以太網絡（Ethernet）為局域網絡（Local area network， 簡稱LAN）中最常使用的一種技術，而目前也是該領域占有率最高的網絡架構，相關規范由電機電子工程師學會（IEEE）所訂定，并收錄于IEEE 802.3標準中。本篇文章將根據該標準介紹以太網絡（10M/100M/1000M）與相關測試內容。

以太網絡的主要概念是透過網絡上多個節點（Node）傳送信息，各節點間以電纜或光纖信道等媒介進行傳輸，每個節點都有其特定門牌號碼－全球僅有一組之48位MAC地址（Media Access Control Address），透過相異的門牌來確保以太網絡上所有節點能相互確認避免造成傳輸錯誤。

想要了解以太網絡，應該先熟悉以下兩個專有名詞：

網絡拓撲（network topology）

載波檢測多重存取附碰撞偵測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection， 簡稱CSMA/CD）

網絡拓撲（network topology）：

網絡拓撲圖有許多種不同的結構，常見的有星狀拓撲圖（Star Topology）及總線拓撲圖（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）點對點聯機形成星狀架構如圖1所示，對于布線及網絡維護十分便利，但中央主機的質量與穩定性為此網絡的關鍵。

圖 1

總線拓撲圖沒有特定主機為核心，而是主要網絡共享于特定傳輸媒介上，雙絞線、同軸電纜或集線器（Hub）都經常被用于總線拓撲結構，如圖2所示。布線同樣具有便利性，并且新增或移除新裝置時不須做特別設定，缺點則是若傳輸主干任一線段發生問題，將造成整體網絡癱瘓。

圖 2

載波檢測多重存取附碰撞偵測（CSMA/CD）

CSMA/CD主要運用于總線架構，所有欲傳送數據的主機（或工作站），都需將數據廣播到（Broadcasting）傳輸媒介上，而所有工作站都須具備接收網絡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，傳送數據前主機（或工作站）必須確認網絡上有沒有訊號在傳送，如果網絡上沒有其他訊號源進行傳送或其余工作站閑置（idle），之后便可開始傳送數據，反之就必須等待，并繼續偵測。如果有兩部主機（或工作站）同時傳送訊號，訊號間會在網絡上發生碰撞（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沖突時，其余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），告知其余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）后再重新傳送。

圖 3

對于網絡拓撲圖與CSMA/CD機制有初步認知后，接著會介紹一開始所提到的10Base-T/100Base-TX/1000Base-T，并針對各個規格，介紹如何量測傳輸質量。

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帶寬為20M，其保持原來 CSMA/CD 的特性，但網絡架構為樹狀拓撲（混合星狀與總線），如圖4。

圖 4

圖4總線架構之設備為常見的集線器（Hub），如果工作站與該聯機斷線，將不會影響單位的訊息收發，而且布線與網絡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，并且應用等效雙絞線模塊TPM（Twisted Pair Model）于測試中。首先會針對訊號質量進行量測，其測試的條件定義在當傳送端及接受端從連接上后，傳送端所傳送的Link Pulse及傳輸數據之訊號回到閑置狀態的訊號質量，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：

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）同于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，電纜通常選擇帶寬較高的Cat-5 UTP以確保訊號質量。

通訊協議同樣為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更為復雜，摒棄曼撤斯特編碼而改用4B/5B加上NRZI（Non-Return Zero Inverted code）后，最終再透過Multi-Level Transmission-3 （MLT-3）編碼后送出如圖5所示，故纜線所需帶寬為 。主要的測試都會傾向于檢測MLT-3的訊號完整性為主。

圖 5

為了向下兼容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后，透過Auto negotiation去判斷接收端裝置所支持的能力，如：傳輸速率、訊號信道數、傳輸模式（全雙工或半雙工），進而完成傳輸條件的設定。

測試方面由于差分訊號（Differential signal）的峰值對于MLT-3編碼方式十分重要，故正負電壓的峰值（+Vout， -Vout）還有過沖（Overshoot）等都有訂定相關規范，為避免正負電壓差距過大也有對稱性（Symmetry）的測項。除了電壓，對于時間的偏移量也有所規范，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。詳細測試項目可以參考表2。

圖 6

表 2

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

1000Base-T千兆位以太網絡（Gigabit Ethernet， GbE），通訊協議同樣遵循 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：

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向下兼容100/10Base-T，并且與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編碼還具有脈沖整形（Pulse-Shaping）的特性，數據經過編碼后的五種電位會相似于連續訊號，除了有削減高頻噪聲的效果同時也會減少低頻成分，最后達到強化輸出訊號與噪聲的相對比率。

1000Base-T的測試項目如表3， 各項目皆依據規范定義了不同的測試條件：

表 3

Test Mode 1：

測試Pattern Test Mode 1用于確認PAM-5的五個準位，確保數據傳送不發生錯誤，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）規范，測試訊號波型完整性確保訊號質量。

圖 8

Test Mode 2 & 3：

測試Pattern Test Mode 2， 3為 125 MHz的周期訊號如圖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范以避免Auto negotiation失敗。

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（含）以后會對先前的位做互斥或（exclusive or）邏輯運算后輸出，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規范內，亦會檢查每對Pair所造成的共模電壓（Common Mode）有無符合規范。

圖10

圖11

本篇文章對于以太網絡特性和規格（10/100/1000 Base-T）做了初步的介紹，除此之外以太網絡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，網絡接口的使用更加廣泛，且傳輸速度也有所提升，測試需求量也相對增加。若想進一步了解以太網絡的相關內容，后續我們將為您整理更完整的測試內容及架構。
責任編輯:tzh