Chapter 03 網路的組成元件

本章提要 3-1 有線傳輸媒介 3-2 網路拓樸

3-1 有線傳輸媒介 有線網路的傳輸媒介（Media）從最早的同軸電纜到應用最廣的雙絞線, 以及傳輸速度無人能敵的光纖, 都是本節的主角。對於想進入網路世界的人, 了解這 3 種傳輸媒介的特性, 是必備的知識喔！

3-1-1 同軸電纜 在區域網路中, 採用同軸電纜（Coaxial Cable）的網路以 10Base2 為代表, 採用的是 RG 58 A / U 同軸電纜(RG: Radio Guide, 0.5cm in diameter), 其構造如下：

同軸電纜 中心導體 ：RG 58 A / U 的中心導體為多芯銅線（Stranded Copper）, 網路上高速變動的電子訊號, 主要就是靠它來傳遞。絕緣體：用來隔絕中心導體和導電網, 避免短路。 導電網：環繞中心導體的一層金屬網, 這層導電網一般做為接地之用, 在傳輸的過程中, 它可用來當作中心導體的參考電壓, 也可防止電磁波干擾。

同軸電纜 外層包覆：用來保護網路線, 避免受到外界的干擾﹔另外它也可以預防網路線在不良環境（如潮濕、高溫）中受到氧化或其它損壞。

容易混淆的其它線材 我們在選購 RG 58 A / U 纜線的時候, 可能會發現一些模樣很類似的線材, 例如下面這種 RG 59 纜線, 其中央的導體為單芯線, 與 RG 58 所用的多芯線明顯不同。

容易混淆的其它線材 RG58: 0.5cm in diameter 50 RG59: 1cm in diameter 75

容易混淆的其它線材 至於使用 RG 59 來架 10Base2 網路, 行不行得通呢？玩玩看或許可以, 但是它的阻抗與頻寬都與 RG 58 A / U 不同, 為了保險起見, 還是乖乖使用真正的 RG 58 A / U 同軸電纜線吧！

同軸電纜的優缺點 同軸電纜因為有雙層的保護（金屬銅網和絕緣外皮）, 較不易受外界（例如：電磁波和溼氣）干擾, 而且使用壽命也較長。 不過同軸電纜和雙絞線相比之下, 頻寬較窄, 而且也很重, 同樣提著 200 米的線材, 同軸電纜可是重得讓人手軟。

3-1-2 雙絞線 一般兩芯的電線, 多為外覆絕緣材料的兩條平行銅線, 而雙絞線（Twisted Pair）卻是由成對外覆絕緣材料的銅線對絞而成。 為何要『兩兩對絞』呢？因為使用電流傳送訊號時, 一定會產生電磁場, 進而導致電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）的現象。 『兩兩對絞』可降低兩條線路傳送訊號時所產生的電磁場相互干擾的影響, 且對絞的次數愈多抗干擾的效果愈好, 因此被選為佈設網路的線材。

雙絞線

雙絞線 從整體結構來看, 雙絞線一般可分為兩種：無遮蔽式雙絞線（Unshi elded Twisted Pair, UTP）和遮蔽式雙絞線（Shielded Twisted Pair, STP）, 兩種線皆有各自的特點, 以下我們就分別來探討。

遮蔽式雙絞線 遮蔽式雙絞線外部最大的特色, 是在絞線和外皮間夾有一層銅網或金屬層的遮蔽, 因此抑制外來電磁干擾的能力更好。 這樣的結構, 使得纜線的外觀較粗, 且傳輸品質較佳, 但價錢也較昂貴。

遮蔽式雙絞線

無遮蔽式雙絞線 從名稱上不難理解, 無遮蔽式雙絞線在絞線和外皮間沒有銅網或金屬遮蔽層, 因此不具有防止干擾的作用。但其價錢較低, 使用率遠大於遮蔽式雙絞線, 所以常見的雙絞線大多是無遮蔽式雙絞線。 一般使用者若無特別需求, 使用這種無遮蔽式雙絞線即可。

無遮蔽式雙絞線

同為雙絞線的電話線 電話線也是屬於雙絞線的一種, 不過只有 1 對, 至多 2 對絞線, 這是因為語音資料傳輸, 並不需要用到 4 對絞線, 1 對絞線就綽綽有餘了！

雙絞線的分類 雙絞線依照所使用的線材不同而有不同的傳輸效能, 目前最普遍的是 Cat 5, 速度可達 100 Mbps。 而雙絞線的明日之星則是 Cat 6, 用於 1000BaseT 網路, 速度可達 1000 Mbps, 在某些特定的實驗狀況下甚至可達到 2.4 Gbps 。

雙絞線的分類

雙絞線的顏色 根據 EIA / TIA 568 B 的規定, 雙絞的線的每條芯線都有特定的顏色與編號, 如下表： EIA: Electronic Industries Alliance TIA: Telecommunications Industry Association

雙絞線的優缺點 雙絞線的優點就是便宜, 再者, 雙絞線的維護和佈線彈性也很好。不過事無雙好, 雙絞線雖然很便宜, 但是比較不耐用, 而且較容易受到電磁干擾。

3-1-3 光纖 光纖（Optical Fiber）的材質是極細小的玻璃纖維或塑膠, 彈性很好（當然, 超過一定角度的彎曲還是會壞的）, 非常適合傳輸光波訊號： 軸芯（Core）：通常使用玻璃材質, 用來傳送光波訊號。 被覆層（Cladding）：折射率低的物質, 當光波訊號在軸芯傳送時, 可透過被覆層與軸芯的接觸面進行反射。

光纖 外皮（Coating）：不透光的材質, 用以隔絕外在的干擾源, 也能保護脆弱的軸芯。

光纖的類型 光纖依照其軸芯的模式, 又可以分為兩種： 單模式光纖（SMF, Single Mode Fiber）：軸芯直徑較細, 約 5～10 微米, 適合長距離傳輸, 價格昂貴, 散射率小, 傳輸效能極佳。 多模式光纖（MMF, Multi Mode Fiber）：軸芯直徑較寬, 約 50～100 微米, 適合短距離傳輸, 價格較低, 傳輸效率略差於單模式光纖。

光纖的優缺點 光纖最大的優點有 3 項： 傳輸速度快：光纖的傳輸速度可以超過 2 Gbps, 為目前傳輸速率最高的媒介。 抗電磁干擾：因為光纖是用光波傳輸訊號, 幾乎不受電磁干擾的影響。

光纖的優缺點 不過優點也會是缺點, 因為製作光纖接頭較麻煩, 所以架設不易, 而且光纖的價格很高, 實在不適合一般小型區域網路使用。 傳輸安全性高：光纖在傳輸時不會有光波訊號散射出來, 因此不用擔心被人從散射的能量中盜取資訊。再者, 光纖一旦被截斷, 要用熔接或研磨的方式才能接起來, 因此若有人想要截斷纜線竊取資訊, 不但費時費力, 而且較易被發現。 不過優點也會是缺點, 因為製作光纖接頭較麻煩, 所以架設不易, 而且光纖的價格很高, 實在不適合一般小型區域網路使用。

3-2 網路拓樸 網路, 用最簡單的說法解釋就是：只要彼此的電腦能互相連通, 就算是構成了一個網路。那麼連通的方式是否有一定的限制呢？ 當然有囉！試想當老師要求一群小朋友手拉手坐下來時, 如果沒有講清楚要排成什麼形狀, 小朋友們就搞不清楚是該一字排開、連成一條長龍？或是圍成一個圓圈圈？

網路拓樸 同理, 將多部電腦連成一個網路時, 通常依據所連成的幾何形狀加以分類,這些幾何形狀, 若以網路術語來說, 就是『拓樸』（Topology）；再說得白話一點兒, 就是整個網路的『長相』。 目前已發展出來的區域網路拓樸, 大致分成以下 3 種： 匯流排（Bus）網路 星狀（Star）網路 環狀（Ring）網路

3-2-1 匯流排網路 『一條腸子通到底』的特性 匯流排網路的優缺點

『一條腸子通到底』的特性 匯流排架構的主要特性, 就是『以一條共用的網路線來連接所有電腦』, 不過這種說法其實是有語病的, 因為它並非真的是『一條』很長的網路線, 其實是『很多條較短』的網路線所接起來的。 所以從巨觀角度來看, 它算是一條網路線；但是從微觀角度來看, 應該是許多段網路線所銜接成的。

『一條腸子通到底』的特性

匯流排網路的優缺點 匯流排網路在早期非常盛行, 因為它具有成本低廉和佈線簡單的優點。 只要買足了網路線、接頭和網路卡, 不需要其它額外的網路設備, 就可以架起匯流排網路, 達到資源共享的目的。

匯流排網路的優缺點 不過簡單的架構背後, 難免會存在一些缺失, 首先是只要其中任何一段線路故障, 整個網路就癱瘓了, 而且在追查該故障線路時比較麻煩；其次是要加入或減少一部電腦時, 也會使網路暫時中斷, 這兩項主要缺點在日益重視網路管理的今日, 使得匯流排網路逐漸消失在網路舞台上。

3-2-2 星狀網路 『鞏固領導中心』的特性 星狀網路的優缺點

『鞏固領導中心』的特性 星狀網路是繼匯流排架構後興起的網路架構, 此種網路不再是『手牽手, 前一個接後一個』, 而是所有電腦都接到一個特殊裝置, 該裝置通常是『集線器』（Hub）, 藉由集線器在各電腦間傳遞訊號。換言之, 以集線器為中心向外成放射狀, 因此稱為星狀（Star）網路。

『鞏固領導中心』的特性

星狀網路的優缺點 其實星狀網路的優點也就是彌補匯流排網路的缺點： 局部線路故障只會影響局部區域, 不會導致整個網路癱瘓。除非整個網路只有一部集線器, 而碰巧問題出在集線器, 這樣才會使整個網路都停擺。 追查故障點時相當方便, 通常從集線器的燈號便能很快得知。 新增或減少電腦時, 不會造成網路中斷。

星狀網路的優缺點 至於它的唯一缺點, 便是必須增加一筆購買集線器的成本, 但是由於集線器的價格日益滑落, 使得這個缺點的影響逐漸縮小, 因此星狀網路已成為目前小型區域網路的趨勢。

3-2-3 環狀網路 『棒棒接力』的特性 環狀網路的優缺點 邏輯拓樸與實體拓樸

『棒棒接力』的特性 顧名思義, 環狀網路是將電腦連成一個環 （Ring）, 每部電腦依照位置不同而有一個順序編號, 訊號會依照該順序編號以『接力』方式傳遞, 傳到最後一棒時再傳給第一棒。 以下頁圖為例, X 電腦欲傳送資料給 Z 電腦時, 必須先傳給 Y 電腦, Y 電腦收到訊號後發現這不是給自己的, 於是再傳給 Z 電腦。 在正常情況下, 每部電腦都是接收前一部電腦傳來資料, 不能跳過中間的電腦直接傳送。

『棒棒接力』的特性

環狀網路的優缺點 前兩種網路其實都還有共同的缺點, 那就是可能發生兩部（或多部）電腦同時傳送資料, 因此發生了訊號碰撞（Collision, 詳見第 4-3-3 節）, 導致整個網路暫時無法工作。但是環狀網路就不會有這個問題, 因為在環狀網路上的電腦要傳送訊號前, 必須先取得『令牌』（在英文稱為 Token）, 有令牌的電腦才准傳送, 而令牌只有一張, 並且是按照順序編號輪流傳遞, 所以不會發生碰撞情形。

環狀網路的優缺點 至於其缺點, 則是因為在目前市場上環狀網路的軟硬體設備成本較高, 連帶影響到其普及性。 另外, 若任一線路或節點故障, 則整個環狀網路便會癱瘓, 不過這個問題可以採用備援線路的方式解決。

環狀網路的優缺點

環狀網路的優缺點 當主要線路上任一段網路線損毀時, 可以利用備援線路讓網路繼續運作, 不會因此中斷。 不過這種方式只能避免線路故障, 若是節點故障, 網路仍會癱瘓。而且這種雙環狀網路架構, 架設成本較高, 一般只有光纖網路才會採用這種模式。

邏輯拓樸與實體拓樸 環狀網路的另一項特點, 在於邏輯拓樸與實體拓樸可以不同。 邏輯拓樸指的是其資料傳輸方式, 實體拓樸指的則是實際佈線的模樣。 下圖是標準的環狀網路, 實體拓樸與邏輯拓樸模樣都相同。

邏輯拓樸與實體拓樸

邏輯拓樸與實體拓樸 但是有時候我們會看到如下圖般, 實體拓樸為匯流排網路, 但資料傳輸方式卻是環狀網路的有趣模樣：

邏輯拓樸與實體拓樸 當然, 也有可能看到如下圖一樣的環狀網路：

邏輯拓樸與實體拓樸 所以在了解網路拓樸時, 記得不要只從佈線方式來看, 也必須由邏輯拓樸上觀察, 才能正確地判斷出到底是何種拓樸模式喔！

3-3-3 中繼器與集線器 訊號在網路上傳遞時, 因為線材本身的阻抗會使訊號愈來愈弱, 導致訊號衰減失真, 當網路線的長度超過建議使用距離時, 也應該是訊號已衰減到幾乎無法辨識的時候, 若想再繼續傳遞下去, 必然要為訊號『打氣』, 將訊號還原成原來的強度。

中繼器 中繼器（Repeater）主要的功能就是將收到的訊號重新整理, 使其恢復原來的波形和強度, 然後繼續傳送下去, 如此訊號就可以傳得更遠。也由於中繼器的功能極為單純, 因此對應到 OSI 模型裡, 中繼器是位在最底層─實體層（Physical Layer）─工作。

中繼器 因為中繼器只是單純的把訊號重新整理再送出去, 所以不管中繼器兩端連接的線材為何, 只要是相同的網路架構, 都可以利用中繼器加強訊號, 延長傳輸距離。 像下方照片裡的中繼器便可以將雙絞線、光纖和同軸電纜線連接起來。

中繼器

集線器 集線器（Hub）是 10BaseT 和 100BaseTX 網路都會用到的設備, 在本質上它也是一種中繼器, 所以也是位於實體層的設備。集線器上面的 RJ-45 插槽通常稱為 Port, Port 數目的多寡並沒有一定, 從 4 Ports 到 32 Ports 皆屬常見, 更大型的集線器甚至採用模組化架構, 每插入一片類似介面卡的集線器模組, 就能擴充數十個 Port, 這種集線器有時又稱為 Concentrator。

堆疊式集線器（Stackable Hub） 假使共享式集線器的插槽不夠用, 就得將 Hub 串接起來, 10 Mbps 的 Hub 可使用同軸電纜線或 UTP 線連接, 至於 100 Mbps 的 Hub, 則只適合以 UTP 線串接（因同軸電纜線受限於 10 Mbps 的頻寬）。但是這種串接方式仍受到『5-4-3 原則』的限制, Hub 的數量不能太多, 如果 Port 數目還是不夠用, 改用『堆疊式集線器』應該是最佳的解決方案。

堆疊式集線器（Stackable Hub） 堆疊式集線器背後通常有串接專用接頭, 並且會附贈專用的 UTP 線, 用來連接疊在上方（或下方）的堆疊式集線器, 而且這些疊在一起的集線器視為 1 台大的集線器, 換言之, 即使疊了 3 個集線器, 但是在計算是否符合『5-4-3 原則』時, 只算是 1 個集線器而非 3 個集線器, 因此在擴充上具有更大的彈性。

什麼是『5-4-3 原則』？ 乙太網路最多只能使用 4 個中繼器（包含中繼式集線器）, 所以會形成 5 個區段, 但只有 3 個區段可以連接電腦, 其餘兩個區段因為不能連接電腦, 只能用來延伸距離, 故稱為 IRL（Inter Repeater Link）。而整個原則當中分別出現了 "5"、"4"、"3" 三個數字, 便慣稱為『5-4-3 規則』方便記憶。

什麼是『5-4-3 原則』？

3-3-4 橋接器 在乙太網路上, 訊號的傳遞是採用『廣播』的方式, 任何訊號上了網路, 每一台電腦都收得到, 然而某些訊號只需要在網路的某個區域內傳遞, 假使傳到不必要的區域, 只是徒增干擾, 影響整體效能。為了合理限制網路訊號的傳送, 我們會使用橋接器（Bridge）適當地切割網路。

橋接器 當資料送抵橋接器後, 橋接器會判斷訊號該不該傳到另一端, 假使不需要, 就將它攔截下來, 以減少網路的負載；只有當資料需要穿過網路到另一端的電腦上, 橋接器才會放行。以橋接器的功能來看, 可對應到 OSI 模型中的鏈結層（Data Link Layer）中。 舉例來說, 我們用一個橋接器將整個網路分為兩區（如下圖）：

橋接器

橋接器 假設橋接器的上方網路為 1 區、下方為 2 區, 當 A 電腦要傳資料給 B 電腦時, 訊號廣播到橋接器就會被攔住, 當橋接器發現 A、B 電腦同在 1 區, 表示此訊號沒必要傳到 2 區, 便將該訊號丟棄, 如此便能減少對 2 區的干擾；若 A 電腦要傳資料給 C 電腦, 橋接器便讓訊號通過。 因此, 如果 A 電腦經常傳輸的對象為 C 或 D 電腦, 那麼幾乎所有訊號都得通過橋接器, 等於是喪失了橋接器的過濾作用, 由此可知橋接器的擺放位置很重要。

橋接器 不過令人疑惑的是：橋接器為什麼能判斷收件者所在的網路呢？這是因為橋接器裡會有一張清單, 裡面記載了每台電腦所在的區域。

橋接器

橋接器 如同上圖, 橋接器在收到 A 電腦給 B 電腦的資料時, 會根據清單去判斷 B 電腦所在的網路, 同樣的, 若 A 電腦要傳給 C 電腦時, 橋接器也是利用清單去判斷, 而允許訊號通過。

橋接器 但是有一點我們要特別注意：橋接器並不會阻擋廣播封包（Broadcast packet）。 橋接器之所以能判斷是否要將資料轉送, 是因為傳送資料的封包中, 都會指定要由那台電腦來接收, 但是廣播封包就像是現實社會中的廣告信一樣, 並不會指定收件者。 在這種情況下, 橋接器無法判斷收件者是誰, 便會將封包轉送給所有的網路區段了。

3-3-5 第 2 層交換器 第 2 層交換器（Layer 2 Switch）屬於鏈結層（Data Link Layer）的設備, 又稱為交換式集線器（Switch Hub）或多埠橋接器（Multi-port Bridge）, 因為它同時具備了集線器和橋接器的功能。

第 2 層交換器 第 2 層交換器會記憶哪個位址接在哪個 Port, 並據以決定該將封包送往何處, 而不會送到其它不相關的 Port, 因此未受影響的 Port 可以繼續對其它 Port 傳送資料, 突破了集線器只能有一對 Port 在工作的限制。 對一台高階的 N Port 100 Mbps 交換器而言, 假如每兩個 Port 以全雙工模式互傳資料, 由於每對 Port 傳輸資料時都擁有 200 Mbps 的頻寬, 因此可以獲得理論上的最大傳輸頻寬為 100 × N Mbps 。

第 2 層交換器

第 2 層交換器 但是, 如果多個 Port 的封包要送到相同目的地時, 還是會發生搶用的情形。以上圖為例, 若 A 電腦、C 電腦和 D 電腦都要傳資料給 B 電腦, 那就回到了共享式集線器的情形, 3 台電腦在搶用 100 Mbps 頻寬了。

3-3-6 路由器 路由器（Router）係工作於 OSI 模型中的網路層（Network Layer）。不過筆者認為『路由器』這個名稱不夠清楚, 因為許多人還是不懂何謂『路由』？不如將它譯為『路徑選擇器』來的貼切, 因為它最主要的功用, 就是在不同的網路間選擇一條最佳的傳輸路徑。以下圖為例, 從 LAN 1 傳資料到 LAN 2 有兩條路徑：

路由器