第四章

IEEE 802.3 CSMA/CD網路

IEEE 802.3標準制定了 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD)通訊協定。其基本網路結構為一匯流排 (BUS) 架構，如圖4-1 所示。此網路的主要特性如下：

傳輸速率為 10 Mbps。

訊框格式為 IEEE 802.3 CSMA/CD 訊框。

傳輸媒介可為同軸電纜(Coaxial cable) 、無遮蔽式雙絞線 (UTP)、或光纖 (Fiber)。

通訊協定採用 CSMA/CD，沒有提供優先權傳輸服務。

廣播式傳輸 (Broadcasting)。工作站將訊號送上傳輸媒介時該訊號會廣播至所有工作站，因此訊框傳送具有廣播性質。

不提供保証傳送延遲服務。如果同時有二個或二個以上的工作站同時傳送訊框將造成「衝撞」(Collision) 。發生衝撞的訊框無法有效的辨認，因此會被視為無效的訊框而丟棄。網路負載重時會因為不斷發生衝撞的現象而使得訊框被成功傳送出去的時間無法預期。

頻寬使用不保証公平。工作站利用 CSMA/CD 通訊協定來互相競爭傳送訊框的機會，並沒有輪流傳送的特性，因此每個工作站使用的頻寬可能差異極大。後到的訊框也可能因為其他訊框進入衝撞期而較早傳送成功。

高負載時頻寬使用率低。網路負載重時會因為不斷發生訊框衝撞的現象而使得訊框無法成功的傳送，此將導致網路的成功輸出率 (throughput) 急速降低。嚴重時整個網路可能完全癱瘓。

較不適合多媒體資訊傳輸。由於網路無法提供保証的頻寬及傳送延遲服務，此網路較不適合傳送具有即時要求的多媒體資訊。

網路容錯性高。為了避免訊號傳送到最末端時的反射而造成衝撞問題，採用同軸電纜為傳輸媒介時應在兩端同時接上終端器(terminator)，負責將訊號吸收掉。此時連接每一工作站的連接栓(TAP) 為被動式元件(passive device)。對於同軸電纜上的訊號它只能接受而不能更改。因此當工作站當機或停電時並不會影響到網路上其他工作站的運作。但是當電纜沒有接好、斷裂、或終端器鬆脫、損壞時，整個網路將會無法運作，此時網路視為損毀。

　

　

圖4-1 CSMA/CD 網路匯流排架構

IEEE 802.3 的通訊結構如圖4-2 所示。其所包含的主要內容為：

MAC 服務規格 (Service Specification)

MAC 通訊協定 (CSMA/CD Protocol)

實體層訊號處理 (PLS，Physical Layer Signaling)

接觸單元介面(AUI，Attachment Unit Interface)

媒介接觸單元(MAU，Medium Attachment Unit)

　

圖4-2 IEEE 802.3 通訊結構

其中 MAC 服務規格部分主要是提供一些服務給 LLC 層。 MAC 通訊協定主要就是完成 CSMA/CD 的工作。另外就是負責將 LLC 訊框加上一些訊框標頭(SFD，DA，SA，Length) 及訊框尾 (PAD，FCS) 或則相反的將由實體層收到的訊框在去掉訊框標頭及訊框尾標後將 LLC 訊框送給 LLC。前者工作稱為訊框包裝(Encapsulation)，後者工作則稱為訊框拆裝(Decapsulation)。實體層訊號處理 (PLS) 部分屬於實體層，其主要工作有：(1) 將每一筆要傳送的訊框加以編碼處理（採用Manchester編碼）。(2) 提供通道時序。(3) 針對傳送之訊框產生前導部份及針對接收之訊框刪除前導部份。接觸單元介面 (AUI) 部分包含與 PLS 間的連接器規格以及到 MAU 的電纜。此段電纜又稱為分岔電纜 (Branch cable)或收發器電纜 (Transceiver cable) 。媒介接觸單元 (MAU) 部分包含有：(1) Physical Medium Attachment (PMA)：透過 MDI 直接與傳輸媒介（同軸電纜）接觸，有完成傳送、接收及衝撞偵測功能的硬體線路。因此又稱為「傳接器」或「收發器」(Transceiver) ，也稱為「栓接器」(TAP) 。(2) Medium Dependent Interface (MDI)：直接與傳輸媒介接觸的介面。

IEEE 802.3的 MAC-訊框 格式如圖4-3 所示。其中

Preamble：包含7 個位元組(101010......1010)，其主要目的是達成接收的同步功能(synchronization) 。

SFD(Start Frame Delimiter)：1 個位元組(10101011)，表示訊框的開始。

DA(Destination Address) ：2 個或 6 個位元組，目的地工作站位址，表示此訊框要送給那一個工作站。

SA(Source Address)：2 個或 6 個位元組，原始工作站位址，表示此訊框由那個工作站送出。

Length：2 個位元組，記錄 LLC 的長度。

LLC ：LLC 訊框，最長為1500 位元組。

PAD(Padding): 當 LLC 訊框長度小於 48 位元組時，利用此填塞欄位將 LLC 訊框填補位元組。填補的位元組的值沒有特別意義，可為任意值。

FCS(Frame Check Sequence) ：4 個位元組，記錄訊框的檢查碼，採用 CRC-32 技術。

圖4-3 訊框格式

一個訊框的大小是指由 DA 到 FCS 間的位元組數目。其大小必須大於或等於 64 位元組。在下一節中將提到為了偵測是否發生衝撞，每一個工作站在傳送時至少要監聽的時間為2a（1 個時槽時間）。在標準的 CSMA/CD 網路中，2a＝51.2μsec 而網路傳送速度為10 Mbps。因此 51.2μsec 的時間將可傳送

10⁷×51.2×10^-6＝512位元＝64位元組。

也就是說，每一個 訊框 至少必須大於或等於 64 位元組，否則訊框可能在衝撞尚未偵測出來之前便被傳送完畢，其傳送結果是成功亦或失敗就無法確定。訊框的PAD 欄位即是當 LLC 訊框太小時，用來增加其長度。因為 DA＋SA＋Length＋FCS＝18 位元組，因此當 LLC 訊框 ＜ 46 位元組時必須加 PAD 使其總長度為 64 位元組。當 LLC 訊框 ≧ 46 位元組時則此欄位不必使用。

為了避免某一個工作站佔用傳輸媒介太久，每一筆訊框的最大長度也受到限制，其值為 1518 位元組（LLC 訊框 1500位元組＋18 位元組），不包含訊框中的 Preamble 及 SFD 欄位。

在地址欄位的設計上，IEEE 802.3 允許 DA 及 SA 同時為2 個位元組或 6 個位元組，如圖4-4 所示。不過在使用上必須使網路上所有的工作站的地址同時設定為2 個位元組或 6 個位元組，不可以混雜一起使用。

圖4-4 地址欄位格式

無論格式為 2 個或 6 個位元組，每一個工作站的地址可分為二大類：

各別地址(Individual address)：代表某一工作站的地址，具有唯一性，不會與其他工作站的各別地址相同。

群體地址(Group address) ：代表某一群工作站共用的地址。一個群體可包含多個工作站，而一個工作站也可以同時屬於多個不同的群體。其特性是當一筆訊框指定要傳送給某一群體時，該群體中的所有成員皆可以收到該筆訊框。訊框上的 DA 如果使用群體地址則又可分為2 種：

多重傳播地址(Multicast address) ：表示此訊框要傳送給此群體中所有的成員。

廣播地址(Broadcast address) ：表示此訊框要傳送給網路上所有的工作站。

由圖4-4 的格式中可以辨別當地址的最左邊的位元為 "0"，是表示該地址為各別地址，否則即為群體地址。當所有的位元(16 或 48 個位元 )全部為 "1" 時則表示該地址為廣播地址。另外當地址為 48 位元時，DA左邊的第二個位元 (U/L 位元) 也具有特殊的意義：

U/L＝0，表示此地址（各別地址或群體地址）為總體性的地址(Globally Administrated Address)，其工作站並不在此區域網路上。由於可能會有若干個網路連結在一起的情形，所以當工作站欲傳送訊框給另外一個網路上的工作站時，其所送出的訊框上的 DA 即屬於總體性地址。

U/L＝1，表示此地址（各別地址或群體地址）為區域性的地址(Locally Administrated Address)，其工作站與地址為SA的工作站在相同的區域網路上。

　

在圖4-3 的訊框格式中，每一筆訊框的最後面 4 個位元組是錯誤檢查碼，其主要功能是檢查訊框在傳送的過程當中是否發生錯誤。其所檢查的範圍是從 DA 欄位到PAD 欄位間的資料。FCS 檢查錯誤的方法是採用 CRC-32 (Cyclic Redundancy Check) 技巧。基本上是將訊框視成一位元串然後除以一多項式（32位元），所得到的餘數（32位元）即是 FCS 。當接收工作站收到訊框後也對訊框做相同的處理，然後比較其所得到的 FCS 是否與訊框上的 FCS 相同。如果不同則表示該筆訊框有錯誤並且將之丟棄。

CRC-32所採用的多項式 G(X) 如下：

G(X)＝X³²＋X²⁶＋X²³＋X²²＋X¹⁶＋X¹²＋X¹¹＋X¹⁰＋X⁸＋X⁷＋X⁵＋X⁴＋X²＋X＋1

對資料做 CRC 運算的處理過程如下所示：

將所有資料視為 n 個位元的二進位數字。

將最前面的 32 位元做補數(complement)，1→0，0→1的運算。

將此 n 位元視為一 n-1 次多項式 M(X) 的係數。其中目的地位址的第一個位元相當於第 X^n-1 項的係數 (1 或 0) 而資料欄的最後一個位元相當於第 X⁰ 項的係數 (1 或 0)。

將多項式M(X)乘上 X³² (在 n 個位元的二進位數後面加上 32 個 0) 再除以G(X)。可得到一個餘數 R(X)，其次方小於或等於 31。

R(X) 的係數可當成是一個 32 位元的二進位數。

將此 32 位元二進位數做補數的運算便得到 CRC 檢查碼。

為了避免額外的軟體計算時間，CRC 的處理可以利用硬體線路來完成，如圖4-5 所示。此線路包含有32位元的位移暫存器 (Shift Register)及若干個邏輯閘 (Logic Gates，AND，XOR，NOT)。欲處理的資料由輸入端輸入，輸出端則輸出處理過後的資料。在資料的輸入過程中，輸出端於輸入端（資料本身不改變），同時資料則依序進入位移暫存器中完成除法的運算。當資料輸入完畢時其相對的 CRC 值 (FCS值) 也同時計算完成且存在 32 位元的位移暫存器中。此時再經過 32 次的位移動作便可將 CRC 值放入 FCS 欄位中，所欲傳送的訊框並不會因為 CRC 的處理而在傳送時間上有所延誤。

圖4-5 CRC-32 硬體線路圖

CSMA/CD 通訊協定的運作可以在不同的傳輸媒介上，如同軸電纜、無遮蔽式雙絞線、或光纖。初期制定 CSMA/CD 網路相關規格時是在同軸電纜上定義的，為了方便起見，以下使用同軸電纜的網路環境來說明此通訊協定的運作原理如下（流程圖請參考圖4-6 ）：

步驟 1：每一個工作站在傳送之前必須先監聽同軸電纜上是否已經有訊號在傳送(Carrier Sense) ，如果沒有則可立刻將訊框傳送出去。如果有則表示其他工作站正在傳送，此時工作站繼續監聽同軸電纜上的訊號，直到訊號消失（該訊框傳送完畢）後立刻將其訊框傳送上電纜。

步驟 2： 在傳送訊框同時也要繼續監聽同軸電纜上的訊號，看看是否發生衝撞。如果發生衝撞則立即停止傳送訊框並且改傳送一個「擾亂訊號」(Jamming Signal)，強迫造成更嚴重的衝撞，使得每一個參與衝撞的工作站能確實偵測出衝撞。否則表示該筆訊框成功的傳送出去。發生衝撞的工作站則在各自等待一段隨機延遲時間(random delay time) 之後再回到步驟 1 。

　

　

　

圖4-6 CSMA/CD 通訊協定流程圖

CSMA/CD 通訊協定運作原理的步驟 2 使用所謂的隨機延遲時間(random delay time) 。其延遲時間的長短由一個亂數決定，以便儘可能使所有參與衝撞的工作站的延遲時間不相同，以避免因為延遲時間相同而造成的再次衝撞。此方法稱為「二元指數後退演算法」(Binary Exponential Backoff Algorithm) 簡述如下：

n ： 連續發生衝撞的次數 (n ≦ 16) 。當 n ＞ 16 時則顯示網路的負載太重，訊框因不斷的衝撞而無法傳送。此時該工作站會放棄繼續傳送該筆訊框並且報告情況。

k ： MIN(n,10) ，n 值和 10 的最小值。

r ： 隨機延遲時間。單位是一個時槽時間(slot time) ，其定義是訊號由網路上最遠的二端來回傳遞一次所需的時間(Round-trip propagation delay)。在標準的網路中，一個時槽時間為 51.2 微秒，而0 ≦ r ＜ 2^k，也就是說 r Î {0,1,2....,2^k-2,2^k-1}。

　

例如當第一次發生衝撞時 n＝1，k ＝ min(n,10) ＝ 1 ，因此 r Î {0,1}。此時該工作站有一半的機會立刻執行步驟 1 ，也有一半的機會要等待一個時槽時間後才執行步驟 1。如果在第二次傳送時又發生衝撞則 n＝2，k ＝ min(n,10) ＝ 2，因此 r Î {0,1,2,3}。表示該工作站可能延遲的時間為 0,1,2 或 3 個時槽時間。確實數目必須由亂數產生器來隨機產生。當 10 ＜ n ≦ 16 時，r Î {0,1,2...,1023}，表示延遲時間最長為 1023 個時槽時間。否則延遲太長反而較無效率。

在步驟 2 中曾提及在傳送訊框時也要繼續監聽同軸電纜上的訊號以檢查是否發生衝撞。其主要原因是可能會有許多個工作站同時去偵測同軸電纜，如果當時沒有訊號正在傳送則這些工作站都會立刻將其訊框送出，結果便造成了衝撞。問題是每個工作站到底要監聽多久才能確定其送出的訊框不會發生衝撞呢？答案是 2a，其中 a 是訊號由同軸電纜的一端傳遞到最遠的另一端所需的時間。而 2a 也正好就是一個時槽時間，其道理如圖4-7 所示。假設工作站 A ，B 分別位於同軸電纜的最遠兩端。在時間 t0 時 A 開始傳送，而在時間 t0＋a－ε 時該訊框的前頭部份快到達 B。此時 B 有訊框要傳送並且檢查同軸電纜的訊號，結果發現沒有訊號在上面，因此將訊框送上同軸電纜因此造成衝撞，此時時間為 t0＋a。發生衝撞後 B 可立即偵測出衝撞，然而 A 卻必須等到該衝撞訊號傳遞到 A 時才可偵測出發生衝撞，此時為 t0＋1－ε。由於 A、B 是最遠的二個工作站，因此其他工作站彼此間若發生訊框衝撞將可在更短的時間中偵測出來。換句話說，當一個工作站將訊框送上同軸電纜並且在 2a 時間內沒有發生衝撞，則可以保證該筆訊框將可成功送完。因為在過了傳送後的 a 時間後 (t0＋a)，任何一個工作站都會聽到訊號而不能傳送。

在步驟 1 中曾提到如果在傳送前聽到電纜上有訊號則仍繼續監聽直到訊號消失後 立刻將其訊框送出。這個方法稱之為「1-堅持法」(1-persistent)。另外還有二種較為大家熟悉的方法，分別為：

p-堅持法(p-persistent)：每個工作站在監聽到訊號消失後將訊框立刻送出的機率為 p, 0 ＜ p ＜ 1 。

0-堅持法(0-persistent)：每一個工作站在聽到電纜上有訊號後，立刻退出，不繼續監聽。等待一段隨機延遲之後再回到步驟 1 。

一般說來，1-堅持法較適合網路負載輕的環境，而 0-堅持法則較適合網路負載重的環境。在 1-堅持法的運作之下，一筆訊框在傳送的過程當中如果有二個或二個以上的工作站想送則會在該筆訊框傳送完畢之後同時送出而一定造成衝撞。也就是說在網路負載輕的環境之下，繼續監聽的代價較不會白費，因為在聽完之後的傳送絕大部分都會成功。在 0-堅持法的運作之下，只要聽到有訊號立即延遲。如果網路負載輕則較無效率，網路負載重則可減少衝撞的機會。p-堅持法則介於兩者之間。由於 p 值可以調整，因此具有較佳的效率，但在實作上較複雜。Ethernet 採用的是 1-堅持法。

圖4-7 基頻 CSMA/CD 網路衝撞偵測

IEEE 802.3 網路中以同軸電纜為傳輸媒介的系統包含有三類的電纜線：

同軸電纜(Coaxial cable)

收發器電纜(Transceiver cable)

半訊號增益器間電纜(Half-Repeater cable, Point-to-point cable)

同軸電纜為網路傳輸資料主幹，其特性如下：

採用基頻傳輸，頻率為10 MHz，阻抗為 50 歐姆。

訊號傳遞速度為光速的0.77倍。

電纜兩端各需要一個終端器(terminator)。

每一段電纜最長為500 公尺，必須靠訊號增益器來增加網路的長度。

任何二個工作站之間的路徑上最多只能有 2 個訊號增益器。

任何二個工作站間的同軸電纜長度最長為1500公尺。

同軸電纜上所傳送的訊號變化情形如圖4-8 所示。由於資料經過曼徹斯特編碼，因此在每一個位元中間都有電位的變化。當沒有訊號傳送時(Idle)，其電壓為 0 伏特，當有訊號傳送時其電壓則在 -0.225 伏特與 -1.825 伏特間變化。

圖4-8 同軸電纜上的訊號

收發器電纜連接工作站與同軸電纜。其主要特性如下：

非同軸電纜，共含有4 對雙絞線，功能分別為：

－傳送訊號

－接收訊號

－衝撞顯示訊號

－電源

訊號傳遞速度為光速的0.65倍。

最大長度為50公尺。

收發器電纜上所傳遞的訊號變化情形如圖4-9 所示。在此段電纜上所傳遞的資料也已經過曼徹斯特編碼處理，因此在每一個位元的中間也都有電位的變化。在沒有訊號傳送時其電壓為 +0.7 伏特。當資料出現時其電壓則在 +0.7 伏特與 -0.7 伏特間變化。由於傳送速度為10 Mbps，每一個位元的傳送時間為 100ns。

圖4-9 收發器電纜上的訊號

半訊號增益器間電纜用來連接二段較遠距離的同軸電纜。二段同軸電纜基本上可直接用一訊號增益器連接起來成為一較長的同軸電纜。不過訊號增益器也是利用收發器電纜與同軸電纜連接，其長度受到50公尺的限制，因此該二段同軸電纜的距離最遠為100 公尺。如果距離較遠則不適合使用單一訊號增益器。此時可採用所謂的「半訊號增益器」(Half-repeater) 。即二段同軸電纜上各自連接一訊號增益器，然後訊號增益器之間以電纜連接。此電纜的特性如下：

訊號傳遞速度為光速的0.65倍。

最大長度為1000公尺。

半訊號增益器間電纜之訊號與收發器電纜之訊號相同。

圖4-10 所示為一典型的匯流排網路架構。每一段同軸電纜最多可接 100 個工作站。

圖4-10 匯流排網路架構

圖4-11 所示為以訊號增益器連接起來的二段同軸電纜。訊號增益器的主要功能是將同軸電纜上的訊號（經傳遞後已衰減）恢復為原來的強度然後轉送到另外一段同軸電纜上。因此二段同軸電纜實際上可視為同一段電纜。網路可藉由訊號增益器增加其長度。

圖4-11 網路規劃範例

圖4-12 所示為一具有最大長度的網路規劃範例。總共包含有5 段同軸電纜，其總長度為2500公尺(5×500＝2500)，不包含半訊號增益器間電纜。由於任何二個工作站的同軸電纜長度不可超過 1500 公尺，因此這 5 段同軸電纜不可以連接成一直線狀。

圖4-12 網路規劃範例

IEEE 802.3 標準有許多功能要完成。這些功能分別由 MAC 層及實體層來負責。圖4-13 所示為這些主要功能分佈在硬體線路上的情形，包括網路控制卡、收發器電纜及收發器等。

圖4-13 網路卡功能分佈圖

時槽時間是訊號在網路上距離最遠的二個工作站間來回傳遞一次所花的時間(1 slot time＝round-trip propagation delay) 。這個時間也是工作站在傳送訊框時為了偵測有無發生衝撞所必須監聽的時間。因此也稱為「衝撞視窗」(Collision window)，其意為只有在此視窗內可能發生衝撞。IEEE 802.3 將一個時槽時間定為 51.2μs。此值的設定是假設網路架構如圖4-12 所示。在此架構上，任何二個工作站間的同軸電纜長度不可大於 1500 公尺。圖中工作站 A 及工作站 N 為最遠的二個工作站。由於其間路徑尚有最長 1000 公尺的半訊號增益器間的電纜及最長 300 公尺的收發器電纜（共有 6 段，每段最長 50公尺，如圖4-12 所示 ヾゝ....あ）因此工作站 A,N 間的距離最遠可達 2800公尺(1500 公尺同軸電纜，1000 公尺半訊號增益器間電纜，及 300 公尺收發器電纜) 。表4-1 所示為由工作站 A 到工作站 N 來回一趟所發生的各種延遲，包括電纜線傳遞延遲及元件延遲等等。其總延遲時間為 46.38μs。假設傳送速率為10 Mbps ，則在這個時間內工作站 A 可傳送的資料量為

46.38×10^-6×10⁷＝463.8 位元

這個數字並不是很理想。因為在訊框大小的考量上 2 的冪次方是較方便計算及處理的，例如 128, 256, 512, 及 1024 等等。因此為了處理上的方便，將時槽時間定為較 46.38μs 稍大的理想值：51.2μs。在此時間之內工作站 A 可傳送的資料量為 512 位元。

寬頻 CSMA/CD (broadband) 與基頻 CSMA/CD (baseband) 最主要的差別在於衝撞偵測方法 (Collision Detection) 及載波感測方法(Carrier Sensing) 的不同。

在衝撞偵測的時間上，基頻 CSMA/CD 最多只要 2a 的時間即可判斷訊框有無發生衝撞。其中 a 為 Channel propagation delay 。而且發生的情形是工作站 A、B 分別位於網路的最遠二端。然而在寬頻 CSMA/CD 網路上，最多卻需要4a的時間才能判斷出訊框有無發生衝撞，而且發生的情形是工作站 A、B 相鄰且位於網路的最左邊，如圖4-14 所示。在此網路上訊框傳送必須使用上半段同軸電纜，而接收訊框，感測載波，及偵測衝撞則必須使用下半段同軸電纜。假設在時間 t0 時工作站 A 開始傳送，經過 2a－ε的時間後訊框接近工作站 B 的接收端。此時工作站 B 想傳送訊框並且由接收端感測載波，結果發現其為 idle 於是將訊框送出上半段同軸電纜。此時便發生衝撞，而此衝撞卻也必須經過 2a 時間的傳遞之後才能到達工作站 A 的接收端被其偵測出來。因此工作站最多必須花 4a 的時間才能偵測出衝撞。

圖4-14 寬頻 CSMA/CD 網路衝撞偵測

在載波的感測方面。由於基頻並沒有使用載波，因此載波感測事實上是偵測電纜上是否有訊號變化 (Signal transitions) 的情形。而寬頻則必須於接收端感測是否有調變過的載波 (Modulated carrier) 的出現。

在衝撞的辨認方面。基頻是檢查位於收發器上的電纜訊號強度是否超過由單一收發器所能產生的最大電壓（-1.825伏特），如果超過則表示發生衝撞。而寬頻則必須將傳送出去的訊框與接收到的訊框做每個位元的比對才能辨認是否發生衝撞。

為了滿足各種不同的需求，IEEE 802.3 標準在實體層部分提供了多種不同的版本，其簡名為：

表 4-2 所列為各種版本的重要參數值。

表 4-2 各種版本網路重要參數值

10BASE5 網路版本的主要特性如下：

傳送速率10 Mbps 。

使用基頻傳送技術(baseband)，曼徹斯特編碼。

每一段同軸電纜的長度最多為 500 公尺。

任何二個工作站之間的同軸電纜最長為 1500 公尺。

網路總長可達 2.5 公里。（5 段500 公尺同軸電纜）。

每一段同軸電纜上最多接上100 個工作站。

任何二個收發器(transceiver 或 tap)間的距離為 2.5 公尺的整數倍。

使用特性阻抗(Characteristic impedance)為 50歐姆之同軸電纜。阻抗主要是用來衡量為了達到某種程度的訊號強度，所應加於同軸電纜上的電壓大小。如果一段同軸電纜以一個電阻值等於其阻抗的電阻來做為終端器(terminator)，則訊號的波到達其終端時便不會反射。

每一段同軸電纜的兩端使用50歐姆終端器。

同軸電纜直徑10mm，因此10BASE5 又稱為「粗線 Ethernet」。

時槽時間為51.2μs 。相當於 512 位元時間，1 位元時間＝100 ns。

傳送訊框間隔時間(inter frame gap) 為9.6μs。

每一筆訊框在連續發生衝撞的情況之下，嚐試傳送的次數極限為16。

訊框傳送發生衝撞後延遲時間的取樣範圍最大為2 的10次方，即 [0,1,2...,1023] 。單位為時槽時間。

訊框傳送發生衝撞後送出的擾亂訊號長度為32位元。

每一筆訊框最長為 1518 位元組，最短為 64 位元組。

圖4-15 所示為含有三段同軸電纜的 10BASE5 網路架構。每一段同軸電纜都有 2 個終端器。此架構使用 2 個訊號增益器，使得任意二個工作站間同軸電纜長度能滿足不超1500公尺的限制。

圖4-15 含三段同軸電纜的10BASE5 網路

10BASE2 網路版本的主要特性如下：

傳送速率為10 Mbps 。

使用基頻傳送技術(曼徹斯特編碼) 。

為個人電腦而設計的低成本網路系統，又稱為「Cheapernet」。

同軸電纜的直徑為5mm 。因此也稱為「細線 Ethernet」 。

每一段細線同軸電纜的長度最多為185 公尺。

網路最長可達925 公尺(185*5＝925)。

任何二個收發器間的距離為 0.5 公尺的整數倍。

每一段同軸電纜上最多接上 30 個工作站。

使用特性阻抗為 50 歐姆 的同軸電纜。編號為 RG-58 A/U。

每一段同軸電纜的兩端使用 50 歐姆的終端器。

時槽時間為 51.2μs 。傳送訊框間隔時間為 9.6μs。

每一筆訊框在連續發生衝撞的情況之下，嚐試傳送的次數極限為16。

訊框傳送發生衝撞後延遲時間的隨機取樣範圍最大為 2 的10次方，即[0,1,2...,1023] 。單位為時槽時間。

訊框傳送發生衝撞後送出的擾亂訊號長度為32位元。

每一筆訊框最長為 1518 位元組，最短為 64 位元組。

使用 BNC T 型連接器使得所有實體層的元件都可以放在網路控制卡上。因此不需要收發器、收發器電纜及其介面邏輯電路。

每一段同軸電纜的組成採用Daisy-chaining串接的連接法。

任何二個工作站之間的路徑上最多只能有4 個訊號增益器。

採用與10BASE5 相同的衝撞偵測法。

由於10BASE2 與10BASE5 在網路重要參數上皆相同，因此彼此可以經由訊號增益器相連接起來成為一個 Ethernet。

圖4-16 所示為以細線同軸電纜連接的PC電腦網路範例，其中最遠兩端的 T 型連接器上必須接上具有 BNC 接頭的終端器。

圖4-16 細線 Ethernet 網路範例

1BASE5 網路版本的主要特性如下：

傳送速率為1 Mbps。

使用基頻傳送技術(曼徹斯特編碼）。

也是為了個人電腦而設計的極低成本網路系統。由於其結構使用集線器(Hub)組合而成星狀網路（但仍具有匯流排網路特性），因此稱為「StarLAN」。

使用直徑為0.4-0.6mm 的無遮蔽式雙絞線 。

針對每一個集線器(HUB) ，與其連接之工作站或集線器間的距離最長為500 公尺（雙絞線長度，250 公尺*2＝500 公尺）。

任何 2 個工作站間之雙絞線長度最長為 2500 公尺。

時槽時間為 512μs。（此時間內可傳送512×10^-6×10⁶＝512 位元）。

傳送訊框間隔時間為 96μs 。

每一筆訊框在連續發生衝撞的情況下，嚐試傳送的次數極限為16。

訊框傳送發生衝撞後延遲時間的隨機取樣範圍最大為2 的10次方，即[0,1,2...,1023] 。單位為時槽時間。

訊框傳送發生衝撞後，集線器送出的擾亂訊號（稱為「衝撞發生」訊號，Collision Presence signal ，簡稱 CP signal)長度為32位元。

每一筆訊框最長為 1518 位元組，最短為 64 位元組。

　

1BASE5 網路的單一集線器結構如圖4-17 所示。由於每一個工作站都直接與集線器連接，因此其架構像是「星狀」。每一個工作站使用 2 對雙絞線（傳送、接收各一對）與集線器相連接。集線器的主要功能為：

訊號再生：當只有一個工作站傳送訊框給集線器時，集線器必須重覆該訊號而且補正訊號在大小及相位上的誤差，然後將訊號廣播給集線器上 所有的工作站。

衝撞偵測及通知：當有二個或二個以上的工作站同時傳送訊框給集線器時，集線器發現多個傳輸線出現訊號而偵測出衝撞。集線器立即廣播一個 CP 訊號給集線器上所有的工作站。

圖4-17 集線器架構

1BASE5 網路多集線器結構為「階層式架構」(Hierarchical Configuration) ，也稱樹狀結構，如圖4-18所示。此結構最多只能有 5 層的集線器串接。最頂端的集線器稱為頂端集線器(Header HUB,簡稱 HHUB)，其餘的集線器則稱為中間集線器(Intermediate HUB，簡稱 IHUB)。每一個集線器底下可以接其他集線器或是直接連接工作站。相鄰集線器間的距離最長為250 公尺。工作站與連接集線器間的最長距離也是250 公尺。因此二個工作站間的最長距離為（5 層集線器）250*5*2＝2500 公尺。

圖4-18 階層式架構集線器

如圖4-19 所示，當中間集線器收到下層的輸入訊號時須將結果往上層的中間集線器或頂端集線器傳送。如果下層只有一個輸入訊號則將此訊號往上傳送，否則即表示有衝撞發生，中間集線器必須將 CP 訊號往上送。當中間集線器收到由上層的中間集線器或頂端集線器傳送來的訊號時（訊框或 CP 訊號），則將其廣播至所有連接的中間集線器或工作站。注意當中間集線器收到下層的訊號時只往頂端集線器的方向傳送，並沒有立刻將訊號往下送。往下層送的動作皆由頂端集線器來啟動。頂端集線器在收到下層的訊號後便立即將結果（成功訊框或 CP 訊號）往下層廣播。此結果在經過層層的廣播動作之後會到達所有的工作站。

圖4-19 集線器功能

圖4-20 所示為二層 1BASE5 網路的運作範例。其中 Px 代表由工作站 X 傳送的訊框，CP 則表示衝撞發生訊號。訊號旁邊的數字則表示其傳送的順序。

(a) 只有工作站 A 傳送。

(b) 工作站 A 及 D 同時傳送。

(c) 工作站 A、B 及 D 同時傳送。

圖4-20 雙層 1BASE5 網路運作範例

由以上的例子可以知道，雖然 1BASE5 的架構是星狀，可是它的功能和匯流排相同，具有廣播的特性及衝撞處理的能力。因此 CSMA/CD 通訊協定可以在此架構上正常運作。此類階層式架構的優點是網路的連接及擴充都非常容易及方便，在維護上也較省時省力。

另外在發生衝撞時集線器所產生的 CP 訊號則如圖4-21 所示。此訊號為下列訊號的重覆：

1 位元時間 LO，1/2 位元時間 HI，1 位元時間 LO，1 位元時間 HI，

1/2 位元時間 LO 以及 1 位元時間 HI。

圖4-21 CP 訊號

10BROAD36 網路版本的主要特性如下：

傳送速率為10 Mbps 。

採用寬頻傳送技術 (broadband)。訊號的編碼方式為 DPSK 相位調變。

使用特性阻抗為 75歐姆的同軸電纜。

每一段同軸電纜的長度最多為1800公尺。此網路的架構包含二段同軸電纜，如圖2-10 所示。因此網路的總長度為3600公尺。

時槽時間為51.2μs 。傳送訊框間隔時間為9.6μs。

每一筆訊框在連續發生衝撞的情況之下，嚐試傳送的次數極限為16。

訊框傳送發生衝撞後延遲時間的隨機取樣範圍最大為2 的10次方，即[0,1,2,...,1023]。單位為時槽時間。

訊框傳送發生衝撞後送出的擾亂訊號長度為32位元。

每一筆訊框最長為 1518 位元組，最短為 64 位元組。

在設計上10BROAD36 網路使用與10BASE5 網路相同的 AUI 規格，只有 MAU 和同軸電纜不同（有關 AUI 及 MAU 請參考圖4-2）。因此如果想將10BASE5 網路改成10BROAD36 網路時只要更換收發器及同軸電纜部分即可，網路的控制卡及收發器電纜都不必更動，可算是極為理想的設計。此 MAU 具備下列功能：

將訊號傳送上同軸電纜。

收取同軸電纜上的訊號。

偵測同軸電纜上是否出現訊號。

偵測衝撞的發生。

由於網路控制卡上的功能與10BASE5 網路控制卡相同，因此在訊框的傳送及接收上的步驟較多，如圖4-22 所示。請注意 AUI 上的訊號為曼徹斯特碼。這是因為原來的10BASE5 網路採用曼徹斯特編碼法。然而在 10BROAD36 網路中並不是使用曼徹斯特編碼，因此在 MAU 中首先有一個曼徹斯特解碼器將原先經過曼徹斯特 編碼的訊號還原成 NRZ 編碼 (Non-Return to Zero Encoding) 。由於 NRZ 編碼並不具備有曼徹斯特編碼的重要特性：每一個位元的中間都有訊號變化，"0" ：high→low ，"1" ：low→high 。此特性對於接收站在訊框接收的取樣時間上是非常重要的參考因素。為了達同步的功能，在 MAU 中有「亂碼器」(Scrambler)，其主要目的是將一長串連續為 0 或為1 的訊框打亂，以避免同步上的困難。亂碼器處理後之訊框再經過 RF Modulator 調變後成為 DPSK 訊號以便傳送上同軸電纜。在接收訊框時則為反方向處理。

在亂碼的處理過程中必須考慮到 IEEE 802.3的訊框格式中有前導部份（56位元的101...10）。此前導部份不應該被破壞掉。因此其訊框編碼的原則如下：

由 AUI 介面進入的訊框的前 5 個位元可能會因為偵測及曼徹斯特編碼的目的被損毀。

保留以 0 開始的 20 個位元 0101...01（不做亂碼的處理）以便給接收站完成同步的參考。

接下來的 2 個位元(01)設定為00，稱為 UMD (Unscrambled Mode Delimiter)，表示接下來的訊框開始做亂碼的處理。

前導部份的其餘位元，SFD (Start Frame Delimiter)，以及其他所有的訊框則全部做亂碼的處理。

最後再以一個不做亂碼處理的結尾部份來表示訊框的結束。此結尾部份為 1 個 "0" 接著連續的 21個 "1" 。

圖4-22 10Broad36 訊框傳送及接收

在訊框衝撞偵測方面，10BROAD36 網路與一般10BASE5 網路也有顯著的不同。主要是每個工作站在傳送訊框及接收訊框的時間上有些許延遲。10BROAD36 網路以下列的三種事件來表示衝撞的發生：

傳送訊框的 MAU 會在接收到的訊框上找尋 UMD ，如果在一定的時間內仍沒有發現 UMD ，則表示發生衝撞（衝撞將位於訊框前端的 UMD破壞）。

傳送訊框的 MAU 在偵測到 UMD 之後，便開始對傳送及接收的訊框（經過亂碼處理）進行位元-對-位元的比對工作，直到原始位址的最後一個位元。中間如果發現不相同則表示發生衝撞。

如果一個 MAU 正接收 AUI 端傳來的訊框，同時又接收到同軸電纜傳來的訊號，則表示發生衝撞。

偵測出衝撞的工作站會在一個特定的頻道上送出一個振幅固定的 RF 訊號用來通知網路上所有的 MAU。

DPSK 的調變技術是將 10 Mbps 的訊號載入一個 14 MHz的頻道中。而針對每一個頻道，又使用 4MHz的「衝撞通知頻道」。因此在雙電纜系統中，每一個頻道需要 18 MHz。而在單電纜系統中，每一個頻道則需要 36 MHz。

亂碼處理的目的是希望將訊框中的位元打亂一點以免出現太長連續的 "0" 或 "1"。順碼處理則是將被打亂後的訊框還原。這些處理都可以採用硬體線路來完成，其中亂碼處理採用「回授位移暫存器」(Feedback shift register) 而順碼處理採用「前授位移暫存器」（Feedforward shift register)。

假設原來的資料為 Am 則經過打亂的資料可以下列方程式表示：

Bm ＝ Am ♁ Bm-3 ♁ Bm-5

而還原的資料則可以下列方程式表示：

Cm ＝ Bm ♁ Bm-3 ♁ Bm-5

圖4-23 所示為亂碼器及順碼器的硬體線路範例。其中 A 為原來資料，B 為打亂後之資料。經過傳送之後，接收端工作站將 B 還原為 C(C＝A)。

(a) 亂碼器 (b)順碼器

圖4-23 亂碼器及順碼器硬體線路

圖4-24 所示為資料被打亂及還原的處理過程範例。其中多項式 P(X) ＝1＋X^-3＋X^-5 (對應的 2 進位數據為100101）。首先將輸入資料除以多項式 P(X)，所得到的商即是亂碼後的資料。由圖中可以看出原來資料 (A) 中有較長的連續 "0" 出現，經過亂碼處理之後 (B) 則只有較短的連續 "0" 出現。接收端工作站在接收到 B 之後將之乘以多項式 P(X)，所得到的結果便是原來的資料(C＝A)。值得注意的是，亂碼處理可以將連續的 "1" 或 "0" 打亂，同時也會將連續的 "101010...10" 打亂，如圖4-24(a) 中資料A 的前端為 "10101010" 經過處理之後也亂掉了。不過在順碼處理之後仍然可以恢復原來的資料。

(a) 亂碼過程

(b) 順碼過程

圖4-24 資料亂碼及順碼處理過程範例

由以上的例子可以知道在亂碼及順碼的處理過程中，多項式 P(X) 扮演極重要的角色。如果P(X)沒有設計好則可能會導致反效果。

10BASET 網路版本的主要特性如下：

傳送速率為10 Mbps 。

採用基頻傳送技術（曼徹斯特編碼）。

採用集線器 (Hub) 網路架構。

使用直徑為0.4∼0.6mm的無遮蔽式雙絞線。

時槽時間為 51.2μs 。

傳送訊框間隔時間為 9.6μs。

每一筆訊框在連續發生衝撞的情況之下，嚐試傳送的次數極限為16。

訊框傳送發生衝撞後延遲時間的隨機取樣範圍最大為 2 的10 次方，即[0,1,2...,1023] 。單位為時槽時間。

訊框傳送發生衝撞送出的擾亂訊號長度為32位元。

每一筆訊框最長為 1518位元組，最短為 64位元組。

由於 10BASET 網路的主要特性與10BASE5，10BASE2 相同，因此彼此之間可以相互連結成為一個網路。在網路架構上，10BASET 採用的是集線器的方式，而每個工作站可經由無遮蔽式雙絞線 (UTP)與集線器連接，而集線器又提供與10BASE5 及10BASE2 連接的介面，如圖4-25 所示。一個集線器可連接數部到數十部工作站，彼此之間透過雙絞線以 10Mbps 速率傳送訊框。每一條雙絞線的長度最長為100 公尺。

圖4-25 10BASET 網路集線器

圖4-26所示為使用兩個集線器的10BASET 網路架構。此兩個集線器間以串聯線銜接。

圖4-26 串聯 10BASET 集線器

圖4-27所示為包含多個集線器之 10BASET 網路架構範例。每一個集線器可接數部至數十部工作站，而集線器則以 10BASE2 細線同軸電纜連接。每一段 10BASE2 電纜最多可連接32個集線器。每一段雙絞線長度最長為 100 公尺。傳送速率則為10 Mbps。

圖4-27 10BASET 集線器以 10BASE2 連結

圖4-28 所示為10BASET 與10BASE5 網路連接的範例。此時集線器可使用10BASE5 介面與標準的10BASE5 網路相連接。所有在網路上的工作站都可以10 Mbps 的傳送資料速率互相溝通。

圖4-28 10BASET 與10BASE5 網路連接範例

習題

4.1 請簡單說明 CSMA/CD 通訊協定工作原理。

4.2 何謂二元指數後退演算法 (Binary Exponential Backoff Algorithm) ?

4.3 CSMA/CD 通訊協定中是否保證最先想送訊框的工作站可以最早將訊框送出 ? 為什麼?

4.4 CSMA/CD 通訊協定是否保證一筆訊框可在一定的時間之內成功的傳送出去 ? 為什麼?

4.5 請解釋下列方法的工作原理。Ethernet是採用那種方法 ?

(a) 1-堅持法(1-persistent)

(b) P-堅持法(P-persistent)

(c) 0-堅持法(0-persistent)

4.6 何謂訊框填塞（padding） ? 何種情況之下訊框要使用填塞 ?

4.7 為什麼 CSMA/CD 傳送的訊框最短為 64 個位元組 ? 這和訊號在網路上來回傳遞一趟的時間有何關係?

4.8 請說明 CSMA/CD 網路中之重要參數 51.2μs 是根據那些因素計算的。

4.9 在規劃一個 CSMA/CD 網路時最重要的是任何二個工作站間的訊號來回傳遞時間不可超過 51.2μs 。請問下列的規劃範例可能造成那些問題 ? 假設有 5 段10BASE5 網路，每一段長 500 公尺。

4.10 請說明寬頻 CSMA/CD 網路和基頻 CSMA/CD 網路在衝撞偵測方法上有何 不同 ?

4.11 10BASE5 Ethernet 每一段同軸電纜最長為多少公尺 ? 可接多少部工作站 ?

4.12 10BASE2 Ethernet 每一段同軸電纜最長為多少公尺 ? 可接多少部工作站 ?

4.13 10BASE5 Ethernet與10BASE2 網路可否相連接 ? 如果可以，該如何連接 ? 為什麼?

4.14 1BASE5 Ethernet 採用星狀架構。請針對下列情形說明網路如何處理訊號衝撞問題。

(a) 只有一個集線器(HUB)

(b) 有多個集線器(Multiple HUBs)

4.15 1BASE5 Ethernet 中頂端集線器(HHUB)和中間集線器(IHUB)的功能有何不 同?

4.16 以圖4-20為例。請說明當工作站 A,B,C,D,E 同時傳送訊框時的處理過程。

4.17 以圖4-20為例。請說明當工作站 A 及 D 同時傳送訊框時的處理過程。

4.18 為什麼1BASE5 Ethernet 的階層式架構中最多只有 5 層的集線器 ? 假設：

(1) 工作站與集線器的距離最長為 250 公尺。

(2) 集線器間的連接距離最長為 250 公尺。

4.19 請說明1BASE5 Ethernet 之 CP 訊號為何 ?

4.20 10BROAD36 Ethernet中亂碼器的功能為何 ?

4.21 下列那些網路可以較輕易改變成 10BROAD36 Ethernet ?

(a)10BASE2

(b)10BASE5

(c)1BASE5

(d)10BASET