Access Networks

Outline 有線網路架構 Ethernet Hub Repeater Switch Router Gateway CSMA/CD 編碼 同軸電纜 雙絞線 光纖 Hub Repeater Switch 特性 運作模式 建立 MAC Table 迴路可能造成的網路問題 Router 建立 Routing Table Gateway Packet Switching 到 Circuit Switching 的 Gateway WiFi AP 的 Gateway LTE Gateway (EPC)

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中山大學連外有五條線路：國家高速網路 10Gbps、台灣學術網路 2Gbps、中央研究院 1Gbps、中華電信ISP 1Gbps及台灣固網ISP 1Gbps。如其中有線路中斷，路由可以立即切換到其他備援線路。 校園10Gbps骨幹網路：中山大學網路主要區分為教學區、伺服器群及宿舍網路。各區之間的連線為10G bps。 中山大學 中研院 美國 電機系

Ethernet Ethernet 是由 Intel、Xerox 和 Digital 所共同制定，遵循 IEEE 802.3 協定的網路硬體標準，它是目前大部份區域網路的 標準。 CSMA/CD通訊協定。 常見的乙太網路有下列四種型式： Twist Pair Fiber Optic

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 特性: 傳輸媒介可為同軸電纜(Coaxial cable) 、無遮蔽式雙絞線 (UTP)、或光纖 (Fiber)。 沒有提供優先權傳輸服務。 CS 時間至少要 51.2 usec。 廣播式傳輸 (Broadcasting)。 運作: Step 1 : 每一個工作站在傳送之前必須先監聽傳輸媒介上是否已經有訊號在傳送(Carrier Sense) ，如果沒 有則可立刻將訊框傳送出去。如果有則表示其他工作站正在傳送，此時工作站繼續監聽同軸電纜上的訊 號，直到訊號消失（該訊框傳送完畢）後立刻將其訊框傳送上電纜。 Step 2 : 在傳送訊框同時也要繼續監聽傳輸媒介上的訊號，看看是否發生衝撞。如果發生衝撞則立即停止傳 送訊框並且改傳送一個「擁塞訊號」(Jamming Signal)，強迫造成更嚴重的衝撞，使得每一個參與衝撞 的工作站能確實偵測出衝撞。否則表示該筆訊框成功的傳送出去。發生衝撞的工作站則在各自等待一段 隨機延遲時間(random delay time) 之後再回到步驟 1 。  

CSMA/CD 傳輸問題 500m 𝑇= 𝐷 𝑉 = 500 2 3 𝐶 = 500 2 3 ∗(3 ∗ 10 8 ) = 500 2 ∗ 10 8 = 2.5(us) T : 時間 D : 距離 V : 速率 由此可知訊號傳送至 500 公尺處需要花 2.5 us 的時間，因此: Carrier Sense 的時間若少於 2.5 us 則有可能偵測不到有人在傳輸資料。 碰撞機會相對增加。

編碼 1 Manchester 1 D-Manchester 1 NRZ 1 NRZI

同軸電纜 特點: 優點: 缺點: 導體越粗，電阻越小，傳輸性越好。 同軸電纜由裡到外分為四層： a.中心銅線（單股的實心線或多股絞合線) b.塑膠絕緣體 c.網狀導電層 d.電線外皮 優點: 抗干擾能力強。 傳輸數據穩定。 價格便宜。 缺點: 信號衰減快。 傳輸距離近。 中心銅線

Twist Pair(1/3) 雙絞線網路。 使用 UTP 纜線與 RJ-45 的接頭。 最長傳輸距離可達 100 公尺。 規格 遮蔽方式 頻寬 傳輸速率 Cat.5 UTP 100MHz 100Mbps Cat.5e 125MHz 1Gbps Cat.6 250MHz Cat.6e 500MHz 10Gbps Cat.6a STP Cat.7 SSTP 600MHz 雙絞線網路。 使用 UTP 纜線與 RJ-45 的接頭。 最長傳輸距離可達 100 公尺。 現在較多連接成星狀(Star)拓撲方式架設。 雙絞線 UTP纜線、 RJ-45接頭 星狀拓樸

Twist Pair(2/3) Cat.5e Cat.6a Cat.7 Jacket Solid twisted pair Shield-foil Shield-braid Twisted pairs stranded

Twist Pair(3/3) Straight Crossover Rollover 由於Switch有自動轉換功能，因此兩頭RJ-45接頭皆使用T568B即可。 例如:筆電或桌電 to Switch 、 Switch to Switch 、 Router to Switch。 Crossover 由於兩台電腦互接需要有一端傳送端以及一端接收端，因此一頭需使用T568A另一頭則使用T568B即可進行通訊。 例如: PC to PC 、PC to Router 、EPC to eNB。 Rollover CLI（Command Line Interface）是IOS的標準設定方式，我們必須使用Rollover Cable連接電腦與設備，才能開啟終端機介面，並以輸入指令的方式管理設備。 例如:筆電連接Cisco Router 的 Console，輸入控制指令。

Fiber Optic(1/2) 光纖網路。 分別為單模與多模光纖。 傳輸距離最長可達 2,000 公尺。 一般連接成星狀網路。 優點: 方便長距離傳輸。 光纜重量輕、體積小，故埋設光纜時，可節省管道空間。 光纖屬於非金屬的絕緣體，不會受到電磁波等之干擾，在高 干擾的環境可保持訊號完整。不受電磁干擾，傳送資訊保密 性強。 缺點: 元件昂貴。 光纖容易因彎曲而損毀，佈線須要很小心，也需要專門的切 割及連接工具，因此而外麻煩 光纖網路 多模光纖傳輸模式

Fiber Optic(2/2) 單模光纖: 多模光纖: 核心非常細，材料為玻璃纖維、塑料。(9 or 10 um) 單一入射角。 較沒有光線折射或反射的損耗。 傳送距離較遠。多使用在遠端通訊這類較長距離的傳輸。 多模光纖: 核心比較粗，材料為玻璃纖維、塑料。(50 or 62.5 um) 多入射角。 有較多的光線折射或反射的損耗。 傳送距離較短。 多使用在區網這類較短距離的傳輸。 單模 多模

Hub 特性: 主要工作於PHY層。 使用廣播方式進行封包傳送。 由於是半雙工，因此無法同時多台電腦互相 進行封包傳送(同一時間只能選擇接收或傳送 資料)。 當Hub連接越多台電腦時速度越慢，反之，連 接越少台電腦速度則有可能比 Switch 快。

Repeater 用途: 由於電子訊號在進行傳輸時，訊號強 度會隨著電纜的長度而衰減，而Repeater 則是接收輸入的訊號，並將訊號增強放大 傳出去，以增加資料的傳送距離。

Switch(1/3) 特性: 主要工作於MAC層。 Switch會在每個埠成功連接時，將MAC Address和埠對應，形成一張MAC表。 由於是全雙工，因此可以同時多台電 腦互相進行封包傳輸。 Switch

Switch(2/3) 運作模式可分為三種: Cut-through : Packet的前6個位元組(MAC Address)抵達Switch，代表確定目的位 址，即轉發該Packet。 Store-and-forward : Switch收到完整的Packet後，檢查是否有錯誤，若無錯誤則 讀取目的MAC Address進行轉發。 Fragment-free : 類似Cut-through，不同於對Packet的前64個位元進行檢查，若無 錯誤則進行轉發。 通常，Switch採取Cut-through，若誤碼率上升到某個門檻，則改用Store- and-forward 。

Switch(3/3) A B C MAC Address A B C D Router Packet : A -> C a b c 0C:54:A5:1A:CF:76 0C:54:A5:1A:CF:77 0C:54:A5:1A:CF:78 0C:54:A5:1A:CF:79 0C:54:A5:1A:CF:80 Packet : A -> C Source Address : 0C:54:A5:1A:CF:76 Destination Address : 0C:54:A5:1A:CF:78 Switch a b c d e MAC Table Packet : B -> D Time(s) Mac Address 埠 Source Address : 0C:54:A5:1A:CF:77 Destination Address : 0C:54:A5:1A:CF:79 0.50 0.25 0.00 0C:54:A5:1A:CF:76 a 0.00 0.25 0C:54:A5:1A:CF:77 b D Packet : C -> B 0.00 0C:54:A5:1A:CF:78 c Source Address : 0C:54:A5:1A:CF:78 Destination Address : 0C:54:A5:1A:CF:77 Router

Switch 迴路可能造成的網路問題 廣播風暴（Broadcast Storm） MAC位址資料庫不一致（MAC Address Table Instability）

廣播風暴（Broadcast Storm） Switch A A C D B Switch B

MAC位址資料庫不一致 （MAC Address Table Instability） 0C:54:A5:1A:CF:76 1 Packet:1 -> 2 Source Address : 0C:54:A5:1A:CF:76 Destination Address : 0C:54:A5:1A:CF:78 Switch A a b c Switch A Time(s) Mac Address 埠 0.00 0C:54:A5:1A:CF:76 b 0.00 0C:54:A5:1A:CF:76 c 0.00 0C:54:A5:1A:CF:76 a Switch B Switch B d e f Time(s) Mac Address 埠 2 0.00 0C:54:A5:1A:CF:76 d 0.00 0C:54:A5:1A:CF:76 e MAC Address: 0C:54:A5:1A:CF:78

解決方法 找到造成迴路的地方，並拔除網路線連接。 Switch將有迴路的地方中斷，並週期性觀察迴路問題是否解決， 如未解決則繼續保持中斷狀態。 使用擴張樹協定(Spanning-Tree Protocol)建立網路架構。

擴張樹協定(Spanning-Tree Protocol) 流程: 選擇Root Bridge 選擇Root Port 選擇Designated Port

選擇Root Bridge(1/2) BID 依據每一台 Switch 的 BID(Bridge ID) 來決定。 STP在每台交換器的連接埠發送彼此的 BPDU(Bridge Protocol Data Unit)封 包，此封包內有8 bytes 的 BID ，其 中包含兩個值，Bridge Priority 和 MAC Address，交換器會先比較Bridge Priority 數值較小的成為 Root Bridge 如果一樣則比較MAC Address。 Bridge Priority 預設值為32768。 BID Bridge Priority MAC Address 2 Bytes 6 Bytes

選擇 RB(Root Bridge) (2/2) Switch A BID Switch B BID Switch C BID Step 1. Switch A 的 BP 為 32768 與 Switch B、Switch C 的 BP 相同 ，因此比較MA的長度。 Switch B Switch A Step 2. Switch A 的 MA 前 5 個 Bytes 與 Switch B、Switch C 的 MA 前 5 個 Bytes 相同，因此比較 最後一個 Bytes 大小。 76(十六進制) = 118(十進制) 77(十六進制) = 119(十進制) 78(十六進制) = 120(十進制) Switch A 的 MA 較小，因此 Switch A 為 Root Bridge。 Switch A BID BP 32768 MA 0C:54:A5:1A:CF:76 Switch B BID BP 32768 MA 0C:54:A5:1A:CF:77 Switch C BID BP 32768 MA 0C:54:A5:1A:CF:78 BP : Bridge Priority MA : MAC Address : BID (Switch A) : BID (Switch B) : BID (Switch C)

(New IEEE Specification) (Old IEEE Specification) 選擇 RP(Root Port) (1/2) 除了 Root Bridge 以外每台 Switch 都會有一 個 Root Port，它是依據 Path cost(路徑成本) 來決定，如果相同就去跟另一端的 Switch BID 和 Port ID 來做比較。 一開始 STP 會選擇一個 Port 當作 RP，此為 Switch 到 Root Bridge 的最佳路徑，判斷方 式則是依據Path Cost來比較越小的優先。 Path Cost 規範為 IEEE 所訂。 Link Speed Cost (New IEEE Specification) (Old IEEE Specification) 10 Gb/s 2 1 1 Gb/s 4 100 Mb/s 19 10 10 Mb/s 100

選擇 RP(Root Port) (2/2) To RB Port ID Path Cost A Fa0/1 A -> C 4 A -> B -> D -> C 27 Fa0/3 B B -> A -> C 8 B -> D -> C 23 D D -> B -> A -> C D -> C 4 Switch A Fa0/2 Fa0/1 Fa0/1 Switch B Fa0/3 4 Fa0/2 Fa0/1 Fa0/1 Fa0/3 4 19 Fa0/1 Fa0/1 Switch C Switch D Fa0/2 4 Fa0/2 Fa0/1 Root Bridge

選擇 DP(Designated Port) 與 NDP(Non Designated Port) DP為可以收發封包的 Port。 NDP為不可收發封包的 Port。 通常 DP 為 Root Port 的相對 Port。 如果 Switch 間的連結沒有 Root Port 則選擇 Path Cost 較小的，Path Cost 一樣則選擇 BID 較小的，Path Cost一樣則選擇 Port ID 較小的。 Switch A Fa0/2 Fa0/2 4 Fa0/1 Switch B Fa0/3 Fa0/3 4 Fa0/2 Fa0/2 Fa0/1 Fa0/3 Fa0/3 RP 4 19 DP Fa0/1 Fa0/1 Fa0/1 Fa0/1 NDP Switch C Switch D Fa0/2 Fa0/2 4 Fa0/2 Root Bridge

Router 特性: 會依照封包的目的IP來決定資料 該往哪個網域傳送。 Router會根據Routing Table選 擇到目的地的最短路徑，並將 Packet傳給下一個Router。 Router

Routing Table Router A Router A (更新後) Router B (更新後) Router B A LAN1 Destination interface Cost 140.117.164.0 140.117.164.1 140.117.232.0 140.117.232.1 Router A (更新後) Destination interface Cost 140.117.164.0 140.117.164.1 140.117.232.0 140.117.232.1 202.169.174.0 1 108.170.244.0 209.85.246.0 2 Router B (更新後) Destination interface Cost 140.117.232.0 140.117.232.2 202.169.174.0 202.169.174.1 140.117.164.0 1 108.170.244.0 209.85.246.0 2 Router B Destination interface Cost 140.117.232.0 140.117.232.2 202.169.174.0 202.169.174.1 140.117.164.1 140.117.232.1 140.117.164.0 A 140.117.232.0 LAN1 LAN2 202.169.174.0 140.117.232.1 1 140.117.164.0 140.117.232.2 1 140.117.164.2 108.170.244.0 140.117.232.1 2 108.170.244.0 202.169.174.1 1 140.117.232.2 209.85.246.0 140.117.232.1 3 209.85.246.0 202.169.174.1 2 202.169.174.2 Router C (更新後) Destination interface Cost 202.169.174.0 202.169.174.2 108.170.244.0 108.170.244.1 140.117.164.0 140.117.164.2 140.117.232.0 1 209.85.246.0 Router C Destination interface Cost 202.169.174.0 202.169.174.2 108.170.244.0 108.170.244.1 Router D Destination interface Cost 108.170.244.0 108.170.244.2 209.85.246.0 209.85.246.1 C Router D (更新後) Destination interface Cost 108.170.244.0 108.170.244.2 209.85.246.0 209.85.246.1 202.169.174.0 1 140.117.164.0 140.117.232.0 2 202.169.174.0 B LAN3 202.169.174.1 108.170.244.1 140.117.232.0 202.169.174.2 1 202.169.174.0 108.170.244.2 1 209.85.246.0 108.170.244.1 1 140.117.232.0 108.170.244.2 2 140.117.164.0 202.169.174.2 2 140.117.164.0 108.170.244.2 3 D 108.170.244.0 209.85.246.0 LAN4 LAN5 Routing Table 中還包含 Time、Netmask、Gateway。 Routing Table 每更新一筆資料，該筆資料則從180秒開始倒數，過程中如果該筆 資料有被使用則重新開始倒數180秒，如尚未被使用倒數歸零則從 Routing Table 中刪除。 108.170.244.2 209.85.246.1

Gateway 經常指把一種協定轉成另一種協定的裝置。 種類: Packet Switching 到 Circuit Switching 的 Gateway Wifi AP 的 Gateway (802.11 轉換成 802.3) LTE Gateway (EPC)

Packet Switching 到 Circuit Switching 的 Gateway RJ-11接頭 RJ-45接頭 07-1111111 Switch Router Switch Gateway 07-2222222 MAC IP TCP/UDP Payload Destination Address : 140.117.164.27 IP Telephone Number 140.117.164.27 07-1111111 140.117.164.28 07-2222222 140.117.164.29 07-3333333 07-3333333

WiFi AP 的 Gateway AP Switch Router 802.11 802.3 Frame Control(2) Duration ID(2) Source Address(6) Destination Transmitter Sequence Receiver Network Data FCS (4) 802.11 Preamble(7) SFD(1) Destination Address(6) Source Address(6) Ether type(2) LLC(46~1500) PAD (Padding) FCS(4) 802.3

LTE Gateway (EPC) ……. ……. EPC Gateway 分為兩種: S-Gateway: P-Gateway: P-GW Control Plane User Plane EPC Gateway 分為兩種: S-Gateway P-Gateway S-Gateway: 負責 Packet 的路由。 合法監聽:在合法監聽的情況下，複製用戶傳輸的訊息。 同時也負責UE在 eNodeB 之間和LTE與其他 3GPP 技術之間移動時的用戶 面數據交換。 P-Gateway: 處理 User Plane 外部連線的接入點。 動態分配 IP Address 給 UE 。 每個用戶的 Packet 過濾。 計費支持 P-GW S-GW MME EPC eNB ……. ……. UE

ARP 封包格式 48 bits 16 bits Destination Address Source Ether Type 16 bits Hardware Type Protocol Type Hardware Address Length Protocol Operation Sender Hardware Address Sender Protocol Address Target Hardware Address Target Protocol Address

ARP 廣播封包 ARP Request : B -> C A ARP Reply : C -> B B Source MAC Address : 0C:54:A5:1A:CF:76 Destination MAC Address : FF:FF:FF:FF:FF:FF Sender Protocol Address : 140.117.232.27 Sender Hardware Address : 0C:54:A5:1A:CF:76 Target Protocol Address : 202.169.174.80 Target Hardware Address : IP : 140.117.232.28 MAC : 0C:54:A5:1A:CF:77 A ARP Reply : C -> B Source MAC Address : 0C:54:A5:1A:CF:78 Destination MAC Address : 0C:54:A5:1A:CF:76 Sender Protocol Address : 202.169.174.80 Sender Hardware Address : 0C:54:A5:1A:CF:78 Target Protocol Address : 140.117.232.27 Target Hardware Address : 0C:54:A5:1A:CF:76 IP : 140.117.164.27 MAC : 0C:54:A5:1A:CF:76 IP : 209.85.246.1 MAC : 0C:54:A5:1A:CF:79 B ARP Cache (Computer C) C IP MAC Address 140.117.232.27 0C:54:A5:1A:CF:76 ARP Cache (Computer B) IP : 202.169.174.80 MAC : 0C:54:A5:1A:CF:78 IP MAC Address 202.169.174.80 0C:54:A5:1A:CF:78