。由於雙絞線的普及，它也被各式的雙絞線網路取代。 StarLAN 第一個雙絞線上實現的乙太網路標準 10 Mbits。後發展成 10BASET。 10BASET 使用 3 類雙絞線、4 類雙絞線、5 類雙絞線的 4 根線（兩對雙絞線）100 米。乙太網集線器或乙太網交換機位於中間連線所有節點。 FOIRL 光纖中繼器鏈路。光纖乙太網路原始版本。 10BASEF 10Mbps 乙太網光纖標準通稱，2 公里。只有 10BASEFL 應用比較廣泛。 10BASEFL FOIRL 標準一種升級。 10BASEFB 用於連線多個 Hub 或者交換機的骨幹網技術，已廢棄。 10BASEFP 無中繼被動星型網，沒有實際應用的案例。 100Mbps 乙太網（快速乙太網） 快速乙太網（Fast Ethernet）為 IEEE 在 1995 年發表的網路標準，能提供達 100Mbps 的傳輸速度。 100BASET 下面三個 100 Mbits 雙絞線標準通稱，最遠 100 米。 100BASETX 類似於星型結構的 10BASET。使用 2 對電纜，但是需要 5 類電纜以達到 100Mbits。 100BASET4 使用 3 類電纜，使用所有 4 對線，半雙工。由於 5 類線普及，已廢棄。 100BASET2 無產品。使用 3 類電纜。支援全雙工使用 2 對線，功能等效 100BASETX，但支援舊電纜。 100BASEFX 使用多模光纖，最遠支援 400 米，半雙工連線 （保證衝突檢測），2km 全雙工。 100VG AnyLAN 只有惠普支援，VG 最早出現在市場上。需要 4 對三類電纜。也有人懷疑 VG 不是乙太網。 1Gbps 乙太網 1000BASET 1 Gbits 介質超五類雙絞線或 6 類雙絞線。 1000BASESX 1 Gbits 多模光纖（取決於頻率以及光纖半徑，使用多模光纖時最長距離在 220M 至 550M 之間）。IEEE 80232008 Section 3 Table 382 p109 1000BASELX 1 Gbits 多模光纖（小於 550M）、單模光纖（小於 5000M）。IEEE 80232008 Section 3 Table 386 p111 1000BASELX10 1 Gbits 單模光纖（小於 10KM）。長距離方案 1000BASELHX 1 Gbits 單模光纖（10KM 至 40KM）。長距離方案 1000BASEZX 1 Gbits 單模光纖（40KM 至 70KM）。長距離方案 1000BASECX 銅纜上達到 1Gbps 的短距離（小於 25 m）方案。早於 1000BASET，已廢棄。 10Gbps 乙太網 新的萬兆乙太網標準包含 7 種不同型別，分別適用於區域網、都會網路和廣域網。目前使用附加標準 IEEE 8023ae，將來會合並進 IEEE 8023 標準。 10GBASECX4 短距離銅纜方案用於 InfiniBand 4x 聯結器和 CX4 電纜，最大長度 15 米。 10GBASESR 用於短距離多模光纖，根據電纜型別能達到 2682 米，使用新型 2GHz 多模光纖可以達到 300 米。 10GBASELX4 使用波分複用支援多模光纖 240－300 米，單模光纖超過 10 公里。 10GBASELR 和 10GBASEER 透過單模光纖分別支援 10 公里和 40 公里 10GBASESW、10GBASELW、10GBASEEW。用於廣域網 PHY、OC192 STM64 同步光纖網 SDH 裝置。物理層分別對應 10GBASESR、10GBASELR 和 10GBASEER，因此使用相同光纖支援距離也一致。（無廣域網 PHY 標準） 10GBASET 使用遮蔽或非遮蔽雙絞線，使用 CAT6A 類線至少支援 100 米傳輸。CAT6 類線也在較短的距離上支援 10GBASET。 100Gbps 乙太網 新的 40G100G 乙太網標準在 2010 年中制定完成，包含若干種不同的節制型別。目前使用附加標準 IEEE 8023ba。 40GBASEKR4 背板方案，最少距離 1 米。 40GBASECR4 100GBASECR10 短距離銅纜方案，最大長度大約 7 米。 40GBASESR4 100GBASESR10 用於短距離多模光纖，長度至少在 100 米以上。 40GBASELR4 100GBASELR10 使用單模光纖，距離超過 10 公里。 100GBASEER4 使用單模光纖，距離超過 40 公里。 參考文獻 參見 5 類雙絞線 RJ45 Power over Ethernet MII and PHY 網路喚醒 1G 乙太網 10G 乙太網 100G 乙太網 1000G 乙太網 虛擬區域網 生成樹協議 通訊 Internet 乙太網幀格式 外部連結 IEEE 8023 2002 年標準 萬兆乙太網 乙太網幀格式 萬兆 IP 乙太網白皮書 千兆乙太網 1000BaseT E