計算機與程式設計初體驗

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計算機與程式設計初體驗

網際網路

講師:陳琨 (K. Chen)

kchen@csie.org

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5-1 網際網路的歷史沿革

名詞解釋

• 網路:把電腦與電腦使用網路線相連成網

• 網際網路(Internet):連結各個網路所成的大型網 路(inter-network),特指今日全球個人電腦等設備所 連結上的大型網路

• 連結上網的機器稱為主機(host)或是終端系統(end system)

• 連結的媒介稱為傳輸連結(communication links)

• 提供連結服務的稱為ISP (Internet Service Provider)

• 頻寬 = bits / second (每秒可傳輸多少位元)

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名詞解釋 (cont)

• 網路上傳輸的資料稱為封包(packet)

• 封包隨著路由器(router)所尋找出路徑來傳

遞, 最後抵達目的位址,稱為繞徑(routing)

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網路慣用圖示

• 以雲狀表示網路

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網路示意圖

• 靠著不同的傳輸媒介,將網路上的元件相連,也將各 個網路連結起來

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網際網路的架構

• 網際網路是階層式的架構

• 網際網路所使用的通訊協定是TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol)

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網際網路提供的傳輸服務

• 連結導向服務 (connection-oriented service)

– 提供可信賴的資料傳輸(reliable data transfer) – 能夠確保資料傳輸完整無誤

– 傳送之初必須先進行三向式握手(three –way handshake) 建立連結

• 非連結導向服務(connectionless service)

– Best-effort

– 可減少為確保資料傳輸的overhead

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三向式握手

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網際網路發展的沿革 – 線路交換

• 早期只有電信系統的線路交換

• 兩方溝通採用獨占線路的方式

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網際網路發展的沿革 – 封包交換

• 1961 年Leonard Kleinrock提出封包交換的 概念

• 封包交換:將原始傳送的訊息切割成一個 個封包,傳送進網路之後,每個封包可能 走不同的路徑,最後到達目的位址再重新 組裝回原始訊息

• 封包交換不需要獨占連線

• 對於電腦資料傳輸而言,封包交換比線路

交換有效率

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網際網路發展的沿革 – 封包交換 (cont)

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網際網路發展的沿革

• 1961 年Lawrence Roberts使用低速網路線 將劍橋與加州的電腦相連,展示廣域網路 (wide area network) 的概念

• 美國國防部ARPANET計畫開始發展

• 1969 年ARPANET有四個據點:加州大學洛 杉磯分校、史丹福研究機構、加州大學聖 塔芭芭拉分校、猶他大學

• ARPANET 發展出所使用的通訊協定——網

路控制協定 (network control protocol)

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網際網路發展的沿革 (cont)

• 名詞解釋:

• 協定:指的是方法、規則。定義出傳遞訊息時 使用的格式及方法,也定義收發兩端接到訊息 時應有的動作。遵循協定的規範,雙方就能清 楚無誤的相互溝通傳送資料

• 殺手級應用程式 (killer app):指一樣新產品、

新觀念或新服務一推出即能在市場上佔有一席

之地,受到熱烈歡迎,甚至能壟斷整個市場

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網際網路發展的沿革 (cont)

• 1971 年出現網際網路的第一個殺手級應用 程式:由

Ray Tomlinson

寫出的email

• 1983 年出現Telnet及FTP

– telnet :讓使用者可遠端登入另一台電腦,並且 進行各種操作

– FTP :使檔案能夠透過網際網路方便地在電腦 之間傳送

• 1989 年Tim Berners-Lee提出HTML

• 1993 年第一個圖形化網站瀏覽器-Mosaic誕

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網際網路發展的沿革 (cont)

1971

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5-2 網際網路基本運作原理

• 網際網路是分層 運作,以郵務的 分層運作比喻

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網際網路的分層運作

• 分層運作的好處

層與層之間分工責任清楚

若有某一層必須變動,則僅影響上下層,不相鄰之層 面不受影響

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網際網路層面所提供的功能

• 流量管制(flow control):避免一端電腦傳送過快導 致另一端電腦的緩衝區爆滿

• 雙方在建立連結時就設定好雙方的緩衝空間,並 在傳送過程中作動態調整,一旦緩衝空間將爆滿 時,傳送方會被要求減緩傳送速度

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錯誤管制 (error control)

• 封包傳送途中可能訊號會發生錯誤

• 最簡單的錯誤管制是使用檢查和

• 檢查和:所傳輸的資料相加最後取其補數

• 檢查和的弱點:當兩個資料在同一位數發

生錯誤時,使用檢查和無法偵測出有錯誤

發生

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檢查和範例

• 傳輸的資料如下:

1011100001010110 0000101001110101 0010011011001110

• 將所傳輸的資料相加得1110100110011001

• 將和取補數得0001011001100110 (檢查和)

• 若傳輸無誤, 在接收端將資料與檢查和做XOR 將得1111111111111111

• 若出現0表示傳輸過程有錯誤發生

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壅塞管制 (congestion control)

• 控制整個網路上的封包流量,避免因為大量封包湧 進網路導致網路壅塞癱瘓

• 由排隊理論可知網路流量與等待時間呈指數型成長

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切割與組裝

• 在傳輸端將資料切割成一個個封包,把傳 輸時所需要用到的資訊放在標頭,再往下 層傳送直到丟進網路

• 在接收端反向操作,每一層把自己需要用

到的封包資訊取出,並把該封包砍除,處

理完後將封包往上層傳送使用

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封包的切割

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繞徑 (routing)

• 封包丟進網路後,由路由器的繞境演算法找出封包要往 目的位址的最佳路徑,經由每一個路由器接力傳輸,封 包最終才能順利抵達

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網路的通訊協定堆疊

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應用層 (Application Layer)

• 提供許多供應用程式使用的通訊協定

• 應用層提供的通訊協定範例:

– 瀏覽網頁:HTTP

– 傳輸檔案:FTP

– 電子郵件:SMTP

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傳輸層 (Transport Layer)

• 對應用層來說,傳輸層像是為資料溝通的兩端的應用程式 提供一邏輯連線

• 提供流量管制以避免傳輸端速度太快使得接收端的緩衝區 爆滿

• 進行多工及解多工:

– 多工:在標頭裡填上正確的連接埠號碼 (port number)

– 解多工:根據標頭裡的連接埠號碼將資訊傳網正確 的應用程式

• 提供連結導向傳輸服務及非連結導向傳輸服務

– 連結導向傳輸服務:TCP

– 非連結導向傳輸服務:UDP

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傳輸層提供邏輯連線

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網路層 (Network Layer)

• 對傳輸層而言,網路層就像提供電腦與電腦之 間的邏輯連線

• 由Internet Protocol來指定網路的位址體系 (addressing scheme)

• 由命令列模式打入ipconfig即可查詢電腦的ip位 址

• 負責繞徑傳送封包

• IPv4 有四大類別,分派給不同大小的網路位址

• IPv6使用128位元用來定址,解決IP不足的問 需求

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IPv4 的四個類別

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查詢自己電腦的 IP 位址

開始/程式集/附屬應用程式/「命令提示字元」,

輸入「ipconfig」

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測試網路連線是否正常

說明:

測試自己的電腦到 120.118.165.132 之間的網路連線是否正常。如果 正常時,則會出現如下畫面:

ping 120.118.165.132

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追蹤網路連線路徑

說明:追蹤自己的電腦到 120.118.165.132 之間所經過的連線路徑:

tracert –d 120.118.165.132

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課堂練習 – P1

請測試你的電腦到 www.csie.ntu.edu.tw

這部電腦的連線是否正常,以及反應時間

約多少。

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課堂練習 – P2

請測試你的電腦到 www.google.com 這部

電腦中間經過幾段網路。

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連結層 (link layer)

• 連結層負責將封包傳遞出去,可能在異質 網路中進行傳輸

• 連結層可能是採用乙太網路(ethernet),採 用無線網路的802.11規格,也可能是撥接 上網的Point-to-Point

• 為了能夠儘早抓出錯誤,連結層提供錯誤

管制,甚至是錯誤更正

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實體層 (physical layer)

• 以硬體實際傳輸0、1訊號

• 使用光纖、同軸纜線、雙絞銅線甚至是無 線傳輸

• 不同的傳遞媒介會有不同的方式來傳送位

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5-3 連結媒介與連線上網

• 雙絞銅線 (Twisted-Pair Copper Wire)

最便宜且最廣泛使用的傳輸媒介

使用兩條包覆好的銅線相互交叉捲起,成為一條傳輸 媒介

透過雙絞可以減少磁場干擾

必須有放大器或中繼器(repeater)加強訊號 共有五大類別,其中

第三類別:電話線

第五類別:網路傳輸資料使用

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連結媒介 (cont)

• 同軸纜線 (Coaxial Cable)

由中空的圓柱形導線內包傳輸導線 可傳輸數位訊號及類比訊號

用於有線電視訊號傳輸及區域網路的網路連線鋪設 可傳輸距離較雙絞銅線長

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連結媒介 (cont)

• 光纖 (Fiber Optics)

成本較高,體積小,能夠高速傳輸資料

資料能夠傳達致超過100公里之後才會有訊號減低 的現象

不受電波干擾

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連線上網

• 校園網路

– 校園中的電腦通成連結形成區域網路(Local

Area Network) ,再向電信公司租用網路線,提 供10Mbps至100Mbps的頻寬,甚至可達

10Gbps

– 區域網路可能有不同的佈局方式,稱為網路佈

局(network topology)

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網路佈局 – 星狀網路

• 核心部分有一台機器負責處理網路的資料並且傳送到 主機

• 核心機器負責控制避免發生碰撞

• 好處:若有一連線損壞並不影響其他主機的網路運作

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網路佈局 – 環狀網路

• 在環狀網路中,網路的連線形成一環,資料以同一方 向在電腦中傳輸,所以不會有碰撞的問題

• 如果發現資料並不是給自己的,就傳下去給下一台電 腦查看

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網路佈局 – 匯流排網路

• 佈置一條網路線,每一台電腦都掛上去

• 為避免資料與其他電腦相撞,可採用偵測的方式

• CSMA/CD:傳輸前先偵測是否有其他人在傳資料,如 果沒有的話則傳輸,若有則先等待一段時間後再進行 偵測

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撥接網路

• 早期使用電話線進行撥接

• 透過數據機將電腦所傳輸的數位訊號轉為類比訊號,

然後經由電話線傳輸出去

• 數據機也把電話線所傳輸的類比訊號轉為數位訊號傳 進電腦

• 頻寬約在56Kbps

• 連結上網時,電話便無法接通

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ADSL

• Asymmetric Digital Subscriber Line

• 利用電話線提供寬頻上網

• 使用者離電信公司距離不能超過4km

• 上傳與下載切割不同頻寬(Asymmetric),符合一般使用 者的使用需求

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Cable Modem

• 利用電視纜線傳輸訊號

• 傳輸方式採用廣播的方式

• 趨勢上是亞洲及歐洲喜歡ADSL,美國則偏好Cable Modem

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無線網路

• 廣佈無線網路存取器(Access Point, AP)

• 透過無線網卡與AP連結傳輸資訊

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