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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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