1. 11
電腦網路電腦網路
第一章第一章

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第一章 電腦網路與網際網路第一章 電腦網路與網際網路
本章目標：本章目標：
– 什麼是網際網路什麼是網際網路 (Internet)?(Internet)?
– 什麼是通訊協定什麼是通訊協定 (Protocol)?(Protocol)?
– 什麼是網路邊界什麼是網路邊界 (Network Edge)(Network Edge) 和網路核心和網路核心
(Network Core)?(Network Core)?
– 什麼是存取網路什麼是存取網路 (Access Network)?(Access Network)?
– 什麼是實體媒介什麼是實體媒介 (Physical Media)?(Physical Media)?
– 什麼是分層什麼是分層 (layering)?(layering)?
– InternetInternet 的歷史的歷史 ??

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InternetInternet 的歷史的歷史
Arpanet introduced in 1969Arpanet introduced in 1969
TCP/IP, by V. Cerf and R. Kahn, in 1974TCP/IP, by V. Cerf and R. Kahn, in 1974
Ethernet, by R. M. Metcalfe et al., in 1976Ethernet, by R. M. Metcalfe et al., in 1976
Cellular telephones in 1978Cellular telephones in 1978
PC introduced in early 1980sPC introduced in early 1980s
Proliferation of LANs and hence the Internet inProliferation of LANs and hence the Internet in
mid 1980smid 1980s
Mosaic browser in 1993 and World-Wide WebMosaic browser in 1993 and World-Wide Web
Consortium in 1994Consortium in 1994

4. 4
InternetInternet 概觀概觀 (1/2)(1/2)
InternetInternet 是由成千上萬的是由成千上萬的
通訊設備所組成，包含通訊設備所組成，包含
了了 PC,PC, 工作站工作站 ,, 伺服器伺服器
, PDA, PDA 等等 ,, 甚至是烤麵甚至是烤麵
包機也有可能參與包機也有可能參與
InternetInternet 。。
通訊用的連線可以是光通訊用的連線可以是光
纖線、銅線、無線電、纖線、銅線、無線電、
衛星等。衛星等。
RoutersRouters ：負責在網路：負責在網路
中轉送資料封包中轉送資料封包
local ISP
company
network
regional ISP
router
workstation
server
mobile

5. 5
InternetInternet 概觀概觀 (2/2)(2/2)
通訊協定通訊協定 (protocols)(protocols) ：控制訊息的接收和傳送。：控制訊息的接收和傳送。
– 例如：例如： TCP, IP, HTTP, FTP, PPPTCP, IP, HTTP, FTP, PPP
Internet: “network of networks”Internet: “network of networks”
– 寬鬆的階層式架構寬鬆的階層式架構
– 開放的開放的 InternetInternet 和私有的和私有的 IntranetIntranet
InternetInternet 的標準的標準
– RFC: Request for commentsRFC: Request for comments
– IETF: Internet Engineering Task ForceIETF: Internet Engineering Task Force
http://www.ietf.orghttp://www.ietf.org

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在在 InternetInternet 上的服務上的服務
InternetInternet 是一個可提供分散式服務的是一個可提供分散式服務的
InfrastructureInfrastructure
– 例如：例如： WWW, e-mail,WWW, e-mail, 電子商務電子商務 ,, 資料庫資料庫 ,, 網網
路連線遊戲等服務路連線遊戲等服務
通訊服務提供兩種模式通訊服務提供兩種模式
– 連線導向連線導向 (connection-oriented)(connection-oriented)
– 非連線導向非連線導向 (connectionless)(connectionless)
目前目前 InternetInternet 能提供服務，但是不提供保證能提供服務，但是不提供保證
– 即使多付費也無法取得服務品質的保證即使多付費也無法取得服務品質的保證

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通訊協定通訊協定 (1/2)(1/2)
何謂通訊協定何謂通訊協定 ??
– 人類的通訊協定人類的通訊協定
甲：「你好！」甲：「你好！」
乙：「你也好！」乙：「你也好！」
甲：「今天晚上有空一起吃飯嗎？」甲：「今天晚上有空一起吃飯嗎？」
乙：「有的！」乙：「有的！」
– 機器的通訊協定機器的通訊協定
所有所有 InternetInternet 上面的溝通都必須仰賴通訊協定上面的溝通都必須仰賴通訊協定
必須詳細定義訊息格式、訊息收或送的順序，和收必須詳細定義訊息格式、訊息收或送的順序，和收
到或傳送訊息時該做的動作。到或傳送訊息時該做的動作。

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通訊協定通訊協定 (2/2)(2/2)
你好
妳好
現在幾點 ?
2:00
TCP connection
req.
TCP connection
reply.
<file>
time
人類和機器的通訊協定比較人類和機器的通訊協定比較

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網路的結構網路的結構
網路邊界網路邊界 (Network Edge)(Network Edge)
– 應用軟體和主機應用軟體和主機
網路核心網路核心 (Network Core)(Network Core)
– RoutersRouters
– 網路中的其他各種網路網路中的其他各種網路
存取網路存取網路 (Access Networks),(Access Networks), 實體媒介實體媒介
(Physical Media)(Physical Media)

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The Network EdgeThe Network Edge
端點主機端點主機 (host; end(host; end
system)system)
– 執行應用軟體，例如執行應用軟體，例如
WWW, e-mailWWW, e-mail
– 位於網路的邊垂位於網路的邊垂
Client/ServerClient/Server 模式模式
– ClientClient 對對 serverserver 提出要求，提出要求，
serverserver 給予回應給予回應
– 例如：例如： WWW client (WWW client ( 瀏覽瀏覽
器器 ) / server) / server
Peer to PeerPeer to Peer 模式模式
– 主機之間的互動是平等對稱主機之間的互動是平等對稱
的的
– 例如：音訊、視訊會議例如：音訊、視訊會議

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連線導向的服務連線導向的服務
目的：端點主機之間的溝通目的：端點主機之間的溝通
HandshakingHandshaking ：在兩端建立初始狀態，準備資料：在兩端建立初始狀態，準備資料
的傳送的傳送
TCP [RFC 793] - Transmission Control ProtocolTCP [RFC 793] - Transmission Control Protocol
是是 InternetInternet 上使用的連線導向服務協定上使用的連線導向服務協定
TCPTCP 的特色的特色
– Reliable, in-order byte-stream data transferReliable, in-order byte-stream data transfer
– lossloss ：： acknowledgeacknowledge 和和 retransmissionretransmission
– Flow ControlFlow Control ：傳送端不會傳送出超過接收端負荷的封：傳送端不會傳送出超過接收端負荷的封
包數量包數量
– Congestion ControlCongestion Control ：當網路發生壅塞，傳送端降低傳：當網路發生壅塞，傳送端降低傳
送速率。送速率。

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非連線導向服務非連線導向服務
目的：端點主機之間的溝通目的：端點主機之間的溝通
UDP [RFC 768] - User Datagram ProtocolUDP [RFC 768] - User Datagram Protocol 是是 InternetInternet 上上
使用的非連線導向服務協定使用的非連線導向服務協定
UDPUDP 的特色的特色
– Unreliable data transferUnreliable data transfer
– No flow controlNo flow control
– No congestion controlNo congestion control
使用使用 TCPTCP 的應用程式的應用程式
– HTTP (WWW), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTPHTTP (WWW), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP
(e-mail)(e-mail)
使用使用 UDPUDP 的應用程式的應用程式
– Streaming media, teleconferencing, Internet telephonyStreaming media, teleconferencing, Internet telephony

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The Network CoreThe Network Core
由互相連結成網狀的由互相連結成網狀的
routerrouter 所組成所組成
資料在網路中傳送的方式資料在網路中傳送的方式
– Circuit switchingCircuit switching
每個每個 callcall 都有專屬的實際連都有專屬的實際連
線：電話線：電話
– Packet switchingPacket switching
每個每個 packetpacket 可能走不同的可能走不同的
路徑路徑
– Message switchingMessage switching

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Circuit SwitchingCircuit Switching
每一個每一個 callcall 都會在兩都會在兩
端點沿途保留網路資端點沿途保留網路資
源源 (( 頻寬頻寬 ))
獨占的資源，不和其獨占的資源，不和其
他的他的 callcall 共享共享
就像是替兩端建立了就像是替兩端建立了
一條獨占的一條獨占的 circuitcircuit
必須先做必須先做 call setupcall setup
的動作的動作

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多工多工 (Multiplexing)(Multiplexing)
把網路頻寬分割成許把網路頻寬分割成許
多小塊分配給不同的多小塊分配給不同的
callcall
如果如果 callcall 不使用此一不使用此一
小塊頻寬，就會小塊頻寬，就會
idleidle ，此時無法再分配，此時無法再分配
給其他給其他 callcall 使用使用
““ 小塊 “可以依頻率或小塊 “可以依頻率或
是依時間來分割是依時間來分割
– Frequency divisionFrequency division
– Time divisionTime division

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Packet Switching (1/3)Packet Switching (1/3)
所有人的所有人的 packetspackets 共享網路資源共享網路資源 (( 頻寬頻寬 ))
每個每個 packetpacket 傳送的時候利用全部的頻寬傳送的時候利用全部的頻寬
所有頻寬需求加總的大小可以大於實際上所有頻寬需求加總的大小可以大於實際上
網路的頻寬大小網路的頻寬大小
會發生壅塞的原因：會發生壅塞的原因： packetpacket 被被 queuequeue 起來起來
等待傳送等待傳送
Store and forwardStore and forward ：： packetpacket 一次移動一個一次移動一個
hophop

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Packet Switching (2/3)Packet Switching (2/3)
B
C
10 Mbps
Ethernet
1.5 Mbps
45 Mbps
D E
statistical multiplexing
Packets 在排隊
等待傳送

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Packet Switching (3/3)Packet Switching (3/3)
StoreStore
andand
forwardforward

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Message SwitchingMessage Switching

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Packet SwitchingPacket Switching 和和 CircuitCircuit
SwitchingSwitching 的比較的比較
如果每個使用者需要如果每個使用者需要 100 Kbps100 Kbps 頻寬頻寬 ,, 但同時只會但同時只會
有有 10%10% 的使用者上線的使用者上線
– Circuit switchingCircuit switching ：容許：容許 1010 個使用者個使用者
– Packet switchingPacket switching ：： 3535 個使用者中有個使用者中有 1010 個使用者同時個使用者同時
上線的機率甚小，所以可以支援較多的網路使用者上線的機率甚小，所以可以支援較多的網路使用者
N 個使用者
1 Mbps link

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Packet switchingPacket switching 的優點的優點
– 處理處理 bursty databursty data 的能力卓越的能力卓越
– 共享網路資源共享網路資源
– 不必事先做不必事先做 call setupcall setup 的動作的動作
Packet switchingPacket switching 的缺點的缺點
– 網路壅塞會造成網路壅塞會造成 packet delaypacket delay 和和 lossloss
– 必須配合必須配合 reliable data transferreliable data transfer 和和 congestioncongestion
controlcontrol 的機制的機制
Packet SwitchingPacket Switching 和和 CircuitCircuit
SwitchingSwitching 的比較的比較

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RoutingRouting
目的：在目的：在 routerrouter 間移動間移動 packetpacket ，以送達目的地，以送達目的地
Datagram networkDatagram network 的特點的特點
– 目的地位址可以決定下一站目的地位址可以決定下一站
– 即使在同一即使在同一 sessionsession ，每個，每個 packetpacket 的路徑也可能會不的路徑也可能會不
同同
Virtual circuit networkVirtual circuit network 的特點的特點
– 每個每個 packetpacket 多帶一個多帶一個 tag,tag, 用用 tagtag 來決定目的地來決定目的地
– 在做完在做完 call setupcall setup 動作之後，路徑就固定了動作之後，路徑就固定了
– 每個每個 routerrouter 必須針對每個必須針對每個 callcall 的狀態作紀錄的狀態作紀錄

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Access NetworkAccess Network
在這裡我們會介紹下列的在這裡我們會介紹下列的 access networkaccess network
– Point to point accessPoint to point access
– Cable modemCable modem
– Local area networksLocal area networks
– Wireless access networksWireless access networks

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Point to Point AccessPoint to Point Access
ModemModem 撥接：撥接： 56 Kbps56 Kbps
ISDN (Integrated Services Digital Network)ISDN (Integrated Services Digital Network) ：：
128 Kbps128 Kbps
ADSL ( Asymmetric Digital Subscriber Line)ADSL ( Asymmetric Digital Subscriber Line) ：：
上傳上傳 1 Mbps,1 Mbps, 下載下載 8 Mbps8 Mbps
以上頻寬均為用戶端到以上頻寬均為用戶端到 routerrouter 端的頻寬端的頻寬

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Cable ModemsCable Modems
HFCHFC ：： HybridHybrid
Fiber CoaxFiber Coax
從住家到從住家到 routerrouter
(head end)(head end) 的頻的頻
寬是共享的寬是共享的

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Local Area NetworksLocal Area Networks
Ethernet (Ethernet ( 詳細介紹在第五章詳細介紹在第五章 ))
– 最廣泛的最廣泛的 LANLAN 產品產品
– 10/100 Mbps10/100 Mbps 最為常見最為常見 , 1 Gbps, 1 Gbps 也已是成熟產也已是成熟產
品品 , 10 Gbps, 10 Gbps 的標準也在制定中的標準也在制定中
– 使用的線材為雙絞銅線、銅軸線、光纖。使用的線材為雙絞銅線、銅軸線、光纖。
– 原始的設計理念為共用傳輸媒介，後來改成以原始的設計理念為共用傳輸媒介，後來改成以
switchingswitching 技術為主技術為主

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Wireless Access NetworksWireless Access Networks
Wireless LANsWireless LANs
– 2.4 GHz ISM2.4 GHz ISM 頻帶無頻帶無
線電傳輸線電傳輸
– 產品眾多：例如產品眾多：例如
Lucent WaveLAN,Lucent WaveLAN,
Compaq WL110Compaq WL110
– 目前市場主力為目前市場主力為 1111
Mbps (IEEE 802.11b)Mbps (IEEE 802.11b)
Access
Point
mobile
hosts
router

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Physical MediaPhysical Media
Physical link:Physical link: 訊號實訊號實
際傳輸的際傳輸的 linklink
Guided media:Guided media: 在實在實
體媒介上傳輸訊號體媒介上傳輸訊號 ,,
如銅線如銅線
Unguided media:Unguided media: 訊訊
號可以自由地傳輸號可以自由地傳輸 ,,
如無線電如無線電
雙絞線雙絞線 (Twisted Pair)(Twisted Pair)
– 兩條以一定比例互相交兩條以一定比例互相交
纏的銅線纏的銅線
– Category 3 TP:Category 3 TP: 傳統傳統
電話線電話線 , 10Mbps, 10Mbps
EthernetEthernet
– Category 5 TP:Category 5 TP:
100Mbps Ethernet100Mbps Ethernet

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Physical MediaPhysical Media
銅軸電纜銅軸電纜 (coaxial(coaxial
cable):cable): 中心的線稱為中心的線稱為
signal carrier,signal carrier, 外圍稱外圍稱
為為 shieldshield
– BidirectionalBidirectional
– 早期用於早期用於 10Mbps10Mbps
EthernetEthernet
光纖光纖 (fiber optic(fiber optic
cable)cable)
– 玻璃纖維製，傳輸光線玻璃纖維製，傳輸光線
– 傳輸速度快 –傳輸速度快 – GbpsGbps
Ethernet,Ethernet, 點對點傳輸點對點傳輸
達達 5Gbps5Gbps
– 錯誤率極低錯誤率極低

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Physical Media –Physical Media – 無線電無線電
MicrowaveMicrowave
– 56 Mbps channel56 Mbps channel
Wireless LANWireless LAN
– 2 Mbps, 11 Mbps2 Mbps, 11 Mbps
Wide-area (Wide-area ( 如行動電話如行動電話 ))
– CDPDCDPD 大約可達數大約可達數 10K bps10K bps
SatelliteSatellite
– 50 Mbps channel50 Mbps channel
– 270 msec270 msec 點對點的延遲點對點的延遲

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Packet-switchedPacket-switched 網路中的延遲網路中的延遲
路徑中每個節點有四種延遲路徑中每個節點有四種延遲
– Nodal processing delayNodal processing delay
– Queueing delayQueueing delay
– Transmission delayTransmission delay
– Propagation delayPropagation delay
A
B
propagation
transmission
nodal
processing queueing

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網路分層網路分層 (layering)(layering)
分層的理由分層的理由
– 切割複雜系統成許多小塊切割複雜系統成許多小塊
– 容易維護與發展每一分層容易維護與發展每一分層
– 更動某一分層不會牽動整個系統更動某一分層不會牽動整個系統
– 分層使得每一層的行為容易理解分層使得每一層的行為容易理解

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Internet Protocol StackInternet Protocol Stack
應用層應用層 (application)(application) ：支援網路的各種應：支援網路的各種應
用軟體用軟體
– 如如 ftp, smtp, httpftp, smtp, http
傳輸層傳輸層 (transport)(transport) ：兩端點之間資料傳輸：兩端點之間資料傳輸
的虛擬連線的虛擬連線
– 如如 udp, tcpudp, tcp
網路層網路層 (network)(network) ：負責傳送端和接收端：負責傳送端和接收端
之間的路徑之間的路徑
– Routing protocol, IPRouting protocol, IP
連結層連結層 (link)(link) ：相臨端點之間的傳輸：相臨端點之間的傳輸
– Ethernet, PPPEthernet, PPP
實體層實體層 (physical)(physical) ：實體線材上的訊號：實體線材上的訊號
– cat3, cat5cat3, cat5
application
transport
network
link
physical

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邏輯上的通訊邏輯上的通訊
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
network
link
physical
data
data以以 transporttransport
為例為例，從，從 appapp
接收資料後，接收資料後，
送給對應的送給對應的
peerpeer ，然後等，然後等
待待 peerpeer 的回的回
應應 (ack)(ack) data
transport
transport
ack

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實際上的通訊實際上的通訊
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
network
link
physical
data
data

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分層中的分層中的 datadata
傳送端：每一層都會加上自己的傳送端：每一層都會加上自己的 header,header, 然後送給下一層然後送給下一層
接收端：讀取這一層對應的接收端：讀取這一層對應的 header,header, 做處理後把做處理後把 headerheader
去掉送給上一層去掉送給上一層
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
source destination
M
M
M
M
Ht
HtHn
HtHnHl
M
M
M
M
Ht
HtHn
HtHnHl
message
segment
frame
packet