【技術文章】淺談Ethernet 帶你入門學習乙太網路

新加坡商技流創新有限公司台灣分公司 Granite River Labs
黃睿 Raymond Huang

 

         乙太網路(Ethernet)為區域網路(Local area network, 簡稱LAN)中最常使用的一種技術,而目前也是該領域佔有率最高的網路架構,相關規範由電機電子工程師學會(IEEE)所訂定,並收錄於IEEE 802.3標準中。本篇文章將根據該標準介紹乙太網路(10M/100M/1000M)與相關測試內容。

         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-全球僅有一組之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,應該先熟悉以下兩個專有名詞:

  1. 網路拓撲
    (network topology)
  2. 載波檢測多重存取附碰撞偵測
    (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, 簡稱CSMA/CD)

 

• 網路拓撲(network topology):

         網路拓撲圖有許多種不同的結構,常見的有星狀拓撲圖(Star Topology)及匯流排拓撲圖(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,對於佈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。

網路拓撲, 光纖, network topology, LAN, 星狀拓撲圖, 匯流排拓撲圖, Star Topology, Bus Topological

圖 1

         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。佈線同樣具有便利性,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。

網路拓撲, 光纖, network topology, LAN, 星狀拓撲拓撲圖, Star Topology, Bus Topological

圖 2

 

• 載波檢測多重存取附碰撞偵測(CSMA/CD)

         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),都需將資料廣播到(Broadcasting)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。
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。

CSMA, CD, LAN, 匯流排架構, Broadcasting,

圖 3

       對於網路拓撲圖與CSMA/CD機制有初步認知後,接著會介紹一開始所提到的10Base-T/100Base-TX/1000Base-T,並針對各個規格,介紹如何量測傳輸品質。

• 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),如圖4。

10Base-T, IEEE 802.3, LAN, 曼撤斯特編碼, Manchester Encoded

圖 4

         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,而且佈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。首先會針對訊號品質進行量測,其測試的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:

Ethernet test, LAN test, 10MBase-T, compliance test, Baseband

表 1

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

         100Base-TX 傳輸速率為100 Mbps,結尾X代表規格(Spec)同於美國國家標準學會所提出之X3T9.5標準。而100Base-TX 使用兩對雙絞線,一對發出信號而另一對接收訊號。為了傳輸高頻的訊號,電纜通常選擇頻寬較高的Cat-5 UTP以確保訊號品質。

         通訊協定同樣為CSMA/CD架構,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更為複雜,摒棄曼撤斯特編碼而改用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100×5/4×1/2×1/2=31.25 MHz。主要的測試都會傾向於檢測MLT-3的訊號完整性為主。

100Base-TX, IEEE 802.3, LAN, X3T9.5, CSMA, CD

圖 5

         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)還有過衝(Overshoot)等都有訂定相關規範,為避免正負電壓差距過大也有對稱性(Symmetry)的測項。除了電壓,對於時間的偏移量也有所規範,如圖6所示,若時間偏移過大將導致訊號失真,導致接收端誤判0與1。測試項目則可以參考表2。

100Base-TX, MLT-3, IEEE 802.3, LAN, X3T9.5, CSMA, CD

圖 6

100Base-TX, MLT-3, IEEE 802.3, LAN, X3T9.5, CSMA, CD

表 2

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

         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,編碼方式使用PAM-5(Pulse Amplitude Modulation 5),如圖7:

1000Base-T, MLT-3, IEEE 802.3, LAN, X3T9.5, CSMA, CD

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。

         1000Base-T 所使用之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的測試項目如表3, 各項目皆依據規範定義了不同的測試條件:

1000Base-T, MLT-3, IEEE 802.3, LAN, X3T9.5, CSMA, CD

表 3

• Test Mode 1:

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,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)規範,測試訊號波型完整性確保訊號品質。

1000Base-T, test pattern, mode 1, LAN, 網路, 測試項目, PAM-5, 訊號品質

圖 8

• Test Mode 2 & 3:

測試Pattern Test Mode 2, 3為 125 MHz的週期訊號如圖9所示,Test Mode 2, 3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。

1000Base-T, test pattern, mode 2, LAN, 網路, 測試項目, PAM-5, 訊號品質

圖 9

• 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。

1000Base-T, test pattern, mode 4, LAN, 網路, 測試項目, PAM-5, 訊號品質

圖10

1000Base-T, test pattern, mode 4, LAN, 網路, 測試項目, PAM-5, 訊號品質

圖11

 

         本篇文章對於乙太網路特性和規格(10/100/1000 Base-T)做了初步的介紹,除此之外乙太網路還包含了許多不同種類的規格及傳輸方式。
Granite River Labs (GRL)認證測試實驗室的觀察發現,隨著Server需求量大增,網路介面的使用更加廣泛,且傳輸速度也有所提升,測試需求量也相對增加。若想進一步了解乙太網路的相關內容,後續我們將為您準備更完整的測試內容及架構。

 

參考文獻

  • IEEE Standard for Ethernet (IEEE Std 802.3™-2018)
  • Keysight N5392A/N5392B Ethernet Compliance Test Application MOI
  • https://linksprinterblog.wordpress.com/2014/05/14/there-is-more-to-life-than-increasing-its-speed/
  • Wiki MLT-3 encoding

 

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作者
GRL台灣測試工程師 黃睿 Raymond Huang

國立台灣大學化工所碩士畢業,擁有兩年多測試經驗,熟悉DisplayPort DisplayHDR, Ethernet 等測試規範。GRL 技術文章作者及演講講師。

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本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                       發佈日期 2021/02/25 AN-210225-TW