關於研究/About Study

TCP/IPOSI之比較研究/基本概念 

基本概念

        在正式進入TCP/IP及OSI的領域之前,以下先簡單介紹一些相關的基本概念:

balls_orange.gif (924 bytes)  電腦網路之基本架構
balls_orange.gif (924 bytes)  電腦網路之互連結構
balls_orange.gif (924 bytes)  電腦網路之種類
balls_orange.gif (924 bytes)  交換技術
balls_orange.gif (924 bytes)  開放式系統
balls_orange.gif (924 bytes)  網路通信協定
balls_orange.gif (924 bytes)  階層架構


電腦網路之基本架構 

一、電腦網路之基本架構

        電腦網路(Computer Network)是電腦科技與通信技術兩者相互結合的產物。簡單地說,它是指兩台或更多的電腦與週邊設備互連起來的資料通信系統。電腦間互連的媒介可分為有線和無線二種,前者如同軸電纜、雙絞線、或光纖等,後者如微波、雷射光、或衛星通道等。

        架構電腦網路最主要的目的在於提供不同電腦和用戶之間資源共享,而根據這個概念,我們可以將電腦網路劃分為主機和通訊子網兩個部分,如圖一所示。(註1)

圖一:電腦網路的概念結構

資料來源:周明天、汪文勇編著,TCP/IP網路原理與技術,(台北巿:儒林,民國84年),頁3。

        圖中的主機是指組成網路的電腦或終端系統,而通信子網的任務則是在主機之間傳送訊息,以提供通信服務。通信子網的組成依不同類型的網路而有所不同:區域網路的通信子網是由傳輸媒介和主機網路介面卡組成;而在廣域網路中,通常還具備了一些轉接設備如TCP/IP中的閘道器(Gateway),來連接兩條或更多的傳輸線,負責主機之間的數據轉發。

        將網路中純通信部分的通信子網與應用部分的主機分離開來的概念,可以使網路分析與設計的工作大為簡化,而這可說是網路階層結構(Hierarchy)思想的重要體現。(註2)

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電腦網路之互連結構 

二、電腦網路之互連結構

        我們通常將電腦間互連的型態稱為網路拓蹼(Network Topologies)。常見的網路拓蹼有星狀拓蹼、匯流排型拓蹼、樹狀拓蹼、環狀拓蹼、網狀拓蹼等,如圖二所示(註3)。不同的網路拓蹼結構,在通道存取技術、性能、設備等方面各有不同的特色,因此它們也適用於不同的場合。

                        

星狀拓蹼(Star Topology)             匯流排型拓蹼(Bus Topology)

樹狀拓蹼(Tree Topology)

                 

環狀拓蹼(Ring Topology)        網狀拓蹼 (Net Topology)

圖二:常見的網路拓蹼

資料來源:方盈編著,TCP/IP通訊協定:理論與實務,(台北市:博碩,民國86年),頁1-6 - 1-8。

        雖然網路拓蹼的結構十分多樣化,但我們可以將通道的互連方式劃分為以下兩類:(註4)

  1. 點對點型(Point-to-Point):即每兩台連接的主機或終端機之間存在著一條實體通道,沿著某通道所發送的資料只有通道另一端的唯一一台機器收到,沒有通道競爭的現象,因此通道存取控制的問題幾乎不存在,不過也因如此,經常需要使用到較大的通道頻寬。絕大多數的廣域網路都採用點對點拓蹼結構,而以頻寬來換取通道存取控制的簡化,因為在長距離通道上一旦發生通道存取衝突,控制起來是相當麻煩和浪費的。網狀拓蹼及星狀拓蹼都屬於點對點型網路。

  2. 廣播型(Broadcasting):此類網路是以類似廣播的方式來做資料的傳送,所有主機共享一條通道,某主機發出的資料,所有其他的主機都能收到。但由於通道的共享,使得通道存取的衝突會經常發生。區域網路由於距離較短、傳輸延遲較小,通道存取控制相對地就比較容易,因此其通道結構大多屬於廣播型態,而不同的區域網路技術各自具備不同的通道存取控制技術,來規範如何競爭通道使用權、如何檢測衝突、如何避免衝突、如何進行衝突恢復等事項。此型態網路的最典型代表即是匯流排拓蹼。

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電腦網路之種類 

三、電腦網路之種類

        若依電腦網路的地域分布及連結範圍,可粗分區域網路與網域網路二個層次:

  1. 區域網路(LAN, Local Area Network):為架設在一定的範圍內的電腦網路系統,如一棟大樓、一個企業、一所學校等,廣義上也涵蓋了都市網路(MAN, Metropolitan Area Network)及校園網路(CAN, Campus Area Network)等。區域網路的電氣信號驅動及纜線系統的配置只能延伸到一定的長度,而同一段纜線所能連接的電腦數亦有上限。由於它只涵蓋了較小的區域,所用的網路纜線均為自有的,且均按照規定來連接,所以線路結構比較單純,傳送資料時也沒有路徑選擇(Routing)的問題。(註5)

  2. 廣域網路(Wide Area Network, WAN):可跨越區域的互連範圍,通常是透過公共電信網路(包括電腦線、專線、分封式位網路等)來連結,亦可以微波、衛星或其他通訊技術來建立。(註6)廣域網路常採用中央集權的管理方式,並具備路徑選擇的能力。區域網路透過中繼器(Repeater)、路由器(Router)、橋接器(Bridge)、閘道器(Gateway)等硬體,相互連接擴展而形成一個廣域網路。

        而近年來十分風行的網際網路(Internet),實際上並不是一個真正的網路。它跨越各區域或廣域網路,形成龐大的全球通信網,並在其上提供多樣化的服務。簡單地來說,網際網路是能處理各種不同服務的通訊主幹,它有公眾、私有網路的架構,而不論公眾或私有,都受到國家以及全球通信系統的支援。

        而目前實體網路連接架構有很多,茲將較常見的種類簡介如下:

  1. 乙太網路(Ethernet):屬於匯流排式的網路,工作站共用一條網路電纜,而在同一時點只有一台工作站可用此電纜。當有兩個或多個工作站嘗試存取網路時,就會發生碰撞(collision),而乙太網路通常以載波感知多重擷取碰撞檢測進入法(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD)來進行衝突解決及工作排程。(註7)

  2. 記號環網路(Token Ring)與記號匯流網路(Token Bus Network):記號型網路與以競爭方式為主的網路(如乙太網路)不同,只有握有記號封包控制權的工作站才能存取網路,而其他工作站並不企圖去同時進行存取。記號擁有的優先權排定是依工作站的權利階層以及提出申請的先後順序來決定。記號環是IEEE 802.5標準,是星狀架構的記號傳輸環狀網路;而IEEE 802.4則將記號匯流網路定義為寬頻網路的標準。(註8)

  3. 光纖分散式資料介面(Fiber Distributed Data Interface, 簡稱FDDI):由ANSI X3T9.5委員會所開發,為一光纖電纜標準,亦使用了記號傳遞處理法,通常有每秒100Mbits的輸出頻寬。它主要有三種傳輸模式:非同步服務、同步服務以及以線路為基礎的服務,是大樓骨幹(Backbone Networks)的極佳媒介。(註9)

  4. 同步光纖網路(Synchronous Optical Network, 簡稱SONET):為一光纖傳輸實體層標準,由美國國家標準局(American National Standards Institute, 簡稱ANSI)標準化,並由國際電報電話諮詢委員會 (Consultative Committee for International Telegraph and Telephone, 簡稱CCITT)推為全球性。它定義了同步與即時性資訊傳遞,用標準化資料率的光纖電纜,去除世界各地電話公司的界線,使其可以到達全球的範圍。(註10)

  5. 整體服務數位網路(Integrated Services Digital Network, 簡稱ISDN):定義使用者與終端數位連接以及網路介面,以便使用ISDN之整合資料、語音和視訊等信號的數位線路服務。它的介面可以在與它相連的不同設備間自動做交換,也提供了訊框傳送(frame relay)和其它快速封包公眾網路的接達點連接。(註11)

  6. X.25分封交換網路:為CCITT的制定的網路架構標準,定義終端機與電腦如何與分封交換網路連接。它在二個端點之間建立一個虛擬線路,資料封包根據封包中目的站地址,經由公用路由器通訊埠在網路中傳送。X.25的架設量大,也提供了可靠性的傳送方式,但也常因為如此而造成傳輸效率的低落。(註12)

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交換技術 

四、交換技術 (Switching Technologies)

        交換技術所指的是在交換設備內部將資料從輸入線切換到輸出線的方式。電腦網路中的交換技術可分為線路交換與存儲轉發兩大類,而存儲轉發又可以往下再細分為數種交換模式,茲分述如下:(註13)

  1. 線路交換(Circuit Switching):線路是指連通設備間信號傳遞的路徑而言。線路交換屬於靜態分配線路的方式,通信的二端一旦接通,便擁有一條實際的實體線路,而雙方獨占此線路。線路交換技術的傳輸延遲通常較小,也不會發生線路衝突,可靠性和即時回應能力都很優異,但其缺點是需花費一段時間建立線路,且由於線路獨享,就算線路空閒,也不能被其他用戶使用,這往往會造成通道的浪費。一般的電話撥接、ISDN等即是採用線路交換的方式來連線。

  2. 存儲轉發(Store-and-Forward):存儲轉發是一個動態分配線路的方式。它不事先建立線路,當發送端有資料要傳送時,先交給交換設備儲存起來,等待適當的時機,交換設備再選擇一條合適的空閒輸出線將訊息轉發出去。訊息在傳送的過程中,可能會經過數個交換設備。而根據傳輸訊息的型式,存儲轉發又可分為以下兩種傳送技術:

  • 連接導向式(Connect-Oriented)的虛擬線路(Virtual Circuit):訊息在傳送前先建立一條邏輯的虛擬線路,在關閉連接時撤消。兩主機之間一旦建立起虛擬線路,封包即可遵循既定的交換設備路徑進行傳輸,不必給出明顯的接收端位址,不必為各封包單獨尋找路徑,封包便會有次序地到達目的地,並不需進行重組。但虛擬線路在內部需具備輸出入緩衝等機制來支持其運作及可靠性。目前絕大多數的電腦網路是採用此模式來進行資料的傳輸,如X.25、訊框傳送(Frame Relay)、非同步傳輸模式(ATM)等皆是。

  • 非連接導向(Connectionless)的資料報(Datagram):此類模式沒有建立連接的過程,而所傳輸的封包稱為資料報。每個資料報均攜帶接收端位址,傳輸時各自單獨尋找路徑,並不需要內部機制來支援。

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開放式系統 

五、開放式系統 (Open Systems)

        開放式系統,簡單地說,是一個非專有的系統架構,能讓各種軟硬體可以在不同的平台上面運作及互通。它設立的主要精神是希望所有各種不同廠牌系統能夠共用運作,鼓勵相容性產品的發展。開放式系統通常是由廠商、財團、政府與世界標準組織共同訂定的,基本上由出資廠商、財團標準組織來控制規格,但也會與其他廠商及使用者在公開會議中定義規格。規格訂定好之後會公開出版,讓所有人取得。

        開放系統提供了一個標準化的計算環境,這些標準通常涵蓋了網路協定(如TCP/IP、OSI)、作業系統(如UNIX)、應用程式及使用者介面(如POSIX)、資料庫存取方法(如SQL)、資訊交換格式(如SGML)等範疇。(註14)透過開放式系統,產品與產品間的相容性增高,人們因此能對產品的有更多樣化的選擇。

        如果沒有開放式系統的標準化規格,我們就必須受限於購買同一家廠商的所有設備。這種單一廠商、專有性系統的壟斷性作法,正是在1970-1980年代一些大型的電腦公司所採行的方式。然而,桌上型電腦、區域性網路、和主從式計算環境等的演進,帶動了異質系統進入辦公室,以往單一廠商的專有性網路方法,已越來越乏人問津,現在各廠商均已紛紛轉向開放式的環境來與其他廠牌間相容互通。舉例來說,IBM目前對其顧客除了支援已有的SAA、APPN等標準之外,也開始支援對開放式環境有需求的新顧客,允許多種通訊協定的使用,提供對TCP/IP與OSI多協定的傳輸骨幹。有時電腦公會會對廠商施壓以生產開放式系統,因為設備採購案的公開招標都要求其設備保證可以在現存的開放式系統上運作。(註15)

        我們可以說,以往的專有性系統的時代已經結束了,開放式系統是目前的大勢所趨。而以下所要討論的二種通訊協定:TCP/IP與OSI,都具有開放性系統的架構及概念(註16)。

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網路通信協定 

六、網路通信協定 (Network Protocols)

        當有兩台以上的電腦需要通信時,就需要有行動的規則及習慣,據以傳輸訊息,就如同交通規則一般。網路通信協定即是在網路環境中不同型式的電腦間溝通的一種共同語言,也就是用來規範資料傳輸格式、時序結構及偵錯等事項的一套標準。我們可以將它視為人類彼此溝通的語言一般,有各式單字及文法。(註17)通信協定所強調的乃是在不涉及通信雙方(或多方)通信內容的前提下,為達成順利通信所要求之行為規範。基本上,它是一個有限狀態機(Finite State Machine),通信實體會依隨著這個狀態機對適當的輸入條件作狀態移轉。(註18)

        網路通信協定規範了訊息傳遞的完整程序:由使用者的應用程式開始一層層地將訊息往下傳,到最後化成電氣訊號進行實體的交換,再一層層往上傳回給使用者。一般的通信協定大致上可分為高低二個層次:高層協定定義軟體如何通訊,而低層協定則定義訊號如何在電纜上傳送。在層次與層次間也存在著一些協定,它們建立並且維護電腦之間的連線,並監督可能發生的錯誤。(註19)目前常見的網路通信協定有TCP/IP、OSI、Netware的IPX/SPX等等。

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階層架構 

七、階層架構 (Layered Architecture)

        網路作業系統和網路通信系統皆是以階層性架構來建立的,而網路通信協定在設計的時候亦是以階層架構的型式來處理。

        為什麼協定要分層呢?我們可歸納出以下二個主要的原因:(註20)

  1. 網路互連的特性:如前所述,電腦網路的結構可分為通信子網以及主機兩個部分。通信子網中的通信軟體負責處理網路細節,提供通信服務,而主機中的應用軟體則是建立在通信軟體所提供的通用介面上,處理用戶需求,提供應用服務。由此可見,網路互連自然地要求實行協定分層。雖然通信軟體與應用軟體的分離,只是協定體系大框架中的分層,然而正是這個大分層實現了異質網路之間方便靈活的互連,也正是這個大分層體現了協定分層最深刻的意義。

  2. 問題簡化:網路中可能會出現硬體故障、網路擁塞、分封延遲、或資料損壞、丟失、重複、失序等問題,通信協定軟體必須能夠檢測並糾正這些故障的情況。然而,上述的情形往往極其複雜,單一協定解決起來相當困難,因此我們採用分而治之的分層概念:每次僅關注一個子問題,這可以使問題的解決簡化許多。

        主機間的訊息交換具有實體和邏輯的雙重性質。在網路結構的最低層,訊息交換即為直接相連的兩台機器之間無結構的位元流(Bit Stream)傳輸,而以上各層所交換的訊息則具有一定的邏輯結構,越往上邏輯結構越複雜,越接近使用者真正需要的形式。訊息交換在網路的低層由硬體實現,而到了高層則由軟體實現,所以,階層式架構是在協定堆疊中,區分出每層的功能及服務的一種設計方法。而協定堆疊則定義著通信軟硬體在不同層間的合作方式:在堆疊中愈上層定義通信的應用軟體及介面,下層定義在實體媒介上的傳輸位元字串的方式,上層的應用軟體與下層的通信服務分開處理。(註21)

        系統在進行通信時,兩邊協定堆疊的同層協定必須協調溝通的方式,就如同兩個大使館間的交流,每一等級之人事遵循每一等級所規範之運作模式,各階層人事與另一個大使館之同層人事互相協調,如在最上層,兩邊的特使們舉辦正式的會議,而提供語言翻譯的服務的官員也須同時與另一大使館中執行同層級工作的官員溝通。上層人事委派任務給下層,並使用下層所提供之服務,相對地來說,每一等級均為上層等級之人執行一些服務。(註22)

        階層架構的概念,可以以圖三來表示:(註23)

圖三:階層架構的概念

資料來源:Lorcan Dempsey, Libraries, Networks and OSI: A Review, with a Report on North American Developments, (Westport, CT : Meckler in association with the UK Office for Library Networking, 1992), 15; 中文部分由筆者自譯之

        但是,階層架構的設計方式也並非完全沒有缺失。事實上,由於階層間的分工模式,使得不同層協定間可能不了解彼此所定義的資料格式以及執行事項等,以致於某些工作無法進行最佳化,所以,嚴格按照分層模型所編寫的軟體,效率常偏低,在跨網傳輸時尤其如此。(註24)

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註釋

註1:周明天、汪文勇編著,TCP/IP網路原理與技術(台北巿:儒林,民國84年),頁3。

註2:同上註。

註3:方盈編著,TCP/IP通訊協定:理論與實務(台北市:博碩,民國86年),頁1-6 – 1-8。

註4:Douglas Comer原著,周文勇譯,利用TCP/IP互連網路(台北市:儒林,民國82年),頁6。

註5:潘泰吉著,區域網路技術實務(台北市:和碩,民國85年),頁13-14。

註6:同上註,頁106。

註7:Tom Sheldon著;沈芝慎、林美瑛合譯,網路與訊訊百科全書,(台北市:和碩,民國86年),頁330。

註8:同上註,頁867。

註9:同註7,頁356-359。

註10: 同註7,頁838-839。

註11: 同註7,頁466。

註12: 同註7,頁955-956。

註13: 同註1,頁8-10。

註14: Lorcan Dempsey, Libraries, Networks and OSI : A Review, with a Report on North American Developments, (Westport, CT: Meckler in association with the UK Office for Library Networking, 1992), 11-12.

註15: 同註7,頁677。

註16: David M Piscitello and Lyman Chapin, Open Systems Networking: TCP/IP and OSI , (Reading, Mass.: Addison-Wesley Pub. Co., 1993), 35.

註17: 王建岳,「深入瞭解TCP/IP於網際網路之應用」,壢商學報 第5期 (民國86年5月):頁87。

註18: 張立銘,「數據通信淺談」。(URL:http://www.grandsoft.com.tw/gim/008/dtr72.htm, Accessed: May 17, 1998)

註19:同註7,頁641。

註20: 同註4,頁61。

註21: Colin I'Anson, Understanding OSI Applications, (Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1993), 4.

註22: 同註7,頁510。

註23: 同註14,頁15。

註24: 同註1,頁73。

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Last Modified: 1999/02/03

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