TCP/IP 協定與 Internet 網路：第二章 雛形區域網路 - Ethernet  上一頁           下一頁

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2-4 Ethernet Switch 網路

        以 CSMA/CD 通訊協定的特性的觀點來看，這種通訊協定是屬於廣播性的傳輸。早期 Ethernet 網路都是以粗線 Ethernet（10Base5）或細線 Ethernet（10Base2）為主要佈線架構，因為這種匯流排網路最適合廣播性傳輸。但近來年，為了網路佈線及維護上較容易，大部分都採用集中式的 10BaseT 連線。10BaseT 網路是以集線器為網路主幹，每部工作站都有一條專屬連線連接到集線器，而且是點對點的設計，因此沒有廣播的功能。亦是，在匯流排上任何二部工作站同時傳送訊框一定會造成碰撞現象，但在集線器的架構下並沒有訊框實際發生碰撞的問題。但為了符合 CSMA/CD 通訊協定的行為，集線器必須模擬廣播之傳送和訊框碰撞的特性。模擬廣播式的做法是將收到的訊框強制轉送到所有連接埠上；而模擬訊框碰撞是將不同雙絞線上同時傳送的訊框視為碰撞（其實沒有發生碰撞）。這使集線器上同時能傳送訊框的工作站只有一部，符合 CSMA/CD 通訊協定特性。由以上的敘述，我們能將集線器的功能修改（或提昇），使其能將某一個連接埠口所收到的訊框，依照訊框上的目的位址（MAC 位址）轉送到另一個連接埠口，這就是交換式 Ethernet（Ethernet Switch）網路的基本原理，以下說明之。

圖 2-18 Ethernet 交換器的基本原理

2-4-1 Ethernet Switch 基本原理

        圖 2-18 為Ethernet Switch 的內部架構圖，交換器採用虛擬連線（Virtual Connection）技術，為傳送埠口和目的埠口臨時搭起的一段連線。當傳送埠口經由這段連線將訊框傳至目的埠口後，這條虛擬連線便告終止。Ethernet Switch 內部維護著一份雙向對照表，記錄著哪個 Ethernet MAC 位址對照到哪一個連接埠口。如圖 2-19 所示，工作站 A 欲傳送訊框給工作站 B，當訊框由第 1 號連接埠進入後，交換器依照該訊框上的目的位址查詢路徑對照表上，而得知工作站 B 在第 2 號埠口。便建立虛擬路徑將第 1 號連接埠的訊框轉送到第 2 號連接埠。工作站 C 傳送訊框給工作站 D 也是相同方式運作。

圖 2-19 交換器虛擬路徑對照

        在連接埠口之間轉送訊框，也會有潛在的問題發生，就是各個連接埠的傳輸速率不一定相同。例如，工作站 A 傳送給工作站 B，第 1 號連接埠所協商的速率是 100 Mbps，而第 2 號連接埠是 10 Mbps，接收埠口速率過慢將使訊框資料遺失。因此在每一個連接埠上必須有緩衝器，它將接收較高速的訊框再以較慢的傳輸速率傳送給接收端。

目前 Ethernet Switch的技術每個連接埠的傳輸速率可以是 10 Mbps 或 100 Mbps，實體連線特性也可由自動協商取得。如依照 Ethernet Switch 針對每一個連接埠口的訊框轉送到另一個連接埠的特性來計算它的傳輸頻寬，如 有 n 個連接埠口，則它的傳輸頻寬為：

傳輸頻寬 = n/2 × 每埠口之傳輸速率

如果每個埠口最高傳輸速率為 100 Mbps，而該交換器有 16 個埠口，則其頻寬為 800 Mbps（= 16/2 × 100）。這個速率就是背板骨幹的交換處理能力。一般 Ethernet Switch 的背板骨幹的設計也類似 ATM 交換機的交換處理設備，可區分為：矩陣式交換處理、中央記憶體交處理、匯流排骨幹交換處理、以及環狀骨幹交換處理等等。

2-4-2 Ethernet Switch 轉送機制

        Ethernet Switch 的訊框轉送機制，決定於位址對照表的建立。由交換器的連接埠口轉送到另一個埠口，這表示針對每一埠口而言，已不再是共享傳輸媒體，而是該埠口所連接工作站的專屬傳輸媒體。對交換器的連接埠口之間已沒有碰撞的機會發生，它們之間傳送訊框也不再是 CSMA/CD 的通訊協定，所以 Ethernet Switch 的連接埠之間已沒有 Ethernet 的時槽時間（time slot）限制，也不再限制於交換器的最遠距離範圍內。因此對整體網路而言，每一個連接埠都是獨立性網路（CSMA/CD 網路）。每一個連接埠不一定只連接一部工作站，也許會透過集線器連接多個工作站，如圖 2-20 所示，因此 Ethernet Switch 是擴充網路範圍的最佳設備。

既然 Ethernet Switch 每一個連接埠口上可以透過集線器連接多個工作站，因此對於交換器的主機系統必須紀錄每一個連接埠上所接工作站的位址（Ethernet 位址）。這些位址必須透過交換機的學習功能來記錄位址，而且這些位址也會隨網路環境變遷而改變。依目前制定的標準，每一個連接埠的次網路可以連接 1024 個工作站，也表示每一個連接埠最高必須紀錄 1024 個 Ethernet 位址。由以上的介紹，Ethernet Switch 的功能大多符合多埠橋接器（Multi-port Bridge）的功能，尤其是在 Ethernet 位址的學習功能方面（請參考第三章）。

圖 2-20 利用 Ethernet Switch 擴充網路

        在 Ethernet Switch 各個連接埠之間訊框的轉送，也具有儲存後轉送（Store and forward）的功能。其主要兩個原因是：(1) 因為每個埠口之間的傳輸速率不一定相同，較高速的連接埠必須將訊框儲存於緩衝器上，再以較慢的速率傳送到目的埠口。或者由較慢的埠口所收到訊框轉送到速率較高的埠口，後者必須收集較多訊息後再發送出埠口的連接線上。(2) 目的連接埠忙碌中，傳送端的埠口必須將訊框暫儲存於緩衝器上等待對方空閒再轉送。因此，對於連接埠上的緩衝記憶體的數量也決定交換器的處理能力。

2-4-3 全雙工 Ethernet 網路

        全雙工 Ethernet 網路是 IEEE 802.3x 在 1997 年所制定的標準。首先我們來回顧Ethernet Switch 傳輸線的特性。在 Ethernet Switch 的連接埠口之間訊框的轉送（交換器內部）已不再是 CSMA/CD 通訊協定的規範。又工作站（或集線器）連接到 Ethernet Switch 的連接埠上，它們之間的訊框傳送（交換器外部）也不是 CSMA/CD 通訊協定所規範。在 CSMA/CD 通訊協定裡主要規範是網路上每一個工作站不是在傳送資料就是在接收資料，所以，基本上 Ethernet 網路都屬於半雙工傳輸模式。

另外，由工作站和交換器的連接埠之間的連線來觀察，它們之間是專線的連接（點對點），是獨立的傳輸媒介而不是傳統 Ethernet 網路的共享媒介。因此，工作站（或集線器）和連接埠之間已經沒有碰撞偵測的需要，也沒有所謂二元指數後退演算法。一般連接線都採用兩對雙絞線，其中一對雙絞線在傳送訊框，而另一對雙絞線就是在接收訊號以判斷是否發生碰撞。因此 Ethernet Switch 就可以用這兩對雙絞線來做全雙工的傳輸，一對作傳送訊框，而另一對接收訊框，其運作模式如圖 2-21 所示。目前一般網路卡或交換器都具備全雙工的功能，也會經過自動協商取得傳輸模式，如表 2-2 所示。可是一般網路卡或集線器要實做全雙工的運作模式，則必須連接到 Ethernet Switch 的連接埠上才有此功能。

圖 2-21 全雙工或半雙工運作模式

2-4-4 100BaseT 自動協商

        自動協商（Auto-negotiation）是 100BaseT 一項非常重要的特性。適用於所謂的雙速（dual-speed）網路卡或集線器。也就是說，網路卡和集線器的連接埠皆支援 10 Mbps 和 100 Mbps 兩種速率。如果雙方都同時支援 100 Mbps，則以此速率通訊，否則以 10 Mbps 速率通訊。彼此之間協商是由網路卡和集線器的連接埠自動完成，使用者完全不必參與。自動協商除了協商網路卡的雙速特性外，其他協商因素還有收發器型態、傳輸模式（全雙工或半雙工）、纜線規格（Cat-3 或 Cat-5 UTP）、以及雙絞線的對數（二對或四對）等，如圖 2-22 所示。表 2-2 為自動協商的優先次序。

圖 2-22 100BaseT 自動協商功能

表 2-2 自動協商優先次序表

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