Transcript 第1 章

第1章
網路互連
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互連網路

透過路由器將兩個或更多的 LAN 或 WAN 連在
一起, 並且使用諸如 IP 之類的協定來設定邏輯
網路位址結構時, 就是創造了一個互連網路
2
基本的網路



Bob PC 與 Sally PC以多埠中繼器 (集線器) 連結起來
集線器不能切割網路, 而只是將網段連結在一起而已
這是一個碰撞網域 (collision domain) 和一個廣播網域
(broadcast domain)
3
Bob PC 如何與 Sally PC 通訊

Bob 得使用 Sally 的 MAC 位址 (硬體位址)

Bob 的 Windows 作業系統使用廣播來解析 Sally 名稱 (目的地
192.168.0.255 是一個廣播位址)

解析名稱之後, Bob 在 LAN 上廣播, 以得到 Sally 的 MAC 位址

Sally 的回應

Sally 也得進行這整個名稱解析的流程才能與 Bob 通訊
4
網路分割 (network segmentation)

網路不斷成長, 造成 LAN 交通的壅塞



將大型網路分割為數個較小的網路 － 網路分割
(network segmentation)
使用路由器、交換器、或橋接器
LAN 交通壅塞的原因






廣播網域中有太多主機
廣播風暴
多點傳播 (multicast)
低頻寬
在網路上連結更多的集線器
大量的 ARP 或 IPX 交通 ( IPX 非常饒舌)
5
交換器的作用



交換器會分割碰撞網域﹐但不會分割碰撞網域
交換器無法用來建立互連網路﹐但可增加區域
網路的效能
橋接器的作用與交換器一樣﹐都是使用橋接技
術﹐有時會將交換器稱為多埠橋接器
6
利用交換器來分割網路


每個連接交換器的網段都成了個別的碰撞網域
整個網路仍然是
一個廣播網域
7
路由器的作用



同時切割碰撞網域和廣播網域（預設上路由器
不會轉送廣播）
根據第三層的資訊來過濾交通
路由器的四大功能：




封包交換
封包過濾
互連網路的通訊
路徑選擇
8
以路由器建立互連網路
9
另一個互連裝置範例


9個碰撞網域
3個廣播網域
10
交換式網路

10個碰撞網域
11
總結各種網路裝置的作用
12
網路互連模型



網路剛萌芽時電腦通常都只能跟同廠牌的電腦
通訊
1970 年代晚期ISO (International Organization
for Standardization) 建立了 OSI (Open
Systems Interconnection) 參考模型, 以打破這
種障礙
OSI 模型的目的是為了協助廠商依據協定形式,
建立具互通性的網路裝置和軟體, 以便不同廠商
的網路能夠彼此合作
13
分層式參考模型


參考模型是通訊如何進行的概念性藍圖, 用來處
理有效通訊所需的所有流程, 並且將這些流程做
邏輯性分組, 稱為層級 (layer), 這種方式稱為分
層式架構 (layered architecture)
軟體開發人員若針對特定層級來開發協定, 只需
考慮該層的功能﹐讓其他層級與協定來處理其
他的功能, 這種概念稱為繫結 (binding) 。彼此
相關的通訊流程會繫結 (或分組) 在特定層級中
14
OSI參考模型的優點





將網路的通訊流程切割成較小與較簡單的元件,
因而有助於元件的開發、設計、與檢修
讓多家廠商可以開發標準化的網路元件
藉由定義模型每一層的功能, 促進產業的標準化
讓各種網路軟硬體能互相通訊
防止任一層級的變更影響到其他層級, 以免妨礙
開發
15
OSI 上層

上方的 3 層定義終端
工作站上的應用彼此
之間、以及與使用者
之間要如何通訊
16
OSI 下層

下方的4 層定義終端對終端的資料傳輸方式
17
OSI 各層功能
18
應用層



應用層扮演真正的應用程式 (與分層式結構無
關) 與下一層之間的界面, 讓應用程式能夠穿越
協定堆疊向下傳送資訊
例如IE 並不是真的位於應用層內, 而只是在必
須處理遠端資源時, 才與應用層協定聯繫
應用層還要負責辨識出預期的通訊夥伴, 做好
通訊準備, 並且判斷這個預期的通訊是否能得
到足夠的資源
19
表現層




負責資料的轉換與編碼格式
成功的資料轉換技巧是在傳送前先將資料調整
為標準格式, 並將電腦設定為能夠接收這種標準
格式化的資料, 然後再將其轉換為原本的格式
(例如由 EBCDIC 到 ASCII), 進行真正的讀取
藉由提供轉換服務, 以確保從某系統應用層所傳
輸的資料, 能夠由另一系統的應用層所讀取
這一層對應了資料壓縮、解壓縮、加密、與解
密等任務, 還有一些表現層標準則是關於多媒體
的運算
20
會談層



負責在表現層實體 (entity) 間建立、管理、與拆
除會談
提供裝置或節點間的對話控制, 協調系統間的通
訊, 並提供 3 種不同模式來組織通訊, 包括：單
工、半雙工、與全雙工
隔開各個應用程式的資料
21
傳輸層





對上層應用的資料進行切割與重組, 並統整到同
一個資料串流中
提供終端對終端的資料傳輸服務, 在互連網路的
傳送主機與目的主機間建立邏輯連線
負責的工作包括：對上層應用進行多工, 建立會
談, 與拆除虛擬電路。提供透通的資料傳輸, 為
其上層隱藏網路相關的資訊細節
可靠與不可靠的服務
連線導向 (connection-oriented) 與無連線式
(connectionless)
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連線導向式通訊

連線導向式服務的特性




建立虛擬電路 (例如, 三段式斡旋)
使用封包排序
運用確認機制
進行流量控制
23
三段式斡旋
24
流量控制

利用緩衝、避免壅塞、視窗機制
25
視窗機制
26
確認
27
網路層


負責管理裝置的定址, 決定如何移動資料；這意味著網
路層得在沒有直接相連的裝置間傳送交通流
路由器 (第 3 層裝置) 就是規範在網路層, 並且提供互
連網路的遶送服務。路由器的運作如下



當路由器從界面收到封包時, 會檢查封包的目的 IP 位址。
如果該封包的目的地不是當台路由器, 就會在路徑表中
尋找目的網路位址
一旦路由器選定離開的界面, 就會將封包送往該界面以
封裝至訊框中, 並送到本地網路上
如果路徑表中找不到該封包目的網路的相關路徑, 就會
丟棄該封包
28
網路層使用的封包

資料封包



用來傳輸使用者資料到互連網路上
支援資料交通的協定稱為「被遶送協定」
(routed protocol), 例如 IP 與 IPv6
路徑更新封包



用來對鄰接路由器更新網路的連結資訊, 以勾勒
出連結互連網路內所有路由器的網路
用來協助每台路由器建立與維護路徑表
傳送路徑更新封包的協定稱為遶送協定 (routing
protocol), 例如 RIP、RIPv2、EIGRP、與
OSPF
29
路由器使用的路徑表資訊

網路位址



界面


特定協定所用的網路位址
路由器必須為每種遶送協定維護一份路徑表, 因為每種
遶送協定會使用不同的位址結構來追蹤網路
轉送封包至特定網路時採用的離開界面
衡量指標 (metric)



到遠端網路的距離
不同的遶送協定使用不同方式來計算距離
有些遶送協定 (亦即 RIP) 會使用所謂的中繼站數 (hop
count), 也就是封包前往遠端網路所經過的路由器數目,
有些則使用頻寬、延遲、或甚至於tick數目
30
路徑表範例
31
路由器在互連網路中的作用
32
路由器的相關重點






預設上路由器不會轉送任何廣播或多點傳播的
封包
路由器會使用網路層標頭中的邏輯位址, 來決定
封包的下一個轉送站
路由器能夠使用管理者建立的存取清單, 控制可
以進出界面的封包類型, 以維護安全
路由器可以視需要提供第 2 層的橋接功能, 並且
透過相同界面進行遶送
路由器能提供VLAN間的連線
路由器可以提供QoS 給特定類型的網路交通
33
資料鏈結層



提供資料的實體傳輸, 並且處理錯誤通知、網路
拓樸、與流量控制
使用硬體位址, 遞送訊息給 LAN 上的適當裝置,
並且將網路層的訊息轉換為位元, 供實體層傳輸
將訊息格式化為資料訊框 (data frame), 並且加
上包含目的與來源硬體位址的特製標頭
34
乙太網路與 IEEE 規格中的資料鏈結層

MAC定義如何將封包放入媒介




競爭式媒介存取
定義實體位址與邏輯拓樸
使用line discipline、錯誤通知 (不校正)、訊框的循序遞送、與選擇性
的流量控制
LLC負責辨識網路層協定, 並且進行封裝


依據 LLC 標頭得知該如何處理封包
提供流量控制, 控制位元的順序
35
資料鏈結層的交換器與橋接器






第 2 層的交換是以ASIC專屬硬體為基礎的橋接, 具有
很低的延遲率
橋接器與交換器會讀取經過它的每個訊框, 將來源的硬
體位址放入過濾表中, 並且記錄該訊框的接收埠
第 2 層裝置建立起過濾表之後, 就只會將訊框轉送到
目的硬體位址所在的網段
當交換器在過濾表中找不到所收到之訊框的目的硬體
位址時, 就會將該訊框轉送至所有相連的網段
如果所傳送訊框的目的位址是廣播位址, 交換器的預設
動作是轉送廣播到每個相連的網段上
唯一能夠阻止廣播風暴在互連網路中傳播的方式就是
－ 使用第 3 層裝置
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二進位與十進位的轉換
二進位值
十進位值
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實體層




直接與不同類型的通訊媒介溝通：送出位元與
接收位元
不同類型的媒介使用不同的方式來表現位元值,
有的使用不同音高, 有的則使用電壓從高變低或
從低變高的變化
每種媒介需要特定的協定來描述所要使用的位
元模式、將資料編碼成媒介信號的方式、以及
實體媒介之連接界面的各種品質
規定在端點系統間啟動、維護、與關閉實體電
路的電氣性、機械性、程序性、與功能性需求
38
DTE ／DCE



資料終端設備 (data terminal equipment, DTE)
與資料通訊設備 (data communication
equipment, DCE) 間的界面是實體層規定的
DCE 通常是位於服務供應商這一端, DTE 則是
連結的裝置, DTE 所取得的服務通常則是透過
數據機或 CSU / DSU (channel service
unit/data service unit) 來存取
OSI 定義了實體層的接頭 (connector) 與不同實
體拓樸的標準, 讓異質系統間能夠互相通訊；
CCNA 的目標則只在乎 IEEE 的乙太網路標準
39
實體層的集線器



集線器其實是多埠的中繼器；中繼器只是接收
數位信號, 並將信號再生或重新放大
所有連到集線器的裝置都是處於相同的碰撞網
域與廣播網域
集線器所建立的拓樸屬於實體的星狀網路
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乙太網路




乙太網路採用競爭式媒介存取法, 由網路上的所
有主機共享鏈路上的頻寬
乙太網路使用資料鏈結層與實體層的規格
乙太網路使用 CSMA / CD (Carrier Sense
Multiple Access with Collision Detection)
只有橋接器與路由器能有效地防止傳輸傳播到
整個網路
41
CSMA/CD
42
CSMA/CD（續）

乙太網路碰撞時的處理方式





以堵塞信號通知所有裝置有碰撞發生
這樣的碰撞會呼叫隨機的 backoff 演算法
乙太網路網段上的每部裝置會暫停傳輸一小段時間, 直
到計時終了
當計時截止時, 每部主機都有相同的優先權來傳送資料
CSMA / CD 網路承受大量碰撞時, 可能會有以下的效
應產生：



延遲
低產出
壅塞
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半雙工與全雙工乙太網路



半雙工使用一對線路, 全雙工乙太網路則是使用
兩對線路, 分別用來進行資料的傳輸與接收﹐所
以全雙工的資料傳輸比半雙工快
自動偵測機制會先決定交換能力, 亦即先檢查看
是要以 10 或 100Mbps 運作；然後再檢查是否
能以全雙工方式運作
下列 3 種情境都可以使用全雙工乙太網路：



由交換器連到主機
由交換器連到交換器
透過crossover纜線由主機連到主機
44
半雙工與全雙工乙太網路的重點總結



全雙工模式沒有碰撞
每個全雙工節點要有專屬的交換埠
主機的網路卡和交換埠同時都要能夠在全雙工
的模式下運作
45
乙太網路的資料鏈結層


負責乙太網路的定址, 通常稱為硬體位址或
MAC 位址
負責從網路層接收訊框, 並且準備透過乙太網路
的競爭式媒介存取方法在區域網路上傳送
46
乙太網路定址


I / G位元值為 0 時, 就可以假設該位址確實是某
裝置的 MAC 位址, 值為 1 時, 則可以假設該位
址是乙太網路的廣播或多點傳播位址
G / L 位元設為 0 時, 代表這是由 IEEE 統籌管
理的位址；設為 1 時, 則代表這是本地管理的位
址 (例如 DECnet 習慣的做法)
47
乙太網路訊框
48
乙太網路訊框（續）





Preamble 7 個位元組﹐交錯的 1、0 模式, 供接收裝置用來鎖
定進入的位元流
SFD / Synch 10101011, 其中最後一對 1 讓那些從中途進入交
錯之 1、0 模式的接收端能夠達到同步, 並且偵測到資料的開始
DA 目的位址﹐可能是單機位址, 或是廣播或多點傳播的 MAC
位址
SA 來源位址﹐此欄位中不得使用廣播與多點傳播的位址格式
長度或類型欄位在 802.3 是長度欄位, 但是在Ethernet_II中則是
類型欄位, 藉以辨識網路層協定



802.3 無法辨識上層協定, 必須在專屬 LAN (例如 IPX) 中使用
資料 從網路層向下送給資料鏈結層的封包, 長度可能從 64 到
1500 位元組
FCS 位於訊框結尾, 用來儲存循環冗餘查核 CRC
49
乙太網路訊框範例

範例一（利用類型欄位來辨別網路層協定）

範例二（廣播位址）

範例三（使用IPv6v協定）
50
乙太網路的實體層

IEEE 802.3 與最初的乙太網路實體層規格

IEEE將802.3延伸為802.3u (FastEthernet) 、 802.3ab (類別 5
上的 Gigabit Ethernet)與802.3ae (光纖與同軸電纜上的10Gbps)

包括100BaseTX、100BaseFX、1000BaseCX、1000BaseT、
1000BaseSX、1000BaseLLX
51
乙太網路的實體層（續）




EIA / TIA 所指定的每種乙太網路纜線都有本身的衰減
率, 以 dB 為單位
佈線是以類別 (category) 來衡量；越高品質的纜線會
具有較高的類別等級和較低的衰減率。產生的串音也
較少。所謂串音 (crosstalk), 就是纜線中相鄰電線所造
成之有害的信號干擾
每種 802.3 標準都有定義AUI, 能夠一次將一個位元從
資料鏈結媒介存取方法傳送到實體層。這可以讓 MAC
維持不變, 但是意味著實體層要能夠支援任何現有與新
的技術。最初的 AUI 界面是 15 接腳的接頭
但AUI 界面無法支援高頻率的 100Mbps 乙太網路, 因
此 100BaseT 需要新的界面－定義在 802.3u 規格中,
稱為MII
52
直穿式纜線

用來連結：


主機到交換器或集線器
路由器到交換器或集線器
53
交叉式纜線

用來連結：





交換器到交換器
集線器到集線器
主機到主機
集線器到交換器
路由器直接連到主機
54
滾製式纜線

用來將主機連到路由器控制台的com埠
55
2
1
設定HyperTerminal


使用滾製式纜線
組態的設定如下：
3
56
纜線練習一
交叉式纜線
57
纜線練習二
直穿式纜線
滾製式纜線
交叉式纜線
直穿式纜線
直穿式纜線
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資料封裝
59
資料封裝（續）
60
資料封裝（續）
61
Cisco 三層式階層模型
（骨幹）
（繞送）
（交換）
62
核心層

設計核心層時應該要：




設計高可靠性的核心層。考慮能同時促進速度與冗餘的
資料鏈結技術, 例如 FDDI、(有冗餘鏈結的) 高速乙太網
路、甚至是 ATM
設計時要將速度謹記在心, 核心層的延遲應該要非常小
選擇收斂時間較短的遶送協定
設計核心層時不要：



做任何會減緩交通的事, 包括使用存取清單、在虛擬區
域網路 (VLAN) 間進行遶送、實作封包過濾等
在此支援工作群組的存取
當互連網路長大時, 要避免擴充核心層 (例如新增路由
器)。如果核心層的效能發生問題, 升級會比擴充好
63
分送層


有時又稱為工作群組層﹐主要功能是提供遶送、
過濾、與 WAN 的存取, 以及根據需要來判斷封
包該如何存取核心層
分送層通常應該提供下列幾種行動：






遶送
工具 (例如存取清單)、封包過濾、與佇列的實作
安全與網路政策的實作, 包括位址轉換與防火牆
遶送協定 (包括靜態遶送) 間的重分送
(redistribution)
VLAN 與其他工作群組支援功能間的遶送
廣播與多點傳播網域的定義
64
存取層



存取層會控制使用者與工作群組對互連網路資
源的存取, 有時又稱為桌面層 (desktop layer)
大多數使用者需要的網路資源都可以在當地取
得, 而遠方服務的交通則是由分送層處理
存取層必須包含的功能：



延續自分送層的存取控制與政策
建立獨立的碰撞網域 (網路分割)
連結工作群組與分送層
65