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TCP/IP 協定與 Internet 網路：第二章 雛形區域網路 - Ethernet 下一頁
翻轉工作室：粘添壽
第二章 雛型區域網路 - Ethernet
2-1 雛形區域網路簡介
在 Internet 網路之中，網路存取層主要是負責網路之間的實體連線，亦即經由網路存取層，連線雙方的工作站可將傳輸訊號順利地發送到傳輸網路上，達到互相通訊的目的。由於 Internet 網路是經由各地區小網路連結而成，每一地區將依照其地理環境需要而建構不同型態的網路架構。一般型態大多是由若干個區域網路連結成一個大都會網路（如 HiNet 或 TANet），而由大都會網路負責管理及維護各區域網路之間的連接，再由大都會網路之間連結構成廣域網路。無論由區域網路到大都會網路，甚至進一步形成廣域網路，都屬於 Internet 通訊協定中的網路存取層部分。由此可見，區域網路是所有連結網路的基礎，這也是本章的重點。至於如何連結成大都會網路，以及廣域網路架構將會在第三章及第四章說明。這三章內容只針對 Internet 網路上較普遍的架構介紹。
『區域網路』（Local Area Network, LAN）是指連接範圍較小或限定在某一固定區域範圍內之網路。在限定範圍內，網路的傳輸品質和速率都較容易控制，不像 Internet 網路，網路連接範圍隨時會變動，因而增加網路連線技術管理的困難度。其實 Internet 網路也是由區域網路堆疊而成，只不過 Internet 網路是跨越多個區域網路連結而成。因此，區域網路連接是 Internet 網路上最根本的技術。
圖 2-1 區域網路與 Internet 網路
2-1-1 區域網路之拓樸圖
在區域網路上，我們將多部工作站連接在一起，使它們之間共用某一傳輸媒介來互相通訊，工作站之間連結方式，也產生不同的連接形狀，稱之為網路『拓樸圖』（Topological）。一般區域網路的拓樸圖可區分為：星狀、環狀、匯流排、以及樹狀等，不同的拓樸圖也會涉及工作站之間的傳輸媒介存取技術，以下分別介紹之。
(A) 星狀網路
星狀網路（Star Network）是一種集中控制型，有一個主機置於網路的中央，以點對點的通訊線路連結周圍的工作站，而形成星狀架構。工作站和主機之間的連線是點對點的專線（如絞對線、光纖或 ADSL 連線等）。一般將該主機稱之為『交換機』（Switches），如 Ethernet Switch 、ATM Switch 。此類型網路有 ATM 網路或 ISDN 網路，如圖 2-2 (a) 所示。
圖 2-2 星狀網路與樹狀網路
● 優點：資料傳輸品質高、資料安全性強及網路維護較為容易。
● 缺點：當網路的中央主機發生故障時，將導致整個網路癱瘓，而且每台周邊電腦都必須佈放一條連線到中央主機，對於範圍比較大的環境不易達成，費用也較高。
(B) 樹狀網路
樹狀網路（Tree Network）類似星狀網路，但由多部主機做網路的中心控制。主機之間以點對點方式連結，分層來連接周邊的工作站，而形成樹狀架構。各個主機成為樹狀網路中的節點，周邊工作站和主機之間的資料傳送是透過其它節點的主機轉送，來達成網路內所有工作站之間互相通訊。主機也許是交換器或其他網路控制設備，如圖 2-2 (b) 所示。
● 優點：除了具有星狀優點外，又可改善星狀的缺點，當某一主機電腦故障時，只會影響到該節點的周邊電腦不能通訊，而不會使整個網路癱瘓。其他網路節點還是可以正常運作。
● 缺點：整個網路的可靠度還是受限於各節點主機電腦。
樹狀網路為『佈線系統』（Wiring System）主要拓樸圖。如果依照各種區域網路的拓樸圖來佈線，可能非常的困難（如環狀網路），也可能使網路可靠性降低、以及維護困難（如匯流排網路）。因此必須透過佈線系統來佈線，使網路佈線較簡單、可靠度提高、維護上也較容易，但也保留原來區域網路拓樸圖的特性（各個電腦之間的通訊協定不變）。最常見的佈線系統是利用集線器（HUB）來做傳輸媒介，譬如：Ethernet HUB及Token-Ring HUB等等。每單一集線中心為星狀型態，但連結多個集線中心成為一個完整的網路佈線環境，即成為樹狀網路。考慮到施工、網路維護、以及整個網路的可靠性問題，目前不管何種網路架構都採用樹狀的佈線系統來佈線。
(C) 環狀網路
環狀網路（Ring Network）不以主機為中心，而是將一串列的節點連結成圓圈或環狀，任一節點上的工作站均可能成為網路的控制中心，且資料的傳遞並非直接傳給對方，而是經由相鄰的節點轉送，如圖 2-3 (a) 所示。
● 優點：網路上任何一個節點使用傳輸媒體的權限都相等，而且各節點使用傳輸媒體的機會平均分配，沒有爭執及碰撞的現象，尤其使用在高負載網路上非常適合，譬如FDDI網路所架設的骨幹網路（Backbone）。
● 缺點：環狀網路上任何一個節點發生故障，可能使整個網路癱瘓。而且在佈放網路方面，由一個起始點開始佈放線路，經過整個網路區域後必須回到原點，在網路架設施工方面的確有困難。
圖 2-3 環狀網路與匯流排網路
(D) 匯流排網路
匯流排網路（Bus Network）是不以任何一部工作站為中心，各個節點工作站分別連接在同一傳輸媒介上。工作站之間欲傳送資料，就將訊號廣播到網路主幹線上，每一部工作站也必須隨時隨地由網路上接收訊號，再判斷是否傳送給自己，如果是傳送給自己的便將其保留；否則將已收進來之資料丟棄。其網路結構如圖 2-3 (b) 所示，
● 優點：網路佈線簡單，只要一條網路主幹就能將網路上所有電腦連結起來，而且如要加入新電腦或電腦欲退出網路不需要做特殊處理。
● 缺點：連結網路的傳輸媒體任何一個地方斷線，將使整個網路癱瘓。而且想找出到底什麼地方故障非常困難，必須利用特殊設備，如纜線掃描器（Cable Scanner）才能找出。但是網路佈線大多走管線佈放，實務上非常困難，更別提各工作站之間傳送資料都必須透過同一傳輸媒介。針對每一工作站如何取得傳輸媒介的使用權？或傳送資料中是否會和其它工作站發生衝突？為了克服這些問題，網路通訊協定必須作適當的處理，如此將大大降低網路的效益。因此，對於較大且負荷較重的網路，匯流排網路便不大適合。
2-1-2 區域網路之傳輸媒介
『傳輸媒介』（Transmission Medium）的選擇除了考慮環境因素外，傳輸速率和網路可靠性也佔絕對性的因素，以下介紹一般常用的傳輸媒介及其特性。
(A) 雙絞線
『雙絞線』（Twisted Pair）是包含有兩條絞在一起、互相絕緣的導線，在一條絞線電纜（Cable）裡可能包含有4~2000對的雙絞線。雙絞線為目前使用最普遍的傳輸媒介，為電話網路主要連線，價格較便宜、佈線也較簡單。一般建築物都有預留電話管線，如果能利用這些管線來佈放網路連線，也可以節省不少費用。也就是這樣，目前 ADSL 使用原來電話線路來連接網路，使網路的普及率更快速成長。其特性如下：
● 雙絞線是利用電流傳導來傳遞訊號，容易受電磁波干擾。
●可分為『遮蔽式雙絞線』(Shielded Twisted Pair, STP)和『無遮蔽式雙絞線』(Unshielded Twisted Pair, UTP)。STP 電纜的外殼有銅網或銅片環繞保護，較不易受外來電磁波干擾。一般網路上都採用 150 歐姆阻抗的纜線規格，纜線比較僵硬而不容易佈線，價格也較昂貴。UTP表示沒有銅網保護，同一電纜內可包裝較多對雙絞線，價格較便宜，佈線也較容易。
● UTP又依其銅導體的蕊心大小區分為若干個級數，常用有第三級（Category 3, Cat-3）和第五級（Category-5, Cat-5）兩種。兩者皆是 4 對線（8 蕊），但 Cat-3 使用在 10 Mbps 上傳輸，而 Cat-5 使用在 100 或 1000 Mbps。
● 因其使用電流傳遞訊號，比較適合於點對點（Point-to-point）的傳輸。
● 寬頻載波傳輸可達 1000 ~ 2000 公尺，如電話網路及ADSL網路等。
● 基頻之數位傳輸一般都限制在 100 公尺以內。
(B) 同軸電纜
『同軸電纜』（Coaxial Cable）包含內外兩層導體，中間則為絕緣的材料，如圖 2-4 所示，可區分為：50毆姆和75毆姆兩種阻抗規格。電纜阻抗大小和電纜粗細無關，電纜較粗者可傳送較遠距離、承載頻寬也較高；電纜較細者傳送距離較近（電容性較高）、頻寬也較低。其特性如下：
圖 2-4 同軸電纜結構圖
● 50 歐姆電纜用來傳送『基頻』（Baseband）的數位訊號，傳輸速率大約為 10 ~ 100Mbps，傳輸的範圍大約為數公里,，可接100部以上電腦。
● 75 歐姆電纜用來傳送『寬頻』（broadband）的類比訊號，頻寬約為300~750 MHZ，平均每個頻道頻寬為 6 MHZ，平均每個頻道傳輸速率為 20 Mbps，傳輸的範圍大約為數公里，可接500部以上電腦。
● 利用電波傳遞訊號，容易被其它電磁波訊號干擾。
● 較適合廣播傳輸模式（如 Ethernet 網路）。同纜電腦是利用電波傳遞，在網路上任何一點都可利用感應讀取或傳送訊息，因此較適合廣播網路。
● 目前寬頻網路（CATV）大部分佈放同軸電纜，可結合有線電視和數據傳輸，為目前校園寬頻網路的主流，價錢比ATM網路便宜，又可達高速網路的需求，而且CATV技術也較成熟。
(C) 光纖纜線
『光纖纜線』（Optical Fiber）為目前骨幹網路的主要傳輸媒介，不但有較高的承載量，而且可傳輸較遠的距離。如圖 2-5 所示，一條光纖電纜裡可包含數十條緊密光纖導管組，一般在一條導管組是由 4 條光纖導管緊接著。光纖電纜外圍也有保護層，從外表來看非常類似同軸電纜。光纖所傳遞的是光的訊號，因此必須有光源。常見的光源有兩種：發光二極體（LED）和雷射二極體（Laser）。其特性如下：
● 發光二極體（LED）的光源發射器和接收器較便宜，大都使用多模（Multi-mode）光纖，價錢較便宜、傳輸距離較近，大約在 1000 公尺以內。
● 雷射二極體（Laser）的光源發射器和接收器較昂貴，一般都使用單模（Single –mode）光纖，可達數公里。
● 光的傳遞不會受到電磁波影響，可佈放在較惡劣的環境，甚至可以和高壓電電纜佈放在一起。
● 光纖類似中空導管（Pipe），光訊號在中空導管中傳送就宛如水在水管中流動一樣。如果管道彎曲角度過大，將會影響光訊號的流動。因此，在光纖電纜內都有較硬的中心主幹預防纜線過分彎曲。
● 基本上光是類比訊號（某一頻譜上的光），無論類比訊號或數位訊號都必須經過光電轉換器，將電流轉換成光訊號，或光轉換成電流訊號。
● 光的傳送較適合點對點（Point-to-Point）的傳輸。
圖 2-5 光纖纜線結構圖
(D) 無線傳輸
能將網路表現得更無遠弗界的是『無線傳輸』（Wireless），不論行動電話的連線，或無線區域網路的連接，都使網路的連線更加方便。為將整個電腦網路擴展到任何角落，政府也將無線網路列為國家重點科技，以下介紹幾種無線傳輸：。
(1) 無線電廣播（Radio）：無線電傳輸可分為兩種，一者為定點式無線電網路，例如，固定在某一範圍內的無線區域網路或數位家庭所連結的生活電器用品等。另一者為移動式無線網路，除了目前幾乎是人手一機的行動電話外，未來也希望能連結掌上型電腦、筆記型電腦、或汽車全球定位系統等等。
(2) 微波（Microwave）：使用無線電廣播更高的頻率來通訊。通常長途電話會使用微波並利用衛星來轉接。
(3) 紅外線（Infrared）：遙控器即是使用紅外線來傳資料。目前印表機及手提電腦均有內建紅外線通訊介面。
(4) 雷射（Laser）：除了在光纖上傳送外，也可在空中傳送。通常應用在建築物之間網路的連線使用。
2-1-3 區域網路之協定標準
一般區域網路的通訊協定都是採用『國際電機電子協會』（Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE）所制定的標準。在 IEEE 所發表的 802 文件裡規定了各種區域網路連接規格，也就是一般所稱的 IEEE 802 系列規格。它針對各種環境需求制定了一些標準規範，希望各家廠商能依照規範標準製造。圖 2-6 為區域網路和 OSI 參考模式的協定堆疊關聯，它相當於 OSI 的第1、2 層。
圖 2-6 區域網路的通訊協定關聯
而在圖 2-6 中廣域網路的連接技術也相當於 OSI 參考模式中的第 1、2 層，一般是由電信公司所提供，例如 ATM 網路、HFC 網路、或 SONET 網路（第四章介紹）。當然區域網路也屬於這兩層，又依照 IEEE 的建議模式，將資料連結層分為『邏輯鏈路控制』（Logical Link Control, LLC）和『媒介存取控制』（Medium Access Control, MAC）兩層（如圖 2-6 所示）。IEEE針對區域網路、大都會網路和高速網路提出一系列標準，統稱為IEEE Project 802，並分為若干個次級委員會，分別制定下列標準：
(1) 802.1：高層次介面（High Level Interface）管理。
(2) 802.2：邏輯連結控制（Logical Link Control）。提供和上層（第三層）與 MAC 層無關的獨立連接介面，及提供傳輸介面的服務存取點。
(3) 802.3：CSMA/CD網路。提供載波感應多重存取 / 碰撞偵測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection） 的媒介存取控制方法（MAC）。
(4) 802.4：Token-Bus網路。提供符記傳遞的匯流排網路的媒介存取控制。
(5) 802.5：Token-Ring網路。提供符記傳遞的環狀網路的媒介存取控制。
(6) 802.6：DQDB（Distributed Queue Dual Bus）網路。提供雙匯流排的大都會網路（Metropolitan Area Network, MAN）的媒介存取控制方法。
(7) 802.7：寬頻技術（Broadband Technical Advisory Group）。提供對 802.3 和 802.4 的寬頻電纜中的傳輸存取控制方法。
(8) 802.8：光纖技術（Fiber Optic Technical Advisory Group）。提供對 802.3 和 802.4 的光纖電纜中的傳輸存取控制方法。
(9) 802.9：語音 / 數據整合區域網路（Integrated Voice and Data LAN Working Group）。提供有關區域網路上多媒體整合的標準。
(10) 802.10：區域網路安全技術（LAN Security Working Group）。提供有關區域網路中安全問題的標準。
(11) 802.11：無線式區域網路（Wireless LAN）。提供無線區域網路中傳輸媒介的存取控制標準。
(12) 802.12：需求優先權（Demand-Priority）網路。提供具有優先順序之即時網路的媒介存取控制標準。
(13) 802.14： CATV 網路。提供有線電視網路中的媒介存取控制標準。
圖 2-7 IEEE 802 系列通訊協定標準
圖 2-7 為 IEEE 802 系列區域網路標準的結構，其中 802.2 LLC 制定高層次通訊軟體和媒介存取軟體之間的獨立介面。對較高層次的通訊軟體而言，只要透過 802.2 的介面，就可以存取不同的實體環境的網路。並提供邏輯性的媒介存取點，讓高層次的通訊軟體直接控制傳輸媒介。本章僅介紹目前使用最普遍的 802.3 CSMA/CD（Ethernet），至於其他通訊協定請參考拙著『電腦網路理論與連結技術』。