建構區域網路的基礎 區域網路 IP Class CIDR (Classless Inter-Domain Routing) Network/Mask 網路遮罩的計算 Subnet 子網段的切割 Topology 網路拓樸的設計 設備界接的注意事項 路由基本原理
區域網路 Broadcast Domain 廣播領域 定義是所發廣播封包可以到達的網路區域, 即為同一個廣播領域, 因為 ARP 廣播封包可以直接到達收訊者並獲得回答, 故無需經過 Router 繞送 Collision Domain 碰撞領域 定義是多數設備同時發出封包時會產生碰撞結果的網路區域, 一般情況下接近於 Broadcast Domain, 在現代 Switch 普及的情況下, 已利用緩衝及全雙工傳輸消除了碰撞的發生 LAN(Local Area Network) 區域網路 一般指不需經過第三層 Router 繞送即可到達之網路區域, 在大部分情況下, 等同於 Broadcast Domain WAN(Wide Area Network) 廣域網路 一般指某區域網路的 Gateway 對外 (Internet) 的那一端網路
區域網路規定 一個 LAN 網段的第一個 IP 稱為該網段的代表號 (Network ID), 不得放置任何設備在此 IP 上 例如 140.127.1.0/24,140.127.2.128/25,140.127.3.192/26 一個 LAN 網段的最後一個 IP 稱為該網段的廣播位址, 發向此 IP 的封包將會被 Switch 等設備視同廣播封包, 複製到每個埠口, 而任何電腦只要收到此封包, 皆需視同廣播封包來處理 例如 140.127.1.255/24,140.127.2.127/25,140.127.3.255/26 一個 LAN 欲與外界溝通, 需設置 Gateway,Gateway 會佔去一個 IP, 不成文的規矩是代表號之後的第一個 IP 或廣播 IP 的前一個 IP, 如 140.127.1.254/24 故一般情況下, 一個 LAN 就會有三個 IP 是不能給一般使用者使用的 每個電腦要發訊息之前, 會先判斷收訊者 IP 跟自己的 IP 是否有相同的 Network ID, 若相同, 則發 ARP 詢問收訊者的 MAC, 得到回答後直接發訊給收訊者 ; 若不同, 則發訊給 Gateway 請其繞送
IP Class 因網路初期設備能力不佳, 僅能用此簡單方法來判斷目標 IP 與自身 IP 是否屬於相同網段 (Broadcast Domain), 在 CIDR 技術實用之後, 就失去實質用處 Class A: 遮罩 255.0.0.0, 每單位 256^3 = 16777216 組合 00000000 => 0.0.0.0 01111111 => 127.255.255.255 12.0.0.1 跟 12.254.254.254 因首 Byte 數字 (12) 相同, 故屬於同一個 LAN Class B: 遮罩 255.255.0.0, 每單位 256^2 = 65536 組合 10000000 => 128.0.0.0 10111111 => 191.255.255.255 140.127.0.1 跟 140.127.254.254 因前兩 Bytes (140.127) 相同, 故為同一個 LAN Class C: 遮罩 255.255.255.0, 每單位 256 組合 11000000 => 192.0.0.0 11011111 => 223.255.255.255 200.1.1.1 跟 200.1.1.254 因前三 Bytes (200.1.1) 相同, 故為同 LAN Multicast: 11100000 => 224.0.0.0 11101111 => 239.255.255.255
CIDR (Classless Inter-Domain Routing) 隨著網路設備能力進步,CIDR 被實作出來, 破除 IP Class A/B/C 以 Byte 為限制長度的 Network-ID 與 Mask, 不再有長度限制 以 Network-ID / Mask 的描述方式表達 LAN 的 IP 範圍 140.127.0.0/16 或 140.127.0.0/255.255.0.0 切割網路 切割 A/B 等級網段, 可發給更多單位使用, 避免養蚊子浪費 如 140.127.0.0/16 可切成 140.127.1.0/24 140.127.2.0/24 140.127.3.0/24.. 縮小碰撞領域 140.127.1.0/24 的 LAN 遠比 140.127.0.0/16 一個 LAN 小得多, 會發生碰撞的電腦數量少, 機率下降很多, 但 Switch 普及之後, 此理由已非主要原因 收斂描述 大網段切割後, 使得路由表的路由數量大增, 為減少 Internet 路由總數, 可利用 CIDR 來收斂描述, 例如成 140.127.0.0/24 140.127.1.0/24 140.127.2.0/24 140.127.3.0/24 四個網段描述, 可合併為 140.127.0.0/22 一個描述即可代表, 大大縮減 Internet 路由總數
Network/Mask 網路遮罩的計算 IP 位址經過遮罩過濾之後, 剩下來的前端部分就是網路位址 (Network-ID), 被濾除的後端部分就是主機位址 (Host-ID) 故 Mask 長度就是 Network-ID 的位元長度 140.110.96.123 Host-ID 主機位址先轉成二進位數字來看 10001100 01101110 01100000 01111011 跟遮罩 255.255.255.0 做 AND 邏輯運算 11111111 11111111 11111111 00000000 結果就是 Network-ID 網路位址 10001100 01101110 01100000 00000000 轉回十進位數字來看 140.110.96.0 Network-ID 網路位址 AND 邏輯運算 ---------------- 1 AND 1 = 1 1 AND 0 = 0 0 AND 0 = 0 速記法 : 只有兩個 1 相遇才會成 1, 其他情況都是 0
網路遮罩的計算 ( 續 ) 可以把遮罩想像成一個洞洞濾網,1 的位置就是有開洞,0 的位置就是封住沒開洞, 所以經過 1 的會無條件通過, 遇到 0 的就全部歸零 1 1 0 1 1 0 1 1 X X X X 1 1 1 1 0 0 0 0 重要原則 : 遮罩只能左邊 1 右邊 0 不能有任何一個 1 在 0 的右邊 1 1 0 1 0 0 0 0
網路遮罩的計算 ( 續 ) 網路遮罩兩種表示法 : 例 :255.255.255.128 X.X.X.X: 將四個 Byte 各別算成十進位數字來表達 11111111.11111111.11111111.10000000 ----255---.----255----.----255---.----128---- / 數字 : 在正斜線後面寫十進位數字, 表示位元為 1 的個數 例如 /25 11111111.11111111.11111111.10000000 ------------ 一共有 25 個 1 ---------
Subnet 子網段的切割 將一個 IP 網段分割使用, 就是子網段切割, 稱為 Subnet, 亦即將原網段的 Host-ID 部分再切割, 奪取一些位元給 Network-ID, 增加 Mask 長度, 減少 Host-ID 長度 例如 192.192.192.0/24, 欲切分八份, 就將遮罩增加 3 位元成 192.192.192.0/27, 也就是說, 原本為 0 的遮罩部分左邊將被搶走三個位元改成 1 1 1 1 0 0 0 0 0 可以分成幾個子網段? 3 個位元表示 2 的 3 次方也就是 2^3=8 可切成 8 個 Network-ID 每個子網段能有幾個 Host-ID? 5 個位元表示 2 的 5 次方也就是 2^5=32 每個子網段可配得 32 個 IP
Subnet 子網段的切割 ( 續 ) 每個子網段都有兩個 IP 必須保留不可給任何設備使用 : 第一個 IP: 做為網路位址 (NetworkID) 的代表 例 :140.110.96.0/24 的 140.110.96.0 最後一個 IP: 做為廣播位址 (Broadcast) 例 :140.110.96.0/24 的 140.110.96.255 閘道器 (gateway) 至少需要一個 IP 因此每個子網段可給一般使用者的 IP 數量得先扣掉以上三個 以下兩點是矛盾的, 必須權衡評估 縮小碰撞領域 (Collision Domain) 減少 IP 浪費
Subnet 舉例 今得一塊 IP 範圍是 140.127.1.0/24, 欲建設六間電腦教室, 每間放置 25 台電腦, 該如何切割網路, 新 Mask 長度為何? 解答步驟 1: 先確認有幾個位元可以切割 總 IP 範圍為 140.127.1.0/24, 其中 Mask 長度 24 代表 Network-ID 是 24 位元,Host-ID 是 32 24 = 8, 共有 8 個位元的 Host-ID 可以進行切割 解答步驟 2: 求切割後的 Host-ID 需求位元數量 先求可包容 25 台電腦之最小 2 次方數, 可得 2 ^ 5 = 32 32 減掉每個 LAN 不可使用的三個 IP,32 3 = 29, 依然大於 25, 故 32 可用 故此可得 Host-ID 部分至少需 5 個位元才會夠 解答步驟 3: 求子網路 Network-ID 的需求位元數量 為包容六間電腦教室, 最小二次方數為 2 ^ 3 = 8, 故至少需有 3 個位元做 Network-ID 切割使用, 可切成 8 個子網路 解答步驟 4: 完成網路描述 以上, 需求 Network-ID 3 位元, 需求 Host-ID 5 位元, 合計至少需要 8 位元, 而步驟 1 顯示本題有 8 位元可使用, 故任務可達成 於是切割後的 Network-ID = 24 + 3 = 27 = Mask 長度, 列舉 8 個子網路如下 :140.127.1.0/27 140.127.1.32/27 140.127.1.64/27 140.127.1.96/27 140.127.1.128/27 140.127.1.160/27 140.127.1.192/27 140.127.1.224/27 Mask 27 可寫成 255.255.255.224 255.255.255.{0, 128, 192, 224, 240, 248, 252, 254} <= 背起來比較快
OSI 七層 REVIEW
實體層 (physical Layer) 負責協調如何將位元串流 <bit stream> 輸送到實際的 Media 上 主要定義了最基礎的網路硬體標準, 包括各種網路線 各種無線連線方式, 各種設備規範 以及各種接頭的規則, 還有傳輸訊號的電壓等等 與硬體有關的標準大多都在這個層級當中定義
資料鏈結層 (data link layer) 將原始的傳輸設施 ( 實體層 ) 轉變為一個可靠的鏈結, 監督同一鏈結上兩節點間 Frame 的傳遞 將 0&1 的串流組織成各種網路型態的訊框 (frame) 本層制訂了網路媒體節點辨識規則 (Media Address) frame 的格式 通過網路媒體的方式 多節點共用網路媒體的方式 錯誤控制 流量控制 檢查資料傳輸錯誤的方法等等
網路層 (network layer) 當來源與目的地不在同一個網路媒體上時, 此層負責確保每一個封包 <Packet> 能從起源點轉送到最後的目的地 主要定義了廣域網路節點規則 ( 例如 IP 的 Address) 選徑規則 (Route) 壅塞控制 監督個別封包的來源到目的地之傳遞, 它不去了解這些封包之間真正的關係
傳輸層 (transport layer) 定義了發送端與接收端的連線技術 ( 如 TCP 技術 ), 同時包括該技術的封包格式, 資料封包的傳送 流程的控制 傳輸過程的偵測檢查與復原重新傳送等等, 以確保各個資料封包可以正確無誤的到達目的端 單獨看待每一個封包, 確保其正確到達, 但並不瞭解封包之間真正的關係
會談層 (Session Layer) 網路會談控制器, 建立 維持 和同步兩節點間 有意義 的封包互動, 將有關連的封包組織成為有意義的 會談 定義了兩個節點之間的服務連線通道之連接與掛斷, 如 TCP 之三向握手, 流量控制, 連線終止等等 傳輸層定義了格式功能工具, 而會談層則是利用這些工具進行服務連線的管控 亦可建立應用程式之對談 提供其他加強型服務如網路管理 簽到簽退 對談之控制等等 如果兩節點之間欲進行多個網路應用程式, 會談層將會組織通訊, 以使資料傳輸到對應的應用程式, 可辨識封包屬於哪個會談 遠端程序呼叫 (RPC) 和 NetBIOS 是顯現會談層功能的兩個實例
表現層 (Presentation Layer) 各節點可能因 CPU/OS 之差異, 而使用不同的基本資料格式 ( 例如數值資料的儲存方式與長度 ), 也可能跟網路規範資料格式相異, 故需經過表現層之檢查與變換, 才能確保經過傳輸後仍可被對方理解 如果在網路上進行加密通訊, 展示層將負責加解密工作 SNMP 和 Unicode 就是展示層協定的例子
應用層 (Application Layer) 處理兩個網路應用程式之間的資訊傳輸 提供 API 並支援像電子郵件 遠端檔案存取 分享資料庫管理, 以及其他形式的分散式資訊等服務 常見的例子包括有瀏覽器 資料庫處理系統與電子郵件系統等等
舉例 :HTTP 我想執行 Web Server Daemon Web Server 140.127.1.1 intsock = Socket(); /* 申請網路資源空間 */ bind(port); /* 跟系統註冊一個 port, 建立關係 */ listen(sock); /* 開始等待連線 */ int client = accept(sock); /* 產生新的資源空間並接下連線 */ 我想執行連線到 Web Server Web Client 168.95.1.1 intsock = Socket(); /* 申請網路資源空間 */ connect(serverhost, ServerPort, Sock); /* 系統將從高於 32768 之 port 隨機挑選一個做來源 port, 並與遠方 Server Port 建立 TCP 連線 */
舉例 : 封包轉送 Router C Router M Router S 168.95.1.254/24 BB:BB:BB:BB:BB:BB 140.127.1.254/24 switch ARP Hardware type: 1 Protocol type 0x0800 6 4 Opcode: 1 Src hardware address AA:AA:AA:AA:AA:AA Src protocol address 168.95.1.1 Dst hardware address FF:FF:FF:FF:FF:FF Dst protocol address 168.95.1.254 Data ::: switch Web Client 168.95.1.1/24 AA:AA:AA:AA:AA:AA Web Server 140.127.1.1/24
舉例 : 封包轉送 Router C Router M Router S 168.95.1.254/24 BB:BB:BB:BB:BB:BB 140.127.1.254/24 switch ARP Reply Hardware type: 1 Protocol type 0x0800 6 4 Opcode: 2 Src hardware address BB:BB:BB:BB:BB:BB Src protocol address 168.95.1.254 Dst hardware address AA:AA:AA:AA:AA:AA Dst protocol address 168.95.1.1 Data ::: switch Web Client 168.95.1.1/24 AA:AA:AA:AA:AA:AA Web Server 140.127.1.1/24
舉例 : 封包轉送 Router C 168.95.1.254/24 BB:BB:BB:BB:BB:BB 10.1.1.1/30 CC:CC:CC:CC:CC:CC 10.1.1.2/30 Router M DD:DD:DD:DD:DD:DD 10.1.1.5/30 EE:EE:EE:EE:EE:EE 10.1.1.6/30 11:11:11:11:11:11 Router S 140.127.1.254/24 22:22:22:22:22:22 switch Request to Web Web Client 168.95.1.1/24 AA:AA:AA:AA:AA:AA Data Link 層 Src MAC: AA:AA:AA:AA:AA:AA Dst MAC: BB:BB:BB:BB:BB:BB IP 層 Header Src IP: 168.95.1.1 TTL:64 Dst IP: 140.127.1.1 TCP 層 Header Src Port: 45678 Dst Port: 80 應用層 : GET /index.html HTTP/1.1.. switch Web Server 140.127.1.1/24 33:33:33:33:33:33
舉例 : 封包轉送 Router C 168.95.1.254/24 BB:BB:BB:BB:BB:BB 10.1.1.1/30 CC:CC:CC:CC:CC:CC 10.1.1.2/30 Router M DD:DD:DD:DD:DD:DD 10.1.1.5/30 EE:EE:EE:EE:EE:EE 10.1.1.6/30 11:11:11:11:11:11 Router S 140.127.1.254/24 22:22:22:22:22:22 switch Web Client 168.95.1.1/24 AA:AA:AA:AA:AA:AA Data Link 層 Src MAC: CC:CC:CC:CC:CC:CC Dst MAC: DD:DD:DD:DD:DD:DD IP 層 Header Src IP: 168.95.1.1 TTL:63 Dst IP: 140.127.1.1 TCP 層 Header Src Port: 45678 Dst Port: 80 應用層 : GET /index.html HTTP/1.1.. switch Web Server 140.127.1.1/24 33:33:33:33:33:33
舉例 : 封包轉送 Router C 168.95.1.254/24 BB:BB:BB:BB:BB:BB 10.1.1.1/30 CC:CC:CC:CC:CC:CC 10.1.1.2/30 Router M DD:DD:DD:DD:DD:DD 10.1.1.5/30 EE:EE:EE:EE:EE:EE 10.1.1.6/30 11:11:11:11:11:11 Router S 140.127.1.254/24 22:22:22:22:22:22 switch Web Client 168.95.1.1/24 AA:AA:AA:AA:AA:AA Data Link 層 Src MAC: EE:EE:EE:EE:EE:EE Dst MAC: 11:11:11:11:11:11 IP 層 Header Src IP: 168.95.1.1 TTL: 62 Dst IP: 140.127.1.1 TCP 層 Header Src Port: 45678 Dst Port: 80 應用層 : GET /index.html HTTP/1.1.. switch Web Server 140.127.1.1/24 33:33:33:33:33:33
舉例 : 封包轉送 Router C 168.95.1.254/24 BB:BB:BB:BB:BB:BB 10.1.1.1/30 CC:CC:CC:CC:CC:CC 10.1.1.2/30 Router M DD:DD:DD:DD:DD:DD 10.1.1.5/30 EE:EE:EE:EE:EE:EE 10.1.1.6/30 11:11:11:11:11:11 Router S 140.127.1.254/24 22:22:22:22:22:22 switch Web Client 168.95.1.1/24 AA:AA:AA:AA:AA:AA Data Link 層 Src MAC: 22:22:22:22:22:22 Dst MAC: 33:33:33:33:33:33 IP 層 Header Src IP: 168.95.1.1 TTL: 61 Dst IP: 140.127.1.1 TCP 層 Header Src Port: 45678 Dst Port: 80 應用層 : GET /index.html HTTP/1.1.. switch Web Server 140.127.1.1/24 33:33:33:33:33:33