電腦網路與連結技術：第七章 區域網路模型
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電腦網路與連結技術：第七章 區域網路模型
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第七章 區域網路連結
介紹建構區域網路的基本模型，包含網路拓樸圖、媒介存取與協定標準，並介紹 LLC 的多工服務、協定資料單元、介面規格與通訊協定。 7-1 區域網路模型
『區域網路』（Local Area Network, LAN）是指連接範圍較小或限定某一固定區域範圍內的網路，不像大型網路，網路連接範圍隨時變動，因而增加網路連線管理的困難度。其實區域網路是所有網路的基礎，透過區域網路的連結可將網路範圍延伸至大都會網路、乃至廣域網路。本章首先介紹區域網路的基本模型，由此基本模型延伸為最小的雛型網路（Fast Ethernet 或 Gigabit Ethernet，第八、九章介紹）網路，再透過連結技術將若干個雛型網路，連結成較大型的區域網路（第十章介紹）。 我們由下列三個特性來介紹區域網路的基本模型。 7-1-1區域網路的拓樸圖 一個區域網路的雛形是將多部工作站連接在一起，它們之間共用某一傳輸媒介來互相通訊。工作站之間的連結方式，有各種不同的連接形狀，即所謂的網路『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，不同的拓樸圖也涉及到工作站之間的傳輸媒介存取技術，以下分別介紹之。 (A) 星狀拓樸圖（Star Topological） 星狀拓樸圖是一種集中控制型，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以點對點之專線（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 網路等等，如圖 7-1 (a) 所示。
圖 7-1 星狀拓樸圖與樹狀拓樸圖
星狀拓樸圖為『佈線系統』（Wiring System）的主要架構圖。如果依照各種區域網路的拓樸圖來佈線，可能非常的困難（如環狀拓樸圖），也可能使網路可靠性降低、以及維護困難（如匯流排拓樸圖）。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，即成為多重星狀網路。因此，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多重星狀的佈線系統來佈線。[備註：所謂佈線系統是不涉及特定的通訊協定，而將網路中電腦連結成一個完整系統，至於有關通信協定的製作是由佈線系統中的設備來達成。 (B) 樹狀拓樸圖（Tree Topological） 樹狀拓樸圖類似星狀拓樸圖，但由多部主機做為網路的中心控制。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。各個主機成為樹狀拓樸圖中的節點，周邊工作站和主機之間的資料是透過其它節點的主機傳出轉送，使得網路內所有工作站之間都能夠互相通訊。主機也許是交換器或其他網路控制設備，如圖 7-1 (b) 所示。
(C) 環狀拓樸圖（Ring Topological） 環狀拓樸圖不以主機為中心，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，資料亦非直接傳遞給對方，而是經由相鄰之間的節點轉送，如圖 7-2 (a) 所示。
圖 7-2 環狀拓樸圖與匯流排拓樸圖 (D) 匯流排拓樸圖（Bus Topological） 匯流排拓樸圖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 7-2 (b) 所示。
7-1-2 區域網路的媒介存取 網路上工作站大多是透過共同傳輸媒介來互相通訊。因此，同一個網路上所有工作站必須使用相同的媒體存取方法，才能保證它們之間能夠相互通訊，一般有下列幾種存取技術： (A) 交換式技術 交換式存取技術大多使用於星狀拓樸圖，網路上各個電腦均連接到中心的交換設備上，交換設備必須紀錄每一個埠口連接電腦的名稱，一般都紀錄電腦的 MAC（Medium Access Control）位址。任何一部工作站如欲傳送資料給其它工作站，當它傳送訊框進入自己的埠口時，交換設備再依照訊框內所紀錄的目的地位址（MAC），轉送到該位址所屬的埠口上，達成交換的工作。由於各通訊埠口的傳輸速率不一定相同，交換設備為了協調它們之間的速率，在各埠口上皆安裝有大量的緩衝器。也因為這樣，所以各通訊埠口同時具有儲存與轉送的功能（Store-and-Forward）。例如， Ethernet Switch。 (B) 循環式技術 在循環式技術中，網路上每部工作站都依序給予使用傳輸媒介的機會。當工作站取得傳送的權利時，可以拒絕傳送，或是送出資料量在某一指定上限的資料。傳送完資料之後，便將傳送權利交給下一個邏輯順序中的工作站。一般都使用符記（Token）來表示權利的象徵，工作站取得 Token 就可以使用傳輸媒介來傳遞資料，而沒有取得 Token 者則只能接收資料。在高傳輸量的環境裡，循環式技術具有高傳輸效率，但應用於傳輸量較低的環境，可能會浪費不少符記傳遞的時間。例如：Token-Bus 、Token-Ring 網路或 FDDI 網路。 (C) 競爭式技術 競爭式技術就是在網路上並沒有依序使用傳輸媒介的順序，任何一部工作站想要傳送資料便直接將資料發送到網路上，只要搶到使用權就可以傳送資料。因此，較適合應用於突發式的傳輸情形。此技術在輕負載網路上效率較高，但在高負載時，常因兩部以上工作站同時傳送資料，而產生碰撞的情形，可能使整個網路癱瘓。所以，競爭式技術中的碰撞機率控制，完全主宰系統的性能。例如，CSMA/CD 網路就利用隨機等待時間的長短來減低碰撞的機率。 (D) 預約式技術 在預約式技術中，傳輸媒介的傳輸時間會被切成某一固定的時槽（time slot），類似 TDM 一樣。欲傳送資料的工作站需事先預約時間槽，其預約時間長度可依需求而無限的延伸。網路型態使用樹狀拓樸圖，工作站欲傳送資料時便向它所屬的節點預約，節點依照網路狀況再決定是否授於傳送權利。對於傳輸量少且傳輸時間長的傳輸作業而言，預約式技術是相當適用的。例如，AnyLan 網路。 7-1-3 區域網路的協定標準 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的規格，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相關產品。
圖 7-3 區域網路的通訊協定關聯 在圖 7-3 中的廣域網路連接技術相當於 OSI 參考模式中的第 1 、2 層，一般是由電信公司所提供（或稱為電信網路），例如 ATM 網路、Frame Relay 網路、或 10 Gigabit 網路（本書第三部份介紹）。區域網路也屬於這兩層，依照 IEEE 的建議模式，將鏈路層分為『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 7-3 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，並分為若干次級委員會，分別制定下列標準：（如圖 7-4 所示）
圖 7-4 IEEE 802 系列通訊協定標準 圖 7-4 為 IEEE 802 系列區域網路標準的架構，其中包含了許多 MAC 層的協定標準，各種標準都有其應用範圍。譬如，CSMA/CD（Ethernet）網路雖然不具有即時系統（Real-Time System）的功能，但佈線簡單、維護容易，適合於一般辦公室自動化系統的網路。然而 Token-Ring 網路具有即時系統的功能，對於工廠自動化網路來講是最佳選擇；D/P LAN 網路雖然包含 CSMA/CD 和 Token-Ring 網路的優點，但對於工廠自動化而言又不夠可靠，對於辦公室自動化而言，又沒有 Ethernet 網路那麼普遍化，因此一直未被廣泛使用；CATV 網路主要應用在寬頻網路（有線電視纜線傳輸）上，這和一般網路的訴求範圍有很大的差異；DQDB 網路主要使用於高速傳輸骨幹方面；最後 Wireless LAN 網路的傳輸媒介是無線電波，所訴求的重點是可移動性電腦之間的連接，也是時下最熱門網路之一。值得注意的是，各種 MAC 協定都有其實體層的規範，並且每一種 MAC 協定為了能配合不同環境的需求，也會提出各式各樣的傳輸標準，當我們在探討這些協定標準時，也須特別去注意它。 7-1-4 區域網路的 通訊模型 (A) OSI 區域網路模型 圖 7-5 為 OSI 所制定的通訊模型，其目的是為了滿足不同環境需求，每一環境可能需要特定 MAC 協定 ，也延伸個自的網路型態。然而各種 MAC 協定（802.3 ~ 802.14）都是透過 802.2 LLC 層來連接較高層次的通訊協定，提供較高層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 LLC 介面，就可以存取不同的實體環境的網路。也就是說，高層通訊協定（如 NetBEUI、IP 或 IPX）只要符合 LLC 的介面標準，便可連結各種型態的 MAC 網路，甚至可以不知道目前所連接網路是何種型態，如此才符合通訊協定的堆疊原理。由此可見，LLC 層是區域網路模型的核心， 但目前除了特殊機構網路有採用此模型外(採用 Internet 區域網路模型)，大多沒有經過 LLC 層連結。
圖 7-5 區域網路的通訊模型 (B) Internet 區域網路模型 目前 Internet 網路風行，雛形區域網路大多是用 Ethernet 架構，也延伸 Ethernet II 網路誕生，它沒再經過 LLC 層轉接，直接連結 IP 層，又稱為『IP Over Ethernet 架構』。詳細內容請參考『網路規劃與管理技術』介紹。
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