【基本網路常識解說】

方格發表於 2012-10-9 16:29:23

【基本網路常識解說】
 
何為區域網路和高速網路:
 
電腦網路可依其所涵蓋的地理範圍大約分為三類：區域網路(Local Area Networks, 簡稱 LAN)、大都會網路 (Metropolitan Area Networks, 簡稱 MAN)、及廣域網路 (Wide Area Networks, 簡稱 WAN)。
 
 區域網路通常指涵蓋範圍在 5公里之內的網路，常見的區域網路如 IEEE 802.3 Ethernet、IEEE 802.4 Token-Bus、IEEE 802.5 Token-Ring等等。
 
大都會網路通常指涵蓋範圍在 50 公里內之網路，例如一個都會城市可以鋪設一個或數個大都會網路。
 
常見的大都會網路如 IEEE 802.6 DQDB (Distributed Queue Dual Bus) 網路。 
 
廣域網路則泛指涵蓋範圍在 50 公里以上的網路。
 
這種網路因為涵蓋範圍較大因此通常是由電信單位（如國內之交通部電信總局）所提供。
 
常見的廣域網路如「分封交換數據網路」(Packet Switched Data Networks)、「整合服務數位網路」。
 
(Integrated Services Digital Networks, 簡稱 ISDN)、「寬頻整合服務數位網路」
 
(Broadband Integrated Services Digital Networks, 簡稱 B-ISDN)。 
 
Internet 由於將全球大部分之廣域網路、大都會網路、及區域網路整合在一起因此可以說是一個超級的廣域網路。
 
為了因應多媒體時代的來臨，個人電腦及工作站在硬體及軟體上都有長足的進展。
 
但是隨著多媒體電腦的普及，傳統的區域網路已經漸漸的無法應付需要相當程度服務品質的多媒體通訊。
 
例如視訊及音訊都需要即時的傳送以便接收端能在時效內播放，而到 WWW 讀取圖片或視音訊則需要大量的頻寬。
 
高速區域網路於是在此種需求下因應而生。
 
較為成熟的高速區域網路有 FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 網路，而逐漸成熟的高速區域網路則有 Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM (Asynchronous Transfer Mode) 網路等等。
 
 
1. 區域網路:
 
一個電腦網路應該有一套網路作業系統(Network Operating System, 簡稱NOS)，其負責管理網路上的硬體資源（如電腦本身、列表機、繪圖機、或通訊設備等）和軟體資源（如各種視訊、音訊、程式、檔案、資料等），使得經由網路連結起來的電腦能夠充分發揮整體的功能。
 
網路作業系統也要提供一個友善而且方便的介面給使用者。使用者只要和網路作業系統溝通，便可以使用網路上的各種資源而不必知道這些資源在什麼地方。
 
網路作業系統可以和電腦之作業系統 (Operating System,簡稱OS) 共存。
 
平常使用者僅利用電腦之作業系統來執行各種工作，有需要時則利用網路作業系統來與其他電腦溝通。
 
目前有些作業系統（如 Windows NT, Windows‘95, OS/2 等等) 更將網路通訊軟體直接內建為其基本功能。
 
國際電機電子工程師協會(Institute of Electrical,Electronics, and Engineering,簡稱IEEE) 
 
曾經對區域網路給過以下的定義：區域網路是一個通訊系統，它允許適量彼此無關的電腦在適當的範圍內以適當的傳輸速率進行直接的通訊。
 
"A LAN is a data communication system allowing a number of independent devices to communicate directly with each other, within a moderately sized geographic area over a physical communications channel of moderate data rates."
 
換句話說，區域網路的定義可以下列四點做為參考：
 
彼此無關的電腦設備(Independent devices) 。
 
區域網路應該允許不同廠牌，不同硬體系統，甚至不同作業系統的電腦連結在一起。
 
直接通訊(Communicate directly)。
 
區域網路上的任何二部電腦都應該可以直接通訊而不必透過第三者的轉接。
 
適當的範圍(Moderately sized geographic area)。
 
電腦分佈的區域不可太大，距離不可太遠。通常是指5 公里以內的範圍。
 
適當的傳輸速率(Moderate data rates) 。電腦之間資料傳送的速率不可太慢。
 
通常要求在每秒傳送1 百萬到1億位元 (bits) 左右 (1 Mbps～100 Mbps, bps＝bits per second) 。
 
能夠達到上列功能的都可以稱之為區域網路。區域網路的基本要求如下：
 
資料傳輸速率為1 到100 Mbps 。
 
目前由於各種型態的資料越來越多（如音訊、視訊、影像等等）且為了提供一定程度的服務水準，對於區域網路的資料傳輸速率要求也有提高到1000 Mbps甚至更高的情形。
 
網路舖設距離最長為5 公里。目前由於區域網路的普及率增加，一個機構可能同時擁有許多區域網路。
 
藉由區域網路間的相互連接可以使整體區域網路的舖設距離長達數十公里。
 
有能力連結數百部彼此可能無關的電腦設備。
 
這些電腦可能硬體結構不同，如使用不同的CPU ，也可能軟體結構不同，如使用不同的作業系統。
 
架構簡單。
 
區域網路的架構不可以太複雜。在維持一定程度效能的前提下，架構應力求簡單。
 
具有可靠度。區域網路應盡量採用分散式系統而不是集中式系統，因此網路上任何電腦的當機或損壞不能影響到其他電腦間之通訊。
 
提供資源共享服務。
 
除了一般電腦之硬體、軟體資源之外，通訊網路本身也是共享的資源，所有電腦間之通訊都必須經由網路通道(channel) 。
 
因此區域網路應該有一套讓所有電腦都遵守的「通訊協定」(Communication protocol)並且藉由此通訊協定的運作來有效使用共享的通訊管道。
 
在高負載時具有穩定性。
 
連結在區域網路上的電腦只有在需要與其他電腦通訊時才會使用通訊管道，平常可獨立的運作而不須與網路溝通。
 
當大部分的電腦都要使用通訊管道時（如有大量資料要傳送）便會造成通訊管道的高負載。
 
在這種情形之下，區域網路的通訊協定仍然應該維持一定程度的資料傳送成功率，否則區域網路將喪失其功能。
 
具有公平性。
 
所有在區域網路上的電腦應該具有相同的機會來使用通訊管道，而不應該只讓某些電腦具有較優勢的使用權。
 
容易安裝和維護。
 
區域網路的安裝和維護應該儘可能的簡化。
 
通常在硬體上只要在各個電腦上安插一片網路介面卡然後以電纜線將之連結起來即可。
 
在軟體上則必須根據不同的需求安裝適當的通訊軟體，如網路作業系統及其他各種的網路應用軟體等等。
 
具有擴充性。
 
區域網路極有可能會和其他區域網路甚至廣域網路互相連接，因此應該具備有擴充性。
 
低價位。
 
區域網路的成本主要包含有網路介面卡、電纜線、以及相關網路軟體。
 
如果價位太高則不易為大眾所接受。
 
 
2. 區域網路與高速網路架構:
 
常見的區域網路與高速網路架構(topology)有三種：
 
星狀架構(star)
 
匯流排架構(bus)
 
環狀架構(ring)
 
 
2.1 星狀架構:
 
在星狀架構之下，有一個中央控制器(Central Controller)，所有的電腦都直接和它連接，任何二部電腦之間的通訊都必須透過中央控制器。
 
以「非同步傳輸模式」 (Asynchronous Transfer Mode, ATM) 網路來說，其中央控制器是一部交換機 (switch)。
 
任何二部工作站在通訊之前必須經由交換機建立一條連線。
 
工作站傳送資料時則接受交換機的監控。星狀架構可以進一步擴充成雪花狀架構 (snowflake) 。
 
基本上，星狀架構並沒有分散式系統的特性，中央控制器的損壞會導致所有連接在其上的電腦間之通訊中斷。
 
不過其有較佳的管理特性。
 
由於任何通訊都要經過中央控制器，因此在資源的管理上會有較佳的效率。
 
以雪花狀架構來說，如果最底層的中央控制器損壞則直接和其連接的電腦會失去通訊能力，但是所有其餘的電腦則仍然不受影響。
 
如果中間的中央控制器損壞，則會造成數個可以獨立運作卻不能相互通訊的小網路。
 
 
2.2 匯流排架構:
 
在匯流排的架構之下，所有的電腦都經由一條電纜線連結起來。
 
匯流排具有廣播(broadcast) 的特性。
 
任何一部電腦將資料傳送上電纜線後，其訊號會往二邊傳遞並且流入每一部電腦中達成傳輸目標。
 
任何一部電腦的損壞都不會影響其他電腦間之通訊。
 
匯流排架構是目前使用最多的區域網路架構（如IEEE 802.3 CSMA/CD網路，Ethernet，以及IEEE 802.4 Token-bus網路等等）。
 
匯流排架構的另外一個變形是「樹狀」(tree)架構。
 
樹狀架構的主要特性是任何二部電腦之間只有一條傳輸路徑。
 
在資料傳送上也具有和匯流排架構相同的特色：廣播式傳送。
 
任何一部電腦將資料傳送上電纜線後，其訊號也是往二邊傳遞，在到達分歧點時訊號會往所有分支傳遞（除了訊號進入的分支），因此可以做到廣播式傳送。
 
由於匯流排架構和樹狀架構的特性非常一致，因此常常視為相同的架構而不刻意區別。
 
這二種架構最脆弱的部分是電纜線。
 
由於電纜線僅有一條，因此電纜線的損壞或斷裂會造成整個網路的損毀。
 
為了提升匯流排網路的容錯能力及工作效率，IEEE 802.6 制定了以雙匯流排為架構的大都會網路標準，稱之為「雙匯流排分散式佇列」(Distributed Queue Dual Bus, DQDB) 網路。
 
 
2.3 環狀架構:
 
在環狀架構之下，將電腦連結起來的電纜線形成一個環狀迴路 (ring loop)。
 
事實上這個環狀迴路是由許多段「點對點」 (point-to-point)電纜線所組合而成，每一段點對點電纜線則連接二部電腦。
 
環狀架構的資料傳送具單一方向性，只能全部順時針方向傳送或逆時針方向傳送。
 
由於其迴路特性，資料在傳送一圈時也相當於是具有廣播傳送的功能。
 
環狀架構也是常見的區域網路架構（如IEEE 802.5 Token-ring網路，IBM Token-ring網路等等）。
 
因為其點對點傳送方式特別適合光纖線，因此未來具有極佳的發展潛力。
 
數個環狀網路也可以經由「橋接器」 (bridges) 連結起來成為一個更大的網路。
 
每個環狀網路都可以獨立運作，不同環狀網路間的通訊則透過橋接器的轉送。
 
環狀網路也具有容錯的功能，任何一部電腦的損壞或停機不會影響到其他電腦間之通訊。
 
但橋接器的損壞則會將網路切成二半。
 
環狀網路最脆弱的部分也是電纜線。
 
電纜線的損壞或斷裂會導致整個環狀網路的損毀。
 
為了提升環狀網路的容錯能力及增加網路傳輸的效率，高速環狀網路大都採用「雙環」(Dual-ring) 架構。
 
FDDI 網路及 FDDI-II 網路都採用此種架構。
 
 
3. 區域網路實際架構:
 
區域網路最脆弱的部份都是在傳輸線路，線路斷裂往往造成網路的癱瘓。
 
為了提升區域網路的可靠度及便於管理各工作站的傳輸，現階段的網路架構設計大都採用「集線器」(Hub) 或「中樞器」(Concentrator)。
 
在此架構下，每一部工作站都有一條專屬的傳輸線與集線器或中樞器相連。
 
此傳輸線可為同軸電纜，雙絞線，或光纖。
 
如果工作站與集線器或中樞器間的線路斷裂則只會造成該工作站的隔離，網路的其他部份仍然可以正常運作。
 
另外，集線器或中樞器可以很容易的監控每一部工作站的傳輸狀態，這些資訊可以收集在集線器或中樞器的資料庫中，對於網路管理來說是極為重要的資訊來源。
 
目前市面上的區域網路幾乎都已使用此種架構，如 Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token-bus, Token-ring, FDDI, 100VG-AnyLAN 等等。
 
 
4. 開放系統連結模式:
 
國際標準組織 (International Standard Organization，簡稱 ISO) 所公佈的開放系統連接模式 (Open System Interconnection，簡稱 OSI) 將通訊軟硬體的結構按照不同的功能分為七層。
 
其中各層的功能如下：
 
應用層 (Application Layer)
 
表達層 (Presentation Layer)
 
會議層 (Session Layer)
 
傳輸層 (Transport Layer)
 
網路層 (Network Layer)
 
鏈結層 (Data Link Layer)
 
實體層 (Physical Layer)
 
 
模式七層結構
 
實體層 (Physical layer)。
 
實體層所要負責的工作是將一連串的位元經由實際的傳輸線路傳送給對方。
 
因此傳送端與接收端之間應該有一條實際的連線以便訊號之交換。
 
傳送端的實體層只負責將資料送出，資料傳遞的中途如果有其他干擾訊號使得資料發生錯誤則實體層不做補救措施。
 
實體層也負責資料在傳輸線路上傳送前的「編碼」 (Encoding) 工作及資料接收後的「解碼」(Decoding)。
 
另外為了配合不同編碼技術，實體層有時也負責對傳送前的資料進行「亂碼」(Scrambling) 的工作及對接收後的資料進行「順碼」(Descrambling) 的工作。
 
鏈結層 (Data Link layer)。
 
鏈結層所要負責的工作是提供可靠的傳輸服務給上層之通訊協定使用，使得上層之通訊協定不需要了解實體層的傳輸媒介。
 
鏈結層負責將上層交予的資料正確無誤的傳送給對方。
 
這包含有解決資料錯誤或遺漏 (error or loss) 的問題，資料重覆接收 (duplication) 的問題，以及資料到達目的地順序不對 (out of order) 的問題。
 
網路層 (Network layer)。
 
網路層負責處理有關如何將資料由一部電腦傳給另外一部電腦的路徑選擇 (routing) 問題。
 
它負責建立、維護、以及結束兩部電腦之間的連線 (connection)。
 
連線建立時可能會有許多可以選擇的路徑。連線建立後，二部電腦之間的資料便根據連線的路徑來傳送。
 
傳輸層 (Transport layer)。
 
傳輸層負責提供二個使用者之間以約定的通訊品質來傳送資料。
 
當使用者之間的連線建立後，傳輸層便要提供適當的通訊品質，並且監督資料傳輸的過程以保證該通訊品質的維持。
 
如果無法達到則必須通知使用者。
 
會議層 (Session layer)。
 
會議層負責提供服務來達成許多使用者之間對談 (dialog)的組成、同步、以及管理使用者之間資料的傳送。
 
就好像開會一樣，發言總得有個秩序或規則，否則大家便無法聽得清楚別人在說什麼。
 
會議層便要負責根據使用者可否同時傳送或接收資料來控制使用者何時可以傳送或接收資料，即達到所謂的同步交談的功能。
 
表達層 (Presentation layer)。
 
表達層負責將資料以有意義的形式表達給網路之使用者。
 
其工作可能包含的是字元碼的轉換（如ASCII Code 轉換成 EBCDIC Code 等），資料的壓縮 (Compression) 及還原 (Expansion)，資料的「加密」 (Encryption) 及「解密」 (Decryption)。
 
以中文的案例來說則可以有不同中文內碼系統的轉換等。
 
應用層 (Application layer)。
 
應用層負責提供各種服務給應用程式 (application processes) ，使其能夠使用系統之連結功能來達到和其他應用程式交換資料的目的。
 
換言之，應用層提供了使用者或使用者程式與網路溝通的介面。
 
例如檔案傳送通訊協定 (File Transfer Protocol)、交易服務軟體 (Transaction Server)、及網路管理軟體 (Network Management) 等等。
 
最為大家所認同的網路結構是所謂的「分層式結構」(layering)，此種結構是將通訊系統應該具備的功能分為若干層，而每一層負責完成一些特定的功能。
 
每一層的通訊協定必須提供適當的服務給上層之通訊協定使用，而在進行本身的工作時則使用下層通訊協定提供之服務。基本上，分層的原則是將來改變或更換某一層的通訊協定時不會影響到其他層通訊協定的工作。
 
分層式結構除了可以將一個大的通訊任務分為若干較小而容易各別完成的任務之外，也提供了極佳之擴充性。
 
因為當將來有較好或較快的通訊協定可使用時可以較容易的加入結構中。
 
ISO 委員會的工作目標便是制定一組分層之通訊協定並且制定每一層該提供之服務。
 
其主要的原則如下：
 
層次不可太多。
 
太多層的結構在整合的工作上較複雜且較困難。
 
將相同功能之通訊協定歸於同一層。
 
允許改變某一層之功能或通訊協定而不影響其他層。
 
每一層之邊界只與其上一層或下一層有關。
 
分層之觀念說明，上層與下層之溝通透過清楚定義之介面來完成。
 
而不同工作站間同層的溝通即是所謂的通訊協定。
 
每一層中可以有許多個通訊協定。
 
在使用下一層所提供的服務時則透過「服務點」(Service Access Point)。
 
不同工作站間同層的二個服務點可以形成一個「連線」，提供彼此通訊的管道。
 
其中每一個通訊協定主要包含有：
 
通訊語法 (Syntax)：制定資料傳送的格式及訊號的強弱等等。
 
資料意義 (Semantics)：制定傳送資料之各欄位之意義及錯誤處理方法。
 
時序 (Timing)：制定彼此傳送資料之速度控制及順序5. OSI 之七層通訊模式。
 
每一個系統都包含七層通訊協定。
 
在此例子中，系統 A 的應用程式 X 與系統 B 的應用程式 Y 通訊。
 
當 X 欲傳送一筆資料給 Y 時，便呼叫第七層 (應用層)通訊軟體。
 
此通訊軟體便會利用該層之通訊協定和系統 B 之第七層通訊軟體建立一對等之關係。
 
而第七層之通訊軟體則使用第六層通訊軟體所提供之服務。
 
第六層之對等通訊軟體則使用其通訊協定來溝通。
 
此種層與層的關係一直往下延伸至實體層，而實體層則負責將資料傳送於傳輸媒介之上。
 
6. 每一層通訊協定都必須具備一些基本的功能才能完成其通訊的任務。
 
這些基本功能如下：
 
資料之包裝與拆裝 (Encapsulation/Decapsulation)
 
資料之分段與組合 (Segmentation/Reassembly)
 
通訊連線之建立 (Connection establishing)
 
資料流量之控制 (Flow control)
 
資料傳送之錯誤控制 (Error control)
 
通訊連線之多工處理 (Multiplexing)
 
通訊協定最常使用的資料傳送技巧為資料包裝 (Encapsulation)。
 
當應用軟體 X 把資料交給應用層時，系統 A 之應用層便設法將該資料傳送給系統 B 之應用層。
 
因此它們之間對送的資料便必須保留些空間以便攜帶彼此對談的訊息。
 
此空間稱之為「標頭」(Header)，應用層所使用之標頭便簡寫為 AH (Application Header)。
 
這種將資料加上標頭的動作便是「資料包裝」。
 
每一層的通訊協定都必須有其溝通空間，因此每一筆資料都會有標頭。
 
換句話說，當資料往下層傳送時會不斷的在每一層加上標頭，直到實體層為止。
 
實體層沒有包裝的動作只負責將資料傳送出去。
 
當對方的實體層收到資料時便嘗試往上層傳送。
 
每一層之通訊協定則根據資料上相關標頭之訊息來決定處理方式。
 
例如資料如果發生錯誤則可能被丟掉而不往上層傳送，如果資料沒有按照順序到達則可能先被保留起來，待順序調整後再往上層傳送，如果資料是屬於被分割的片段（稍後討論）則可能必須等待所有的片段收到後再組合成原來之資料往上層傳送等等。
 
當資料往上層傳送時則可以將此層之標頭拿掉。
 
因為對於上層來說，此標頭是沒有意義的，每一層通訊協定都只看該層之標頭。
 
此動作便稱之為「拆裝」(Decapsulation) 。
 
換言之，當資料往上層傳送時便經過層層之拆裝動作。當資料離開系統 B 之應用層時便是當初進入系統 A 之應用層時之資料。
 
 
7. 在資料往下層傳送的過程當中，每一層通訊協定可能在接收到上層的資料後，根據通訊協定的要求而將之分割為若干較小的片段 (Segments) 以利傳輸。
 
屬於某一資料的所有片段必須由對方之對等通訊軟體組合後，才能往其上層傳送。
 
如果因為某種因素使得任何一個片段錯誤或流失，則該資料將無法正確組合。
 
對於無法正確組合的資料，其對等之通訊軟體會將之丟棄。
 
當二個對等的通訊軟體欲交換資料時，可以先建立一個「通訊連線」(Connection)。
 
流量控制 (Flow control) 是指控制此通訊連線上資料傳送的速率。
 
傳送得太快可能使接收端因為緩衝器之不足而造成資料流失。
 
錯誤控制(Error control) 則是指偵測並且解決通訊連線上資料發生錯誤的方法。
 
通訊連線之多工處理有二個方向。
 
第 n 層的許多通訊連線可以共同使用第 n-1 層的一個通訊連線，此稱之為「向上多工」(Upward Multiplexing) 。
 
這種方法可以使第 n-1 層提供更多的服務對象。
 
如果第 n 層的一個通訊連線使用第 n-1 層的許多通訊連線則稱之為「向下多工」(Downward Multiplexing 或 Splitting)。
 
這種技術可以增加資料傳送的可靠度（分散風險）並且提高效率（有較快之速度）。
 
 
8. IEEE Project 802網路結構:
 
針對區域網路/大都會網路/高速區域網路，國際電機電子工程師協會 (IEEE) 提出了一套標準系列，總稱為IEEE Project 802。
 
IEEE 802 委員會目前分為若干次級委員會，主要負責制定以下之標準：
 
802.1 ：高層次介面 (High Level Interface)
 802.2 ：邏輯鏈結控制 (Logical Link Control)
 802.3 ：CSMA/CD 網路
 802.4 ：Token-Bus 網路
 802.5 ：Token-Ring 網路
 802.6 ：DQDB大都會網路 (Metropolitan Area Networks)
 802.7 ：寬頻技術 (Broadband Technical Advisory Group)
 802.8 ：光纖技術 (Fiber Optic Technical Advisory Group)
 802.9 ：語音／數據整合區域網路 (Integrated Voice and Data LAN Working Group)
 802.10：區域網路安全技術 (LAN Security Working Group)
 802.11：無線式區域網路 (Wireless LAN)
 802.12：Demand-Priority 高速區域網路 (100VG-AnyLAN)
 802.14：CATV網路
 
IEEE 802區域網路/大都會網路/高速區域網路標準系列之主要結構。
 
其中 802.3 CSMA/CD、 802.4 Token-Bus、802.5 Token-Ring為目前最常用的區域網路。
 
802.6 DQDB (Distributed Queue Dual Bus) 為大都會網路。
 
大都會網路通常用來擔任大都會區之骨幹網路將都市中之重要資訊據點連接起來。
 
802.9 為具有將語音及數據整合傳送能力之區域網路。
 
目前市面上有所謂的「等時」Ethernet (Isochronous Ethernet) 就是依據 802.9 標準而發展出來的。
 
802.11為無線區域網路。
 
802.12 Demand-Priority為具有服務品質保証的高速區域網路。
 
AX3T9.5 FDDI 網路雖然不是 IEEE 802 標準系列之一，但仍然架構在 802.2之下，以便很容易的與其他標準區域網路相連結。
 
而 802.2 為這些網路共同之邏輯鏈結控制層。
 
802.1 則制定將這些不同的網路連結起來的方法以及管理辦法。 
 
 
文章來源:http://www.phate.tw/Tiger/ 
 
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引用：<A href="http://tw.myblog.yahoo.com/jw!nK8H4_qaHk_GcDpn4UtWUWuG/article?mid=14425">http://tw.myblog.yahoo.com/jw!nK8H4_qaHk_GcDpn4UtWUWuG/article?mid=14425</A>
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