廣域網路

1. 第 7 章 廣域網路

2. 本章重點 • 7-1 廣域網路簡介 • 7-2 T-Carrier 與 SONET • 7-3 訊框傳送 (Frame Relay) • 7-4 非同步傳輸模式 (ATM) • 7-5 整體服務數位網路 (ISDN) • 7-6 遠端遙控與遠端存取 • 7-7 虛擬私人網路 (VPN)

3. 廣域網路 • 廣義來說, 傳輸距離可延伸至很大地理範圍的網路, 便稱做廣域網路 (Wide Area Network)。目前全球最大的廣域網路便是『網際網路』 (Internet)。它是全球網際間互連所形成的超大型網路, 不但跨州越省, 跨越國界, 遍及全球五大洲, 甚至連外太空也在它的傳訊範圍內。

4. 7-1 廣域網路簡介 • 7-1-1 常見的運作型態 • 7-1-2 末端用戶與傳輸骨幹 • 7-1-3 廣域網路的傳輸模式

5. 7-1-1 常見的運作型態 • 由於廣域網路連線的傳輸距離長, 不但穿山越嶺, 甚至還跨越了三大洋五大洲,以有線傳輸媒介來建置, 必須負責沿途的土地租購協調與開挖埋線 (或架桿拉線)工程；若以衛星微波傳訊, 那更是跨國電信公司才能負擔的成本。 • 傳輸系統建置完畢後, 更有後續的不定時搶修與例行性維護工作。

6. 常見的運作型態

7. 常見的運作型態 • 所以在成本的考量下, 大多數的公司行號、機關組織 (或個人) 都寧願向提供連線服務的電信公司租用廣域網路連線。

8. 7-1-2 末端用戶與傳輸骨幹 • 電信公司開放給大眾租賃的線路通稱為『專線』 (Dedicated Line) 或『租線』(Leased Line), 而自己的機房之間也同樣以專線連接起來, 以提供用戶傳輸距離更長的連線服務。 • 不同的電信公司之間也透過專線互連, 然而隨著電信公司所服務的客戶數量增多, 機房之間專線的可用頻寬與傳輸可靠性也就更加重要, 否則機房之間的專線一旦故障或傳輸壅塞, 所有的連線用戶都得跳腳了。

9. 末端用戶與傳輸骨幹 • 從連線用戶到電信公司機房之間的廣域網路連線, 我們通稱為末端用戶 (End User) 連線；電信公司機房之間的連線, 則稱為傳輸骨幹 (Backbone) 連線。不過一般也將在公司機房內, 伺服器與伺服器之間、擁有較大頻寬的連線稱為 Backbone 連線。 • 第 15 章會介紹各種可以連上網際網路的末端用戶連線。

10. 末端用戶與傳輸骨幹 • 廣域網路所採用的傳輸模式有 3 種： • 電路交換 (Circuit Switching)： 傳統的 PSTN 類比式電話系統就是典型的電路交換傳訊系統。所有末端用戶都透過電話線連接到電信業者機房裡的電信交換機上, 各地機房裡的電信交換機再以大量電話線路互相連接起來。當某甲要打電話連絡某乙時, 這些電信交換器就會依據某甲所撥的電話號碼, 將某甲與某乙的電話線路連接起來, 供雙方對談使用。直到對談結束掛斷電話後, 交換機便自動切斷這條電話線路。

11. 末端用戶與傳輸骨幹 • 封包交換 (Packet Switching)： 相較於傳統的類比式 PSTN 電信網路, 數位式電腦網路使用的則是封包交換傳輸技術。舉例來說, 在區域網路裡, 當我們透過集線器或交換器將 A、B、C 這 3 部電腦連接起來時, 當 A 電腦要傳送資料給 B 電腦時, 會將資料切割成多個長度不定的封包, 然後再將這些資料封包傳入纜線, 透過集線器或交換器將這些資料封包傳遞到 B 電腦。這種數位資料傳輸模式便稱為封包交換 (或譯作『分封交換』) 傳輸模式。

12. 末端用戶與傳輸骨幹 封包交換傳輸模式的一大優點, 就是可以在單一條傳輸通道上提供多工傳輸功能。以上述 A 電腦傳送資料給 B 電腦的例子來說, 若同時 C 電腦也要傳輸資料給 B, 則 C 電腦也會將資料切割成多個長度不定的封包, 傳入纜線, 透過集線器或交換器, 傳遞到 B 電腦上。由於 A、C 電腦要傳送資料時, 都會事先將一長串的資料依序切割成許多個較小的資料封包, 再一一送出, 使得 B 電腦在收到A 電腦所傳來的前幾個資料封包後, 也有機會收到 C 電腦所傳來前幾個資料封包, 因此讓 B 電腦可以『同時』跟 A、C 這 2 台電腦對話, 達到同時對話的多工效果。

13. 末端用戶與傳輸骨幹 • 細胞交換 (Cell Switching)： 大多數的數位網路系統都使用前述長度不定的封包來傳遞資料, 但 ATM 網路系統為了提高封包的傳輸效能, 採用特殊的固定長度封包來傳遞資料, 這種固定長度的封包就稱為『傳輸細胞』 (Cell), 其所衍生的網路傳輸模式就稱為細胞交換傳輸模式。

14. 7-2 T-Carrier 與 SONET • 在眾多廣域網路的傳輸技術中, 屬於實體層規格的有『T-Carrier』與『SONET』, 運作範圍向上包含鏈結層的標準則有『Frame Relay』 (訊框傳送) 與『ATM』 (非同步傳輸模式)。

15. 7-2-1 T-Carrier • AT&T 公司從 1957 年開始發展 T-Carrier (Trunk Carrier, 主幹傳輸媒體) 傳輸技術, 最初的發展目標是希望透過數位傳輸技術, 在一條傳輸線路上傳遞多個即時語音通訊, 所以便透過『分時多工』 (Time Division Multiplexing, TDM) 技術同時進行多通道語音通話, 將類比的語音訊號經過取樣程序轉換成數位資料, 再傳遞出去。

16. T-Carrier • T-Carrier 家族裡第一個成員為 T1, 它的傳輸速率是 1.544 Mbps 。採用兩對雙絞線當作傳輸媒介, 其中一對絞線用來發送資料, 另一對絞線則用來接收資料, 所以支援全雙工傳輸模式。 • 當初 T1 透過分時多工技術劃分出 24 個 64Kbps 的傳輸通道, 是希望透過 24 個傳輸通道同時支援 24 個即時語音通訊。然而隨著時代改變, 現今的電信公司卻轉用這項技術來提供傳輸速率較低的連線服務。連線用戶若需要傳輸速率512Kbps 的連線, 那就開放 8 個 64Kbps 傳輸通道供其使用。

17. T-Carrier • 這種僅使用了部分傳輸通道的 T1 連線, 便稱做『部分型 T1』 (Fractional T1, FT1)。 • 除了 T1 以外, T-Carrier 家族裡陸續有其它傳輸速率更高的成員問世, 隨著傳輸速率的要求持續增高, 亦開始採用同軸纜線、多模光纖、微波傳訊等其它傳輸媒介。

18. T-Carrier • T-Carrier 家族成員的傳輸速率依照『數位訊號』 (Digital Signal, DS)規格劃分等級, 北美與歐洲的分法稍有差異, 如表 7-1 與 7-2 所示：

19. T-Carrier • 『FT1(1)』代表只使用一個傳輸通道的 FT1, 也是傳輸速率最低的等級。

20. T-Carrier • 其中以北美版本的 T-Carrier 傳輸規格來說, 各成員所承載的傳輸通道數量剛好成簡單的倍數比, 如表 7-3 與圖 7-02 所示：

21. T-Carrier

22. 7-2-2 SONET • 1984 年 AT&T 公司分家後, 許多電信公司各自發展自家的高速連線技術, 卻使得各種高速連線之間難以互通。 • 為了順利銜接各種不同的高速光纖連線, 後來Bellcore (也就是現今的 Telcordia) 公司推出了 SONET (Synchronous Optical NETwork, 同步光纖網路) 技術, 劃分出各種 OC (Optical Carrier, 光學媒體) 等級的光纖連線傳輸速率, 讓各家光纖連線互連時能有個參考的依據, 如表 7-4 所示。

23. SONET

24. SONET • 儘管 SONET 規格中的最基本傳輸速率為 OC-1 的 51.84Mbps, 但是固網業者提供的高速光纖傳輸服務卻是從 OC-3 的 155.52Mbps 開始起跳, 沒有業者提供低於 OC-3 以下傳輸速率的高速光纖傳輸服務。 • 所以上表的『相對傳輸速率』欄位中另外列出各種等級傳輸速率與 OC-3 的相對速率比。

25. 7-3 訊框傳送 (Frame Relay) • 訊框傳送 (Frame Relay) 改良自較早發展出來的 X.25 協定, 早期通訊硬體的品質不比目前, 較容易發生傳輸錯誤的情況。 • 所以 X.25 協定包含了相當多的傳輸控制和錯誤修正的功能, 也因為如此, 使用 X.25 進行傳輸時, 需耗費時間及頻寬在修正資料傳輸錯誤上, 使得傳輸效率大打折扣。 • 隨著網路軟硬體品質的提昇, X.25 當初所提供的多項功能似乎顯得多餘, 因此訊框傳送規格將所要做的工作予以簡化。

26. 訊框傳送 (Frame Relay) • 其中最大的改變, 就是不執行『偵測錯誤與修正錯誤』的工作, 將此工作改由傳輸端與接收端的上層協定執行。因此可以大幅提升傳輸效能。 • 訊框傳送規格定義在 OSI 模型的第 1、2 層, 因此能夠支援多種上層協定, 例如：TCP/IP、IPX/SPX 等等。 • 使用 Frame Relay 技術時, 連線 2 端需建立虛擬連線 (Virtual Connection)：連線2 端實際都只是連上 Frame Relay 網路的某個節點, 但其間的連線路徑已先定義好,使得 2 端彷彿是以專線直接相連。

27. 訊框傳送 (Frame Relay)

28. 訊框傳送 (Frame Relay) • 虛擬連線有 2 種：永久式虛擬連線 (Permanent Virtual Circuit, PVC) 是固定連通的連線, 可隨時用來傳送資料；至於交換式虛擬連線 (Switched Virtual Circuit,SVC) 則是有需要時才建立的臨時性連線。 • 訊框傳送技術提供 CIR (Committed Information Rate, 約定資訊速率) 的功能, 可在設定 PVC 時即設定保證提供的頻寬, 因此雖然傳輸過程中是經過公眾的 Frame Relay 網路, 但仍能保證其虛擬連線能享有不低於 CIR 的頻寬, 不會因為有其他人進行大量傳輸, 而使得虛擬連線的可用頻寬下降。

29. 使用訊框傳送技術的優點 • 節省遠距傳輸資料的成本 舉例來說, 某企業想連接其台北、台中、花蓮分公司的區域網路。如使用上一節介紹的專線, 由於費用是隨距離增加而上揚, 所以要拉 3 條專線的費用將相當可觀。但若改用訊框傳送技術後, 各地只需租用連到當地 Frame Relay 網路節點的專線,再加上所需頻寬的 PVC, 其費用比直接用專線連接低許多。

30. 使用訊框傳送技術的優點

31. 使用訊框傳送技術的優點 • 節省長途通信的成本 由於 Voice over Frame Relay 技術的成熟, 在訊框網路上也能傳送語音訊號。因此可以利用數據資料傳輸量較少的時段來做長途通訊, 不但節省通訊成本, 也提升網路使用效率。 • 容易擴充 訊框傳送網路利用相同的硬體裝置, 即可輕易擴充頻寬。例如：CIR 為 128 Kbps的訊框傳送連線和 CIR 為 1.544 Mbps 的訊框傳送連線, 使用相同的線材和裝置。當企業的頻寬需求增加時, 只要與 ISP 重新議定 CIR, 不必花錢更換任何硬體設備, 即可提升連線的頻寬。

32. 以訊框傳送網路連接區域網路 • 區域網路要透過訊框傳送的技術相連, 必須使用 FRAD (Frame Relay Assembler/Disassembler) 裝置 (例如：訊框傳送路由器) 將區域網路中的封包 (例如：乙太網路封包), 轉換成訊框後送出。 • 目的網路的 FRAD 裝置收到訊框後, 則是反向將訊框轉換成區域網路中的封包形式來傳送。下圖就是利用訊框傳送連接區域網路的情形。

33. 以訊框傳送網路連接區域網路 • 多台訊框傳送路由器的互連, 形成了傳輸距離更長且傳輸範圍更為廣闊的大型訊框傳送公眾網路, 可以將更多、距離更遠的區域網路串連起來。

34. 以訊框傳送網路連接區域網路

35. 以訊框傳送網路連接區域網路 • 早期的訊框傳送技術採用 T-Carrier 當作實體層, 傳輸速率最高只有 T3 或 E3, 隨著 SONET 規格的問世, 現在的 Frame Relay 也可以在 SONET 高速光纖線路上運作了。

36. 7-4 非同步傳輸模式（ATM） • 近年來, 非同步傳輸模式（ATM, Asynchronous Transfer Mode）技術一直是市場矚目的焦點。 • 由於它具有高速傳輸、獨佔頻寬、可提供保證頻寬、可限制傳輸延遲等等優點, 所以能在日益擁擠的網路世界脫穎而出, 應用面從廣域網路擴及到區域網路, 從企業網路延伸到私人網路。因此 ATM 儼然成為學習網路時不可或缺的課題。

37. 7-4-1 ATM 網路的基本架構 • ATM 網路主要是由 ATM 交換器（ATM Swi tch）和 ATM 端點（ATM Endpoint）組成。 • ATM 交換器就像是電話系統的交換機, 負責在輸入埠和輸出埠之間建立實體的電路連線, 然後兩端才能傳送資料；至於 ATM 端點則可以是個人電腦、L2 交換器、路由器等等設備, 如下圖。

38. ATM 網路的基本架構

39. ATM 網路的基本架構 • 其中 ATM 交換器彼此之間透過 NNI（Network Network Interface） 規格溝通；而交換器與端點則透過 UNI（User Network Interface） 規格溝通, 兩種規格所定義的封包表頭（Header） 略有差異。 • ATM 的規格僅侷限在 OSI 模型的第 1、2 層, 與上層執行何種協定無關, 因此上層協定可以是TCP/IP、IPX/SPX 等等。

40. 7-4-2 ATM 網路的特色 • ATM 網路之所以盛行, 在於它能集合其它各種技術的長處並加以改良, 使得傳輸效益得以大幅提升。以下便是 ATM 網路最為人重視的特色: • 減少選擇路徑動作 傳統交換器收到封包時, 通常先根據該封包的目的位址, 判斷出應該送到哪個輸出埠（此動作稱為『選擇路徑』, 又稱『路由』）, 然後再將封包送過去（此動作稱為『交換』）。倘若該輸出埠正在忙碌, 便暫時將封包放到緩衝記憶體、稍候再送。

41. ATM 網路的特色 在此過程裡, 選擇路徑是比較花時間的動作, 因此 ATM 交換器是在節點建立連線時就決定路徑, 並記錄在表格中, 爾後只要查表就知道該將封包送到何處,毋需再執行選擇路徑工作, 因此可以大幅節省處理封包的時間。 • 省略錯誤檢查和流量控制工作 早期的線路品質較差, 在傳送資料過程中出錯的機率較高, 所以每部交換器都要檢查收到的封包是否有誤。但是隨著線路品質的改進, 錯誤檢查工作其實只要在接收端執行就夠了；此外, 流量控制也改由 ATM 端點的高層協定所執行。因此ATM 交換器又可以減少兩項重擔, 縮短處理時間。

42. ATM 網路的特色 • 固定封包長度 在傳統的封包交換網路中, 封包未必有固定長度, 例如：乙太網路的封包長度從64~1518 Bytes 皆可。不但傳送每個封包的時間可能不同, 而且在傳送大封包時便造成其它封包的等待, 倘若是傳送影音資料, 便會形成畫面掉格、聲音中斷的情形：

43. ATM 網路的特色 在 ATM 技術則改用了固定長度的『傳輸細胞』（Cell）為基本傳輸單位, 每個傳輸細胞佔 53 Bytes, 其中 5 Bytes 為表頭（Header）, 48 Bytes 為承載的資料（Payload）。此舉不但解決了上述的問題, 也能簡化 ATM 交換器的電路設計, 提升處理效率。

44. ATM 網路的特色 • 每個連線擁有專屬頻寬 在乙太網路、Token Ring 網路中, 所有的裝置共享頻寬, 因此電腦數量愈多, 每部電腦的平均可用頻寬愈少, 這是共享頻寬式網路先天的缺點。但是 ATM 網路就沒有這個問題, 因為它的每一條連線都擁有專屬頻寬, 不會因為連線數量增加而稀釋了自己的頻寬, 所以網路的總頻寬是各連線頻寬的累加。

45. ATM 網路的特色 • 提供多樣化的傳輸速率 ATM 網路能提供 25 Mbps、51 Mbps、100 Mbps、155 Mbps、622 Mbps、2.4 Gbps 等傳輸速率, 以符合傳輸不同類型資料（視訊資料、音訊資料、數據資料）的需求。 • 支援多種傳輸介質 ATM 網路可以使用光纖、同軸電纜和雙絞線作為傳輸介質, 使得它在實際應用上非常有彈性。使用者可以根據成本、傳輸速率、環境等等因素, 採用適當的傳輸介質。

46. 7-4-3 ATM 網路的工作原理 • 建立連線 • 傳輸資料

47. 建立連線

48. 建立連線 • 當 A 電腦要與 B 電腦建立連線時, 先送要求連線（Setup）訊息給 X 交換器,X 交換器將此訊息轉給 Y 交換器, Y 交換器再轉給 B 電腦。若 B 電腦同意建立連線則回覆建立連線（Connect）訊息；否則回覆拒絕（Release）訊息。 • 在整個過程中, 其實不只 B 電腦可以拒絕連線要求, X 交換器與 Y 交換器也可能拒絕建立連線。

49. 建立連線 • 因為在要求連線（Setup）訊息中還包含了頻寬要求與 QoS 要求, 前者是指對頻寬大小、單向或雙向的要求；後者是指對連線品質的要求, 例如：傳輸細胞遺失率（Cell Loss Ratio）、傳輸細胞延遲時間（Cell Transfer Delay）等等。 • 假如當時的網路狀況無法滿足 A 的頻寬要求或 QoS 要求, X 或 Y 交換器就會拒絕建立連線, 停止轉送 A 的建立連線訊息。

50. 建立連線 • 一旦建立了 A 到 B 的實體連線, 兩者便可以傳輸資料。而 A 電腦到 X 交換器、X 交換器到 Y 交換器、Y 交換器到 B 電腦這 3 段連線都稱為虛擬通道（Virtual Channel,VC）, 每個 VC 都有獨立的編號, 稱為虛擬通道識別碼（Virtual Channel Identifier,VCI）。 • 3 個 VC 所組成的連線稱為虛擬通道連線（Virtual Channel Connection,VCC）。