第5章通訊網路入門

區域網路 5-1 網路簡介 第 5 章通訊網路入門 網路簡介 認識通訊協定 網路組成架構簡介 有線區域網路 區域網路連結模式 網路連線裝置 承載訊號與傳輸方式 無線傳輸媒介 連線傳輸技術 無線區域網路通訊標準 網路傳輸媒介 行動通訊系統 是一種最小規模的網路連線方式, 可以只包含兩或三部彼此連線而共享資源的個人電腦, 它也可以包含數百部不同種類的電腦 任何位於單一建築物內, 甚至一些鄰接建築物內的網路, 都被視為區域網路 它可能只使用了一個集線器來連接兩 三台電腦, 在家庭或小型辦公室中常見到這種網路模式 網路參考模型 1 2 都會網路 5-1 網路簡介 廣域網路 5-1 網路簡介 是一個較大型的網路, 將一些小型的區域網路使用了橋接器 路由器等裝置連接而成為較大型的區域網路 都會網路通常不被任一獨立的組織所擁有, 它們的溝通裝置與設備通常由一個團體或單一的網路供應商所維護 連接無數個區域網路與都會網路, 可能是都市與都市 國家與國家, 甚至於全球間的聯繫 例如一家公司總部與製造廠可能位在一個城市, 而它的業務辨公室卻位於另一城市 像是網際網路則是利用光纖電纜或電話線將廣大範圍內分散各處的區域網路連結在一起, 是最典型的廣域網路 有些公司將網際網路上的這些技術與服務應用於內部區域網路上, 以降低成本, 這種網路模式就稱之為 Intranet 3 4

伺服器型網路 5-2 網路組成架構簡介 對等型網路 (1) 5-2 網路組成架構簡介 伺服器型網路不僅包含電腦節點, 也包含一部中央電腦, 並具有當作共享儲存設備的高容量硬碟 由於必須應付許多電腦可能同時提出的資源請求, 所以伺服器主機本身必須具備較高的運算處理能力 如下圖所示 : 伺服器型網路需要使用專用的伺服器, 並要有專人加以管理, 所以在設定此類型網路時會付出較高的成本 在對等型網路中, 網路上的所有節點彼此都有相等的關係, 並且全都有類似的軟體, 用來支援共享資源 : 優點就是簡單且設置成本便宜, 最常見的應用就是分享印表機了 缺點是維護不易, 只能使用於小型網路中 5 6 匯流排式拓樸 5-3 區域網路連結模式 星狀拓樸 5-3 區域網路連結模式 匯流排式拓樸是最簡單, 成本也最便宜的網路拓樸安排方式, 使用單一的管線, 所有節點與週邊設備都連接到這線上 其外觀如下所示 : 這個裝置通常是集線器 (Hub), 所有的節點被連接至集線器並透過它進行溝通 這樣的網路從集線裝置往外看起來, 就像是放射形的星狀, 如下圖所示 : 優點是適用於剛起步的小型辦公室網路來使用 缺點是維護不易 要移除裝置或加入裝置, 只要將線路直接從中央裝置中移除就可以了 當中心節點集線器故障時, 則有可能癱瘓整個網路 7 8

環狀拓樸 5-3 區域網路連結模式 網狀拓樸 5-3 區域網路連結模式 使用環狀拓樸的網路主要有 IBM 的 符記環 (Token Ring) 網路, 符記環網路使用 符記 (token) 來進行資料的傳遞 在網路流量大時會有較好的表現, 因為不管有多少裝置想要傳送資料, 同樣都必須先獲得符記才可以進行資料傳送 是一台電腦裝置至少與其它兩台裝置進行連接, 如下圖所示 : 優點是網路上的每台電腦都處於平等的地位 缺點是當網路上的任一台電腦或線路故障, 其它電腦部會受到影響 網狀拓樸的成本較高, 要連接兩台以上的裝置也較為複雜, 所以建置不易, 一般還是很少看到網狀拓樸的應用 9 10 單工傳輸 5-4 承載訊號與傳輸方式 半雙工傳輸 5-4 承載訊號與傳輸方式 發送端是做為傳送資料的工作, 而接收端就只能做接收資料的工作 單工傳輸模式只能遵循著一種方向來進行資料傳送 例如一般廣播系統中, 電波發射器只能做發射訊號動作, 而收音機就只能做接收訊號的動作一樣 發送端與接收端一次只能做一種傳輸動作, 當發送端在進行資料傳輸時, 接收端便不能做傳送動作 例如一般市面上火腿族所用的無線電就是一種半雙工的傳輸設備 11 12

全雙工傳輸 5-4 承載訊號與傳輸方式 頻寬與寬頻簡介 (1) 5-4 承載訊號與傳輸方式 發送端與接收端可同時做傳送與接收的動作 例如日常生活上, 電話就是最常見的全雙工傳輸設備, 當我們在向對方發話的同時, 對方也能夠同步發話給我們 頻寬 (Bandwidth) 就是以每秒能夠傳輸資料量的多寡來表示資料的傳輸速率, 計算的單位則是用每秒多少位元來計算, 也就是一般所見的 bps (bits per second) 數據機的傳輸速率單位如下 : bps Kbps Mbps Gbps 每秒傳送位元數 每秒傳送仟位元數 每秒傳送百萬位元數 每秒傳送十億位元數 13 14 頻寬與寬頻簡介 (2) 5-4 承載訊號與傳輸方式 電路交換 5-5 連線傳輸技術 寬頻 (Broadband) 則是在傳輸媒介上可同時傳送數個頻道資料的傳輸方式 是讓許多節點同時共用一條線路, 好比是多線道路的高速公路, 汽車可以同時平行前進一樣 例如 ISDN( 整合式服務數位網路 ) ADSL( 非對稱數位用戶專線 ) 等, 都屬於寬頻傳輸 電路交換 (Circuit Switching) 正如同一般各位所使用的電話系統 如果兩個主機一直要使用此連線, 那這個線路就會一直由它們所擁有 在建立兩端的連線時會多花上一點時間, 而且無法讓其他節點使用正在連線的線路, 另外費用也較貴, 連線時間也較緩慢 15 16

訊息交換 5-5 連線傳輸技術 封包交換 5-5 連線傳輸技術 是以 先儲存再發送 (Store and Forward) 的方式進行 當資料傳送到每一節點時, 還會進行錯誤檢查, 傳輸錯誤率低 缺點是傳送速度也慢, 需要較大空間來存放等待的資料, 另外即時性較低, 重新傳送機率高, 較不適用於大型網路 是一種結合電路交換與訊息交換優點的交換方式, 利用電腦儲存及 前導傳送 (Store and Forward) 的功用, 將所傳送的資料分為若干 封包 (packet) 優點是節省傳送時間, 並可增加線路的使用率 缺點是由於封包傳送順序不一, 需要花費封包重組的成本 封包 (packet) 是網路傳輸的最小單位, 通常可分為三個單位, 表頭 資料區及檢查碼 17 18 同軸電纜 5-6 網路傳輸媒介 雙絞線 5-6 網路傳輸媒介 一般有線電視用來傳送訊號的線材就是使用同軸電纜 是由內外兩層導體構成, 所使用的材質通常是銅導體 內層導體為了避免斷裂常會以多蕊的銅導體集結而成 而外層導體形成網狀圍繞內層導體, 因此具有遮蔽的效應, 可以減低電磁方面的干擾 是將兩條導線相互絞在一起, 而形成的網路傳輸媒體, 這也是最常見的網路傳輸線材 將導線成對絞在一起的目的是為了防止雜訊 (Noise) 干擾與串音 (Crosstalk) 現象 藉由兩條導線相互絞在一起, 則可以降低外部電磁場的干擾 ( 並無法完全消除此干擾 ), 絞繞的次數越多, 抗干擾的效果越好, 但相對地成本也會較高 19 20

光纖電纜 5-6 網路傳輸媒介 OSI 參考模型 (1) 5-7 網路參考模型 所傳送的是光訊號, 所以資料的傳送速度相當快速, 且不易有衰減的現象, 更不用怕電流流動所發生的電磁干擾 光纖的傳輸速率極快, 其最高速率可達 2Gbps, 其應用主要是在高速網路上, 例如 100BaseFX 高速乙太網路 非同步傳輸模式 網路 (Asynchronous Transfer Mode, ATM) 光纖分散式介面 (Fiber Distributed Data Interface, FDDI) 海底電纜等高速網路上 應用層 它的目的在於建立使用者與下層通訊協定的溝通橋樑, 並與連線的另一方相對應的軟體進行資料傳遞 這一層的軟體都採取所謂的主從模式 表現層 主要功能是讓各工作站間資料格式能一致, 包含字碼的轉換 編碼與解碼 資料格式的轉換等 例如全球資訊網中有文字 各種圖片 甚至聲音 影像等資料 21 22 OSI 參考模型 (2) 5-7 網路參考模型 OSI 參考模型 (3) 5-7 網路參考模型 會議層 在於建立起連線雙方應用程式互相溝通的方式 傳輸層 主要工作是提供網路層與會談層一個可靠且有效率的傳輸服務, 例如 TCP UDP 都是此層的通訊協定 網路層 負責解讀 IP 位址並決定資料要傳送給哪一個主機, 而目的網路的最後一個路由器再直接將資料傳送給目的主機 資料連結層 實體的位址與邏輯的位址這中間轉換的工作是由資料連結層負責這項工作 像是網路卡 橋接器, 或是交換式集線器 (Switch Hub) 等設備, 都屬於此層的產品 實體層 定義是實際定義網路資訊傳輸時的實體規格, 包含了連線方式 傳輸媒介 訊號轉換等 例如我們常見的 集線器 (Hub), 也都是屬於典型的實體層設備 23 24

DoD 參考模型 (1) 5-7 網路參考模型 DoD 參考模型 (2) 5-7 網路參考模型 處理層 這一層的工作相當於 OSI 模型中的應用層 表現層與會議層三者的負責範圍, 只不過在 DoD 模型中不若 OSI 模型區分地這麼詳細 主機對主機層 相當於 OSI 模型的傳輸層, 這層中負責處理資料的確認 流量控制 錯誤檢查等事情 網際網路層 相當於 OSI 模型的網路層與資料連結層, 例如 IP 定址 IP 路徑選擇 MAC 位址的取得等, 都是在這層中加以規範 網路存取層 相當於 OSI 模型的實體層, 將封裝好的邏輯資料以實際的物理訊號傳送出去 下圖列出 OSI 模型 DoD 模型與 TCP/IP 三者的對應關係 : OSI 模型 DoD 模型與 TCP/IP 協定套件 25 26 TCP 協定 5-8 認識通訊協定 IP 協定 5-8 認識通訊協定 傳輸通訊協定 (Transmission Control Protocol, TCP) 是一種 連線導向 資料傳遞方式 TCP 的資料傳送是以 位元組流 來進行傳送, 資料的傳送具有 雙向性 建立連線之後, 任何一端都可以進行發送與接收資料, 而它也具備流量控制的功能, 雙方都具有調整流量的機制, 可以依據網路狀況來適時調整 網際網路協定 (Internet Protocol, IP) 是 TCP/IP 協定中的運作核心, 存在 DoD 網路模型的 網路層 (network layer), 是一個 非連接式 (Connectionless) 傳輸 主要是負責主機間網路封包的定址與路由, 並將封包 (packet) 從來源處送到目的地 可接受從傳輸所送來的訊息, 再切割 包裝成大小合適 IP 封包, 然後再往連結層傳送 27 28

UDP 協定 5-8 認識通訊協定 ARP 協定 5-8 認識通訊協定 使用者資料協定 (User Datagram Protocol, UDP) 是一種較簡單的通訊協定 是一種非連接型的傳輸協定, 他允許在完全不理會資料是否傳送至目的地的情況進行傳送, 當然這種傳輸協定就比較不可靠 不過它適用於廣播式的通訊, 也就是 UDP 還具備有一對多資料傳送的優點 位址解析協定 (ARP) 是在 探測 封包內加入此 IP 擁有者的要求, 然後針對網路上所有的實體位址進行廣播 (Broadcast) 一旦擁有此 IP 的電腦收到封包時, 就會回覆對方, 告訴自己的實體位址 會有一份對照清單, 用來記錄 IP 與實體位址, 因此無須每次都要送出探測封包來找尋實體位址 29 30 ICMP 協定 5-8 認識通訊協定 乙太網路 5-9 有線區域網路 網際網路控制訊息協定 (Internet Control Message Protocol, ICMP) 是用來偵測網路狀態的協定 主要是用來報告網路上的錯誤狀況, 可以產生與 IP 相關的測試封包, 例如 Ping 指令是傳送一個 ICMP 封包給某部主機, 以偵測該主機的狀態 是目前最普遍的區域網路存取標準, 通常用於匯流排型或星型拓樸 它具備有傳輸速度快 相關設備組件便宜與架設簡單等特性, 使得中小企業或學校的辦公室中, 大部份都是採用此種架構來建立區域網路 由於相關的設備與線材相當昂貴, 因此較少應用在一般的區域網路中, 而主要是用於連接區域網路的骨幹網路 31 32

記號環網路 5-9 有線區域網路 光纖分散式資料介面網路 5-9 有線區域網路 也稱權杖環網路, 可謂區域網路架構的鼻祖 在外觀上, 記號環網路看起來像是星狀網路, 但實際線路結構則是屬於環狀網路 標準傳輸速度為 4Mbps 利用記號傳遞 (Token Passing) 來做媒介存取控制, 傳送資料時毋須做碰撞偵測動作, 不過傳送資料之前, 電腦必須先取得記號封包 是由 ANSI 與 ISO 於 1990 年代所制定的標準, 採用分離式雙環狀網路架構與環狀網路的結構 是一種具備有 兩個環 的環狀網路, 也就是一個為 主環 與另一個為 次環 可預留一個備份線路以防不時之需, 即光纖式網路, 傳輸速率為 100Mbps 主要是用來作為骨幹網路或高性能的區域網路 33 34 ATM 網路 5-9 有線區域網路 中繼器 5-10 網路連線裝置 ATM(Asynchronous Transfer Mode) 的中文稱為 非同步傳輸模式, 是屬於一種高速連結導向的資料傳輸技術 可以同時傳送聲音 影像與一般性資料等內容, 並且在 OSI 模型中屬於資料連結層的通訊協定 主要應用於骨幹網路連結其它的區域網路, 如果有必要也可以架構成區域網路或連結公眾網路來使用 為了讓訊號能夠傳送更長的距離, 可以使用中繼器 (repeater) 來再生訊號 可以將衰減的電位訊號予以模擬放大, 然後再傳送至下一個網段中 通常使用中繼器來進行再生訊號的話, 所使用的中繼器最多不超過三台 35 中繼器可以將訊號重新整理再傳送 36

集線器 5-10 網路連線裝置 橋接器 5-10 網路連線裝置 主要使用於星狀網路中, 用來連接網路上不同的電腦裝置, 集線器可以分為 被動式集線器 與 主動式集線器 被動式集線器單純地用來連接電腦裝置 主動式集線器尚具備有中繼器的功能, 可以將訊號再生後再傳送至網路上 集線器採用 共享頻寬 的原則, 各個連接裝置在有需要通訊時, 會先以 廣播 (Broadcast) 的方式來傳送訊息給所有裝置, 然後才能搶得頻寬使用 具備中繼器或集線器的功能外, 也還有 訊框 (Frame) 過濾的功能, 也就是有過濾資料封包的能力 可以連接兩個相同類型但通訊協定不同的網路, 並藉由位址表 (MAC 位址 ) 判斷與過濾是否要傳送到另一子網路 是則通過橋接器, 不是則加以阻止, 如此就可減少網路負載與改善網路效能 37 38 交換器 5-10 網路連線裝置 路由器 5-10 網路連線裝置 具有橋接器過濾封包的功能, 所以若不屬於另一個網段上的封包, 則會過濾不予通過 若有一個電腦裝置連接至交換器, 它將會擁有該條線路上所有的頻寬, 連接至交換器上的電腦可以是伺服器如下圖所示 : 又稱 路徑選擇器, 是屬於 OSI 模型網路層中運作的裝置 它可以過濾網路上的資料封包, 且將資料封包依照大小 緩急來選擇最佳傳送路徑, 以將封包傳送給指定的裝置 除了具備中繼器 集線器 橋接器功能外, 它還具有 尋徑 (Routing) 的功能 交換器使用示意圖 39 40

閘道器 5-10 網路連線裝置 光學傳輸 5-11 無線傳輸媒介 不論網路系統使用何種廠牌 硬體或軟體, 只要閘道器有支援都可以順利連接與轉換 因此可以使用閘道器來連接不同通訊協定的網路系統 紅外線 (Infrared,IR) 傳輸乃是採取 點對點 (peer to peer) 的傳輸架構, 其傳輸速率在 9.6KBPS~4MBPS 範圍間 雷射光 (Laser) 雷射光較一般光線不同之處在於它會先將光線集中成為 束狀, 然後再投射到目的地 在光學無線網路傳輸的安全機制中, 雷射就遠比紅外線來的強, 而且傳輸距離也較紅外線遠 閘道器可轉換不同網路拓樸的協定與資料格式 41 42 無線電波傳輸 5-11 無線傳輸媒介 802.11a 5-12 無線區域網路通訊標準 以 無線電波 為主要的傳輸媒體, 因為無線電波的發射方向是全方位的, 並不會受限於某個特定方向 無線電波對障礙物的穿透能力也較一般光線來得強, 因此非常適合使用於環境複雜的無線網路中 由於無線電波的 頻帶 (Band) 在每一個國家中都屬於相當珍貴的資源, 通常會有相當嚴格的使用管制 頻帶 (Bend) 就是在資料通訊中所使用的頻率範圍, 通常會訂定明確的上下界線 採用一種多載波調變技術, 稱為 正交分頻多工技術 (Orthotgonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 工作於 5GHz 頻段上, 最大傳輸速率可達 54Mbps, 傳輸距離約 50 公尺 優勢在於傳輸速率快且受干擾少, 但價格相對較高 正交分頻多工技術 (OFDM) 是一種高效率的多載波數位調製技術, 可將使用的頻寬被劃分為多個狹窄的頻帶或子頻道, 資料就可以在這些平行的子頻道上同步傳輸 43 44

802.11b 5-12 無線區域網路通訊標準 802.11g 5-12 無線區域網路通訊標準 採用的展頻技術是採用 高速直接序列, 頻帶為 2.4GHz, 最大可傳輸速率為 11Mbps 優勢在於價格低廉, 但速率較低 ( 最高 11Mbps) 通常在相容於 IEEE 802.11b 的產品中都會提供 1Mbps 2Mbps 5.5Mbps 及 11Mbps 的傳輸速率 結合了目前現有 802.11a 與 802.11b 標準的精華, 在 2.4G 頻段使用 OFDM 調製技術, 使數據傳輸速率最高提升到 54 Mbps 的傳輸速率 802.11g 穩定的效能與 54Mbps 的傳輸速率已經成為無線區域網路的一項新標準 在成本價格逐漸滑落的情況下, 目前已成為無線區域網路的主流產品 45 46 802.11n 5-12 無線區域網路通訊標準 藍芽技術 5-12 無線區域網路通訊標準 可以加快連線速度, 更可以傳送更遠的距離 資料傳輸速度估計將達 540Mbit/s, 此項新標準比 802.11g 快上 10 倍左右 許多廠商冀望 802.11n 能成為數位家庭中主要的無線網路技術, 並做為數位影音串流的應用 可以讓個人電腦 筆記型電腦 行動電話 印表機 掃描器 數位相機等等數位產品之間進行短距離的無線資料傳輸 主要支援 點對點 (point-to-point) 及 點對多點 (point-to-multi points) 的連結方式 使用 2.4GHz 頻帶, 目前傳輸距離大約有 10 公尺, 每秒傳輸速度約為 1Mbps, 預估未來可達 12Mbps 47 48

AMPS 5-13 行動通訊系統 GSM 5-13 行動通訊系統 是北美第一代行動電話系統, 採類比式訊號傳輸, 即是第一代類比式的行動通話系統 類比式行動電話的缺點是通話品質差 服務種類少 沒有安全措施 門號容量少等 在國內, 類比式行動電話系統已經正式走入歷史, 例如早期耳熟能詳的 黑金剛 大哥大, 原本 090 開頭的使用者將自動升級為 0910 的門號系統 是屬於無線電波的一種, 因此必須在頻帶上工作,GSM 通常被使用在三種頻帶上 -900MHz 1800MHz 1900MHz GSM 通訊系統的訊號傳送方式與傳統的有線電話一樣, 是屬於一種 電路交換 (Circuit Switch) 式的傳輸技術 缺點是無法與使用 封包交換 (Packet Switch) 的 Internet 互相連結, 因此後來才會有 GPRS 通訊系統的產生, 期待達到行動上網的最終理想 49 50 GPRS 5-13 行動通訊系統 3G/3.5G/3.75G/4G(1) 5-13 行動通訊系統 是一種透過 GSM 通訊系統的最新科技, 並運用 封包交換 的處理技術 GPRS 採用的無線調變標準 頻帶 結構 跳頻規則及 分時多重擷取技術 (Time Division Multiple Access, TDMA) 都與 GSM 相同 但是 GPRS 允許兩端線路在封包轉移的模式下發送或接收資料, 而不需要經由電路交換的方式傳遞資料 3G 傳輸速率最高可到 2Mbps 主要目的是透過大幅提升數據資料傳輸速度, 並採用與 Internet 相同的 IP 技術, 將無線通訊與網際網路等多媒體通訊結合的新一代通訊系統 3.5G 為 3G 技術的升級版本, 主要用來加快用戶端設備 (User Equipment, UE) 的下行傳輸速率 如果上網的地方未支援 3.5G 無線網路,3.5G 無線網路還會自動轉換為 3G 或 GPRS 無線網路 51 52

3G/3.5G/3.75G/4G(2) 5-13 行動通訊系統 WAP 5-13 行動通訊系統 3.75G 上傳速度達 5.76Mb/s,3.75G 提供了雙向視訊或網路電話更佳傳輸速率的頻寬環境 4G 是指行動電話系統的第四代, 它的願景是希望建構完備的高速無線通訊系統 Intel 大力推動 WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access, 微波存取全球互通 ) 技術, 有可能成為日後 4G 技術的主流 主要用來制定在無線通訊設備上一種執行 Internet 網路存取服務的開放標準 WAP 最主要是針對無線通訊設備所開發, 因為無線通訊設備的頻寬相當有限, 而且螢幕也較小 現在的手機只要有支援 WAP 協定, 便可以經由無線通訊網路來存 53 54