通信基礎

1.計算機網路組件,如下圖:


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    1)  節點(node):節點主要是具有網絡地址(IP)的設備,eg:一般PC,服務器,網絡打印機,ADSL調制解調器等,但集線器不是節點,因爲它不具有IP

    2)  服務器主機(Server):提供數據以響應給用戶的主機,如http服務器,ftp服務器等

    3)  工作站(workstation)或客戶端(client):任何在計算機網絡中輸入的設備都可以是工作站,若以聯機發起的方向來說,主動發起聯機去請求數據的,就可以成爲客戶端。

    4)  網絡卡(NetworkInterface CardNIC):內建或者外插在主機上面的一個設備,主要提供網絡聯機的卡片,目前大都使用具有RJ-45接頭的以太網絡卡。一般node上都具有一個以上的網絡卡,以達成網絡聯機的功能。

    5)  網絡形態或拓撲(topology):各個節點在網絡上面的鏈接方式,一般講的是物理連接方式,如星形聯機方式。

    6)  路由(route)或網關(gateway):具有兩個以上的網絡接口,可以連接兩個以上不同的網段設備,例如IP分享器就是一個常見的網關設備,而ADSL(調制解調器)卻不是一個網關,因爲調制解調器通常視爲一個在主機內的網卡設備,我們可以在一般PC上面透過撥號軟件,將調制解調器仿真稱爲一張實體網卡(ppp)。

2.局域網和廣域網:

    1)  局域網:節點傳輸距離較近,使用較爲昂貴的聯機材料,網絡速度較快,聯機質量較佳且可靠的網絡。eg,叢集式系統,分佈式系統。

    2)  廣域網:傳輸距離較遠,網絡速度較慢且可靠性較差。egemailftphttp等。

3.OSI七層協定,如圖:

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    1)  越接近硬件的階層爲底層,越接近應用程序的則是高層。接收端和發送端,每一個階層只認識對方的同一階層數據。

    2)  每個數據報的部分,上層的包裹是放在下層的數據,而數據前面則是這個數據的表頭。鏈路層是位於軟件封包(packet)以及硬件訊框(frame)中間的一層,它必須將軟件包裹放入硬件能夠處理的包裹中,因此這個階層又分爲兩個子層處理對應的數據,在數據報文中多了兩個校驗位。

    3)  各層負責的功能分別爲:

    物理層(實體層):由於網絡媒體只能傳送01這種位串,因此物理層必須定義所使用的媒體設備的電壓與信號等,同時還必須瞭解數據訊框轉成位串的編碼方式,最後連接實體媒體並傳送/接受位串。

    數據鏈路層:分兩個子層,偏硬件媒體部分,主要負責的是MACMedia Access Control),我們稱這個數據包裹爲MAC訊框,MAC是網絡媒體所能處理的主要數據包裹,這個也是最終被物理層編碼成位串的數據。MAC必須要經由通訊協議來取得媒體的使用權。偏向軟件部分則是由邏輯鏈接層(logical link controlLLC)所控制,主要是多任務處理來自上層的封包數據並轉成MAC的格式,負責的工作包括訊息交換,流量控制,失誤問題的處理等等。

    傳輸層:這一層定義了發送端和接收端的聯機技術(如TCPUDP技術),同時包括該技術封包格式,數據封包的傳輸,流程的控制,傳輸過程的偵測檢查與復原重新傳送等等,以確保各個資料封包可以正確無誤的到達目的端。

    會話層:這層主要定義了地址之間的聯機信道之連接與掛斷,此外,亦可建立應用程序的對話,提供其他加強型服務如網絡管理,簽到簽退,對話控制等等。如果傳輸層是判斷資料封包是否可以正確的到達目得地,那麼會話層則是確定網絡服務建立聯機的確認。

    表現層:將本地端應用程序的數據格式轉換(或者是重新編碼)成爲網絡的標準格式,然後再交給底下傳送層等的協議來進行處理,所以這個層級上主要定義的是網絡服務(或程序)之間的數據格式的轉換,包括數據的加密也是在這個分層上面處理。

    應用層:應用層並不屬於應用程序所有,而是定義應用程序如何進入磁層的溝通接口,以將數據接收或者傳送給應用程序,最終展示給用戶。

4.TCP/IP協議

    1)  OSITCP/IP協議的關係如下圖:

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    2)  傳輸層按數據傳送的可靠性將封包格式分爲連接導向的TCP及非連接導向的UDP分包格式

5.TCP/IP鏈路層相關協議

    1)  廣域網使用的設備

    傳統電話撥接:透過pppPoint-to-PointProtocol)協議,早期網絡大概都只能透過調制解調器加上電話線以及計算機的九針串行端口(以前接鼠標或遊戲杆的插孔),然後透過ppp協議配合撥接程序來取得網絡IP參數,這樣就能夠上網了。但這樣速度非常慢,而且當電話撥接後,就不能夠講電話了。ppp支持TCP/IPNetBEUIIPX/SPX等通訊協議,所以使用度非常高。

    整合服務數字網路(Integrated Service Digital NetworkISDN:也是利用現有的電話線路來達成網絡聯機的目的,只是連接的兩端都需要有ISDN的調制解調器來提供聯機功能。ISDN的傳輸有多種通道可供使用,並且可以將多個信道整合應用,因此速度可以成倍成長。基本的B信道速度約爲64Kbps

    非對稱數位用路迴路(Asymmetric Digital Subsciber LineASDL:透過pppoe協議,也是透過電話來撥接後取得IP的一個方法,只不過這個方式使用的是電話的高頻部分,與一般講電話的頻率不同。因此可以一邊使用ADSL上網同時透過同一個電話號碼來打電話聊天。

    電纜調制解調器:主要透過有線電視使用的纜線作爲網絡訊號媒體,同樣需要具備調制解調器來連接到ISP,以取得網絡參數來上網。

    2)  局域網使用的設備——以太網

    以太網的傳輸速率與標準:

    以太網絡(Ethernet):速度,10Mbs

    高速以太網絡(Fast Ethernet):速度,100Mbs,網絡線等級,CAT 5

    超高速以太網絡(Gigabit Ethernet):速度,1000Mbs,網絡線等級,CAT 5e/Cat 6

    3)  以太網的網絡線接頭(跳線/並行線):目前以太網最常見的是RJ-45網絡接頭,共有八蕊,根據每條蕊線的對應不同而分爲568A568B接頭,這兩款接頭的對應蕊線如下:

    568A1,白綠;2,綠;3,白橙;4,藍;5,白藍;6,橙;7,白棕;8,棕

    568B1,白橙;2,橙;3,白綠;4,藍;5,白藍;6,綠;7,白棕;8,棕

    實際上只用1236蕊而已,其他則是某些特殊場合纔用到。根據接頭的不同,網絡線又可分爲:

       跳線:一邊爲568A一邊爲568B的接頭時稱爲跳線,用在直接鏈接的兩部主機的網絡卡

    並行線:兩邊接頭同爲568A或同爲568B時稱爲並行線,用在鏈接主機網絡卡與集線器之間的線材。

    4)  以太網的傳輸協議:CSMA/CD

    以太網絡的傳輸主要就是網絡卡對網絡卡之間的數據傳遞而已。每張以太網卡出廠時,就會賦予一個獨一無二的卡號,那就是所謂的MACMedia Access Control)。理論上,網卡卡號是不能修改的,不過某些筆記本電腦的網卡卡號是能夠修改的。以太網網卡之間數據是通過CSMA/CDCarrier Sense Multiupe Access with Collision Detection,帶有衝突監測的載波偵聽多址訪問,IEEE 802.3的標準)傳輸的。

    集線器:一種網絡共享媒體,網絡共享器在單一時間點內,僅能被一部主機所使用。

    CSMA/CD的傳輸流程

    監聽媒體使用情況:在發送網絡封包前,需要先對網絡媒體進行監聽,確認沒人使用後,才能夠發送訊框。

    多點傳輸:當一個主機將訊息發送給集線器時,集線器會複製一份,然後傳送給所有連接到此集線器的主機,只是非目標主機會將該封包丟棄。

    碰撞偵測:當兩臺以上的主機同時發送訊框時,兩臺主機發送的訊框會損毀,然後這些主機各自隨機等待一個時間,重新發送訊框。

    5)  以太網絡標準訊框大小爲1500bytes

6.MAC封裝格式:

    1)  MAC就是訊框(frame),這個訊框包含了兩個重要的數據,就是目標與來源網卡卡號,因此我們又簡稱網卡卡號爲MACMAC可以理解爲一個在網絡線上面傳遞的包裹,而這個包裹是整個網絡硬件上面傳送數據的最小單位。MAC的格式如下圖:  

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    目的地址與來源地址指的是網卡卡號(hard address,硬件地址),硬件地址00:00:00:00:00:00FF:FF:FF:FF:FF:FF16進位法)這6bytes中,前三bytes爲廠商的代碼,後3bytes則是該廠商自行設定的裝置碼了。需要注意的是:在MAC的傳送中,網絡卡卡號僅在局域網內生效。另外要注意的上面主要資料的最小單位是46Bytes,那是因爲CSDA/CD要偵測碰撞,則訊框數據量最小得有64Bytes,減去來源地址,目標地址,檢查碼(前導碼不算),就得到數據量最小有46Bytes了,如果傳輸的數據小於4Bytes,那我們的系統會主動填上一些填充碼。

7.MTU最大傳輸傳輸單位:

    1)  標準以太網絡訊框所能傳送的數據量的最大可以達到1500Bytes,這個數值就叫做MTUMaximumu Transmission Unit,最大傳輸單位)。

    2)  IP封包最大可以到65535bytes,比MTU大很多,但IP封包可以拆成小的訊框,來發送。

    3)  GIgabit的以太網絡媒體支持Jumbo FrameMTU9000,但通用性還不是很好。

8.集線器、交換機相關機制

    1)  交換器(switch)與集線器最大的差異,在於交換器內有一個特別的內存,這個內存可以記錄每個switch port與其連接的PCMAC地址,所以,當來自switch兩端的PC要互傳數據時,每個訊框將直接透過交換器的內存數據而傳送到目標主機上,所以switch不是共享媒體,且switch的每個端口都具有獨立的帶寬。

    2)  交換機已經克服了封包碰撞問題。

    3)全雙工與半雙工:八蕊的網線實際上僅有兩對被使用,一對用在傳送,另一對用在接收。如果兩端的PC同時支持全雙工時,那表示Input/Output均可達到10/100bps,亦即數據的傳輸與接收均可達到10/100bps,總帶寬則可達到20/200Mbps,如果網絡環境要達到全雙工,就不能使用Hub(集線器)了,因爲網絡腳位的關係,無法使用共享媒體來達到全雙工(可以用支持全雙工的switch)。


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