乙太網路是什麼？有線區域網路傳送資料的原理

生活中的例子

家裡路由器的背面，排著幾個寫著「LAN」的方形插孔。把網路線插進這裡，電腦或遊戲機就能用纜線連上網路。用這條纜線交換資料時的規則，就是乙太網路。

在公司裡，纜線會拉到桌子下面或地板上的插孔。天花板上的Wi-Fi主機（存取點）和監視攝影機，有些只用1條網路線連接。它們沒有電源線，是因為同一條纜線也在送電（後面會說明的PoE）。

乙太網路是「有線區域網路」的標準

像家裡或公司內部這樣，在小範圍內連接設備的網路，稱為LAN（區域網路）。用電波連接的區域網路是Wi-Fi（無線區域網路），用纜線連接的區域網路，代表就是乙太網路。

規則由工程師的國際組織IEEE，訂為編號「802.3」的標準。Wi-Fi的標準是「802.11」，所以同屬「802」家族。它規定的範圍，從纜線上的電訊號，一直到資料的整理方式。

乙太網路負責運送的，只到用纜線相連的下一台設備。再往前，跨越網路送到遠方對象的工作，由另一套稱為IP的規則負責。這種分工，在「網際網路怎麼傳送資料？」的「分層」部分說明。

1973年，誕生於研究機構之中

乙太網路在1973年，誕生於美國全錄（Xerox）公司的帕羅奧多研究中心（PARC）。鮑伯·梅特卡夫在同年5月22日的備忘錄中提出構想，並和大衛·博格斯一起做出來。它是為了連接研究中心的電腦「Alto」，速度是每秒約294萬位元（2.94 Mb/s）。位元就是表示0或1的1個位數。

1980年，全錄、DEC、英特爾（Intel）3家公司，公開了每秒1000萬位元（10 Mb/s）的規格。取3家公司的字首，稱為「DIX」。IEEE以它為基礎，在1983年6月核准了802.3標準（1985年發行）。因為規格公開，任何公司都能做出同一標準的設備。

資料用稱為「訊框」的小包裹傳送

乙太網路把資料裝進固定格式的小包裹來傳送。這種小包裹稱為「訊框」。訊框的內容大致有下面4項（為了簡化，省略表示開始的訊號等部分）。

• 目的地與寄件者的號碼：寄給哪台設備、從哪台設備寄出
• 種類：表示內容是依照哪種規則（例如IP）的資料
• 內容：要運送的資料。1個訊框最多1,500位元組（1位元組是8位元）
• 檢查用的值：用來確認途中有沒有損壞的4位元組

設備的號碼，是製造時替每個網路插孔設定的48位元號碼，稱為MAC位址。前半部分，是IEEE分配給各製造商的號碼。IP位址是跨越網路尋找對象的號碼。MAC位址則是在同一個區域網路中，區分相鄰設備的號碼（「IP位址是什麼？」）。

最後的檢查用值，稱為FCS。寄件端根據從目的地到內容的部分，用稱為CRC的計算求出這個值。收件端做同樣的計算，如果不符，就丟掉這個訊框。計算的原理和訊框的圖，在「CRC是什麼？」中。

乙太網路本身，不會重送丟掉的訊框。找回缺少的資料，是寄件端TCP的工作（「TCP與UDP的差異是什麼？」）。

過去：大家共用1條線

早期的乙太網路，是把許多設備接在1條粗纜線上。某台設備送出的訊號，會傳到所有相連的設備。後來普及的「集線器」，也是把收到的訊號原樣送到所有插孔的設備。

在這種形式下，2台設備同時傳送，訊號就會重疊而損壞。這稱為碰撞。所以設備會先確認線路空著再傳送。發現碰撞時，各自等待長短不一的隨機時間再重送。這個程序稱為CSMA/CD。

Wi-Fi也使用類似的程序，在傳送前先確認是否空著（CSMA/CA）。另一方面，現在的有線區域網路幾乎不用CSMA/CD。10 Gb/s以上的標準，根本沒有這個程序。因為接下來要看的交換器，消除了碰撞本身。

現在：交換器只送到目的地

現在有線區域網路的中心，是稱為「交換器」的設備。交換器會依每個插孔，記住接在另一端的設備的MAC位址。記法很簡單：把收到的訊框的「寄件者」號碼，和收到它的插孔，一筆筆記在表上。

收到訊框時，交換器在表上找目的地的號碼，只送往那個插孔。如果是表上還沒有的目的地，就送往其他所有插孔。對方一回覆，那時就會記進表裡。一段時間沒有通訊的號碼，會從表上刪除。

此外，現在設備和交換器之間，可以同時傳送和接收。這稱為全雙工。以網路線來說，100 Mb/s以下是把傳送用和接收用的線分開。1 Gb/s以上，則用特別的方法，讓同一組線雙向傳送。1條纜線由1台設備獨占，去程和回程也能同時通過，所以不會發生碰撞。

交換器在區域網路中，看MAC位址來送達。在網路和網路之間，看IP位址轉送的是路由器。家用路由器大多在內部內建小型交換器。背面有4個左右的LAN插孔，就是這個原因。3種設備的差異，整理成表放在集線器、交換器、路由器的差異。

速度的演進：從10 Mb/s到800 Gb/s

乙太網路維持連接方式的規則，只把速度提升了好幾次。主要的標準如下（年份是IEEE核准的年份。1 Gb/s是每秒10億位元）。

另外，1.6 Tb/s（每秒1.6兆位元）的標準（802.3dj），也一直以2026年內完成為目標在制定。速度快的標準，多半不用銅線，而是用光纖。

網路線裡的線，為什麼絞在一起？

把網路線切開來看，裡面有8條細線，每2條絞在一起。把2條1組的線絞在一起的纜線，稱為雙絞線。前端插入的部分，是有8個端子、稱為RJ45的形狀。

做成2條1組，是為了用不怕雜訊的方式傳送。傳送端在2條線上，送出方向相反的訊號。接收端只看2條線的電壓差，來決定0或1。這種傳送方式稱為差動訊號。

從馬達或日光燈等來的雜訊，會幾乎同樣地加到緊鄰的2條線上。取差值時，同樣大小的雜訊會互相抵消。把2條線絞起來，兩條線都會反覆靠近、遠離雜訊來源。因此，2條線上的雜訊量容易一致。

同樣2條1組的傳送方式，USB也在使用（「USB是什麼？」）。和用1條線傳送的方式的差異，整理成表放在單端與差動訊號的差異。

網路線的「類別」與光纖

網路線有「Cat 5e」「Cat 6A」這類的等級。Cat是Category（類別）的縮寫。數字越大，就做成能通過變化越快的訊號（頻率越高的訊號）。大致的標準如下。

• Cat 5e：1 Gb/s可送到100 m。家用多半這樣就夠了
• Cat 6：也能送10 Gb/s，但只能送到數十m
• Cat 6A：10 Gb/s可送到100 m
• Cat 8：用於25、40 Gb/s。但只到30 m，主要用於資料中心

網路線的長度上限，標準規定為100 m。牆內等固定配線最多90 m，兩端的跳線合計最多10 m。因為越長訊號越弱，越難和雜訊區分。

在資料中心或建築物之間，也常使用光纖纜線。光纖是讓光通過細玻璃線來傳送訊號的纜線，不受電氣雜訊影響，能傳得很遠。光與電互相轉換的零件裡的晶片，在「矽光子是什麼？」中介紹。

PoE：用網路線同時送電

有一種機制，是利用網路線的線，在傳送資料的同時也送電。這稱為PoE（Power over Ethernet，乙太網路供電）。天花板上的Wi-Fi存取點、監視攝影機、公司的電話機，只要1條纜線，就能裝在沒有插座的地方，很方便。

傳送端和設備的數字不同，是因為電在通過細線的途中，有一部分變成了熱。PoE交換器會先確認對方是否為支援PoE的設備，再送電。所以只要是符合標準的PoE，就算接上不支援的電腦，也不會損壞。

為什麼比Wi-Fi容易穩定？

Wi-Fi是附近的設備，輪流使用同一個通道（頻道）的電波。附近的Wi-Fi，或微波爐發出的電波，有時也會混進來。所以速度和等待時間，會隨擁擠程度和距離而改變（「Wi-Fi是怎麼運作的？」）。

接在交換器上的有線區域網路，1條纜線由1台設備獨占，去程和回程能同時通過。沒有像電波那樣的排隊等待，又因為差動訊號而不怕雜訊，所以速度和等待時間都很一致。線上遊戲或傳送大型檔案時偏好有線，就是這個原因。不過，只能在纜線拉得到的地方使用。

在乙太網路中工作的晶片

電腦或路由器的LAN插孔後面，有2種功能不同的電路。一種是把0與1換成在纜線上傳送的電訊號，並把收到的訊號還原成0與1的電路。它也負責整理在纜線上變弱的訊號形狀。這稱為PHY（實體層電路）。

另一種是把資料整理成訊框，加上或確認檢查用值的電路。這稱為MAC（就是MAC位址的MAC）。有時會把MAC和PHY整合成1顆小晶片，也有時會把MAC內建在電腦的核心晶片中。

資料中心交換器的中心，裝有專門用來分配訊框的晶片。例如2025年開始出貨的產品，1顆晶片合計每秒處理102.4兆位元。晶片的邊緣，排著許多把資料整合成1條高速訊號來傳送的電路。這種電路稱為SerDes。資料中心的整體樣貌，在「資料中心是什麼？」中說明。

常見的誤解

從數字來看

「約12微秒」是以每秒10億位元的速度，傳送1,500位元組（12,000位元）所需的時間。1微秒是100萬分之1秒。

進一步學習

• 用表格看差異：集線器、交換器、路由器的差異、單模光纖與多模光纖的差異、CAN、LIN、車用乙太網路的差異
• 用數字試試看：資料傳輸時間計算工具、CRC 計算工具
• 下一步的用語：乙太網路（標準的重點）、ARP（從IP位址查出MAC位址）
• 更進一步的用語：VLAN（用1台交換器劃分出多個區域網路）、MTU（1次能運送的大小）
• 保護家裡的網路：用路由器篩選通訊的機制，請看「防火牆是什麼？」