# Ethernet 了解


## 歷史

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### 1970 最早發明

Bob Metcalfe 在全錄帕羅奧多研究中心（Xerox PARC）發明 Ethernet，主要推手之一確實是「全球第一台雷射印表機（Xerox 9700 原型）與 Alto 個人工作站」。

早期的點陣式印表機、電傳打字機很多就是走 RS-232（或 Centronics 平行埠），但速度太慢。RS-232 頂多跑幾十 kbps（9.6 kbps 或 19.2 kbps）。雷射印表機印一張高解析度圖像包含幾百萬個點，用 RS-232 傳一張圖可能要等半小時。

並且 RS-232 只能「一對一」。PARC 當時整層樓有幾十台 Alto 電腦，而那台雷射印表機造價幾萬美元，不可能每台電腦配一台，更不可能讓所有人排隊拿隨身碟（當時只有磁片）或插拔序列線。

Metcalfe 的目標是做出一種「速度高達數 Mbps（第一代實驗版本是 2.94 Mbps），且所有人可以掛在同一條公用線路上一呼百應」的區域網路。

在這時候 Etherenet 定義的標準包含：

1. 使用同軸電纜（Coaxial Cable）：中央是一根粗銅線，外層包覆絕緣層，最外層整圈包著密密麻麻的金屬編織網（接地遮罩），最後才是外皮。
   1. 原理：訊號被徹底鎖在中央銅線與外層接地網之間，電磁雜訊進不來也出不去。
   2. 效果：頻寬直接從 RS-232 的幾十 kHz 暴衝到 10 MHz（十兆赫茲），整整提升了上千倍！
   3. RS-232 的線：普通的多芯銅線（往往連絞線遮罩都沒有，或者只用一層薄薄的鋁箔）。在高頻率下，這種線會像天線一樣向外輻射雜訊，也會把外界的雜訊全部吸進來，所以頻率完全拉不高。
2. 吸血鬼夾（Vampire Tap）與收發器（Transceiver）：
   1. 電腦要上網，工程師要拿電鑽在同軸電纜上鑽一個小洞，把一個帶有尖銳金屬探針的鐵夾子（Vampire Tap）狠狠夾在電纜上，探針直接刺穿外皮、穿透絕緣層，扎進中央銅芯。
3. AUI 介面（Attachment Unit Interface，DB-15 接頭）：
   1. 夾子本體就是收發器，它接出一條下垂的粗電纜，插頭是一個 15 針的 DB-15 介面（AUI 接頭），插在電腦背後的網路卡上。
   2. 它走的是 DB-15 AUI 介面，不是 RS-232 的 DB-9 或 DB-25。
4. 為了多個 host 通訊，他使用 CSMA/CD（載波偵聽多路存取/碰撞偵測）是為了解決「大家共用同一根實體同軸銅線」而設計的搶發機制：
   1. 先聽聽有沒有人講話（Carrier Sense），沒人講就開口；如果兩個人同時開口撞在一起（Collision Detection），大家閉嘴，隨機等一段時間再重試。
5. 同軸電纜只有一根中央銅芯和外層接地金屬網，所以它走的是單端訊號（Single-Ended）：外層金屬網為 $0\text{V}$（GND），中央銅芯負責送電壓。
   1. 定義電壓 -2V ~ 2V 之間表示 0 and 1
   2. 和 RS-232 需要 MAX232 類似，1970~1980 年代的 Ethernet 透過 AUI（Attachment Unit Interface） 把工作切成兩半： [ 吸血鬼夾收發器 (Transceiver / MAU) ] 夾在天花板的粗同軸電纜上，接收電腦端送來的 5V TTL 訊號將內部高速電晶體將 5V TTL 轉換為注入同軸電纜的 -2V 脈衝，並即時量測電纜電壓是否跌破 -1.5V 門檻（碰撞偵測）

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為什麼現代淘汰了 CSMA/CD？

* 1990 年代以前用同軸電纜或 Hub（集線器），那是半雙工（Half-Duplex）共享媒體，大家都在同一個碰撞網域（Collision Domain）。
* 1990 年代中後期 Switch（交換器） 普及，加上雙絞線（TX 一對線、RX 一對線獨立傳輸）。
* 每一台電腦到 Switch 之間是專屬的點對點「全雙工（Full-Duplex）」通道——你可以一邊瘋狂發送、一邊瘋狂接收，物理上根本不可能再發生 Collision（碰撞）。
* 因此從 千兆以太網（1000BASE-T / Gigabit Ethernet） 開始，CSMA/CD 就已經形同虛設；到了 10G/40G/100G 規範中，CSMA/CD 更是被直接從標準裡徹底刪除。

Wi-Fi（無線網路）用的則是 CSMA/CA：無線電無法邊發送邊接收自己的碰撞訊號（因為自己發射的無線電功率遠大於對面傳過來的，會把耳朵震聾），所以無線電改用 CSMA/CA（Collision Avoidance，碰撞避免）。
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### 1980s

#### 1983 10BASE5

1979 年，乙太網路的發明人 Bob Metcalfe 為了不讓這項技術被封死在全錄（Xerox）實驗室裡，拉攏了當時電腦硬體與半導體界的三大巨頭，成立了著名的 DIX 聯盟：

1980 年 9 月，DIX 聯盟聯合發布了被稱為藍皮書的規格書：《The Ethernet: A Local Area Network Data Link Layer and Physical Layer Specifications》。 在這份規格書中，他們正式把全錄原本的 2.94 Mbps 提升至 10 Mbps，並將「粗同軸電纜（Thick Coaxial Cable）」、吸血鬼夾（Vampire Tap）、外部收發器（Transceiver/MAU） 以及 DB-15 AUI 介面 的完整電氣與實體規範確立下來。

DIX 聯盟完成規格後，隨即把它提交給國際標準化組織 IEEE（電機電子工程師學會）。

* IEEE 802.3 委員會 成立後，以 DIX 藍皮書為核心骨幹進行微調，並在 1983 年 正式發布了第一代國際標準：IEEE 802.3-1983。
* 發明命名規則：為了有系統地將不同傳輸介質分類，IEEE 802.3 委員會發明了著名的「速度-調變-介質」三段式命名法，正式將這種跑 10 Mbps、基頻傳輸（Baseband）、單段最長 500 公尺的粗纜規格定名為 10BASE5。

#### 1985 10BASE2 (10Mb/s)

嫌電纜太粗難拉、安裝成本太高，大家覺得鑽洞夾電纜太折磨人，改用較細的 RG-58 同軸電纜，搭配金屬 BNC T 型接頭。每台電腦後面轉接一個 T 型頭串在一起，線路最末端塞一顆 $50\Omega$ 的金屬終端電阻（Terminator）。

1980 年代中後期的區域網路（LAN）正處於一場極度混亂的「諸神黃昏」混戰。當時並不是只有 Ethernet 一枝獨秀，IBM 的 Token Ring 和 Datapoint 的 ARCNET 在很多企業與工廠中的市佔率甚至一度壓著 Ethernet 打。

而且，他們的電壓標準、拓撲結構和通訊邏輯完全互不相容，各自為政。

相關的晶片是 1982 年 Intel 的第一顆 Ethernet 晶片。

#### 1987 1BASE5 (1Mb/s)

同軸電纜只要其中一個接頭鬆脫，整條街或整棟樓的網路瞬間全掛。到了 1990 年，並且電纜很難彎曲，因此 AT&T 等網路公司工程師終於受不了同軸電纜，借用了電話機房的 RJ-45（8P8C）插孔配雙絞線，正式開創了現代「星狀拓撲（以 Hub/Switch 為中心）」的 10BASE-T 時代。

因為電話線裡面有 25 個雙絞線，有很多都是閒置的，因此最後放棄同軸電纜，改借用電話線機房的 8P8C（RJ-45）接頭與 Cat3 雙絞線。

1BASE5（IEEE 802.3e，1987 年推出，代號「StarLAN」），它拋棄了同軸電纜的 $-2\text{V}$ 負壓，改跑標準的 差動曼徹斯特編碼（電平跳變在 $+1.5\text{V}$ 到 $-1.5\text{V}$ 左右）。

閒置時（Idle）線路維持在差動 $0\text{V}$（無電流流過終端電阻）。但為了讓交換器知道「這條線還活著、沒有被老鼠咬斷」，10BASE-T 發明了著名的 NLP（Normal Link Pulse，正常鏈結脈衝）： 每隔大約 $16\,\text{ms}$，發送端就會往線上打一顆短暫的 $+2.5\text{V}$ 脈衝（持續僅約 $100\,\text{ns}$）。這顆脈衝就是讓網卡和交換器亮起綠色 Link 燈的訊號！

它是歷史上第一個把 Hub（集線器）搬上檯面的乙太網路標準，以前同軸電纜只要中間斷掉，整排電腦一起死；1BASE5 證明了「每台電腦拉一條電話線到機房的 Hub」這種星狀架構不僅好維護，單條線壞掉還不會影響其他機器。

1BASE5 首次把原本電話用的模組化接頭（8P8C / 俗稱的 RJ-45）正式引進 Ethernet 領域。

### 1990s

#### 1990 10BASE-T (10Mb/s)，終於打贏 Token Ring

電氣強化：在雙絞線上衝 10 Mbps 會面臨嚴重的高頻衰減與電磁干擾，因此 IEEE 802.3i 工作組把發射端的差動電壓加大到 $\pm 2.5\text{V}$（峰-峰值約 $5\text{V}_{\text{p-p}}$），並強化了接收端的等化濾波器。

雖然還是少於 16Mb/s 的 Token Ring，但因為：

1. Token Ring 是一套昂貴的「貴族專利技術」，而 Ethernet 則是「平民開放市場」：
   1. IBM Token Ring 網卡：1990 年代初一張要價 $400 ~ $600 美元（甚至更貴）。晶片由 IBM 與 Texas Instruments（TI TMS380 晶片組）高度寡占，授權費高昂。
   2. 10BASE-T 網卡：開放標準引來 3Com、Novell（NE2000 相容卡）、Intel 以及台灣半導體廠（如後來的 Realtek）殺價競爭，一張迅速跌破 $50 ~ $100 美元，後期甚至只要十幾美元。
2. 集線設備成本：Token Ring 的集中器 MAU（Multistation Access Unit） 內部充滿了精密的機械式繼電器（Relay），一台要價數千美元；而 10BASE-T 的 Hub（集線器） 內部純粹是簡單的數位邏輯重複器，造價僅為 MAU 的幾分之一。
3. 接頭的實用性：RJ-45 徹底碾壓「IBM 怪物接頭」
   1. IBM Type 1 採用的是一種雌雄同體（Hermaphroditic）的巨型黑色塑膠接頭。體積宛如半塊肥皂，極為笨重，完全無法塞進薄型筆記型電腦或高密度面板中。
   2. 雖然它設計了防脫落閉鎖彈簧與內部自動短路環（防止拔出時斷環），但工程師只要踩到一次就會把插座扯裂。
4. Token Ring 雖然在邏輯上靠 MAU 做成星狀集線，但其底層電氣訊號本質上依然是一個「**封閉的環（Ring）**」
5. Token Ring 當初引以為傲的核心賣點只有一個：「高負載時不會像 CSMA/CD 一樣碰撞」。
   1. 然而 **Kalpana 公司推出了 Ethernet 交換器，直接把共享碰撞網域切成獨立的專屬通道。在 Full-Duplex Switch 環境下，Ethernet 的碰撞率直接降為 0，Token Ring 唯一自豪的技術防線直接被瓦解**。

##### Switch - 天才想法

在 1990 年以前，所有國際標準委員會的專家（包含發明人 Bob Metcalfe 本人）的腦袋裡都有一個鋼鐵般的思想鋼印：「沒有 CSMA/CD，就沒有 Ethernet。」

在他們的定義裡，Ethernet 天生就是一條「所有人在同一個大房間裡互相搶發言、會撞車、撞車要重抽隨機等待時間（Backoff）」的共享媒體。

1990 年，一家名為 Kalpana 的小公司（創辦人是來自史丹佛的 Vinod Bhardwaj，後來公司被 Cisco 併購）推出了一台改變世界的硬體——EtherSwitch EPS-700。

這群工程師當時看著 10BASE-T 的硬體電路，突然發現了一件極度荒謬的事情：實體線路早就具備全雙工條件

為什麼 10BASE-T 當初只能跑「半雙工（Half-Duplex）」？因為中間接的是 Hub（集線器）。Hub 只是無腦的電子大聲公，把 Pin 1, 2 收到的電壓廣播給所有人的 Pin 3, 6。

網卡內部的 CSMA/CD 晶片被硬性規定：「只要你正在從 Pin 1, 2 發送資料，同時 Pin 3, 6 有電壓傳進來，你就必須自廢武功，判定為 Collision 撞車並停止發送！」

「如果我在中間做一台機器，把每個端口徹底隔開，甚至直接叫網卡關掉 CSMA/CD，讓 TX 和 RX 同時狂飆，不就等於憑空得到兩倍頻寬（20 Mbps），而且碰撞率直接變 0 嗎？」

在 1990 到 1996 年間，全雙工 Ethernet 完全是「黑牌非法」的。每家廠商（Cisco、3Com、HP、DEC）實作的全雙工握手與流控機制甚至互有差異，全靠市場默契在跑。 直到 1997 年——距離 Kalpana 推出交換器整整過了 7 年，IEEE 委員會才終於認清現實，發布了：IEEE 802.3x（Full-Duplex Operation and Flow Control）

到了 1999 年的千兆網（1000BASE-T），CSMA/CD 基本上只存在於教科書上供人瞻仰；到了 10G/40G/100G/800G，IEEE 乾脆直接在標準手冊裡標記：「本標準僅支援全雙工，不支援 CSMA/CD」。

#### 1995 100BASE-TX (100Mb/s)

當 Token Ring 痛苦地想從 16 Mbps 研發升級到 100 Mbps 時，Ethernet 憑藉龐大的產業規模，在 1995 年以極低成本直接推出了 100 Mbps 的 100BASE-TX（Fast Ethernet）。

#### 2006 10GBase-T

10Gb/s 標準

### 光纖與直連銅纜（DAC）

最新在資料中心與伺服器機房，RJ-45 開始退居次要，取而代之的是模組化可插拔介面：

* SFP+（Small Form-factor Pluggable）：直接插光纖模組（LC 接頭）或直連雙軸銅線（DAC, Direct Attach Copper）。
* 訊號走極速序列差動線直通晶片，跳過了 RJ-45 複雜的類比電壓調變，延遲更低。

早期業界照著「10 倍躍進」規劃出了 40G 和 100G，但在大型超大規模雲端資料中心（Hyperscalers 如 Google、Meta、AWS）眼裡，這種跳法在成本與通道利用率上極度不合理：

業界成立 25G/50G 聯盟，將單條高速序列通道（Single-lane SerDes）頻率直接拉到 25 Gbps（NRZ 調變）：100G = 4 條 Lane（QSFP28 接頭）

PAM-4 調變登場（400G 時代）：當單通道想衝到 50G / 100G 時，傳統的高低電平（NRZ 0/1）頻率過高會被線路直接吸收。介面全面改採 PAM-4（4-Level Pulse Amplitude Modulation）：一個電氣脈衝切出 4 種電平，一次傳送 2 個 bits，直接在相同訊號頻率下將頻寬翻倍，誕生了 400G Ethernet（QSFP-DD 介面，8 條 50G PAM-4 通道）。

* 2015 QSFP28 100G: 4 × 25Gbps NRZ 多通道聚合
* 2020 QSFP-DD 400G: 8 × 50Gbps PAM-4, 導入 DSP
* 2024 OSFP/光引擎 800G/1.6T: 8/16 × 100G/200G SerDes, CPO

現代 Ethernet 的最前線技術特徵：

1. DSP（數位訊號處理器）與 ADC 的極限重構：在 200G 的超高頻率下，銅線或光纖送進來的波形幾乎已經是一團爛泥。現代光收發模組內部內建強大的 DSP 晶片，利用高階等化器（Equalizer）與演算法從雜訊中硬生生把 0 與 1 算回來。
2. CPO（Co-Packaged Optics，共同封裝光學）：因為晶片到前面板那短短十幾公分的電路板銅箔走線在高頻下損耗過於嚴重，業界開始將光電轉換晶片直接貼在主交換晶片（Switch ASIC）旁邊一起封裝，直接從晶片拉光纖出來。
3. UEC（Ultra Ethernet Consortium，超級乙太網路聯盟）：為了在 AI 叢集中對抗專屬封閉的 InfiniBand，AMD、Intel、Meta、微軟、Google 等巨頭聯合制定新一代 UEC 規範，在維持 Ethernet 實體層優勢的同時，重構傳輸層以支援無阻塞的多路徑封包噴射（Packet Spraying）與硬體級 RDMA（RoCEv2 演進）。

## 線才比較

### 平行排線 / 多芯控制線（Ribbon / Multi-Conductor Cable）

```ascii
[ 斷面與外觀 ]
 ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐
 │ 1 │ │ 2 │ │ 3 │ │ 4 │ │ 5 │ ... (平排並列，無扭絞)
 └───┘ └───┘ └───┘ └───┘ └───┘
   │     │     │     │     │
 [ 銅線  銅線  銅線  銅線  銅線 ] ── 外面包覆一整片灰/彩色 PVC 塑膠
```

多條獨立絕緣銅導線以平行或圓束方式排列。抗雜訊能力最弱，容易在相鄰導線間產生電容性/電感性串擾（Crosstalk）。

優點：端接快速：可直接使用 IDC（絕緣穿刺接頭）一次性整排壓接，無需逐根剝線焊接。成本梯

缺點：高頻衰減極嚴重，無法跑高速訊號。缺乏對稱相消機制，長距離時極易受外界電磁干擾（EMI）。

現在還用在哪裡？

1. 伺服器主機板內部連到後擋板的 COM Port（IDC 10-pin 排線）。
2. 工業機台內部感知器配線（UL2464 屏蔽多芯線）。
3. 早期硬碟 IDE/PATA 排線、零售收銀 POS 機與發票機。

### 同軸電纜（Coaxial Cable）

```ascii
[ 同軸多層同心圓結構 ]
       外層絕緣護套 (PVC/PE)
       │    金屬編織網 / 鋁箔遮罩 (GND 接地面)
       │    │    中心絕緣介質 (Dielectric Insulator)
       │    │    │    中心實心銅導線 (Signal)
       ▼    ▼    ▼    ▼
     ┌──────────────────┐
     │ ░░ ▒▒▒▒ ▓▓▓▓ [██]│ ─── 中心銅芯
     └──────────────────┘
```

訊號線居中，外圍 360 度被金屬接地遮罩層嚴密包覆，兩者共享同一個中心幾何軸（Co-axial）。高頻訊號被牢牢鎖在內外導體之間，具有極高的屏蔽效果與穩定的特性阻抗（常見為 $50\,\Omega$ 或 $75\,\Omega$）。

優點：極強的抗外來射頻干擾（RFI/EMI）能力。高頻頻寬充足，適合長距離射頻與基頻微波傳輸。

缺點：線材硬、粗重且彎曲半徑大，在狹小空間布線極為痛苦。實體上只有單一中心導體，需要多路通訊時無法單線搞定；端接需專用金屬接頭（BNC/SMA/F頭）。

「實體只有一條芯線，真的無法多路通訊嗎？」在基頻數位下不行，但在「射頻頻率分割（FDM, Frequency Division Multiplexing）」下，一條同軸電纜可以同時塞進成百上千個獨立頻道！

家裡牆壁拉出來的那根第四台同軸電纜，同樣只有中央一根細銅芯，但它內部能同時存在：

* 第 50 頻道（跑 100 MHz 載波的電視畫面）
* 第 51 頻道（跑 106 MHz 載波的電視畫面）
* 網路上行通道（DOCSIS 上傳封包）
* 網路下行通道（DOCSIS 下載封包，飆到 1 Gbps）

現在還用在哪裡？

1. 有線電視（CATV）、寬頻 Cable Modem（DOCSIS）。
2. 無線通訊設備、Wi-Fi 基地台天線饋線（RF Feeder Line）、GPS 接收器天線。
3. 實驗室高階儀器（示波器、頻譜分析儀探棒）。

### 非屏蔽 / 屏蔽雙絞線（UTP / STP Twisted Pair）

```ascii
[ 雙絞結構：兩兩相互緊密纏繞 ]
   線對 A: ───────╮   ╭───────╮   ╭───────
                  ╲ ╱         ╲ ╱
                   ╳           ╳        (藉由交錯扭絞抵消共模雜訊)
                  ╱ ╲         ╱ ╲
   線對 B: ───────╯   ╰───────╯   ╰───────
```

將一對絕緣銅導線以特定節距（Twist rate）互相纏繞，配合差動訊號（Differential Signaling）。外界雜訊等量感應到兩根線上，在接收端相減時相互抵消。

優點：

1. 柔軟、輕巧、施工拉線極度容易，成本適中。
2. 搭配 8P8C（RJ-45）模組化水晶頭，施工工具鏈成熟廉價。
3. 4 對線組合可兼顧全雙工、乙太網傳輸與乙太網供電（PoE）。

缺點：

1. 銅線物理極限導致有效傳輸距離受限於 100 公尺。
2. 衝上 10 Gbps（Cat6A/Cat7）以上時，線材變硬且需高密度金屬遮罩，PHY 晶片功耗劇增。

## Reference

* [Ethernet 網路線是怎麼發明的？](https://youtu.be/JIROljkaNOE?si=1ux3xwmyROzbKVn-)