网际网路的基本概念.ppt

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1、2009/10/06,P-1,網際網路的基本概念,2009/10/06,P-2,網際網路:環球之路,Internet 的發展簡史Internet 的通訊協定TCP/IP通訊協定架構IP AddressInternet 的世界個人電腦所帶來的快樂和危險，很大的部分是來自於網際網路的潛力。,2009/10/06,P-3,Internet 的發展簡史,網際網路的發明是歸因於對核子戰爭的恐懼。“原始的構想，是建造一個在核子事件中，仍可以傳送軍事和政府資訊的網路。”電腦的需求與設備昂貴，解決之道在於連結與分享。網路問題的核心是相容性的問題。IMP(Interface Message Processor)

2、:擁有在網路上任兩點找條通路的能力，並建立連線。,2009/10/06,P-4,Internet 的發展簡史,1969年ARPA構想出一套實驗性質的分封(packet-switched)網路系統讓不同類型的網路可以共同運作，並且擁有再失去了一個或多個資料傳輸的路徑後，仍能正常的運作。1970年USENET,1980年CSNET及BITNET學術用途NSFNET(National Science Foundation Network)1986年,美國國家科學基金會取代ARPANET成為連結網路的主要網路,2009/10/06,P-5,Internet 的發展簡史,NII(National Inf

3、ormation Infrastructure)/GII台灣Internet的三大網路台灣學術網路-TANET:學術研究用途資策會的種子網路-SEEDNet:提供許多資料庫如今已商業化，成為數位聯合公司所擁有。中華電信數據所的HiNet:以商業導向的網路系統,2009/10/06,P-6,Internet 的通訊協定,不同的機器間怎麼能夠彼此溝通?通訊協定:通訊協定是一種軟體，用以指揮網路的運作與資訊的傳輸。Internet上的通訊協定TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)TCP/IP它是由一些通訊協定(TCP,UDP,I

4、P等)所組成的TCP以及UDP是用來切割資料，TCP會要求資料被正確送達，UDP將此一驗證工作留給最上層的應用程式IP則是底層的通訊協定,2009/10/06,P-7,Internet 的通訊協定,Internet上的機器編號IP AddressIP Address不易記憶Name Address領域名稱系統(DNS,Domain Name System)可用來將name address轉換成IP address,2009/10/06,P-8,其他常見的通訊協定,簡易郵件傳輸協定（SMTP，Simple Mail Transfer Protocol）：用來傳送電子郵件（email）郵局協定（P

5、OP，Post Office Protocol）：用來接收用電子郵件超文件傳輸協定（HTTP，Hyper Text Transfer Protocol）：用來傳輸WWW格式HTML（Hyper Text Markup Language）資料簡易網路管理協定（SNMP，Simple Network Management Protocol）：從事網際網路管理,2009/10/06,P-9,TCP/IP通訊協定架構圖,TCP：end-to-end communication提供可靠的傳輸、流量控制、錯誤控制 IP：routing 讓packet能夠到達正確的目標,2009/10/06,P-10,TC

6、P/IP與Internet,IP(Internet Protocol)司機-找到路線以把你送到下一站TCP(Transmission Control Protocol)導遊-確定每個旅客都能安全到達Internet並不是一個實際存在的東西，Internet並不是一個可以被擁有的東西，Internet得靠大家通力合作才得以存在。合作機制:TCP/IP,2009/10/06,P-11,TCP/IP與Internet,2009/10/06,P-12,IP Address分級,A：B：128.0.0.0 C：D：E：,2009/10/06,P-13,IP Address,IPv432位元:43億個網址

7、IPv6128位元:每個人可以擁有6萬兆兆個URLUniform Resource locationScheme/Scheme-specific parthttp:,file:,mailto:,ftp:.com,.edu,.gov,.org,.net,.tw,.jp,2009/10/06,P-14,Internet的世界,Internet 的三大基本功能電子郵件(E-Mail,Electronic Mail)遠端上機(Remote Login)檔案傳輸 FTP(File Transfer Protocol)Internet 的另類話題線上聊天(On-line Talk)電子佈告欄(BBS,Bu

8、lletin Board System)全球資訊網(WWW,World Wide Web)即時網路電話系統(Iphone,Telephony)Intranet/Extranet,2009/10/06,P-15,上網的必需品,撥接上網電腦/上網軟體一條電話線路、MODEM(ISP)撥接帳號利用學校網路(網路卡)上網電腦/上網軟體RJ-45介面網路卡 未遮蔽雙絞線（UTP）網路線 申請IP Address,2009/10/06,P-16,寬頻上網,何謂寬頻技術？只要傳輸速度能夠高於V.90標準，也就是每秒傳輸五萬六千字元56Kbps，就可以稱為寬頻。Cable Modem(纜線數據機)利用雙向有線

9、電視網路(Hyper Fiber Cable)共享36Mbps/768Kbps10MbpsADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)利用現有電話線路專線1.6Mbps6Mbps/64Kbps640Kbps,2009/10/06,P-17,網路設定必須先收集的資料,IP Address配接卡位址（MAC Address）：透過ipconfig/all查詢子網路遮罩：通訊閘：（Gateway）DNS伺服器：，140.114.63.10 測試網路是否通暢：ping 自己確定網路卡是否okping Gateway：確定網路是否暢通,2009/10/06,P-18,

10、OSI Model,Ref:1.王國安/z1_work_log/962_計算機網路/投影片/2.3.最新網路概論 2008(F7714)施威銘研究室 著 旗標出版社4.網路概論 陳湘揚 著 博碩出版社,2009/10/06,P-19,19,模型的用途(1/3),且讓我們先舉一個例子來說明模型的用途。假設小陳是某社區開發案的專案負責人,要在發表會上說明整個專案的背景、設計理念與特色。如果,小陳僅以書面資料和口頭報告,儘管說得天花亂墜,聽眾的反應可能還是會很冷淡。因為小陳所講的都是看不到、摸不著、很抽象的畫面,而且每個人所想像的畫面可能大相逕庭,自然激不起共同、熱烈的迴響。,2009/10/06,

11、P-20,模型的用途(2/3),反之小陳若將社區的設計尺寸按等比例縮小,製作一個栩栩如生的模型。在發表會上,利用該模型逐項講解。由於聽眾能夠具體地看到各種設施的外觀、位置,因此能充分了解整個設計的優點,必然給予較正面的回應。由上例觀之,一個適當的模型能將複雜的事情具體化、簡單化。,2009/10/06,P-21,模型的用途(3/3),網路上的工作錯綜複雜,倘若能利用一個好的模型來說明,肯定能對學習有正面的幫助。然而網路模型的設計,實無定法,各家的模型皆有所長。以下所要介紹的模型,是被公認為最著名、最具影響力的網路參考模型OSI 模型。,2009/10/06,P-22,2009/10/06,P-

12、23,OSI 模型的 7 層架構簡介,International Organization for Standardization(ISO,國際標準組織)於 1984 年發表了 OSI 模型,將整個網路系統分成 7 層(Layer),每層各自負責特定的工作,如右圖：,2009/10/06,P-24,第 1 層：實體層(Physical Layer),此層主要包含以下 3 項規格：傳輸資訊的介質規格。將資料以實體呈現並傳輸的規格。接頭之規格。無論何種通訊,雙方最終得透過實體的傳輸介質來連接,例如：同軸電纜、雙絞線、無線電波、紅外線等等(要記得無線電波、光波也是實體的)。,2009/10/06,P

13、-25,第 1 層：實體層(Physical Layer)(cont.),不同的介質有不同的特性,所以 0 與 1 的數位資料在傳送之前,可能會經過轉換,將數位資料轉變為光脈衝或電脈衝以利傳輸,這些轉換及傳輸工作便是由實體層負責。此外,決定傳輸頻寬、工作時脈、電壓高低、相位.等等細節,也都是在此層規定。例如：在個人電腦上廣泛運用的 RS-232(正式名稱應為 EIA-232),及討論數據機時必談的 V.90、V.92 等等,皆是此層著名的通訊協定。,2009/10/06,P-26,第 2 層：鏈結層(Data Link Layer)(1/3),此層的主要工作包含以下 3 項：同步：網路上可能包

14、含五花八門、不同廠牌的裝置,沒人敢肯定所有裝置都能同步作業。因此鏈結層協定會在傳送資料時,同時進行連線同步化,期使傳送與接收雙方達到同步,確保資料傳輸的正確性。,2009/10/06,P-27,第 2 層：鏈結層(Data Link Layer)(2/3),偵錯：接收端收到資料之後,會先檢查該資料的正確性,才決定是否繼續處理。檢查錯誤的方法有許多種,在鏈結層最常用的是：傳送端對於即將送出的資料,先經過特殊運算產生一個 CRC(Cyclic Redundancy Check)碼,並將這個 CRC 碼隨著資料一起傳過去。而接收端也將收到的資料經過相同的運算,得到另一個 CRC 碼,將這個 CRC

15、碼與對方傳過來的 CRC 碼相比較,即可判定收到的資料是否完整無誤。其實接收端在許多層都會做偵錯工作,但鏈結層是把守第一關,若是過不了這一關,通常這份資料就直接被捨棄掉。,2009/10/06,P-28,第 2 層：鏈結層(Data Link Layer)(3/3),媒體存取控制方法：至於是否通知對方再重送一份,則是每種鏈結層協定的作法不同,有的自己做,有的交給上層的協定來處理。制定媒體存取控制的方法：當網路上的多個裝置都同時要傳輸資料時,如何決定其優先順序？是讓大家公平競爭、先搶先贏？或是賦予每個裝置不同的優先等級？這套管理辦法通稱為媒體存取控制方法(Media Access Control

16、 Method,MAC Method),在後面章節會詳細說明目前最普遍的區域網路乙太網路所採用的媒體存取控制方法。,2009/10/06,P-29,第 3 層：網路層(Network Layer)(1/4),此層的主要工作包含以下兩項：定址：在現實生活中,每棟房子都會有一個唯一的地址,以方便郵差遞送信件,或是外地訪客找到位置。在網路世界裡,所有網路裝置都必須有一個獨一無二的名稱或位址,才能相互找到對方並傳送資料。至於究竟採用名稱或位址？命名時有何限制？如何分配位址？這些工作都是在網路層決定。,2009/10/06,P-30,第 3 層：網路層(Network Layer)(2/4),選擇傳送路

17、徑：若從傳送端到接收端有許多條路徑,要如何決定走哪一條呢？我們以下圖為例：,2009/10/06,P-31,第 3 層：網路層(Network Layer)(3/4),從 A 傳資料到 D 有多達 5 條路徑：,2009/10/06,P-32,第 3 層：網路層(Network Layer)(4/4),乍看之下似乎以第 1 號路徑距離最短,因為它沒經過其它節點,所以傳輸速率最快。然而實際上卻未必如此,還應該考慮線路品質、可靠度、使用率、頻寬、成本等因素,才能選出最佳路徑。,2009/10/06,P-33,第 4 層：傳輸層(Transport Layer)(1/3),此層的主要工作包含以下 3

18、 項：編定序號當所要傳送的資料長度很大時,便會將其切割成多段較小的資料。而每段傳送出去的資料,未必能遵循先傳先到的原則,有可能先傳後到,因此必須為每段資料編上序號,以利接收端收到後能組回原貌。,2009/10/06,P-34,第 4 層：傳輸層(Transport Layer)(2/3),控制資料流量：如同日常生活中難免遇到塞車,網路傳輸也會遇到壅塞（Congestion）情形。此時傳輸層協定便負責通知傳送端：這裡塞住了,請暫停傳送資料！等到恢復順暢後,再告知傳送端繼續傳送資料。換言之,就像交通指揮員,控制資料流（Data Flow）的順暢。,2009/10/06,P-35,第 4 層：傳輸層

19、(Transport Layer)(3/3),偵錯與錯誤處理：這裡所用的偵錯方式,可以和鏈結層相同或不同,兩者完全獨立。一旦發現錯誤,也未必要求對方重送。例如：TCP 協定會要求對方重送,但 UDP 協定則不要求對方重送。,2009/10/06,P-36,第 5 層：會議層(Session Layer),負責通訊的雙方在正式開始傳輸前的溝通,目的在於建立傳輸時所遵循的規則,使傳輸更順暢、有效率。溝通的議題包括：使用全雙工模式或半雙工模式？如何發起傳輸？如何結束傳輸？如何設定傳輸參數？.等等。就像兩國元首在見面會商之前,總會先派人談好議事規則,正式談判時就依據這套規則進行,才不至於擦槍走火、場面

20、失控。,2009/10/06,P-37,第 6 層：表達層(Presentation Layer)(1/3),此層的主要工作包含以下 3 項：內碼轉換：我們在鍵盤上輸入的任何資料,到了電腦內部都會轉換為代碼,這種內部用的代碼稱為內碼。現今絕大多數的電腦都是以 ASCII（American Standard Code for Information Interchange）碼為內碼,可是早期的電腦卻可能採用 EBCDIC(Extended Binary Coded Decimal Interchange Code)碼為內碼,於是這部電腦的0可能變成另一部電腦的 9,如此勢必天下大亂。遇到這種情形

21、,表達層協定就可以在傳輸前或接收後,將資料轉換為接收端所用的內碼系統,以免解讀有誤。,2009/10/06,P-38,第 6 層：表達層(Presentation Layer)(2/3),壓縮與解壓縮：為了提升傳輸效率,傳送端可在傳輸前將資料壓縮,而接收端則在收到後予以解壓縮,恢復為原來資料,這個壓縮、解壓縮工作可由表達層協定來做。但是在實作上,有鑒於許多應用層軟體這方面的表現又快又好,廣受大眾青睞。因此壓縮、解壓縮的工作反而較少由表達層協定來做。,2009/10/06,P-39,第 6 層：表達層(Presentation Layer)(3/3),加密與解密：網路安全一直是令人頭疼的問題,沒

22、人敢擔保在線上傳輸的資料不會被竊取。因此在傳輸敏感性資料前,應該予以加密如此一來即使駭客截取到該資料,也未必能看懂真正的內容。理論上來說,加密的次數愈多、加密的方法愈複雜,被破解的機率愈低,可是這樣也會耗費較多的時間,所以效率會下降。一種好的表達層協定,便能在安全與效率之間取得平衡,可靠又快速地執行加密任務。,2009/10/06,P-40,第 7 層：應用層(Application Layer),直接提供檔案傳輸、電子郵件、網頁瀏覽等服務給使用者。在實作上,大多是化身為成套的應用程式,例如：Internet Explorer、Mozilla Firefox、Outlook Express 等

23、等。而且有些功能強大的應用程式,甚至涵蓋了會議層與表達層的功能,因此有人認為 OSI 模型上 3 層（第 5、6、7 層）的分界已然模糊,往往很難精確地將產品歸類於某一層。,2009/10/06,P-41,小結,在以上 7 層中,應用層是最接近使用者的層級,屬於此層的都是使用者較熟悉、可直接操作的軟體。而愈往下層則距離使用者的操作愈遠,反而與硬體的關聯愈大。例如：鏈結層所負責的工作,幾乎都是由網路卡控制晶片和驅動程式來做；至於實體層的工作,那更是由硬體設備一手掌控,使用者完全無法干涉。,2009/10/06,P-42,小結,但是,OSI 模型只是定義出原則。這些原則說明了總共分成幾層？各層應該

24、做哪些事情？並未規定各層必須採用哪種通訊協定與產品。所以縱然同是遵循 OSI 模型所開發的產品,卻未必會採用相同的通訊協定。,2009/10/06,P-43,OSI 模型 7 層的運作方式,資料由傳送端的最上層（通常是指應用程式）產生,由上層往下層傳送。每經過一層,都會在前端增加一些該層專用的資訊,這些資訊稱為表頭（Header）,然後才傳給下一層,讀者不妨將加上表頭想像為套上一層信封。,2009/10/06,P-44,OSI 模型 7 層的運作方式(cont.),因此到了最底層時,原本的資料已經套上了 7 層信封。而後透過網路線、電話線、光纖等媒介,傳送到接收端。接收端收到資料後,會從最底層

25、向上層傳送,每經過一層就拆掉一層信封（亦即去除該層所認識的表頭）,直到了最上層,資料便恢復成當初從傳送端最上層產生時的原貌。,2009/10/06,P-45,OSI模型中資料封裝,2009/10/06,P-46,OSI模型中資料封裝(cont.),2009/10/06,P-47,OSI模型中處理資料的順序,2009/10/06,P-48,DoD 模型的 4 層簡介,由於網際網路最初起源於軍事用途,因此這個模型便以美國國防部(DoD,Department Of Defense)來命名,稱為 DoD 模型,但是也有文件直接稱為 TCP/IP 模型。而雖然 DoD 模型與 OSI 模型各有自己的架構

26、,但是大體上兩者仍能互相對應,如下圖。,2009/10/06,P-49,DoD 模型的 4 層簡介,2009/10/06,P-50,Ethernet(乙太網路),Ref:1.王國安/z1_work_log/962_計算機網路/投影片/2.最新網路概論 2008(F7714)施威銘研究室 著 旗標出版社3.網路概論 陳湘揚 著 博碩出版社,2009/10/06,P-51,乙太網路的工作原理,訊號的廣播 MAC 位址與定址 碰撞 CSMA/CD,2009/10/06,P-52,訊號的廣播(1/3),乙太網路最大的特性在於訊號是以廣播的方式傳輸。意思就是說,在網路上任一部電腦送出的訊號,其他相連的電

27、腦都會收到。讓我們考慮一個簡單的區域網路如下圖所示：,2009/10/06,P-53,訊號的廣播(2/3),當 A 要傳資料給 B 時,其送出的訊號並不會只是流向 B。正確的情形應該如下圖,當 A 要傳資料給 B 時,其送出的訊號會傳經由媒介傳到 B、C、D 三部電腦：,2009/10/06,P-54,訊號的廣播(3/3),在這種情形下,A 傳資料給 B 時,豈不是網路上所有的電腦都得接收資料？這時候就需要使用定址(Addressing)方法,來判斷誰應該收下並處裡這份資料。接下來我們就來看看定址的作法吧!,2009/10/06,P-55,MAC 位址與定址(1/3),傳輸資料前,必需決定資料

28、由誰接收,就好像在大庭廣眾之下,要跟某人講話會先叫他的名字。網路上的裝置也都有它用來識別的代號,此代號便是網路位址。以乙太網路為例,如下圖：,2009/10/06,P-56,MAC 位址與定址(2/3),上圖中的 0000E8977381 是乙太網路卡的 MAC 位址,每張乙太網路卡都會有一個 MAC 位址,其前 3 Bytes 為廠商代號,是由硬體製造商向 IEEE 統一註冊登記而來；後 3 Bytes 則是由製造商自行賦予的流水號。如此可使每個 MAC 位址保持全球獨一無二。當 A 要傳資料給 B,會註明資料的目的端為 B 的 MAC 位址,因此其他 MAC 位址不同的電腦對此資料都不予理

29、會。,2009/10/06,P-57,MAC 位址與定址(3/3),在傳送的資料中記錄目的端與來源端的位址,以決定資料的接收及回應對象,這就是所謂的定址(Addressing)。其實資料在傳輸到媒介之前,還會切割為特定大小的資料單元,稱為訊框(Frame)。在訊框中除了要傳輸的資料外,還加入一些控制用的資料,以提供管理的功能,例如：目的端與來源端的位址。這就像寄信一樣,傳輸的資料相當於信件的內容,而控制用的資料相當於信封上的姓名、住址、郵票、郵遞區號等資料。,2009/10/06,P-58,碰撞(1/2),定址雖然能解決在訊號廣播之下,由誰來處理資料的問題,但是如果 A 傳資料給 B 的同時,

30、C 也將資料傳給 D,如下圖：,2009/10/06,P-59,碰撞(2/2),此時兩個訊號交會在一起,破壞了彼此原有的電氣特性,這就是所謂的碰撞(Collision)。當傳送訊框的電腦偵測到發生碰撞,便會立即停止傳送,改為送出一個特殊的訊號,該訊號稱為壅塞訊號（Jam Signal）或碰撞訊號（Collision Signal）,以通知其它電腦：目前發生碰撞了！請大家暫停一下再嘗試傳送。這個壅塞訊號所能到達的範圍便稱為碰撞領域（Collision Domain）。,2009/10/06,P-60,使用橋接器可以分割碰撞領域,橋接器收到壅塞訊號時,會丟棄該訊號,不會將它傳到另一邊的網路,所以即

31、使這一邊的網路發生碰撞,不會導致另一邊的網路也必須暫停。橋接器兩邊的網路可以各自有一部電腦在傳送訊框,而不發生碰撞。也就是說,橋接器可以將一個碰撞領域切割成兩個,當網路發生太多碰撞時,可藉由安裝橋接器來縮小碰撞領域,以降低發生碰撞的機率。,2009/10/06,P-61,使用橋接器可以分割碰撞領域(cont.),不過發生碰撞畢竟是乙太網路的正常現象,我們雖然能降低發生的機率,但是不敢保證可以完全沒有碰撞。,2009/10/06,P-62,使用中繼器只是擴大碰撞領域,由於中繼器只是單純地將收到的訊框,原原本本地轉送出去,完全沒有阻擋特定訊框的功能。所以它收到壅塞訊號時,也同樣將壅塞訊號轉送到另一

32、邊的網路,使得兩邊的網路都必須暫停一下。換句話說,兩邊的網路雖然被中繼器隔開,但是仍然算是同一個碰撞領域。中繼器只是讓碰撞領域擴大,無法分割碰撞領域。,2009/10/06,P-63,媒介存取控制(Media Access Control,MAC),為了減少發生碰撞,必須要有一個辨法用來管理、協調各電腦對媒介的使用,以決定哪一部電腦可在媒介上傳輸訊號,這就是媒介存取控制(Media Access Control,MAC)。接著將介紹乙太網路的媒介存取控制方式。,2009/10/06,P-64,CSMA/CD(1/6),乙太網路是以 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple

33、Access/Collision Detection,載波偵測多重存取/碰撞偵測)的方式來做媒介存取控制,其原理就好像會議規定只能有一個人發言,而且是以按鈴搶答的方式來取得發言權。取得發言權的人在發言完畢之後,其他人又可以再爭取發言權。這也表示在按鈴搶答之前要先聽聽看是否有人正在發言？若然,則不必按鈴。在乙太網路上,當 A 有資料需要送出時,會先偵測媒介上是否已經有訊號？,2009/10/06,P-65,CSMA/CD(2/6),若然,則耐心等待並繼續偵測；若偵測到有空檔,且此空檔能持續 96 Bit Time,才確定可以傳輸資料,於是立即送出訊框。因為 10/100Mbps 乙太網路規格定義

34、了 96 Bit Time 為訊框與訊框之間的間隔時間,又稱為 IFG(InterFrame Gap),所以 A 偵測到的空檔可能正好位於 IFG 內,倘若立即送出訊框便可能發生碰撞,解決之道就是繼續偵測此空檔能否維持 96 Bit Time 之久,才能確定媒介上真的沒有訊框。,2009/10/06,P-66,CSMA/CD(3/6),A電腦在訊號傳輸的過程中同時也偵測媒介上的訊號,如果發現碰撞則立即停止傳送並送出一個擁塞訊號,通知每一部電腦發生碰撞,使得所有需要送出訊框的電腦等待一段隨機時間之後重新搶送資料。,2009/10/06,P-67,CSMA/CD(4/6),等待一段隨機時間的作法,

35、是遭遇碰撞時所進行的一個程序。它會依據碰撞的次數而運算出一個隨機的時間值,使所有電腦等待此時間之後再從頭開始,以錯開再次碰撞的機會。碰撞的次數愈多,則平均等待的時間愈久。當連續碰撞 16 次之後,便宣告失敗,放棄這次傳送,並向上層通知錯誤。完整的 CSMA/CD 傳送訊框流程如下圖：,2009/10/06,P-68,CSMA/CD(5/6),2009/10/06,P-69,CSMA/CD(6/6),由上所述,可知道 CSMA/CD 屬於競爭式(Contention)的網路存取方式。由於每一部電腦使用媒介的權利相等,一旦有許多部電腦要傳送資料時,則看誰先送出訊號,誰就能佔用媒介來傳輸,因此可以說是先搶先贏。,