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1 CH 5 網路通訊簡介 1

2 學習目標 1. 瞭解電腦網路的組成方式及類型 2. 瞭解通訊協定的用途 3. 瞭解主要通訊參考模式 4. 認識 OSI 通訊參考模式各層的主要工作 5. 瞭解電腦網路傳輸資料的過程 6. 認識各種傳輸媒體 7. 認識多種有線及無線區域網路的架構及標準 2

3 大綱 5.1 計算機網路的構成元件及類型 5.2 電腦網路架構及通訊協定 5.3 電腦網路系統的運作 5.4 傳輸媒體 5.5 有線區域網路 5.6 無線網路 3

4 5.1 計算機網路的構成元件及類型 4

5 何謂計算機網路 所謂 計算機網路 (Computer Networks) ( 又稱 電腦網路 ) 就是指藉由各類通訊軟硬體設備將資訊相關設備相互連接, 以達到資源及資訊分享與共用的通訊系統 5

6 電腦網路的構成元件 A. 終端處理設備 個人電腦 印表機 3C 設備 B. 網路應用程式 微軟公司的 Outlook Express 及 Mozilla 的 FireFox 瀏覽器 C. 通訊處理程式 sendmail 郵件伺服軟體 6

7 電腦網路的構成元件 ( 續 ) D. 通訊設備 路由器 交換器 E. 傳輸媒體 (Media) 雙絞線 無線射頻 7

8 電腦網路系統的分類 電腦網路系統依據它所涵蓋的範圍可以分為以下 4 種類型 : 個人域網路 (Personal Area Network, PAN) 涵蓋範圍通常僅有數公尺, 主要用途是連接個人所使用的資訊及 3C 相關設備 區域網路 (Local Area Networks, LAN) 涵蓋的範圍為單一的地理區域 一般而言, 區域網路的建置與管理是屬於單一組織的, 它不使用公眾通訊網路系統 8

9 電腦網路系統的分類 ( 續 ) 都會域網路 (Metropolitan Area Networks, MAN) 涵蓋範圍以單一都會區為主 廣域網路 (Wide Area Networks, WAN) 涵蓋多個不同的地理區域 基本上它是藉由公眾通訊網路系統結合數個區域網路及都會域網路系統而形成 目前全球最大的廣域網路系統就是網際網路 (Internet) 9

10 5.2 電腦網路架構及通訊協定 10

11 通訊協定 通訊協定 (Protocols) 就是電腦網路系統中所有組成元件所使用的共同語言 通訊協定就是一種標準, 用來規範各元件間處理及交換訊息的方式, 電腦網路系統中的各類軟硬體都必須依據它來設計 通訊協定的訂定採用階層式設計 (Layer design) 11

12 資料通訊架構 資料通訊架構 (Data Communication Architecture) 或資料通訊參考模式 (Data Communication Reference Model) 即是依據下列三個問題的答案所定義的描述資料通訊過程之模型 A. 那些處理程序可以規劃在同一層? B. 每一層應提供那些服務給上一層及下一層使用? C. 每一層所提供服務的呈現方式? 12

13 主要的參考模式 A. SNA (System Network Architecture) 參考模式 由國際商務機器 (International Business Machine, IBM) 公司所發展的 7 層式參考模式 B. OSI (Open System Interconnection) 參考模式 由國際標準組織 (International Organization of Standards, ISO) 所訂定的 7 層式參考模式 C. TCP/IP 參考模式 由美國國防部 (United States Department of Defense, US DoD) 的先進研究計畫總署 (Advanced Research Project Agency, ARPA) 所訂定的 4 層式參考模式 為網際網路 (Internet) 所採用的模式 13

14 OSI 參考模式 14

15 OSI 參考模式 : 應用層 應用層 (Application Layer) OSI 參考模式的最上層 提供網路應用程式介面, 使網路應用程式能將使用者資料交給網路系統傳送, 及讀取接收網路系統接收的資料 應用層的每一種通訊協定都是單一應用導向 15

16 OSI 參考模式 : 展示層 展示層 (Presentation Layer) 展示層利用共通的表示方式, 使得接收端與傳送端對資料表示方式的解釋一致 展示層也提供資料加 解密及壓縮 解壓縮的服務 這一層及以下各層的通訊協定與網路應用是無關的 16

17 OSI 參考模式 : 交談層 交談層 (Session Layer) 所謂一個交談 (Session) 就是指針對單一一次通訊服務 ( 例如傳遞一封電子郵件 ), 傳送端及接收端交換資料的過程 交談層負責協調 管理及控制整個過程, 包含過程的起始及終結 三種模式 單工 (Simplex mode) 半雙工 (Half Duplex mode) 全雙工 (Full Duplex mode) 17

18 OSI 參考模式 : 傳輸層 傳輸層 (Transport Layer) 傳輸層負責以網路應用為主的上三層及以資料傳送為主的下三層之間的聯接 使得各種網路應用能在不同實體網路架構上提供使用者一致的服務 ; 也使得同一種網路架構上能提供使用者各種網路應用的服務 提供程序對程序 (process-to-process) 資料傳送功能 18

19 OSI 參考模式 : 網路層 網路層 (Transport Layer) 提供主機對主機 (host-to-host) 的資料傳送功能 負責找尋及規畫傳送路徑, 將資料自傳送端的終端處理設備, 經由一個或多個網路系統, 送達接收端的終端處理設備 提升資料傳送效率, 及避免單一網路系統的問題影響資料的傳送, 電腦網路系統在傳輸層將資料切割成數個區塊 ( 稱為封包 (packet) ), 並將這些封包分別交由不同路徑傳送, 到達目的地後再由傳輸層加以結合, 這種資料傳送機制稱封包交換 (Packet Switching) 為了能將資料跨網路系統地送達正確的主機, 網路層也提供主機辨識的機制, 例如 IP 位址 (IP addresses) 就是網際網路 (Internet) 用來辨識主機的機制 19

20 OSI 參考模式 : 資料鏈結層 資料鏈結層 (Data Link Layer) 資料鏈結層的主要功能就是負責將資料由一個轉送點 ( 稱為 hop) 送往下一個轉送點 提供點對點 (hop-to-hop) 資料傳送功能 提供針對位元的流量控管, 錯誤偵測及錯誤復原的功能 為了能將資料送達正確的轉送點, 資料鏈結層也提供主機辨識的機制, 例如 MAC 位址 (MAC addresses) 就是單一網路區段用來辨識機器的機制 20

21 OSI 參考模式 : 實體層 實體層 (Physical Layer) 將資料位元經由傳輸媒體傳送出去 針對不同的媒體與裝置規範如何將位元轉換成特定的傳送訊號, 例如如何在光纖中以光訊號表示 0 與 1 同時也規範媒體材質 接頭形狀與尺寸 及每一隻接腳所處理的訊號 每一種通訊協定都是針對單一裝置或設備所制定 21

22 22

23 5.3 電腦網路系統的運作 23

24 電腦網路的構成元件與服務 傳送端及接收端的終端處理設備提供 OSI 參考模式中每一層的服務功能 傳輸層 展示層 交談層 傳輸層及網路層的功能通常由作業系統的通訊程序負責提供 資料鏈結層與實體層的功能則由設備的網路卡提供 通訊設備上一般只提供網路層 資料鏈結層及實體層的服務 24

25 通訊協定資料單元 當一筆資料自傳送端送出時, 該筆資料將依序由第 7 層至第 1 層分別加以處理 每一層的通訊處理程序將上一層處理過的資料, 依據該層通訊協定的規範進行資料處理, 並在處理後資料最前端 ( 或包含最尾端 ) 加上控制資訊, 加在最前端的控制資訊稱為標頭 Header, 加在最尾端的控制資訊稱為標尾 Trailer, 形成通訊協定資料單元 (Protocol Data Unit, PDU) 25

26 封裝 (Encapsulation) 26

27 拆裝 (De encapsulation) 27

28 5.4 傳輸媒體 28

29 傳輸媒體分類 有線傳輸媒體 (Wired media) 傳輸媒體是可見的, 包括光纖 同軸電纜 無線傳輸媒體 (Wireless media) 傳輸媒體是不可見的, 例如紅外線及射頻 (Radi Frequency, RF) 29

30 常見有線傳輸媒體 同軸電纜 (Coaxial Cables) 雙絞線 (Twisted Pairs) 光纖 (Fiber Optics) 30

31 同軸電纜 同軸電纜的結構 一組細銅線組成中心導體, 用於負載電子訊號 中心導體外面包覆一層絕緣體 絕緣體外再包覆一層金屬網 ( 稱為外層導體 ), 用於接地及傳送中心導體的參考電壓 最外層則為一層絕緣體及以塑膠材質為主的外皮, 用來保護電纜 一般用於電腦網路系統的同軸電纜分為 RG-11 及 RG- 58 兩種規格 RG-11 纜線直徑較 RG-58 的粗, 可提供較長的有效訊號傳送距離 (RG-11 可達 500 公尺, 但 RG-58 則僅有 185 公尺 ) 31

32 同軸電纜 ( 續 ) 與雙絞線相比較, 同軸電纜的優點是它提供較好的絕緣與抗干擾能力, 但是採用同軸電纜時, 佈線施工及維護的成本較高, 同時也因容易旁接線路, 而造成資訊安全的漏洞 32

33 同軸電纜結構圖 33

34 雙絞線 一根雙絞線纜線是由數對雙絞線組合而成, 每一對雙絞線是由兩根以絕緣體包覆的銅線對絞 在單位距離內對絞次數越多, 效果越好 雙絞線依據構造可分為以下三 有遮蔽雙絞線 (Shield Twisted Pair, STP) 防護型雙絞線 (Screened Twisted Pair, ScTP) 無遮蔽雙絞線 (Unshielded Twisted Pair, UTP) UTP 的抵抗電磁干擾能力最差, 但是因為成本低, 它的使用普遍率最高 34

35 雙絞線結構圖 35

36 雙絞線分類圖 36

37 雙絞線等級 雙絞線的等級是依據每一英吋一對銅導線的對絞次數來分, 電子工業聯盟 (Electronic Industries Alliance, EIA) 及通訊工業協會 (Telecommunications Industry Association, TIA) 共同制定的商業建築物佈線標準 (EIATIA 568A/B) 及 ISO/IEC11801 分別制定了雙絞線的分類標準 37

38 EIA/TIA 568 A/B 的雙絞線分類 分類適用線材頻寬應用範圍 Category 1 UTP < 1 Mhz 電話 Category 2 UTP 1 Mhz 電話 Category 3 UTP, STP, ScTP 16 Mhz 電話及網路 ( 可達 bps) Category 4 UTP, STP, ScTP 20 Mhz 網路 ( 可達 bps) Category 5 UTP, STP, ScTP 100 Mhz 網路 ( 可達 bps) Category 5e UTP, STP, ScTP 350 Mhz 網路 ( 可達 bps) Category 6 UTP, STP, ScTP 550 Mhz 網路 ( 可達 bps) Category 7 STP, ScTP 600 Mhz 網路 ( 可達 bps) 38

39 光纖 光纖所傳送的訊號是光訊號而不是電子訊號 光纖的構成 一根以玻璃或塑膠材質所製成極細小的中空管, 光訊號就在中空管中傳送 中空管的外層包覆另一層玻璃或塑膠物質, 以產生光的反射作用, 使得光訊號能沿著內層中空管傳送 光纖最外層則是塑膠製外皮用於保護脆弱的反射層物質與中空管 39

40 光纖結構圖 40

41 光纖的優缺點 優點 由於光纖所傳送的訊號為光訊號, 並且材質皆為非導體, 所以不會受到電磁及射頻訊號干擾, 因此適合用於戶外 光纖的另一優點是它所能提供的頻寬在理論上是沒有上限的, 所以可提供極高的訊號傳送速度 光纖 缺點 造價及佈線成本較前述兩種線材高出許多 41

42 光纖的分類 依據光訊號在光纖內行經的路徑, 光纖可分為兩類 單模光纖 (Single mode fibers, SMF) 在單模光纖中傳輸的光訊號幾乎呈直線方式傳播, 光能量損失非常小, 有效傳輸距離長, 但是在佈設光纖時所需的曲率半徑較大 多模光纖 (Multi mode fibers, MMF) 在多模光纖中傳輸的光訊號則是以曲折方式傳播, 光能量損失較大, 有效傳輸距離比較短, 但是所需的曲率半徑較小, 所以比較不受佈設環境影響 42

43 常見無線傳輸媒體 無線電波 (Radio Frequency, RF) 頻率為 3 Hz 至 300 GHz 的電磁波 可以穿透過普通辦公室環境的大多數障礙物, 如桌椅 玻璃等 主要應用範圍包含無線電廣播 行動通訊等 微波 (Microwave) 頻率為 1GHz 以上的電磁波 提供較高的頻寬 主要應用範圍包含無線個人網路 無線區域網路 無線都會網路 寬頻無線網路 無線廣域網路 紅外線 (Infrared) 頻率高於無線電波, 但低於可見光的電磁波 無法穿透過障礙物, 同時也有發射角度的限制 一般的電視遙控器即是採用紅外線傳送控制訊號, 也常用於電腦與行動電話 PDA 等數位產品或筆記型電腦之間通訊 43

44 5.5 有限區域網路 44

45 網路拓普 (Network topology) 所謂網路拓樸就是指網路系統中各項設備藉由有線傳輸媒體連接的方式 常見的網路拓樸 匯流排 (Bus topology) 星狀 (Star topology) 環狀 (Ring topology) 45

46 網路拓樸分類圖 46

47 有線區域網路通訊協定 以 IEEE 802 委員會所制定的協定為主 將 OSI 參考模式中第 2 及第 1 層重新規畫, 將第 2 層分割為邏輯鏈結控制層 (Logical Link Control, LLC) 及媒體存取控制層 (Media Access Control, MAC), 而形成一個 3 層式的參考模式 LLC 層主要負責建立及管理同一區域網路通訊兩端點的邏輯通訊管道, 並且提供實體區域網路系統與網路層的資料交換 MAC 層提供區域網路系統內設備的辨識機制及設備與傳輸媒體間交換訊號的方式 47

48 IEEE 通訊協定 名稱 IEEE 標準代號適用傳輸媒體傳輸速度 Traditional Ethernet IEEE 同軸電纜 雙絞線 光纖 10Mbps Fast Ethernet IEEE 802.3u 雙絞線 光纖 100Mbps Gigabit Ethernet IEEE 802.3z IEEE 802.3ab 雙絞線 光纖 1Gbps 10Gigabit Ethernet IEEE 雙絞線 光纖 10Gbps 48

49 有線區域網路相關技術 POE (Power over Ethernet) 由 IEEE 802.3af 及 IEEE 802.3at 標準所規範 利用雙絞線來同時傳送資料封包及電力給網路設備 ( 例如無線網路存取設備 ) PLC (Power Line Communication 或 Power Line Carrier) 技術 ITU-T 訂定 PLC 標準, 標準編號為 D.hn/G.9960 IEEE 也基於 D.hn/G.9960 制定 IEEE P1901 標準 利用電力傳輸線路來傳輸資料封包, 使用者只需要在一般家用或辦公室用的電源插座上插入 PLC 轉接器 (Adapters), 再將網路設備接上轉接器後就可以利用現有電力線做為網路線使用 49

50 連接有線區域網路與網際網路 向電信服務業者 ( 例如中華電信公司 ) 租用數據專線 所需費用甚高, 一般中小型企業及家庭用戶是無法接受的 採用非對稱式數位使用者線路 (Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL) 技術 一價廉物美的選擇 ADSL 是 DSL 系列技術中的一種, 它是利用電話線來傳送數位資料, 並且允許與聲音同時傳遞, 它所提供的傳輸速度上載 (Upload) 可達 24Mbps, 下載速可達 2.5Mbps, 因為上下載速度不同所以稱為非對稱式數位使用者線路 利用 WiMax 技術 以無線方式連接 但是目前 WiMax 的覆蓋範圍有限, 且價格較貴 50

51 5.6 無線網路 51

52 無線個人域網路 (Wireless PAN, WPAN) WPAN 常用的無線通訊技術為藍牙技術及紅外線 藍牙技術 由手機大廠 Ericsson 所開發的一種利用低功率無線電波來傳輸數位資料的技術 採用的無線電波可穿越阻礙物, 並且無方向性 它的傳輸距離包含三種等級, 分別可達到 1 公尺 10 公尺及 100 公尺, 傳輸速度由最低的 1Mbps ( 依據 1.2 版標準 ) 3 Mbps ( 依據 2.0 版標準 ) 到 24 Mbps ( 依據 3.0 版標準 ) 紅外線 紅外線傳輸的缺點為它無法穿越阻礙物, 並且有方向性, 因此已逐漸被藍牙技術取代 52

53 無線區域網路 (Wireless LAN, WLAN) 一般 WLAN 採用的架構包含下列兩種 對等式架構 (Ad-hoc ) 由數台配備無線通訊設備的終端處理設備組成, 在有限的距離範圍內 ( 通常為數十公尺 ) 每一台設備都可以偵測到其他設備, 建立連接後進行對等式通訊 基礎架構式 (Infrastructure) 終端處理設備間的資料封包不採用直接交換方式, 而是採用類似星狀架構的方式, 每一台終端處理設備將封包以無線訊號先傳送至中央處理設備 ( 通常稱為無線存取點 (Wireless Access Point) ), 再轉送至接收端 53

54 IEEE 標準 標準名稱傳輸速度使用頻率 IEEE ~2 Mbps 2.4GHz IEEE b 11Mbps 5.5Mbps 2 Mbps 1 Mbps 2.4GHz IEEE 54Mbps 5.7GHz IEEE 54Mbps 2.4GHz 54

55 WiFi 在無線區域網路設備上常見的 Wi-Fi 標是 Wi- Fi 聯盟 (Wi-Fi Alliance) 的專用標章 Wi-Fi 聯盟成立的目的是建立一個以 IEEE 系列標準為基礎的產品認證機制, 亦即貼有該標章的所有設備 ( 表示通過認證 ) 彼此之間完全相容 55

56 無線都會域網路 (Wireless MAN, WMAN) WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) 是 WiMax 論壇 (WiMax Forum) 為實作 IEEE 系列標準 ( 該系列標準主要為 MAN 系統而制定 ) 所開發的無線傳輸技術 WiMax 技術最初的發展目的是提供最後一哩 (last mile) 的無線解決方案 作為 WLAN 與 WAN ( 如 Internet) 間的無線連接橋梁 目前該技術也擴充服務範圍至可攜式電腦, 並依據 IEEE 標準開發出提供行動通訊的資料傳輸技術 在 WiMax 網路中, 終端處理設備使用無線媒體是採用排程方式, 所以當多個使用者使用同一 WiMax 網路時, 它可以提供穩定的通訊服務 56

57 行動通訊 利用行動電話網路系統提供資料傳輸服務 主要技術 全球行動通訊系統 (Global System for Mobile Communications, GSM) 通用封包無線服務 (General Packet Radio Service, GPRS) 數碼分割多重存取 (Code Division Multiple Access, CDMA) 技術 57

58 全球行動通訊系統 (GSM) 由國際電信聯盟 (International Telecommunications Union, ITU) 所制定的數位行動通訊標準 採用 線路交換資料 Circuit Switched Data, CSD) 技術來傳遞數位資料 採用 GSM 的系統稱為 二代 Second Generation, 2G) 行動電訊系統 使用 GSM 傳送資料時是以通訊時間來計費, 同時使用者在進行資料傳輸前需花費等待線路連接的時間 GSM 1800 ( 採用 1800MHz 頻道 ) 提供 14.4Kbps 傳送速度, GSM 900 ( 採用 900MHz 頻道 ) 則提供 9.6Kbps 傳送速度 58

59 通用封包無線服務 (GPRS) GPRS 為一種提升 2G 行動電訊系統資料傳輸效能的技術 採用 GPRS 的系統稱為第 2.5 代 (Second Generation, 2.5G) 行動電訊系統 採用封包交換 (Packet Switched) 技術來傳遞數位資料 計費方式是以傳輸量來計算, 而不是以通訊時間來計算 GPRS 技術提供較高的資料傳輸速度 ( 可達 32 至 48Kbps) 使用該技術的設備隨時可以進行資料傳輸, 使用者在進行資料傳輸前不需花費等待線路連接的時間 59

60 數碼分割多重存取 (CDMA) CDMA 技術為第 3 代 (Third generation, 3G) 行動電訊系統所採用的技術 使用封包方式傳輸資料, 但是速度大幅提高至 2Mbps 60

61 課後練習 電腦網路系統的構成元件包含哪些? 電腦網路依據涵蓋範圍可分哪幾類? 何謂資料通訊參考模式? 列舉三種主要模式 請依序說明 OSI 參考模式中每一層的主要功能 何謂 PDU? 請舉出三種常見有線傳輸媒體, 並比較優缺點 請描述有線區域網路的常見網路拓樸 請敘述連接有線區域網路與網際網路的方式 何謂 WiFi 標章? 何謂 WiMax? 請比較 GSM GPRS 及 CDMA 三種技術 61

9 Internet 10 Internet

9 Internet 10 Internet 1 2 3 4 5 6 Internet 7 8 9 Internet 10 Internet 11 12 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.1 1.1.1 20 50 20 60 ARPANET ARPANET Internet 20 70 ISO International Organization for Standardization TCP/IP 20 90 Internet

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