以太網路

**乙太網路**（英語：Ethernet）是一種電腦區域網路技術。IEEE 組織的 IEEE 802.3 標準制定了乙太網路的技術標準，它規定了包括實體層的連線、電子訊號和媒介存取控制的內容。乙太網路是目前應用最普遍的區域網路技術，取代了其他區域網路標準如權杖環、FDDI 和 ARCNET。

乙太網路的標準拓撲結構為匯流排型拓撲，但目前的快速乙太網路（100BASE-T、1000BASE-T 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，使用交換器（Switch hub）來進行網路連接和組織。如此一來，乙太網路的拓撲結構就成了星型；但在邏輯上，乙太網路仍然使用匯流排型拓撲和 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即載波多重存取 / 碰撞偵測）的匯流排技術。

## 歷史

乙太網路技術起源於全錄帕洛阿爾托研究中心的先鋒技術專案。人們通常認為乙太網路發明於 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路潛力的備忘錄。但是梅特卡夫本人認為乙太網路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〈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，梅特卡夫為了開發個人電腦和區域網路離開了全錄（Xerox），成立了 3Com 公司。3Com 對 DEC、英特爾和全錄進行遊說，希望與他們一起將乙太網路標準化、規格化。這個通用的乙太網路標準於 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權杖環網和 ARCNET，在乙太網路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。

梅特卡夫曾經開玩笑說，Jerry Saltzer 為 3Com 的成功作出了貢獻。Saltzer 在一篇與他人合著的很有影響力的論文中指出，在理論上權杖環網要比乙太網路優越。受到此結論的影響，很多電腦廠商或猶豫不決或決定不把乙太網路介面做為機器的標準組態，這樣 3Com 才有機會從銷售乙太網路網卡大賺。這種情況也導致了另一種說法「乙太網路不適合在理論中研究，只適合在實際中應用」。也許只是句玩笑話，但這說明了這樣一個技術觀點：通常情況下，網路中實際的資料流特性與人們在區域網路普及之前的估計不同，而正是因為乙太網路簡單的結構才使區域網路得以普及。梅特卡夫和 Saltzer 曾經在麻省理工學院 MAC 專案（Project MAC）的同一層樓工作，當時他正在做自己的哈佛大學畢業論文，在此期間奠定了乙太網路技術的理論基礎。

## 概述

乙太網路實作了網路上無線電系統多個節點傳送資訊的想法，每個節點必須取得電纜或者通道才能傳送資訊，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 位元位址也就是製造商分配給網卡的 MAC 位址，以保證乙太網路上所有節點能互相鑑別。由於乙太網路十分普遍，許多製造商把乙太網路卡直接整合進電腦主機板。

乙太網路通訊具有自相關性的特點，這對於電信通訊工程十分重要。

## CSMA/CD 共享媒介乙太網路

帶衝突檢測的載波偵聽多路存取（CSMA/CD）技術規定了多台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。這個方法要比權杖環網或者主控制網簡單。當某台電腦要傳送資訊時，在以下行動與狀態之間進行轉換：

1. **開始** - 如果線路空閒，則啟動傳輸，否則跳轉到第 4 步。
2. **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。
3. **成功傳輸** - 向更高層的網路協定報告傳送成功，登出傳輸模式。
4. **線路繁忙** - 持續等待直到線路空閒。
5. **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。
6. **超過最大嘗試傳輸次數** - 向更高層的網路協定報告傳送失敗，登出傳輸模式。

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。延遲的時間透過截斷二進位指數後移（truncated binary exponential backoff）演算法來實現。

最初的乙太網路是採用同軸電纜來連接各個裝置的。電腦透過一個叫做附加單元介面（Attachment Unit Interface，AUI）的收發器連接到電纜上。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連接器的故障，都會造成乙太網路某個或多個網段的不穩定。

因為所有的通信訊號都在共享線路上傳輸，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，發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，接收到目標位址是自己的資訊時才會向 CPU 發出中斷請求，除非網卡處於混雜模式（Promiscuous mode）。這種「一個說，大家聽」的特質是共享媒介乙太網路在安全上的弱點，因為乙太網路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路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。

## 乙太網路中繼器和集線器

在乙太網路技術的發展中，乙太網路集線器（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，根據不同的媒介乙太網路段有距離限制。例如，10BASE5 同軸電纜最長距離 500 公尺 （1,640 英尺）。最大距離可以透過乙太網路中繼器實現，中繼器可以把電纜中的訊號放大再傳送到下一段。中繼器最多連接 5 個網段，但是只能有 4 個裝置（即一個網段最多可以接 4 個中繼器）。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，乙太網路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：匯流排上的 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，從而使通信無法繼續。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接。

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）。集線器可以連接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，它可以使許多台具有 AUI 連接器的主機共享一個收發器。集線器也導致了不使用同軸電纜的小型獨立乙太網路網段的出現。

像 DEC 和 SynOptics 這樣的網路裝置製造商曾經出售過用於連接許多 10BASE-2 細同軸線網段的集線器。

無遮蔽雙絞線（unshielded twisted-pair cables , UTP）最先應用在星型區域網路中，之後也在 10BASE-T 中應用，最後取代了同軸電纜成為乙太網路的標準。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，無遮蔽 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，提高了乙太網路的可靠性。雙絞線乙太網路把每一個網段對等地連起來，這樣終端就可以做成一個標準的硬體，解決了乙太網路的終端問題。

採用集線器組網的乙太網路儘管在物理上是星型結構，但在邏輯上仍然是匯流排型的，半雙工的通信方式採用 CSMA/CD 的衝突檢測方法，集線器對於減少封包衝突的作用很小。每一個封包都被傳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接速度的限制（10 或 100 Mbit/s），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訊框 (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路網段，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路裝置轉發所有的資料。這嚴重限制了同一個乙太網路網路上可以相互通信的機器數量。為了減輕這個問題，橋接方法被採用，在工作在實體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，只有格式完整的封包才能從一個網段進入另一個網段；衝突和封包錯誤則都被隔離。透過記錄分析網路上裝置的 MAC 位址，橋接器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封包。像生成樹協定這樣的控制機制可以協調多個交換器共同工作。

早期的橋接器要檢測每一個封包，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，第一台乙太網路交換器。乙太網路交換器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。

大多數現代乙太網路用乙太網路交換器代替 Hub。儘管布線方式和 Hub 乙太網路相同，但交換式乙太網路比共享媒介乙太網路有很多明顯的優勢，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媒介的多節點網，但 10BASE-T 和以後的標準皆為全雙工乙太網路，不再是共享媒介系統。

交換器啟動後，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位址以後，他就只把非廣播資料傳送給特定的目的埠。因此線速乙太網路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。

因為封包一般只是傳送到他的目的埠，所以交換式乙太網路上的流量要略微小於共享媒介式乙太網路。然而，交換式乙太網路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視功能抓取網路封包。

當只有簡單裝置（除 Hub 之外的裝置）連接交換器埠時，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。

交換器埠和所連接的裝置必須使用相同的雙工設定。多數 100BASE-TX 和 1000BASE-T 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器埠和裝置上都進行手工設定以避免雙工錯配 —— 這是乙太網路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器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 10BASE-T 裝置連接到一個啟用了自動協商的 10/100 交換埠上時將可以成功地建立一個半雙工的 10BASE-T 連接。但是將一個組態為全雙工 100Mb 工作的裝置連接到一個組態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電腦設定成 10Mbps 模式了，如果已知另一端組態為 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）通信時就會發生問題。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，乙太網路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。

## 乙太網路類型

除了以上提到的不同影格類型以外，各類乙太網路的差別僅在速率和配線。因此，同樣的網路協定棧軟體可以在大多數乙太網路上執行。

以下的章節簡要綜述了不同的正式乙太網路類型。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。

很多乙太網路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接速度和雙工方式。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。10/100 乙太網路埠支援 10BASE-T 和 100BASE-TX。10/100/1000 支援 10BASE-T、100BASE-TX 和 1000BASE-T。

### 早期的乙太網路

* 全錄乙太網路（Xerox Ethernet，又稱「全錄乙太網」）──是乙太網的雛型。最初的 2.94Mbit/s 乙太網路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。
* 10BROAD36 ──已經過時。一個早期的支援長距離乙太網路的標準。它在同軸電纜上使用，以一種類似線纜數據機系統的寬頻調製技術。
* 1BASE5 ──也稱為星型區域網路，速率是 1Mbit/s。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 Mbit/s 以太網。早期 IEEE 標準，使用單根 RG-11 同軸電纜，最大距離為 500 公尺，並最多可以連接 100 台電腦的收發器，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」插入電纜的內芯和封鎖層。在電纜終結處使用 N 型連接器。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）或類比網路）── 10BASE5 後的產品，使用 RG-58 同軸電纜，最長轉輸距離約 200 公尺（實際為 185 公尺），僅能連接 30 台計算機，計算機使用 T 型適配器連接到帶有 BNC 連接器的網卡，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以太網路標準 10 Mbit/s。後發展成 10BASE-T。
* 10BASE-T ──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 公尺。以太網集線器或以太網交換機位於中間連接所有節點。
* FOIRL ──光纖中繼器鏈路。光纖以太網路原始版本。
* 10BASE-F ── 10Mbps 以太網光纖標準通稱，2 公里。只有 10BASE-FL 應用比較廣泛。
  * 10BASE-FL ── FOIRL 標準一種升級。
  * 10BASE-FB ──用於連接多個 Hub 或者交換機的骨幹網技術，已廢棄。
  * 10BASE-FP ──無中繼被動星型網，沒有實際應用的案例。

### 100Mbps 乙太網路（快速乙太網路）

快速乙太網路（Fast Ethernet）為 IEEE 在 1995 年發表的網路標準，能提供達 100Mbps 的傳輸速度。

* 100BASE-T -- 下面三個 100 Mbit/s 雙絞線標準通稱，最遠 100 公尺。
  * 100BASE-TX -- 類似於星型結構的 10BASE-T。使用 2 對電纜，但是需要 5 類電纜以達到 100Mbit/s。
  * 100BASE-T4 -- 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。
  * 100BASE-T2 -- 無產品。使用 3 類電纜。支援全雙工使用 2 對線，功能等效 100BASE-TX，但支援舊電纜。
* 100BASE-FX -- 使用多模光纖，最遠支援 400 公尺，半雙工連接 （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 不是乙太網路。

### 1Gbps 乙太網路

* 1000BASE-T -- 1 Gbit/s 媒介超五類雙絞線或 6 類雙絞線。
* 1000BASE-SX -- 1 Gbit/s 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）。
* 1000BASE-LX -- 1 Gbit/s 多模光纖（小於 550M）、單模光纖（小於 5000M）。
* 1000BASE-LX10 -- 1 Gbit/s 單模光纖（小於 10KM）。長距離方案
* 1000BASE-LHX --1 Gbit/s 單模光纖（10KM 至 40KM）。長距離方案
* 1000BASE-ZX --1 Gbit/s 單模光纖（40KM 至 70KM）。長距離方案
* 1000BASE-CX -- 銅纜上達到 1Gbps 的短距離（小於 25 m）方案。早於 1000BASE-T，已廢棄。

### 10Gbps 乙太網路

新的萬兆乙太網路標準包含 7 種不同類型，分別適用於區域網路、都會網路和廣域網路。目前使用附加標準 IEEE 802.3ae，將來會合併進 IEEE 802.3 標準。

* 10GBASE-CX4 -- 短距離銅纜方案用於 InfiniBand 4x 連接器和 CX4 電纜，最大長度 15 公尺。
* 10GBASE-SR -- 用於短距離多模光纖，根據電纜類型能達到 26-82 公尺，使用新型 2GHz 多模光纖可以達到 300 公尺。
* 10GBASE-LX4 -- 使用波分復用支援多模光纖 240－300 公尺，單模光纖超過 10 公里。
* 10GBASE-LR 和 10GBASE-ER -- 透過單模光纖分別支援 10 公里和 40 公里
* 10GBASE-SW、10GBASE-LW、10GBASE-EW。用於廣域網路 PHY、OC-192 / STM-64 同步光纖網 / SDH 裝置。實體層分別對應 10GBASE-SR、10GBASE-LR 和 10GBASE-ER，因此使用相同光纖支援距離也一致。（無廣域網路 PHY 標準）
* 10GBASE-T -- 使用封鎖或無遮蔽雙絞線，使用 CAT-6A 類線至少支援 100 公尺傳輸。CAT-6 類線也在較短的距離上支援 10GBASE-T。

### 100Gbps 乙太網路

新的 40G/100G 乙太網路標準在 2010 年中制定完成，包含若干種不同的節制類型。目前使用附加標準 IEEE 802.3ba。

* 40GBASE-KR4 -- 背板方案，最少距離 1 公尺。
* 40GBASE-CR4 / 100GBASE-CR10 -- 短距離銅纜方案，最大長度大約 7 公尺。
* 40GBASE-SR4 / 100GBASE-SR10 -- 用於短距離多模光纖，長度至少在 100 公尺以上。
* 40GBASE-LR4 / 100GBASE-LR10 -- 使用單模光纖，距離超過 10 公里。
* 100GBASE-ER4 -- 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 乙太網路
* 10G 乙太網路
* 100G 乙太網路
* 1000G 乙太網路
* 虛擬區域網路
* 生成樹協定
* 通訊
* Internet
* 乙太網路影格格式

## 外部連結

* IEEE 802.3 2002 年標準（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 萬兆乙太網路（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 乙太網路影格格式（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 萬兆 IP 乙太網路白皮書
* 千兆乙太網路 (1000BaseT)（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）