網路拓樸 (Topology)、網路組成元件與設備等

 

第一節網路拓樸 (Topology)、網路組成元件與設備等

一、  網路拓撲的定義：網路拓樸又稱為網路布局，或網路結構。此為電腦網路中，端點間連接的方式。網路上各端點藉由鏈(Link)、節點(Node)或交換中心(Switch)互相連接。這種連接的通路分布即為網路拓樸。常見的網路拓樸有網狀(Mesh)、星狀(Star)、環狀(Ring)、樹狀(Tree)及匯流排(Bus)等。

（一）網狀：網狀拓樸即在通訊網路中，各端點間都有專屬的鏈連接。網狀拓樸使用大量的輸入／輸出埠(I/O port)，當端點很多或距離很長時，將耗費大量的硬體設備與維護成本。

（二）星狀：星狀拓樸利用一個中央交換中心(CentralSwitch)來控制網路之活動，每個端點以點對點方式與交換中心連接。端點與端點間的資料傳遞透過交換中心以電路交換方式傳送，是一種中央集權式的控制。

（三）環狀：各端點利用轉發器(Repeater)連接成封閉式的迴路，每個轉發器均透過兩個鏈與兩個轉發器連接。端點間的資料傳送是透過轉發器依一定的方向傳遞至目的端。

（四）樹狀：樹狀拓樸是利用多分支的傳輸媒體所構成，各端點利用硬體介面直接與傳輸媒體連接。當某一端點傳送資料至傳輸媒體時，各端點均能接收到該資料。

（五）匯流排狀：匯流排狀拓撲是樹狀拓樸之特例，僅由單一條傳輸媒體所構成。

二、網路組成元件與設備：

（一）路由器（Router）：路由器簡單來說是連接2個以上網路的裝置，決定資料封包（檔案、訊息、網路互動等資料）傳輸的路徑，用來連接桌上型電腦、印表機等連網裝置。Router最主要的工作就是決定要將網路封包送往何處，而為了達到這樣的目的，Router至少必須做到知道目的端的位址在哪裡、標示出來源端的位址並學習、尋找這個封包可能要送往的路徑有哪些、從可能的路徑中選出最佳路徑以及維護並更新這些路由所需的資料等事情。路由器通過乙太網電纜[1]或Wi-Fi網絡[2]將該Internet連接到您家中的其他設備。路由器根據功能不同，除了可以分成靜態[3]及動態[4]路由器之外，還可以細分為以下5種類型：

1.核心路由器：核心路由器通常是服務供應商及雲端供應商在使用的路由器，例如AT&T、Google、Amazon、Microsoft等企業都會使用核心路由器。此外，如果大型企業員工在不同建築或地點工作，也可能需要使用核心路由器。

2.邊緣路由器：邊緣路由器又叫作閘道路由器，也有些人會將其稱作數據機，通常沒有Wi-Fi及管理網路的功能，主要功能是在網路的邊界點連結其他網路或路由器，將資料發送給一般使用者。

3.分發路由器：分發路由器通常會透過有線管道接收來自邊緣路由器的資料，再將資料分發到指定的IP位址，分發的方式主要是透過Wi-Fi連接個別裝置，但也能使用實體連線連接路由器及連網裝置。

4.無線路由器（Wi-Fi分享器）：結合了邊緣路由器及分發路由器的功能，家中常見的Wi-Fi分享器就是屬於無線路由器，大部分的網路服務供應商都會提供標準無線路由器配備，但如果你的網路用量比較大，例如小型企業或公共場合，建議你使用企業級路由器來提升連線品質。

5.虛擬路由器：將路由器的功能虛擬化，提供雲端路由器的服務，虛擬路由器具有彈性高、擴充輕鬆及成本較低的特性，還能減少網路硬體設備的管理作業，適合有複雜網路需求的大型公司。

註：不同Wi-Fi等級傳輸的速度不同，以最新的Wi-Fi 6為例，除了提供更快的傳輸速度之外，還能增加訊號穩定度、減少訊號干擾、一次連線多個存取點，讓你享受不延遲的8K影片，快速下載與上傳大檔案，大幅提升網路使用體驗。以下提供無線網路標準的比較表作為參考：

Wi-Fi等級	無線網路標準[5]	頻段	最高傳輸速率	傳輸技術	最大頻段
第一代	IEEE802.11	2.4GHz	2M bps	DSSS / CCK	20MHz
第二代	IEEE802.11b	2.4GHz	11M bps	DSSS	20MHz
	IEEE802.11a	5GHz	54M bps	OFDM	20MHz
第三代	IEEE802.11g	2.4GHz	54M bps	DSSS / OFDM	20MHz
Wi-Fi 4	IEEE802.11n	2.4GHz / 5GHz	600M bps	OFDM	40MHz
Wi-Fi 5	IEEE802.11ac wave1	5GHz	3466M bps	OFDM	80MHz
	IEEE802.11ac wave2		6933M bps	OFDM	160MHz
Wi-Fi 6	IEEE802.11ax	2.4GHz / 5GHz	9.6G bps	OFDMA	160MHz

圖表 1路由器圖（取自網路）

（二）網路橋接器（network bridge）：橋接器是一個用來連接不同的網路區段(segment)的設備，例如﹐可以用一個 bridge 來連接兩個 Ethernet segment、或連接一個 Token Ring segment 到一個 Ethernet segment。其主要功能在於決定是否讓資料訊框(Frame)通過Bridge 到另一端網路上，當Bridge 接收到訊框後，會將訊框目的地的MAC 位址與Bridge 的table 做比對，如果table 中能找到符合的位址，則進一步確認封包與目的地電腦是否為同一區段網路，若是的話，目的地電腦不需透過Bridge 就能收到資料(發揮filter功能)；如果不是的話，Bridge 就會把訊框傳至目的地的電腦所在區段網路(發揮forward功能)。雖然Bridge被用來分割網路，但是它們並不會隔離廣播或多點傳播的封包。

圖表 2網路橋接器圖[6]（取自網路）

（三）交換器（又稱轉發器；Switch）：交換器是一種連接電腦、印表機、攝影機、照明設備和伺服器，負責網路橋接（network bridging）的網路硬體設備，會讀取網路卡的MAC位址來轉發資料，將資料準確地送達目的地，除了乙太網路交換器之外，也普遍存在於光纖通道、非同步傳輸模式及InfiniBand[7]等其他網路類型中。簡單來說，交換器的工作是負責將資料準確送達，建立整個網路運作的基礎，現在大多數的企業都是使用交換器。

1.非管理型交換器：又稱為未託管交換器，經常出現在家用的網路設備中，不需要複雜的設定及安裝程序，只要將電腦及其他網路裝置連接到交換器即可使用，缺點是功能與網路容量都比較少，且不支援任何設定介面或選項。

2.智慧型交換器：提供部分管理、QoS[8]和安全功能的交換器，雖然可擴充程度不及管理型交換器，但設備成本比較低，可以替代部分管理型交換器的功能，部署在大型網路邊緣時，可用於建立較小型網路或較低複雜性需求的基礎架構。

3.管理型交換器：提供最全面的交換器功能，擁有最好的應用程式體驗；最精準的網路控制及管理功能，以及最高的可擴充程度。此外，管理型交換器還擁有動態ARP檢查[9]、IPv4 DHCP窺探[10]、ND檢查[11]等功能，能夠避免網路遭到蓄意或無意的攻擊，常見用於中型商業網路的核心層，提供最優質的網路體驗。

4.不同交換器最大的差別在於擴充程度不同，對一般的網路使用者來說，開箱即可使用的非管理型交換器就足以提供優質的網路服務，但如果是大型企業或是商業中心等網路用量大且重視網路安全的地方，就必須使用管理型交換器來達到更好的網路使用體驗。

圖表 3交換器Switch（圖取自網路）

（四）閘道器（Gateway）：閘道器（gateway）可簡單理解為連接兩種不同網路協定的裝置，以及將Ａ協定網路的資料訊息進行運算、轉換成可被Ｂ協定網路識別的訊號，就需要利用來進行資料傳輸。此時若少了閘道器作為互連裝置，那資訊便無法轉換、或是傳遞出去，造成傳送失敗或漏損。閘道器（gateway）是讓資料能在不同「網路協定」間自由移動，協助資料進行運算、轉化。沒有路由表，閘道器只可按照預先設定的網段進行轉發。

 

圖表 4匣道器Gateway（圖取自網路）

（五）集線器（Hub）：HUB是中心的意思，集線器的重要功能是對接收到的信號進行整理放大，以擴大網絡的傳輸距離，同時把所有節點集中到以它為中心的節點上。依據IEEE 802.3協議，集線器功能是隨機選出某一埠的設備，並讓它獨占全部帶寬，與集線器的上聯設備(交換機、路由器或伺服器等)進行通信。

集線器在工作時具有以下兩個特點。

1. Hub只是一個多埠的信號放大設備，工作中當一個埠接收到數據信號時，由於信號在從源埠到Hub的傳輸過程中已有了衰減，所以Hub便將該信號進行整理放大，使被衰減的信號再生(恢復)到發送時的狀態，緊接著轉發到其他所有處於工作狀態的埠上。

2. 其次是Hub只與它的上聯設備(如上層Hub、交換機或伺服器)進行通信，同層的各埠之間不會直接進行通信，而是通過上聯設備再將信息廣播到所有埠上。隨著技術的發展和需求的變化，目前的許多Hub在功能上進行了拓寬，不再受這種工作機制的影響。由Hub組成的網絡是共享式網絡，同時Hub也只能夠在半雙工下工作。

圖表 5集線器Hub（圖取自網路）[12]

（六）同軸電纜：同軸電纜 (Coaxial cable)是一種訊號傳輸用之纜線，一般以單芯之裸銅線、多芯銅絞線、銅包鋼線或是鍍錫之銅線為纜線中心之導體（Conductor），再由內而外以四層環狀之被覆材料包圍而成：中心導電銅線之外面有一層塑膠 (透明 PE、發泡 PE、FB、Solid 實心之聚酯材料) 絕緣體（Insulation, Dielectric 電介質），絕緣體外面又有一層或二層薄的熱融鋁箔或是錫箔（Aluminum-Mylar Foil）以增強抗電磁干擾之效果，然後再以一層或二層網狀編織（Copper Braid Shield,一般為銅線或是鋁線等金屬線網）的導電材料，纜線外層之外皮保護層（Jacket）也是由塑膠(PE、PVC、NC-PVC、LSFH)絕緣材料包覆。有的同軸電纜為增加電纜之抗張強度，其邊沿會再加一條鋼索（Steel Wire），用以支撐佈(架)線之拉力，藉此保護電纜主體。

圖表 6同軸電纜（圖取自網路）

（七）雙絞線（Twisted pair）（無遮蔽式、遮蔽式[13]）：是由兩條外面被覆塑膠類絕緣材料、內含銅纜線，互相絕緣的雙線互相纏繞（一般以順時針纏繞），絞合成螺旋狀的一種電纜線。雙絞線常被利用的原因如下：防止信號線自身產生干擾問題、有效避免受到環境干擾之影響。

圖表 7雙絞線（無遮蔽式）（圖片取自網路）

（八）光纖：光纖指的是一種由玻璃或塑料組成的材料，可以用來傳輸光訊號，光線在光纖裡，會以全反射的方式前進，達到高速傳輸與低耗損。光纖損耗小、中繼距離長，方便長距離通訊。由於光纖的主要材料為二氧化矽玻璃，不會受到電磁波干擾，在高干擾的環境仍可保持訊號完整。近年來已發展到約160公里才需要裝一個中繼器。

圖表 8光纖（圖片取自網路）

（九）無線存取點（英語：Wireless Access Point，縮寫WAP）是電腦網路中一種連接無線網路至有線網路（乙太網）的裝置，又稱為無線基地台。 它通常作為一個單獨裝置，並通過有線網路連接到路由器，也能與路由器整合在一起。

圖表 9WAP(圖片取自網路）

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[1] 就是一般常見的扁頭網路線

[2] Wi-Fi聯盟的商標，一個基於IEEE 802.11標準的無線區域網路技術

[3] 靜態路由必須由管理人員手動輸入，好處是速度很快，不需要經過學習。

[4] 動態路由就不需要手動輸入，一切的工作都交給Router設備之間去協調，互相交換並學習。

[5] 建議讀者從搜尋引擎搜尋各無線網路標準並整理成表格備用，有時會考

[6] 藍色線即為乙太網電纜

[7] InfiniBand（直譯為「無限頻寬」技術，縮寫為IB）是一個用於高效能計算的電腦網路通信標準，它具有極高的吞吐量和極低的延遲，用於電腦與電腦之間的資料互連。

[8]  Quality of Service ( QoS ) 指的是提供穩定、可預測的資料傳送服務，來滿足用戶們的需求。但是QoS 並不會產生新的頻寬，而是有效的管理網路頻寬。

[9] 位址解析協定（英語：Address Resolution Protocol，縮寫：ARP）是一個通過解析網路層位址（MacAddress）來找尋資料鏈路層（IP）位址的網路傳輸協定

[10]作用是封鎖網路中非法DHCP伺服器。即開啟DHCP窺探（ DHCP Snooping） 功能後，網路中的客戶端只能從管理員指定的DHCP伺服器取得IP位址。

[11] 鄰居發現協議（英語：Neighbor Discovery Protocol簡稱：NDP或ND）是TCP/IP協議棧的一部分，用於IPv6。 它工作在數據鏈路層，負責在鏈路上發現其他節點和相應的IP地址，並確定可用路由和維護關於可用路徑和其他活動節點的信息可達性。

[12] 每一個插座稱為一個埠（Port）

[13]信號線周圍會環繞四周金屬材料做為屏蔽