網路架構

在這裡我們將要討論一些網路物理和邏輯形態﹐以及它們各自的特征﹐同時也會開始介紹IEEE的802.x標準。

網線的困繞

要組網﹐當然先要將個機器連接起來啦。假如您喜歡的話﹐我們可以將每兩個網路節點都直接用網線連接起來﹐如果材料夠﹐地方又允許的話﹐這完全是有可能的。那麼按此接法﹐我們需要的網線數量 = 節點數目 x ( 節點數目 - 1 ) / 2 ﹐也可以從下面的列表中直接看出來﹕

節點數目	所需網線數量
5	10
8	28
25	300

天哪﹗如果有一百台電腦起不是整個辦公室都佈滿網線了﹖﹗而且網線也需要錢買的啊﹐所以實際上﹐是沒有人會採用這樣的連線方法的。

物理形態

星狀形態(Star Topology)

一個星狀的網路形態裡面﹐在中央是一個集線器(hub)﹐或MAU (Multistation Acces Unit)﹐所有的工作站﹑伺服器和印表機都接到hub上面﹐看上去就象一顆星星向四週放射星光一樣﹐因而得名。

Star Topology

hub通常有兩種﹕惰性(passive) hub和活性(active) hub。前者僅僅是將各個接口(port)連接起來﹐也就是將上面的那個接線方法從一個辦公室縮小為一個盒子罷了﹐再無其它功能了﹔而後者除了會起到增益器(Repeater)的作用之外(其實這是活性hub的最基本功能了)﹐還可能肩負網橋(Bridge)和路由器(Router)的功能(這兩種功能稍後會解析)。

星狀的形態裡面﹐hub是不可缺少的部件﹐如果一個hub的接口都接滿了﹐我們還可以引一條線出去接另外一個hub﹐這樣就有另外一個星星了﹐但最多可以串接4個hub (也就是共5個)。

星狀形態的優點是﹕

• 容易傳輸
• 容易除錯
• 容易佈線

使用星狀形態﹐伺服器無需知道信息請求是從哪個節點來的﹐也不必擔心回應給誰﹐只需知道哪個port就可以了﹐然後hub會決定如何傳遞給真正的機器。這也給除錯帶來方便﹐如果有哪台機器不能連上網路﹐我們只需要查看這台機器和hub之間的連接就是了。如果您的機器都四散東西﹐甚至樓上樓下的﹐使用星裝形態的話﹐你就不必擔心如何將它們整體的連接起來﹐只需關心各台機器怎樣集中到hub而已。

總線形態(Bus Topology)

在bus形態裡面也有兩個類型﹕一是Thick Ethernet﹐另一是Thin Ethernet。前者使用一條厚厚的中央網線(10base5)﹐兩頭帶有終端電阻﹐然後各接點再通過一條較幼的網線連到這條厚線上面﹔而後者則只使用10base2 網線將所有的節點連接起來﹐網線和節點之間使用T型接口連接﹐而在兩端的接點則各連接一個終端電阻。

Thick Ethernet

Thin Ethernet

Bus形態的最大問題是出現問題的時候的問題(﹖﹖﹖廢話啦~~)﹐網路這時候需要整個停下來檢查﹐如果是因為終端電阻沒接好那還好辦﹐換一個就可以。但要是其中一個節點有問題的話﹐你就得慢慢找出來了。在star形態裡面﹐要是該節點有問題﹐受影響的僅是其接點罷了。但在bus上面則不同﹐如果一個節點是關閉的話﹐封包會略過它而直接通過T型接頭傳給下一個開著的節點。然而﹐要是該有問題的接點開著的話﹐也會接收和發送封包﹐但卻會令到網路越來越慢甚至停頓下來。

順便一提﹐我們在給10Base2網路除錯的時候﹐一個較好的方法是﹕先從中間斷起。就是將其中一個終端電阻接到中間的節點去﹐然後檢查各自分開的部份﹐找有問題那邊﹔再繼續斷開中間﹐如此一直到找到問題的節點為止。

Bus形態唯一好處是便宜﹕無需hub而且省cable﹑省錢。如果在家裡玩玩或接點不多﹐Bus形態也是值得考慮的。

環狀形態(Ring Topology)

一般來說﹐這樣的形態我們是比較少見到的﹐因為其佈線是一個非常頭痛的問題﹐您大概從下圖可見一斑﹕

Ring Topology

Ring形態可以說補足了bus的短處﹐且無需使用終端電阻。因為它使用雙網線連接﹐當然其佈線數量也是雙倍增加了。但在一般的辦公室環境裡面甚少會見到物理Ring形態的網路﹐它通常是用來做為連接數建築物之間的高速龍骨幹網﹐如FDDI等。

邏輯形態

雖然我也知道我很囉嗦﹐但我還是要提醒大家﹐網路形態和邏輯形態是兩碼子事情﹐在學習邏輯形態的時候我建議您先將物理形態忘記掉。

Bus / Ethernet

我想Ethernet恐怕是最佳的邏輯bus形態例子了﹐它也是現在最普遍的LAN類型。

這個邏輯bus形態是如何工作的呢﹖很簡單﹐就是每次只能有一個節點在網路上傳遞數據給其它節點﹐其形式是通過對整個網路進行廣播(broadcast)。然後其它接點收聽到廣播之後﹐就看看數據是否傳個自己的﹐如果是﹐則接收下來﹔如果不是﹐則略過。每一節點都有一個自己用的48bit的地址(也可以稱為Node ID﹐也就是在前面說的網卡地址了)﹐而每一個在網路中傳輸的數據都是以這個地址為傳送和接收依據的。

當任何一個節點進行廣播的時候﹐所有的其它節點都收聽得到。其情形就像我們上課一樣﹐老師說﹕“第幾排第幾號同學出來拿作業﹗”雖然全班同學都聽得到﹐但卻只有一位同學可以拿到。Bus形態也和這種形式很類似﹐當然具有更嚴謹的一套法則啦。在bus上面的數據都是以框包(frame)形式傳遞的﹐框包送出來之後﹐會同時向bus兩端廣播﹐當目的地接收到給它的框包﹐也不是據為己有的﹐而是複製一份給自己﹐而原來的框包則還是會繼續被送給下一個節點﹐直到封包抵達終端電阻才會被銷毀。

任何類型的數據要在這一網路上面傳遞的話﹐都必須嚴格的遵循既定的框包格式﹕Data Link Layer Frame 格式﹐是給網路用來安排數據的。Ethernet的Data Link Layer Frame看起來如圖﹕

序言 (Preamble)	目的地 地址 (Destination)	來源地址 (Source)	信息類型 (Message Type)	數據 (Data)	封包監測資料 (Frame check sequence)
8 bytes	6 bytes	6 bytes	2 bytes	46-1500 bytes	4 bytes

每一個 frame 都不可以超過1518bytes﹐這樣就可以確保任何一個工作站都不會佔用網路太久。工作站對網路廣播之前﹐都會先傾聽一下有沒其它人在使用網路﹐如果聽起來很安靜﹐則它會發送廣播。但要是網路上仍然嘈嘈的呢﹖(這個情形就是bus形態最擔心的)﹐這時候工作站就需等待了。

假如節點A和節點B相隔得太遠的話﹐當他們傾聽的時候可能都還沒聽得到對方有話要說﹐就都同時把封包出去﹐這就是所謂的碰撞(collision)了。如果當一個碰撞發生了﹐就會在網線產生一個頻率徊蕩( frequecy ripple)。如果第一個節點監測到有這樣的 ripple ﹐它就會發出一個高頻信號去清除所有其它信號。這個信號告訴所有節點碰撞已經發生﹐這樣全部節點都不會再發送封包了。這時候﹐每一個節點都會隨機的等待一段時間再重新進行廣播﹐總共可以進行16次嘗試大家才會最終放棄。不過其情形也不會好到哪裡﹐因為在大家等待之後﹐彼此都有封包要發送﹐誰都想先發送自己的封包﹐如果節點越多﹐距離越長﹐發生碰撞的機會也就越高。

情形就象上課時您要發言﹐得先看看有沒有其它同學在發言﹐如果已經有人在說話了﹐那你就先等他/她講完再舉手。要是兩個人都同時舉手﹐老師就會宣佈重新再舉手﹐這時候大家可以在一秒鐘之內再舉手﹔要是還是一樣﹐那麼可以再於兩秒之內任何時段舉手﹔再來就4秒﹑8秒﹑16秒....的延續下去﹐要試過16次都還一樣﹐沒辦法了﹐大家都不要說好了。

在網路上﹐我們稱這樣的方法為 CSMA/CD (Carrier-Sensing Multiple Access with Collision Detection)。要注意的是﹐所有這些處理過程都必須在Ethernet 網卡上面進行﹐也就是說﹐如果您要選用Ethernet形態﹐那麼你就必須全部使用Ethernet網卡。

Ethernet可以在bus, star 等物理形態上面使用。10baseT就是使用star的物理形態﹐但邏輯上卻是bus形態來的﹐同樣也是Ethernet﹐使用的是IEEE802.3標準。

Token Ring

Token Ring網路在物理上也和100BaseT Ethernet一樣使用star形態。只不過代替hub的是MAU而已﹐一個MAU可以連接八台電腦﹐然後還可以連接到另一個MUA。一塊Token Ring網卡上面﹐其中有端會帶有一個D-shell類型的接頭﹐而另一端則有一個odd-looking IBM接頭。在Token Ring上面無需使用終端電阻﹐網線的一頭接到網卡﹐另一頭接在MUA就可以了。

我們還記得在Ethernet系統上面使用廣播形式傳送封包﹐然而在Token Ring裡面﹐每一個節點都只會得到其前面的一個節點送來的信息。Token Ring的靈魂所在是一個叫做 Token Packet的封包。為了避免碰撞發生﹐Token Ring可以確保每次只能有一個工作站可以發送資料﹐它們使用token packet(或曰token stick)來達到這一目的。只有獲得這個Token packet的接點才可以發送資料。

舉個例子﹐同學們在班上為了避免同時有兩個人發言﹐於是就使用一個令牌﹐由一個同學傳給下一個同學﹐然後最後的同學傳回給最前面的同學。拿到令牌的同學﹐看看如果令牌是空的﹐就把說話寫在令牌上面(寫滿為止﹐如果不夠用﹐等下次再寫)﹐然後註明來源地址和目的地址﹐再將令牌傳給下一位同學。接到令牌的同學﹐會檢查目的地址﹐如果不是給自己的﹐就傳給下一位﹐如果地址是給自己的﹐則抄一份保存﹐原來的令牌照樣傳遞下去。因為令牌是繞著圓圈的傳遞﹐所以始終會到自己手上的。當那位原先發送信息的同學收回令牌﹐看到來源地址是自己的﹐就把令牌擦乾淨﹐然後把令牌交給下一位同學﹐就算他還有話要說﹐也要這樣做。如果下一位同學沒有東西要寫﹐就簡單的把令牌交給下再一位則可﹔如果有東西要寫﹐就重複剛才的規則。

Token Ring上使用的是類似的方法﹐只是略有不同而已﹕當一個節點獲得Token Packet並完成了信息準備之後﹐它會傳給下一個節點﹐如果沒有人接下來﹐就再傳一次﹐如果第二次都沒有人要﹐則給整個網路發送一個solicit successor fram的常規請求﹐詢問“有誰想要這一個Token啊﹖”﹐如果有節點回應這個請求﹐它就把Token直接傳到該地址。

不過同是使用Ring形態的FDDI則略有不同﹐也拿剛才的例子說明﹕凡是拿到令牌的同學﹐先把要說的東西寫在紙條上面﹐也註明是誰寫給誰的﹐然後把紙條夾在令牌上傳給下一位﹔要是沒有話要說就把令牌直接傳給下一位即可。等收到令牌的時候﹐就看看信息是否給自己的﹐如果是就抄一份保存下來﹐如果同時還有信息要送呢﹐再按格式填寫紙條﹐也夾在令牌上面傳給下一位同學。等令牌在繞回來的時候﹐檢查上面的那些紙條﹐如果發現發信人是自己的話﹐就把紙條拿下來﹐然後撕掉就行了。

在網路上﹐我們稱這種方法做﹕Token Passing。

IEEE802.3 vs. IEEE802.5

我們稱Ethernet的傳遞形式為廣播(broadcast)形式﹐Token Ring使用的則是指定(dedicated)形式﹔broadcast屬于probabilistic形式的協定﹐也就是不能夠保證工作站可以獲得接通網線的能力。Token Ring則屬于deterministic形式的協定﹐也就是使用一套規則來保證工作站有接通網線的能力。在IEEE定標準面﹐Ethernet屬于802.3標準﹐而Token Ring則屬于802.5標準:

特性類項	IEEE 802.3	IEEE 802.5
邏輯形態	Bus	Single Ring
物理形態	Star, Bus	Star
介質	Optic fiber, Twisted Pair, Coaxial Cable	Twisted Pair
頻寬	10 Mbps	4 or 16 Mbps
連接形式	CSMA/CD	Token Passing
過載信息	Single	1(4 Mbps)或 Multiple(16 Mbps)
最大封包體積	1518 bytes	4500 (4 Mbps) 18000 (16 Mbps)
節點數目	1024	260
節點間隔	2.8m (minimum)	100m (maximum)
最長網路距離	2.8km	不等

另外還要一提的是﹐有個IEEE802.4標準﹐在物理上使用bus形態的﹐但卻以Token Passing的形式來傳遞資料。和Token Ring一樣﹐只有得到Token的節點才可以發送資料﹐但一旦其獲得了接收節點的確認回應﹐就得把Token交給下一節點了。在網路裡必須有一套機制來追蹤哪一個節點會是下一個得到Token的節點。在網路上面會有一個master的角色﹐如果token丟失或由某些原因不能傳送﹐master會先對全網路發出請求﹐然後宣佈取消舊的token而重新發放一個﹐它比任何其它節點要有最優先權獲得Token。

不過比起Token Ring的star形態來說﹐802.4畢竟還是有其不足之處的。比如在802.5裡面使用的mart hub﹐有能力偵測到工作不良的節點﹐從而可以把Token繞過它來傳遞﹐同時會指示出哪一個節點有問題﹐而802.4則做不到這點。

五四三原則

我們知道網線的傳輸距離都是有限的﹐如果節點之間的距離太遠﹐我們就需要在中間使用增益器(Repeater)來將信號放大後繼續傳輸。如果使用802.3協定的時候﹐有一個原則我們是必需遵守的﹕五四三原則。意思就是網路上最多只能有﹕

• 5個網段(segment)。所謂segment就在物理連接上最接近的一組電腦﹐在一個BNC網段裡面最多只能接30台電腦﹐且網線總長不能超過185m。
• 4個增益器(repeater)。也就是將信號放大的裝置。
• 3個電腦群體(population)。這個不好理解﹐也就是說前面所說的5個segment之中﹐只能有3個可以裝電腦﹐其它兩個不行。

這個原則看上去就好像這樣﹕

原文：http://www.study-area.org/network/network_archi.htm