第十四章　

網路連結

　　基本上區域網路可以提供很有效率的資源共享, 在區域網路上的工作站彼此之間可以互傳檔案, 互相使用各種硬體設備及軟體套裝程式等等。然而有時候工作站可能需要用到其他區域網路上的資源, 例如各機關學校有各自的區域網路而且連接不同的電腦 ,則學生或老師便有可能因為不同的工作需求而要使用他校的電腦。此時就應該考慮將若干個區域網路連結起來成為一個網路,以提供更快速、更便宜,以及更容易使用的環境。

　　網路的連結方法可簡單的歸納為四種:

　　 1. 直接連結。即將二個或多個網路直接連結起來,如圖14-1 所示。

圖14-1 區域網路直接相連

2. 與廣域網路連結。即區域網路和廣域網路連結起來成為廣域網路的一部分, 任何原先即連上廣域網路的電腦皆有機會和區域網路連線, 如圖14-2 所示。

　

　

　

　

圖14-2 區域網路和廣域網路連結

3. 透過廣域網路連結。兩個區域網路分別連上廣域網路, 然後透過廣域網路來互相連線。此時僅將廣域網路視為中間路線的傳輸媒介,如圖14-3 所示。

　

　

圖14-3 區域網路透過廣域網路連結

4. 連結成階層式架構。即區域網路先和「大都會網路」(Metropolitan Area Network, MAN)連結,然後大都會網路再和廣域網路連結,形成 「階層式」(Hierarchical) 的網路架構,如圖14-4 所示。

　

　

圖14-4 階層式網路架構

　　圖14-1、14-2、14-3中僅以黑盒子代表網路連結設備，並沒有特別註明其名稱。這是因為其角色和連結網路的性質有關。根據連結網路的特性, 可以將黑盒子的角色定位為四種(見表14-1):

訊號增益器(Repeater)。訊號增益器用來相連結的二個完全一樣的網路，擴展網路實際規模。訊號增益器只負責將收到的訊號轉送到其他埠，並未處理訊框，因此屬於實體曾連結設備。例如二個 Ethernet 可以用訊號增益器連結形成一個較大的 Ethernet。

集線器 (Hub)。集線器用來連結媒介擷取層通訊協定完全相同的工作站或網路。例如 Ethernet Hub, Token-Ring Hub。集線器負責將收到的訊框無條件的轉送到其他埠上，並不根據訊框內容處理訊框，屬於實體曾連結設備。

橋接器 (Bridge)。橋接器連結媒介擷取層通訊協定相同或不相同之網路。例如 Ethernet/Wireless LAN 橋接器。橋接器根據訊框中的第二層位址（MAC address） 來進行訊框轉送的工作。橋接器屬於鏈結層連接設備。

第二層交換器（Layer-2 Switch）。第二層交換器通常用來連結媒介擷取層通訊協定相同的工作站（或網路）。例如 Ethernet 交換器(Ethernet Switches) 或 FDDI 交換器 (FDDI Switches)。第二層交換器根據訊框中的第二層位址（MAC address） 來進行訊框交換傳送的工作。屬於鏈結層連接設備。

路徑器(Router)。路徑器用來連結網路層通訊協定相同之網路或工作站。例如 IP 路徑器 (IP Router) 或 IPX 路徑器 (IPX Router)。路徑器根據訊框中的網路層網址來進行封包轉送的工作，因此屬於網路層連接設備。

第三層交換器（Layer-3 Switch）。第三層交換器用來連結網路層通訊協定相同之網路或工作站。第三層交換器根據訊框中的網路層網址（如IP 網址）來進行封包交換的工作，因此也屬於網路層連接設備。

網路閘門(Gateway)。網路閘門用來連結特性完全不相同的網路。

表 14-1 網路連結設備分類規則

網路連結設備的功能如表 14-2 所示，其中假設有 N 個區域網路用某種連結設備相連。實際網路個數表示這 N 個區域網路相連後形成幾個網路。例如使用訊號增益器相連則結果將形成一個較大的網路，因為訊號增益器只是將網路上的訊號放大並無處理訊框的能力。集線器也只是負責轉送訊框，但不過濾訊框，因此使用集線器相連的結果也是形成一個更大的網路。橋接器、交換器、路徑器、網路閘門都有過濾的功能因此區域網路相連後仍然可以獨立的運作，而實際網路個數也就維持為 N。邏輯網路個數是指以工作站的角度來看，該連結網路包含幾個網路。例如使用訊號增益器、集線器、橋接器、第二層交換器相連則工作站會認為此連結網路是一個網路。也就是說當工作站欲傳送訊框給另外一個工作站時只要認為該目的地工作站與之相連在同一個網路上即可，不必知道其實際上是連接在哪一個區域網路上或網路的連結路徑等等。這種方便對於訊號增益器與集線器來說是相當自然的，因為本來就只有一個實際網路。對於橋接器及第二層交換器連結網路則是相當重要的特性，因為實際上 N 個獨立運作的網路可以提高網路的整體效能而邏輯上是一個網路則可以提供工作站通訊時的便利性。對於路徑器、第三層交換器及網路閘門來說其連結網路仍然具有 N 個邏輯網路。這表示當工作站欲傳送封包時必須知道其目的地工作站是不與其連接在同一個區域網路上，這是比較不方便的地方。不過也因為此特性，工作站在傳送封包時也可以選擇路徑，這使得封包可以較有效率的傳送。

表 14-2 網路連結設備功能

　　訊號增益器主要的功能是將完全相同的網路段 (Network Segments)連結起來成為一個較大的網路, 如圖14-5所示。訊號增益器會將網路上衰減的訊號恢復原來的強度, 然後轉送到另外一個網路段, 並沒有去處理訊框的過濾問題。也就是說, 訊號增益器只重覆訊號而沒有處理訊框。

圖14-5 訊號增益器

　　每一個網路段的長度是有限制的, 而一個網路可以使用訊號增益器的個數也是有限制的,因此連結後的網路也有規模上的限制,並不是無限延伸。例如 10BASE5 Ethernet上, 每一個網路段最長為 500 公尺,使用訊號增益器延伸網路時仍必須維持最遠兩端訊號來回傳遞一趟的時間小於或等於 51.2 us 的限制。

　　除了必須是完全相同型態的網路段外, 通訊協定也要相同才可以將不同網路段上的工作站連接起來, 包括使用相同的 MAC 通訊協定 (如 CSMA/CD)。除此之外所有在連結後網路上的工作站不可以有相同的位址, 因為經由訊號增益器連結來的網路被視為是一個網路。

　　橋接器主要的功能是將實體層相同或不相同的網路連結起來,使得位於不同網路上的工作站彼此之間可以透過橋接器互相通訊。不過各個網路仍然可以獨立運作, 如圖14-6所示。當橋接器由一個網路收到訊框時會檢查其中的鏈結層目的地位址, 如果該位址不在原來網路上則將訊框轉送到另外一個或多個網路上, 否則便不轉送,即有所謂的訊框過濾功能(Filtering)。橋接器必須同時屬於連結的二個或多個網路, 也就是說它有二片或多片網路介面卡以便同時連上這許多網路。

圖14-6 橋接器

　　橋接器也可將使用不同 MAC 通訊協定的網路連結起來,只要(1)網路有共同的 LLC 通訊協定及上層通訊協定（否則雖然可連線但無法相互溝通）; (2)橋接器有能力解決不同MAC 通訊協定間的訊框格式及其他種種差異。例如ATM 網路， IEEE 802.3 CSMA/CD, IEEE 802.4 Token-Bus, IEEE 802.5 Token-Ring, IEEE 802.6 DQDB, IEEE 802.11 Wireless LAN, IEEE 802.12 100VG AnyLAN, 及 FDDI 網路都可以經由橋接器互相連結,因為它們都具有共同的 LLC 通訊協定(IEEE 802.2)。圖14-7所示為 IEEE 802.3 CSMA/CD 網路與 IEEE 802.11 Wireless 無線區域網路互連的範例。

圖14-7 CSMA/CD 網路與無線區域網路互連範例

　　以橋接器相連的網路稱為橋接網路。橋接網路上的工作站都不可以有相同的MAC 位址, 而且位址必須具有相同格式(16-位元或 48-位元)。橋接器則必須知道那一個工作站屬於那一個網路以便傳送訊框。 這些資訊可以由網路管理工作站取得或是由橋接器自己收集網路上的訊框後分析整理而得到,即所謂「位址學習」(Address Learning) 行為。前者在製作上較簡單,不過每次有工作站移動或新加入時都必須向管理工作站登記以便更改資料, 然後再將最新網路架構資料傳給橋接器, 在使用上較不方便。後者則完全由橋接器主動收集網路上的資料,如果工作站連接有所變動,當它們傳送訊框時也會被橋接器查出其位置而可完成動態修正的工作。

　　網路連結也可以使用多個橋接器。在這種環境之下, 每個橋接器必須知道所有能與它通訊的工作站的位置, 而不僅僅是與其直接連結的網路上的工作站。只有如此才可以在收到一筆訊框時有能力判斷是要將訊框往另外一個網路上轉送(Forwarding) 或是將之刪除 (Filtering)。通常利用多個橋接器連結的網路架構會限制為「樹狀」(tree), 如圖14-8所示。由於以橋接網路屬於一個廣播網域，相當於一個子網路 (subnet), 在網路上的工作站的 IP 網址也必須屬於同一個子網路。例如該子網路為 140.114.76.0 （子網路罩為 255.255.255.0）, 則所有此網路上的工作站的IP 網址應規劃為 140.114.76.xx，否則將造成通訊上的問題。

圖14-8 樹狀橋接網路

　　這是因為在樹狀結構之下任何二個工作站之間只有唯一的路徑可連通(沒有迴路), 當傳送訊框時不會造成訊框重覆收到的情形。另外也可以簡化傳送訊框時所面臨的路徑選擇的問題,因為只有唯一路徑可選擇。

第二層交換器 (Layer-2 Switches) 與橋接器的功能相似，都是將工作站或網路連結起來,使得工作站彼此之間可以透過第二層交換器互相通訊，如圖14-9所示。不過第二層交換器是以交換的方式（switching）處理訊框，橋接器則較屬於轉送的方式。兩者的差別在於前者具有一個交換硬體平台 (switching fabric) ，在檢查訊框的 MAC 位址並得知其應輸出埠後便將訊框交給此交換平台以交換的方式轉送出去。這個動作只要等到訊框的位址欄位到齊就可進行，不必等訊框全部收完，因此通常也稱為捷徑交換方式（cut-through switching）。後者通常不具備交換硬體平台，而是依靠軟體的方式將訊框轉送出去。通常必須等訊框全部收齊後才進行位址查詢與轉送的動作。當然也有一些較先進的橋接器具有捷徑轉送功能（cut-through forwarding）。第二層交換器也具備訊框過濾功能。如果訊框的目的地位址與訊框接受埠相同，則將此訊框過濾掉。由於第二層交換器通常具備多埠（如 8埠，16 埠，24 埠等等），因此每一個連接埠都有一個 MAC 元件。較先進的第二層交換器技術甚至可以將 8 個或 16 個 MAC 做在一個晶片中，只要一個晶片就可以支援多個連接埠，不但成本降低，體積也大幅縮小。

圖14-9 第二層交換器架構

網路連結也可以使用多個第二層交換器，如圖 14-10 所示。在這種環境之下, 每個交換器也必須知道所有能與它通訊的工作站所隸屬的連接埠。如此才可以在收到一筆訊框時有能力判斷是要將訊框過濾或往哪一個（或那些個）連接埠上交換出去。通常利用多個第二層交換器連結的網路架構也會限制為樹狀，以確保任何兩部工作站間只存在一條傳輸路徑。

由於以第二層交換器連接的網路也屬於一個廣播網域，網路上的工作站都不可以有相同的MAC 位址, 而且位址必須具有相同格式。在網路上的工作站的 IP 網址也必須屬於同一個子網路。

圖14-10 以第二層交換器為基礎之網路範例

　　利用路徑器連結起來的網路, 可以在鏈結層及實體層使用不同的通訊協定, 但是網路層的通訊協定（如 IP,IPX）則一定要相同,而且更高層的通訊協定 (如TCP, UDP) 也要能互相匹配。如圖14-11(a)所示, 網路 1 及網路 2 的鏈結層及實體層不同,因此路徑器必須有 2 套的鏈結層及實體層通訊協定,以便和網路 1 及網路 2 溝通。而所有在網路上的工作站(包含路徑器)則使用相同的網路層通訊協定（如 IP）。圖14-11(b) 所示為資料由工作站 A 傳送給工作站 D 時在路徑上的包裝情形。其中鏈結層軟體處理訊框而網路層軟體只處理網路層之封包。

圖14-11 路徑器通訊協定結構

使用路徑器主要是基於將訊框經由中繼站(Intermediate nodes)來傳送的觀念。一筆訊框可能必須經過一連串的中繼站才到達其目地的工作站。因此每一筆訊框上便需要二個位址:

最終目的地工作站位址 (第三層網址)

路徑中下一個工作站的位址(第二層位址)

　　如圖14-12 所示,工作站 2 欲經由路徑器 1、3 將訊框傳送給工作站 5。當訊框由工作站 2 直接送給路徑器 1 時, 其上便記錄著最終目的地為工作站 5。當路徑器 1 收到訊框時則將其轉送給路徑器 3。當路徑器 3 轉送時, 則因為已到達終點 (工作站 5 與路徑器 3 連在相同網路上）所以二個目的地位址皆為 5。其中一個是工作站 5 的第三層網址（如 IP 網址），另一個則是工作站 5 的第二層位址（網路卡位址）。

圖14-12 路徑器樹狀連結網路範例

　　和橋接器相同的, 連結網路也可以使用多個路徑器。不過路徑器連結網路沒有樹狀架構的限制而可以任意連接, 任何二個工作站間可以存在若干條路徑, 如圖14-13所示。這也是路徑器名稱的由來,因為當它收到一筆訊框時, 便面臨到如何在許多路徑中選擇一個較適當路徑來轉送的問題。

圖14-13 路徑器連結網路範例

　　每一個路徑器都會有一個「路徑表」(Routing table) 用來解決選擇路徑的問題, 其上記錄著路徑的進出對照資訊。當路徑器收到一筆訊框時, 則根據其上的第三層目的地網址來選擇轉送的路徑。路徑表的建造方法大致可分為二種:

固定路徑表 (Fixed Routing Table)。每一個路徑器的路徑表都是經過網路分析之後建立。固定之後便不再變動, 除非網路結構所有異動。

動態路徑表 (Dynamic Routing Table)。使用動態路徑選擇演算法(Dynamic routing algorithms) 隨時依網路的最新狀況建造路徑表。路徑表的內容可隨著網路的狀況而動態變更。

　　固定路徑表使用上極為簡單, 但較缺少彈性不能立即而有效的反應網路所發生的各種狀況。例如圖14-14 所示為圖14-13 網路之固定路徑總表。此總表中記錄任何二個網路間的通訊路徑。一個較具規模的網路往往需要極大的路徑表，為了減少這方面的負擔，每一個路徑器可以在總表中摘錄與自己相關的路徑資訊即可不必將總表置於每一個路徑器中。圖14-15 所示即為圖14-13 網路中各個路徑器的路徑表。

圖14-14 固定路徑總表