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不敗神話：乙太網路瞄準新領域(1)
乙太網路(Ethernet)全向性演化趨勢
放眼望去，沒有任何一家資訊業者敢阻逆乙太網路（Ethernet），凡是阻逆者下場就是走入歷史，看看IBM（全球 第一大資訊業者）提出的Token Ring，看看DEC（曾為全球第二大資訊業者）提出的DECnet，看看Apple提出的AppleTalk，現在還有誰在用這些？獨尊乙太網路的態勢 不是任一業者可阻逆的大趨。
同樣的，乙太網路在區域應用站穩腳步後，近年來也有往各方向擴展延伸的趨勢，到底乙太網路朝哪些方向擴展延伸，以下我們將對此進行討論。
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■光纖化
近年來人們一直關注與談論著乙太網路光纖化的發展，好似乙太網路從銅線介質改換成光纖介質是近年來才有的事，然實際上早在1987年的IEEE 802.3d就已經有乙太網路的光纖技術版，當時是用在各個中繼器之間的連線，此稱之為：FOIRL，全稱為：Fiber-Optic Inter-Repeater Link。
之後到了1993年又有了10BASE-F的標準，此也稱之為：10Mbps over Fiber-Optic，可說是10Mbps版的光纖乙太網路。兩年後的1995年也有100Mbps版的100BASE-FX問世。
▲乙太網路除了最初的銅線外，也有光纖化與無線化等發展趨勢，圖為一把光纖集束。（圖片來源：公有領域，Public Domain）
過去的10Mbps、100Mbps時代就有用上光纖，近年來更不用多言，1998年乙太網路首次站上1000Mbps（即1Gbps）的高速，靠的正是 光纖傳輸，即1000BASE-X。進一步的，2003年的10GBASE-SR、LR、ER、SW、LW、EW等，使乙太網步入10Gbps的空前頂 速。
雖然已至10Gbps的高速，但乙太網路的傳輸率提升似乎沒有休止的念頭，眼前雖不敢奢望再來一次十倍提升，畢竟100Gbps的 難度太高了，不過若比照光纖通道（Fibre Channel；FC）的演進軌跡，即1Gbps、2Gbps、4Gbps，如此乙太網路也仍有持續仿效的路線，朝20Gbps、40Gbps邁進，不過 目前為止20Gbps、40Gbps尚未有標準，仍在實驗室的階段。
有了光纖乙太網路後，銅線乙太網路將逐漸被取代嗎？關於此答案恰恰 相反，乙太網路為求傳輸突破才使用光纖，但光纖的昂貴成本與佈建難度使多數用戶不敢恭維，光纖反而不利於乙太網路新標準、新功效的推行，單就1Gbps版 的乙太網路為例，1998年就有1Gbps版的光纖乙太網，1999年隨即有1Gbps版的銅線乙太網，然而之後的數年GbE一直無法普及盛行，一直到 2003年才逐漸有推展的氣勢，即便如此也都是推行銅線版，少有人推行光纖版。
更真確地說，光纖版乙太網路的對手是一些機房內的特用接 線，如Fibre Channel、InfiniBand、Myrinet、Quadrics等，而非辦公室內的區域網路線，近年來開始普及運用的銅線型、Gigabit級 乙太網（有時也縮寫成：GE，即Gigabit Ethernet），則仍是以傳統100Mbps級乙太網（有時也縮寫成：FE，即Fast Ethernet）的替代為大宗，倚賴GE基礎來跨足SAN應用領域的iSCSI則仍是以部份運用看待。
■無線化
以無線方式連上乙太網路也是近年來的趨勢，雖然嚴格來論，WiFi的無線區域網路已屬IEEE 802.11，與實線性質的IEEE 802.3分屬不同「派別」，不過兩者依然在實務使用上有著密不可分的關係，IEEE 802.11/WiFi仍有許多部份依然沿用IEEE 802.3的作法，同時WiFi使用上雖可選擇Ad hoc或Infrastructure（基礎建設）兩種通訊組態，但目前絕大多數的使用是選擇後者，如此就更無法不與實現乙太網掛勾，真正使用Ad hoc的恐怕只在Bluetooth之類的WPAN領域中。
WiFi快速發展的結果，使得其他家用無線區域網路技術方案都被其光芒所掩蓋，包括用電話線（Phone Line）的HomePNA、用電力線（Power Line）的HomePlug、用有線電視同軸電纜線的HomeCNA、比WiFi更早的家用無線Home RF、甚至是Bluetooth 藍芽等，甚至出世不久的UWB/WUSB、 ZigBee、Z-Wave都有可能在家用領域中受其影響。
■供電化
電線即網線、網線即電線，這是更理想方便的想定，但實際上人們也確實嘗試如此為之，例如HomePlug即是運用電力線來建構家庭區域網路，或如 車用電子領域的LIN介面的衍生型標準：DC-LIN，也是捨棄自有的獨立佈線，直接使用汽車電瓶的直流供電線路來加搭傳遞資訊。
▲美國國家半導體公司（National Semiconductor；NS）LM5070晶片的典型應用電路圖，左側為RJ-45的乙太網路埠，右端則透過變壓器轉換成直流供電電壓，此外晶片內也內建DC-DC的轉換 控制器，以及熱插拔控制器。（圖片來源：National.com）
有關用乙太網路來供應電力的技術，早在多年前就已經有業者自行提出與運用，包括3Com、Cisco、Homebrew等，但真正通適於所有業者的 IEEE標準：IEEE 802.3af一直到2003年才正式核准通過，此標準也稱為PoE（Power over Ethernet），或稱為PoL（Power over LAN或Power on LAN）。
且相當令人信服的，IEEE的標準沒 有偏袒任何已先行推展的業者，也與過往業者推行的技術不相容，不過業者自己仍可積極研擬相容於IEEE標準的機制，以因應客戶要求保障原有投資的需求。 IEEE標準的PoE最高供電電壓為48V、最高供電電流為400mA，不過最高電流與最高電壓不會同時發生，整體而言的供電瓦數不會超過15.4W，而 現行規定甚至只有12.95W（不超過13W）。
▲ 美國國家半導體公司（National Semiconductor；NS）（簡稱：國半）的LM5070晶片，該晶片整合了PoE所需的PD（Powered Device；供電裝置）介面，以及PWM控制器，可用在支援PoE的乙太網路交換器中。（圖片來源：National.com）
值得注意的是，PoE只是滿足初步的需求，很快的又有更高的需求要去滿足，12.95W的供電僅夠Web CAM（CAM即Camera）攝影機、VoIP（Voice over IP，IP即Internet Protocol）話機、簡單的無線存取點（Access Point；AP）等用途，而今用戶期望連精簡型電腦（Thin Client；TC）也能完全用乙太網路供電來運作，同時原有的應用的延伸強化也需要更大的供電，如Web CAM開始裝配馬達，可以調整鏡頭的對焦與縮放，無線存取點也希望強化發送功率與信號運算力，且目前力推的MIMO多收發天線設計也會增加用電量，這迫使 PoE標準的升級。
就目前來說，升級的PoE：PoE+（IEEE 802.3at）仍在研擬中，目標在於提高供電力，預計從現有12.95W提升到25W、30W、甚至上看35W。往未來看，會有愈來愈多的裝置需要與 Internet、Ethernet、IP接軌，且這類的裝置、用品會愈來愈遍及，同時也會愈來愈嬌小（可能只是個數位化的電子相框），因此未來 PoE/PoE+的需求會愈來愈大。
當然！現有力推PoE的業者也希望PoE的應用不要拘限在現有的Web CAM、IP Phone等，所以也提出用PoE替電動刮鬍刀充電、替行動電話充電、連接船塢埠為PDA之類的裝置充電等。
■都域化
乙太網路是區域網路，範疇僅在一個樓層、一棟建築、最多是一個社區，跨出這個領域後即是廣域網路，且就實際而言乙太網路的每一段約100公尺，雖可用中繼器、交換器來延伸距離，但延伸的段落數也有其限。
不過，由於大眾對乙太網路的倚賴日深，期望乙太網路的連接適用範疇能夠更擴大，且近年來除了WAN與廣域與LAN的區域外又進一步提倡介於兩者之間的都域 （都市、城市區域）網路（MAN；Metro Area Network），因此有人提出當把乙太網路從LAN範疇擴展到MAN範疇，所以開始有了Metro Ethernet的提案。
▲Cisco （思科）公司的Catalyst 6500系列：10GBASE-EX4 Metro 10GbE模組，此交換器模組主要是用來佈建、實現Metro Ethernet，速率高達10Gbps，使用單埠、1550nm波長，最遠可達50km距離。（圖片來源：Cisco.com）
Metro Ethernet嚴格來說並不是使用辦公室、用戶機房內最普遍常見的Cat 5、Cat 6線路，而是使用其他的傳輸線路，但線路上所傳遞的封包（Packet）、訊框（Frame）、協定（Protocol）仍是使用乙太網路標準，真正在都 會區域內牽佈的則是VDSL（Very high bit rate DSL，DSL即Digital Subscriber Line）或者是光纖，例如「光纖到府」的Fiber-To-The-Home；FTTH，或者是到商業辦公大樓的「光纖到樓，Fiber-To-The -Building；FTTB」等。
Metro Ethernet的提出，也將使得過去比較舊式的WAN網路技術將被其淘汰、取代，包括T1、T3、E1、E3等租用專線（Lease Line），Frame Relay（簡稱：FR）、Asynchronous Transfer Mode（簡稱：ATM）等，這些過時（Legacy）的網路技術不僅實體層面會汰去，就連協定層面也難以保留，較可能留存是MPLS（Multi- Protocol Label Switching），但也僅用於Metro Ethernet的骨幹段，末稍也沒有發揮之處。
▲ 圖中可見，在左端企業與右端企業間的廣域網路連線，過去是用T1、T3、FR、ATM等技術，而Metro Ethernet則期望用Ethernet將這些環段加以取代，僅在骨幹核心（Core）部分仍可保留使用MPLS或IP技術。（圖片來源：http: //www.ringline.com.tw/epaper/forum93101.htm）
■他替化
所以他替化，即是用乙太網路來取代其他的線路、網路，事實上前述的都域已有部分此種意味，運用乙太網路的協定層技術，來取代過時廣域網路的協定層，再用更先進的VDSL、FTTH/FTTB等實線技術來取代過時廣域網路的實體層。
不過Metro Ethernet僅是部分的他替，隨著乙太網路傳輸速度的提升，其他的延伸替用也愈來愈多，例如以Gigabit級以上的乙太網路所實現的iSCSI，除 了作為平價訴求的儲存區域網路（Storage Area Network；SAN）來看待外，從某種角度看也可將其視為：硬碟介面排線的延長線。
過去的硬碟接線，PATA最長為18英吋，SATA則可以到1公尺、2公尺（eSATA外接型），SCSI最佳狀況也僅12公尺，但乙太網路則是100公 尺，雖然傳輸率僅1Gbps（約100MB/Sec），近於UltraATA/100，但低於SATA 1X、2X，也低落於SCSI或SAS（Serial Attached Scsi），然也已經到了可實務運用的程度。
取代硬碟接線只 是其一，更廣義的替用則會指向I/O接線、連線，而這就需要更高速的速率頻寬，同時乙太網路過去為人詬病的延遲（Latency）也必須改善，這也是目前 乙太網路持續向上提升傳輸率的一大動力，10Gbps級的乙太網路，很大的用意是在取代IBA、FC等機房的特用接線。
不過也因為速度 夠快，所以也有機會部分取代系統電路板上的高速連線，iWARP正是因此而提出，運用乙太網路的10Gbps高速速度，搭配RDMA的遠端直接記憶體存取 技術，可以讓多個機箱、機櫃的運算設備，透過倚賴網路連成一體，這在過去也是幾乎不可能做到的，而今卻逐漸在實現中，且從某種角度看，10Gbps乙太網 路與RDMA、iWARP的搭配，即是系統內連線，I/O接線的替用，且是連線距離能夠延長。
類似的，有業者提出所謂的ATA over Ethernet（簡稱：AoE）也是倚賴乙太網路的另一種硬碟接線延長化、網路化的實現法。另外許多電信設備及嵌入式系統內的背板（Backplane）線路也逐漸有改採乙太網路的趨勢。
▲ATA over Ethernet（簡稱：AoE）與iSCSI在堆疊協定上的比較圖，圖中可明顯看出AoE僅有三層協定，而iSCSI卻高達七層。然而無論AoE或iSCSI，皆是倚賴乙太網路來實現儲存網路化的技術方案。（繪圖：郭長祐）
乙太網路(Ethernet)一千日發展檢視
各位是否知道，今日最新販售的乙太網路相關商品，無論是乙太網路卡、乙太網路交換器等，都會標榜支援虛擬區域網路 （Virtual Local Area Network；VLAN），此即是IEEE 802.3ac，另外也會標榜支援Link aggregation for parallel links（也稱：Trunking），即所謂的「鏈結合併傳送」，同時也是IEEE 802.3ad。不過，這些看似先進的功效與機制，其實都是1998年、2002年就已經奠立的標準，不足為奇。
那麼，真正 Ethernet（IEEE 802.3）的近年來新發展是哪些呢？是PoE？AoE？iSCSI？iWARP？老實說除了PoE是正規且響亮到不行的乙太網路新規外，其餘都是以現有 乙太網路標準為基礎，再進行往上的加搭應用與延伸，嚴格而論不是乙太網路本體的正規提升。
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到底近（2003年迄今）年來乙太網路有什麼新精進與強化，以下我們將對此進行更多的探究。
▲乙太網路的演化過程圖。（圖片來源：Intel.com）
■Ethernet over fiber（運用光纖傳輸的乙太網路）
「Ethernet over fiber」一稱講來嚴肅，更常見的稱法即是10 Gigabit Ethernet，簡稱：10GbE。Ethernet over fiber對應至IEEE為802.3ae，於2003年正式發佈為標準。
事實上10GbE不僅一種標準，細部而論還有10GBASE-LR、ER、SR、LRM、LX4、CX4、以及T等等：
1. LR屬長距離傳輸，線長可及10km，且超過10km的10km∼25km距離間雖無法保證達最快傳輸，但仍可保證資料傳輸不會漏失；
2. ER與LR一樣屬長距離傳輸，且更強調距離性，過去最遠達40km，近年來也有業者推行最遠可達80km的版本；
3. SR則屬短距離用，視接線、接頭類型可以有26m∼82m的連線長度；
4. LRM則是個草擬中的標準（IEEE 802.3aq） ，傳輸距離最遠至220m，主要用來取代過往也用光纖傳輸的FDDI（Fiber-Distributed Data Interface）；
5. LX4傳輸距離在240m∼300m間，採行多模光纖線與分波多工（Wavelength Division Multiplexing），更具體的作法是同時動用四條光纖線路，每條僅使用單一的雷射波長，每條能有3.125Gbps傳輸。此外，若改用單模光纖 （波長1310nm）則可以延伸接線距離，最長達10km。
除了光纖外，10GbE在後續發展中也積極轉化成銅線版，如此才能降低成本以利普及推行，目前有兩種銅線版的10GbE：
1. CX4（也稱IEEE 802.3ak）用四個銅線路的傳輸巷道（Lane）來進行10Gbps傳輸，但距離很短，最長僅15m，此一標準的訂立主要是為了取代IBA（InfiniBand Architecture），此版本的標準於2005年確立。
2. T（IEEE 802.3an）是最接近現有一般性佈建的版本，運用Cat 6（或往後更新構思的Cat 7）雙絞銅線也能達到10Gbps的傳輸，同時接線距離也要達過往的標準：100m。此外在現有Cat 5/Cat5e等無遮蔽雙絞對線（Unshield Twisted Pair；UTP）上使用10GBASE-T傳輸，最長也仍有56m的長度，此版本的標準於2006年頒佈。
▲以光纖線路方式連接的GbE級乙太網路卡。（圖片來源：Sgi.com）
■Power over Ethernet（供電型乙太網路）
由於已有諸多論述PoE技術的專文，在此不再贅提，以下列出若干推薦文章：
◆乙太網路供電殺手級應用：個人電腦
http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=411&zNotesDocId=50300ED73C160D604825716B0058AC46
◆乙太網路供電應用中的電源管理矽元件
http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=112&zNotesDocId=90BA85B5FB47E5714825700300164560
■Ethernet in the First Mile（用於最頭一哩的乙太網路）
IEEE 802.3ah也稱為EFM，全稱為：Ethernet in the First Mile，是一種運用乙太網路既有的訊框格式，進行「單點對多點」的單向性廣播傳輸技術，這項標準於2004年6月由IEEE投票通過，並以此標準訂立出 七種的實現方式，這包括：100BASE-LX10、100BASE-BX10、1000BASE-LX10、1000BASE-BX10、 1000BASE-PX10、1000BASE-PX20、10PASS-TS、以及2BASE-TL。
值得注意的是最後一項： 2BASE-TL，雖然2BASE-TL的實現作法只有2Mbps的傳輸率（傳輸介質用雙絞銅線），但該作法的訴求重點在於距離，標準的乙太網路多以單段 100公尺長度為限，然而2BASE-TL卻可長達2,700公尺（約8,800英呎），很明顯是「捨傳速、求傳距」的作法。IEEE 802.3ah最適合的應用即是到府性的收聽廣播、收視廣播，或其他同屬廣播性質的網路應用。
附帶一提的是，EFM有時也被稱為 Ethernet Passive Optical Network（EPON，乙太被動光纖網路）。只是，現有的EFM、EPON都未到10Gbps的高速能耐，或可及但未有共通標準，所以目前已有研究小 組（Study Group）對此進行研擬，研擬10Gbps版EPON的可行性與標準性，此一提案已編入IEEE 802.3av，未來即便底定也同屬EFM領域，亦即IEEE 802.3af與再強化的IEEE 802.3at都是PoE，而IEEE 802.3ah與再強化的IEEE 802.3av都屬EFM。
▲以雙絞銅線、RJ-45接頭連接的GbE級乙太網路卡。（圖片來源：Sgi.com）
■Backplane Ethernet（用於背板連線的乙太網路）
將乙太網路技術運用於設備的背板線路上，這是乙太網路目前最新的發展之一，這項標準的規格編列為IEEE 802.3ap，目前尚未完成制訂，預計明（2007）年會有進一步的進展。
▲乙太網路做為設備的背板線路、接線時所採行的階層模型，在編碼法方面除了有8B10B編碼法外也有64B/66B編碼法，傳輸巷道上允許使用1巷傳輸，也允許使用4巷同時傳輸。（圖片來源： Broadcom.com）
乙太網路之所以能夠用於背板領域，主要也是拜高速化發展所賜，倘若乙太網路沒有進入GbE、10GbE的層次，也是無緣擴展延伸到背板應用上。而會用上背 板設計的設備，多是些模組化運算系統或網路平台，例如刀鋒伺服器、企業級的交換機與路由器、電信數據服務機房的xDSL多重存取器等。
無獨有偶的，從銅質「外用接線」轉往更短的電路板上「銅箔走線」的，並非只有乙太網路，通用串列匯流排（Universal Serial Bus；USB）也有一樣的衍生性發展，此稱為Inter-Chip USB。不過，Backplane Ethernet與Inter-Chip USB兩者間仍有其差異，背板需要考慮卡槽、接頭等設計，Inter-Chip USB則是完全用於晶片間的連接，眼前並沒有卡槽、接頭等考慮。此外Backplane Ethernet可能採「匯流排」方式連接，而Inter-Chip USB目前是採「點對點」方式連接。
其實，乙太網路也並非首次用 於背板，之前已有PICMG（PCI Industrial Computer Manufactures Group）機構進行標準制訂，規範乙太網路用於背板的外觀構型，不過主要是在模組、單板、基座等層面，但也包含了部分的乙太網路實體層層面。
雖然目前背板型乙太網路的標準尚未完全底定，但已經能夠知道部分的技術細節，例如線箔長度預計可達40英吋，以及為了節省料件成本，預計連接器部分僅會有 兩個接頭，每個傳輸巷道的速率可以是1Gbps或者是10Gbps，這在連接時將透過溝通協調機制來決定，而提供1Gbps與10Gbps兩種選擇（也可 說是回溯相容1Gbps）的原因也在於成本，現有1Gbps規格相關的成本較為低廉，在沒有要求極其高速的情況下可採行1Gbps設計。
除了這些外，為了能用於背板，乙太網路還有許多技術細節必須遷就、改變，例如傳輸延遲（Latency）方面就必須改善，理由是背板多用於高速的資訊交 換，對傳輸延遲相當敏感。其次，傳輸擁塞時的管理機制（Congestion Management）上乙太網路也必須對應強化，這方面其實本規領域也認為相當不足，所以也有IEEE 802.3ar的構想提案。
此外還有背板的備援（Redundancy）、容錯（Fail-Over）等機制，以及從絞線換成無法對絞的線箔時，許多電氣特性也都必須重新處理與設 計，這些都是背板化所要克服的難處。最後，背板型乙太網路也要遭遇前後競爭對手：已大量普及用於交換系統設備的RapidI/O，以及也因高速化而想邁入 背板領域的PCI Express、ASI、HTX（HyperTransport的板卡化標準）等，所以乙太網路此一擴展能否奏效，其實是空前的一項考驗與挑戰。
▲昇陽電腦（Sun Microsystems）的光纖型10Gbps乙太網路卡，圖中可見該卡使用博通（Broadcom）的網路晶片與英特爾（Intel）的處理器晶片，以及PCI-X的介面。（圖片來源： Sun.com）
■更多的新發展
上述就是這三年來乙太網路的一切變化嗎？答案為否，以上僅是較能條理分析歸類的部分，其他無法歸類的項，在此一併加以說明：
◆IEEE 802.3aq：也稱10GBASE-LRM，是在多模光纖的乙太網路傳輸（Ethernet over multimode fiber），等於是原有Ethernet over fiber的強化延伸。
◆IEEE 802.3ar：Congestion Management，針對傳輸擁塞時的管理與處理機制，等於是強化乙太網路的本體標準，預計2007年會有進展頒佈。
◆IEEE 802.3as：針對訊框（Frame）格式與內容進行擴充（Expansion），屬本體性的標準強化。
◆IEEE 802.3au：嚴格而論這該歸類到PoE領域，由於PoE開始用訊號傳輸線來供應電力，因此線路之間的干擾情形會加劇，對此需要有更好的隔離設計規範， 所以提出了IEEE 802.3au，此提案的想法概念源自2005年的IEEE 802.3-2005/Cor 1。
■取代、取代、還是取代
這十多年來，在資通訊領域能夠持續屹立的產業標準，多是透過擴展、延伸、取代來延續其發展，UNIX系統之所以能在90年代大行其道，主要是大幅取代迷你 電腦的價值空間與市場地位，近年來持續支持x86架構成長的除了PC Game之外，就屬之後延伸擴展的伺服器、筆記型電腦為新支柱。
因此，近年來全新的規格標準已是愈來愈少，取而代之的是盡可能以原有的標準來延伸、就近修改成適用標準，包括ATA、PCI、USB等都是如此，而本文的 主題：Ethernet也無從例外，回顧過往Ethernet已經取代了無數的專屬、特有網路，如Token Ring、DECnet、AppleTalk、ARCnet等。
至於現在，Ethernet也依然要持續取代其他網路，往Metro Ethernet、Ethernet over fiber等路線發展，就是要取代T1、E1、T3、E3、ATM等過時（Legacy）的廣域網路。
接著，達到10Gbps傳輸後，將介質換替成銅線的10GBASE-CX4，很明顯是為了取代IBA而來，然後另一種過去也是用光纖傳輸的廣域網路：FDDI，乙太網路也打算用同樣是光纖的10GBASE-LRM來加以取代。
再者，PoE乙太網路雖然是以率先滿足IP Phone而提出，但很明顯的，PoE乙太網路也取代了小型變壓器的供電線路，以及一些手持裝置的船塢埠（Docking Station）接線、掌上型裝置的搖籃（Cradle）接線。
當然！還有背板乙太網路，目標除了取代RapidI/O外，也要防止被PCI Express、ASI所搶佔。另外iSCSI也有助於取代Fibre Channel，AoE有助於壓迫外接式SATA（稱為eSATA，External SATA）與外接型SAS，iWARP也同樣以另一個角度來壓迫IBA，並且使其他活躍於超級電腦、叢集電腦領域的特有網路也開始為之緊張。
因此可以想見的，若乙太網路有未來，那必然會有其他網路技術沒有未來，未來不是在您手上就是在他手上，往後消長就全然視規格攻防的實際執行力而定，策略與相關營運手法將難以使上力。
▲傑爾系統（Agere Systems）公司TruPHY系列的乙太網路交換器晶片：ET1081，可在單晶片上提供最多48個的GbE埠，每埠耗電少於500mW。（圖片來源：Agere.com）
超過100Gbps的次世代光纖乙太網路技術
伴隨著廣域網路和FTTH等的普及，網際網路用戶每年正持續著以2倍左右的速度增長。未來對於高精細行動電話，以及即時影像等等的大容量動態影像傳輸，在實際的市場上需求有快速成長的趨勢。
HDTV影像為了預防出現偶發性傳送非壓縮影像的情況，所以傳送速率必須達到1.5Gbps左右。而對於數位電影和超高品質畫面等，高清晰影像的傳送，則更需要有數倍至數十倍的傳送能力，所以，當進行即時超高品質畫面傳輸的話，必須要有48Gbps以上的傳送速率。
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以目前實際的使用環境來看，連接網際網路用的骨幹核心網路，與終端用戶網路兩者之間的都會網路領域中，期望能夠達到高品質、低成本地實現快速遠端傳送的技 術發展已經相當的迅速，並且市場規模正在擴大當中。那是因為，核心網路透過WDM技術，流量負載可以一口氣升級到了TERA等級，而且終端用戶網路也因為 FTTH技術的進步，正有可能實現1Gbps的廣域網路路服務。但是另一方面，現階段都會網路的流量，只能達到10Gbps的傳輸速率，使得對於整體傳送 負載流量來說遠遠不足。
在一般情況下，現在的都會網路是由1G位元或者10G位元乙太網路所（1000 BASE-LX3、10GBASE-LR/ER4）構成的，但是面對次世代的都會網路的需求來說，能夠達到100Gbps的乙太網路將會是有必要。
就現階段技術層次來看，OC-768（SONET/SDH標準5）的能力，傳送速度已經可以達到超過10Gbps的應用需求，甚至於最快可以獲得 40Gbps。但是，在都會網路要求的數十公里的傳送中，因為事實上會潛在諸多隱藏的問題，所以包括EDFA和分散補償等等的技術，在這樣的應用環境中， 是有其必需性的，此外包括設置、維護等等方面成本也還存在相當多的問題點需要克服。因此，一方面實現100Gbps的高負載流量傳送的同時，另一方面，在 設置、維護成本方面必須能夠達到與10G乙太網路相同的程度成本架構，所以，在這一方面，與乙太網路相適應的100Gbps光纖區域網路路技術也就被業界 積極所開發中。
■100Gbps光纖區域網路物理層的技術問題
在現有的10Gbps乙太網路標準 （10GBASE-ER，EW4）下，已經實現了40公里的傳輸距離，目前的都會網路也是以此為基準構建而成的。因此，次世代的光纖區域網路路需求下，則 必須要滿足傳輸速率能夠達到100Gbps，以及40公里以上。不過，在達到這個傳輸距離的過程中，大量使用EDFA和分散補償等技術或許會造成成本上升 的結果，所以在實際的應用上，是相當不被看好的。
▲圖一：100Gbps光區域網路應用。（資料來源：日立製作所）
■高可靠度低誤差傳送要求
都會網路的訊號傳送需要能達到幾項最低限度的要求，包括了要求同時保證高可靠性（低位元差錯率和低故障）以及低誤差處理率等等。例如，比特位元誤差率必須 滿足在乙太網路標準的10(-12)以下。然而在傳送速度上升的同時，實際上訊號品質惡化的事實是難以避免的。所以，次世代的區域網路，必須透過使用更正 誤差和修復等等的技術，來實現所要求的高可靠性。在更正誤差和修復的處理中，對於通訊資料，在原理上必須附加冗長數據，不過，再提高效率的需求下，就必須 盡可能地降低冗長數據，避免生的訊號傳送的延遲以及錯誤。
■實現100Gbps光纖區域網路路物理層的技術
對於100Gbps的光纖區域網路路來說，透過傳送速度為10Gbps的12通道並列使用，來達到整體100Gbps的傳輸環境，就技術上而言可現實性是 比較高的。這是因為如果是100Gbps連續傳輸的話，在達到低成本化目標是會出現一定程度的困難，所以使用連續訊號的多通道傳輸，是實現100Gbps 的訊號傳輸，具有較佳的基礎優勢性。
在多通道傳送中，單一通道傳輸速度、通道數以及傳送介質等等，可以出現多樣化的組合型態。但是其中 最容易現實的方法是採用10Gbps的傳輸速率，再配合10條通道數，不過，目前有部份業者提出，採用12條通道的模式，其中10條通道為資料訊號，剩下 的2條用於更正差錯以及修復訊號。
但是在將來，如果25Gbps的光纖設備和分散保護電路的低價化開發，能夠得到不錯進展的話，那麼就 有可能可以實現光纖的低價格化，和因為WDM通道數的降低，而獲得整體傳輸成本的減少。另外由於傳送距離的問題也能夠得到解決，相信25Gbps配合4通 道的傳輸模式，將會成為最佳的解決方案。
300公尺以內的短距離傳輸，大多是使用Ribbon光纖，而傳輸距離長達40公里的情況下， 就必須採用CWDM技術，因為在短距離區域內的傳輸，較合適使用不需要波長合波／分波器的Ribbon光纖。另一方面，在長距離傳送中所使用的元件，與成 本較高的Ribbon光纖相比，利用連續光纖和波長合波／分波器的CWDM技術來傳送的話，就能夠實現最適當的成本結構，並且可以將CWDM波長間隔定為 10nm，也能夠降低對於雷射光源 溫度控制的精度要求。
■多通道光纖模組
4 通道光纖傳輸模組是3.2cc，具有超小的體積的特色，並且能夠提供100公尺的傳送距離（用MMF時），以及40Gbps的總傳輸流量負載，所以基本 上，在技術方面有一些優勢，包括了在發送、接收部分都可以採用同樣的透鏡構造，達到小型化的目標，以及降低發送接收之間crosstalk的構造。
由於是透過使用1片Micro Lens Array，所以在4通道的面發光雷射陣列、光二極體，以及多通道的光纖纜線中，可以將光結合起來的同時，達到縮小實際封裝面積的目標。
此外在降低Crosstalk的部分，由於是將收發結構予以小型一體化、當傳輸速率提高至10Gbps時，需要對對Crosstalk進行有效的控制，所 以將發送部分和接收部分的電力訊號，分別放到光纖Transceiver的兩側，透過在這些空隙加入遮蔽的構造來減少Crosstalk，所帶來的干擾問 題，同時這個遮蔽構造，能有助於面發光雷射和IC的散熱。
■通道結合技術補正
在100Gbps光纖區 域網路的物理層，對於PCS（Physical Coding Sub-layer）來說，從MAC（Media Access Control）層開始，是以160bit×625Mbps的形態進行資料傳輸的，而160bit的資料在PCS的輸入端，被分割為16bit，並被分配 成10條資料鏈進行傳送。另外，這些資料鏈和前面所述的並列通道是相成對的。裝載在各資料鏈上的Idle訊號產生器形成2048bit的Skew檢驗專用 資料Patten。100Gbps光纖區域網路中，用於查出通道間Skew的資料Patten長度為2048bit，這是由32個64B/66B編碼區塊 的組合構成的（表1）。各個64B/66B編碼是將由64B/66B編碼定義的/I/和/K/這兩個專用性質，在5個位置（C0∼C4）組合配置構成的 （剩餘的3Byte就不需要）。PCS的接收部分的電路，分別接收這個2048bit的資料Patten，透過檢查出Patten之間的相位差，得到通道 間的相對性Skew量。然後根據檢查出的Skew量，透過調整從接收部分的緩衝記憶裝置中，所讀取的時間來補正通道之間的Skew。
■100Gbps誤差校正
在100Gbps光纖區域網路中，具有Hamming編碼的BIT誤差校正功能。誤差校正功能是在高速10Gbps訊號傳送中，實現乙太網所要求的誤差率（BER＜10(-12)）的必要技術。
作為遠端傳送中的誤差校正技術，經常使用RS編碼和TCM編碼，雖然它們的誤差校正能力很高的，但是也有編碼／解碼化的處理時間長，並且電路規模過大的劣 勢一面。在100Gbps光纖區域網路中，為了重視較低的遲誤性，搭配了使用處理遲誤時間更短的Hamming編碼的誤差校正功能。
為 了實現高可靠度的資料傳送，搭配了檢測和自動修復功能。因此，即使是10條資料鏈中任何1條鏈出現永久性產生故障，也不會有通信中斷的情況，依然可以進行 資料的收發，因為當某條資料鏈出現永久性故障時，透過計算殘餘的9條鏈，和防衛鏈資料的Ex-OR，重新修復故障鏈的資料。所以利用這樣的結構，不會出現 故障時的通訊中斷，和設備的維修，而能夠持續資料的收發，並且實現極高的通信可靠度。
▲圖二：100Gbps光區域網路的實體層構造。（資料來源：日立製作所）
■高速網路環境下的拓撲結構
以往在舖設區域網路時，大多是將硬體和網路線進行串聯，是最理想的拓撲結構，而以下的各終端則可以透過光纖路由器／集線器連接成數階層的星形拓撲結構。
在這個結構當中，為了連接任意2點，大致可分為3個方式。一個是在WDM中將終端分配至多重化訊號的各個波長通道。第二是將數根纖維並列使用空間多重的方式。第三是，將光纖傳輸靈活地擴張開來，在一個線路時間下，讓數個終端共用。
第一種WDM的方式中，可以考慮到的是，在各終端分配波長，透過中間的路由器進行多元管理的方法。將分配到的波長，透過波長變換元件和光Switch進行 波長改變，而達到在同一時間內，分波傳送的目的。但是在這個方法中，由於波長的數量有限，也就限制了大量擴充的可能性，而且在每個終端都必須分配不同的波 長。另外，雖然一個連接所占的波段通常是穩定的，但卻被控制在波長周圍的波段。
第二種方式和第一種方法相異的是，是由多根纖維所構成的多種空間中，能夠在同一根纖維中，充分使用最大的波長，而沒有變換波長的必要。
第三是利用動態控制傳輸的方式，由光纖Switch來進行Time Share。在這種方式中，光纖Switch的速度就成了最大的影響因素，雖然當程序管理控制出現過重負擔時，會產生網路效率下降的缺點，但是因為具有高 擴充性，而且不需要相關元件來進行波長變換的動作，以及不易受到波長範圍的限制，使得傳送速率可以超過100Gbps。
當然，上述的方式各有優缺點，為了達到彌補的目的，可以考量採取混合使用的結構。即透過Time Share，將有限的波長多重且靈活地分配至終端，以同時確保擴充性和終端使用的波長。。
■高速需求光纖設備所出現的課題
光纖路由器／集線器，光纖Switch群、任意波長變換器、WDM合分波器等等是相當關鍵的設備。如果能夠最佳化的話，就能夠讓終端所配置的光纖收發模 組，將傳送速率提升到100Gbps以上。透過WDM的並列傳送方式，可以實現超100Gbps的總傳輸速率，但是由於多值傳送和偏波而產生的多重化，高 速傳送下，會出現OTDM超過電子設備可處理的能力，因此就必須要有可支援如此高速處理能力的光纖電子設備，而且為了達到這樣的目標，有幾個要素是必須考 慮的，包括了，積集性、低耗電力、降低元件數量（低成本），以及未來的擴充性。
（圖三）是10G-160G OTDM的示意圖。左半部分是OTDM-MUX（多工化），右半部分為接收方的OTDM-DEMUX（多工分離）。主要構成的元件包括了，外部同步的 Optical Clock光源、光纖延遲電路、Optical Gate Switch、分諧波Optical Clock，以及Timing Frame檢測。這個例子中，將16埠的10Gbps多工化了，而也有可能將4埠的40Gbps以上進行多工化。
▲圖三：10G-160G OTDM的示意圖。（資料來源：產業技術總合研究所）
■為了達到超高速的傳輸 相關設備需要積極開發
超大容量傳輸相信在不久的將來一定會實現，首先會從SAN、LAN領域開始出現相關的應用，因此，相關設備也應該開始提昇速率來符合整體環境的應用需求，並且160Gbps的ETDM相關設備也要積極的開發，包括光纖設備，電子電路，光纖區域網路設計等等。
隨著超高速化，光纖領域中的變換，連接受到期望，因此，不同的PHY之間的變換技術和光纖Basket處理技術，緩衝等，預測有很多重要的開發課題。因此 和現在廣域網路的平均傳輸能力相比，傳輸能力必須提高數千倍以上。實際上，10G乙太網路已經相當普及，市場對於100G乙太網路的期待也年年增高。在傳 送百萬Byte資料時，以目前的設備為基礎，哪怕是擁有100Gbps的傳輸能力的話，還是需要數分鐘的傳輸時間。所以，在面對超過100Gbps的傳送 需求時，不僅僅是電子設備和資訊儲存技術都需要進一步地發展，包括光纖技術的超大容量區域網路技術的開發也是必須同時提昇。
參考資料：
日立製作所／豐田英弘、西村信治、坂卓磨－次世代Ethernet 100Gbps光LAN。
透過電力線傳送數據簡化佈線難度的PoE乙太網路
事實上，將電源和數據資料利用同一條纜線傳送到終端或主機，並不是什麼新技術，以現有環境來看，有線電話的應用實現了這一項技術最低階的應用，電話設備便是利用交換機房供電而達到實現語音交換的目標，當停電時，電話不會因家庭的電力中斷而無法使用。
不過，一直到現在，歷經了數十年，在IEEE於2003年正式核准了802.3af標準之後，透過同一條纜線同時傳輸15.4W電源和數據資料的新一代技術，又被業界所期待。基本上，802.3af標準的內容僅是規範了遠端系統中的電力檢查與 控制，不過也是因為這樣，使得PoE（Power over Ethernet）的環境得以誕生，可以藉由符合802.3af規範的路由器、交換機與集線器，透過CAT-5（RJ-45）的乙太網路纜線，向包括VOIP電話、WLAN基地台、包括 藍芽基地台、網路印表機、網路攝影機、安防系統、門禁讀卡機與監測系統等等的遠端設備，同時提供電力與資料封包，如此一來，可讓整體的系統架構更簡單，大幅度地減少纜線的使用數量，並且不僅達到維護容易，更能夠降低成本，並且市電中無論是110V或者220V都可適用。
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根據實際的經驗，美國Purdue大學在校園中佈建了1,100多個無線基地台，涵蓋校園140多棟建築物，提供全校4萬多名師生無線上網服務，而在技術 上，Purdue大學便是選擇了PoE技術，利用這項技術向無線網絡設備同時提供電力與資料訊號，而這樣的佈建，在成本上每個無線網絡基地台的佈建成本， 平均節省了350∼1,000美元。
在整體市場方面，根據Venture Development Corporation（VDC）的研究報告中顯示，到2008年，全球乙太網供電接受端設備的市場規模，將突破52億美元，而年複合成長率也有機會達到 38％。在晶片的部分，相信每單元價格預計將會低於0.5美元。所以，目前來說，PoE已經成為乙太網路的熱門應用技術之一，包括，3Com、Cisco 等業者都已經開始提供與IEEE 803.3af標準相容的網路設備。對於所以針對需要新佈建乙太網路、電話線路與裝潢新辦公室的企業而言，透過PoE技術來完成網路設備的供電與訊號傳 送，是相當便捷且降低成本的一個方式。不過就單一成本而言，PoE交換機設備較一般傳統設備的成本高30％，所以，採用PoE技術來舖建網路環境，還是比 較適合新建的工程，較不適合設備系統升級時的考量
▲圖一：典型的乙太網路供電系統架構。（資料來源：PowerDsine）
■PoE技術背景
就基本上而言，PoE的技術規範，所指的是利用現有的Cat-5乙太網路基礎架構下，在佈線方面不做任何的改變下，遠端設備能在長度不超過100米的 Cat-5纜線，在提供終端產品與現存10/100Mbps甚至1Gbps乙太網路系統和用戶相容性資料訊號傳輸的同時，也能夠同時提供15.4W直流電 力的技術，而達到保證網路在正常且安全運作，能夠大幅度地降低成本。而這樣的PoE技術，也被稱為Power over LAN或者是主動乙太網路。因此PoE技術在正式的標準規範上，是被IEEE所核准的IEEE 802.3af標準，也就是在原先IEEE 802.3的基礎上，增加了透過網線直接供電的相關標準，達到乙太網路標準擴充的想法。
■每個Port能夠提供最高15.4W的電源
整體的PoE架構是由PSE端（供電設備），是為乙太網路用戶端設備供電的設備，也是POE乙太網路供電過程的管理者，和PD端（被供電設備），接受供電 的PSE負載，即POE系統的終端設備所組成的。供電設備可以是遠端設備或者是中繼設備，被供電設備則是為支援PoE技術（802.3af標準）的終端產 品。而電源可以通過標準CAT-5中的資料線對（1、2負極，3、6正極）或備用線對（4、5正極，7、8負極）進行電力和資料的傳送。在電源承受負荷部 分，CAT-5纜線的最高承載電壓為80V的直流電壓，RJ45連接頭的最高為250V、1.5A，這對於一般的安全標準低於60V直流電壓來說，已經是 相當足夠了。所以IEEE 80.2.3af標準在被制定時，也都考慮了這些參數以及相關條件。
而符合IEEE 802.3af標準的供電設備，都具有安全的檢測機制，來防止對不符合標準的設備供電。也就是說，只有根據802.3af標準法則設計，提供了PoE驗證的終端產品才會得到供電，來預防對其他產品設備產生破壞的情況。
而中繼網路設備的每個Port能夠提供最高15.4W的電源，來提供終端設備的運作。事實上對於目前的終端設備而言，15.4W的電源是相當足夠的，例如 IP電話的功率需求約3∼5W左右，無線區域網路基地台電力需求為6∼12W，IP監控攝影設備為10∼12W。而當資料封包透過中繼網路設備進行傳輸 時，也不會受到更改或干擾，此外當中繼設備的電源中斷時，資料封包仍會被保留住，而不會產生遺失。
POE主要特性參數為：
1.電壓在44∼57V之間，典型值為48V。
2.允許最大電流為550mA，最大啟動電流為500mA。
3.典型工作電流為10∼350mA，超載檢測電流為350∼500mA。
4.在空載條件下，最大需要電流為5mA。
5.為PD設備提供3.84∼12.95W 五個等級的功率，最大不超過13W。
■克服12uA最大漏電流的規範
目前POE有兩種供電的方是，分別是Mid-Span和End-Span。Mid-Span是利用纜線中沒有被使用的絞線來作為提供電源，而End-Span則是在傳輸資料所用的絞線上，同時傳輸電流和訊號，不過頻率上需要予以區隔。
目前，支援PoE技術的乙太網路Switch Hub能夠透過其24或48個Port來提供終端設備的電源需求和資料傳輸，此外在面對傳統終端設備時，還具有回溯相容的能力，也就是說，能夠單純的提供 資料傳輸，而不致在安全上帶來影響。雖然，在規格上，每一個Port都能夠提供15.4W的功率，但是因為考慮到因為線路距離所帶來的訊號衰減或損耗，所 以，在IEEE802.3af的標準中，規定每一個支援PoE技術的中繼或終端產品最大的功率消耗只能13W。就整個支援PoE技術的產品系統來看，對於 設計者來說，最大的挑戰是在電源的控制部分。不過，這一方面已經有包括飛利浦、Powerdsine等等相當多業者提供相關的解決方案。
一般而言，對於符合IEEE802.3af的終端或中繼應用產品，基本都具備熱插拔的功能，而這是需要依賴符合支援PoE熱插拔的控制器來完成，基本上能夠達到獨立控制PoE Port、具有用電設備連接狀況的檢測能力、控制突波電流與穩定電流的能力等。
▲圖二：PoE技術將會使乙太網路終端的電力供應問題得到很大程度的解決。（圖片來源：Pectol）
尤其在控制突波電流與穩定電流的能力這一方面更為重要，這一方面，就考驗著MOSFET的能力，因為熱插拔的原因，會使得時常出現電流變化和突波的現象， 在這樣的情況下，MOSFET就必須經常承受瞬間的電流變化，所以在設計上，大多是採用分離式MOSFET來完成，並且因為IEEE802.3af的規 範，每個Port的最大漏電流不能超過12uA，所以MOSFET在關斷的狀況下，必需能夠保持相當低的漏電流，而選擇低漏電流的MOSFET就便得非常 重要，當然，如果能夠採用漏電流1uA左右的MOSFET是最好的。不過漏電流抑制漏電流並非只單單依賴MOSFET就能夠得到解決，還必須配合整個完美 的系統佈線才能夠完成的。
■來自輔助電源的設計考驗
輔助電源也是在設計上的一項艱困的考驗，在輔助電 源的設計上，有多種理念可以完成，不過，整體來說，可以分為前端和後端的輔助供電。前端輔助供電是將電源接到受電產品的前端，並且透過熱插拔的系統來提供 電力，而後端輔助供電則是將電力直接連接到模組的電源部分。這兩種方式各有其困難的地方，也有其特色，例如，如果是採用前端輔助供電的好處，可以依靠熱差 拔系統來提供保護的作用，不過當電壓過低時，就會造成供電設備無法檢測出到受電設備的現象。而在採用前端輔助供電下，當供電的電壓大於或等於PoE電壓 時，也會有相當的困擾出現，由於MOSFET對電源的輸入電容充電，受電設備控制器輸入電壓的突然增加，而使得熱插拔晶片進入限流狀態，解決的方法大多是 將熱插拔控制器的電流限制高於輸出到負載上的直流電流。
除了前端和後端的輔助供電外，還有一種最簡單的方式就是將輔助電源直接連接到受 電設備，不過採用這樣的方式，需要其他的元件配合，甚至需要包括隔離開關穩壓器或線性二次穩壓器等等的元件。為PoE供電設備增加輔助電源是一件非常複雜 的、極具挑戰性的工作，需要理解了每種配置方式的成本、優點和限制，才能夠選擇適合的方案。
■搭配寬頻電力線傳輸技術完成全電力線數據傳送
與PoE有相同概念寬頻電力線傳輸（BPL），也是透過電源線來達到資料封包傳送的技術。其實，相同的寬頻電力線傳輸（BPL）也是有一段時間的技術，不 過經過技術論證和試驗，目前可以說即將達到實用化的階段。透過寬頻電力線傳輸（BPL）可以達到目前最主流的網路技術DSL或Cable的功能，而使得網 路佈建難以所及的偏遠地帶得以享受網路的便利性，並且可作為小型辦公室或家庭的DSL或Cable備用方案。尤其在成本方面，與DSL或Cable相較之 下，寬頻電力線傳輸（BPL）更有其優勢性，終端用戶唯一最大的需求是一部符合寬頻電力線傳輸（BPL）的數據機。
■透過中壓線路完成資料封包傳送
由於寬頻電力線傳輸（BPL）的傳輸介質是電力纜線，所以需要透過電力公司的電力纜線作為傳輸的介質，目前電力公司的電力架構大多分為作為主幹傳出的超高 壓、高壓線路、佈建於城市的中壓線路、以及連接至建築物的低壓線路。而寬頻電力線傳輸（BPL）則是透過變電站，將資料封包送入中壓線路，在藉由城域的中 壓線路以及建築物的低壓線路，傳送到用戶的寬頻電力線傳輸（BPL）的數據機中。
不使用超高壓、高壓線路的原因是，因為在 2∼80MHz的範圍內，會出現相當大的噪比值，而使的資料的傳輸受到干擾，降低了訊號傳送的正確性，當然也可以透過誤差修正的技術來克服，但是這樣一來 就會工程過於浩大，增加成本負擔的缺點。不過，這一段的訊號傳輸，可以利用光纖網路來取代超高壓、高壓線路。
在整體的寬頻電力線傳輸 （BPL）的環境中，最關鍵是在於當訊號經由中壓線路導入低壓訊號的這一個階段，由於變壓器在進行電壓降壓和混傳數據訊號時，會產生大量的噪音，而直接影 響到訊號傳送的正確性，因此，業者也不斷提出相關的解決方案來克服此一問題。例如，在變壓系統中另設置一套機構，讓訊號繞過變壓系統，傳送到終端用戶的數 據機中。或者是，當訊號送達變壓站前，就設置無線網路基地台，讓資料封包在進入變壓站之前，就能夠透過無線網路基地台傳送出去，再加上無線網路基地台可以 設置在中壓線路的任何一段位置，使得在佈建上容易了許多，不過使用無線網路基地台也並非全然沒有缺點，電波干擾就是一項嚴苛的挑戰。
■進入實用化階段前的關鍵問題
就現階段技術而言，寬頻電力線傳輸（BPL）還存在著許多問題需要解決，才能夠被宣告進入實用化的階段，這些問題包括了，成本、訊號干擾、安全機制等等。
當然，成本是所有技術的最優先課題。期望能夠透過電力網路來提供寬頻語音和數據業務，需要極高的成本投資負擔，並且也無法在短時間之內就能夠完成佈建，同 時也需要電力公司的配合才能夠完成。雖然透過電力線能夠讓數據傳送能力達到電力可及的任何地方，但是就整體成本而言，網路使用密度低的地區還是相當不適 合，因為過高的設備成本，會對業者產生相當大的虧損負擔。例如，因為號最大傳輸距離只有約450公尺，所以每隔一段距離就需要安置一套訊號放大系統，這就 是相當沉重壓力，這樣的先天問題使得在郊區的地域，在成本考量下就無法透過電力線來完成數據傳送的目標。
此外，先前提到的訊號干擾也是 一大問題，因為電力線沒有任何的數據保護機制，對於環境抗干擾的能力相當薄弱，容易和週遭的無線通訊頻波產生感擾，例如短波無線通信的2∼30MHz，就 會對透過寬頻電力線傳輸（BPL）的數據帶來干擾的問題。此外，同一建築物內的電力線路也會造成彼此之間的干擾問題。不過，這個問題，已經可以藉由 HomePlug AV的規範來獲得初步的解決。
最後，安全機制也是一個關鍵點，因為佈建在外的電力線毫無任何的保護機制，雖然可以透 過遠端系統的安全保護機制，但是無法阻止傳送至某一用戶的訊號不被傳送到其他接入用戶。當然並非所有的網路技術在安全方面都是可以高枕無憂的，所以這一方 面還是需要強化加密演算法，來達到數據的保護。
■電纜交錯、佈線繁雜會因為PoE的技術而獲的解決
PoE技術將會使乙太網路終端的電力供應問題得到很大程度的解決。相信在不久的將來，隨著下一代PoE技術的問世，各項網路產品都可以透過乙太網路線來獲的電力，而電纜交錯、佈線繁雜的情況，也將會因為PoE的技術而獲的解決。
▲圖三：Mid-Span可利用纜線中沒有被使用的絞線來作為提供電源。（資料來源：旭捷）
參考資料：
美國國家半導體／Joseph DeNicholas－輔助電源對乙太網路供電（PoE）應用的擴展。
飛利浦半導體／Ian Moulding、Christopher Hill－電源管理晶片在乙太網路供電中的應用。
GE/10GE跨足嵌入式連結市場 挑戰重重
乙太網路（Ethernet）發展至今，已走過三十多年的歷史。這段過程中，它也經歷了來自業者多種標準規範的競爭，但事實證明乙太網路至今仍舊屹立不搖，成為電腦網路中廣泛被應用的一項互連技術，甚至可以說是TCP/IP最有代表性的一個技術名詞。
一路走來，乙太網路的技術進展不曾停頓，從4800bps、10Mbps、100Mbps，逐步提升到今日的1Gbps（GE）及10Gbps （10GE）超高傳輸速度。除了速度的提升，以及向下相容過去的標準，以保障既有的區域網路投資外，在TCP/IP協定堆疊的機制上也持續在改進，而且還 兼容並蓄，從競爭對手的優勢中學習，讓自己的技術架構更為完善；甚至敞開合作的大門，在開放的基礎下建立溝通的平台，讓網路的連結環境更加通透寬廣。
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當一項技術不斷地狀大，它的應用往往不會侷限於原來的市場，乙太網路正是這樣的一個例子。乙太網路已證明它是一項可靠的標準，再加上無所不在的網路應用 性，讓它不僅成為電子電機相關系所中的基礎教材，也是其他技術在整合上不得不考慮的支援對象。在應用領域上，從區域網路（LAN）的集線器（Hub）、交 換器（Switch）起家，GE/10GE的技術一方面向外延伸勢力範圍到都會網路（MAN）及廣域網路（WAN）當中，另一方面也開始跨入嵌入式系統 （embedded system）的領域，成為嵌入式系統互連技術的一項選擇。
■嵌入式系統的互連議題
電子系統之間的溝通，都得仰賴電路、線路或網路。這個電子系統，有大有小，從小而大可分為晶片（chip）、背板（backplane或board），再 到整個裝置（box或chassis），因此系統與系統之間的連結性就有晶片到晶片（chip-to-chip）、板到板（board-to- board）和裝置到裝置（chassis-to-chassis）三個層次，如（圖一）。乙太網路最常應用到的集線器、交換器、網路卡，就是屬於裝置與 裝置之間的資料傳輸互連，然而，基於乙太網路在網路世界的主導地位，讓它也成為嵌入式系統社群中考慮採用的一項通訊機制。
▲圖一：電子系統三層次互連性。（資料來源：RapidIO）
首先來看看嵌入式系統的互連性環境。嵌入式系統的互連需求主要來自板級和晶片之間，這是一個要求高速互連的環境，需要有特殊的技術機制來滿足各種訊號交 換、路由及偵錯校正等互連性運作，並採用分散式處理架構來提升連結效率。在過去，不同的廠商可能會採行自己獨特的內部互連技術，但為了讓產品開發能跨越不 同平台，也能採用更多的通用元件或模組來降低成本，產業間的標準化介面已成了必然的選擇。
隨著製程技術及主處理器效能的不斷升級，嵌入 式系統的互連性效能也被要求提升。為了達成這項要求，新的技術不斷地被引進，也推動匯流排技術一代代的演進。以超過25年歷史的VME匯流排來說，採用的 是分享式匯流排（shared bus）技術，傳輸速度只能達66MHz；接著在PC上紅極一時的PCI/PCI-X，採用階層式匯流排（hierarchical bus），能達到133MHz的速度；不久前推出的Hypertransport（AMD主導）和平行式RapidIO（P-RapidIO, Freescale主導），則屬於第一代的點對點匯流排技術，開始採用封包式交換，實體層則採source-sync differential技術，能以極少的接腳數，將傳輸速度一舉提升到3GHz；第二代的點對點匯流排技術，也就是最新的PCI Express（PCI-E）、序列式RapidIO（S-RapidIO）和GE/10GE，再導入串列器/解串列器（SerDes）技術，能以最少的 接腳數，將傳輸速度再提升到10GHz以上。請參考（圖二）。
▲圖二：互連技術發展演進。（資料來源：RapidIO）
■乙太網路跨入嵌入式系統
PCI 在1990年代初期出現，其中的CompactPCI獲得很大的成功，但PCI有其傳輸能力極限，也被質疑能否滿足不斷提升的處理器模組效能；此外， PCI也被認為用了太多接腳，在延展性上也不夠。這些理由都迫使PICMG組織去尋找更佳的解決方案。當時開始出現刀鋒伺服器的新架構，其內部採用交換結 構（switch fabric）來連結系統中的所有電路板，而乙太網路正好可滿足這種資料交換的管理需求。
■PICMG2.16/cPSB
在此態勢下，PICMG在2001年9月將乙太網路納入其2.16規格當中，此規格將乙太網路標準當作CompactPCI封包交換背板（Compact Package Switching Backplane, cPSB）的基礎。本規格對於在一個CompactPCI架構裡週邊插槽（peripheral slots）與光纖插槽（fabric slots）之間10/100/1000Mbit 乙太網路互聯做了詳細定義。光纖插槽是相互備援的，乙太網路與IP數據傳輸的普遍需求促使系統提供者廣泛採用此規格，讓PICMG2.16相容系統被廣泛 應用於多種用途上。
■AdvancedTCA/ATCA/PICMG3.0
在PICMG 2.16 PSB規範中，經由主板上的雙乙太網路連接埠，與背板上的特定交換器板卡所形成的雙星拓樸（Dual Star Topology），讓板卡間的資料交換通道頻寬上限達到2Gbps。在於滿足下一代通訊設備所需，大量高速資料頻寬的市場需求，更新一代的 PICMG3.0標準在2002年11月正式推出，新舊規格的比較請參考（表一）。由於此規範是為了滿足電信營運級設備的「可靠性、可用性、適用性 （RAS）」高階處理需求而制定，因此也稱為AdvancedTCA（Advanced Telecom Computing Architecture, 也簡稱ATCA）。不過其高性能和良好的性價比，加上標準化的模組化架構，讓它的應用推及更廣的領域，尤其是高可靠度資料中心（HA Data Center）。
表一：PICMG新舊標準比較表。（資料來源：電子時報整理）
在ATCA的資料傳輸架構，包括系統管理、基本介面、Fabric交換介面和更新通道。其中基本介面提供一個基於IP使用10/1000/1000 BASE-T的雙星型結構乙太傳輸，與背板上的交換板卡相連，形成最基本的板卡間資料傳輸通道。基於IP的服務要求是為了在ATCA機框中提供一個基本資 料傳輸，IP服務可被用以網路開機，遠端監控或高端的系統管理。
Fabric 介面則是ATCA架構中主要的資料傳輸，可以承載高達2.1TB/s的資料吞吐量。此外，PICMG協會將目前產業中幾個主流的互連技術都納入其中，分別制定了不同的子規範，為系統之間的傳輸交換帶來了最大的靈活性，包括：
PICMG 3.1 Ethernet and Fiber Channel
PICMG 3.2 InfiniBand
PICMG 3.3 StarFabric
PICMG 3.4 PCI Express／Advanced Switching
PICMG 3.5 Rapid IO
■AdvancedIO
除了產業標準外，另一套值得一提的乙太網路嵌入式技術，則是由AdvancedIO公司推出的同名技術。AdvancedIO定位在為嵌入式運算市場提供 可配置（configurable）的10Gigabit Ethernet（GbE）連結性和封包處理解決方案，以可程式邏輯來解決寬頻應用中高速封包交換的問題。
在高效能的嵌入式系統中，已 出現網路資料傳輸率和處理器效能之間的不一致性。資料傳輸的效能已大幅超前處理器的效能，因而造成如10GE等高速匯流排全速傳輸上的瓶頸。在嵌入式系統 中，一般仰賴高密度分散式處理元件（processing element），每個元件被最佳化來處理特殊的DSP功能，而沒有剩餘的資源來處理複雜的TCP/IP流量運算工作。為了填補這種高效能的不足，系統需 要在網路介面採用TOE（TCP/IP offload engine）和協定加速架構（protocol acceleration scheme）。
在匯流排架構中採用FPGA，可以讓網路卡（network adaptor）具備從主系統卸載TCP/IP協定運算的能力，並將其他的功能建置進來，以改善嵌入式系統的整體效能。以AdvancedIO來看，它建 置了10GE實體層編碼子層（physical coding sub-layer, PCS）、10GE MAC和RapidIO（或PCI-E）交換架構介面，另外還包括客製化應用的邏輯區塊，以及一顆PowerPC核心。請參考（圖三）。
▲圖三：AdvancedIO硬體架構圖。（資料來源：AdvancedIO）
其中FPGA能提供高速介面映射（map）、佈局和繞線（place and route），並保證滿足時脈，這些介面都可透過處理器核心來 控制。除了支援10GE外，AdvancedIO也提供全速接取RapidIO或PCI-E的交換式結構，能從10GE的IP網路收發完整的IP數據包（datagram），採用此架構，你可以很容易進行各種簡單和複雜的協定處理的建置。
■比較
在嵌入式系統的互連技術市場，乙太網路雖已被視為可採用的選項之一，但它仍面臨許多既存標準的挑戰，包括PCI-E、RapidIO、 HyperTransport等等。這些技術各有其擁護的陣營，以及其立足的基礎，例如PCI-E有Intel在主導，Hypertranport的背後 則是AMD，兩者都從PC市場出發，試圖跨入一般性的嵌入式領域。RapidIO則一開始即為高效能嵌入式系統而設計，在通訊網路、儲存、多媒體等領域已 有相當的嶄獲。
在技術規格上，HyperTransport和PCI Express同樣採用了雙向序列（Serial）連結架構，也都強調具有隨單工通道（Lane）增加而以倍數加大頻寬的功能。RapidIO則強調強調 同時提供平行和序列介面格式，其中，平行介面格式是為了電路板上晶片到晶片的通訊而設計，主要是用在高速處理器和記憶體的前端匯流排功能上；序列介面格式 則是為背板上的板到板通訊而設計，也用在如DSP的高密度通訊應用。
這些技術中，GE/10GE技術能支援的終端數是最高的，但訊號的 延遲性也是最高的，這來自對終端的偵錯校正堆疊，此作法容易造成延遲抖動等議題；此外，在封包效益（packet efficiency）的比較上，也是最差的，請參考（表二）。因此，乙太網路雖是網路連結的技術霸主，但在嵌入式領域的功能性上，顯然仍有待加強。其他 需改善的能力，還包括QoS機制、過高的額外負荷（overload）等。
表二：各種連結技術實體層規格比較表。（資料來源：RapidIO）
另一個不容忽視的瓶頸則是出現在流量控制。乙太網路在高速嵌入式背板的應用限制，出於對資料流量的擁塞管理（congestion management）能力不足，這也是乙太網路用於ATCA背板連結時，最主要的障礙所在。乙太網路的鏈結層流量控制可以在Layer 2執行擁塞管理，但更上層就未制定相關的配套解決策略。IEEE 802.3工作組正在研商為乙太網路加入額外的擁塞管理特性，以克服這項限制。
■結論
乙太網路在區域網路世界的成功，讓它具備了對外延伸到廣域網路，及對內跨足嵌入式系統的極大本錢。在嵌入式的應用中，它的高速傳輸及交換能力被電信級系統 所肯定，已成為背板級的重要連結方案；在其他的嵌入式領域，也可見到應用的例子，如用在網路安全「入侵偵測系統」的硬體架構中，如（圖四）所示。
▲圖四：GE在網路安全的應用－「入侵偵測系統」方塊圖。（資料來源：凌華科技）
不過，高速嵌入式系統對於連結技術有其專屬的要求，尤其是在晶片級的設計中，除了傳輸速率外，還很在乎有效的標頭（header）負載、封包大小、延遲 性、流量管理，以及對記憶體的接取管理策略等。乙太網路有機會在這個領域扮演更重要的角色，但得展現更大的企圖心才行。（作者為電子產業自由作家）
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