William Stallings Data and Computer Communications

1. William StallingsData and Computer Communications Chapter 13 區域網路技術(Local Area Network Technology)

2. 區域網路應用(LAN Applications) (1) • 個人電腦(Personal computer) LANs • 低成本(Low cost) • 有限的資料率(Limited data rate) • 後端網路(Back end networks)及儲存區網路(storage area networks) • 連接大型系統(Interconnecting large systems)，如 mainframes 及大型儲存裝置(large storage devices) • 高資料率(High data rate) • 高速介面(High speed interface) • 分散式存取(Distributed access) • 有限距離(Limited distance) • 有限數目的設備(Limited number of devices)

3. 區域網路應用(LAN Applications) (2) • 高速辦公室網路(High speed office networks) • 桌上影像處理(Desktop image processing) • 高容量區域儲存體(High capacity local storage) • 主幹區域網路(Backbone LANs) • 連結(Interconnect)低速本地區域網路 • 可靠性(Reliability) • 容量(Capacity) • 成本(Cost)

4. LAN 架構(Architecture) • 協定架構(Protocol architecture) • 圖形結構(Topologies) • 介質存取控制(Media access control) • 邏輯連結控制(Logical Link Control)

5. 協定架構(Protocol Architecture) • OSI模型較低的幾層(Lower layers of OSI model) • IEEE 802 參考模型(reference model) • 實體層(Physical) • 邏輯連結層(Logical link control) (LLC) • 介質存取控制層(Media access control) (MAC)

6. IEEE 802 v OSI

7. 802 層次(Layers) – 實體(Physical)層 • 訊號的編碼(Encoding)/解碼(decoding) • Preamble 產生(generation)/去除(removal) • 位元(Bit) 傳輸(transmission)/接收(reception) • 傳輸介質(Transmission medium)及圖形結構(topology)

8. 802 層次(Layers) - 邏輯連結控制 (Logical Link Control)層 • 至較高階層介面(Interface to higher levels) • 流量與錯誤控制(Flow and error control)

9. 802 層次(Layers) – 介質存取控制(Media Access Control)層 • 將資料組裝(assembly)上位址(address)及錯誤偵測欄位(error detection fields)成為訊框(frame) • 解裝訊框(Disassembly of frame) • 辨認位址(Address recognition) • 錯誤偵測(Error detection) • 掌管(Govern)傳輸介質的存取(access) • 傳統的第二層資料連結控制並無此作業 • 對於同一個LLC, 有若干個MAC 選擇可用(available)

10. IEEE標準

11. LAN 協定之關係(Protocols in Context)

12. 圖形結構(Topologies) • 樹狀(Tree) • 直線式(Bus) • 樹的特例(Special case of tree) • 一條主幹線，無分支(One trunk, no branches) • 環狀(Ring) • 星狀(Star)

13. LAN圖形結構(Topologies)

14. 直線(匯流排)式(Bus)與樹狀(Tree) • 多點式(Multipoint)介質(medium) • 傳輸遞移過整個(propagates throughout)介質 • 被其上所有的設備所接收(Heard by all stations) • 需識別目標設備(Need to identify target station) • 每部設備有唯一的位址(unique address) • 設備與接頭(tap)間為全雙工作業(Full duplex connection) • 允許資料可被送上介質及由介質上接收 • 須調節傳輸(regulate transmission) • 以避免碰撞(avoid collisions) • 以避免(avoid hogging) • 資料以小區段(small blocks) – 訊框(frames)為單位來傳送 • 在介質兩端的終端器(Terminator)會吸收訊框(absorbs frames)，並將其由介質上移除

15. 訊框傳輸(Frame Transmission) – 直線式區域網路(Bus LAN)

16. 環狀圖形結構 (Ring Topology) • 將一些再生器(repeaters)以點對點連線連成封閉式迴路(closed loop)所形成 • 再生器由一連線上接收資料，並且將其送到另一條連線上 • 連線是單一方向的(unidirectional) • 設備均是接到網路中的再生器(attach to repeaters) • 資料以訊框為單位被送出 • 環繞過所有設備(Circulate past all stations) • 目標設備辨識其位址，並在訊框通過時將其內容拷貝至緩衝區中 • 訊框繞回到來源設備(source)並被移除 • 需使用介質存取控制(Media access control)來決定設備何時可以送出訊框

17. 訊框傳輸(Frame Transmission)環狀(Ring) LAN

18. 星狀圖形結構 (Star Topology) • 每部設備會直接連到一共同的中央節點上(central node) • 通常利用兩條點對點的連線，其中每條連線提供單一方向的傳送能力 • 中央節點可採用廣播式(broadcast)的處理方式 • 實際上是星狀結構，但其邏輯上則與直線式相同(physical star, logical bus) • 同一時間只能有一部設備傳送資料 • 中央節點或可作為一訊框交換設備(act as frame switch)

19. 介質存取控制 (Media Access Control) • 何處(Where) • 集中式(Central) • 可提供更大的存取控制能力(Greater control) • 每一設備只需使用相當簡單的存取邏輯(access logic) • 避免同等設備之分散協調(co-ordination)的問題 • 單一位置的失效會造成整個網路癱瘓(Single point of failure) • 可能會形成瓶頸(Potential bottleneck)而造成效能降低 • 分散式(Distributed) • 方式(How) • 同步(Synchronous) • 專屬的通訊能力會指定給一條連線(Specific capacity dedicated to connection) • 非同步(Asynchronous) • 反應立即之需求(In response to demand)

20. 非同步系統(Asynchronous Systems) • 循環式(Round robin) • 若一段時間內(over extended period)若有多部設備要傳送資料，則循環式技術可以具有相當好的效率 • 預約式(Reservation) • 對長時間連串的傳輸作業(stream traffic)而言是相當適用的 • 競爭式(Contention) • 適合突發式的傳輸作業(bursty traffic) • 所有設備競爭傳送時間(All stations contend for time) • 分散式的(Distributed) • 容易實作(Simple to implement) • 在負載不重的情形中(under moderate load)具有不錯的效率 • 但在負載重時，可能會造成效能上的崩潰(Tend to collapse under heavy load)

21. MAC 訊框格式 (Frame Format) • MAC層由LLC層收到資料區塊 • 訊框中的欄位有： • MAC 控制(control) • 目標MAC位址(Destination MAC address) • 來源MAC位址(Source MAC address) • 來自LLC層之PDU • 循環冗餘檢查(CRC) • MAC層負責偵錯(detects errors)及拋棄(discards)任何錯誤的訊框(frames) • LLC層則選擇性地(optionally)記錄已被成功接收的訊框，並重傳(retransmits)不成功之訊框(unsuccessful frames)

22. 邏輯連結控制(Logical Link Control ) • LLC只考量兩設備間無交換節點之連結階層PDU的傳輸作業 • 必須支援連線之多重存取(multiaccess)與共用介質(shared medium)的特性 • 某些連線存取細節(link access details)由MAC層負責以減輕其負擔 • 定址方式(Addressing)包含指定(specifying)來源與目標LLC使用者 • 被稱為服務存取點(service access points, SAP) • 一般是指LLC上層的協定(higher level protocol)

23. LLC 服務(LLC Services) • 建立在HDLC的基礎上(Based on HDLC) • 不具認可訊號之非連線式服務(Unacknowledged connectionless service) • 連接模式服務(Connection mode service) • 具有認可訊號之非連線式服務(Acknowledged connectionless service)

24. LLC協定(LLC Protocol) • 建立在HDLC模型之上(Modeled after HDLC) • 使用HDLC之非同步平衡作業模式(Asynchronous balanced mode)以支援連線模式(connection mode)之LLC服務(第二型作業方式，type 2 operation) • 使用未編號之資訊PDU(Unnumbered information PDUs)來支援具有認可訊號之非連線式服務(Acknowledged connectionless service) (第一型，type 1) • 利用LLC服務存取點(LLC service access point, LSAP)來提供多工處理(Multiplexing)的能力

25. 典型的訊框格式(Typical Frame Format)

26. 直線式LAN(Bus LANs) • 訊號的平衡方式(Signal balancing) • 訊號(Signal)必須夠強(strong enough)以符合(meet)接收器對於訊號強度之最低需求(minimum signal strength requirements) • 必須夠強以維持一適當的(adequate)訊號雜訊比(signal to noise ration) • 又不能太強而造成傳送器的電路過載(overloads transmitter) • 對任何傳送器與接收器的組合情形，都必須符合上述條件 • 通常便是將網路分成可達成平衡之較小段落(small segments) • 使用放大器(amplifies)或是再生器(repeaters)來連接不同的段落(segments)

27. 傳輸介質(Transmission Media) • 雙絞線(Twisted pair) • 不適用於較高資料率的共享匯流排(shared bus) • 基頻同軸電纜 (Baseband coaxial cable) • 用於乙太網路(Ethernet) • 寬頻同軸電纜 (Broadband coaxial cable) • 原本包含於802.3規格書中，但無後續規劃 • 光纖(Optical fiber) • 昂貴(Expensive) • 可用性困難(Difficulty with availability) • 不被使用(Not used) • 安裝新網路很少用此方式(Few new installations) • 被星狀式雙絞線或光纖所取代

28. 基頻同軸電纜 (Baseband Coaxial Cable) • 使用數位訊號處理(digital signaling) • 編碼方式可以是Manchester或是差分式Manchester • 電纜的整個頻譜(frequency spectrum)均被用到 • 電纜上只有單一通道(single channel) • 送入的訊號均會往兩個方向傳遞(Bi-directional) • 最多只能傳送數公里遠(Few kilometer range) • Ethernet (802.3標準的基本架構)作業速率為10Mbps • 50 歐姆(ohm)的電纜

29. 10Base5 • 原始之Ethernet 與 802.3標準使用0.4 英吋(inch) 直徑(diameter)的50歐姆電纜。其資料率為10Mbps • 電纜長度被設定為最長500公尺 • 任何兩個接頭(taps)的距離必須是2.5公尺的倍數(multiple) • 以確保來自相鄰接頭的反射(reflections)不會造成訊號的失真(do not add in phase) • 接頭數目的最大值為100個 • 這樣的系統被稱為10Base5

30. 10Base2 • 較便宜(Cheapernet) • 0.25英吋電纜 • 較具彈性(More flexible) • 較適合工作站(Easier to bring to workstation) • 較省電(Cheaper electronics) • 較易受干擾(Greater attenuation) • 容易受雜訊影響(Lower noise resistance) • 較少接頭數(Fewer taps) (30) • 較短距離(Shorter distance) (185m)

31. 再生器(Repeaters) • 往兩方向傳送(Transmits in both directions) • 銜接(Joins)兩段(segments)電纜 • 不需暫存資料(No buffering) • 段落間無邏輯上之分隔(No logical isolation of segments) • 若兩部位於不同段落的設備同時送出封包，則會發生踫撞(collide) • 為了避免多重路徑之干擾情形的發生，任何兩部設備之間只能存在有一條路徑(Only one path of segments and repeaters between any two stations)

32. 基頻組態(Baseband Configuration)

33. 環狀區域網路 (Ring LANs) • 每個再生器(repeater)會利用兩條單向連線(unidirectional links)連接到另外兩個再生器 • 單一封閉路徑(Single closed path) • 資料會以位元為單位，逐一(bit by bit)沿著環狀系統依序由一個再生器送到下一個再生器 • 每個再生器會重建(regenerates)並轉傳(retransmits)所收到的每個位元 • 再生器需具備資料(data)加入(insertion)、接收(reception)及移除(removal)等三項功能 • 再生器也是提供設備連接的地方(attachment point) • 封包在繞過一圈後(after one trip round ring)由傳送器(transmitter)移除

34. 環狀再生器狀態(Ring Repeater States)

35. 接聽狀態功能(Listen State Functions) • 掃描(Scan)通過的位元串(bit stream)以找出適當的型樣(patterns) • 連接的設備的位址資訊(Address of attached station) • 允許傳送的權杖(記號)(Token permission to transmit) • 拷貝每個輸入之位元，並將其送到連接的設備上 • 同時也會持續地轉傳每一個位元(forwarding each bit) • 修改通過的位元(Modifybit as it passes) • 例如修改位元以指示(indicate)封包已被拷貝，以作為認可(ACK)

36. 傳送狀態功能(Transmit State Functions) • 設備要傳送資料(Station has data) • 再生器也被允許傳送(Repeater has permission) • 再生器傳送來自於設備的資料的過程中，可能會有位元出現在輸入的線路上 (May receive incoming bits) • 可能因環狀系統之位元長度(ring bit length)短於封包長度 • 送回設備以檢查(checking)是否認可(ACK) • 可能環上有多個封包(more than one packet on ring) • 先將這些位元加以保存(buffering)，並於稍後將其送出(retransmission later)

37. 旁通狀態(Bypass State) • 訊號在沒有處理延遲(不包括遞送延遲(propagation delay))的情形下，通過該再生器 • 提供了對於可靠性問題的部分解決方式(Partial solution to reliability problem) (後述) • 提升效能(Improved performance)

38. 環狀介質(Ring Media) • 雙絞線(Twisted pair) • 基頻同軸電纜(Baseband coaxial) • 光纖(Fiber optic) • 不適合用寬頻同軸電纜(Not broadband coaxial) • 因為再生器可能必須能以非同步方式來收發多條通道上的資料(Would have to receive and transmit on multiple channels, asynchronously)

39. 時序變異 (Timing Jitter) • 訊號會含有某種型式的時脈(clocking)資訊 • 如：差分式Manchester編碼技術 • 再生器會還原(recover)時脈 • 知道何時可以開始對輸入訊號取樣(sampling)以還原資料位元 • 使用此時脈將訊號送給下一個再生器(retransmission) • 時脈復原動作可能(randomly)會偏離(deviate)所接收訊號之位元中央的訊號轉換位置(midbit transmission) • 雜訊(Noise) • 電路系統之缺陷(Imperfections in circuitry) • 再生器轉傳(retransmit)資料時會送出沒有變形(distortion)的清晰訊號，但無法避免時序錯誤(timing error) • 累積效果(Cumulative effect)將會造成位元長度(bit length)的改變 • 限制(Limits)了環狀(ring)系統上之再生器的數目

40. 克服時序變異限制(Solving Timing Jitter Limitations) • 再生器使用鎖相迴路(phase locked loop) • 使位元時間之偏離量達到最小(Minimize deviation from one bit to the next) • 在數個再生器中使用緩衝器(buffer) • 保存一固定數目之位元(Hold a certain number of bits) • 加以擴展或是縮減以保持環狀系統之位元長度固定(Expand and contract to keep bit length of ring constant) • 可藉以大幅增加環狀系統的大小(Significant increase in maximum ring size)

41. 可能的環狀問題(Potential Ring Problems) • 任何一條連線(Break in any link)或是再生器失效(repeater failure)，均會造成整個網路癱瘓(disables network) • 安裝一供新設備使用的再生器必須先認明圖形結構上相鄰兩個再生器的身分(identification of two topologically adjacent repeaters) • 時序變異(Timing jitter)的問題 • 須有一些移除循環封包(removing circulating packets)的方法 • 及備份(backup)的技術以處理錯誤(errors)的情形 • 大多可用星環狀架構(star-ring architecture)克服

42. 星狀與環狀之混合架構(Star Ring Architecture) • 將所有再生器之間的連線連接到單一設備(Feed all inter-repeater links to single site) • 集線器(Concentrator) • 提供每一連線(link)上之訊號集中存取的方式 • 很容易地隔離發生錯誤的連線(Easier to find faults) • 可發送訊息進環狀網路(launch message into ring)，並追蹤其能無誤傳送的距離(how far it gets) • 發生錯誤的段落(Faulty segment)可被斷線(disconnected )，並於稍後加以修復(repaired later) • 新的再生器可被輕易地加入 • 再生器內部之旁通繼電器(Bypass relay)移到集線器中 • 會導致長纜線迴圈(long cable runs) • 可用橋接器(bridges)連接多個環(multiple rings)

43. 星狀(Star) LANs • 使用未遮蔽雙絞線(unshielded twisted pair wire)(電話) • 最低安裝成本(Minimal installation cost) • 可能已有安裝(May already be an installed base) • 建物中現有的佈線已涵蓋所有辦公室 • 連結(Attach)到一中央主動式集線器(central active hub) • 兩對雙絞線(Two links) • 一條傳送(transmit)一條接收(receive) • 集線器(Hub)將進來的訊號(incoming signal)複製(repeats)到所有輸出線路上(on all outgoing lines) • 連線長度(Link lengths)限制在約100公尺 • 若是光纖(Fiber optic) – 可達到500公尺 • 邏輯上仍是一直線式系統(Logical bus)–會發生踫撞 (collisions)

44. 二階層星狀圖形架構(Two Level Star Topology)

45. 集線器(Hub)與交換機(Switch) • 共享介質式集線器(Shared medium hub) • 集中式集線器(Central hub) • 集線器將進入的訊號轉傳(retransmits)到所有輸出線路 • 每次只有一部設備可傳送資料 • 對10Mbps LAN, 總傳輸能力(capacity)為10Mbps • 交換式區域網路集線器(Switched LAN hub) • 集線器作用如交換機(Hub acts as switch) • 進入的訊框交換至適當的輸出線路(Incoming frame switches to appropriate outgoing line) • 未用到的線路也可用以交換其他的傳輸作業 • 若有兩對線路正在使用(two pairs of lines in use)，總傳輸能力capacity)則為20Mbps

46. 交換式集線器(Switched Hubs) • 不須改變設備之軟硬體(No change to software or hardware of devices) • 每部設備(device)有專屬的(dedicated)傳輸能力(capacity) • 擴充性佳(Scales well) • 儲存並轉送式交換機(Store and forward switch) • 接收輸入、暫存、然後輸出 • 穿透式交換機(Cut through switch) • 利用訊框前頭(the start of the frame)的目標位址(destination address) • 一旦辨認(recognize)出位址開始將進來的訊框轉送(repeating)至輸出線路上 • 可能遞送某些壞訊框(May propagate some bad frames)

47. 集線器(Hubs) 與 交換機(Switches)

48. 無線區域網路(Wireless LANs) • 機動性(Mobility) • 彈性(Flexibility) • 不易佈線的區域(Hard to wire areas) • 無線系統減少的成本(Reduced cost of wireless systems) • 無線系統增加的效能(Improved performance of wireless systems)

49. 無線區域網路應用(Wireless LAN Applications) • 區域網路的擴展(LAN Extension) • 不同建築物間之連線(Cross building interconnection) • 漫遊式存取(Nomadic access) • 特殊用途之網路(Ad hoc networks)

50. LAN的擴展(Extension) • 具廣大開放性空間之建築物(Buildings with large open areas) • 製造業工廠(Manufacturing plants) • 倉庫(Warehouses) • 老式建築物(Historical buildings) • 小辦公室(Small offices) • 可能與有線系統混合使用(May be mixed with fixed wiring system)