第六章通訊網路概說

第六章通訊網路概說 課前指引當個人電腦剛開始出現在企業界，軟體應用只設計用於單一使用者，但隨著電腦在企業與組織間的普遍化，以電子傳輸兩部電腦資料的網路通訊，就成為電腦科技的主要焦點，後來網際網路的快速成長也同時激勵了資料通訊的普遍化。因此網路科技已成為整個電腦產業中最為急遽成長的領域，不論是公司、學校或者日常生活的食衣住行中，都可以發現網路通訊的相關應用。

章節大綱 6-1 網路簡介 6-8 認識通訊協定 6-2 網路組成架構簡介 6-9 有線區域網路 6-3 區域網路連結模式 6-10 網路連線裝置 6-4 承載訊號與傳輸方式 6-11 無線傳通訊輸 6-5 連線傳輸技術 6-12 無線區域網路通訊標準 6-6 網路傳輸媒介 6-13 行動通訊系統 6-7 網路參考模型備註：可依進度點選小節

6-1 網路簡介 • 網路的目的本來就是在於交換訊息與資料之用，透過電話網路，就可以與他人進行語音聯絡、傳真訊息等等。

區域網路 • 是一種最小規模的網路連線方式，可以只包含兩或三部彼此連線而共享資源的個人電腦，它也可以包含數百部不同種類的電腦。區域網路示意圖

都會網路 • 是一個較大型的網路，將一些小型的區域網路使用了橋接器、路由器等裝置連接而成為較大型的區域網路。

廣域網路 • 連接無數個區域網路與都會網路，可能是都市與都市、國家與國家，甚至於全球間的聯繫。廣域網路示意圖

6-2網路組成架構簡介 • 伺服器型網路 • 伺服器型網路不僅包含電腦節點，也包含一部中央電腦，並具有當作共享儲存設備的高容量硬碟。採用伺服器型網路，各伺服器會有專門管理的資源

對等型網路 • 優點 • 簡單且設置成本便宜，只要具備網路線與網路卡，就可以將電腦彼此連結為一個網路，最常見的應用就是分享印表機了。 • 缺點 • 維護不易，只能使用於小型網路中，如果今日印表機從A電腦移至B電腦，則先前透過網路使用這台印表機的其它電腦，就必須重新設定才可以再使用這台印表機。

對等型網路結構示意圖

6-3 區域網路連結模式 • 匯流排式拓樸 • 優點 • 如果要在網路中加入或移除電腦裝置都很方便，所使用的材料也頗為便宜，而且比任何網路拓樸都使用比較少的纜線適用於剛起步的小型辦公室網路來使用。 • 缺點 • 維護不易，如果某段線路有問題，整個網路就無法使用，且需逐段檢查以找出發生問題線段並加以更換。

匯流排式拓樸

星狀拓樸 • 在星狀拓樸中，個別的電腦會使用各自的線路連接至一台中間連接裝置，這個裝置通常是集線器（Hub），所有的節點被連接至集線器並透過它進行溝通。星狀拓樸示意圖

環狀拓樸 • 環狀拓樸一般較不常見，使用環狀拓樸的網路主要有IBM的「符記環」（Token Ring）網路，符記環網路使用「符記」(token)來進行資料的傳遞。 • 優點 • 是網路上的每台電腦都處於平等的地位， • 缺點 • 是當網路上的任一台電腦或線路故障，其它電腦部會受到影響。

環狀網路示意圖

網狀拓樸 • 由於每個裝置至少與其它兩個裝置進行連接，所以網狀拓樸的網路會具備有較高的容錯能力，也就是如果此條線路不通，還可以用另外的路徑來傳送資料。 • 但網狀拓樸的成本較高，要連接兩台以上的裝置也較為複雜，所以建置不易，一般還是很少看到網狀拓樸的應用。

網狀拓樸示意圖

6-4 承載訊號與傳輸方式 • 通常資料的承載訊號可分成「數位」與「類比」兩種。「數位」就如同電腦中階段性的高低訊號，而「類比」則是一種連續性的自然界訊號(如同人類的聲音訊號)。如下圖所示：

單工傳輸 • 在單工傳輸模式(Simplex Transmission Mode)的環境中，發送端是做為傳送資料的工作，而接收端就只能做接收資料的工作。 • 單工傳輸模式只能遵循著一種方向來進行資料傳送。 • 例如一般廣播系統中，電波發射器只能做發射訊號動作，而收音機就只能做接收訊號的動作一樣。

半雙工傳輸 • 在半雙工傳輸模式(Half-duplex Transmission)的環境中，發送端與接收端一次只能做一種傳輸動作，當發送端在進行資料傳輸時，接收端便不能做傳送動作。 • 例如一般市面上火腿族所用的無線電就是一種半雙工的傳輸設備。

全雙工傳輸 • 在全雙工傳輸(Full-duplex Transmission) 環境中，發送端與接收端可同時做傳送與接收的動作。 • 例如日常生活上，電話就是最常見的全雙工傳輸設備，當我們在向對方發話的同時，對方也能夠同步發話給我們。

頻寬與寬頻簡介(1) • 「頻寬」 • 以每秒能夠傳輸資料量的多寡來表示資料的傳輸速率，計算的單位則是用每秒多少位元來計算，也就是一般所見的「bps」（bits per second）。 • 數據機的傳輸速率單位如下：

頻寬與寬頻簡介(2) • 寬頻(Broadband) • 在傳輸媒介上可同時傳送數個頻道資料的傳輸方式，已就是讓許多節點同時共用一條線路，好比是多線道路的高速公路，汽車可以同時平行前進一樣，例如 ISDN(整合式服務數位網路)、ADSL(非對偁數位用戶專線)等，都屬於寬頻傳輸。

6-5 連線傳輸技術 • 電路交換 • 由於所建立的線路為兩個主機獨自擁有，因此不會有資料擁塞的問題。 • 如果兩個主機一直要使用此連線，那這個線路就會一直由它們所擁有，不過在建立兩端的連線時會多花上一點時間，而且無法讓其他節點使用正在連線的線路，另外費用也較貴，連線時間也較緩慢。

訊息交換 • 以「先儲存再發送」（Store and Forward）的方式進行。 • 當資料傳送到每一節點時，還會進行錯誤檢查，傳輸錯誤率低。 • 缺點是傳送速度也慢，需要較大空間來存放等待的資料，另外即時性較低，重新傳送機率高，較不適用於大型網路。

封包交換 • 是一種結合電路交換與訊息交換優點的交換方式，利用電腦儲存及「前導傳送」（Store and Forward）的功用，將所傳送的資料分為若干「封包」（packet）。 • 優點 • 節省傳送時間，並可增加線路的使用率。對遠距離且短時間的傳送，分封交換網路是一種高效率與可靠度的網路。 • 缺點 • 是由於封包傳送順序不一，需要花費封包重組的成本。

6-6 網路傳輸媒介 • 同軸電纜 • 是由內外兩層導體構成，所使用的材質通常是銅導體，內層導體為了避免斷裂常會以多蕊的銅導體集結而成，而外層導體形成網狀圍繞內層導體，因此具有遮蔽的效應，可以減低電磁方面的干擾，兩層導體之間以絕緣體加以隔絕，最外層則為塑膠套：同軸電纜外部與內部構造圖

雙絞線 • 將導線成對絞在一起的目的是為了防止雜訊（Noise）干擾與串音（Crosstalk）現象。 • 藉由兩條導線相互絞在一起，則可以降低外部電磁場的干擾（並無法完全消除此干擾），絞繞的次數越多，抗干擾的效果越好，但相對地成本也會較高。雙絞線外觀圖 RJ-11與RJ-45接頭外觀圖

光纖電纜(1) • 傳遞原理是當光線在介質密度比外界低的玻璃纖維中傳遞時，如果入射的角度大於某個角度（臨界角），就會發生全反射的現象，也就是光線會完全在線路中傳遞，而不會折射至外界，如下圖所示：光纖剖面圖

光纖電纜(2) • 光纖的傳輸速率極快，其最高速率可達2Gbps，所以其應用主要是在高速網路上，例如100BaseFX高速乙太網路、「非同步傳輸模式」網路（Asynchronous Transfer Mode，ATM）、「光纖分散式介面」（Fiber Distributed Data Interface ，FDDI）、海底電纜等高速網路上。

6-7 網路參考模型 • OSI參考模型

OSI參考模型(1) • 應用層 • 在這一層中運作的就是我們平常接觸的網路通訊軟體，例如瀏覽器、檔案傳輸軟體、電子郵件軟體等，它的目的在於建立使用者與下層通訊協定的溝通橋樑，並與連線的另一方相對應的軟體進行資料傳遞。 • 通常這一層的軟體都採取所謂的主從模式。

OSI參考模型(2) • 表現層 • 主要功能是讓各工作站間資料格式能一致，包含字碼的轉換、編碼與解碼、資料格式的轉換等。 • 例如全球資訊網中有文字、各種圖片、甚至聲音、影像等資料，而表現層顧就是負責訂定連線雙方共同的資料展示方式，例如文字編碼、圖片格式、視訊檔案的開啟等等。

OSI參考模型(3) • 會議層 • 是在於建立起連線雙方應用程式互相溝通的方式，例如何時表示要求連線、何時該終止連線、發送何種訊號時表示接下來要傳送檔案，也就是建立和管理接收端與發送端之間的連線對談形式。 • 例如在連線遊戲時，就不能發生客戶端按一下方向鍵表示要移動遊戲中的人物1格，伺服端卻認為這是要移動人物10格，這就是會議層中應該實作的規範。

OSI參考模型(4) • 傳輸層 • 主要工作是提供網路層與會談層一個可靠且有效率的傳輸服務，例如TCP、UDP都是此層的通訊協定。 • 傳輸層所負責的任務就是將網路上所接收到的資料，分配（傳輸）給相對應的軟體，例如將網頁相關資料傳送給瀏覽器，或是將電子郵件傳送給郵件軟體，而這層也負責包裝上層的應用程式資料，指定接收的另一方該由哪一個軟體接收此資料並進行處理。

OSI參考模型(5) • 網路層 • 是負責解讀IP位址並決定資料要傳送給哪一個主機，如果是在同一個區域網路中，就會直接傳送給網路內的主機，如果不是在同一個網路內，就會將資料交給路由器，並由它來決定資料傳送的路徑，而目的網路的最後一個路由器再直接將資料傳送給目的主機。

OSI參考模型(6) • 資料連結層 • 由於IP位址只是邏輯上的位址，而真正的網路是以實際的硬體裝置來連結，實體的位址與邏輯的位址這中間轉換的工作是由資料連結層負責這項工作，它可以透過「位址解析協定」（Address Resolution Protocol, ARP）來取得網路裝置的「媒體存取控制位址」（Media Access Control Address，MAC），MAC位址是網路裝置的實體位址，像是網路卡就是直燒錄在EEPROM上的網路卡卡號。

OSI參考模型(7) • 實體層 • 是OSI模型的第一層，所處理的是真正的電子訊號，主要的作用是定義是實際定義網路資訊傳輸時的實體規格，包含了連線方式、傳輸媒介、訊號轉換等等，也就是對數據機、集線器、連接線與傳輸方式等加以規定。例如我們常見的「集線器」（Hub），也都是屬於典型的實體層設備。

6-8 認識通訊協定 • TCP協定 • TCP的資料傳送是以「位元組流」來進行傳送，資料的傳送具有「雙向性」。 • 建立連線之後，任何一端都可以進行發送與接收資料，而它也具備流量控制的功能，雙方都具有調整流量的機制，可以依據網路狀況來適時調整。

IP協定 • 是TCP/IP協定中的運作核心，存在DoD網路模型的「網路層」(network layer)，也是構成網際網路的基礎，是一個「非連接式」(Connectionless)傳輸，主要是負責主機間網路封包的定址與路由，並將封包(packet)從來源處送到目的地。 • IP協定可以完全發揮網路層的功用，並完成IP封包的傳送、切割與重組。也就是說可接受從傳輸所送來的訊息，再切割、包裝成大小合適IP封包，然後再往連結層傳送。

UDP協定 • 對於一些小型但頻率高的資料傳輸，這些工作都會耗掉相當的網路資源。 • UDP則是一種非連接型的傳輸協定，他允許在完全不理會資料是否傳送至目的地的情況進行傳送，當然這種傳輸協定就比較不可靠。 • 不過它適用於廣播式的通訊，也就是UDP還具備有一對多資料傳送的優點，這是TCP一對一連線所沒有。

ARP協定 • 是在『探測』封包內加入此IP擁有者的要求，然後針對網路上所有的實體位址進行廣播(Broadcast)。 • 一旦擁有此IP的電腦收到封包時，就會回覆對方，告訴自己的實體位址。 • 「位址解析協定」會有一份對照清單，用來記錄IP與實體位址，因此無須每次都要送出探測封包來找尋實體位址。

ICMP協定 • 「網際網路控制訊息協定」(Internet Control Message Protocol,ICMP) • 是用來偵測網路狀態的協定，主要是用來報告網路上的錯誤狀況，可以產生與IP相關的測試封包，例如Ping指令是傳送一個ICMP封包給某部主機，以偵測該主機的狀態。

6-9 有線區域網路 • 乙太網路(1) • 是目前最普遍的區域網路存取標準，通常用於匯流排型或星型拓樸。 • 由於它具備有傳輸速度快、相關設備組件便宜與架設簡單等特性，使得中小企業或學校的辦公室中，大部份都是採用此種架構來建立區域網路。

乙太網路(2) 乙太網路架構圖

乙太網路(3) • 乙太網路起源於1976年全錄公司將乙太網路正式轉為實際的產品，1979年Xerox、DEC、Intel三家公司試圖將10-Mbps Ethernet規格交由IEEE協會(電子電機工程師協會)制定成標準。常見的三種規格如下：

乙太網路(4) • 高速乙太網路 • 1995年IEEE 正式通過802.3u規格定義了高速乙太網路（Fast Ethernet），將10Mpbs的乙太網路提昇為100Mbps。常見的兩種規格如下：

乙太網路(5) • 超高速乙太網路 • 1995年IEEE開始研究傳輸速率可達1000Mpbs的乙太網路標準，並於1996年正式成立802.3z小組著手制定超高速乙太網路標準。 • 1998年6月底IEEE 802.3z標準委員會通過傳輸速率高達1Gigabit（即1000Mbps）的超高速乙太網路。

記號環網路 • 由IBM 在1980年代所發展的區域網路技術，網路相關資訊則規範於IEEE 802.5標準中，它的存取速度有4Mbps與16Mbps兩種。 • 標準傳輸速度為4Mbps。 • 利用記號傳遞(Token Passing) 來做媒介存取控制，傳送資料時毋須做碰撞偵測動作，不過傳送資料之前，電腦必須先取得記號封包。

光纖分散式資料介面網路 • 是由ANSI與ISO於1990年代所制定的標準，採用分離式雙環狀網路架構與環狀網路的結構，不過是一種具備有「兩個環」的環狀網路，也就是一個為「主環」與另一個為「次環」。 • 可預留一個備份線路以防不時之需，即光纖式網路，傳輸速率為100Mbps，主要是用來作為骨幹網路或高性能的區域網路。

ATM網路 • 它可以同時傳送聲音、影像與一般性資料等內容，並且在OSI模型中屬於資料連結層的通訊協定。 • ATM網路主要應用於骨幹網路連結其它的區域網路，如果有必要也可以架構成區域網路或連結公眾網路來使用。

第六章 通訊網路概說