無論是工業、醫療、智慧家庭、甚至是近期最熱門的車用、自動駕駛領域，各個產業對大數據、雲端資料儲存的依賴與需求與日俱增，隨著需求量增加，伺服器(Server)的布建與使用量也跟著大幅成長，這促使網路介面的使用更加廣泛，傳輸速度也持續提升。
乙太網路(Ethernet)為區域網路(Local Area Network, LAN)中最常使用的一種技術，目前也是該領域占有率最高的網路架構，乙太網路的規範是由電機電子工程師學會(IEEE)所訂定，並收錄於IEEE 802.3標準中。本篇文章將根據此標準介紹乙太網路的主要概念，包含乙太網路是如何進行資料和資訊的傳輸、通訊協定架構與高速乙太網路(Gigabit Ethernet)的轉變，而測試實驗室GRL(Granite River Labs)接下來將介紹乙太網路各速度的相關測試。
乙太網路的傳輸與架構
乙太網路的主要概念是透過網路上多個節點(Node)傳送資訊，各節點之間以電纜或光纖通道等媒介進行傳輸，每個節點都有其特定「門牌號碼」，即全球唯一之48位元MAC位址(Media Access Control Address)，透過相異的門牌來確保乙太網路上所有節點能相互確認避免造成傳輸錯誤。想要了解乙太網路，就得先熟悉以下兩個專有名詞：網路拓撲(Network Topology)，以及載波檢測多重存取附碰撞偵測(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD)。
首先，網路拓撲(Network Topology)有許多種不同的結構，常見的有星狀拓撲圖(Star Topology)與匯流排拓撲圖(Bus Topological)。
星狀拓撲圖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)點對點連線形成星狀架構如圖1所示，對於布線及網路維護十分便利，但中央主機的品質與穩定性為此網路的關鍵。
圖1 星狀拓撲圖
匯流排拓撲圖沒有特定主機為核心，而是主要網路共用於特定傳輸媒介上，雙絞線、同軸電纜或集線器(Hub)都經常被用於匯流排拓撲結構，如圖2所示。布線同樣具有便利性，並且新增或移除新裝置時不須做特別設定，缺點則是若傳輸主幹任一線段發生問題，將造成整體網路癱瘓。
圖2 匯流排拓撲圖
接下來介紹什麼是「載波檢測多重存取附碰撞偵測(CSMA/CD)」呢？CSMA/CD主要運用於匯流排架構，所有欲傳送資料的主機或工作站，都須將資料廣播(Broadcasting)到傳輸媒介上，而所有工作站都須具備接收網路上所廣播的訊息之能力。理想情況下，一段時間內只有單一訊號源傳送訊息，傳送資料前主機或工作站必須確認網路上有沒有訊號在傳送，如果網路上沒有其他訊號源進行傳送或其餘工作站閒置(Idle)，之後便可開始傳送資料，反之就必須等待，並繼續偵測。如果有兩部主機或工作站同時傳送訊號，訊號間會在網路上發生碰撞(Collision)，如圖3，而導致訊息錯誤無法被接收端(Receiver)解譯。
圖3 訊號碰撞
當傳輸訊息發生碰撞衝突時，其餘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)，告知其餘工作站已發生碰撞請勿再傳送訊號，而該傳送端將等待隨機時間(Random Time)後再重新傳送。
高速乙太網路的興起
在介紹各個規格與測試內容之前，可先探討高速乙太網路的演進史。所有介面與訊號都追求著更高速的傳輸規格與速度，為何高速乙太網路卻反而從10Gbps演變至2.5Gbps呢？10Gbps乙太網路的規範「802.3an協議」早在2006就由IEEE組織推出，即為10GBASE-T之乙太網路協議。該協議規範了RJ-45接口和雙絞線傳輸介質的10Gbps乙太網路傳輸速率，沿用先前乙太網路規範，但每對線的總傳輸資料提升至2.5Gbps，訊號則採用16級脈衝幅度調製(PAM-16)方式傳輸，每一個電壓振幅皆代表著3.125bit的資料，故每對傳輸線實際傳輸率僅為800Mbps，大大降低了對傳輸頻寬的要求，並增加了有效傳輸距離。布線距離則依據纜線等級不同，CAT-6型纜線傳輸距離可達55公尺，而CAT-6A型纜線則可達到100公尺。
然而，隨著乙太網路普及，便發現市面上建築物中部署的CAT-5e電纜布線實際運行10GBASE-T的狀況較為困難，但先前的1000BASE-T也已經無法提供令所有使用者滿意的上傳頻寬。因此2015年IEEE802.3便成立了僅降低二分之一、四分之一的頻寬，卻可以應用CAT-5e或CAT-6纜線達到最長100公尺距離的2.5G/5GBASE-T專案。
而早在官方組織正式推動IEEE802.3的2.5G/5GBASE-T專案小組成立前，民間已先成立了策略聯盟，分別為以思科(Cisco)、安玹(Aquantia)、賽靈思(Xilinx)等公司為首的NBase-T Alliance，及競爭對手以博通(Broadcom)為首的MGBase-T Alliance，最後在IEEE-SA標準委員會協調統合，於2016年訂定IEEE標準802.3bz-2016規範。
通用乙太網路
接下來，本文將介紹通用乙太網路(10M/100M)的規格：10Base-T、100Base-TX與實際上該如何量測傳輸品質等測試內容。前面的數字10、100代表著速度10Mbps和100Mbps，Base為Baseband(基頻)，而T為先前提過之Twisted Pair雙絞線，100Base-TX中結尾X代表規格(Spec)。
10Base-T(IEEE 802.3 Clause 1 through Clause 20)為曼撤斯特編碼(Manchester Encoded)，常用的電纜線為Cat-3 UTP。藉由原始訊號的轉態來定義0與1，其雙絞線上最低需求的頻寬為20M，其保持原來CSMA/CD的特性，但網路架構為樹狀拓撲(混合星狀與匯流排)。
圖4匯流排架構之設備為常見的集線器(Hub)，如果工作站與該連線斷線，將不會影響單位的訊息收發，而且布線與網路維護上能夠包含兩種拓撲結構的優勢。測試方面也會對10MBase-T相關之CSMA/CD特性進行驗證，並且應用等效雙絞線模組TPM(Twisted Pair Model)於測試中。
圖4 樹狀拓撲(混合星狀與匯流排)
其訊號品質的量測條件定義在當傳送端及接受端從連接上後，傳送端所傳送的Link Pulse及傳輸資料之訊號回到閒置狀態的訊號品質，以及量測待測物與常見之接收端阻抗值，確認兩者是否匹配，詳細的測試項目可參考表1。
100Base-TX(IEEE 802.3 Clause 21 through Clause 33)使用兩對雙絞線，一對發出訊號而另一對接收訊號。為了傳輸高頻的訊號，電纜通常選擇頻寬較高的Cat-5 UTP以確保訊號品質。
通訊協定同為CSMA/CD架構，與10Base-T不同的是編碼方式與Auto negotiation功能。100Base-TX的編碼方式更為複雜，摒棄曼撤斯特編碼，改用4B/5B加上NRZI(Non-Return Zero Inverted Code)後，最終再透過Multi-Level Transmission-3(MLT-3)編碼後送出，如圖5所示，故纜線所需頻寬為31.25 MHz(100×5/4×1/2×1/2)。
圖5 100Base-TX編碼方式 資料來源：維基百科
為了向下相容10Base-T的傳輸，100Base-TX導入了Auto-negotiation的功能，其目的為當傳送端與接收端連接後，透過Auto negotiation去判斷接收端裝置所支援的能力，如：傳輸速率、訊號通道數、傳輸模式(全雙工或半雙工)，進而完成傳輸條件的設定。 測試方面由於差分訊號(Differential Signal)的峰值對於MLT-3編碼方式十分重要，故正負電壓的峰值(+Vout/-Vout)、過衝(Overshoot)以及避免正負電壓差距過大的對稱性(Symmetry)測項皆有訂定相關規範(表2)。除了電壓，對於時間的偏移量也有規範，如圖6所示，若時間偏移過大將導致訊號失真，接收端誤判0與1。
圖6 100Base-TX測試規範
高速乙太網路介紹
這裡提到的十億位元乙太網路代表1000Base-T、2.5GBase-T、5GBase-T和10GBase-T。然而在測試上若要進行2.5/5GBase-T的驗證，將可視乙太網路晶片支援的規格分別選擇NBase-T/MGBase-T進行測試，兩者與10GBase-T的測試項目基本大同小異，僅有上下限規範的些微不同，因此以下將著重在1000Base-T與10GBase-T的測試介紹，文末將以表5呈現2.5G/5G/10GBase-T的測試規範差異處。
1000Base-T十億位元乙太網路(Gigabit Ethernet, GbE)，通訊協定同樣遵循CSMA/CD模式，傳輸電纜為Cat-5 UTP，訊號傳輸會同時使用4對絞線進行，編碼方式則使用PAM-5(Pulse Amplitude Modulation 5)，如圖7。
圖7 PAM-5編碼方式
資料來源：維基百科
四對線同時傳送或接收訊號，每對線的傳輸頻率為250MHz又因為PAM-5編碼方式將兩個位元以一個電位表示，最終可得出每一對傳輸頻率為125MHz。1000Base-T向下相容100/10Base-T，並且與100Base-TX同樣擁有Auto negotiation功能，通常在產品能力不相等的情況下，可以降回100Base-TX運行。
PAM-5編碼還具有脈衝整形(Pulse-Shaping)的特性，資料經過編碼後的五種電位會相似於連續訊號，除了有削減高頻雜訊的效果同時也會減少低頻成分，最後達到強化輸出訊號與雜訊的相對比率。1000Base-T詳細的測試項目如表3。
1000Base-T的測試項目與前面提到的10Base-T、100Base-T的呈現方式不同；Test Mode 1代表測試Pattern Test Mode 1，用於確認PAM-5的五個準位，確保資料傳送不發生錯誤，會量測A、B、C、D等點位，確認電位沒有發生太多偏移，且G相對F、J相對H亦不能夠衰減太多。此波型亦有模板(Template)規範來確保訊號品質(圖8)。
圖8 Pattern Test Mode 1
Test Mode 2 & 3表示測試Pattern Test Mode 2 & 3，是為125MHz的週期訊號如圖9，在主、從模式下透過Pattern確認Auto negotiation過程中的訊號抖動量多寡，其目的為確認訊號抖動量是否符合規範以避免Auto negotiation失敗。
圖9 125 MHz的週期訊號
最後，Test Mode 4：測試Pattern Test Mode 4，傳送端會傳送經過Scrambler Generator Polynomial產生的訊號，其為11個位元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個位元(含)以後會對先前的位元做互斥或(Exclusive OR)邏輯運算後輸出，詳細代數運算可參照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規範內，亦會檢查每對Pair所造成的共模電壓(Common Mode)有無符合規範。
圖10 Pattern Test Mode 4
圖11 迭代概念的示意圖
10GBase-T架構與實體層電性測試
10GBase-T與1000Base-T的測試項目有很多差異，但測試一般分為時域(Time-Domain)測試、諧波失真(Distortion)測試、振幅(Amplitude)測試與回波損耗(Return Loss)測試四項類別：
．時域測試
時域測試，相對之前沒有太大的改變，只是對抖動(Jitter)要求變得更嚴謹，詳細的測試波型以下將進行說明。
．諧波失真測試
諧波失真測試採用傳輸線性度(Transmitter Linearity)進行衡量，透過要求待測物發出兩個頻率的訊號，觀測其互相干擾之噪聲以進行驗證。
．振幅測試
振幅測試方面，10GBASE-T測試的難點來源於PAM16的調製方式。由於產生16個不同幅度的脈衝，其複雜性使部分常見的測試也都難以實現，如100BASE-TX眼圖測試中的MAU測項或模板測試(1000BASE-T)的Point A/B/C等。
．回波損耗測試
回波損耗測試仍然需要一台訊號源來輸出並掃描各個頻率，頻率範圍須達到500MHZ，遠高於1000BASE-T要求的100MHZ。
根據表4，前方的Test Mode代表著後方測試項目應進入待測物的第幾號測試模式。Transmit Clock Frequency測試需待測物四對傳輸同時發送2個+16電位與2個-16電位所組成之循環數據，模擬一個200MHZ的Clock Frequency，測量此頻率的同時，規範要求誤差比率需小於50ppm。
Transmitter Timing Jitter測試與Transmit Clock Frequency測試非常類似，規範要求抖動的RMS值應在5.5ps範圍之內。
Transmitter Linearity測試需由待測物發出一組雙音(Dual Tone)訊號，即兩個頻率相近、幅度相等的正弦波，用無雜散動態範圍(Spurious-Free Dynamic Range, SFDR)來運算，即頻譜最大振幅之RMS幅度與次最大噪聲成分或諧波失真成分RMS值之比。理論上，每組雙音訊號模擬最嚴重的干擾狀況，若結果符合規範將說明諧波失真比例於容忍範圍內，使用者正常操作時較不會對其它頻率訊號產生較大的影響。
Transmitter Power Spectral Density測試與Power Level測試在一般待測物正常操作的狀態下進行。Power of Transmitter需介於3.2dBm和5.2dBm之間，而其功率譜密度(100ohm負載下)需滿足規範定義的上下限。MDI Return Loss測試仍沿用乙太網路系列協議一貫的測試方法，由訊號源發出訊號並掃描反射的訊號，透過比較入射波形和反射波形，計算出Return Loss。
最後則是Maximum Output Droop，需要求待測物發出連續128個+16電位與連續128個-16電位循環訊號，模擬3.125MHZ的低頻訊號。驗證的區間為方波過零點開始之第10ns至第90ns，要求電壓壓降幅度不超過10%。此測試為驗證訊號在連續高度重複的情境下，造成電壓變形程度不至於出現誤判的結果。表5則為各測試項目在2.5G/5G不同規格中的上下限規範整理。
(本文由Granite River Labs提供)
(針對數位介面和乙太網路，如欲瞭解更多，請參考數位介面的演進與未來、Ethernet 測試流程與項目)