第十一章

1. 第十一章 網路組織與架構

2. 第十一章 教學目的 • 熟悉網路架構的基礎. • 學習區域網路的基本元件. • 熟悉網際網路的一般架構.

3. 11.1 簡介 • 在今日的計算系統中, 網路扮演著重要的角色. • 透過網路共享資源, 使得網路形成多階層架構, 這之中的伺服器不見得相同, 有時使用者和其所使用的系統相隔很遠. • 如果你將計算系統視為一群工作站的組合, 那網路就是這種組態的系統匯流排.

4. 11.2 早期的商業電腦網路 • 第一個電腦網路是由一部大型主機連接一或多個前端處裡器所組成的. • 前端處理器會透過專線從連接到遠端控制器的一些沒有處理資訊能力之終端設備接收輸入. • 這種組態的協定對每個供應商的系統來說都是不同的. • 在這之中, IBM 的SNA 成為了ISO/OSI 參考模型的國際通訊標準.

5. 11.3 早期的學術與科學網路 • 在1960年代, 美國國防部贊助成立了高等研究計劃署 ( Advanced Research Projects Agency). • 那時電腦很少也很貴. 在1968年, 國防部出資建構連結網路來共享這些珍貴的資源. • 這個名為 DARPANet 的網路是由Bolt, Beranek, 和 Newman所設計, 這個網路有足夠的冗餘線路以確保通信不致中斷. • DARPANet, 之後變成了公有財產, 最後演化為今日的網際網路(Internet).

6. 11.4 網路協定 I ISO/OSI 參考模型 • 為了解決越發展越混亂的一些不相容網路協定, ISO 在 1984 創立了一個委員會來推展一致化的協定標準. • 後來產生了 ISO Open Systems Interconnect Reference Model (ISO/OSI RM). • ISO 的工作就是宣佈了一個參考模型, 因為實際上並沒有一個商業系統使用系統中所有的特性. • 然而 ISO/OSI 模型提供了一致性通訊架構的概念.

7. 11.4 網路協定 I ISO/OSI 參考模型 • OSI RM 包含了七個協定層, 從實體連線的媒介 Layer 1開始, 一直到Layer 7的應用程式.

8. 11.4 網路協定 I ISO/OSI 參考模型 • OSI 模型只定義了每一層的功能 和之間的介面. • 實作的細節在模型中並沒有描述.

9. 11.4 網路協定 I ISO/OSI 參考模型 • 實體層收到上面資料鏈路層來的位元流, 就會將其編碼並放到通信媒體上. • 實體層載送傳輸框架, 稱為實體協定資料單元(Physical Protocol Data Units, or Physical PDUs).每個實體 PDU 會有一個位址, 並且PDU有一個分隔信號樣式在載送資料 (payload)或是內容的週邊.

10. 11.4 網路協定 I ISO/OSI 參考模型 • 資料鏈路層 (Data Link layer ) 會和另一端的資料鏈路層協調框架的大小和傳送的速度. • 框架傳送的時序就稱為流量控制( flow control). • 兩端的資料鏈路層在交換封包時會發出(認可)acknowledge信號. 發送端如果在一定時間內沒收到認可信號時就會重送一次.

11. 11.4 網路協定 I ISO/OSI 參考模型 • 一開始電腦的網路層就會將位址資訊加到傳輸層的PDUs. • 網路層會建立一路徑來確保PDU 的大小在經過的點都是相容的. • 它最重要的工作就是讓PDU在這些中介點移動.

12. 11.4 網路協定 I ISO/OSI 參考模型 • OSI 傳輸層(Transport layer)透過和另一端的交握式對話提供端點對端點之間的認可(acknowledgement)和錯誤更正. • 傳輸層了解任何網路或其協定的最底層. • 傳輸層使會議層(Session layer) 確保PDU沒有因位網路而產生的錯誤發生.

13. 11.4 網路協定 I ISO/OSI 參考模型 • 會議層仲裁二個通訊點的對話, 當有需要時打開會關閉對話. • 它控制方向和模式 (半雙工或全雙工). • 它也在檔案傳送時提供回復檢查點(recovery checkpoints). • 每次當一個區段的資料被認可接收良好時, 就會發出檢查點.

14. 11.4 網路協定 I ISO/OSI 參考模型 • 表示層(Presentation layer) 為上面的應用層提供高階的資料解譯服務, 像EBCDIC-to-ASCII 的轉換. • 如果我們使用加密或是資料壓縮時, 表示層也會介入.

15. 11.4網路協定 I ISO/OSI 參考模型 • 應用層將有意義的資訊和服務提供給通信中一端的使用者, 並且與另一端的系統資源相連接 (程式或資料檔). • 這些應用程式要做的就是將訊息送給表示層, 然後更低層處理之後的工作.

16. 11.4 網路協定 II TCP/IP 架構 • TCP/IP 是全球公認的資料通訊標準. • 它是一個類似三層的協定堆疊, 可以對應到OSI七層模型的其中三層. • TCP/IP 可以使用在任何形態的網路, 甚至在同一個連線中跨越不同的網路.

17. 11.4 網路協定 II TCP/IP 架構 • TCP/IP協定堆疊中的 IP 層提供了類似OSI中網路和資料鏈路層的功能. • 它將TCP層的封包拆解成資料包(datagrams), 的協定資料單元, 然後附上路由資訊.

18. 11.4 網路協定 II TCP/IP 架構 • 資料包是當初讓ARPAnet堅固可靠的重要概念，而現在應用到網際網路上 . • 資料包可以不需要人為的介入便可以自動找尋可用的路徑 .

19. 11.4 網路協定 II TCP/IP 架構 • 目前IP的版本, IPv4, 當初並沒有想到要設計可全球數百萬個網路設備來使用. • 它的限制包含了只有 32-bit 的位址, 封包大小限制在 65,635 bytes, 而且所有的安全測量都是非必須的. • 而且, 網路位址的設計欠缺考慮, 造成速度慢以及選徑軟硬體難以處理的結果. • 我們之後會看到IPv6就是針對這些問題而設計的.

20. 11.4 網路協定 II TCP/IP 架構 • 傳輸控制協定 (Transmission Control Protocol (TCP))是IP服務的消費者. • 它會忙於和遠端系統上執行的TCP行成對話 –- 一個連線. • 一個 TCP 連線就類似於打電話一樣, 有它自己的協定 “禮儀."

21. 11.4 網路協定 II TCP/IP 架構 • 除了開始這個對話外，TCP也同時為在上層運行的應用程式開啟一個服務存取點(service access point, SAP). • 在TCP中，這個SAP是一個埠(port)的數字 . • 埠號加上主機識別資料以及指定的協定後，就稱為socket，在邏輯上等同於運行於TCP上應用程式的檔案名稱(或是控制數，handle) . • 從0到1023的埠號一般稱為 “眾所皆知”的埠號，因為它們是保留給特定的TCP應用程式 .

22. 11.4 網路協定 II TCP/IP 架構 • TCP確保它提供給應用程式的資料流是完整、順序正確、而且沒有資料重複 . • TCP同時也調節它分段(segments，加上報頭的資料封包)的傳送速度不致快到灌爆中間的節點或接收端. • 一個TCP分段的報頭需要至少20個位元組。運載的資料(payload)是非必須的. • 一個分段加上報頭最長不可超過65,515個位元組，好放在IP運載。.

23. 11.4 網路協定 II TCP/IP 架構 • 到了1994年, Internet Engineering Task Force 開始制定現在的 IP Version 6. • IETF要設計IPv4後繼版本的主要動機，是要提升目前IP位址32-bit的限制到128-bit，供來源與目的地端主機位址使用 . • 這是一個非常大的位址空間，總共有2128個可用的位址. • IETF也提出了一個可聚集式全域單點傳送位址格式 (Aggregatable Global Unicast Address Format) 來管理這個超大的位址空間.

24. 11.6 網路組織 • 電腦網路通常依照它所服務的地理範圍來分類 . • 最小的網路是區域網路(local area networks, LANs). 通常它是使用在一棟大樓，或是一群相鄰的大樓間. • 區域網路(Metropolitan area networks, MANs)是涵蓋一個城市與其週邊的網路. • LAN速度變得更快，並且很容易與WAN的技術相結合，最終這將會讓MAN這個概念完全消失. • 廣域網路(Wide area networks, WANs)的範圍則可以包括數個城市, 甚至全世界.

25. 11.6 網路組織 • 這一節將討論LAN、MAN、WAN上共通的實體網路元件. • 我們會從網路組織最下面一層，也就是第一層的實體媒介開始介紹. • 通訊媒介大致上可分為兩類：導向性傳輸媒介(guided transmission media)和非導向性傳輸媒介(unguided transmission media). • 非導向性傳輸媒介利用紅外線、微波、衛星訊號或者無線載波等方式將資料透過電波廣播出去.

26. 11.6 網路組織 • 導向性媒介則是如銅線或是光纖等實體線路直接連接網路上的每一個節點. • 讓訊號無法正確傳送的電氣效應就通稱為雜訊(noise). • 訊號和雜訊的強度是以分貝（decibel, dB）為單位. • 纜線的等級是根據在雜訊的作用下, 以不同頻率來傳送訊號的好壞來評比 .

27. 11.6 網路組織 • 傳送訊號好壞的評比, 是以通訊頻道上的訊號雜訊(signal-to-noise)比來判斷, 也是以分貝為單位. • 一個媒介上的頻寬(bandwidth)嚴格來說是指其媒介所能傳導的頻率範圍, 單位是赫茲(hertz). • 在數位通訊中，頻寬指的是媒介所能傳送資訊量的通稱，其單位是每秒傳送位元數(bits per second, bps). • 另一個重要的數值是位元錯誤率(bit error rate, BER), 就是收到的錯誤位元除以總接收位元所得到的比率.

28. 11.6 網路組織 • 同軸纜線曾經是數據通訊最好的媒介 . • 它可以傳送每秒數兆週波頻率的訊號且衰減率低 . • 今日它多使用在廣播以及封閉式線路的電視應用中. _ 同軸纜線也可以在有線電視線路上傳送網際網路服務的訊號 .

29. 11.6 網路組織 • 雙絞線電纜(twisted pair cabling)內有兩對雙絞線，已廣泛使用在今日的區域網路設置中. • 它有兩種選擇：遮蔽與無遮蔽。最常使用的是無遮蔽的雙絞線. _ 將纜線絞在一起能降低電感, 而遮蔽則可以防止外界的干擾.

30. 11.6 網路組織 • 美國電子工業協會(Electronic Industries Association, EIA)與美國電信工業協會(Telecommunications Industry Association, TIA) 建立了一套網路線路分級系統稱為 EIA/TIA-568B. • EIA/TIA等級類別（category）詳細指明纜線在沒有過度衰減下所能支援的最大頻率 . • ISO分級系統則是將線路的等級稱為class. • 今日大多數的區域網路所用的是category 5或以上的線路, 而有許多網路架設時則使用光纖纜線.

31. 11.6 網路組織 • 光纖網路介質所能運載的訊號要比雙絞線或同軸電纜來得更快且更遠 . • 理論上光纖纜線可以支援數兆赫茲的(terahertz)頻率，但一般常用的傳輸速率大約是在二十億赫茲，傳送距離大約10到100公里(不使用中繼器(repeater)). • 光纖纜線是由一捆外面包覆塑膠護套的極細(1.5到125μm)玻璃或塑膠線所組成.

32. 11.6 網路組織 • 光纖支援三種不同的傳輸模式，分別使用不同的纜線. • 單模(signle-mode)光纖提供最快的傳輸速度與最遠的傳輸距離 ，只能在一個波長下傳送光波，通常是850、1300或1500奈米. • 多模(multimode)光纖可以在一個較大的光纖中同時使用數個不同的波長 .

33. 11.6 網路組織 • 多模折射率光纖（multimode graded index）也支援同時使用多個不同波長,但它的機制比一般多模光纖還要精細. • 不同於多模光纖, 這些光波分別限制在光纖內最適合傳遞其波長的區域中. • 所以雖然光纖同時傳送這些不同波長的光波, 但它們相互之間不會彼此干擾 .

34. 11.6 網路組織 • 光纖介質比起銅介質有許多優點, 最顯著的是其龐大的訊號傳輸能力. • 他同時也不會受到EMI和RFI的影響. • 光纖體積小重量輕, 一條光纖可以替換數百對銅線. • 但光纖非常脆弱且成本與安裝費用都很高。因此，光纖最常使用在連接數時萬個使用者的網路骨幹線路(backbone cable)上, 它承載了數百或數千的使用者.

35. 11.6 網路組織 • 傳輸介質透過網路介面連接到客戶端, 主機以及其它的網路裝置. • 因為這些網路介面常做在可更換的電路板上，所以它們常被稱為網路介面卡(network interface card), 或是NIC. • 一個網路介面卡通常包含OSI協定堆疊中最下面的三層. • NIC直接連到系統的主要匯流排或是專屬I/O匯流排.

36. 11.6 網路組織 • 每個網路卡都有一個獨一無二的實體位址燒在其電路上. 這個位址稱做媒體存取控制(Media Access Control, MAC)位址, 共有六個位元組. • 前面三個位元組是由IEEE所給定的製造商識別號碼。後三個位元組則是由製造商給網路卡的獨特識別號碼. • 網路協定層將這個實體MAC位址對應到至少一個邏輯位址 . • 一個電腦(或邏輯位址)有可能有兩張以上的網路卡, 但每一個網路卡會有其獨特的MAC位址 .

37. 11.6 網路組織 • 中繼器(Repeater)經由放大訊號來補償訊號在通過網路上的實體線路時所造成的衰減 . • 中繼器是網路媒介的一部分 (Layer 1). • 理論上它們的功能單純，完全不需要人員介入 . 但是, 現在一些中繼器會提供可以協助網路管理與除錯的高階服務.

38. 11.6 網路組織 • 集線器(hub) 也是實體層裝置，但它有許多輸入與輸出埠. • 它從一個或多個地方接收封包, 然後再將封包發送給網路上一個或多個裝置. • 集線器讓電腦可以聚集在一起成為網路區段(network segment).

39. 11.6 網路組織 • 交換機(switch)是在輸入埠與輸出埠間建立點對點連線的第二層裝置 . • 交換機有數個具有緩衝區的輸入埠、及相等數目的輸出埠,一個交換中樞(switching fabric)以及數位硬體會解譯輸入埠緩衝區內網路框架的位址. • 由於所有的交換功能都是在硬體上進行，使得交換機成為連結高速網路不可或缺元件.

40. 11.6 網路組織 • 橋接器第二層的裝置, 它將二個類似型態的網路連結在一起, 讓它們看起來就像是一個網路. • 橋接器可以連接使用不同媒體存取控制協定的不同媒介，但兩邊MAC層以上所有OSI協定堆疊的協定都必須要一致 .

41. 11.6 網路組織 • 路由器（router）連結至少兩個以上的網路,是一個決定封包要往何處去的裝置. • 路由器是特殊設計用來將二個網路連結在一起的, 通常是將 LAN 連到 WAN. • 路由器被定義為第三層的裝置,它可以橋接不同的網路媒介以及連接運作在第三層以下的不同網路協定 . • 在網際網路的文獻中，路由器因其所具備的功能,有時也被稱為是 “中間系統(intermediate system)”或 “閘道器(gateway)”.

42. 11.6 網路組織 • 路由器是專為連接兩個網路所設計的，尤其是連接區域網路到廣域網路。這個裝置之所以複雜，除了要包含緩衝區以及交換邏輯電路，同時也要有足夠的記憶體與處理能力，來計算將封包送到其終點的最佳路徑.

43. 11.6 網路組織 • 動態路由器（dynamic router）會根據網路的變化自動的設定路徑. • 動態路由器透過和網路上其它路由器的資訊交換來自動探勘所屬的網路 . • 路由器間交換的訊息封包上會提供它們所在的位址以及從一點到另一點所需的時間 . • 每一台路由器會將這些資訊收集成一個表後儲存在記憶體中. • 一般來說，表上每個目的地節點會與其相鄰的路由器（或是next-hop）放在一起 .

44. 11.6 網路組織 • 在建立路徑選擇表時，動態路由器會以下列兩種情境來考量。一個是考慮兩點間的距離，另一個則是測量網路延遲所得到的網路狀況. • 在第一個情況下所用的演算法是距離向量路徑選擇(distance vector routing)演算法。第二個則是用連線狀況路徑選擇(link status routing)演算法 . • 距離向量路徑選擇實作上較為簡單, 但是它有高流量及計數無限大(count-to-infinity)的問題, 這是因為有一個無窮迴圈在路徑表中.

45. 11.6 網路組織 • 連線狀況路徑選擇法也是一個能自我管理的系統。每一台路由器每隔一段時間便會送出Hello封包，以偵測與相鄰路由器間的線路速度. • 當收到所有的回應後，路由器便會將這些時間編成連線狀況表. • 之後這個表會發送給除了相鄰路由器以外的所有其他路由器. • 最後，在同一個路徑選擇區域的所有路由器都會有一樣的路徑選擇表. • 所有的路由器便會使用這個資訊來計算其路徑選擇表中每一個目的地的最佳路徑 .

46. 11.7 寬頻數位線路 • 長距離的電話通訊要依賴數位線路. • 因為人類的聲音是類比的, 在送到數位載體之前要先數位化才行.這個轉換的技術叫做脈衝編碼調變(phase-code modulation, PCM). • PCM技術假定人類聲音的最高頻率約在4000Hz上下 . • 因此，如果電話語音轉換是取每秒8000個樣本，則其強度與頻率便可以準確的以數位的形式重建出來 .

47. 11.7 寬頻數位線路 • 下圖顯示等距量化(quantization)準位的脈衝幅度調變(pulse amplitude modulation). • 每個量化準位都可以編碼成二進位值 . • 這樣的配置可以記錄存在4000Hz頻帶中最上端與最下端位元之間的資訊.

48. 但人類所發出的聲音與耳朵所聽到的聲音 “資訊”並不是等距分布的，而是較為向頻帶中間靠攏 , 如下圖所示. 因為這個原因，PCM量化準位也以向頻帶中間靠攏的方式，以產生較為忠實的人聲 11.7 寬頻數位線路

49. 11.7 寬頻數位線路 • 當使用127個量化準位時，PCM訊號與純類比訊號間的差異便無法察覺 . • 因此每個訊號振幅樣本可以使用7個位元來紀錄. • 在最早的PCM系統中，Bell System將第8個位元加到PCM樣本中以作信號與控制之用. • 今天則使用全部8個位元. • 一個語音連線所產生的PCM訊號流需要64Kbps（8位元乘上每秒取樣8,000次）的頻寬。Digital Signal 0（DS-0）指的就是64Kbps PCM位元流的信號發送速率.

50. 11.7 寬頻數位線路 • 為了形成一個傳輸框架(transmission frame), 一連串24個不同語音連線的PCM訊號會被放置到線路上, 外加一個控制頻道以及框架位元(frame bit), 組成一個125μs的框架 . • 由於每個連線約使用125 μs框架的24分之1, 這個過程便叫做分時多工(time division multiplexing, TDM). • 在每個連線每秒取樣8000次的情形下, 語音頻道、信號頻道以及框架位元加起來總共需要使用1.544Mbps的頻寬 .