網路原理與實務 網路是電腦與電腦之間的通訊方式, 它不但使得電腦的功能更上一層樓, 也改變了資訊傳遞的模式, 在本章中, 我們將從網路的基礎開始介紹, 讓您了解到底什麼是電腦網路 (Computer Network) 此外, 近年來無線通訊技術的進步, 已經與電腦進行密不可分的整合, 因此, 我們也將在本章的最後, 介紹無線網路的相關技術 1
大綱 1 什麼是網路 2 電腦網路的類型 2.1 電腦與電腦間直接連線 2.2 區域網路 (LAN) 2.3 廣域網路 (WAN) 2.4 網際網路 (Internet) 3 連線服務 3.1 PSTN( 公眾電信交換網路 ) 3.2 ISDN( 整體服務數位網路 ) 3.3 ADSL( 非對稱數位式用戶線路 ) 3.4 Cable Modem 2
大綱 4 OSI 參考模型 5 網路拓樸 (Network Topology) 5.1 匯流排拓樸 (Bus Topology) 5.2 星狀拓樸 (Star Topology) 5.3 環狀拓樸 (Ring Topology) 5.4 星狀匯流排和星狀環 (Star Bus & Star Ring) 拓樸 5.5 網狀拓樸 (Mesh Topology)6 網路硬體設備 6.1 網路介面卡 (NIC;network interface card) 6.2 訊號加強器 (repeater) 6.3 集線器 (hub) 6.4 交換器 (switch) 6.5 路由器 (router) 3
大綱 7 網路傳輸媒介 7.1 同軸電纜 (Coaxial Cable) 7.2 雙絞線 (twisted pair) 7.3 光纖 (Optical Fiber) 7.4 無線網路傳輸媒介 8 區域網路架構 8.1 乙太網路 (Ethernet) 8.2 記號環網路 (Token ring) 8.3 光纖分散式資料界面 (FDDI) 8.4 ATM 非同步傳輸模式 8.5 無線網路連結 4
大綱 9 無線網路 9.1 無線傳輸的媒介 9.2 無線區域網路 (WLAN) 9.3 無線個人網路 (WPAN)- 藍芽 9.4 窄頻微波 HomeRF 與 HiperLAN 10 行動通訊 10.1 GSM 10.2 GPRS 10.3 3G 5
1 什麼是網路 什麼是網路 (Network) 呢? 以一個比較白話的方式來定義, 網路是在不同的單一個體間, 透過特定的介質來進行資訊傳遞的機制 一個完整的網路流程 必須從 傳送端 (source) 傳送 訊息 (Message), 透過 介質 (media) 傳送到 接收端 (destination) 看起來是一個很容易了解的體系, 但是在實際運作上, 卻必須克服訊息的語言轉換, 傳輸的路徑選擇, 直到訊息的漏失甚至傳輸過程的安全考量等等問題 這樣的傳輸模式, 除了本書提到的電腦網路外, 我們平日接觸的電話, 也是一種常見的網路系統 6
1 什麼是網路 圖 10-1 電腦透過網路裝置, 將資訊轉為電子訊號而在網路中傳遞 圖 10-1 簡單的解釋了電腦之間的溝通 電腦透過網路硬體裝置, 將資訊轉換為電子訊號, 接著在網路媒介之間進行傳遞, 直到達到對方的網路硬體裝置之後, 再還原回原先的資訊, 讓人可以讀懂這些東西 7
1 什麼是網路 透過這樣的機制, 人們使用電腦已經不必再侷限過去單機作業的模式 只要連線上網, 就可以分享自己電腦的資源, 傳送電子郵件 跟朋友透過網路傳訊 去網路商店購物, 生活的形態已經慢慢的轉變為與網路有高度的相關性 舉個生活中的例子 如果讀者閒暇之餘喜歡玩個電腦遊戲, 不妨注意一下目前最熱門的遊戲像是戰慄時空 星海爭霸 魔獸爭霸等, 都支援了多人線上對戰的功能, 而且軟體廠商也在網站上提供售後服務, 玩家可以直接到網際網路上下載更新的地圖或版本 而始終歷久不衰的的電視遊樂器, 像是新力 (sony) 出品的 PS2 或微軟 (Microsoft) 的 Xbox, 也隨時代潮流, 增加了連網的功能 8
1 什麼是網路 網路可以讓你可以得到第一手的NBA比賽訊息 網際網路上的提供新聞滿足網友知的需求 9
1 什麼是網路 什麼都有的買的網路拍賣網站 及時多樣的網路教學 10
1 什麼是網路 當然, 科技是無時無刻不在提升的, 生活中的網路當然也從過去由數據機撥接上網, 繼續發展到各種大家耳熟能詳的技術, 譬如 ISDN ADSL Cable Modem, 甚至高速上網, 寬頻電路等等, 都已經不再是書本裡深奧難懂的術語 那麼, 我們常常說上網上網, 會上網真的就可以表示懂了網路嗎? 當然不是這麼簡單 將網路視為一種生活上的工具, 只能說是跟上了時代的潮流, 證明自己沒有與大眾脫節罷了 真正要探索網路較深奧一層的學問, 才是我們要積極努力的目標 11
2 電腦網路的類型 電腦網路的類型, 可以從最簡單的電腦與電腦間直接連線, 到區域電腦的架設, 進而擴充為廣域電腦的連結, 而全世界最大的電腦網路則是網際網路 兩部電腦的直接連線 區域網路 (LAN) 廣域網路 (WAN) 網際網路 (Internet) 12
2.1 電腦與電腦間直接連線 最基本的網路連線, 就是兩部電腦之間用纜線直接連接 利用這種直接連線的方式, 不需要透過其他的網路設備, 堪稱是最方便的連線類型 常見的直接連線有幾種方式 : (1.) 使用 LL3 纜線 LL3 纜線的接頭就是電腦用來連接印表機裝置的接頭, 透過兩部電腦之間的平行埠 (LPT port) 互相連接, 兩部電腦直接連線 13
2.1 電腦與電腦間直接連線 (2.) 利用 RS-232 互相連接 這種纜線使用電腦連接數據機的接頭 兩部電腦只要透過序列埠 (Com port) 就可以互相連接 (3.) 利用 USB 或者是 IEEE1394 的接頭 這兩種新式的接頭有隨插即用的功能, 而且傳輸率相當快 (4.) 裝置網路卡, 利用網路線互相連接 14
2.1 電腦與電腦間直接連線 前面兩種方式已經很少人在使用, 然而因為這兩種連接埠是電腦的標準設備, 所以也是最便宜的連接方式 USB 及 IEEE1394 是新式的設備, 但是在早期的電腦上並沒有此種設備 至於透過網路線連接, 則必須另外購買網路卡, 所以價格稍微昂貴一些 上述兩台的電腦直接連線, 由於物理特性的緣故, 兩部電腦的距離會受到某些限制, 如果距離過遠, 則需要透過其他方式連接, 我們將在下一節中, 介紹這些連線方式 15
2.2 區域網路 (LAN) 如果在同個地方或是鄰近地區的電腦超過兩部以上, 譬如說在同一個辦公室 同一座公寓甚至同一個社區之中的數部電腦, 它們彼此之間藉著網路設備, 以較高速的網路彼此連接, 也就是所謂的區域網路 (LAN;Local Area Network) 當每部電腦提供不同的資源時, 利用區域網路的類型連接, 這些資源便能達成最大配置的效果 我們時常會利用印表機等裝置, 但這些裝置價格不扉, 又沒有購置多台的必要性, 只要將其連接網路便可以達到共享的目的 16
2.2 區域網路 (LAN) 除了周邊設備的資源, 區域網路還可以利用主從式的架構來進行 CPU 資源的分享 近期開發的應用軟體, 對硬體的需求越來越嚴苛, 尤其有很多大型的資料庫或是程式編譯器工作等等, 在普通的個人電腦上往往效率不佳, 所以在資金充裕的企業或公司行號, 會選擇購置運算能力較強的伺服器 使用者可以透過區域網路對伺服器進行存取, 或是將程式傳送到伺服器上進行編譯的工作, 如此一來就得以充分發揮伺服器的效果 17
2.2 區域網路 (LAN) 另外網路大型儲存裝置 NAS 的崛起, 也是因應現在資訊爆炸, 必須貯存的資料以級數成長的趨勢而頗受重視 透過區域網路, 進行集中儲存及備份工作, 網路管理者可以大大的降低管理的成本及心力, 並且也降低資料損失的風險性 這些都是我們可以接觸的到, 也能充分感受到的區域網路的最大優點, 亦即資源能夠充分共享, 並且能大幅減少額外所花費的金錢 18
2.2 區域網路 (LAN) 區域網路的兩種形態 對等式形態 對等式形態又稱點對點 (Peer to Peer), 並沒有特定 server 端的設計, 在這裡每一部電腦地位都是平等的, 都可以同時扮演 client( 客戶端 ) 與 server( 伺服端 ) 的角色 只要自己有資源分享出來, 那麼就能扮演 server 的角色 如果自己透過網路去別台電腦存取資源, 那麼就搖身一變成為 client 端 它的優點是因為沒有特定的伺服器, 所以只要對個別的資源自行管理即可 而且資源分散, 維護成本低, 不需要太好的配備 但是也因為資源分散, 所以管理不易, 使用者必須花費更多時間在搜尋資源上, 也造成額外的網路流量 每部電腦都可以是伺服器也是客戶端電腦 19
2.2 區域網路 (LAN) 主從式形態 在這種形態的網路中, 所有的資源統一交由一部或是數部伺服器來進行管理, 也集中由某台伺服器來決定資源的存取權, 通常這樣的伺服器為了應付 client 所發出的請求, 通常會配備比較 高級 的硬體資源, 譬如較快的 SCSI 硬碟, 較多的記憶體和雙中央處理器的主機板等等 由於資源集中管理, 也必須付出額外的心力和金錢, 但是好處是比較安全也容易整合區域裡的所有資源 主從式形態的示意圖 20
2.3 廣域網路 (WAN) 前面提到的區域網路指的是一個較小的範圍 但是如果今天電腦之間的距離很遙遠, 譬如跨越了兩個城市鄉鎮, 或是隔著海洋湖泊, 那就不能單單透過一般的區域網路連線來達成連線的目標 此時的網路形態我們相對的稱為 WAN(Wide Area Network, 廣域網路 ) WAN 的定義是在一個廣闊的範圍裡, 由很多電腦所組成的網路, 當然這其中也有可能包含為數眾多的區域網路 舉例來說,Internet( 網際網路 ) 就是一個最為人所知的 WAN 它是由小區域的乙太網路所逐漸架構的廣大網路, 因為使用相同的通訊協定, 所以相異的網路都可以透過 Internet 彼此連結 21
2.4 網際網路 (Internet) 網際網路是一個集合各個區域網路的綜合體, 它是全世界最大的電腦網路 透過網際網路, 我們得以和其他國家的朋友互相溝通, 並且享受各式各樣的服務, 像是全球資訊網 (WWW) 電子郵件 (E-Mail) 電子布告欄 (BBS) 檔案傳輸 (FTP) 搜尋引擎 網路電話 電子商務 視訊會議 網路遊戲等等, 我們將在下一章為大家介紹更進一步的內容 網際網路的大門 -- 入口網站 22
3 連線服務 兩台電腦欲直接連線但距離過遠時, 將無法使用 LL3 RS232 USB/IEEE 1394 網路卡 / 網路線等直接連線的方式, 此時必須透過其他種類的連線服務, 連線方式有很多種, 並且是個人或中小企業用戶常使用的網路連線方式 PSTN( 公眾電信交換網路 ) ISDN( 整體服務數位網路 ) ADSL( 非對稱數位式用戶線路 ) Cable Modem 23
3.1 PSTN( 公眾電信交換網路 ) 公眾電信交換網路 (PSTN;Public Switch Telephone Network) 是就是我們日常生活裡隨處可見的電話交換系統 透過 PSTN, 可以使用數據機撥接, 從家裡的電話連接到網路連線服務業者的主機上再連接出去 數據機 (modem) 數據機運作的示意圖 24
3.1 PSTN( 公眾電信交換網路 ) 由於電腦的訊號是數位的, 而電話線路傳送的是類比訊號, 因此如果要透過電話線路來傳送資料, 則必須透過數據機的轉換 首先您要準備一部數據機, 並且將家中的電話線路插在數據機背後的 RJ-11 插孔上, 然後就可以透過數據機撥電話到 ISP 的主機, 接著輸入帳號密碼之後便可以連接到網際網路 ISP ISP(Internet Service Provider), 翻譯為 網際網路服務提供廠商, 其業務最主要是提供一般大眾連線上網的服務, 著名的廠商有 Hinet SeedNet 等等, 我們將於下一章詳細介紹 25
3.1 PSTN( 公眾電信交換網路 ) 數據機 (modem) 的全名是調變解調器 其原理就是透過電話線, 將位於兩端的電腦進行傳遞 交換資料的功能 ; 也就是可以將電腦的數位訊號轉為能夠在類比電話線中傳輸的類比音頻信號, 這種數位轉類比就是所謂的調變 (MOdulation), 反之將類比訊號轉為數位訊號則稱為解調 (DEModulation), 故 modem( 調變解調器 ) 的名稱也因此命名 當一份資料從電腦中送出到遠端電腦時, 在傳送的一端, 由數據機將數位的訊號 調變 為類比訊號, 經由電話線到另外一端之後, 對方也需要一部數據機將收到的訊號 解調 成數位的訊號, 讓電腦接收, 程序剛好是完全相反 26
3.1 PSTN( 公眾電信交換網路 ) 以形式而言, 數據機又可以分為外接式 內接式和 PCMCIA 三種 外接式以 RS-232 串列埠 (serial port) 與電腦連接, 只有在使用時才打開, 不但可以省去一個擴充槽, 也可以由燈號來顯示目前的連線狀態 內接式則是需要佔用一個 PCI 或 ISA 的擴充槽, 對長期需要使用網路的人比較方便, 並且比外接式的便宜 PCMCIA 的規格稱為數據卡, 是一般筆記型電腦上通常都會具備的裝置 27
3.1 PSTN 公眾電信交換網路 由於電話線的有效頻寬受到了技術和 線材的限制 最多僅能到每秒40多 Kbps 所以不管電腦的配備再高級 都只能使用這少少的40K頻寬 如果 想要提高頻寬 還可以採用電信業者 的所提供的ISDN ISDN的頻寬可以 提高到128kbps 顯然已經比用數據 機撥接的情況好很多 然而ISDN的費 用在剛推出時實在是非常昂貴 不是 一般人支付的起的 28 可以提供56Kbps頻寬的V.90數據機
3.1 PSTN( 公眾電信交換網路 ) 值得慶幸的是在電信民營化腳步加快的今天, 各家 ISP 所提供各類上網連線服務的費用逐漸降低, 您已經可以使用較便宜的價格, 來租用 ADSL 或是 Cable modem, 這兩種頻寬已有明顯提高的新形態網路連線服務 29
3.1 PSTN( 公眾電信交換網路 ) 網路頻寬的單位 網路設備與電腦系統之間或是電腦的硬體之間, 是以平行 (parallel) 的方式傳送資料, 所以每次傳輸的單位我們用位元組 (Byte) 來表示, 而資料傳輸率用 KByte/sec 或是 MByte/sec 來表示, 這單位表示一秒內可以傳輸多少千位元組或是百萬位元組的資料 但是在網路的世界裡, 是以串列 (serial) 的方式在不同網路設備之間傳輸, 每個瞬間只能傳送 1 個 bit 的資料, 所以網路上的傳輸速率是以 Kbit/sec 或是 Mbit/sec 來表示, 簡稱 Kbps 或 Mbps 根據定義,1 個位元組 (Byte) 的大小等於 8 個位元 (bit), 所以換算之下, 可以了解網路卡與主機之間的傳輸速率, 遠遠高於網路設備之間的傳輸速率 30
3.2 ISDN( 整體服務數位網路 ) ISDN 是整體服務數位網路 (Integrated ServicesDigital Network) 的簡稱 ISDN 可以將包含語音, 數據 文字 影像 多媒體等不同類型的資訊服務, 利用數位電話線同時傳送, 較數據機傳送為快 它所使用的線路跟傳統線路最大的差異, 就是它傳輸的資料本身就是數位的訊號, 而不是類比訊號 ISDN 最基本的傳輸界面包括兩個速率為 64Kbps 的 B 通道, 和一個 16Kbps 的 D 通道, 合計稱為一個 2B+D 的 144Kbps 的通道, 其中 B 通道用來傳送資訊, 而 D 通道是用來傳送負責控制通訊的訊號 提供 ISDN 的公司 (ISP) 會同時提供兩條線路, 所以您同時使用一對 ISDN 線路, 就可以使用最大 128Kbps 的速率來上網, 而且還可以同時撥打電話或是傳真 31
3.2 ISDN( 整體服務數位網路 ) 不過基本上 ISDN 仍然採用撥接的方式來連線, 除了每個月必須付給 ISP 的連線月租費和中華電信的線路租用費外, 每次撥接還需要依時間計費 雖然目前已經因為 ADSL 的普及而有很大的降價幅度, 但因為速度上只比數據機快一些, 卻遠遠落後於 ADSL 和 cable modem, 目前已經慢慢的式微, 在多數網路環境中, 只做備援的應用而已 32
3.3 ADSL( 非對稱數位式用戶線路 ) ADSL 可說是目前最熱門的技術, 與 Cable modem 同屬於新一代的上網方式, 而且與過去撥接或是 ISDN 最大的不同, 除了傳輸速率有很大的突破外, 在於它採用全天候 24 小時連線, 對於上網需求很大的個人或企業, 提供了企業專線以外一種較廉價的解決方案 ADSL( Asymmetric Digital Subscriber Line ) 的全名為是 非對稱數位式用戶線路 在線路的材質上,ADSL 使用銅製的的線路, 導電性良好, 所以可以大幅提高傳送的速率, 但也是因為銅線的衰減率較大, 串音也比較嚴重, 所以在離機房較遠的地方 ( 一般是距離約 4 公里 ) 便無法提供這樣的服務 33
3.3 ADSL( 非對稱數位式用戶線路 ) ADSL 是一種利用傳統電話線, 採用 4Hz 的高頻數位壓縮方式, 來提供高速網際網路上網的一種調變解調技術 對一般上網的使用者來說, 通常下載的資訊遠比上傳的為多, 所以並不需要一個上下傳輸速率相同的專線設備,ADSL 本身便是建立在以這個非對稱為基礎的技術上 它以現在已經大量鋪設的電話線作為媒介, 利用線路裡較高頻的區域來傳送資料, 同時提供語音 ( 電話 ) 和其他多媒體的服務 這裡說的高頻區域是指比語音的訊號頻率更高的區域, 當您在使用 ADSL 上網時, 原先的電話線路依然可以進行通話 通常在申請前您無法知道, 在您要裝設 ADSL 的地方是不是超過服務範圍, 一直要等到送件之後, 電信公司才會告訴您結果 34
3.3 ADSL( 非對稱數位式用戶線路 ) 根據 ADSL 所使用的非對稱性理論而言,ADSL 下傳資料可以到達 8 至 9M 的高速, 目前提供下傳 / 上傳分別為 512K/64K,768K/128K 以及 1.5M/384K 和對稱式 512K/512K 等傳輸速率 另外除了速度上的選擇以外, 您還可以就您的需求選擇固定制或撥接制兩種, 前者是 24 小時連網, 只要 ATU-R 數據機電源不關閉, 就會保持一定的連線, 跟專線很類似, 後者則是採用每次利用 PPPoE(PPP over EtherNet) 撥接時計費的方式 ADSL 的連線模式 ADSL 的特殊 Modem( 一般 ISP 業者會提供 ) 35
3.4 Cable Modem Cable modem 是僅次於 ADSL 的熱門上網方式 它的傳輸媒介是普及的第四台電纜線 Cable Modem 連線示意圖 36
3.4 Cable Modem 這些線路, 架構在原先有線電視的電纜線基礎上, 以台灣有線電視的普及率而言, 業者並不需要因此多花費太多鋪設費用, 也不須要做太大的實體線路更動, 所以當服務提出來之後, 便受到使用者的重視, 很明顯的它將會在未來家用的網路上佔有一席之地 因為頻寬足夠, 所以大量的網路資料, 像是多媒體等可以迅速的下載, 據說最高的速度可以到達 10Mbps 左右, 但是若上傳的話因為線路架設機制的緣故, 大約是下載的七分之一左右, 最高可以達到 1.5Mbps 37
3.4 Cable Modem Cable Modem( 一般 ISP 業者會提供 ) Cable Modem 所利用的電纜線, 原本就是利用來處理動態的視訊資料, 所以跟一般用來傳送語音的電話線路相比, 的確佔了很大的優勢, 這也是 Cable Modem 能夠比 ADSL 提供更快的網路傳輸速度的原因 但是在高速傳輸的背後, 也需要網路業者提供更快的骨幹頻寬才能互相配合, 現在的缺點就是在於目前提供服務的業者, 對外的頻寬仍然有提升的空間, 這是美中不足的地方 38
3.4 Cable Modem 跟傳統的數據機相同,Cable Modem 也是利用調變與解調的方式, 透過高頻寬的有線電視電纜傳送資料, 並且偵測上傳和下載資料的不同, 藉由這個方法, 可以突破原本的單向傳送限制 原來的電視則還必須另外透過一部叫做視訊轉換器才能進行原來的收看 在實際上, 有部份地區受限於單向傳送的限制, 只能利用纜線下載網路上的資料, 卻不能直接透過原有的線路上傳, 於是在原先的 Cable Modem 機器上, 還必須有額外的電話撥接機制, 利用撥接來上傳資料 我們希望將來業者能夠儘速的架設好雙向的纜線, 這樣才有辦法讓上傳資料時, 也享受高速的樂趣, 目前國內只有和信超網路和東森寬頻兩家提供單向及雙向的服務 39
4 OSI 參考模型 在介紹 OSI 模型之前, 要先知道它的由來 OSI 模型的由來, 是因為在網路發展初期, 一群有心人士認為, 為了能在世界各地通行無阻, 網路的架構應該要擁有一致的標準 所以國際標準組織 (ISO) 在 1977 年開始進行 OSI(Open Systems Interconnection) 模型的發展, 它集合各家廠商及學術單位的理論, 明確定義網路的技術和規格, 在經過數年的琢磨之後, 於 1984 年正式推出 因為 OSI 的層次概念相當清晰, 易被人所接受, 所以在提到網路通訊時, 絕大部分都以 OSI 模型來作說明, 也常被拿來與其他的模型做比較 40
4 OSI 參考模型 OSI 將網路傳輸的架構, 依照不同的功能來區分, 總共分成七層 由下而上, 分別是 實體層 (Physical Layer) 資料鏈結層 (DataLink Layer) 網路層 (Network Layer) 傳輸層 (Transport Layer) 會議層 (Session Layer) 表達層 (Presentation Layer) 應用層 (Application Layer) 越往上方, 越靠近作業系統與應用軟體, 越往下方, 則靠近硬體的實體 通常, 我們把實體層稱作第一層, 而應用層稱為第七層 41
4 OSI 參考模型 我們上網時所輸入的資訊, 由最上層的應用軟體層 (Application Layer) 開始往下傳遞, 經過每一層時都會加以處理, 當進行到實體層時 (Physical Layer), 這些資訊已變成訊號流的最小單位 位元, 接著由網路卡送出 它將以電子訊號的形式, 在網路之間旅行 當對方電腦接收到封包, 也是由最底下的實體層開始, 層層往上傳遞, 直到最後到達頂端的應用軟體層, 把資訊呈現在對方的螢幕上, 或者是儲存於硬碟裡, 整個運作才告一個段落 資料在 OSI 模型中傳送的過程 42
4 OSI參考模型 現在我們已經知道原來資料傳輸是由最上層的應用層開始進行 逐漸往 下傳遞 在傳遞的過程中 那麼相異各層是怎麼樣處理它所接收到的資 料呢 原來資料每通過一次相異層之間的介面 就會在原有的資料前端 加上一個 表頭 header 這個header代表了每一層所具有的獨特訊息 直到往下至 資料鏈結層時 該層會把最後的已經分裝過的資料加上一個尾巴 最後成為 實體層上傳輸的訊號 在往下層傳送資料的過程中 陸續加入表頭 在往上傳的過程中 陸續去除表頭 43
4 OSI 參考模型 OSI 各層級和相對應的資料單位或資料形態 層級應用層表達層會議層傳輸層網路層資料鏈結層實體層 單位或資料形態 Message( 訊息 ) Data( 資料 ) 無 Segment( 片段 ) Datagram( 資料元 ) 或 packet( 封包 ) Frame( 訊框 ) Bit( 位元 ) 44
4 OSI 參考模型 譬如今天運作 DOS 的電腦要向麥金塔電腦進行網路的溝通, 它會在應用層的部份發出一個 requst 要求, 然後這個要求在表達層的部份被加上一個表頭, 再往下的會議層, 也加入表頭, 直到實體層 因為實體層負責的是訊號傳送, 於是在訊號傳送到麥金塔電腦的電腦時, 由資料鏈結層的部份, 開始解開原先的表頭 ( 當然這個表頭只有該層看得懂 ) 和去掉尾巴, 接著陸續往上傳遞, 傳遞到表達層時, 去掉最後的表頭, 那麼麥金塔的應用層就可以看得懂 DOS 的需求, 並能夠進行回應了 45
4 OSI 參考模型 在每一層所接收的資料, 包含了原先的原始資料還有上層陸續加上的表頭, 這整組封包稱之為 SDU(Service Data Units 服務資料單元 ), 裡面所定義的, 就是上一層對下一層所要求的服務 每個服務資料單元, 都有獨特的單位表示 在最上方的應用層, 我們稱它為 Message( 訊息 ), 這些訊息可以是圖形 文字等等, 這些訊息只有人類看得懂而已 當傳到表達層時, 表達層便轉換為電腦專用的 Data( 資料 ) 而後的會議層不會改變資料的格式 46
4 OSI 參考模型 接下來的在傳輸層的地方, 資料會被切割成不同的 Segment( 片段 ) 然後在網路層的地方就轉為 Datagram( 資料元 ) 或是 packet( 封包 ) 在到資料連結層就轉換成 Frame( 訊框 ) 最後在進行電子訊號傳輸時, 就化為資料的最小單位 Bit( 位元 ) 因為每個瞬間只能傳送 1 個位元的資料出去 47
4 OSI參考模型 OSI七層分別有其功用 以下是由下而上各層的個別功用介 紹 實體層 全部的網路硬體裝置 都包含在實體層的範圍 在這一層中 它所負 責的工作很簡單 就是 把資料傳送出去 至於 送去哪裡 與它 無關 送出去的資料是不是對方通通能夠接收得到或是內容是否有 錯 它也絲毫不會在意 基本上這些資料並非我們所想像的有意義的數值 而是很單純的0或1 組成的一連串位元 而實體層完全不會理會這些位元的所代表的意 義 因為實體層所規範的 只有硬體和訊號的執行部份 這些執行的 部份包括了 註 這裡提到的 都是指執行的層次 就是 將訊號 以不同的方式送出去 的部份 至於怎麼送 那都是屬 於上層的規範 48
4 OSI 參考模型 定義硬體的網路設備, 像是纜線的接腳定義 纜線的形態 電壓與訊號的對應 無線電波的功率 頻率範圍等等 規範網路硬體如何連結, 單點連結或是多點連結 實體的拓樸狀況, 像是乙太 記號環 傳送數位或是類比訊號 進行解碼與編碼的工作 透過窄頻或是寬頻的傳輸方式 進行傳輸位元的同步狀況 進行通訊的多工 49
4 OSI 參考模型 這一層負責控制實際上的控制資料傳輸工作 按照 OSI 模型的架構, 資料鏈結層主要是接受網路層的要求, 連接網路上相異兩個設備之間的實體層, 透過發號司令, 要求實體層執行細部的資料傳輸工作 資料鏈結層所提供的控制功能, 除了上面說的錯誤訊息校正外, 還可以進一步控制網路上的流量 控制訊號的同步等 最後, 在使用廣播技術的網路上, 它還要負責檢查實體層所接收到的訊框表頭資訊, 是不是與自己的硬體位址相符, 如果不是的話, 就會將其丟棄 50
4 OSI 參考模型 它首先由上層 ( 網路層 ) 接收到封包, 並且加入表頭, 轉換成自己的格式, 稱之為訊框 這表頭裡面包含了控制的資訊 還有區段的資訊 在每次資料要發送出去前, 先建立與對方硬體的連線, 而且在發送過程中, 校正因為硬體問題所可能導致的任何訊號上的錯誤 這些錯誤包括電磁干擾 線路品質不良等等眾多其他設備所引起的問題 如果有訊號在傳送中遺失, 就要再度進行重傳的工作 至於偵測這些資料正確性的方式, 則使用 CRC(Cyclic Redundancy Check) 循環冗餘檢查 檢查方式是發送端將訊框的內容, 被一個質因數所除之後的餘數, 稱為 CRC 碼, 傳給接收端 而接收端收到訊框之後, 也比照相同的運算方式, 將自己所運算出來的 CRC 碼與對方互相比較 51
4 OSI 參考模型 值得一提的是, 在 IEEE 802 的規範中, 將資料鏈結層多定義了兩個子層, 即 LLC 和 MAC: LLC(Logical Link Control, 邏輯鏈結控制子層 ) 負責處理錯誤控制 流量控制 框架和 MAC Address 等 MAC(Media Access Control, 媒體存取控制子層 ) 負責控制資料存取媒體的方法, 包括是用何種網路拓樸, 還有用何種競爭傳送的方式 LLC 和 MAC 子層 52
4 OSI 參考模型 IEEE 802 IEEE(The Institute for Electrical and Electronic Engineer, Inc., 國際電機電子工程師學會 ) 在 1980 開始制定 IEEE 802 的規範, 用來為 LAN( 區域網路 ) 的各式規格訂下標準 它跟 OSI 的網路模型幾乎是同時制定的, 所以有些共通的特徵, 也能夠互相溝通 它最主要的部份, 在於制定硬體的規格, 包括像網路媒介 ( 像是電纜 無線電波 ) 和資料傳輸的規格, 跟 OSI 的實體層及資料鏈結層有非常大的相關性 53
4 OSI 參考模型 網路層 網路層負有怎樣將資料封包最快也最有效的送往目的地之神聖使命 這跟前面的資料鏈結層有什麼分別呢? 我們前面提到, 層級較低的資料鏈結層只負責進行特定兩節點間溝通管道的建立 但是因為網際網路的規模大幅的擴展, 網路上的設備節點實在是太多了, 如果傳送端和接收端在不同的區域內, 這兩個區域中間就可能會有很多節點互相聯繫需要進行選擇 那麼, 決定在傳送端與接收端間的眾多節點中要建立哪些連線的工作, 就落在網路層的身上 這些節點的選擇工作, 便是我們所說的路由 (routing) 54
4 OSI 參考模型 路由的工作分成幾個部份 : 定址 (addressing): 首先要針對網路設備的網路位址進行定址的工作, 透過定址的工作, 可以確定 IP 和位址相對應的狀況, 並且維護一份資料表 電路的連結部份, 以及封包交換的工作 55
4 OSI 參考模型 路徑的發現以及最佳路徑的選擇 : 這個部份靠著路由協定來達成, 主要的路由協定包括 RIP IGRP EIGRP OSPF IS-IS 等 在下圖中兩個節點之間的數字表示它的代價 (cost), 由 A 到 I 有很多個路徑, 怎樣選擇最佳路徑, 就是個別路由協定所要定義的部份 對於以不同方式計算的路由協定而言, 並不相同 譬如對 RIP 而言,ACEI 所經過的節點最少, 所以是最佳路徑, 但是對 OSPF 而言,ABGHI 的代價總和較上述路徑為低, 所以較上述路徑為佳 路由過程, 有許多因素需要考量 56
4 OSI 參考模型 傳輸層 傳輸層並非像資料鏈結層一樣, 處理最底層的資料傳輸, 它是針對資料本身的性質, 進行較高階的處理 在這一層中, 負責將上層中過大的資料拆開, 組裝成較小的封裝, 並加以傳送 在傳送的過程中, 如果有部份資料因為路由的緣故而喪失了 ( 資料因而流失掉 ), 它可以查出主要的原因, 並且針對流失的資料再加以傳送 57
4 OSI 參考模型 在網路層運送資料的過程中, 並不見得每一個封包都會恰好使用同一條路由去傳送, 所以依照網路的壅塞狀況, 可能會有產生先傳反而後到的情況, 這些次序在接收端反而無法控制 所以傳輸層會在每一個傳出的資料表頭, 編訂一個類似序號 (Sequence Number) 的欄位, 當接收端接收的時候, 就可依照這個次序將封包組合起來並且還原資料的面貌 當封包遺失的時候, 也是依據這個序號進行補傳的動作 58
4 OSI 參考模型 TCP 和 UDP 是傳輸層最主要的通訊協定 TCP 通訊協定在運作的過程中, 會要求進行 三方握手, 也就是在發送的過程中, 要求接收端在接收封包之後, 必須要回傳一個認可 (acknowledge), 表示封包正確的送到 這種方式稱為連結導向 (Connection Oriented) 相反的, 如 UDP 通訊協定, 就不會要求對方確認, 稱為無連結導向 (Connectionless Oriented) 傳輸層的運作示意圖 59
4 OSI 參考模型 會議層 顧名思義, 會議層主要就是讓兩部電腦, 在網路上建立起一個虛擬的溝通管道, 彷彿是直接 連線 般 會議層的功能包括像是名稱的解析 (DNS) 以及在安全通訊上的選項, 讓兩部電腦可以找到彼此, 以及使用較安全的方式進行通訊 會議層還提供了針對資料交換時的同步化, 所以萬一在網路出現狀況的時候, 兩方的溝通可以從這個錯誤的部份之後繼續, 而不必重頭再來一次 這些就像是會議中的對話, 決定兩個設備之間的資料如何傳輸的溝通方式和協調方式 另外會議層也會決定網路傳輸是使用雙工或是半雙工的方式 60
4 OSI 參考模型 單工與雙工傳輸 單工傳輸 (Simplex Transmission) 單工是最原始的傳輸, 之所以稱之為單工是因為它的傳輸方向只能為固定一個方向 在這個模式之下, 永遠只有其中一端可以扮演發送端的角色, 而另一端也只能扮演接收端的角色 發送端的部份, 不能隨時間不同改為接收端, 而接收端也不能隨時間不同改為發送端 不能互換角色是單工模式的特色 在日常生活中有很多單工的例子, 譬如我們收看的傳統電視 收音機等等, 它們只能很單純的接收來自電台的所發送的訊號, 而不能回傳, 所以就是典型單工的例子 另外還有過去曾經流行一陣子的呼叫器也是屬於單工的設備 61
4 OSI 參考模型 半雙工傳輸 (Half-Duplex Transmission) 在半雙工傳輸的模式中, 發送端和接收端可以隨著時間的不同對換角色, 但是在同一個時間點, 只能進行傳送或是接收的動作, 兩者不能同時進行 這有點類似一條僅能一隻羊走的獨木橋, 白羊和黑羊都可以通過, 但是在同一時間內, 不是只有白羊能從橋的這一端走到另外一端, 就是只有黑羊能從橋的另外一端走到這一端, 如果兩隻羊同時走就會造成衝突 62
4 OSI 參考模型 在野外常常用到的無線電對講機就是半雙工傳輸的最好例子, 平常可以聽得到對方傳來的聲音, 但是必須要按下發話鈕的時候, 你的聲音才能被對方所接收到 這就是指說無線電的對講機本身可以扮演發送端與接收端的角色, 但是在同一時間內不是聽就是講, 所以就是所謂的半雙工傳輸 63
4 OSI 參考模型 全雙工傳輸 (Full-Duplex Transmission) 全雙工是最進步的傳輸模式, 幾乎所有的通訊設備都是朝全雙工的模式進行發展 在這種模式之中, 雙方都可以同時扮演接收端或是發送端的角色, 在通訊的過程中, 可以最有效的利用頻寬 幾乎離不開的我們生活中的電話就是最典型的全雙工傳輸, 在這個模式之中, 不管是聽或說都可以同時間進行, 不會受到時間的限制 單工 半雙工與全雙工 64
4 OSI 參考模型 表達層 我們在操作電腦的時候, 會依自己的語言, 輸入很多資料, 或者是使用很多操作上的步驟 但是這些資料, 對電腦而言都是沒有直接意義的, 因為電腦在運算的過程中, 只能看得懂二進位的語言 當應用層將這些訊息往下傳遞時, 表達層就負責將應用層所傳來的訊息進行編碼的工作 現在絕大部份電腦都是用 ASCII code(american Standard Code for Information Interchange) 當作內碼, 將這些訊息編碼過後, 轉換成對方電腦可讀的形態 65
4 OSI 參考模型 另外表達層也可以進行壓縮的工作 在應用層傳送來的訊息之中, 有很多可以透過壓縮技術進行資料的壓縮, 讓實體需要傳送的內容份量變小, 可以減輕網路的負擔 另外, 表達層也有加密的功能 雖然資料傳到此處之後就轉換為一般人看不懂, 但機器看的懂得訊息, 但是若有心人取得了編碼的內容, 依舊可以按照還原的步驟取得資料的原始內容 所以在這個時候可以依要求事先將資料加密過, 在網路上傳送時就比較具有安全性 66
4 OSI 參考模型 應用層 所有使用者在螢幕上看得到的畫面, 都可以算是應用層的一部份 這些包括了作業系統 應用軟體等等, 這些軟體因為現在運算工具速度的提升, 很多都內建或包含了底下幾層的功能 這是七層架構中跟使用者最接近的一層, 包括我們的瀏覽器 收發電子郵件的 outlook 等等軟體屬於這一層 收信軟體屬於應用層 67
5 網路拓樸 (Network Topology) 所謂的網路拓樸, 是指整個網路架構中, 各個節點的分布狀態與實體連接方式的關係圖, 目前網路連結模式有許多種, 我們分別在本節中加以介紹 匯流排拓樸 (Bus Topology) 星狀拓樸 (Star Topology) 環狀拓樸 (Ring Topology) 星狀匯流排和星狀環 (Star Bus & Star Ring) 拓樸 網狀拓樸 (Mesh Topology) 68
5.1 匯流排拓樸 (Bus Topology) 匯流排網路的示意圖 69
5.1 匯流排拓樸 Bus Topology 乙太網路中 較早期的連線方式幾乎都是採用匯流排拓樸方 式 匯流排拓樸中的每一部電腦和周邊設備 都藉由一條同 軸電纜線互相串接起來 只要是在這一條網路上所發送的所 有封包 都會被傳送到該區域的每塊網路卡上 稱之為廣播 broadcast 因為在同一個時間點上 只允許一個數位訊號傳遞 所以屬於半雙工 的傳送方式 當該區域所串接的電腦設備越多 在傳送訊號時因碰撞 collision 所造成的雜訊會越大 降低整體效率 最令人頭痛的就是只要有任何一個端點接觸不良或是鬆脫時 整個線 路的網路通訊便會停擺 70
5.2 星狀拓樸 Star Topology 這是目前最普遍的拓樸方式 在星狀拓樸中 有一部負責全 域通訊的裝置稱為集線器 hub 每部電腦都必須使 用纜線與它相連 藉此與其他 的電腦達成溝通的目的 星狀拓樸最受歡迎的優點在 於 即使整個網域中有少數幾 部電腦的纜線鬆脫或是故障 仍然不會影響到其他電腦之間 的通訊 但是因為全部的電腦都是透過 集線器連接 當集線器故障 時 整個網路就會停擺 星狀拓樸的的示意圖 71
5.3 環狀拓樸 Ring Topology 環狀拓樸中 每部電腦彼此相 連 整體的感覺像是一個環 這 種拓樸方式使用在記號環網路 Token Ring Network 之中 環狀拓樸的訊號傳遞訊息是固定 傳遞同一個方向 這種方式較星 狀更有效率 缺點如同匯流排網路 如果中間有 任何一部設備故障 整個環狀拓樸 就會停擺 72 環狀拓樸的示意圖
5.4 星狀匯流排和星狀環 (Star Bus & Star Ring) 拓樸 從名字上可以看得出來這兩種拓樸其實是上述拓樸的組合 我們在一般網路架構裡最常見到的是星狀匯流排拓樸 星狀匯流排拓樸 星狀環拓樸 73
5.5 網狀拓樸 (Mesh Topology) 每兩個網路設備之間, 都保持著一條網路連線, 這就是網狀拓樸的特色 網狀拓樸的優點是非常容易進行疑難排解, 也很容易進行線路的互相備援, 但缺點就是裝設不易而且維護也很費事 網狀拓樸 74
5.5 網狀拓樸 (Mesh Topology) 不過這個拓樸的特色也是它的缺點, 當設備的數量一多, 管理這些連線變成一件令人相當頭大的事情以一個五點的連線來說, 就會需要有 5(5-1)/2=10 條連線, 那更不用說萬一超過 5 點的話, 光把線路組起來就是很可怕的事情 所以實際上, 絕大部份的網狀拓樸都不是真正的網狀拓樸, 而是使用一種稱為混成的網狀拓樸, 最主要的用途就是當作設備的備援線路 75
5.5 網狀拓樸 (Mesh Topology) 拓樸種類 匯流排 星狀 環狀 網狀 (1) 安裝與擴充方便 (2) 花費低 (1) 擴充方便, 不必中斷網路運作 (1) 每個裝置傳遞訊號的機會均等 (1) 任何一個裝置故障都不會影響網路運作 優點 (2) 某一裝置故障時 ( 非 Hub), 網路仍可運作 (2) 傳遞訊號不會衰減 (2) 傳遞資料效率最高 (3) 訊號沒有衰減問題 (4) 容易維護 缺點 (1) 串接的設備越多, 越會降低整體效率 (2) 任何一個端點接觸不良或是鬆脫時, 整個網路通訊將停擺 花費略高 任何一個裝置故障, 整個網路通訊將停擺 花費極高 76 網路拓樸比較
6 網路硬體設備 完整的網路結構包含了硬體與軟體, 在本節中, 我們將介紹幾種網路常見的硬體設備 網路介面卡 (NIC;network interface card) 訊號加強器 (repeater) 集線器 (hub) 交換器 (switch) 路由器 (router) 77
6.1 網路介面卡 (NIC;network interface card) 網路卡扮演電腦與網路之間溝通的角色 78
6.1 網路介面卡 (NIC;network interface card) 網路卡 無論是怎樣的網路形態, 只要想連接兩台以上的電腦設備, 就必須購買至少兩片以上的網路卡, 才能進行網路的連線 網路介面卡 ( 簡稱網路卡 ) 可以將電腦的資料轉換為網路傳輸時所使用的電子訊號, 也可能是光學訊號或是無線電波的訊號 或者是將接收到的這些訊號轉換為電腦的資料 依種類來分, 網路卡有 Ethernet( 乙太 ) 網路卡 Token Ring 網路卡, 屬於無線範疇的 無線網路卡 ( 我們會在後面介紹 ) 這些卡中, 以 Ethernet( 乙太 ) 網路卡 是讀者最常見的網路卡 79
6.1 網路介面卡(NIC network interface card) EtherNet網路卡以常見的介面來區 分 可以分為 ISA PCI還有 PCMCIA 16 Bit ISA介面規格是 1984年由IBM所提出 它原來是 用來取代為人所詬病的速度較慢 的8Bit ISA介面 因為價格便宜 曾經呼風喚雨了好一陣時期 目 前在Pentium等級的電腦上 仍然 可以看到不少安置黑色插槽的ISA 介面卡 32Bit 的PCI乙太網路卡 80
6.1 網路介面卡 (NIC;network interface card) 但是僅僅 16Bit 的 ISA 對於 64Bit 的 Pentium 等級 CPU 來講, 已經大幅的落伍, 在 1993 年 32Bit PCI 介面以及更快的 64BitPCI 推出之後, 似乎有逐漸取代舊款 ISA 網路卡的趨勢而成為主流產品 現在不具 PCI 插槽的主機板, 可能已經被人視為古董了 81
6.1 網路介面卡(NIC network interface card) PCMCIA網路卡 另外有一種網路卡稱為PCMCIA網路 卡 對使用筆記型電腦的讀者應該不陌 生 這種網路卡大小僅約一張普通名 片 攜帶十分方便 支援熱插拔 於工 作中可以隨時插入或停止後取出 的特 性 符合行動上的需要 這點頗受到使 用者的好評 圖中是較早期的產品 將 卡片和接頭分開 俗稱 老鼠尾巴 現在的產品多半將接頭直接做在卡片上 面 不會產生用久鬆脫的現象 82 PCMCIA網路卡
6.1 網路介面卡(NIC network interface card) 按照IEEE 802.3的標準 乙太網路卡按形態又可分為三種 分別是RJ-45 AUI及BNC接頭 RJ45接頭用來連接雙絞線之用 BNC接頭用來連接細同軸電纜(RG58) 而AUI接頭則是連接粗同軸電纜(RG-11) AUI接頭嚴格上來講就是指 DB-15接頭 因為這種接頭上共有15隻接腳 但是因為常需連接AUI 接頭電纜線 所以就直接通稱為AUI接頭 83
6.2 訊號加強器 (repeater) 訊號加強器可以將原本不清楚的訊號重製送出去 84
6.2 訊號加強器 (repeater) 經由網路卡所送出的電子訊號會隨著距離逐漸衰減, 訊號加強器的作用就是將原本不完整的信號, 經過放大重製至原本的強度之後, 產生完整的訊號再傳送出去 如果說網路鋪設的距離相當長, 或是必須經過好幾個不同媒介的區段, 此時為了避免因訊號過於衰減造成封包錯誤的情況, 訊號加強器就有裝置的必要性 但是在家庭或是小型工作室的場合, 因為網路範圍不會太廣, 使用的機率並不高 85
6.3 集線器 hub 顧名思義 集線器是一種可以連接多台電腦或是周邊的裝置 在簡易的星 狀拓樸裡 這是最重要的核心裝置 它擁有很多個不同的埠(port)可以進 行訊號傳遞 每一個傳至集線器的封包 在這裡經過複製之後 再傳送到 每部與集線器連接的網路裝置 除了接收到的埠本身以外 集線器在收到封包之後 會送到所有與它相連接的網路裝置 也包括另外一個串接的集線器 86
6.3 集線器 hub Hub還可以分為兩種 主動式集線器及 被動式集線器 主動式集線器 它跟前面的訊號加強器一 樣 都具有訊號加強的效果 再加上具有多 個連接埠 所以也有時稱為Multiport Repeater 被動式集線器 被動式集線器在收到訊號之 後 並不會進行訊號的處理 就直接送出 這兩者最大的差別在於集線器需不需要外部 供應電源 被動式的裝置是不需要外接電源 的 87 集線器
6.3 集線器 hub 在這邊要提醒大家的是 集線器跟網路線一樣 都有其規定 的頻寬 而且不管是那台電腦送出來的訊號 都一律接收 並且傳送到與所有集線器上每一個埠互相連結的電腦 每一 條連線傳送的過程 都會分享集線器的的總頻寬 造成相當 大的負載 此時容易產生所謂collision 碰撞 的狀況 降低 傳輸的效率 乙太網路透過CSMA/CD的方式來解決類似的衝突問題 88
6.4 交換器 (switch) 嚴格上來講,switch 雖然外觀上與 hub 很接近, 但它們是兩種不同層級的網路設備 集線器因為僅具 OSI 第一層的功能, 所以無法判斷封包的正確目標 而 switch 具備 OSI 模型第二層的功能, 能夠對封包目的地進行學習, 所以它擁有將封包送往正確目標的能力 89
10.6.4 交換器 switch 所以透過交換器 我們可以很清楚的辨別廣播和單點通訊 及多點通訊 其 實是有差異的 因為不論是集線器或者是交換器 在收到廣播封包的時候 都一樣需要向每一個連結的網路設備傳送出去 只是在這個一來一往的過程 中 交換器可以很清楚的學習到哪一項設備連結在哪一個網路埠 所以下一 次收到單點通訊和多點通訊封包的時候 就可以直接轉送給指定的目的 能 夠有效的降低網路不必要的壅塞狀況 交換式集線器可以將收到的封包 直 接傳給在同個網段內的目標電腦 而不會進行廣播 交換器 90
10.6.4 交換器 (switch) 交換器可以提高兩部電腦間的直接連線效率 在尚未清楚哪一個網路設備連接哪一個網路埠之前, 對於目地的不明的封包, 它仍然是利用 flooding 的方式將封包送出, 直到接收端回傳回應封包, 並且由 switch 接收該封包之後, 會解析封包開頭 (header) 的一部份來了解這個資訊, 並且將之學習 (learning) 起來, 把這個對應網路埠的硬體 MAC 位址放到自己的資料庫裡面 往後就直接利用這個資訊, 將訊號直接送到相對應的設備 所以交換器與集線器最大的不同是, 交換器接受某個埠的訊號之後, 如果它已經在資料庫找到相對應的位址, 它就不會產生可怕的廣播, 而是按照封包的目的, 用直接轉送方式產生內部連線, 並且提供全部的頻寬給兩台對應的電腦之間互相傳輸 91
6.5 路由器 (router) Router 可以作為幾個不同網段之間的連接, 如同交換式集線器一樣, 它可以解析一個封包的 header 判斷它是否要被傳送到相異的網段, 稱為 IP 路由 如果該封包的目的與原來的電腦屬於同一個網段, 則不會被複製到另外一個區段, 這樣的功能可以減輕網路的負擔 另外路由器可以有效的阻斷廣播的封包, 前面提到的集線器和交換器遇到廣播時, 都必須確實的將訊息傳送出去, 但是這樣的廣播僅僅到路由器為止, 所以路由器可以說是切開各個網段的的設備 路由器 92
6.5 路由器 router 簡單的來說 路由器擁有兩項 主要功能 一個是連接相異網路架構 的功能 譬如它可以將 ATM 乙太網路和序列電 路 FDDI ISDN等相異 網路架構連結在一起 這 是實體通道的功能 另外一個是軟體的功能 它可以透過本身路由機制 的運作 將封包進行適當 的傳送 以及透過作業系 統的路由協定運作 將路 由資訊與其他相鄰的路由 器進行交換 以便找出更 好的路由方式 提高傳輸 效率 路由器連接不同的網段 並且可以判斷 封包應該傳至哪一個相鄰的網段 如果是以TCP/IP通訊協定組為主的網 路 這個動作稱為IP路由 93
7 網路傳輸媒介 前面介紹的是在區域網路內常見的網路設備 現在我們要來 討論負責連接這些設備的傳輸媒介 這些線材對應著特定的 網路架構 我們現將它們分類如下 網路架構 10Base5 10Base2 10BaseT 100BaseT 1000BaseT 接頭名稱 AUI BNC RJ-45 RJ-45 RJ-45 電纜線種類 粗同軸電纜 RG-11 細同軸電纜 RG-58 雙絞線Twist 雙絞線Twist Pair Cat 3.4.5 Pair Cat 5 雙絞線 Twist Pair Cat 5e 網路速率 10Mbps 10Mbps 10Mbps 1Gbps 各種電纜線的比較 94 100Mbps
7.1 同軸電纜 (Coaxial Cable) 同軸電纜分為粗同軸電纜和細同軸電纜兩種, 除了比較早期的辦公大樓是以粗同軸電纜線佈建以外, 現在很少看到粗同軸電纜了 下面所提到的同軸電纜都是指細同軸電纜 (RG-58) 若您府上裝置了有線電視, 那您應該看過類似細同軸電纜的外貌 黑色的塑膠外皮裡面, 包著一層交錯網狀的金屬導體, 然後再外包一層絕緣塑膠皮, 中心則是主要的銅線導體線路 因為抗干擾的特性較好, 在連接兩部電腦時, 最大可以延伸到 185 公尺, 而仍然可以保持訊號的正常傳輸 95
7.1 同軸電纜 (Coaxial Cable) 細同軸電纜的網路架構稱為 10Base2, 其連接的方式稱為匯流排拓樸, 最大的特色就是在於網路上某點出錯 ( 譬如會接頭鬆脫 ) 時, 會影響到整個網路 從前在舊的大學宿舍裡鋪設的是同軸電纜線, 晚上有時會聽到很多人從同時房間走出來, 不停大聲的抱怨, 並且一間間的敲門詢問, 這時候大概知道可能又有某個粗心鬼闖禍了 同軸電纜在每一個連線的末端都需要裝置一個終端電阻 96
7.2 雙絞線 twisted pair 前面提到 在以同軸電纜為媒介的10Base2和10Base5網路架構中 有個 很大的缺點就是管理不易 只要中間有一個點出錯 往往會造成很大的問 題 整個網路因此完全停擺 在IEEE 802.3制定10BaseT架構之後 以 雙絞線為媒介的乙太網路出現 在維護管理上遠較10Base2來的容易 所 以逐漸受到使用者重視 緊跟10BaseT之後發展出頻寬為100Mbps的網 路 由於其中的100BaseTX的規格 與舊式10BaseT規格所使用的線材 彼此相容 所以提升網路整體速度變得輕而易舉 這邊我們要介紹的線 材 正是用來架構10/100BaseT網路的雙絞線 Twisted pair Cat 5e等級的雙絞線 雙絞線接頭 - Rj-45的外觀 97
7.2 雙絞線 (twisted pair) 不管 10BaseT 或是 100BaseT 網路, 同樣都是使用雙絞線作為媒介, 因為價格較低廉, 容易安裝佈線, 是現在最熱門的網路傳輸媒介 EIA/TIA 對於線材有嚴格的規範, 適當的線材才能達到預定的傳輸品質與頻寬 EIA/TIA Category 系統 等級 CAT 1 CAT 2 CAT 3 CAT 4 CAT 5 CAT 5e 適用範圍 用於基本的通訊, 速率 1~2Mbps 用於語音及低速率資料, 速率 1~2Mbps 用於 10BaseT 及 token ring 網路, 速率可達 16Mbps 用於 10BaseT 及 token ring 網路, 速率可達 20Mps 用於 100BaseT 或是多媒體的傳輸, 速率可達 100Mbps 用於 1000BaseT 的高速網路傳輸 98
7.2 雙絞線 (twisted pair) UTP 無遮蔽雙絞線 STP 在外層多了一層金屬薄層保護, 可以抗干擾 99
7.2 雙絞線 twisted pair 雙絞線的內部構造 雙絞線內部由四對對絞的單心銅線 分別是橙 白橙 藍 白藍 綠 白綠 棕 白棕 所謂的白橙就是整條都是白色 參雜少許的橙 色 以此類推 所構成 按照EIA/TIA-568B的標準 其中橙色和綠色 兩對線的對絞次數 比藍色和棕色還多 所以這兩對線 橙和綠色 是用來進行傳送和接收資料用途 至於為什麼要對絞呢 則是為了將 干擾降低至最小的緣故 STP與UTP 另外依雙絞線構造不同 又可以分成STP(shield Twisted Pair)和 UTP(Unshield Twisted Pair)兩種 STP在銅線外圍又包有一層遮蔽金 屬物質 多一條金屬銅絲接地線 具有防止干擾的效果 當然價格也 比較昂貴 100
7.2 雙絞線 (twisted pair) 至於雙絞線所使用的接頭與一般家裡用的電話線接頭 (RJ-11) 很像, 我們稱之為 RJ-45, 不過 RJ-45 的端子數有八個, 較電話線多也較大 最後就連線距離上來看, 雙絞線防干擾的效果沒有同軸電纜好, 所以連接兩部電腦設備時, 理論上最大只可以延伸到 100 公尺 EIA/TIA-568 EIA/TIA-568 是由 EIA(Electronic Industries Association 美國電子工業協會 ) 和 TIA(Telecommunications Industries Association, 美國通訊工業協會 ) 所制定的標準 EIA 主要是制定關於電氣界面的特性的標準, 而 EIA 主要是制定通訊架構和配線的標準 1991 年, 他們合作制定 EIA/TIA-568 的標準, 定義 CAT4 和 CAT5 的雙絞線規格, 而在 1994 年推出 EIA/TIA-568A 的標準, 制定關於 UTP 跳接線的規格 101
7.3 光纖 Optical Fiber 光纖電纜的構造 前面所介紹的線材 都是用電流當作傳遞訊號介質 而我們這裡提到 的光纖 則是以 光 來作介質傳遞 在光纖電纜上 光 只是在 內層的塑膠或是玻璃纖維裡面傳導 外層則是一層稱為Cladding的保 護層 整根或一整束導線則隔著一層絕緣材料 再以塑膠的外殼包裹 住 每一條光纖的芯 只能依一個方向傳送資料 所以一條光纖電 纜 通常包含兩束芯 一條負責傳送而另一條用來接收 也有些是採 用分別獨立出來的兩條電纜 102
7.3 光纖 (Optical Fiber) 光纖的內部介質是一種可傳送光線但直徑相當細的玻璃纖維, 比人的頭髮略粗一些, 直徑大概是 100 到 150 微米左右, 因為很輕很細, 所以可以輕易的折彎卻又不影響訊號傳遞 如果把為數約一千條光纖全部綁成一束, 則其直徑也不過約七公分 由於它的折射率很高, 使得光在玻璃纖維的內層接觸到表面的 Cladding 時, 因為兩個折射率不同 ( 內部的介質折射率較大 ), 所以光線會在這個界面產生全反射的作用, 而無法溢散出去, 因而可以在內部持續反彈 103
7.3 光纖 (Optical Fiber) 光纖電纜的內部構造 光纖電纜的外觀 104
7.3 光纖 (Optical Fiber) 光纖電纜的模態 光纖電纜又可以依照製造的方式而分為三種模態如下 : 1.single-mode 單模光纖, 核心的直徑只有 3.5 至 10μm 單膜光纖, 光訊號在內部前進的方向接近一直線 2.Multi-mode 多模光纖, 核心的直徑 50 至 1000μm, 頻寬較窄, 光線在內部多用反射的方式前進, 所以反射的訊號會比直線進行的訊號慢一些到達接收端, 因此無法確定光纖中心的相位 多膜光纖, 光在線路裡使用反射的方式前進 3.Plastic fiber optic 塑膠光纖採用塑膠材質製成, 但是衰減率較高 105
7.3 光纖 Optical Fiber 光纖電纜的優點 保密性及抗干擾 光纖電纜是用光線來傳輸數位訊號 它完全不會有前面所提到以 電子訊號傳輸時 易受外界電磁場干擾 導致訊號失真及衰減 還有容易被竊取等的缺點 比起 Coaxial 和 UTP 來說 光纖是先 天性對串音 Cross Talk 免疫的 因此抗干擾能力特強 也更 難遭到竊聽 所以也多用來傳送機密通訊 106
7.3 光纖 (Optical Fiber) 頻寬大, 傳輸距離遠 光纖的最大優點是傳輸頻寬非常大, 至少可以到 155Mbps 或更高, 這遠比一般的雙絞線或同軸電纜高出很多 因為它的傳輸距離相當遠, 所以在傳送信號時, 可以傳送數十公里而只衰減一點點 正因為這些特性, 所以光纖網路目前最大的用途是來架設高速網路的骨幹 (Backbone), 或者是 ISP 拿來作為長途的通訊或是 FDDI 的線路 107
7.3 光纖 Optical Fiber 光纖纜線的比較 網路架構 1000BaseSX 1000BaseLX 接頭名稱 Multi-Mode : SC, ST, FDDI(MIC), SMASingle-Mode: SC, ST, FC, PC, APC AUI 電纜線種 類 光纖電纜 光纖電纜 網路速率 1Gbps 1Gbps 光纖電纜唯一的缺點是設備昂貴 從線材的佈置到訊號的收發都必須花費 相當的費用 所以在佈置區域網路預算有限的情況下 通常不被採用 108
7.4 無線網路傳輸媒介 無線的傳輸媒介主要包含光線和無線電波兩種主要的媒介 其中以光線為主的紅外線和雷射具有方向性 若空氣中有多 餘的粒子 譬如水氣或灰塵 便會影響到傳輸效果 而且有 效的傳輸距離也大打折扣 運用無線電波技術為主的802.11 藍芽 HomeRF HiperLAN 只要 雙方設備調整在同一個頻率便能進行傳輸 距離長短不一 但是也易 受干擾 我們將在10.9節 對於無線網路進行較深入的介紹 109
8 區域網路架構 傳輸速率比較表 110
8 區域網路架構 因為在網路的發展初期並沒有制定統一的標準 所以在發明到現在的數十 年間 陸陸續續有學術單位或是公司企業 分別提出了自己的的網路架 構 這些架構可能擁有不同的網路拓樸方式 不同的通訊協定 甚至使用 不同的硬體規格和傳輸媒介 時至今日 我們比較熟悉的有乙太網路 Ethernet 記號環網路 Token-Ring FDDI和ATM 非同步傳輸 模式 等 不同的架構應用在不同的地方或網路環境 為了讓這些網路架構的規格能夠 統一 IEEE在1980年提出了IEEE 802的標準 在其中針對這些網路架構有詳 細的定義 因為規格上的定義與傳輸介質的不同 所以網路架構的利用方式分成很多 種 有些傳送速度很快 十分適合穩定大量的多媒體傳送 有些速度較慢卻 比較便宜 所以單看傳送的需求 並沒有所謂好壞之分 下面將要介紹這些 比較常見的網路架構 111
8.1 乙太網路 (Ethernet) 在網路發展初期, 共有乙太網路 (NtherNet) ARCnet 和記號環 (Token Ring) 三種主要的技術, 其中乙太網路是 1975 年由 Xerox DEC Intel 所共同制定的實體網路傳送技術, 在初期時僅能達到 3Mbps 的傳輸速度水準, 之後提高到 10Mbps 的速度, 也就是 IEEE 802.3 的技術基礎 112
8.1 乙太網路 (Ethernet) 它是目前世界上使用率最高的網路模式 因為它具有高速且穩定的性質, 所以也普遍為一般企業 私人所使用 目前一般的網路系統也多主要以 Ethernet 為標準來開發, 其他兩種技術的產品在一般網路上並不多見 乙太網路又可以依照推出的時間和速度的不同, 分為最早的乙太網路 (Ethernet) 高速乙太網路 (Fast Ethernet) 和 GigaBit 乙太網路 (GigaBit Ethernet) 等等 113
8.1 乙太網路 (Ethernet) 乙太網路的網路媒介存取控制方式 乙太網路使用一種稱為 CSMA/CD( 具碰撞偵測能力的多重感知傳輸 ) 技術來協調多部電腦之間的衝突問題 這項技術最早見於 1960 年美國夏威夷大學的 ALOHA 網路上 遵循這項規則, 在區域網路上的每部電腦, 都必須聆聽 (Listen) 網路的狀況, 當發現網路是無人佔用時, 才能送出訊號, 萬一兩部電腦 同時送出訊號 時, 會在實體通道上發生 碰撞 (collision), 此時就必須按照 CSMA/CD 的標準來協調, 要求送出訊號的電腦必須等待一小段時間, 才能繼續原來的傳送工作 114
8.1 乙太網路 (Ethernet) (1) 假設網路上有一部電腦 A 要傳送封包給電腦 B, 在發送之前, 電腦 A 會先聆聽網路上的狀況偵測網路的載波, 如果有其他的封包在網路傳遞, 就先暫停發送, 如果沒有, 則直接送出封包 (2) 送出封包之後, 如果其他的電腦也恰好送出封包, 則會在網路中發生碰撞的狀況 此時電腦 A 會暫停送出封包, 並且等待 (3) 在一段隨機時間過後, 電腦 A 則再度傳送封包, 如果又發生碰撞, 則重複上一個步驟 但是每發生一次碰撞, 則下一次等待的時間會變為之前的兩倍 115
8.1 乙太網路 (Ethernet) Ethernet EtherNet 是最早定義出來的乙太網路類型, 傳輸速率只有 10Mbps, 他們分別是 10Base5 10Base2 10BaseT 和 10baseFL 其中 10base5 和 10Base2 分別使用粗細同軸電纜, 使用匯流排架構,10BaseT 使用雙絞線,10BaseFL 使用光纖電纜, 後兩者使用星狀架構 Fast Ethernet Ethernet 的速度在資料傳輸需求增大的情況下越來越嫌不足, 所以不久之後推出了 Fast Ethernet, 傳輸的速度可達 100Mbps, 共有使用雙絞線的 100BaseT4 100BaseTX 和使用光纖電纜的 100BaseFX 等規格 116
8.1 乙太網路 Ethernet GigaBit Ethernet 顯然21 世紀的資訊傳輸需求以10倍速暴增 100Mbps對於骨幹的傳 輸似乎不能滿足需求 所以現在各大ISP紛紛以Giga級的線路汰換骨 幹的部份 在這個層級以光纖電纜為主要的傳輸媒介 有 1000BaseSX和1000BaseLX等 另外以雙絞線為傳輸媒介的功能也 大幅提升 以1000BaseT的規格繼續延續下去 基本上 光纖的網路架構會被逐漸重視 這是必然的趨勢 然而光纖的價格仍然高昂 所以在一般住家的普及率 這一 段被ISP稱為Last mile 最後一哩 仍然有一段很長的路要 走 而且光纖的製作精密 在現階段沒有精密工具的狀況是 很難自行製作的 117
8.2 記號環網路 (Token ring) 記號環網路是 IBM 所開發出來的一種高可靠度的網路架構 與乙太網路不同的地方在於它並不使用競爭的方式傳送封包, 所以錯誤率較低, 也不會產生碰撞的問題 我們可以在 IEEE 802.5 找到相關的資料 118
8.2 記號環網路 Token ring 記號環網路媒介存取控制方式 記號環所使用的連接方式稱為環拓樸 Ring topology 所有的電腦 連結成一個單一的圓圈 所以並沒有所謂的終端 電子訊號在這個記 號環裡面用單一的方向傳送 並且通過每一部電腦 直到達到目的地 為止 至於為什麼叫 token 記號 環呢 每個token ring裡面只 有一個token token是一種特殊的封包 記載著有關控制的資訊 當 這個封包傳遞到某一部電腦時 表示這部電腦擁有發送訊號的權力 當它發送結束之後 便重新產生一個記號 等待下一部需要傳送的電 腦來使用 因為明確定義了誰有優先傳送權 所以並不會產生雜訊 這種方式稱為Control Token 119
8.2 記號環網路 (Token ring) 雖然記號環示意圖上看起來好像是匯流排拓樸的頭尾相接一起, 但是如果這樣想就只能說被誤導了 實際上, 記號環網路的實體拓樸看起來較類似星狀拓樸, 它所使用的中央設備也稱集線器, 或者更精確的稱為 MSAU(Multistation Access Unit, 多站存取單元 ) MAUs SMAUs 集線器提供連接電腦一個環狀拓樸的存取界面, 它有一個 RI(Ring In) 和 RO(Ring Out) 的連接器與其他的 MSAU 相連, 每部 MSAU 最多連接八部電腦 記號環示意圖 記號環的實體連線, 像是星狀拓樸 120
8.2 記號環網路 (Token ring) 記號環網路卡 記號環的定址方記錄於記號環網路卡上 每張網路卡在被製造出來之前, 就會在卡上儲存一個獨一無二的位址, 但是也可以透過特殊的設定改變這樣的位址 比較特別的是, 記號環網路卡的傳輸速率只有兩種, 一是 4Mpbs 另一個為 16MBps 它能夠透過雙絞線或是光纖傳輸, 但是傳輸距離比較短, 每個節點和集線器中間只能約距離 45 公尺左右 121
8.3 光纖分散式資料界面 FDDI FDDI全名是Fiber Distributed Data Interface 中文為光纖分 散式資料介面 採用光纖纜線為傳輸媒介 傳輸的速率可達 100Mbps 因為使用記號環的存取方式 所以具有傳輸穩定 的優點 適合傳遞高品質的影像 多媒體等資料 不過因為光纖的價格昂貴 佈線工程也需要高度的專業性 所以並不 適合用在小型的區域網路 FDDI一般使用在長距離的骨幹網路 光纖和FDDI 或許有讀者會疑惑 為什麼同樣是光纖 但是有不一樣的傳輸速 率 光的速度不是很快嗎 在這邊要強調的是不管是前面提到的 10BaseF FDDI或是1000BaseF都不等同於傳輸媒介中的光纖電 纜 因為光纖本身只是一種介質 其運作的速度仍然受到不同網路 架構規格的影響 所以前面提到的10BaseF 規格雖然使用光纖作為 媒介 但是實際上也只能到達10Mbps的速率而已 122
8.4 ATM 非同步傳輸模式 ATM(Asynchronous Transfer Mode; 非同步傳輸模式 ) 是近年來各大專院校正準備極力推動的高速網路交換傳輸模式, 是由最基本的傳輸單位 Cell 所組成,Cell 具有固定長度 53Bytes 的資料封包 ATM 應用了最新的通訊協定技術, 並且將視訊 資料及語音通訊整合在一起, 以單一的協定提供所有的服務 ATM 示意圖 123
8.4 ATM 非同步傳輸模式 ATM 使用 switching( 交換 ) 技術, 比傳統的 Router( 路由 ) 速度更快, 其速度為 155 到 622Mbps 之間, 成本也更便宜, 而且因為 ATM 可以保障頻寬, 是推動視訊隨選的最佳工具, 這是傳統的 Ethernet 及 FDDI 望塵莫及的 另外 ATM 最大的好處在於, 可以把分散在遙遠地理位置的每個網段, 利用虛擬網路相連在一起, 同享同一個電子郵件甚至同一組 IP 在實體的傳輸界面上, 它並不須受限於特定的傳輸媒介, 可以利用雙絞線 光纖等, 因此也會有不同的傳輸速率 124
8.5 無線網路連結 上面所介紹的幾種連結方式都是需要透過實體的線材達成, 因此在某些方面欠缺了移動的彈性 無線網路由於不須這些線材, 所以在需要頻繁移動的場合之中, 便有存在的必要性 而且若硬體有足夠的支援, 甚至能夠在移動中傳輸資料 不過因為功率小和干擾的問題仍然存在, 所以傳輸速度往往不如有實體線路的網路理想, 因此目前仍然不可能取代這些有線的架構 而在傳輸的範圍方面, 受限於目前的技術, 目前市面上所提供的器材也僅限於短距離及小範圍的應用, 不是相當實際 125
無線網路示意圖 126
9 無線網路 無線帶給人們極大的方便, 電腦通訊也已經邁向無線網路的時代, 在本章之前的章節中, 我們所介紹的都是有線的網路, 換句話說, 必須舖設實體的網路線路, 而在本節之後, 我們將介紹不需要舖設實體線路的無線網路 無所不在的無線網路 127
9 無線網路 有線網路透過實體線路的連結來互相通訊, 相對的也產生了一些使用上不易克服的限制 譬如發送端與接收端兩者之間若不適宜鋪設線路, 或者因為地形的限制必須花費額外成本, 這些都是造成有線網路無法拓展範圍的主因 然而若將傳遞訊息的媒介, 由實體線路轉為由無線電波或光當作主體, 那麼上述問題便可以迎刃而解 這種透過無線電波或是光來通訊的技術, 則概括的稱為無線網路 (Wireless Network) 128
9.1 無線傳輸的媒介 無線網路若依照傳輸媒介來區分 以 光 為傳輸媒介 像是紅外線 雷射光 以 無線電波 為傳播媒介 像是窄頻微波 藍芽 802.11b 802.11a HomeRF HiperLAN等 利用這些介質來作為傳輸的相關網路設備 有衛星通訊 行動電話 無線 上網卡等 這些都已經逐漸的融入我們一般的工作環境甚至居家環境中 本節我們將以這兩種不同傳輸媒介的特性分別進行簡單的介紹 至於藍芽 802.11 HomeRF和HyperLan等我們將在後面有更詳細的敘述 媒介 主要技術 光 紅外線 雷射 無線電波 窄頻微波 藍芽 802.11a 802.11b 802.11g HomeRF HiperLAN 表10-5 無線網路的傳輸媒介分類 129
9.1 無線傳輸的媒介 以光作為媒介的無線網路 以 光 來作為無線網路的媒介 似乎是很不錯的選擇 因為光以直 線進行 所走的路徑最短 看起來也最有效率 以此為發展依據的有 紅外線傳輸 及 雷射 兩個主要類型 但是在實際的應用上 一 旦考量到光的特性 就不得不受限於下面幾點 1.光無法通過大部分的遮蔽物 當光線被不透明的物質完全遮蔽 或影響到無法辨識的狀態 就失去傳輸的意義 2.光會因傳輸的介質 如空氣 水份子或固狀物像是煙以及其他情 況 產生散射和折射等物理現象 130
9.1 無線傳輸的媒介 一 紅外線(Infrared 簡稱IR) 紅外線的應用相當廣 因為只要有物體表面有溫度 就會有紅外線 的產生 它所擁有的低成本及低耗能的優點 讓它成為網路設備互 相聯繫的第一選擇 幾乎所有的筆記型電腦或是PDA 手機等資訊 用品上 都可以很容易發現到紅外線通訊埠的設備 事實上 早在 IA產品問世之前 我們家裡最常見的電視機遙控器就是利用紅外線 和電視溝通 以下是紅外線的四種特性 1.傳輸距離短 2.易受阻隔 3. 價格便宜 4.保密特 性 131
9.1 無線傳輸的媒介 二 雷射 laser 雷射的原理是物質在受到能量的激發時 原子中的電子會因為吸收能 量而到較高電位的軌道 但是呈現不穩定的狀態 而必須釋放出能量 以恢復到原來的位置 這些釋出的能量以光的形式呈現 透過物理裝 置而持續累積到一定的程度 並以光束的方式產生時 便是我們所說 的雷射光 雷射光具有高能量 單一波長及直線前進不易發散等特 質 相當適合利用在需要進行長距離傳輸部份的無線網路 132
9.1 無線傳輸的媒介 以無線電波作為媒介的無線網路 在前面我們提到了以光為作為傳播媒介的無線網路特性 這邊要介紹 另外一種是用 無線電波 作為媒介的無線網路 事實上 目前大部 份的無線網路都是架構在無線電波傳輸的技術之上 理由從前面介紹 光的地方 或許讀者已經能夠窺知一二了 1.無線電波的穿透力遠大於光的穿透力 在有眾多障礙物的地方 以光進行傳送會遭遇很大的困難 而無線電波無疑是較佳的選 擇 2.透過光進行的通訊傳輸 兩組設備必須在一定的範圍內 以及特 定方向 面對面 才能達到有效的傳送 接收 相較之下 無線 電波不須特定方向 全方位的性質 可以降低這部份的施工成 本 133
9.1 無線傳輸的媒介 在兩者互相比較之下, 無線電波的傳輸顯然較適合使用在無線區域網路上 無線電波的頻率範圍相當廣, 也因為頻率的相異, 所以有各種不同的傳輸方式 主要的傳輸方式可以分成四種, 天波傳輸 地表波傳輸 視距傳輸和散射式傳輸 當然, 當電波被發射出去之後, 它傳輸的方式不會只有固定一種, 但最主要的方式是不會變的 134
9.1 無線傳輸的媒介 一 天波傳輸 此種方式是最常見到的無線電波傳輸方式 發射天線朝天空發射電波 之後 在大氣層中的 電離層 將電波反射 透過反射使得訊號可以 傳送到接收端 二 地表波傳輸 顧名思義 無線電波沿著地表進行傳輸 隨著距離而進行衰減 若頻 率較低 則傳輸距離較遠 而頻率較高的話 距離也較近 這和低沈 的聲音往往比高亢的聲音傳的較遠 意思是一樣的 135
9.1 無線傳輸的媒介 三 視距傳輸 這種傳播是定義在較短的傳輸上 通常兩點之間 亦即發射端和接收 端之間 距離較短 在可以見到的範圍之內 而電波的傳輸以直線為 主 四 散射傳輸 無線電波如同光一樣 也有散射的狀況產生 散射傳輸就是利用無線 電波在大氣層的對流層和電離層之間 產生散射的作用以進行傳輸 傳輸距離可以相當遠 普遍用來進行遠距離的無線通訊 136
9.1 無線傳輸的媒介 無線電的頻段 無線電波的頻譜很寬, 但是任何一個波段都是相當重要而且珍貴的 我們在使用時為了對不同的波段進行區分起見, 依照了波長的不同, 分為超短波 短波 中波 長波 超長波這幾個波段 而在劃分這些波段時, 主要是考慮到不同無線電波在產生及傳播時所擁有的不同特性, 來進行不同範圍的應用 正如大家所熟知的公式, 波長 = 速度 / 頻率, 若速度不變, 則頻率與波長成反比的關係, 所以習慣上無線電波也可以使用頻率的方式加以表示, 下面是交通部電信總局所公佈, 關於無線電波頻率的劃分及特性, 其中絕大部份的頻段都受到政府的管制, 所以在資源有限的狀況下, 一般區域無線網路所使用頻段都設定在 ISM 2.4G 左右 以無線電波為傳輸媒介的技術有 IEEE 802.11 藍芽 微波通訊 HomeRF 及 HiperLan, 我們將於下面幾節為各位介紹 137
9.1 無線傳輸的媒介 頻率 頻率範圍 傳播的特性 用途 極高頻超高頻 30-300GHz 3-30GHz 也就是微波, 功率低 方向性高 屬於視距傳輸 行動電話 電視 衛星 無線電 特高頻 30-3000MHz 視距傳輸, 距離較遠, 呼叫器 無線電 調頻廣播 雷達 高頻 3-30MHz 天波傳播為主, 依靠電離層多次反射傳輸 長距離通訊 短波廣播 無線電 中頻 300-3000kHz 天波與地表波並行, 受到季節及日夜影響 航空航海通訊 低頻甚低頻 30-300kHz 3-30Khz 沿地表傳送電波, 衰減小, 距離遠 航海通訊 長距離通訊 表 10-6 頻段劃分與傳播特性及用途 138
9.2 無線區域網路 (WLAN) 無線區域網路 (Wireless Local Area Network) 的標準由 IEEE ( 電機電子工程師協會,The Institute of Electrical and Electronics Engineers) 所制定,IEEE 於 1990 年 11 月召開了 802.11 委員會開始擬定相關議題, 直到 1997 年, 才正式提出了 802.11 的標準 在 802.11 中, 定義了無線網路在 OSI 七層中的實體層與資料鏈結層中媒體存取控制子層 (MAC) 的規範 透過展頻碼進行展頻的技術 139
9.2 無線區域網路 (WLAN) 展頻技術 頻段是有限的, 而為了因應干擾及保密需求,802.11 運用了展頻技術, 來克服前面提到的相同頻段之間, 不同設備互相干擾的問題 展頻是在二次大戰中, 軍方所使用的技術, 目的是要求在惡劣的通訊環境下, 所送出的訊號依舊能夠抗干擾和不易被偵測出來, 達到足夠的穩定和保密性 在這種技術的前提下, 展頻過後的訊號對於非特定的訊號接受器而言, 只是無法解析的雜訊, 因此較為安全 140
9.2 無線區域網路(WLAN) 展頻技術主要又可以分為兩種分式 跳頻( Frequency-Hopping Spread Spectrum FHSS) 直接序列展頻( Direct Sequence Spread Spectrum DSSS) 跳頻展頻運用在不同頻道間以跳躍的方式傳送訊號 141
9.2 無線區域網路(WLAN) 跳頻展頻 (FHSS): 跳頻展頻技術是在同步的狀態下 發送與接收兩端以特定的窄頻載波 來傳送訊號 它所展開的訊號是設計作為避開雜訊 對自己而言 其 他設備的訊號就是雜訊 的用途 所謂 跳頻 的意思 就是將一塊 83.5MHz 的頻段區間 切割成 75 個以上 每個頻寬約1MHz 的狹窄 頻道 然後無線設備必須每隔一段時間 將發送中的訊號 從這些狹 窄頻道中的某一個頻道 跳躍至另外一個頻道繼續發送 以持續與接 收端傳遞資訊 這種技術稱之為頻率位移鍵 ( Frequency Shift Keying, FSK ) 142
9.2 無線區域網路(WLAN) 直接序列展頻(DSSS) 直接序列展頻利用10個以上的展頻碼(Spreading code)與原始的傳輸 訊號進行運算 將原來代表1或 0的訊號展開變成數倍頻寬的訊號 可 以讓原來高功率但頻寬較窄的訊號 變成低功率但頻寬較寬的訊號 甚至可以造成低於背景的雜訊 如果遭到干擾或竊聽 就不容易判斷 原先的訊號 此稱為改變載波相角的相位位移鍵 Phase Shift Keying, PSK 技術 展頻碼的數量可以進行調整 較高的展頻碼可 以增加抗雜訊的干擾 較低的展頻碼可以提供較多的連線訊號 IEEE 802.11的直接序列展頻是利用11-chips展頻碼 又稱虛擬噪音 碼 而所有現行的無線區域網路的產品 所使用的展頻碼幾乎都小於 20 雖然這種展頻方式可以擁有自行除錯的功能 而且受到干擾時 容忍的程度也較強 但是若遇到像微波爐時這種使用較高頻寬的設 備 就會造成很明顯的通訊失敗問題 143
9.2 無線區域網路 (WLAN) 直接序列展頻的編碼及傳送過程 直接序列展頻使用降低頻率和功率的方式傳送訊號 144
9.2 無線區域網路 (WLAN) 無線區域網路的網路架構 無線區域網路依網路連接的方式區分, 可以分成三種主要的網路架構 1. 對等式無線網路 (Ad-Hoc NetWork): 是最簡單的無線網路, 只要具有兩個獨立的無線網路設備, 便可以組成對等式的架構, 在這種架構下, 不需要無線的基地台 (AP), 每台機器之間都是以點對點的方式通訊, 各機器的地位都是相同的 對等式 (Ad-Hoc Network) 無線網路 145
9.2 無線區域網路 (WLAN) 2. 主從式無線網路 (Infrastructure Network) : 此種模式下, 必須有一個無線的基地台與其他的網路相連接, 以達成傳輸的目的, 而無線基地台扮演的是無線網路的主要控制者, 所以稱為主從式的無線網路 主從式 (Infrastructure Network) 無線網路 146
9.2 無線區域網路(WLAN) 3.無線漫遊網路( Roaming Network ) 兩個以上的無線網路區域 透過將無線基地台串連的方式而連 接 行動式個人資訊設備 像是筆記型電腦 PDA或是行動電話 等等 可以在相異的無線網路區域進行移動而訊號不會被中斷 這樣的架構稱之為無線漫遊網路 無線漫遊 Roaming Network 網路 147
9.2 無線區域網路(WLAN) IEEE 802.11相關標準 依照IEEE所推出的標準 大家較為熟悉的有802.11b 802.11a 和 802.11g三個定義到資料鏈結層和實體層的無線網路通訊協定標準 我們依序介紹如下 802.11b 事實上在1999年 現行的無線網路標準802.11b提出之前 還有一個 更早的802.11在1997年就已經被發表了 但是802.11的傳輸速度只有 2Mbps 這樣緩慢的速度只適合用在文字資料的傳輸 而且還僅僅只 是半雙工的傳輸而已 在推出的當時 各家公司網路產品並不相容 價格非常昂貴 導致802.11幾乎沒有人重視 148
9.2 無線區域網路 (WLAN) 802.11b 與 802.11 同樣使用 2.4GHz 的頻段, 採用直接序列展頻 (DSSS) 配合 CCK(Complementary Code Keying) 調變方式, 理想的傳輸距離可以到 100 公尺左右, 當 802.11b 被提出之後, 受到 WECA(Wireless Ethernet Compatibility Alliance) 的大力推廣, 支援的設備種類不斷增加, 而時間上又恰好趕上這一波行動式個人資訊設備的普及, 以及筆記型電腦價格的大幅下滑, 所以自然而然的很容易被使用者接受 因為這些設備只要購買無線網路卡或是內建無線網路的設備, 就能在無線基地台的訊號涵蓋範圍內連上網際網路, 滿足了高度行動使用者的需求, 於是 802.11b 的產品數量推出的相當快速, 一時之間百家爭鳴, 形成無線網路的主流 149
9.2 無線區域網路 (WLAN) 標準的 802.11b 可以達到 11Mbps 的傳輸速度, 然而先天不足的依舊只是半雙工的傳輸, 所以實際上等同約 5.5M 的全雙工傳輸率 相較於現在有線網路卡可以支援的 100Mbps 甚至 1Gbps 的速度, 仍然有一段不小的差距 另外無線網路所使用的頻寬有共享的特性, 所以 11Mbps 還必須被所有的使用者共享, 一旦使用者增加的時候, 速度自然就因頻寬被瓜分而降低 在設計之初, 為了要確保資料傳輸的穩定性, 所以加上了一些資料的控制位元, 這些額外的流量若在同個範圍的使用者超過 10 位以上時, 有明顯拖垮速度的情況發生, 降低傳輸的效率 150
9.2 無線區域網路 (WLAN) 除了上述的傳輸速率太慢的問題, 另外一個被人質疑的也就是無線網路的安全性 因為現有的保密機制過於薄弱,802.11 以 RC4 技術為加密法則, 使用 40 位元的 WEP( Wired Equivalent Privacy ) 進行資料加密, 另外還須加上 ACL(Access Control Table) 使用 OSI 第二層中的 MAC(Media Access Control) 子層, 確保受到認證的電腦才能使用無線上網 這些傳輸的保密機制是否足夠呢? 我們可以從 802.11b 接受度來比較, 無線網路在家庭環境中的接受度, 似乎遠比需要高度保密的辦公室環境中來的高些 151
9.2 無線區域網路 (WLAN) 什麼是 WECA : 為了促進 IEEE 802.11b 的無線網路產品能夠被廣泛的使用,3Com Nokia Lucent 等通訊設備大廠共同成立 WECA(Wireless Ethernet Compability Alliance) 聯盟, 主要目的就是在促進各家產品的相容 他們委託 SVNL (Silicon Valley Network Lab) 實驗室進行每個廠商之間的產品相容性的測試, 產品在通過測試之後, 都會給一個 Wi-Fi 的認證, 確保消費者在使用產品時, 不會發生無法互通的問題 WECA 在 2000 年 3 月之後, 開始發放 Wi-Fi 的認證 152
9.2 無線區域網路 (WLAN) 雖然有一些問題沒有解決, 但是 802.11b 仍然相當受到歡迎 現在推出的產品數量種類眾多, 使得無線網路的晶片價格相當的低, 只要區區兩三千元就能購買到不錯的無線網路卡, 而具有樞紐功能的 AP 無線基地台也不過三四千元, 使用者想要架構一個基本的無線網路並不需要花費太多金錢 802.11b 規格的無線基地台 802.11b 規格的網路卡 153
9.2 無線區域網路 (WLAN) 802.11a 由於 802.11b 的傳輸速度僅 11Mbps, 再加上在同一個網路環境中, 只能支援到最多 3 個非重疊的頻道, 因此曾經有業者推出一個使用 PBCC (Packet Binary Convolutioal Coding) 技術的加強方案, 稱之為 802.11b+, 傳輸速度可以到 22Mbps, 而且相容於原本的 802.11 然而這個方案是單一廠商所提出的, 所以接受度不高 154
9.2 無線區域網路 (WLAN) 為此,802.11a 推出之後, 被視為解決 802.11b 眾多問題的最佳方案 802.11a 是全新的無線網路標準, 它並沒有像 802.11b 一樣, 使用 2.4G 的頻段, 而是直接跳到 5GHz 的範圍, 大大降低在擁擠的頻道中進行傳輸時, 被其他雜訊所干擾的機率 802.11a 採用的是跳頻展頻 (FHSS) 技術, 在 5GHZ 的頻段中, 分布範圍是 5.725GHz 到 5.850GHz, 在這範圍中大約有 125MHz 的頻寬可以使用, 而在調變上, 採用的是 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; 正交劃頻多工 ) 的技術,OFDM 是一種資料編碼的技術, 利用在不同頻段同時傳送資料以增加傳輸速率, 所以 802.11a 速度高達 54 Mbps 的半雙工速率, 距離則支援至 50 公尺 155
9.2 無線區域網路 (WLAN) 因為跳過了 2.4G 的公用頻段, 所以在干擾降低的情況下,802.11a 可以提供相當好的訊號傳輸品質, 這是企業所非常需要的 也因為這個特性, 所以 802.11a 適合作為無線基地台的骨幹部份, 各基地台之間利用 802.11a 進行連線, 而讓使用者端使用 802.11b 的 2.4G 連線, 這樣可以保障後端的主要連線不受影響 然而, 完全與 802.11b 無法相容, 卻也是 802.11a 最大的致命傷 使用者若要從 802.11b 進行升級時, 必須重新購買所有的設備, 再加上 802.11a 在設計之初, 就規劃為企業用途, 所以各種功能就是以企業的用途為主要考量, 這樣的考量讓 802.11a 的單價始終無法有效降低 目前有廠商提出新的方案, 讓 802.11a 的高頻及乾淨不受干擾的特性, 還有它將近 5 倍於 802.11b 的傳輸速度, 利用在 DVD 高品質影音傳輸上, 這樣是不是能夠讓 802.11a 找到很好的發展方向, 並讓整體成本降低呢? 讓我們拭目以待 156
9.2 無線區域網路 (WLAN) 最後要提到的, 因為每個區域所開放的 5GHz 的範圍並不相同, 所以 802.11a 在使用上就會受到極大的限制 在鋪設網路時, 必須先查證當地的頻段開放情況, 以避免與其他利用 5GHz 的設備產生衝突 我們前面所提的標準, 也就是 WECA 提出的 5.725-5.85 之間的頻段, 是北美州地區所使用的頻段, 只能針對特定開放的區域有用, 所以如果要在其他地區使用, 就得要廠商自行針對該地區進行驗證 157
9.2 無線區域網路 (WLAN) 802.11g 802.11g 標準可以說是目前最熱門也最受期待的方案 因為 802.11a 的提出, 竟然發生了價錢昂貴以及與 802.11b 完全不相容, 較不易為一般使用者所接受的窘況, 所以怎樣利用現在的 2.4GHz 公用頻段, 有效的提升速度, 也是大家所關注的 802.11g 在這方面達到了要求 它讓使用者在不改變頻段的狀況下, 達到了 54Mbps 半雙工的高資料傳輸速度, 但是因頻道的寬度相同, 所以跟 802.11b 一樣, 只能使用 3 個非重疊的頻道 它使用 OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing ) 的調變方式, 為了相容於 802.11b 的環境, 所以也同時支援 CCK(Complementary Code Keying ) 調變方式 158
9.2 無線區域網路 (WLAN) 802.11g 本身完全與 802.11b 相容, 所以使用者不必擔心在升級時, 還需花費大量的金錢, 而且目前有眾多的設備廠商都大力支援, 使得 802.11g 的前景被看好, 甚至有不少人預期 802.11g 可能會超越 802.11a, 成為新一代的無線網路使用標準 目前在廠商的定價策略上, 因為主打家庭用戶部份, 所以定價比 802.11b 的設備僅僅高出一點點, 讓一般的消費者可以接受部份的差價, 跳過 802.11b 而直接購買 802.11g 的設備 159
9.2 無線區域網路 (WLAN) 802.11g 目前最大的缺點, 就是規格尚未完全定案, 所以現在各家廠商的產品, 可能無法避免出現相容性的問題, 這個問題在混用設備時, 較為明顯 另外,802.11g 與 802.11b 共用 2.4GHz 的頻段, 所以若在同一個環境下混用, 會因為編碼不同, 而產生互相干擾的情況, 只有在單純的設備環境中才可能避免 這個問題或許可以在標準制定完備之後, 得到適當的改善 160
9.3 無線個人網路(WPAN) 藍芽 無線個人區域網路(Wireless Personal Area Network)標準是 由IEEE 電機電子工程師協會 The Institute of Electrical and Electronics Engineers 在1999年基於藍芽技術所制定 的802.15 802.15 WPAN屬於IEEE 802系列之一 負責定義 藍芽的媒介存取控制層與實體層 藍芽的起源 藍芽(bluetooth)的概念最早起源在1994年 由易利信最先提出 它原 本的設計構想是要用來取代紅外線這種周邊連線的方式 而不是與 802.11的無線區域網路競爭 因為紅外線有角度限制 易被遮蔽和距 離短的缺點 而且只能一對一傳送 所以如何將現在各式各樣電子資 訊產品間的線路簡化 以無線的方式取代有線的不便 並延長各樣設 備之間的使用距離 便是藍芽誕生的主要訴求 161
9.3 無線個人網路 (WPAN)- 藍芽 易利信的行動通訊部門為此研發出一種低成本的無線射頻收發技術, 它擁有體積小, 低耗電量的特性 這樣的技術讓兩個手機或資訊設備之間, 能夠使用無線來傳遞資料, 我們稱之為藍芽 此種技術比紅外線理想許多, 我們不需要使用線路將各式的筆記型電腦 手機和耳機, 甚至鍵盤 滑鼠等等互相串連, 得到最大的便利性 162
9.3 無線個人網路 (WPAN)- 藍芽 1998 年由 Ericsson Nokia Toshiba IBM Intel 共同發起並成立 ( Bluetooth SIG; Special Interest Group ) 的聯盟, 這個組織在創立之初只有五家廠商, 到 1999 年六月時, 加入了 Motorola 3Com HP Lucent Samsung Compaq 等通訊大廠, 成員也迅速的增加到 751 個, 目前加入藍芽聯盟的廠商已達 2 千多家 SIG 共同制訂出一種使用於短距離 ( 10m ) 低功率 ( 100mW ) 低成本應用的無線傳輸標準, 也就是藍芽的標準, 它是短距離無線傳輸的解決方案, 其目的是要整合資訊 娛樂 通訊及消費性電子設備, 成為一個完整的家庭無線網路 163
9.3 無線個人網路(WPAN) 藍芽 藍芽技術 跟802.11b相同 藍芽也是使用 2.4GHz的ISM公用頻段 採用調變技 術為跳頻展頻FHSS 與IEEE 802.11中提到的FHSS是很類似的 但 有個很大的差別在於 相對於802.11的每秒約四次的跳頻 藍芽使用 更快速的跳頻( 每秒跳躍 1600次 ) 在2.4GHz的75個頻道裡 找出干 擾最低 雜訊最少的未用頻道來使用 兼顧了傳輸的速度及品質 但 是因為藍芽是採用跳頻展頻(FHSS) 這對使用直接序列展頻技術 (DSSS)的設備 像是802.11的產品 影響很大 也就是說 如果FH 的產品(如Bluetooth)與DS產品(如IEEE 802.11b)在同一個網路環境 中 則802.11的傳輸過程中 可能因為受到藍芽的干擾 導致降低其 效能甚至是無法傳訊 164
9.3 無線個人網路 (WPAN)- 藍芽 藍芽最早是設計用來傳遞語音, 所以藍芽使用了 CVSD 語音編碼技術 ( Continuous Variable Slope Delta ), 而通訊方面, 則採用一種稱為分時多工存取 (TDMA) 的技術, 其最大傳輸速率約可達 1Mbps 與 802.11 不同的是, 在藍芽的規格裡, 制定了藍芽是由兩個角色所構成, 即發送端和接收端 這兩個組合在一起, 便可以讓裝置之間互相溝通 當搜尋到其他的藍芽裝置, 就能依裝置的屬性做單點對單點 (Peer-to-Peer) 或單點對多點 (Peer-to-Many) 傳輸 165
9.3 無線個人網路 (WPAN)- 藍芽 在單點對多點的情況下, 相異的藍芽設備還可以組成一個藍芽細胞網路 ( Piconet ), 最大可以同時擁有 8 個連線的藍芽裝置, 其中一個扮演 主控端 ( Master ) 的角色, 而其他裝置則相對的扮演為 被控端 ( Slave ) 但特別注意的是, 每個裝置又可以同時是其他細胞網路的成員 透過這樣的連線方式, 將所有藍芽裝置串在一起, 形成區域網路 因此藍芽的網路可以延伸出去, 而不受到限制 166
9.3 無線個人網路 (WPAN)- 藍芽 藍芽所使用的是 RF( 射頻 ) 傳輸方式, 使用頻繁的 2.4GHz 頻段, 這個頻段有相當多的電器用品在使用, 因此藍芽的另外一個理想是整合所有的無線網路標準, 讓藍芽的通訊協定可以應用在各樣的電器與電子裝置, 使得各裝置之間短距離內傳輸能夠通暢無阻 我們可以想見在未來的生活中, 只要一隻手機或類似的產品就可以取代一堆雜七雜八的裝置, 包括打開家裡的鐵門, 取代汽車的防盜器功能, 當作音響與電視的遙控器, 或是直接當作家裡的無線電話直接撥打 將這些功能整合在一起, 我們可以得到一個結論 就藍芽的實際應用層面來講, 藍芽技術可運用在三種範圍 : 電腦與周邊設備間的連結 個人無線網路的連結 ( Personal Ad-Hoc Networks ) 及語音 / 數據的接收傳送 167
9.3 無線個人網路 (WPAN)- 藍芽 目前藍芽的價格仍然偏高, 所以只能應用在較高階的通訊設備上, 期待有更多應用與技術的成熟, 能夠將藍芽推展到與生活相關的層次, 然而藍芽前有的高階紅外線的技術競爭, 後有 HomeRF 與 HiperLAN 的技術衝擊, 要能站出一片天, 還需要看各大廠商的表態才行 168
9.4 窄頻微波 HomeRF 與 HiperLAN 在本節我們將要介紹窄頻微波 HomeRF 與 HiperLAN 的技術, 其中窄頻微波已經行之有年, 但是因為種種限制所以不若 802.11 和藍芽熱門, 並且與一般的生活較無相關 而 HomeRF 和 HiperLAN 則是新近推出的無線網路標準, 這些技術分別受到大廠的支持, 而要與前面所介紹的 802.11 和藍芽一別苗頭 但是因為仍在研發的階段, 所以是否能為一般使用者接受, 很多部份仍是未定之數 169
9.4 窄頻微波 HomeRF與 HiperLAN 窄頻微波 這邊我們提的窄頻微波( Narrow Microwave )是透過無線電波媒介進行 傳輸的方式 它通常是應用在兩點之間的中長距離連結 與雷射應用 的場合接近 因為微波傳輸需要一個無遮蔽物的通道 所以發送端與 接收端之間 必須是在同一個視距內 並且中間不能有其他的阻礙 170
9.4 窄頻微波 HomeRF 與 HiperLAN 窄頻微波使用高頻率短波長的無電線波來傳送訊號, 頻帶約在 3-300GHz 之間, 因為它的性質非常容易受到外在因素的干擾, 所以通常都避開使用頻繁的公用頻段, 而使用特定一個區塊的頻段來傳送及接收資料, 為了避免不同頻道間的串音 (CrossTalk) 干擾, 所以將使用頻段的頻寬限制在一個非常狹窄的範圍之間, 如此一來不但可以降低干擾, 而且也能節省頻寬的耗用, 所以稱之為窄頻微波 171
9.4 窄頻微波 HomeRF 與 HiperLAN 窄頻微波通訊並沒有制定一個全球統一的標準, 所以各家廠商所研發的設備, 絕大部份都是獨立運作而無法相容的 也正因為如此, 微波通訊也不像前面所介紹的各種通訊協定來的普及 另外需要向政府單位申請通訊的頻段, 也是微波通訊較煩瑣的地方, 但若利用在頻段範圍內的公用頻段通訊, 干擾情況嚴重則是無法避免的 172
9.4 窄頻微波 HomeRF 與 HiperLAN HomeRF 擁有記憶 人性化功能的資訊家電, 一直是資訊產業亟欲開發的領域, 在未來數年間, 將有可能產生突破性的進展, 而資訊家電的通訊功能, 也將是無線網路的重要應用之一 如前所提到的藍芽, 便是以此概念為主軸, 進行各式家用設備的整合動作 除了藍芽外, 由資訊大廠, 如 Intel,Compaq 所支持的 HomeRF (Home Radio Frequency ) 技術, 也表態跨足家用及消費性電子的無線傳輸, 企圖在家庭內的無線網路環境市場中佔有相當的地位 由 HomeRF 組織 (HomeRF Working Group Inc.) 在 1998 年 12 月發起的 HomeRF, 不單單只是著重在單純資料的傳送上, 更擁有將一般類比語音整合的能力, 為價格低廉的無線設備, 提出一個較佳的解決方案 173
9.4 窄頻微波 HomeRF 與 HiperLAN HomeRF 可同時支援語音及數據資料的無線家庭網路, 除了區域網路架構中的電腦設備 ( 包含個人電腦 印表機 掃描器 影像裝置 ) 及手持式的資訊設備 ( 包含 PDA 筆記型電腦外 ), 更包含了娛樂設備 (DVD 音響 數位電視 電視遊樂器 卡拉 OK 獨立揚聲器 ) 及通訊設備 ( 室內無線電話 ) 資訊家電 ( 如電冰箱 冷氣機等可供遙控的設備 ), 這些設備透過 HomeRF 的無線電波可以達到互相連結目的 其中最令人期待的將是個人聲光娛樂設備的開發, 因為現在的設備多半需要透過線路連結造成鋪設的不便, 一旦能夠透過全面性的無線網路來進行連結, 則可以大幅降低線路鋪設的成本及提高空間的可利用性 Home RF 的概念, 是以家庭環境為主軸而發展出的無線區域網路 174
9.4 窄頻微波 HomeRF 與 HiperLAN HomeRF 建構在 SWAP(Share Wireless Access protocol) 的技術上, 採用類似跳頻展頻 FHSS 的模式傳遞無線電波, 而使用頻段也是在 2.4GHz 範圍的 ISM 公用頻段 目前依照應用的部份相異, 規格上分成速度較慢的 Home RF Lite Firefly( 傳輸速度約為 128Kbps 到 2M, 其傳輸的有效距離約為 10 公尺 ), 及較高速的 HomeRF Multimedia( 主要因應多媒體影音大量 高品質傳輸需求, 傳輸速率約為 10Mbps, 距離則可以達到 25-50 公尺 ) 但是因為使用跳頻展頻的技術, 所以對使用序列展頻的 802.11b 仍然會產生不小的干擾, 在同個小型環境中, 是不是能夠互相搭配尚屬問號 175
9.4 窄頻微波 HomeRF 與 HiperLAN 透過上面的介紹, 可以知道其實 HomeRF 和藍芽是互為競爭的對手, 與藍芽相比較,HomeRF 的傳輸距離較長,25 公尺的涵蓋範圍似乎非常適用於以家庭為主的無線網路, 另外 HomeRF 所傳輸的資料量較多, 這點較藍芽為優 而藍芽的定位則是因為它擁有低耗電和體積小的特性, 所以相當適合以快速移動為訴求的個人資訊設備, 或者是流量小, 較簡易的家庭通訊設備 ( 例如家用無線電話 ) 不過因為藍芽正朝向長距離及高傳輸速率發展, 而且支援廠商眾多, 如此一來, 也有可能逐漸取代 HomeRF 176
9.4 窄頻微波 HomeRF 與 HiperLAN Hiper LAN 另外一個更新的 HiperLAN 技術, 是由 ETSI(European Telecommunications Standards Institute, 歐洲電信標準協會 ) 所制定出來的高效率無線網路標準 目前這項技術被視為目前無線網路中最先進的技術 由歐洲電信標準協會所發展出一系列 BRAN(Broadband Radio Access Network, 寬頻無線電存取網路 ) 的無線網路網路規範中, 共包含了四項技術 : 177
9.4 窄頻微波 HomeRF 與 HiperLAN 1.HiperLAN1 使用於高速的無線區域網路 2.HiperLAN2 是繼 HiperLAN1 之後被發展出來, 使用於更高速的無線區域網路 3.HiperLink 主要是使用在室內無線網路環境中的骨幹部份 4.HiperAccess 則是用於室外環境中, 對有線的通訊設備, 提供固定的無線連接方式 這個系列之中最早被提出的是 HiperLAN1, 它與 802.11 不同的地方, 則是它使用 GMSK 的調變方式, 與 GSM 行動電話以及 CDPD 相同, 另外它也採用了 CSMA(Carrier Sense Multiple Access) 技術 178
9.4 窄頻微波 HomeRF 與 HiperLAN HiperLAN 的各式技術應用範圍 179
9.4 窄頻微波 HomeRF 與 HiperLAN 而在 HiperLAN2 中的調變方式則採用 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 技術, 在語音訊號的處理方面則採用 DECT( Digital European Cordless Telephone ) 技術, 在調變技術上是新的突破, 也因此提高了無線傳輸的速率 其中 HIPERLAN 2 在傳輸上使用稱之 Wireless ATM 的技術 因為 Wireless ATM 所應用的技術類似 ATM, 所以大部分人也將 HiperLAN 視為無線網路的 ATM 另外同樣的, 為了避開 2.4GHz 的壅塞頻道,HiperLAN2 也突破目前無線區域網路在此頻段的限制, 可以在 5GHz 的頻段使用 我們所知道的大多數無線網路設備都使用 2.4GHz 的頻段, 也知道其缺點是在此頻段只有約 80MHz 的頻寬能夠使用 因應這一頻段的使用已逐漸擁擠, 大多數國家都考慮要開放 5GHz 的頻段來供其他的無線網路設備使用 除此以外,HiperLink 更可以使用在 17GHz 的頻段 180
9.4 窄頻微波 HomeRF 與 HiperLAN 規格 802.11 除了提高 HiperLAN 的傳輸速度到達約 54MB 之外,HiperLAN2 也提供連線的控制像是 QoS(Quality of Service), 另外它可以跟其他現有的有線網路類型, ( 例如乙太網路 ATM 或 PPP 連線等 ) 相連接 並且針對每一種連接都可以提供安全 加密及頻寬的有效管理 調變技術傳輸速率傳輸距離頻段範圍制定單位 FHSS/DSSS/IR ~2Mbps 10M 2.4GHz 各式無線網路的比較表 IEEE 802.11b DSSS 11Mbps 100M 2.4GHz IEEE 802.11a ODFM 54Mbps 100M 5GHz IEEE 802.11g ODFM 54Mbps 100M 2.4GHz IEEE BlueTooth FHSS ~1Mbps 10M 2.4GHz BlueToothSIG HomeRF(2) FHSS ~10Mbps 50M 2.4GHz HomeRF WG HiperLAN2 ODFM 54bps 100M 5GHz ETSI 181
10 行動通訊 目前的通訊產品大致上可以分為兩類, 分別是有線寬頻以及行動通訊 ( 又稱為無線通訊 ) 在無線通訊的領域中, 又以 GSM(Global System for Mobile Communications) 泛歐式數位行動電話系統最為熱門, 是第二代行動通訊的代表性標準 182
10 行動通訊 台灣在 1997 年開放行動電話市場之後, 已經將過去中華電信一家獨佔的局面打破, 而開啟行動通訊的戰國時代 目前的系統服務提供商共有台灣大哥大 遠傳 和信 東信和泛亞共五家民營公司, 在激烈競爭下的結果, 短短的數年之間, 根據交通部電信總局的資料, 在 2002 年台灣人所擁有的門號, 已經達到 2300 萬門左右, 與人口相比, 幾乎達到人手一機的比率, 還有更多人是擁有兩隻以上的門號與話機, 很顯然的, 行動通訊深深影響了一般人的生活習慣, 漸漸融入了現代的社會之中 除此之外, 目前在台灣的行動電話系統還包括 PHS, 但是因為 GSM 的起步較早, 所以佔有率較廣 183
10.1 GSM GSM 系統可以分成 GSM900 GSM1800 和 GSM 1900 等三種, 也就是泛稱的三頻 其中歐洲地區主要使用 GSM900 和 GSM1800, 而 GSM1900 主要的使用地區則是在北美地區 這些規格主要的不同就是在於使用頻率 訊號搭載的頻率越高, 因為頻寬加大, 所以可以容納的通話量也就相對的較大, 只是在通訊過程之中, 衰減的程度也就越嚴重 184
10.1 GSM GSM通訊標準的建立 GSM行動系統起源於歐洲 在1980年代初期 當時有很多國家已經使 用了Cellular蜂巢的類比式通訊系統 包括有北歐的芬蘭 瑞典 挪威 和丹麥所使用的NMT Nordic Mobile Telephone 德國所使用的CNetz系統以及英國的TACS ToTal Access Communication System 其他也有些使用AMPS Advance Mobile Phone Service 系統 台灣早期也是使用AMPS的類比式通訊系統 但是類比式系統有很多不便的地方 包括通話容量有限 無法應付太 大的通話量負荷 而且因為傳輸過程採用類比的方式 不但容易受到 雜訊干擾 也因為直接傳遞語音訊號 未經適當的加密與解密 所以 容易被人攔截竊聽 最重要的 是因為各國的系統彼此之間並不相 容 個別的廠商只發展自己的技術 結果使得產品無法全面性的生 產 不管是通訊系統的設備或是手機本身 價格都非常昂貴 185
10.1 GSM 有鑑於此, 在 1982 年, 歐洲的 CEPT(Confenence of European Postal and Telecommunication) 著手制定 GSM, 將 GSM 制定為一個通用的標準 CEPT 後來在 1989 年時, 被 ESTI( 歐洲電信標準組織 ) 併入, 成為一個委員會 它旗下的各委員會分頭制定相關的標準, 包括對於無線訊號的處理方式 網路架構以及系統管理等部份 後來這一些標準陸續被各國的電信業者採用, 形成了跨國的通訊標準, 也奠定了可以國際漫遊的基礎 186
10.1 GSM GSM 是為了改善過去類比式行動電話的缺點而設計, 它針對了傳輸 運作 與通話功率做出了調整, 針對移動間的發射訊號也提出良好的解決方案, 大大的改善過去通話品質不良的問題 GSM 最主要是利用一個 SIM (Subscriber Identity Module) 卡片,SIM 卡擁有獨立的識別碼, 並將使用者的一些資料存在卡片裡面, 與話機本身分開 話機在開機的時候, 便由 SIM 卡上的資料, 向基地台進行登錄的動作, 並且在移動時, 隨時將新的位置回報給基地台, 以進行更新 如果在移動時, 因為距離或是干擾等因素, 讓原先負責傳訊的基地台所提供的通訊品質下降, 它便會自動的將通話連線轉到另外一個品質較好的基地台, 而不會斷訊 這一項在不同基地台訊號範圍間移動時仍不會斷訊的設計, 就是 Handover( 通話交遞 ) 這個特性會讓 GSM 手機自行搜尋在環境中訊號最強的基地台, 並且與之連線, 可以降低手機本身的功率損耗 187
10.1 GSM GSM相較於過去的類比式行動電話 擁有下列的優點 1.通話容量增加 因為傳統的類比式行動電話是以FM的調變方式 所以訊號極易受 到雜訊的干擾 而且在通話的總容量上有限制 GSM的數位式行 動電話是將收到的語音取樣之後 化成數位訊號 並且採用TDMA 的多重存取介面 使得傳送過程更有效率 不但在同樣的頻寬上 通話量可以增加 並且透過數位傳遞可以有效降低雜訊的干擾 188
10.1 GSM 2. 擁有國際漫遊的功能 : 許多大廠的通訊系統都依照同樣的 GSM 規格發展, 因此很容易就能達成國際漫遊的理想 現在因為世界上多數國家都使用 GSM 系統, 只要當地的系統商有簽訂相關的服務合約, 就可以一隻手機在很多地方使用 189
10.1 GSM 3. 通訊安全性提高 : GSM 通訊在安全性的要求上, 較早期的類比式行動電話高出很多 當它接受到訊號, 首先會經過編碼然後處理再以無線電波傳送出去, 而接收端接收到訊號, 則必須經過解碼的動作, 才能還原成原先的語音訊號 這樣一來即使被有心人士擷取, 也無法輕易獲取中間的通話內容 190
10.1 GSM 4. 增加數據傳輸功能 : 過去的類比式行動電話只能單純的傳送語音訊號, 而 GSM 則提供了數據資料傳輸的功能, 可以提供 9.6kbps 的傳輸速率, 其中大家都很熟悉的就是 SMS(Short Message Service) 簡訊功能, 另外透過數據傳輸還可以進行撥接 收發傳真等服務, 開創了手機加值的新世紀 191
10.1 GSM GSM系統架構 GSM系統的架構 主要由很多子系統所組成 包括MS Mobile Station 行動台 BSS Base Station System 基地台 SS Switching System 交換機和OMS Operation and Maintenance System 操作管理子系統 GSM系統示意圖 192
10.1 GSM 1.MS 行動台子系統 : 行動台子系統, 泛指讓使用者持有進行通訊的設備, 也就是我們看到的手機, 當然也包括車用的手機 這些子系統使用一張 SIM 卡, 以上面記載的識別碼作為身分確認之用 2.BSS 基地台子系統 : 基地台子系統包含兩個部份, 一個是與實體有關的 BTS(Base Transceiver System) 作為與行動台子系統互相聯繫的通道, 它負責將訊號進行收發, 提供實體層和資料鏈結層的介面, 包含了一般我們看到基地台的天線和連接線路 另外一個稱之為 BSC (Base Station Controller), 顧名思義, 它扮演了基地台中的主控角色, 包含訊號和交換系統的路由部份, 還有頻道的分配控管以及負責手機在相異基地台通訊範圍的通話交遞工作 193
10.1 GSM 3.SS 交換機子系統 : 此交換機在 GSM 中扮演著最忙碌也最重要的角色, 它主要是以實體的交換機和各式儲存不同資料的資料庫所構成, 當使用者一開機與 GSM 系統進行通訊時, 它便要進行身分驗證, 或是在通話 待機中時, 主動聯繫搜尋基地台, 以便讓手機可以使用漫遊的功能 4.OMS 操作管理子系統 : 操作管理子系統是整個通訊架構的中樞神經部份, 這個系統讓網路管理者可以掌控整個通訊過程, 進行最適當的管理 良好的 OMS 子系統, 能夠讓整個通訊系統的運作更有效率, 在出現錯誤時能夠迅速的加以恢復 以上這些不同的子系統構成了一個完整的通訊架構 194
10.2 GPRS GSM 超越了過去的類比式行動電話系統, 除了我們之前提到的通話容量提高 降低通話干擾 能夠國際漫遊及提高通訊保密性之外, 其實較為人所詬病的是數據傳輸的速度太過緩慢, 單單僅提供 9.6K 的傳輸速率遠比家裡的數據機撥接上網還慢的很多, 所以實際的使用上並沒有想像中的便利 195
10.2 GPRS 在2001年 ETSI制定了phase2+的通訊技術標準 其中就包 含了一項稱之為GPRS的通訊技術 GPRS全名為General Packet Radio Service 也就是我們俗稱的2.5G 不是 3G 它是在2G與3G之間一個過度性的功能升級標準 在 GPRS的規範中主要定義了兩項延伸功能如下 單點之間的數據傳輸 也就是Point to Point的傳輸方式 包括了封包傳輸時所進行的加密 方式 網路識別碼的定義 以及封包資料量的收費方式 單點對多點的數據傳輸 單點對多點可以應用在多接收者的簡訊以及電子郵件 並且定義 GPRS在多媒體的服務中 傳送聲音與影像的多種規格 以及國際 漫遊的標準 196
10.2 GPRS 這些標準隱隱約約的透露出 GPRS 的角色 有許多人認為 GPRS 是 GSM 的下一代系統, 其實這是不正確的觀念 GPRS 架構在 GSM 的系統之上, 因為過去的 GSM 所使用的是電路交換技術, 在獨佔線路的情況下, 讓數據資料的傳送速率無法有效提高, 為了改善這些數據傳輸的效率, GPRS 以一種封包交換資料形態出現, 藉由這種資料形態的改變, 可以逐漸有效提升電路交換的網路系統效率 在封包交換的傳輸形態中, 它的交換速率可以提升到 100kbps 以上, 已經遠遠勝過 GSM 的 9.6K 197
10.2 GPRS 因為是用封包的方式來傳送語音和數據資料, 所以 GPRS 的內部就如同傳統的網路一樣, 是以 IP 的概念, 作為辨識每個設備的依據 至於這樣的概念, 是怎樣建構在 GSM 之上呢? 因為是由 GSM 系統所衍生出來, 所以可以透過升級的方式升級到 GPRS, 它只要在交換機的設備之後, 再加入 SGSN(Serving GPRS Support Node) 和 GGSN (Gateway GPRS Support Node) 兩個網路設備節點就可以了 這兩個網路設備扮演路由器的角色, 負責將 GPRS 傳送過來的數據封包進行交換與過濾, 並且與其他的 ISP 相互連接 198
10.2 GPRS 不過就像當初從 1G 升級到 2G 中產生的問題一樣, 目前的 GPRS 通訊標準已經逐漸制定完備, 而且各家大廠都已經逐漸完成 GPRS 網路和各種加值的服務, 但是跨網路之間的傳輸仍然出現一些不正常的問題, 各家的系統設定也不見得能夠相容, 使用者無法像挑選 GSM 手機和門號一樣的方便, 顯然 GPRS 還有一段相當長的路要走 GPRS 子系統示意圖 199
10.3 3G 第二代的數位式行動通訊 ( 如 GSM) 發展已經逐漸成熟, 然而 21 世紀的資訊爆炸, 傳輸速度不能有效的提升, 已經成了行動通訊在 質 與 量 向上提升的瓶頸 GPRS 系統在此時適時推出, 被寄望可以解決這個問題, 但很可惜的, 它的速度仍然不能滿足多媒體影音的需求, 只能被歸類於 3G 之前的過渡時期產品 ( 又稱為 2.5G) 200
10.3 3G 3G(Third Generation)是 第三代 行動通訊的簡稱 其最大 的特色就是將網際網路與行動通訊做緊密的結合 而且有效 克地服了過去的速度瓶頸 可以高速存取網際網路上的資 料 但是3G真正的意義並不只是侷限在高速傳輸而已 它還提高了使用者 的便利性 以及將資料的取得和傳送轉為高度機動性 怎麼說呢 透 過3G 我們能夠隨時隨地的連接上網際網路 並且使用不同的媒介包 括手機 PDA 影像電話 資訊家電 公用資訊站等個人或是公共的 資訊設備與網路互連 並且透過這些設備查詢生活資訊 休閒娛樂 商務 交通狀況等資訊 而不再只能坐在電腦前才能享受這些高品質 的服務 201
10.3 3G 直到目前為止,3G 對各家廠商仍然是一個很大的挑戰, 包括硬體設備的更新, 佈建網路的工程, 昂貴的執照費用, 還有使用者的接受度等, 喊了數年的口號仍有很多未定變數需要解決, 頗有只聞樓梯響, 不見人下來的窘況 這說明了其實 3G 最主要的問題已經不在技術的層面, 而是在經濟與政治等的問題考量 202
10.3 3G 許多業者對於使用者接受度和獲利狀況的疑慮, 將會影響到 3G 網路的佈建速度 2001 年日本 DoCoMo 在東京地區佈建全世界第一個 3G 網路, 想要以 3G 來取代 I-mode 商品, 但是短期之內要回收成本仍然困難, 必須依靠使用者信心的建立和推廣的狀況才能決定 3G 的未來 Sony Erisson 的 3G 手機 203
10.3 3G 3G 的產品開發, 現階段以應用 攜帶最為方便的手機為主, 但是相信在未來的數年之間, 其他的產品也即將陸續問世 透過 IP 封包交換的核心技術,3G 可以讓使用者保持對網路的連線, 就像是使用電腦上網一樣 透過持續連線, 網路即時傳輸 ( 像 ICQ 或 MSN) 將可以保持在最新的狀態, 電子郵件也可以在第一時間內送到收件者的手機上而不必擔心有延誤的問題 當然, 除了開始傳送資料, 否則這樣的連線狀態是不收費的 另外,3G 可以讓使用者同時享受多重連結, 譬如一邊查詢生活資訊, 一邊聽取廣播, 一邊還可以下載優惠卷等, 與一般消費者的電腦使用習慣接近, 相信在不久的未來, 有很大的機會能夠融入生活之中 204