緯育 2026-0312

本講次系統性介紹以太網路（Ethernet）的架構、特性、優缺點、經典與現行標準演進、資料單位（訊框/幀）與位址（MAC、IP）觀念、速率發展與實務設備選購重點，並說明碰撞問題與基本除錯方向。透過歷史脈絡（從Xerox PARC、DIX標準到IEEE 802.3開放標準）理解為何以太網路成為近40年最成功的區域網路技術，以及其與其他競爭技術（如Token Ring、Apple LocalTalk/AppleTalk）消長。課程亦延伸實務選購與部署：速率等級（10M/100M/1G/2.5G/10G/25G/40G/100G/400G）、雙絞線與光纖介面、類比規範（如802.3各子標準）、相容性與瓶頸（如硬碟吞吐、交換器支援）。

乙太網路介紹

乙太網路基礎與實務觀念

• 以太網路的地位與普及
  • 被稱為近40年最成功的網路技術，競爭者（如Token Ring）幾乎退出主流。
  • 屬於公開、最廣泛採用的區域網路基礎；企業、學校、家庭皆可見。
  • 幾乎所有電腦與網通設備支援（例：家用IP分享器、各品牌交換器/路由器、IPCCTV、工控自動化設備、伺服器、電腦、印表機、掃描器、遊戲主機、多媒體播放機、帶RJ45網口的電視等）。
• 傳輸可靠性與速度
  • 相較其他技術具備較高的可靠性，但協定層面（像IP與以太網路）本質上不保證可靠，只是盡力而為。
  • 速度演進：最初2.94 Mb/s（bit為單位）、標準版10 Mb/s、提升至100 Mb/s、現今內建多為1 Gb/s；過渡規格2.5 Gb/s存在但普及應用較少；更高為10 Gb/s（需Cat7以上或光纖）、25G/40G/100G，且100G可4線併行達400G（多在機房）。
  • 家用環境瓶頸常在儲存設備（例如PCIe 5 SSD讀取約10 GB/s ≈ 80 Gb/s，遠低於400G鏈路），故超高速多用於機房。
• 架構簡單與擴充
  • 硬體架構簡單、擴充容易，插線即可；現今主機板多內建網卡（過去需另行插卡）。
  • 網路通訊設定：常見由DHCP伺服器自動發放IP或手動設定。
• 成本與市場
  • 開放標準降低門檻，設備價格普遍較低。
  • 實務選購建議：理解規格後避免只以低價（如300元）為唯一考量，必要時選購規格更佳（如1,500元級）產品。
• 有線/無線混合環境與品牌插曲
  • 蘋果早期移除有線網口與光碟機，顯示不同產品策略；市面消費決策與媒體輿論常隨行情擺動（講師以股市/賣場陳列比喻）。

協定分層與資料單位

• OSI層次與名詞
  • Layer 2稱為「訊框（frame）」，Layer 3稱為「封包/風暴」（講師口語提到「風暴」對應封包概念）。
  • 口語實務常以「你的IP多少？你的MAC多少？」簡略稱呼；正式課程中區分：MAC=Media Access Control（媒體存取控制），IP屬於Internet Protocol家族，分別有對應的Address。
• 位元/位元組單位換算
  • 網路頻寬常以bit為單位（Mb/s, Gb/s），電腦儲存以byte為主；1 byte = 8 bit。對頻寬與容量單位需辨識清楚（例如ISP宣稱的「100M」多指100 Mb/s）。

乙太網路標準與歷史演進

• 發端與專利
  • 1973年Xerox PARC員工受AlohaNet啟發，為解決企業影印機傳輸資料不便（須攜帶打孔紙帶、磁帶）而構思LAN。
  • 1975年申請「Xerox Ethernet」專利，為區域網路的封包交換技術，架構簡單、效率不錯，達2.94 Mb/s；內部實驗最遠約1公里，連接上百台主機與印表機。
• DIX標準
  • 1979年創辦3Com，並說服Digital（DEC）、Intel、Xerox三方合作。
  • 1980年發布Ethernet（去掉Xerox字樣）DIX 1.0標準，速率10 Mb/s；定位於OSI實體層與資料連結層。
  • 定義MAC地址為48 bit（6 byte），用於來源與目的標識；定義EtherType指出上層承載資料類型。
  • 1982年更新為Ethernet II（DIX 2.0），將傳輸格式正式命名為「訊框」。
• IEEE 802.3公開標準
  • 1983年IEEE將其納入公開標準，編號802.3；自此各子標準以802.3加英文字母/代碼表示，規範速率、介質與線纜要求等。
  • Xerox放棄商標與私有權，有說法指因合作推廣需求或財務專注主業，使生態開放，促使大量廠商加入（含早期AMD等晶片供應）。
  • 其他陣營：IBM的Token Ring、微軟自有方案、蘋果的LocalTalk/AppleTalk等，最終均未成主流。
• 產業旁述
  • 講師引申PC產業史（IBM PC決策、Intel/AMD授權、微軟產品購併來源等），說明開放/授權對生態的影響，對照以太網路標準開放帶來的普及。

速率與802.3子標準對應（實務選購要點）

• 典型速率與標準對照觀念
  • 使用者選購時應倒推需求：先決定目標速率與介質，再對應802.3子標準。
  • 例如欲選10G，應確認交換器/網卡標示之802.3子標準（並依其規範選用線材，如銅纜需Cat7以上或改用光纖）。
• 多速相容
  • 高階設備常向下相容多個速率與標準，因此規格頁可能列出長串802.3代碼；關鍵仍是確認自己所需之主目標。
• 2.5G/5G過渡規格
  • 2.5G與5G對應常見於802.3ad/av家族標示；市場上多數設備強調1G或直接10G，2.5G普及應用較少。
  • 若產品僅標「支援2.5G」而未明示5G，通常不支援5G；選購時需仔細辨識代碼與明細。
• 高速光纖應用
  • 10G之上（25G/40G/100G/400G）多為光纖環境，設備會清楚標注規格、模組型號與多股並行（如100G x4 = 400G）方式；此類多見於機房與資料中心。

以太網路的硬體、架構與特性

• 常見硬體元件
  • 網路卡 (NIC)：根據需求選擇接頭類型，如RJ45、光纖或BNC。一般公司和家用環境最常用的是RJ45接頭的網路卡。
  • 集線器 (Hub)、交換器 (Switch)、路由器 (Router)：目前市場上已買不到集線器，主要使用交換器。路由器負責上網功能。現在市售的IP分享器（無論有線或無線）通常是交換器和路由器的集合體。
  • 線材：主要有同軸電纜、雙絞線和光纖。
• 線材選擇與網路拓撲
  • 線材選擇建議：以性價比來說，雙絞線最值得購買。建議直接購買CAT6A標準的線材，而非CAT5e。
  • 網路連接拓撲：主要有匯流排 (Bus)、環狀 (Ring) 和星狀 (Star) 拓撲。星狀拓撲是目前的主流接法。
• 以太網路的特性
  • 共享與廣播傳輸：其本質是線路共享，傳輸方式為廣播式。傳輸前會偵測線路是否空閒。
  • 無需建立連線 (Connectionless)：傳輸資料前，不需先與接收方建立連線。
  • 不可靠傳輸 (Unreliable)：只負責盡力傳送封包，不保證送達，沒有接收確認 (ACK) 或錯誤回傳機制。
• 優缺點與實務建議
  • 優點：成本低廉、技術成熟、速度快、可靠性高、擴充容易。
  • 缺點：有線部署不便，新增使用者需重新拉線。
  • 硬體選購建議：優先選擇外接電源的設備，因變壓器損壞時維修成本較低。
  • 網路擴充方法：當Switch埠不夠用時，可用網路線連接兩台Switch來擴充。若有高速需求，應購買帶有光纖埠的Switch。

有線網路的限制與經典標準

• 有線網路的限制與風險
  • 範圍與距離限制：使用範圍受纜線長度限制，且距離越長傳輸率越低。
  • 干擾問題：無遮罩纜線易受電磁干擾，導致封包損壞，使用者會感覺網路變慢。
  • 安全與竊聽風險：乙太網路封包本身沒有加密，可在纜線上側錄傳輸的明碼內容。加密主要在應用層，但第二、三層的MAC/IP位址無法加密。
• 第一代乙太網路標準 (10Base5)
  • 命名解析：10 代表速度10Mbps；Base 代表基頻（Baseband）傳輸；5 代表纜線最長500公尺。
  • 特性：半雙工（Half-duplex）網路，使用粗同軸電纜（Thick Coaxial Cable），對應IEEE 802.3標準。
  • 所需元件：BNC接頭的網路卡、收發器（Transceiver/Vampire tap）、以及安裝在纜線兩端用以吸收訊號的終端電阻（Terminator）。
• 傳輸頻段與編碼
  • 傳輸頻段類型：乙太網路皆為基頻 (Baseband)，即一條線路只跑一種頻率。與之相對的是寬頻 (Broadband)（如類比第四台）和窄頻 (Narrowband)。
  • 曼徹斯特編碼 (Manchester Encoding)：為了解決時序同步問題，將時脈與資料訊號混合編碼。規則為傳送0時電位由高變低，傳送1時由低變高，使接收端能準確還原資料並同步時脈。
• 訊號衰減與延長
  • 衰減原因：纜線過長、品質不佳、接頭鬆動或外部干擾。
  • 延長方法：使用中繼器（Repeater）或交換器（Switch）來放大並延長訊號。物理限制上，最多串接4個中繼器，形成2.5公里的最遠距離。
• 第二代乙太網路標準 (10Base2)
  • 命名解析：10 (10Mbps), Base (基頻), 2 (接近200公尺，實際185公尺)。
  • 差異：與10Base5架構相似，但改用較輕便的「細同軸電纜」（Thin Coaxial Cable），施工更容易。

10BASE-T 與乙太網路訊框結構

• 10BASE-T 乙太網路標準
  • 命名與規格：10 (10Mbps), BASE (基頻), T (雙絞線 Twisted Pair)。對應 IEEE 802.3i，建議單段長度不超過100公尺。
  • 架構與設備：引入集線器 (Hub)，物理接線從匯流排 (Bus) 拓撲改為星狀 (Star) 拓撲，但其邏輯行為仍是匯流排，存在廣播與碰撞問題。
  • 線材：使用雙絞線（網路線），需按 568A 或 568B 顏色順序製作 RJ45 接頭。
• 乙太網路訊框 (Ethernet Frame) 結構
  • 總覽：從第一代至今基本結構不變，分為物理層訊號（網卡處理後丟棄）與資料連結層內容（送往作業系統）。
  • Preamble & SFD (前置碼 & 訊框起始符)：共8個位元組，用於同步並告知接收端訊框即將開始。Preamble為7 Bytes的101010序列，SFD為1 Byte的10101011。
  • DA & SA (目標 & 來源位址)：各佔6個位元組，分別存放接收端與傳送端的MAC位址。
  • Type (類型)：標示上層（網路層）封裝的協定，如IP協定。在 IEEE 802.3 標準中此欄位為Length，但實際極少見。
  • Data (資料)：承載上層協定資料的部分，形成層層封裝（如 Ethernet > IP > TCP > HTTP）。
  • FCS (訊框檢查序列)：4個位元組的檢查碼。接收端網卡會重新計算並比對，若不符則代表資料損毀，直接丟棄該訊框。