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第一章 網路世界PART I TCP/IP 通訊協定深入剖析 / 以 NetGuru 實作

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Overview

網路簡介 網路拓樸 (Topology) 網路架構設計範例 網路模型與 TCP/IP 協定 乙太網路 (Ethernet) 簡介

網路簡介

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何謂網路 藉由一群的電腦電腦，透過彼此共同的實體媒介（纜線或無線傳輸

媒介）互相連接在一起，以達到資源 ( 印表機、儲存體、 CPU 、記憶體及檔案…等等 ) 共享的目的。

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網路的連接性 (Connectivity)

基本元素– 連結 ( link ) ：

• 纜線或無線傳輸介質– 節點 ( node ) ：

• 一般電腦或特定功能的電腦 ( 設備 )

存取方式– 點對點 ( point-to-point ) ：獨享頻寬– 多重存取 ( multiple-access) ：共用頻寬

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連接方式– 點對點 ( point-to-point ) ：直接相連 ( 實體相連 )

– 端點對端點 (End-to-End) ：間接相連 ( 跨網路相連 )

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傳輸模式 Unicast ( 單點傳輸 ) Multicast ( 群播 ) Broadcast ( 廣播 )

unicast

multicast

broadcast

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交換網路 (Switched Network)

電路交換 (circuit-switched)– 電話系統、專屬電路

分封交換 (packet-switched)– 電腦網路– 將待送資料切成許多封包 (packet)

送出，到目的地再進行資料重組– store-and-forward

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多工 (Multiplexing)

同步分時多工(Time-Division Multiplexing, TDM)

分頻多工(Frequency-Division Multiplexing, FDM)

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多工與解多工示意圖

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Internet & internetwork

網際網路 ( Internet )– 現行的 TCP/IP 網際網路

互連網路 ( internetwork )– 各組獨立的網路 ( 雲狀物 ) 互相連接而形成互連網路

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網路拓樸 (Topology)

匯流排 ( Bus ) 網路 星狀 ( Star ) 網路 環狀 ( Ring ) 網路

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匯流排 ( Bus ) 網路

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匯流排 ( Bus ) 網路

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星狀 ( Star ) 網路

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星狀 ( Star ) 網路

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環狀 ( Ring ) 網路

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環狀 ( Ring ) 網路

網路架構設計範例

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家庭兩台以上電腦，由 ADSL 上網

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小型網路含無線網路架構，無連上 Internet 之功能

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具有上網功能的小型網路架構

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具有上網功能的中型網路架構 (T1 專線式 )

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校園網路架構

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企業 VPN 架構範例

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NetGuru 教學環境實體架構

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NetGuru 教學環境示意圖

網路模型與 TCP/IP 協定

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OSI 7 Layer Reference Model

ISO 的 OSI 7 Layer Reference Model 是目前共同的網路設計參考模型 – ISO 指 International Organization for Standardization 這個國際標

準組織 – OSI 表示 Open System Interconnection ， OSI 7 Layer 將網路運作

概分為七層，然而 TCP/IP 的網路實際上並沒有將分層區分得如此詳細 OSI Model 與 TCP/IP 的差異

– 參考模型與實作環境

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OSI 7 Layer 與 TCP/IP Protocol Stack

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分層（ Layering ）的觀念 peer-to-peer 通訊 ( 同層的對等關係 )

– 分層負責，各司所職 service interface( 上下層關係 )

– 往下層傳送時會加入各層所需之 header(Protocol) ，稱為資料封裝（ Encapsulation ）

– 例： TCP/IP 欲傳送 TCP 之 Packet 如下：

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Peer-to-Peer 通訊

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連接不同 Layer 1 的網路

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連接不同 Layer 2 以下的網路

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連接不同 Layer 3 以下的網路

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TCP/IP Suite 示意圖

乙太網路 (Ethernet)

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簡介 使用最廣泛之區域網路類型 共享網路媒介（ Media ）：

– 10BaseT 及 100BaseT 使用 8 芯（ 4 對線）之 UTP (Unshielded Twisted Pair 無遮蔽雙絞線 ) 網路線

– 接頭為 RJ-45 ，接法有 TIA/EIA 568A 之平行接法及 EIA/TIA 568B 串接（ Crossover ）接法

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Category 5 乙太網路線

為目前 Ethernet 所用的主要線材，每條導線是由兩組雙絞線所組成，一組做發送一組則做接收用途，故可做全雙工通訊；每段導線只能接一部電腦，導線兩端各接一個 RJ-45 接頭，一端接往電腦網路卡插座，一端接往集線器，最長可達 100 米

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EIA/TIA

功能– 平行線： 568A – 568A / 568B – 568B

• 電腦與 Hub / Switch 的連接

– 跳線： 568A – 568B / 568B – 568A• 功用在於 Hub / Switch 的串接或兩部電腦直接相接

Category 5 乙太網路線

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傳送必須與接收對應 其中 White-Orange 代表 Transmit+ ( 傳送 +) ， Orange 代

表 Transmit- ( 傳送 -) ，而 White-Green 代表 Receive+ ( 接收 +) ， Green 代表 Receive- ( 接收 -) 。

訊號中 + 、 - 是電路設計時差動電路 (Differential Circuit) 的+- ，主要是為了抗共模雜訊 (Common Mode Noise)

基本規則：傳送 TX+ 連接接收 RX+ ，傳送 TX- 連接接收 RX-– 網卡連接 HUB ( 非 Uplink Port) ，或 HUB 連接 HUB 一邊是 Uplink P

ort 使用 EIA/TIA 568B 平行接法兩邊都相同接法。因為 HUB Port 上的 1,2 為 RX+ ， RX- 而 3,6 為 TX+ ， TX-

– 網卡連接網卡或網卡連接 Uplink Port, 或 HUB 連接 HUB 不是 Uplink Port ，使用一邊使用 EIA/TIA 568A Crossover 接法

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使用 HUB 與平行 (Straight) 網路線連接

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使用 Crossover 網路線連接

額外補充說明

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第一層 實體層 (Physical Layer)

實體層主要是負責實體傳輸媒介的規格訂定 例如纜線 (Cable) 、光纖 (Fiber) 、雙絞線 (Twisted Pair) 以

及連接端的規格，其中亦包括了傳輸的訊號種類及轉換等

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第二層 資料鏈結層 (Data Link Layer)

確保節點與節點間 (node-to-node) 透過實體層能夠正確有效的傳輸

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資料鏈結層負責將最初步的資料編碼與資料封裝為傳送框訊 (Frame) ，並加入因傳輸實體雜訊干擾、線路不穩等傳輸錯誤控制與重送策略、或做流量控制 (Flow Control) 等

每一 Ethernet 網卡中有一唯一的 48 bits 的編號，稱之為實體層位址 (MAC Address 或是 Physical Address)– 其中 MAC 代表 Media Access Control ( 電器訊號傳輸 ; 媒體存取控制 ) 。

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第三層 網路層 (Network Layer)

主要功能為 Packet 的繞送 (Routing) 與選擇路由 (Route) ，封包的切割 (Fragmentation) 等。

此層中最著名的代表，就是網際網路不可或缺的 TCP/IP 中的 IP （ Internet Protocol ，網際網路通訊協定）。

而在網路層中，有一最重要的位址觀念： IP Address 。 IP 位址即是一般常說 IP 為 123.132.211.1 這樣的一串數字。

此層在傳送中，由於是使用非連接為導向，所以僅能以 best effort 方式傳送出去，不保證資料會送達，以方便上層 ( 傳輸層TCP/UDP)來控制

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第四層 傳輸層 (Transport Layer)

連線建立與解除 (Connection Establishment /Tearing Down)– 如 TCP (Transmission Control Protocol)

端點對端點 (End-to-End) 、流量控制 (Flow Control) – ( 不是 Node-to-Node Flow Control)

壅塞控制 (Congestion Control)

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第五層 會議層 (Session Layer)

設立 Layer 5 以上之裝置與設備因上層應用的需求而建立的邏輯上的連結 (Logical Link)– 例如： Microsoft NetMeeting 、 MSN 等多人會談的 Session 觀念。– 然而切記這只是 OSI 7 layer只是 reference Model ，事實上 Microsoft

NetMeeting 、 MSN 主要使用了 H.323 ， SIP (Session Initiation Protocol, RFC 3261) ，而在這些標準中 ( 例如 SIP) ，沒有提這是 OSI Session Layer

建立 Session 的目的在於：決定參與這 Session 的設備能夠應用影音與文字通訊做正常的溝通及決定資料的壓縮與編碼方法

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第六層 展示層 (Presentation Layer)

主要使應用層能了解與解譯傳送的資料內涵– 例如不同的字元集 (Character Sets) ，不同的文字編碼方式例如 Bas

e64 、 Uuencode 或 MIME type ，或不同的檔案結構 (File Structure) 、不同的加解密方法等。

– 目前通訊網路日趨重要，建議讀者需修密碼學或資訊安全的課程– XDR (External Data Representation) 表示在應用層的應用程式 NFS

(Network File System) 必須了解的遠端網路的檔案結構，才能將遠端的網路檔案經由 Presentation Layer 解析結構掛入本地的 (Local) 檔案結構中 。

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第七層 應用層 (Application Layer)

科技始終來自於人性，有應用與需求，傳輸資料才有用。因此所有 Layer 7 以下大都是為了 Layer 7 而設計– 例如 E-mail (SMTP-Simple Mail Transport Protocol, POP 3 ) FTP (Fi

le Transfer Protocol) 、 Vo IP (Voice over IP) 等。 為了解 Application 如何撰寫，網路程式設計 (也就是本系列教材中階的部分 ) 是網路研發者所必備的知識。