การสื่อสารข้อมูลงานอุตสาหกรรม 
 ตอนที่ 9 อีเทอร์เน็ตสำหรับงานอุตสาหกรรม (ตอนที่ 1)

พิชิต จินตโกศลวิทย์ 
pichitor@yahoo.com

          ระหว่างปี 1970 บริษัท ซีรอกซ์คอร์ปอเรชั่น (Xerox Corporation) ได้ทำการพัฒนาระบบอีเทอร์เน็ต ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากหลักการสื่อสารข้อมูลของนักวิจัยของมหาวิทยาลัยฮาวาย ซึ่งหลักการดังกล่าวทางมหาวิทยาลัยฮาวายเรียกว่า ระบบเครือข่ายอโลฮา (ALOHA) โดยใช้สัญญาณวิทยุส่งกระจายไปตามไซต์ (Site) ทั่วเกาะฮาวาย และเป็นที่มาของชื่ออีเทอร์เน็ต เพราะใช้อากาศ (Ether ภาษากรีก) เป็นสื่อสัญญาณระหว่างไซต์

หลักการดังกล่าวก็คือสถานีใด ๆ ที่ต้องการส่งข้อมูลสามารถส่งข้อมูลแบบบรอดคาสต์ได้ทันที สถานีรับจะทำหน้าที่รับข้อมูลและยืนยันไปยังตัวส่งว่าได้รับข้อมูลถูกต้องหรือไม่ หลักการของระบบอโลฮาไม่ได้อยู่บนวิธีการตรวจสอบการชนกันของสัญญาณ (2 สถานีวิทยุส่งข้อมูลภายในเวลาเดียวกัน) แต่ขึ้นอยู่กับการตอบรับ หรือการตอบยืนยันภายในช่วงเวลาที่กำหนดของสถานีปลายทาง

          ต่อมาบริษัทซีรอกซ์ได้พัฒนาต่อยอดจนประสบผลความสำเร็จ และได้ถูกประยุกต์ในระบบงานอื่น ๆ รวมทั้งระบบในสำนักงานเพื่อจุดประสงค์ใช้ทรัพยากรส่วนกลางร่วมกัน เช่น เครื่องพิมพ์ และเครื่องเซิร์ฟเวอร์ขนาดใหญ่ที่ทำหน้าที่เก็บฐานข้อมูลหลัก

          ในปี 1980 ได้มีการจัดตั้งองค์กรชื่อ Ethernet Consortium ซึ่งประกอบด้วยสามบริษัทยักษ์ใหญ่ในขณะนั้น คือ ซีรอกซ์ , ดิจิตอลอีควิปเมนท์คอร์ปอเรชั่น (DEC) และ อินเทล (Intel) หรือเรียกอีกอย่างในขณะนั้นว่า DIX Consortium ซึ่งได้ออกข้อกำหนดคุณสมบัติร่วมกัน ภายในชื่อว่า Ethernet Blue Book 1 หลังจากอีกไม่นานก็ปรับปรุงเป็น Ethernet Blue Book 2 หรือ อีเทอร์เน็ต  V2 เพื่อเสนอให้ IEEE พิจารณาเป็นมาตรฐานสากล

แต่ในปี 1983 IEEE ได้ออกมาตรฐานขึ้นมาเองอีกชื่อว่า IEEE 802.3 สำหรับระบบที่ใช้หลักการ CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect) ซึ่งเป็นหลักการเดียวกันกับของอีเทอร์เน็ตนั้นเอง ผลลัพธ์ก็คือมี 2 มาตรฐานนั้นคือ อีเทอร์เนต V2 และ IEEE 802.3 โดยมีข้อแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย ดังนั้นคำว่าอีเทอร์เน็ตที่ติดปากกว่าจึงสามารถใช้แทนมาตรฐาน IEEE 802.3 ได้

          ในยุคแรกเริ่ม อีเทอร์เน็ตวิ่งที่ความเร็วระดับ 10 Mbps โดยหลักการ CSMA/CD หลักการนี้ระบบจะทำงานโดยมีการหน่วงของเวลาเล็กน้อย กรณีมีโหลดน้อย แต่ถ้าปริมาณโหลดมาก การหน่วงของเวลาก็จะเพิ่มขึ้นตามลำดับ ข้อดีของเครือข่ายอีเทอร์เน็ตก็คือมีราคาค่อนข้างถูก เพราะสามารถหาซื้อได้ในท้องตลาดได้ง่าย

          อันที่จริงแล้ว อีเทอร์เน็ตเป็นมาตรฐานที่นิยมใช้มากที่สุด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอีเทอร์เน็ตมีกลไกบางส่วนที่ใช้หลักการสุ่ม (Random) ดังนั้นจึงไม่สามารถรับประกันการส่งข้อมูล หรือไม่สามารถจัดระดับความสำคัญของข้อมูลได้

          สำหรับระบบอีเทอร์เน็ตสมัยใหม่ ค่อนข้างที่จะแตกต่างไปจากระบบอีเทอร์เน็ตในยุคแรกเริ่ม ความเร็วขั้นต่ำที่ใช้จะอยู่ที่ 100 Mbps และที่นิยมใช้กันมากคือ 100 BaseT ซึ่งสามารถส่งข้อมูลแบบ Full Duplex ได้ และฟอร์แมตของเฟรมได้ถูกพัฒนาให้สามารถสนับสนุนการจัดระดับความสำคัญ หรือการทำ VLAN ได้ และมีแนวโน้มในอนาคตว่าสามารถวิ่งได้ที่ระดับความเร็ว 10 Gpbs ขึ้นไป

อีเทอร์เน็ตความเร็ว 10 Mbps
          1. ระบบสื่อสัญญาณ
           มาตรฐาน IEEE 802.3 (หรือมีอีกชื่อ ISO 8802.3) ได้กำหนดประเภทของสายสัญญาณที่สามารถนำมาใช้ในระบบเครือข่าย เช่น สายโคแอกเชียล, สายคู่พันเกลียว แล้วก็สายใยแก้วนำแสง อีเทอร์เน็ตสนับสนุนสื่อสัญญาณหลายประเภท โดยที่ความเร็ว 10 Mbps ที่นิยมมีดังต่อไปนี้

          * 10 Base2 ใช้สายสัญญาณโคแอกเชียลแบบบาง (เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.25 นิ้ว หรือ 6.3 มม.) หลักการทำงานแบบเบสแบนด์ วิ่งที่ความเร็ว 10 Mbps ใช้การเชื่อมต่อแบบบัส
          * 10 Base5 ใช้สายสัญญาณโคแอกเชียลแบบหนา (เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5 นิ้ว หรือ 13 มม.) หลักการทำงานแบบเบสแบนด์ วิ่งที่ความเร็ว 10 Mbps ใช้การเชื่อมต่อแบบบัส
          * 10 BaseT ใช้สายสัญญาณคู่พันเกลียว (ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางแต่ละเส้นจะอยู่ระหว่าง 0.4 ถึง 0.6 มม.) หลักการทำงานแบบเบสแบนด์ วิ่งที่ความเร็ว 10 Mbps ใช้การเชื่อมต่อแบบสตาร์
          * 10 BaseF ใช้สายใยแก้วนำแสง หลักการทำงานแบบเบสแบนด์ความเร็วอยู่ที่ 10 Mbps โดยใช้หลักการเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุด หรือ Point-to-point

          ยังมีอีกหลายมาตรฐานสื่อสัญญาณ เช่น 1 Base5, 10 BaseFB, 10 BaseFP และ 10 Broad36 แต่เวอร์ชั่นที่กล่าวมาไม่ประสบความสำเร็จในทางการตลาด

* 10 Base5
          10 Base5 เป็นระบบสายสัญญาณใช้สายโคแอกเชียลแบบหนา และถูกเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า “ทิคเน็ต” (Thick Net) สายสัญญาณโคแอกเชียลมีความต้านทาน 50 ? หลักการในการตั้งชื่อของ 10 Base5 นั้นมาจากวิ่งที่ความเร็ว 10 Mbps ส่งสัญญาณแบบเบสแบนด์ ระยะสายทำการประมาณ 500 เมตร หรือ 1640 ฟุตต่อเซกเมนต์ การทำการติดตั้งหรือบำรุงรักษาสายสัญญาณของ 10 Base5 ทำงานได้ค่อนข้างยากอันเนื่องจากความหนาของสายสัญญาณ ทำให้การตัดสายเชื่อมต่อไปยังโหนดนั้นทำยาก

ดังนั้นส่วนใหญ่แล้วสายโคแอกเชียลแบบหนาจะถูกวางบนเทรย์สาย และติดตั้งตัวทรานส์ซีฟเวอร์ หรือ MAU (Medium Attachment Unit ) บนตัวสาย เพื่อช่วยในการเชื่อมต่อโดยใช้สาย AUI (Attachment Unit Interface)  ต่อเข้ากับการ์ดแลนอีกต่อ สาย AUI มีระยะทำการสูงสุดที่ 50 เมตร หรือ 164 ฟุต ซึ่งสาย AUI จะมีความยืดหยุ่นงอง่ายทดแทนจุดด้อยของสายโคแอกเชียลแบบหนา สาย AUI จะประกอบด้วยคู่สายสัญญาณ 5 คู่ โดยที่ 2 คู่ สำหรับรับส่งข้อมูล และ 2 คู่ สำหรับควบคุมการรับและส่งข้อมูล และอีกหนึ่งคู่สำหรับไฟเลี้ยงอุปกรณ์

          การเชื่อมต่อสายสัญญาณโดยส่วนใหญ่จะใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า บีสติง (Bee Sting) หรือ แวมไพร์แท็บ (Vampire Tab) ทำให้สามารถเชื่อมต่อ MAU เข้ากับสายสัญญาณหลักได้ การเชื่อมต่อโดยแวมไพร์แท็บเป็นการเชื่อมต่อทางกลโดยจะมีเข็มตัวนำเจาะทะลุเข้าไปยังตัวนำที่อยู่แกนกลางของสายโคแอกเชียล องค์ประกอบฮาร์ดแวร์ของ 10 Base5 แสดงดังรูปที่ 1

รูปที่ 1 แสดง 10 Base5

          ตำแหน่งของการเชื่อมต่อก็เป็นสิ่งสำคัญ เพื่อหลีกเลี่ยงการสะท้อนของสัญญาณบนสายสัญญาณ โดยที่สายสัญญาณจะมีการทำเครื่องหมาย ทุก ๆ ระยะ 2.5 เมตร หรือ 8 ฟุต เพื่อกำหนดตำแหน่งที่จะแท็บอย่างเหมาะสม อย่างไรก็ตามสามารถใช้กล่องแฟนเอาต์ (Fan-Out)

ถ้าต้องการเชื่อมต่อหลายโหนดเข้าที่จุดเดียว หรือ จุดแท็บเพียงจุดเดียวโดยกล่องแฟนเอาต์จะทำการแยกสัญญาณที่ไม่ให้เกิดการสะท้อนในสายสัญญาณ ส่วนคอนเน็กเตอร์ของสายสัญญาณ AUI นั้นเป็นแบบ 25 พินแบบ D ที่มีสลักเลื่อนล็อกโดยเรียกว่า DIX คอนเน็กเตอร์

          หลักการทั่วไปในการติดตั้ง หรือออกแบบการเชื่อมต่อสายสัญญาณโดย 10Base5 มีดังต่อไปนี้
          * แต่ละเซกเมนต์ ต้องมีความยาวน้อยกว่า 500 เมตร หรือ 1,640 ฟุต เพียงหลีกเลี่ยงปัญหาการลดทอนของสัญญาณ
          * จำนวนการแท็บต้องไม่มากกว่า 100 จุด ในแต่ละเซกเมนต์
          * การแท็บแต่ละจุดต้องเป็นจำนวนเท่าของความยาว 2.5 เมตร หรือ 8 ฟุต
          * สายสัญญาณต้องถูกเทอร์มิเนตด้วยตัวต้านทานเทอร์มิเนเตอร์ขนาด 50 ? ในแต่ละปลายทั้งสองด้าน
          * สายสัญญาณต้องไม่บิดงอเกินรัศมี 25.4 เซนติเมตร หรือ 10 นิ้ว
          * ที่ปลายสายด้านหนึ่งต้องมีการต่อลงดินที่ชีลด์ โดยรูปการต่อแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 รูปแบบการต่อ 10 Base5

          * 10 Base2 
          ระบบเครือข่ายอีเทอร์เน็ต อีกประเภทหนึ่งที่ใช้สายสัญญาณแบบโคแอกเชียลนั้นคือ 10 Base2 บางครั้งถูกเรียกว่า ทินเน็ต (Thin Net) นหรือ ทินไวร์ อีเทอร์เน็ต (Thinwire Ethernet) ซึ่งใช้สายสัญญาณเบอร์ RG-58A/U หรือ C/U โดยมีค่าอิมพีแดนซ์ 50 ? และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 มม. สายสัญญาณถูกเชื่อมต่อกับการ์ดแลนของโหนดผ่านตัวคอนเน็กเตอร์ BNC รูปตัวที (T) โดยสิ่งที่ต้องการสำหรับการเชื่อมต่อมีดังต่อไปนี้

          * สายสัญญาณต้องถูกเทอร์มิเนตทั้งปลาย 2 ด้าน โดยทั่วไปตัวเทอร์มิเนเตอร์ควรมีค่า 50 ?
          * ระยะความยาวของเชกเมนต์สูงสุดคือ 185 เมตร (600 ฟุต) และไม่เกิน 200 เมตร (650 ฟุต)
          * ต้องมีจำนวนโหนด หรือทรานส์ซีฟเวอร์ ไม่เกิน 30 ตัว ต่อหนึ่งเชกเมนต์
          * ต้องมีระยะห่างอย่างน้อย 0.5 เมตร (1.6 ฟุต) ระหว่างโหนด
          * รัศมีการงอของสายอยู่ที่ 5 ซม. (2 นิ้ว)
          * ระยะห่างสูงสุดระหว่างสาย และทรานส์ซีฟเวอร์อยู่ที่ 4 นิ้ว

รูปแบบการเชื่อมต่อของ 10 Base5 แสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 เซกเมนต์ของ 10 Base5

          การใช้สายสัญญาณทินเนตยังคงมีความนิยม เนื่องจากราคาไม่แพง และง่ายในการติดตั้ง อย่างไรก็ตาม ถ้าหากสายสัญญาณชำรุด สามารถทำให้ระบบเครือข่ายทั้งหมดล้มเหลวได้

          * 10 BaseT
          10 BaseT ใช้สายคู่พันเกลียว ทั่วไปจะมีขนาด AWG 24 สำหรับการเชื่อมต่อโหนด โทโปโลยีทางกายภาพโดยมาตรฐานจะเป็นแบบสตาร์ (Star) หรือดาว แต่ละโหนดจะถูกต่อเข้าฮับที่เป็นอุปกรณ์ส่วนกลาง โดยสายสัญญาณอาจจะเป็นสาย CAT3 หรือดีกว่าก็ได้

          สิ่งที่จำเป็นสำหรับการเชื่อมต่อโหนดกับฮับ มีดังต่อไปนี้
          * ระยะสูงสุดอยู่ที่ 100 เมตร (326 ฟุต)
          * สายสัญญาณจะประกอบด้วยสายสัญญาณ 4 คู่ ถึงแม้ที่จริงแล้วจะใช้แค่ 2 คู่ (สำหรับ ส่งและรับ)
          * คอนเน็กเตอร์ที่ใช้เป็นแบบ RJ-45

          ฮับสามารถถูกพิจารณาเสมือนบัสภายใน (สัญญาณใดใดที่เป็นอินพุตเข้าพอร์ตใดพอร์ตหนึ่ง จะกลายเป็นสัญญาณเอาต์พุตของพอร์ตอื่นทุกพอร์ต) และทำงานเสมือนโทโปโลยีแบบบัสในทางตรรกะ ถึงแม้ทางกายภาพจะต่อเป็นโทโปโลยีสตาร์

          รูปดังต่อไปนี้ แสดงการเชื่อมต่อฮับแบบ 10 BaseT โทโปโลยีสตาร์

รูปที่ 4 การต่อฮับแบบ 10 Base5

          การชนของสัญญาณข้อมูลสามารถถูกตรวจสอบโดยการ์ดแลน เนื่องจากฮับต้องส่งสัญญาณที่ได้รับออกทุกพอร์ต ดังนั้นแต่ละการ์ดแลนสามารถตรวจสอบข้อมูลที่มันส่งเองได้ด้วย สิ่งที่สำคัญคือ วงจรอิเล็กทรอนิกส์บนตัวฮับต้องสามารถจัดการสัญญาณเอาต์พุตที่เข้มกว่า ไม่ให้ไปรบกวนหรือทับสัญญาณอินพุตที่มีความเข้มสัญญาณอ่อนกว่า ปรากฏการณ์นี้ถูกรู้จักในชื่อว่า FEXT (Far End Cross Talk) และสามารถถูกแก้ไขได้โดยวงจรที่ออกแบบพิเศษซึ่งถูกออกแบบมาลดสัญญาณสะท้อนของครอสทอล์ก

          มาตรฐาน 10 BaseT ค่อนข้างได้รับความนิยมถึงแม้มีข้อด้อยบางอย่างดังต่อไปนี้
          * สายสัญญาณที่ใช้ไม่มีชีลด์ จึงไม่สามารถทนต่อสภาพแวดล้อมในงานอุตสาหกรรมบางประเภท เช่น โรงงานถลุงเหล็ก ที่สัญญาณรบกวนแบบอิเล็กโทรสเตติกสูง
          * ถึงแม้สายสัญญาณราคาไม่แพง แต่ก็ยังมีค่าใช้จ่ายในการเดินสายสัญญาณที่ต้องถูกพิจารณา เช่น การร้อยท่อ และระยะสายที่ยาวเนื่องจากทุกโหนดลากตรงไปยังฮับแบบเส้นต่อเส้น
          * ความยาวของสายสัญญาณถูกจำกัดที่ 100 เมตร (328 ฟุต)

          ส่วนข้อดีของระบบ 10 BaseT มีดังต่อไปนี้
          * สายคู่พันเกลียวความทนทานต่อสัญญาณรบกวนแบบอีเล็กโทรแมกเนติกได้ดี
          * ฮับแบบอัจฉริยะนั้นสามารถมอนิเตอร์สภาพทราฟิกของแต่ละพอร์ตได้ เหล่านี้สามารถเพิ่มความปลอดภัยของระบบเครือข่าย และทำการบำรุงรักษาได้ง่าย
          * เพราะว่าสายสัญญาณราคาถูก , การเดินจำนวนมากหลายเส้นสามารถทำได้ แต่สำหรับในอนาคต การติดตั้งแพตช์พาเนล (Patch Panel) หรือ เอาต์เล็ต (Outlet) จะช่วยให้เกิดความยืดหยุ่นในการขยายระบบในอนาคตได้ดี
          * การเชื่อมแบบสตาร์ เพิ่มระดับความเชื่อถือได้เพราะถ้าสายขาดเส้นใดเส้นหนึ่งจะมีผลต่อโหนดเดียว

          * 10 BaseF
          มาตรฐาน 10 BaseF มีหลายเวอร์ชั่น เช่น 10 BaseFL, 10 BaseFP และ 10 BaseFB โดยที่สองเวอร์ชั่นหลังไม่ถูกตอบรับ และไม่ถูกนำมาผลิตออกมาจำหน่าย

          * 10 BaseFL
          มาตรฐานการเชื่อมต่อนี้ใช้สายใยแก้วนำแสง ระยะปกติทั่วไปอยู่ที่ 2 กม. (1.2 ไมล์) และได้พัฒนามาเป็นมาตรฐาน FOIRL (Fiber Optic Inter Repeater Link) ในมาตรฐาน 802.3 ซึ่งได้กำหนดที่ระยะระหว่างอุปกรณ์ประเภทรีพีตเตอร์ 1 กิโลเมตร (0.6 ไมล์) แต่อย่างไรก็ตามสามารถขยายระยะสูงสุดได้ 2.5 กม. (1.5 ไมล์) ถ้าแบ่งระยะทางเป็น 5 ช่วงในหนึ่งลิงก์

รูปที่ 5 เซกเมนต์ของ 10 BaseFL

          2. วิธีการส่งสัญญาณ (Signaling Method)
          สัญญาณอีเทอร์เน็ตความเร็วที่ 10 Mbps ถูกเข้ารหัสโดยใช้วิธีแมนเชสเตอร์ (Manchester) วิธีการนี้ยังสามารถส่งสัญญาณนาฬิกาเพื่อเข้าจังหวะเวลาระหว่างการรับการส่งสัญญาณ การเข้ารหัสจะถูกทำที่สัญญาณนาฬิกาที่ความถี่ 20 MHz ผลของสัญญาณลอจิกศูนย์ จะถูกแทนด้วยการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าจากแรงดันสูงไปยังแรงดันต่ำ ณ จุดกึ่งกลางระหว่างช่วงของบิต

ในขณะที่ลอจิกหนึ่งจะถูกแทนด้วยการเปลี่ยนแปลงจากแรงดันต่ำไปแรงดันสูง ณ จุดกึ่งกลางของช่วงของบิต อาจจะมีการเปลี่ยนแปลงที่จุดเริ่มต้นของช่วงบิตได้ แต่ตัวรีซีฟเวอร์จะเพิกเฉยต่อการเปลี่ยนแปลงนั้น

          เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงทุกครั้งในแต่ละช่วงบิต ทำให้สามารถทำการเข้าจังหวะระหว่างตัวทรานส์สมิตเตอร์และรีซีฟเวอร์ได้ วิธีการนี้จะใช้แบนวิดธ์ที่ค่อนข้างสิ้นเปลือง (เนื่องจากต้องการขนาดแบนด์วิดธ์ขนาดสองเท่าของบิตเรต) ดังนั้นวิธีการนี้จึงไม่ได้ถูกใช้ในอีเทอร์เน็ตความเร็วสูง

          ในมาตรฐาน 802.3 แรงดันไฟฟ้าระหว่าง 0 ถึง 2.05 โวลต์ จะใช้ในสายโคแอกเชียล และแรงดัน –2.5 V และ +2.5 V จะใช้บนสายคู่พันเกลียว

          3. การควบคุมการเข้าสื่อสัญญาณ (Medium Access Control)
          อีเทอร์เน็ตความเร็ว 10 Mbps ส่งข้อมูลแบบฮาล์ฟดูเพล็กซ์ ดังนั้นโหนดสามารถรับ หรือส่งได้เพียงอย่างเดียว ณ ช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง วิธีการนี้ถูกเรียกอีกอย่างว่า CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect)

          หลักการก็คือ การช่วงชิงเข้าใช้สื่อสัญญาณ แต่ละโหนดที่เชื่อมต่อกับบัสที่ใช้ร่วมกัน สามารถรับ และส่ง ณ เวลาเดียวกัน แต่ละโหนดจะสามารถอยู่ได้สามสถานะดังต่อไปนี้
          * ว่าง หรือ ฟังอยู่
          * ส่งข้อมูล
          * ช่วงชิงบัส

          ในสถานะว่าง โหนดจะคอยฟังสัญญาณในบัส เฝ้าตรวจสอบทุกข้อมูลที่วิ่งในบัส ถ้าโหนดต้องการส่งข้อมูลจะต้องรอจนสถานะของบัสว่าง หรือไม่มีการส่งข้อมูลบนบัส เหตุผลเพราะว่าไม่มีการรับรองว่า ไม่มีโหนดอื่นกำลังต้องการส่งข้อมูลเหมือนกัน จึงทำให้เกิดการชนของสัญญาณข้อมูลได้

          ต้องหน่วงเวลาสั้น ๆ เพื่อรอให้สัญญาณวิ่งไปทั่วบัสเสียก่อน ถ้ามีสัญญาณ หรือข้อมูลที่ถูกส่งพร้อมกันจะไม่สามารถแยกแยะทางสัญญาณ เนื่องจากไม่มีกลไกในการแยกสัญญาณอะนาลอกที่ผสมกัน ดังนั้นตัวทรานส์ซีฟเวอร์จะสามารถตรวจพบการชนได้ก็เพราะการเฝ้าตรวจสอบสัญญาณเข้าและออกจากตัวมัน และจะทราบทันที ถ้ามีความแตกต่าง ซึ่งจะเกิดในสภาพช่วงชิงบัส

โหนดจะส่งสัญญาณต่อเนื่องช่วงสั้น ๆ เรียกว่าสัญญาณแจม (Jam) เพื่อให้โหนดตัวอื่น ๆ สามารถรับรู้ว่ามีสภาวะช่วงชิงบัส และจะใช้อัลกอริทึมที่เรียกว่า แบ็กออฟ (Back Off) เพื่อจะประเมินว่าเมื่อไรที่ควรทดลองส่งข้อมูลใหม่ซ้ำอีกครั้ง

          4. การส่งเฟรม (Frame Transmission)
          เมื่อเฟรมถูกส่ง กลไกการควบคุมการเข้าถึงสื่อจะตรวจสอบบัส หลังจากหน่วงเวลานานระยะเวลา 96 บิต เรียกทางเทคนิคว่า อินเนอร์เฟรม แกป (Inner–frame Gap) เพื่อให้เฟรมวิ่งกระจายได้ทั่วบัส และถูกประมวลผลโดยโหนดปลายทางก่อน หลังจากนั้นตัวทรานส์ซีฟเวอร์จะเปิดใช้งานวงจรตรวจสอบการชนของสัญญาณ

ในขณะที่ส่งข้อมูล และเมื่อข้อมูลจำนวน 512 บิต ได้ถูกส่ง วงจรตรวจสอบการชนของสัญญาณข้อมูลสามารถปิดใช้งานได้ แต่ถ้าหลังจากปิดวงจรตรวจสอบแล้วเกิดการชนของข้อมูล จะเป็นหน้าที่ของโปรโตคอลระดับสูงกว่าที่จะจัดการส่งข้อมูลอีกครั้ง ซึ่งความเร็วในการประมวลผลจะช้ากว่าการประมวลด้วยฮาร์ดแวร์

          5. การรับเฟรม (Frame Reception)
          ทรานส์ซีฟเวอร์ของแต่ละโหนดจะต้องคอยตรวจสอบบัสตลอดเวลาสำหรับหาสัญญาณที่ถูกส่งลงบนบัส เมื่อตรวจพบสัญญาณบนบัส การ์ดแลน หรือ NIC จะส่งสัญญาณตรวจพบสัญญาณ (Carrier Sense Signal) เพื่อบ่งบอกว่าไม่สามารถส่งข้อมูลออกไปได้

          ส่วนแรกของเฟรม MAC คือ พรีเอมเบิล (Preamble) ซึ่งประกอบด้วยแถวบิตสลับกัน 1010 การตรวจพบส่วนนี้ ตัวรีซีฟเวอร์จะพยายามเข้าจังหวะเวลา และเปลี่ยนสัญญาณที่เข้ารหัสแมนเชสเตอร์ให้ไปอยู่ในรูปข้อมูลไบนารี จุดเริ่มต้นของไบต์ที่ 8 คือจุดที่ตัดส่วนพรีเอมเบิลทิ้ง และตัวเฟรมที่เหลือจะถูกจัดเก็บในบัฟเฟอร์เพื่อประมวลผลต่อไป

          หลังจากนั้นก็จะมีการประมวลผลขั้นต่อไปนั้นคือการคำนวณ และตรวจสอบ CRC กรณีที่เฟรมถูกต้อง แอดเดรสฮาร์ดแวร์ของปลายทางจะถูกตรวจสอบ ถ้าแอดเดรสตรงกับหมายเลข MAC ในตัวการ์ดแลน หรือหมายเลขแอดเดรสบรอดคาสต์ เฟรมจะถูกส่งต่อให้ไปทำงานที่ชั้นโปรโตคอลสแตค (Protocol Stack) มิฉะนั้นเฟรมจะถูกทิ้ง อีกอย่างการ์ดแลนยังตรวจสอบความยาวของเฟรมอีกด้วย ถ้าไม่ถูกต้องเฟรมดังกล่าวก็จะถูกทิ้งเช่นกัน

          6. ฟอร์แมตเฟรม MAC (MAC Frame Format)
          ฟอร์แมตพื้นฐานสำหรับ IEEE 802.3 และอีเทอร์เนต V2 แสดงดังรูปที่ 6 
      

รูปที่ 6 ฟอร์แมตของ IEEE 802.3 และ อีเทอร์เน็ต V2

          * พรีเอมเบิล (Preamble)
          ฟิลด์นี้ประกอบด้วย 7 ไบต์ของข้อมูลที่มีรูปแบบ 10101010 รีซีฟเวอร์ใช้รูปแบบนี้เข้าจังหวะเวลากับทรานสมิตเตอร์

          * ตัวเริ่มเฟรม (Start Frame Delimiter)
          ฟิลด์นี้มีขนาดไบต์เดียวที่มีรูปแบบ 10101011 ซึ่งเป็นตัวช่วยบ่งบอกจุดเริ่มเฟรมที่แท้จริงซึ่งเริ่มที่แอดเดรส

          * เเอดเดรสต้นทาง และปลายทาง (Source and Destination Address)
          แอดเดรสเหล่านี้คือ แอดเดรสทางกายภาพ หรือแอดเดรสฮาร์ดแวร์ ซึ่งประกอบด้วยแอดเดรสต้นทาง และปลายทาง แต่ละแอดเดรส หรือฟิลด์จะมีความยาว 6 ไบต์ การกำหนดแอดเดรสจะถูกกำหนดด้วยหน่วยงาน IEEE-SA (IEEE Standard Association) ที่จะคอยจัดสรรแอดเดรส 3 ไบต์แรก เพื่อกำหนดชุดแอดเดรสให้กับผู้ผลิต ซึ่งในทางเทคนิคเรียกว่า OUI (24-bit Organizationally Unique Identifier) ส่วนอีก 3 ไบต์หลังจะถูกรันเลขตามการผลิตซึ่งจะทำให้ได้หมายเลขแอดเดรสที่ไม่ซ้ำกัน

          โหมดของแอดเดรสที่ถูกกำหนดโดย IEEE 802.3 มีดังต่อไปนี้
          * บรอดคาสต์ (Broadcast) แอดเดรสปลายทางที่ถูกเซตให้ค่าเป็นหนึ่งทุกบิต หรือ FFFFFFFFFFFF จะทำให้ทุกโหนดบนเครือข่ายตอบสนองกับเมสเสจนี้

          * ยูนิคาสต์ (Unicast) ถ้าบิตแรกของแอดเดรสเท่ากับศูนย์ เฟรมนั้นถูกส่งเฉพาะเจาะจงไปยังโหนดใดโหนดหนึ่ง
          แอดเดรสที่ถูกกำหนดโดยผู้ผลิตสามารถนำไปใช้ได้ทั่วโลก แต่อย่างไรก็ตามมาตรฐานยังเปิดให้กำหนดหมายเลขใช้ภายใน หรือเฉพาะที่ โดยการกำหนดบิตที่สองให้เป็นหนึ่ง แต่ในทางปฏิบัติไม่ค่อยมีใครทำกัน ยกเว้นอุปกรณ์ประเภทไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เขียนเฟิร์มแวร์โดยผู้ใช้เอง

* ความยาว
          สำหรับ IEEE 802.3 ฟิลด์นี้จะมีขนาด 2 ไบต์ซึ่งใช้บอกความยาวของฟิลด์ข้อมูล และสามารถบอกชนิดเฟรมชั้นสูงเช่นเดียวกับ อีเทอร์เน็ต V2 โดยที่ค่ามากกว่า 1,500 จะใช้บ่งบอกชนิดโปรโตคอลที่ส่งข้อมูลนั้นนั้นมา

* ข้อมูล
          ข้อมูลที่แท้จริงจะถูกจัดลงที่ฟิลด์นี้ โดยที่มีขนาดระหว่าง 0 ถึง 1,500 ไบต์

* แพด (Pad)
          เนื่องจากความยาวเฟรมที่สั้นสุดต้องอยู่ที่ความยาว 64 ไบต์ หรือ 512 บิต เพื่อสำหรับการตรวจสอบการชนของข้อมูล ดังนั้นแพดมีไว้สำหรับเติมเต็ม

* ความแตกต่างระหว่าง อีเทอร์เน็ต  V2 และ IEEE 802.3 Ethernet
          ความแตกต่างระหว่าง IEEE 802.3 และ อีเทอร์เน็ตบลูบุ้ก เป็นสิ่งที่ต้องกล่าวถึงโดยที่ความแตกต่างหลักจะเป็นเรื่องโครงสร้างของเฟรมดังแสดงแสดงด้านล่าง

 ตารางที่ 1 ความแตกต่างระหว่าง IEEE 802.3 และ อีเทอร์เน็ต V2

          7. IEEE 802.2 LLC
          อีเทอร์เน็ต V2 สนับสนุนทั้งชั้นฟิสิคอล และดาต้าลิงก์ ดังนั้นตัวเฟรมจะมีรายละเอียดของโปรโตคอลชั้นที่สูงกว่าที่ถูกใส่อยู่ในเฟรมดังกล่าว ข้อมูลเกี่ยวกับโปรโตคอลชั้นสูงเป็นที่จำเป็นสำหรับการทำมัลติเพล็กซิ่ง (Multiplexing) และ ดีมัลติเพล็กซิ่ง (Demultiplexing) แพ็กเกจที่เฟรมนำพาไปบนเครือข่าย เพื่อมั่นใจว่าแพ็กเกจได้ส่งไปยังโปรโตคอลชนิดเดียวกันกับโปรโตคอลส่ง

          อย่างไรก็ตามในกรณี IEEE 802.3   ได้ทำการแยกชั้นดาต้าลิงค์ออกเป็นสองส่วน คือ ส่วนครึ่งล่างใช้ควบคุมการเข้าถึงสื่อสัญญาณ (MAC) และ ส่วนครึ่งบน (LLC) ใช้ดำเนินการควบคุมการเชื่อมโยงระหว่างสองการ์ดแลน

          ในส่วนของ MAC ถูกรวมเข้ากับชั้นฟิสิคอลตามข้อกำหนด IEEE 802.3 แต่ในส่วน LLC จะถูกกำหนดแยกลงในข้อกำหนด IEEE 802.2 เป็นเพราะว่าการทำงานของ LLC ไม่ใช่เฉพาะกับ 802.3 เท่านั้นแต่ใช้กับมาตรฐานอื่นได้ด้วย

          ไม่ไช่เฉพาะฟิลด์ Type ที่ใช้ทำมัลติเพล็กซิ่งแต่ส่วน SSAP (Source Service Access) และ DSAP (Destination Service Access Point) ภายในส่วนเฮดเดอร์ของ 802.2 LLC ยังต้องทำงานประสานด้วยกัน ส่วนเฮดเดอร์ LLC ทั้งหมดจะใช้พื้นที่เพียง 3-4 ไบต์ และถูกบรรจุภายในฟิลด์ข้อมูลของเฟรม 802.3 ต่อจากส่วนเฮดเดอร์ของเฟรม

รูปที่ 7 แสดงส่วน LLC อยู่ภายในเฟรมอีเทอร์เน็ต

          8. การลดการชนของสัญญาณ 
          ปัจจัยหลักที่มีผลต่อการชนกันของสัญญาณในเครือข่ายอีเทอร์เนตมีดังต่อไปนี้ 
                    * จำนวนแพ็กเกจที่ส่งต่อวินาที 
                    * ความล่าช้าในการกระจายสัญญาณระหว่างโหนด 
                    * จำนวนโหนดที่เริ่มทำการส่งแพ็คเกจ 
                    * การใช้แบนด์วิดธ์

 
          คำแนะนำในการลดการชนของสัญญาณในเครือข่ายอีเทอร์เน็ตมีดังต่อไปนี้ 
          * ติดตั้งสายสัญญาณให้สั้นที่สุด 
          * ติดตั้งให้โหนดต้นทางที่มีอัตราการส่งสูงให้ใกล้โหนดปลายทางของมันมากที่สุด ถ้าเป็นไปได้ให้แยกโหนดเหล่านี้ออกจากแบ็กโบนของเครือข่ายหลักด้วยบริดจ์ หรือเราเตอร์เพื่อลดความคับคั่งของข้อมูล
          * การแยกเซกเมนต์เครือข่ายให้แยกด้วยอุปกรณ์ประเภทสวิตช์
          * ตรวจสอบหาและกำจัดแพ็กเกจบรอดคาสต์ที่ไม่จำเป็น
          * โปรดจำไว้ว่าอุปกรณ์ตรวจสอบเครือข่ายที่มอนิเตอร์การจราจรในระบบเครือข่ายสามารถเป็นตัวสร้างความคับคั่งของข้อมูล และเพิ่มอัตราการชนของสัญญาณ เช่นกัน

          9. กฎการออกแบบ 
          กฎการออกแบบในส่วนความยาวของสาย เคเบิล ตำแหน่งของโหนด และ ฮาร์ดแวร์ ที่ควรจะปฏิบัติตามอย่างเคร่งครัดมีดังต่อไปนี้

          * ความยาวของสายเซกเมนต์
          ความต้องการของระบบเครือข่ายที่ต้องรักษาและปฏิบัติ นั้นคือ ความยาวของสายสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับระบบ  แต่ละเซกเมนต์มีระยะความยาวสูงสุดที่อนุญาตให้ติดตั้งได้ ตัวอย่าง เช่น 10 Base2 อนุญาตให้ยาวสูงสุดที่ 185 เมตร แต่ความยาวสูงสุดที่แนะนำอยู่ 80% ของระยะที่อนุญาต

          เซกเมนต์ไม่จำเป็นต้องทำจากสายชนิดเดียวยาวตลอด แต่อาจจะประกอบด้วยสายหลายส่วนต่อเชื่อมเข้าด้วยกันโดยคอนเน็กเตอร์โคแอกเชียล

          เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุดภายในเซกเมนต์ของ 10Base5  จึงควรติดตั้งเซกเมนต์ที่สร้างจากสายสัญญาณเส้นเดียวตลอดเซกเมนต์ นั้นคือสายสัญญาณมาจากโรลสายเดียวกันนั้นเอง หากเซกเมนต์นั้นใช้สายสัญญาณจากหลายผู้ผลิต ระยะสายแต่ละช่วงควรมีความยาวมาตรฐาน ที่ 23.4 เมตร (76.8 ฟุต), 70.2 เมตร (230.3 ฟุต) หรือ 117 เมตร (383.9 ฟุต) (± 0.5 m/1.0 ฟุต) ซึ่งเป็นจำนวนเท่าเลขคี่ของ 23.4 m/76.8 ฟุต (ครึ่งความยาวคลื่นในสายสัญญาณที่ความถี่ 5 MHz)

ความยาวเหล่านี้ทำให้การสะท้อนสัญญาณในรอยต่อที่ค่าอิมพีแดนซ์ไม่ต่อเนื่องไม่เพิ่มแอมพลิจูดในลักษณะอินเฟส (In Phase) การใช้ระยะสายเหล่านี้ทำให้เซกเมนต์ที่ประกอบด้วยสายหลายส่วนสามารถติดตั้งได้ยาวประมาณ 500 เมตร (1,640 ฟุต)

          ถ้าหากมีสายสัญญาณที่สร้างจากหลายผู้ผลิต ก็ให้สันนิษฐานว่าอาจมีปัญหาเรื่องมิสแมตช์ (Mismatch) หรือ ความไม่เข้ากันของสายสัญญาณ ดังนั้นควรมีการตรวจสอบ และควบคุมการสะท้อนของสัญญาณไม่ให้เกิน 7% ของระดับคลื่นปกติ

ตารางที่ 2 ระยะสูงสุดที่แนะนำ

          * ความยาวสูงสุดของสายทรานสซีฟเวอร์ (Transceiver) 
          ในระบบ 10 Base5 ความยาวสูงสุดของสายทรานส์ซีฟเวอร์อยู่ที่ 50 เมตร (164 ฟุต) แต่ควรจำไว้ว่าใช้เฉพาะ IEEE 802.3 สาย AUI อื่น ๆ อาจใช้ สายแพร หรือ สายระดับสำนักงานที่ใช้ได้ระยะสั้น ๆ (สั้นกว่า 12.5 เมตร/41 ฟุต) ดังนั้นควรตรวจสอบ คุณสมบัติของสายสัญญาณจากผู้ผลิต

          * กฎการวางตำแหน่งโหนด 
          การเชื่อมต่อของ MAU เข้ากับสายสัญญาณก็เป็นสาเหตุทำให้เกิดการสะท้อนสัญญาณ เช่นกัน เนื่องจากมีเชื่อมต่อระหว่างอิมพีแดนซ์ ดังนั้น การวางตำแหน่งของ MAU จึงต้องถูกควบคุม เพื่อให้มั่นใจว่าการสะท้อนจะไม่เพิ่มมากจนเป็นปัญหา

          ในระบบ 10 Base5 MAU ควรถูกวางเว้นระยะเป็นจำนวนเท่าของ 2.5 เมตร (8.2 ฟุต) ซึ่งโดยทั่วไปสายสัญญาณจะมีเครื่องหมายบอกระยะสาย สำหรับระบบ 10 Base2 ระยะเว้นของ MAU ต่ำสุดอยู่ที่ 0.5 เมตร หรือ (1.6 ฟุต)

          * เส้นทางการส่งข้อมูลยาวสูงสุด
          เส้นทางการส่งข้อมูลยาวสูงสุดประกอบด้วย 5 เ ซกเมนต์เชื่อมต่อกันด้วยตัวรีพีตเตอร์จำนวน 4 ตัว จำนวนเซกเมนต์จะประกอบด้วย 3 เซกเมนต์ของสายโคแอกซ์ที่ประกอบด้วยหนึ่งโหนดเซกเมนต์ และสองลิงค์เซกเมนต์ ลิงก์เซกเมนต์จะหมายถึงลิงก์เชื่อมโยง จุดต่อจุดแบบฟูลดูเพล็กซ์โดยใช้สอง MAUs (เช่น โมเด็ม 10 BaseFL) ข้อมูลเหล่านี้สามารถสรุปได้กฎ 5-4-3-2 

ตารางที่ 3 กฎ 5-4-3-2

          สิ่งสำคัญที่ต้องตรวจสอบว่ากฎข้างต้นสอดคล้องทุกเส้นทางระหว่างสองโหนดใดใดในระบบเครือข่าย จำไว้ว่าขนาดสูงสุดของเครือข่ายที่มี 4 รีพีตเตอร์ที่สามารถจัดการกับปัญหาที่เกี่ยวเวลา อันที่จริงขนาดสูงสุดจะถูกจำกัดโดยเวลาหน่วงเนื่องจากการกระจายสัญญาณ และควรระลึกไว้ว่าเซกเมนต์ของ 10 Base2 ไม่ควรเชื่อมต่อกับเซกเมนต์ 10 Base5

          * กฎรีพีตเตอร์ 
          รีพีตเตอร์ที่เชื่อมต่อกับทรานส์ซีฟเวอร์ยังถูกพิจารณานับเป็นหนึ่งโหนด ตัวทรานส์ซีฟเวอร์พิเศษที่ใช้ในการเชื่อมต่อกับรีพีตเตอร์ จะต้องไม่มีวงจรทดสอบสัญญาณ SQE (Signal Quality Test)

          ปัจจุบันมีรีพีตเตอร์แบบใยแก้วนำแสงที่สามารถส่งสัญญาณระยะ 60 กิโลเมตร ที่ 100 Mbps การตรวจสอบผลิตภัณฑ์ให้อ่านข้อกำหนดคุณสมบัติของผู้ผลิตว่าเป็นไปตามมาตรฐาน IEEE 802.3 ที่ว่าในเรื่องรีพีตเตอร์ และมาตรฐานการเชื่อมโยงใยแก้วนำแสงระหว่างรีพีตเตอร์ (FOIRL)

          * ระบบดินของสายสัญญาณ 
          ระบบดินสามารถใช้เพิ่มระดับความปลอดภัย และลดผลการรบกวนสัญญาณ มาตรฐาน 802.3 ได้ระบุว่าชีลด์ของสายโคแอคเชียลจะต่อเข้าระบบดินที่จุดเดียวเท่านั้น จุดอ้างอิงระบบดินสำหรับระบบอีเทอร์เนตส่วนใหญ่มักจะต่ออยู่ที่ตัวเทอร์มิเนเตอร์

          ที่ตัวเทอร์มิเนเตอร์สำหรับอีเทอร์เนตส่วนใหญ่จะมีเทอร์มินอลสลักเกลียวที่ใช้สาย เคเบิลแบบฝอยต่อเข้ากับระบบดิน เพื่อความมั่นใจทุกการเชื่อมต่อแบบสไปลก์ แทป หรือ เทอร์มิเนตเข้าสายต้องมีการหุ้มแจ็กเก็ตกันสายเพื่อป้องกันไม่ให้สัมผัส กับโลหะภายนอก อุปกรณ์ป้องกันปลายสาย เช่น บูต หรือปลอกสายควรใช้ในทุกคอร์สายเพื่อหลีกเลี่ยงการต่อเข้าระบบดินโดยไม่ตั้งใจ

          * ความล่าช้าตลอดช่วงการเดินทางของสัญญาณ (Round Trip Delay Time)
          เวลาที่ใช้ในการกระจายสัญญาณสูงสุดอยู่ที่ 51.2 ?s เนื่องจากขนาดเฟรมต่ำสุดอยู่ที่ 64 ไบต์ (512 บิต) ค่าเวลานี้ จะพิจารณาจากการเพิ่มการเสียเวลาในการกระจายสัญญาณ รวมทั้งความหน่วงเวลาในทุกชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และในสายสัญญาณที่สัญญาณวิ่งยาวที่สุด หลังจากนั้นคูณด้วยสองตามการไปและกลับ

ตาราง 4 และ 5 ให้ ค่าสูงสุดขาเดียวสำหรับแต่ละส่วนประกอบ และสายสัญญาณ ส่วนค่าความหน่วงเวลาในรีตัวพีตเตอร์ และการ์ดแลนสามารถขอได้จากผู้ผลิตอุปกรณ์นั้น ๆ

ตารางที่ 4 ค่าหน่วงเวลาขาเดียวของอุปกรณ์อีเทอร์เน็ต

    
ตารางที่ 5 ค่าหน่วงเวลาขาเดียวของสายสัญญาณอีเทอร์เน็ต

เอกสารอ้างอิง
1. J.E Goldman and P.T Rawles, Applied Data Communications. Addison-Wesley, New York,2001
2. J. Fulcher, An Introduction to Microcomputer Systems: Architecture and Interfacing. Addison-Wesley, Sydney,1989
3. S. Mackay, E. Wright, D. Reynders and .J Park, Practical Industrial Data Network: Design, Installation and Troubleshooting. IDC Technologies, Perth,2004
4. J.R. Vacca, High-speed Cisco Networks: Planning, Design, and Implemention. CRC Press LLC, Florida,2001