第 13 章 資料通訊協定

1. 計算機概論 第13章 資料通訊協定 陳維魁/陳邦治 旗標出版社

2. 本章重點 • 資料傳輸的方法大體上可分為「人工傳輸」及「電子傳輸」兩種 • 「人工傳輸」是指利用人來負責資料傳輸的工作，通常會配合鐵路、公路或空中運輸的方式來將資料傳送到目的地；「人工傳輸」難免會有速度慢、效率差及容易出錯等特性 • 「電子傳輸」則是利用網路連線來傳送資料，利用「電子傳輸」法傳遞資料速度較快、效率較佳且錯誤率低，比如電子郵件系統便是採用此法 • 因為「電子傳輸」遠優於「人工傳輸」，因此自然成了主流 • 當採用「電子傳輸」來傳遞資料時必須解決的一項重要問題就是不同電腦間如何傳送及接收資料？這個問題的答案就是透過「資料通訊協定」來解決

3. 通訊線路 電腦網路型態 OSI模型 網路系統拓樸結構 網路設備 單工與雙工傳輸 資料傳輸方式 乙太網路 記號環網路 誤差與錯誤檢查 大綱 3 3

4. 通訊線路 • 通訊線路(communication line)是指傳輸介質，資料可在通訊線路上傳遞並到達指定的目的地 • 一般會將通訊線路分為有線傳輸媒介及無線傳輸媒介二種

5. 有線傳輸媒介 • 有線傳輸媒介常見的有 • 雙絞線 • 同軸電纜 • 光纖

6. 雙絞線(twisted pair) • 雙絞線是指由二根外覆絕緣材質的銅線互相纏繞而成，家用電話線便是用雙絞線 • 雙絞線大量被利用在乙太網路、記號環網路中 • 通常在區域網路中採用Category 3纜線，並配合集線器而連接成星狀網路

7. 雙絞線圖示

8. 雙絞線 (cont.) • 雙絞線分為二種 • 「無包覆雙絞線」(Unshielded Twisted Pair；UTP) • 「有包覆雙絞線」(Shielded Twisted Pair；STP) • UTP較STP便宜，STP通常使用在記號環網路中，與UTP不同的是STP多了一層網線防止電磁干擾，因此訊號的傳輸距離及速度均較UTP佳但價格較貴 • 優點為成本低、容易安裝、適用於類比及數位傳輸 • 缺點為信號衰減程度高、通訊距離在100公尺內、頻寬小及易受電磁干擾 • 若使用者是利用電話線路使用網際網路資源，則通訊介質便是用雙絞線

9. UTP與STP

10. 同軸電纜(coaxial cable；COAX) • 同軸電纜通常被使用在區域網路中做為資料傳輸的介質 • 同軸電纜在同一軸心上共分為二個平行的導體，是採用同心圓之設計法，資料傳輸線為多芯銅線(stranded copper)，位於圓心之部份，而另外一線是做為接地用途，環繞在圓心線之外圍，主要目的是要降低資料傳遞時的電磁干擾並進而增加資料傳遞的隱定性 • 優點為成本低、容易佈線及擴充、信號衰減程度中等及抗電磁干擾能力中等 • 缺點為比雙絞線難排除故障

11. 同軸電纜圖示 若使用者採用的網路服務是由有線電視業者所提供，則通訊介質便是用同軸電纜

12. 同軸電纜的種類 • 同軸電纜可利用不同的口徑和阻抗來區分種類 • 口徑的單位為RG，RG值與資料傳輸線粗細成反比，即RG值愈大，資料傳輸線愈細；RG值愈小，資料傳輸線愈粗

13. 乙太網路中常用的同軸電纜 • 10 Base 5 (粗線--thicknet) • 傳輸速率為10 M bps，一個區段可達500公尺，若超過500公尺就必須利用訊號加強器來增加通訊距離如RG-11 • 10 Base 2 (細線--thinnet) • 傳輸速率為10 M bps，一個區段可達200公尺，若超過200公尺就必須利用訊號加強器來增加通訊距離，如RG-58及RG-59

14. 光纖 (optical fiber) • 光纖為主流的通訊介質，許多的學校或機關團體已利用光纖做為網路骨幹 • 光纖之材質為玻璃纖維，具有重量輕及傳輸速度快的優點 • 僅適用於點對點的傳輸模式 • 光纖是利用光波的形式來傳輸資料，雷射光由一端傳送到另一端，傳輸的速度可超過2 G bps • 傳輸的距離則可達100公里，因此較無信號衰減之問題，而且光纖也無電磁干擾之問題

15. 光纖 (cont.) • 在光纖中光線只能單向傳送，若要雙向皆能傳送資料則必需利用二條光纖 • 光纖的價格較昂貴且較雙絞線及同軸電纜易受損為此種傳輸介質的主要缺點 • 雖然光纖速度最快，但因為價格問題，除非「高速」是絕對必要，否則一般使用者不一定要需要使用這麼昂貴的傳輸介質來傳送資料

16. 光纖圖示

17. 無線傳輸媒介 • 無線傳輸媒介常見的有 • 通訊衛星 • 紅外線 • 雷射 • 無線電波

18. 通訊衛星 (communication satellites) • 通訊衛星藉由太陽能電池來維持運轉之功能，適用於遠距離的資料傳輸，比如廣播(broadcast)傳輸模式 • 通訊衛星傳輸速度非常快，可直接以數位訊號傳輸不必進行訊號轉換之工作

19. 紅外線傳輸 (Infrared Transmission；IR) • 紅外線傳輸為一種無線遙控技術，如電視、音響等即是採用此種傳輸方式來控制 • 由於本傳輸方式之傳輸距離短及紅外線傳輸穿透性差，容易被物體阻隔傳輸，因此紅外線傳輸並未被廣泛地使用

20. 紅外線傳輸 (cont.) • 目前市售的筆記型電腦幾乎都搭配了紅外線傳輸功能

21. 雷射 (laser) • 由於雷射光不會散射，因此雷射傳輸為直接連接式的高頻率電磁波傳送技術 • 雷射傳輸特別適用於不適合挖掘路面來建立二個區域網路間的連線

22. 無線電波 • 最後一種要介紹的是被目前大部份的無線網路通訊技術採用做為傳輸媒介的「無線電波」 • 無線電波的優點為穿透力強且為全方位傳輸 • 缺點則是利用無線電波傳送資料保密性差且易受干擾

23. 電腦網路型態 • 通訊網路依傳輸範圍的大小及傳輸距離的遠近可分為三種 • 區域網路(Local Area Network；LAN) • 廣域網路(Wide Area Network；WAN) • 都會網路(Metropolitan Area Network；MAN )

24. 區域網路 • 區域網路適用於短距離以及有限區域內的傳輸，傳輸距離在2公里以內，如一棟大樓、學校或工廠等等 • 區域網路可連接不同廠牌及使用不同通訊協定的電腦，通常傳輸速度約在106 bps以上 • 在區域網路內電腦與電腦間(或節點與節點間)關係十分密切，可利用雙絞線(twisted pairs)、同軸基頻電纜(baseband Coxial)、同軸寬頻電纜(broadband Coxial)或光纖(fiber optics)做為電腦與電腦間的通訊線路 • 常用的軟體：Novell Netware 與D-Link

25. 區域網路圖示

26. 廣域網路 • 廣域網路涵蓋區域廣大，傳輸範圍可擴及不同城市，甚至不同國家，傳輸距離可達數千公里以上 • 可利用、電話線、微波或衛星通道做為電腦與電腦間的通訊線路

27. 都會網路 • 傳輸的距離以及範圍介於區域網路與廣域網路之間，大約是一個都市的規模

28. OSI模型的七層結構 • 國際標準組織(ISO)於1984年發表了OSI模型，將網路的設計分為七層，每層有專屬的工作，對應圖形如右圖

29. 實體層(physical layer) • 實體層主要是與通訊介質有關的規格 • 負責以下三項規格 • 傳輸介質的規格：雙絞線、同軸電纜、光纖等 • 資料實際傳輸的規格：光脈衝或電脈衝等 • 接頭的規格

30. 資料鏈結層(data link layer) • 確保同一網路中的資料可正確傳輸 • 負責以下三項工作 • 同步作業 • 同步傳送端及接收端之動作，以確保資料能正確傳送或接收。 • 偵錯 • 利用CRC (Cyclic Redundancy Check)碼來偵測傳送過程中發生的錯誤 • 制定MAC (Media Access Control)方法 • 處理分封訊息(packet message)並檢測實體層的錯誤及排除錯誤

31. 網路層(network layer) • 負責以下二項工作 • 定址(addressing) • 決定傳送端及接收端唯一且可識別之位址 • 選擇傳送路徑(routing) • 藉由比較線路品質、可靠度、頻寬、成本及使用率等因素，進而決定選擇走哪一條路徑將資料由傳送端送到接收端

32. 傳輸層(transport layer) • 保障不同網路中的資料傳輸無誤 • 負責以下三項工作 • 編排分封次序 • 分割訊息(message)為分封(packet)，編排分封次序，訊息以分封為傳送單位，接收端接收到同一訊息的所有分封後會按照編號將分封組合成原訊息 • 控制資料流量 • 控制資料流量以避免接收端資料接收不及導致資料流失 • 偵錯錯誤處理 • 負責傳送者與接收者間資料的傳送之完整性(integrity)

33. 會議層(session layer) • 會議層的作用為製定通訊雙方通訊時應遵守的協定(protocol)，也就是通訊時應遵守的規則或通訊關係

34. 展示層(presentation layer) • 負責以下三項工作 • 內碼轉換 • 處理通訊雙方不同機器間格式的差異 • 加密(encrypt)與解密(decrypt) • 壓縮(compress)與解壓縮(decompress)

35. 應用層(application layer) • 應用層為系統與使用者交談的介面，提供使用者所需要的服務 • 如電子郵件，檔案傳輸及瀏覽程式等服務

36. OSI模型的七層結構運作方式

37. 網路系統拓樸結構 • 在網路系統中電腦與電腦間實際連接的情形稱為通訊網路的拓樸(topology)結構 • 常見的拓樸結構 • 完全連結網路 • 部分連接網路 • 星狀結構網路 • 匯流排結構網路 • 環狀結構網路

38. 完全連結網路(fully connected) • 在完全連結網路系統中任二台電腦間都會有直接的通訊線路相連接 • 採用此種拓樸結構不論那一台電腦或那一條線路若損壞對系統的影響均最小 • 系統的可靠度最高 • 但成本最高

39. 部分連接網路(partially connected) • 在部分連接網路系統中僅部分電腦間有通訊線路相連接 • 採用此種拓樸結構某一台電腦或某一條線路若損壞時，均可能對系統造成很大的影響 • 系統的可靠度較差 • 但成本較低

40. 星狀結構網路(star structure) • 在星狀結構網路系統中僅由中央主電腦與各子電腦有直接相連 • 主要的優點是系統容易擴充 • 子電腦間若要通訊均必須透過中央主電腦才可處理，因此中央主電腦可能容易變成瓶頸(bottleneck) • 若中央主電腦無法運作，則將導致整個系統亦無法運作

41. 星狀結構網路範例 • 若系統中除了中央主電腦外，尚有6台電腦，則星狀結構網路拓樸結構圖如下

42. 匯流排結構網路(bus structure) • 本結構是以一條共用的網路線來連接所有電腦 • 匯流排結構中若要擴充或刪除一台電腦十分容易，但主要的缺點則是同一時間只能允許一部電腦可傳輸資料，而且若有任何一段線路故障，整個網路架構便無法運作 • 若要加入或刪除一台電腦都會使網路暫時無法運作

43. 匯流排結構網路拓樸結構圖

44. 環狀結構網路(ring structure) • 環狀結構網路是將電腦連成環狀，電腦間透過Repeater相連接 • 環狀結構可為雙向或單向 • 成本比星狀結構網路高，但可靠度比星狀結構網路好

45. 環狀結構網路拓樸結構圖

46. 網路設備 • 數據機 • 網路卡 • 中繼器 • 集線器 • 橋接器 • 路由器 • 交換器

47. 數據機 • 數據機(modem)是由調變機(modulator)及解調機(demodulator)所組成 • 將數位資料轉換為類比資料是屬於調變機所執行之調變(modulation)動作 • 將類比資料轉換為數位資料則是屬於解調機所執行之解調變(demodulation) 所執行之作 • 數據機常被稱為調變解調機

48. 數據機 (cont.) • 目前市面上常見的數據機有二類 • ADSL數據機(利用電話線上網時使用) • 纜線數據機(cable modem；利用有線電視業者提供的上網服務時使用)

49. 網路卡(Network Interface Card；NIC) • 網路卡的功能是將連接到網路的設備(可能是個人電腦、伺服器或網路印表機)需要傳輸的資料轉換成傳輸媒介可以傳送的資料型態 • 不同的網路卡應有一個不同的MAC(Media Access Control；MAC)位址，此位址是網路卡出廠時由廠商所分配 • 網路卡通常位於主機板的擴充槽或筆記型電腦的PCMCIA介面卡插槽，而且網路卡本身會包含網路連接線的外接口(通常是RJ-45)或無線網路天線 • 網路卡在做上述資料轉換動作時會先在資料的前方加上網路卡的MAC位址，代表某筆資料是由該網路卡所發出

50. 中繼器(repeater) • 訊號必須在傳輸媒介中傳遞，而傳輸媒介因為有阻抗，所以傳輸距離增加必然會使得訊號強度減弱，如此一來將影響資料傳輸的距離 • 中繼器可重建衰減的訊號進而還原成原來的強度，因此可以使用中繼器來解決訊號衰減的問題 • 中繼器只能放大訊號並不具修改訊號的能力，因此中繼器是無法修正資料在傳輸過程中產生的錯誤