從80年代起，當在預測家庭網路的最佳候選時，電源線、電話線、無線通訊，還有針對家庭自動化而規範的各種控制網路，都在角逐進入家庭核心。但是，世界上所有的產業分析師全都跌破眼鏡...
從80年代起，當在預測家庭網路的最佳候選時，電源線、電話線、無線通訊，還有針對家庭自動化而規範的各種控制網路，都在角逐進入家庭核心。但是，世界上所有的產業分析師全都跌破眼鏡。竟由1973年美商全錄所設計出的第一個區域網路系統─乙太網路坐上此寶座。如今，乙太網路傳輸速度已提升至1Gbps，過程中遭遇到許多技術問題仍待克服。
在1982年數位設備(Digital Equipment Corp., DEC)、英特爾和全錄(Xerox)呈給IEEE組織，且在1983年正式通過的802.3CSMA/CD規格，也就是10Mbps乙太網路(Ethernet)的濫觴。爾後，隨著個人電腦產業的延伸，規格升級到快速乙太網路(Fast Ethernet)，傳輸速率達100Mbps，並成為主機板的標準配備。接著，更快速的超高速乙太網路(Gigabit Ethernet, GbE)傳輸速率達1Gbps，也伴隨中央處理器(CPU)、晶片組、I/O傳輸速度的性能躍升而浮現。
從區域網路(Local Area Network, LAN)跨到廣域網路(Wide Area Network, WAN)，乙太網路的運用版圖日漸擴大。尤其當速度、頻寬拉大之後，新興的資料、語音儲存應用浮現，對商機敏銳的廠家亦開始逐漸顯現，此類產品的推出就如雨後春筍，網路附加儲存設備(Network Attached Storage, NAS)及觀念變種產品即典型代表。
乙太網路型態多樣化
除了網路與I/O介面飆速外，超高容量以及磁碟陣列容錯(Fault Tolerance)特色使得乙太網路站穩儲存設備的大哥級地位(圖1)。乙太網路具有致命特徵，就是隨著傳輸媒介、傳送速度、訊號載送方式的差異，規格四處林立，光是媒介與速度上的差異，國際標準就已經超過17個。還好存在引導之主流，而不致引起業界與消費者太多的紛爭與困擾。
其傳輸媒介主要區分成「金屬連接線」與「光纖」兩大種類。而金屬連接線乃在於有同軸電纜及無遮蔽式雙絞線(Unshielded Twisted Pair, UTP)之分。UTP對絞線最長約有100公尺，距離上的考量稍短一些，但是架設容易、成本低，因此成為主流。當然，如果網路架設於極端惡劣的環境，還是要仰賴同軸電纜的耐操性與耐用性。
就乙太網路的連接型態或是拓樸型態(Topology)來說，基本構成大致上可以區分成三個種類。10Base5等乙太網路的初期規格，以一條的同軸電纜連接數個端末終端器，也就是共有的共用匯流排(Bus)型態。
之後，利用UTP連接線的10Base-T登上舞台，無論是端末終端器與端末終端器之間的連接、端末終端器與中繼器(Repeater)的連接還是中繼器與中繼器之間的接續，都是用一條連接線來達成點對點(Point-to-Point)的連接型態。而10Base-FP則是利用光纖將一台網路機器連接到數個端末終端器，這種方式稱之為星狀(Star)配線型態。以上三種基本構成，可以藉由中繼器輔助，做到相互接續。
由於以下原因，GbE逐漸晉升為乙太網路的最佳接班人：
‧多媒體資訊成為主流，資料流量龐大。
‧與10Mb轉進100Mb的劇情如出一轍，軟體不用變更、無須新技術的重新學習或再教育、位址方式相同，因此作業系統以及驅動軟體容易對應。
‧當今的網路環境，光是10/100乙太網路就占掉約90%的裝置量，而且幾乎所有的網路作業系統都支援乙太網路。
制定乙太網路規格
國際標準化組織開放系統互連(Open Systems Interconnect, OSI)定義一個7階層的基本參考模型，是不同體系電腦之間互通的協定體系。這七層由上而下分別是應用層(Application Layer)、表現層(Presentation Layer)、會議層(Session Layer)、傳送層(Transport Layer)、網路層(Network Layer)、資料連接層(Data Link Layer)及實體層(Physical Layer)。而乙太網路則僅是對應到底層的資料連接層以及實體層。資料連結層在通訊網路上所使用的通訊協定規範，比如說高階資料鏈結控制(High-level Data Link Control, HDLC)、點對點通訊協定(Point-to-Point Protocol, PPP)都是典型代表。而最底端的實體層也就是關係到傳送迴路上的資料表現形式以及規定介面的形狀，如非同步傳輸模式(ATM)、同步光纖網路(Synchronous Optical Network, SONET)等。
同時，IEEE802委員會將OSI基本參考模型的兩個底層再細分化。主要是將資料連結層再分成兩個副層，其上位副層是以乙太網路為首的區域網路以及都會網路(Metropolitan Area Network, MAN)方式共通的邏輯連結控制(Logical Link Control, LLC)層。下位副層就是各個相異LAN的媒體存取控制(Media Access Control, MAC)層，擔當資料框的送收方法、格式以及錯誤的檢測等任務。
IEEE802.3委員會就是乙太網路MAC副層以及PHY層的策定小組，IEEE802.4則負責記號匯流排(Token Bus)規格，而IEEE802.5負責記號環(Token Ring)規格(圖2)。
核心技術CSMA/CD允許多方通訊
眾所皆知，乙太網路的核心技術即是坐落於MAC層之中的載波感知多重擷取碰撞檢測進入法(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD)，PHY層就用來吸收同軸電纜、對絞線以及光纖不同的傳送媒介，所以嚴格來說，乙太網路的階層構造與原來OSI的基本參考模型已經不完全一致。100Mb與GbE追加實體編碼次層(Physical Coding Sublayer, PCS)與調節次層(Reconciliation Sublayer, RS)，之間的介面就是與傳送媒介無關的MII(Medium Independent Interface)，可以視為機器內晶片之間或線路板之間的邏輯介面。為了區別起見，在GbE場合，特別以GMII(Gigabit MII)來稱呼。
乙太網路允許多數的終端端末在單一網路上，共有之並且相互通訊。如此n對n通訊的媒介存取控制方式，就是MAC層中的CSMA/CD。CSMA/CD的基本動作就如字面上的解讀，包含「載波檢測」與「衝突檢出」兩件大事。傳送法則為傳送資料的終端首先要確認傳送媒介上有無載波，若是沒有就可以開始傳送資料，如果檢測到有載波存在，則延後資料傳送。如此事前先行檢測載波之有無的機制，某種程度上已經可以迴避衝突發生。但是，當別的終端幾乎在同一時間點傳送時，就會發生碰撞衝突，訊號振幅變大。就正常系統來說，只要在一定的插槽(Slot)時間沒有發生衝突事件，資料於傳送途中就不會引起衝突。傳送途中，檢測到衝突的終端會先行中斷，並且送出擁擠(Jam)訊號。中斷之後等待隨機時間，一般就稱為退避時間(Back-off Time)，會嘗試重新再送。只要重新再送的失敗次數達16回，MAC層就會用異常終了的狀態來通知上位層。
GbE為了確保最低限的擴充性，對CSMA/CD參數中的插槽時間做變更，從傳統所使用的512位元時間更改為4,096個位元。
GbE標準化
回顧以前，GbE的標準化代表基幹LAN普及後開花結果(圖3)。該標準化規範四個方式：
‧1000Base-SX
‧1000Base-LX
‧1000Base-T
‧1000Base-CX
其中，1000Base-SX/1000Base-LX/1000Base-CX是最初GbE標準化的方式，一般通稱為1000Base-X。1000Base-SX/1000Base-LX均是使用光纖，這是源於既存高速傳送技術光纖通道(Fibre Channel)介面已實用化，應用訴求以長距離的基幹LAN為中心。SX意味著短波長雷射(Short Wave Length Laser)，波長約是850nm，LX則是長波長雷射(Long Wave Length Laser)，波長約是1310nm。
1000Base-LX機器價格昂貴，傳送距離又遠，因此，並不會採用短距離傳送的多模光纖(Multi-mode Fiber, MMF)。這也就是為何，這兩個方式依然採用8B/10B編碼。光纖通道係一高速串列式介面，傳送距離遠至10公里，主要運用在高階硬碟(圖4)。1000Base-CX當然是使用兩芯線的同軸電纜。要區分以上四個方式的應用空間，可從傳送距離的觀點來解讀(圖5)。
1000Base-T的誕生，源於10Base-T與100Base-TX累積太多的裝機能量。使用UTP連接線時，為了達到此速度，連接線的四對線全部都會使用。同時，為了維持100米的傳輸距離，建議採用等級更高的連接線，比如說CAT-5e以及更高等級的CAT-6等(圖6)。保證電氣特性可達100MHz的CAT-5e，規範在TIA/EIA-568-A-5與TSB95中。在連接線的各種參數上，如回波(Echo)、串音(Crosstalk)、反射損失(Return Loss)、傳輸延遲(Propagation Delay)、延遲偏差(Delay Skew)等，表現都更加卓越。
1000Base-TX就必須採用CAT-6的線材，箇中原因當然是頻率的更高要求(圖7)。1000Base-T是跑125MHz，而1000Base-TX卻是跑250MHz，當然，不仰賴CAT-6連接線的卓越電氣特性是難以用低費用來實現。
畢竟，1000Base-T/1000Base-TX有其天下不敗的成本優勢，可是要用金屬線承受如此高速，勢必要做好技術修練，導入新功夫才行。
從技術角度來看，1000Base-T/1000Base-TX確實有困難度。台灣雖然號稱有幾百家晶片設計公司，但有本領設計出此產品的也不過少數幾家，關鍵要素在於類比線路難度高。1000Base-T/1000Base-TX是採用4D-PAM5編碼方式，一般的數位訊號都是使用「0」與「1」之二元訊號(Binary Signaling)方式，也就是一個時序僅可能載送兩個數值的資訊量。然而，1000Base-T/1000Base-TX卻是採用五階的PAM編碼，讓每一個脈衝的載送資訊量增加。請參照圖8，其每個時序電壓的位階被切割成「00」、「01」、「10」、「11」四個位置的層次。就1000Base-T來說，電氣訊號的速度為125MHz，每一個時脈載送兩個位元，達成250Mbps的速率。因為，總共有四對線，因而達成Gigabit的速率目標。
4D-PAM5編碼實際以五個電壓位階「-2、-1、0、+1、+2」來識別。其實，實際的資訊情報僅用四個數值。另一個數值作為順向錯誤更正(Forward Error Correction, FEC)前向糾正位元來使用(圖9～11)。
在此先就1000Base-T做個簡單扼要的整理：
‧使用125MHz時脈
‧連接線上的四對線全部使用
‧每一對線均是使用PAM5的編碼技法
‧每一對線可以利用全雙工(Full-duplex)的載送方式來傳輸
‧四對線的BAUD傳輸速率為一個位元組
克服技術難度實現全雙工傳輸
連接線的每一對線可以利用全雙工傳輸，這個全雙工的觀念來自於古老的電話機，是最有效率的實踐技術之一。但是，僅有一對線如何做到？關鍵就在於混合(Hybrid)迴路的導入，讓一對線可以同時進行傳送與接收(圖12)。這是純粹類比的動作，技術難度相當高。
同時，全雙工技術的運用對於便宜的銅線連接線來說，會產生訊號損失、回波以及串音等技術問題(圖13)。一個好的設計，勢必要克服這道難題，例如有人提出利用數位訊號處理器(DSP)來當作濾波器的方式。當然，使用傳送特性高達600MHz的CAT-7連接線，可以克服惱人的電氣特性問題(圖14、15)。
然而，由於接腳定義的差異、價格壓力，尤其是10/100/1000Base-T自動溝通切換的前提下，這個假設根本難以成立。
IP封包的最小單位乃是64個位元組，GbE則延伸到512位元組。如此一來會增加碰撞(Collision)偵測的時間。如果訊框(Frame)長度小於512Bytes，則以載波延伸其長度；如超過512Bytes長度，則資訊框不變。此種技巧稱之為「載波延伸(Carrier Extension)」(圖16)。
此外，GbE為了提高傳送密度，也就是說允許讓傳送端在單一傳送中載送一系列的訊框，這個功能就是訊框爆發(Frame Burst)(圖17)。
至於中繼器可用來加強纜線上的訊號，把訊號送得更遠，以延展網路的連接長度。當電子訊號在電纜上傳送時，訊號強度會隨著傳遞長度的增加而遞減。因此需要中繼器將訊號重新加強，以增加資料的傳送距離。圖18～23列舉連接型態的使用範例，供作參考。
另外，有意思的是，在市面上竟然可以見到USB2.0轉快速乙太網路/GbE網路通訊晶片。
總之，乙太網路是在辦公室、家中最為常見的內部區域網路，其傳輸速度由1983年初見時的10Mbps，進展至目前常見的1Gbps，速率增加一百倍。目前正在發展的乙太網路最新傳輸速度則是10Gbps，詳細的標準規範將會制定在IEEE802.3ae標準內。
GbE已經提供足夠的資訊傳送頻寬，做為語音、視訊等應用，絕無問題。並可鋪設在10公里內，頻寬也不會有問題。
至於10Gb的規格與產品離現今需求似乎還有一段時間距離，可是更遙遠的100Gb竟然已在進行中，無妨就把它當作遠大目標來看待。畢竟，便宜的金屬線材能不能越過這道極高速的門檻，還需要長期觀察。
(詳細圖表請見新通訊61期3月號)