電腦網路

電概 (I) 補充教材 網路相連 (internetworking) 的重要觀念 顏春煌 電腦網路可以用涵蓋的區域大小來區分為區域網路 (LAN,local area network) 與廣域網路 (WAN,wide-area network), 這些網路最終都會相連在一起, 只不過這些網路的擁有者很多, 各自建置與維護整個網路版圖中屬於自己的那一塊 當然, 網路的擁有者 也有很多種, 一般人在家裡使用電腦連上網路, 只有連上網路那一段線路的使用權, 大型企業的辦公室遍佈各地, 建置的網路就複雜多了, 必須考量如何把企業分部的網路連接起來 對於網路業者來說, 需要管理的網路範圍更廣泛 所以談到網路相連的問題時, 其實也會同時考慮到網路設計的問題 一. 網路相連使用的設備 網路相連 (internetworking) 的方式很多, 我們可以用比較有趣的方式來想像, 首先, 網路連接的是網路節點, 所以形成的網路有各種類型, 一般人經常把網路分成區域網路 (LAN) 與廣域網路 (WAN), 因此, 探討網路相連可以分成幾種情況來思考 : LAN-LAN LAN-WAN 與 WAN-WAN, 更複雜的情況是把連接在一起的網路再接上其他的網路 由於區域網路有很多不同的類型, 廣域網路的種類也很多, 再加上使用不同的協定, 讓網路相連的問題變得很複雜 ( 一 ). 訊號增益器 (repeater) 訊號增益器 (repeater) 連接兩個完全相同的網路, 訊號增益器會把收到的訊號的能量增大以後再傳送出去, 如此一來, 就可以延長訊號能夠傳遞的距離, 訊號增益器算是實體層的處理設備 訊號增益器在無線網路裡頭也有類似的作用, 下圖中的訊號增益器可以把 Router 來的訊號轉送到 Computer 目前在一般的網路設計中已經比較少聽到 repeater, 原因是類似的功能存在於很多其他的網路設備中, 不過訊號增益的概念與功能還是一樣的, 是網路設計時必須考量的問題 1

( 無線網路中的訊號增益器 ) ( 二 ). 集線器 (hub) 集線器 (hub) 是乙太網路中常用的設備, 也常稱為 concentrator, 主要的功能是把乙太網路的節點連接在一起, 從任一個連接埠收到的訊號可以從其他的連接埠再轉送出去, 所以也有類似於 repeater 的功能 集線器也屬於 OSI 模型中實體層的設備, 用集線器連接的兩個網路也必須是完全相同的網路 假如集線器偵測到網路上發生碰撞 (collision), 必須廣播壅塞的訊號 (jam signal) 到所有的連接埠 (hub) 比較大型的網路可能會用到很多集線器, 為了管理上的方便, 並且節省空間, 會把集線器堆成堆疊 (stack), 通常會運用機架與集線櫃 (wiring closet), 放置在機房中, 由於機房在管理上可以使用長時間的空間, 連接不斷電系統 (UPS), 讓網路設備能夠穩定地運作 集線器的通訊埠收到訊號以後, 會把訊號轉送到所有其他的通訊埠, 另外有一種所謂的交換式集線器 (switching hub), 功能跟集線器很像, 但是當通訊埠收到訊號以後, 會依照封包中的位址, 把訊號轉送到某個通訊埠, 所以 switching hub 的效率會比 hub 要好 從下面的兩個圖可以看到透過 hub 或 switching hub 所建立的網路 2

( 資料來源 : www.hp.com/rnd/images/dia_faq_config3.gif) ( 資料來源 : www.hp.com/rnd/support/faqs/sw_208_224.htm) 有機會可以到網路機房裡頭看看實際的網路設備是怎麼連在一起的, 下面的圖就是機房裡頭可能看到的景象 Switching hub 也算是交換器 (switch), 交換器可以連接實體層不同的網路, 不過交換器還分成第 2 層交換器與第 3 層交換器, 第 2 層交換器連接的兩個網路的實體層可以不同, 但是資料連結層與資料連結層以上的各層網路協定必須是一樣的 Switching hub 的功能還有兩個特色 : 1. 那一個連接埠連接那個網路區段 (network segment) 可以機動地調整, 考 量網路的流量來分配 2. 部分的連接埠的資料速率特別高, 可以用來直接連上伺服器 3

( 三 ). 橋接器 (bridge) 橋接器 (bridge) 連接的兩個網路的實體層與資料連結層的協定都可以不一樣, 橋接器跟多個網路相連, 可以看成是這些網路上的節點, 等於說對於個別的網路區段來說, 都把橋接器當做該網路上共享介質的成員, 所以一有資料封包丟到網路上, 橋接器都會收到, 不過橋接器必須檢視封包的資料連結層位址, 決定是否要把封包轉送到其他的網路上, 換句話說, 橋接器讓這些網路區段變成個別的實體網路 下面的圖就是一個很典型的網路橋接方式 ( 資料來源 : http://www.oreillynet.com/pub/a/network/2001/03/16/net_2nd_lang.html) 4

橋接器本身需要多片網路卡來連接多個網路, 由於橋接器連接的網路實體層協定可以不一樣, 所以我們應該也會看到有線網路與無線網路透過橋接器相連接的情況, 橋接器的功能可以想像成網路封包的過濾, 這樣不同的網路區段的流量才能分隔開來 ( 四 ). 交換器 (switch) 第 2 層交換器也是用來連接多個網路的, 下面的圖顯示一個交換網路的結構, 交換器跟橋接器有什麼差別呢? 交換器是運用硬體來進行資料封包的交換, 只要有封包的位址資訊, 就可以決定輸出的連接埠是那一個, 不用等到整個封包的資料都到齊, 橋接器要靠軟體的處理, 必須等整個封包到齊以後才能處理, 所以效率沒有交換器好 ( 交換網路的形成 ) 第 3 層交換器連接的網路可以有不同的實體層與資料連結層的協定, 不過網 路層與網路層以上的協定是一樣的, 第 3 層交換器是屬於網路層的設備, 在功能 5

上與路由器有點類似, 不過交換器的作用是運用硬體的交換功能, 跟路由器透過軟體來處理封包的情況是不同的 由於各種網路的資料速率越來越高, 路由器的處理效率已經無法負荷, 所以第 3 層交換器剛好可以解決這樣的問題 第 3 層交換器可以連上路由器, 負責各子網路之間繁忙的通訊, 路由器則專注於廣域通訊的路由機制 ( 五 ). 路由器 (router) 路由器 (router) 連接的網路可以有不同的實體層與資料連結層, 不過網路層與網路層以上的協定必須相同, 為什麼需要路由器呢? 我們知道廣大的網路中有很多節點並沒有直接相連, 不在同一個實體網路中, 而且在通訊時可能要經過好多中間的節點來幫忙傳遞資料, 對於通訊的兩端點來說, 最好只需要知道對方的網路位址就好, 可是對於中間傳送的過程來說, 資料到達一個節點以後, 都需要知道路徑中下一個節點在那裡 以 OSI 模型分層負責的觀點來看, 端與端之間的通訊可以靠網路層的位址來指定對方, 可是下層的通訊還是要知道第 2 層的位址才行 ( 路由器的外觀 ) 路由表格 (routing table) 是路由器作用的關鍵, 由於從路由器出去的封包多半會經過廣域網路, 路由器必須靠路由演算法安排適當的路徑, 這個工作需要透過路由表格來進行 前面已經看到好幾種網路相連的設備, 這些設備之間會如何連接在一起呢? 下面的圖是一個很典型的連接方式, 各種連接設備都有特定的功能, 所以我們必須要了解這些設備的特性 6

( 一個比較有規模的網路 ) ( 六 ). 閘通道 (gateway) 閘通道 (gateway) 是一個比較沒有固定觀念的名詞, 因為用到的場合很多, 代表的意義都有一些差異, 在網路相連的領域中, 閘通道是指可以用來連接完全相異的網路的網路設備, 換句話說, 閘通道所連接的網路的各層次的協定可以完全不同, 因此閘通道必須解決這些差異, 讓資料能在異質性的網路之間流通 二. 大型網路的設計 大型網路的設計涵蓋的問題比較複雜, 什麼樣的網路算是大型網路呢? 平時一間大辦公室裡的區域網路還不算是大型的網路, 假如網路的範圍有包括多個獨立的空間 跨樓層, 或是涵蓋多個建築物, 甚至於包括整個機構的範圍, 就有可能屬於大型網路的設計 大型網路必須穩定 具有擴充性 (scalable), 而且要方便管理, 下面的書籍裡頭就有針對大型區域網路的設計做比較深入的介紹 Dooley, Kevin. (2002) Designing Large-Scale LANs. O Reilly. 三. 網路設計的實務 網路的設計與建置有很多實務上的問題, 多了解可以幫助我們更深入地學習 這個領域中的知識 使用雙絞線的乙太網路常用到 RJ-45 介面的接頭, 把傳送端 跟接收端連接起來, 由於線材中有好幾對線, 當我們把一般的電腦連到集線器 7

時, 集線器會自動調整接過來的線路的順序, 但是若是集線器要接到集線器, 變 成兩邊都會調整順序, 這時候就需要使用另外一種所謂的反向串接線 (crossover cable), 跟一般使用的雙絞線不同, 從接頭的線路外漆顏色的差異可以看出來 ( 典型的 crossover cable) 集線面板 (patch panel) 是網路機房裡頭常見的裝置, 主要是因為網路連接的時候除了要把網路節點透過網路設備連接起來之外, 還需要將網路設備連接起來, 這麼一來在管理上就要下點工夫了, 通常是會把線路都拉到機房, 然後透過機架 (rack) 把設備疊起來, 形成集線面板, 前方有比較短的線路, 可以經常跳接, 後方是比較長而永久的線路 集線面板可以讓工程師很快地改變線路, 不需要另外再使用一個交換器來控制 8

( 資料來源 : grove.ufl.edu/~reh/cse-cabling/patch-panel.jpg) 9