電腦網絡

電腦網絡（computer network），通常也簡稱網路，是指容許節點分享資源的數碼電信網絡。在電腦網路，電腦設備會透過節點之間的連接（數據鏈路）互相交換數據，即收發（接收和發放）網路資訊。傳輸媒介可分為有線及無線兩類——有線的可用到雙絞線、光纖電纜等媒介；無線則可用到Wi-Fi、NFC和Bluetooth等。

用於建立、路由及終止數據傳輸的電腦網路設備即為網路節點。節點包括像個人電腦、電話、伺服器般的主機及其他網路硬體（如閘道器及路由器）。它們一般以網路位址作識別碼。當一個設備能夠與另一設備交換資訊時，便可視它們倆已連接成網路，不論它們是否直連。專用通信協定在大多數分層中位於其他更通用的通信協定之上。要維持網路的可靠性，便需要有一定的網路管理技能。

電腦網路為海量應用程式及服務背後的基礎。比如存取網際網路、數字視頻、數位音訊；共享列印機；收發電子郵件及即時通訊訊息。電腦網路可依照傳輸介質、傳輸協議、網路大小、拓撲、流量控制機制、建立目的等因素區分。世界上最大的電腦網路為網際網路。

## 歷史

電腦網路發展的里程碑包括：

- 1950年代後期，美軍開始使用指揮系統——賢者系統，其為早期的電腦網路。
- 1959年，托利·伊萬諾維奇·基洛夫向蘇聯共產黨中央委員會提出一個詳細的計劃——其目標是建立全國性的網路中心OGAS，以重整對蘇聯武裝力量及經濟的控制。
- 1959年，貝爾實驗室的穆罕默德·阿塔拉及姜大元成功研發出金屬氧化物半導體場效電晶體。它於後來成為了電腦網路建設的基礎元件，比如收發器、基站組件、路由器、射頻功率放大器、微處理器、記憶體晶片、電信電路。
- 1960年，商業航空預訂系統——SABRE上線，其連接了兩台大型計算機。
- 1963年，J·C·R·利克萊德向他的同事發送了一份備忘錄，於當中探討「星系間計算網路」這一概念，即可用於一般使用者通訊的電腦網路。
- 1964年，達特茅斯學院的研究者開發出達特茅斯分時系統，以使大型電腦系統的使用者分流。同年麻省理工學院的一隊研究團隊在得到貝爾實驗室及通用電氣的支持下，成功以一台電腦來路由及管理電話連接。
- 在1960年代間，保羅·巴蘭及唐納德·戴維斯各自提出了分組交換的概念，以把資訊透過網路在電腦之間傳輸。戴維斯率先把NPL網路的概念在現實中實現。它是一個位於英國國家物理實驗室，線路速度為768kbit/s的區域網。
- 1965年，西方電器向市面推出了第一個得到廣泛應用的電話交換機，其由電腦所控制。
- 1966年，托馬斯·馬里爾及勞倫斯·羅伯茨發表了一篇論文，其內容有關一個用於電腦分時的試驗性廣域網。
- 1969年，ARPANET的首四個節點經已用電路連接，其速度為50kbit/s，在加利福尼亞大學洛杉磯分校、斯坦福大學研究中心、加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校、猶他大學這四個地點之間建立網路。在分組交換網路的理論中做出許多傑出貢獻的倫納德·克萊因羅克協助了ARPANET的研發。1970年代後期，他與其學生法魯克·卡莫恩針對分層路由的理論性研究對當下網際網路的實際運行仍有一定重要性。
- 1972年，使用X.25的商業服務經已投入運作，其於後來成為了TCP/IP網路的基礎。
- 1973年，法國的CYCLADES網路為第一個使主機可靠地傳遞數據的網路。
- 1974年，文頓·瑟夫等人寫出了首個TCP的規格675（Internet傳輸控制程序的規範），他們在當中首次把「Internet」視作網際網路的簡寫。
- 1976年，Datapoint Corporation的約翰·墨菲開發了ARCNET，第一個用於共享儲存設備的令牌傳遞網路。
- 1977年，GTE開發了首個遙距光纖網路。
- 1977年，羅伯特·梅特卡夫和尤根·達拉爾開發出施樂網路系統。
- 1979年，羅伯特·梅特卡夫致力使以太網成為開放標準。
- 1980年，羅恩·克蘭等人開發出一種新的乙太網協定，使其速度從2.94Mbit/s升級至10Mbit/s。
- 1995年，乙太網的傳輸速度從10Mbit/s升至100Mbit/s。從1998年起，乙太網支援1Gb/s的傳輸速度。以太網的可擴展性是其得以繼續應用的重要因素。

## 應用

電腦網路有著不同的應用，包括分享應用程式、瀏覽新聞、收發電子郵件、傳遞即時訊息、撥接網路電話、影音分享。使用者可透過網路共用週邊裝置，例如共用網路印表機。使用者亦可透過網路分享檔案給同一網路上的其他電腦。

攻擊者可利用網路散播電腦病毒或蠕蟲至網路上的其他節點，或實行阻斷服務攻擊，佔據網路的頻寬。

## IP封包

由於網路的最大傳輸單位會因技術而異，故在過程中IP封包可能需要切割成較小的封包，然後在目的地重組。此一方式的傳輸效率高，但也容易發生壅塞。

IP封包分為兩部分：表頭及承載資料。表頭包含了目的及來源位址、上層協定、存活時間等資訊。

## 網路拓撲

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網路拓撲是網路的幾何形狀分類。除了影響網路的容錯度、管理方式、資訊如何流通外，它還會影響網路的可靠性和架設成本，比如匯流排拓撲較容易發生單點失敗。一般而言線路愈多愈可靠，但相對地佈線成本亦會提升。

常見的網路拓撲有：

- 匯流排拓撲：所有節點共享一個介質，以此連接其他節點。早期的乙太網10BASE5及10BASE2會應用此一拓撲。
- 星狀拓撲：所有節點集中連接至一個特殊的裝置，例如交換器、集線器。
- 環狀拓撲：所有節點以形成一個環狀的方式連接，節點間需以順序的方式傳送資訊。應用此一拓撲的有IBM Token Ring、IEEE 802.5 Token Ring。
- 網狀拓撲：所有節點連接至一個以上的節點。
- 樹狀拓撲：所有節點一層一層地以分支形式連接。
- 混合式拓撲：將上述拓撲混合使用。在佈置網路時，一般會混合多種拓撲。

### 覆蓋網絡

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覆蓋網絡是指建立在其他網路之上的網路。覆蓋網絡內的節點會透過虛擬或邏輯鏈路連接。每個鏈路對應於基礎網路中一條或多條的路徑。覆蓋網絡的拓撲一般會跟基礎網路的不同。比如很多對等網路皆屬覆蓋網絡。對等網路內的節點運行在網際網路之上，並組織成一個虛擬鏈接系統。

早期網際網路本身就是覆蓋網絡的一個例子。它建立在電話網絡之上。

## 網路連接

傳輸媒介是指傳送資料時所用到的媒體介質，其包括電纜、光纖、電磁波。它們屬OSI模型的第一層（實體層）及第二層（資料鏈結層）。

乙太網是區域網的主流傳輸媒介技術。乙太網的標準行業規格為IEEE 802.3。乙太網可以銅線或光纖電纜傳輸數據。無線區域網則一般會以無線電作傳輸媒介，不過也有以紅外線作傳輸媒介的。電力線網路以既有電力線來傳輸數據。

### 有線技術

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電腦網絡會用到的有線技術如下：

- 同軸電纜是一種廣泛應用於有線電視系統及早期區域網的傳輸媒介。以標準10Base2及10Base5來計，其最高速度為10Mbps。
- 國際電信聯盟電信標準化部門的G.hn技術能利用既有的家庭佈線（同軸電纜、電話線、電源線）來架設高速的區域網。
- 雙絞線是一種得到廣泛應用的傳輸媒介。它一般由四對銅線所組成，並可用於傳輸語音及數據。雙線纏繞的目的在於減少串擾及雜音的情況。其速度從2Mbps到40Gbps不等。雙絞線可分為兩類—— 遮蔽式雙紐線及無遮蔽式雙紐線。

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- 光纖是一種玻璃纖維或塑膠。其以光為傳遞的介質。它的好處為速度快、信號難以衰減。其傳輸速度可超過2Gbps；AT&T曾製作一條速度為400Gbps，橫跨12.07008公里的光纖電纜。其可在保有很高的數據傳輸率的情況下，擁有很遠的傳輸距離，因此可用於作為海底電纜的傳輸媒介。光纖大致分為兩種——單模光纖與多模光纖。單模光纖適合長距離傳輸（數十至一百公里）；多模光纖相對較便宜，但其傳輸距離僅限於幾百米的距離，甚至只有幾十米。

### 無線技術

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利用無線電等電子通信手段也可連接至網路。

- 陸上微波通訊會以地上發送站來把微波傳送至類似衛星的天線接收器。陸上微波的頻譜在千兆赫以內——因此所有通信限制在無阻礙的情況下才能順利進行。基站最高可分開約40公里。
- 通訊衛星通訊亦會透過微波來實現通訊。該些衛星位於太空，一般距離地球地面約36000公里。其可傳送語音、GPS、視像等資訊。
- 蜂窩網絡利用了好幾種的無線電通訊技術。該網路以蜂巢狀的形式規劃，每一個區域的中心為一個基地台。
- 無線電與擴頻技術——利用了功率較低的無線電技術的無線區域網。使用了擴頻技術的無線區域網可使之間距離不遠的設備互相溝通。IEEE 802.11定義了一種十分盛行的無線電技術的開放式標準——Wi-Fi。
- 自由空間光通信以可見光或不可見光來作通訊。

### 其他特別的技術

- 以鳥類為載體的網際協議原是一個帶幽默色彩的愚人節請求意見稿，其以的名義發佈。到了2001年，它在現實中得以實現。
- 星際網際網路——以無線電波將網際網路擴展至星際。

## 網路節點

除了物理傳輸介質之外，要建立一個網路還需要一些相關設備，比如網卡、中繼器、集線器、橋接器、網路交換器、路由器、數據機、防火牆。

### 網路介面

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網卡是電腦硬體的一種，它使得電腦能夠存取傳輸媒介上的資料。網卡可能會有連接適當線材的接口，擁有接收無線訊號的接收器。兩者皆會配合適合的電路板。

網卡會依據網路地址來決定是否對流量回應。在乙太網中，裝置所安裝的每一片網卡都擁有一個獨一無二的MAC地址。為了避免網卡之間的地址有所衝突，電氣電子工程師學會及廠商會共同確保網卡的地址為獨一無二的。一個乙太網MAC地址的長度有6Bytes。前3Bytes為廠商向學會登記而得來。後3Bytes則為廠商自行賦予。

### 中繼器及集線器

中繼器是用於增強訊號的網路設備。這一設備可使因距離問題而出現衰減的訊號再生，令其能傳送得更遠。對於大多雙紐線而言，若總長度超過100米，便需要安放一台中繼器。光纖則要有幾公里的總長度才需安放一台。

擁有多個埠的中繼器即為集線器。在OSI模型中，集線器為第一層設備。「5-4-3」規則是指在10Mbps以太網中，網路不能有超過5個區段的總長度，最多使用4個集線器，最多以3個區段連接電腦。

由於交換器的功能相對較佳，價格亦相近，故上述兩者皆已被交換器所取代。

### 橋接器

橋接器連接兩個獨立的網段及過濾之間的流量，它在OSI模型的數據鏈路層中運作。它可分割網路的碰撞域，但同時仍會進行群播。分割網路的碰撞域能增加網路的效率。

橋接器有三大類：

- 局域橋接器——直接連接不同的局域網。
- 遠程橋接器——連接在不同區域的局域網。
- 無線橋接器——連接兩個或多個有線局域網。

### 交換器

交換器是一種依據MAC地址，來在埠之間轉發和過濾數據鏈路層的幀的設備。交換器僅將幀轉發到通訊所涉及的物理埠，與只進行群播的集線器不同。可視它為擁有多個埠的橋接器。它透過進入物理埠的幀來學習來源的MAC地址。若交換器不能從MAC表中找到與幀對應的MAC地址，它就會把幀群播。

### 路由器

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路由器是一款互連網路設備，兼具了中繼器、橋接器、集線器的功能。其依照封包內的訊息及路由表中的資訊來選擇封包傳遞的路徑。它必須擁有IP位址才可正常運作。

### 數據機

數據機把節點的訊號轉換成其他非專用線路能夠傳送的訊號。當中載波混入數位訊號調變，成為模擬信號，以便其他非專用線路攜載。早期的電話線撥接網路需搭配數據機使用。

### 防火牆

防火牆是一種控制網路安全和訪問規則的網路系統。它按特定規則來充許或阻止資料通過。

## 分類

電腦網絡除了可以按照右方的覆蓋範圍分類之外電腦網絡應用可按照不同節點之間的功能關係分為：

- 客戶－伺服器參看B/S模式和C/S模式
- 多層結構
- 對等參看P2P模式

## 網路基礎理論

- 服務質量
- 網路擁塞
- 網路恢復能力

## 網路協議

存在多種不同的網路協議，傳輸媒介由此也構成多種不同的電腦網絡

- ARCNET
- DECNET
- 乙太網
- IPSEC
- Appletalk
- TCP/IP協議棧
- 傳輸控制協議
- 網際網路通訊協議
- 令牌環
- IPX
- 光纖傳輸數據接口
- HIPPI
- Myrinet
- 異步傳輸模式
- RS-232
- IEEE-488
- USB
- IEEE 1394
- X.25
- 幀中繼
- 藍牙
- ZigBee
- IEEE 802.11
- 系統網路結構

## 相關的機構與廠商

- 機構
- 美國國家標準組織ANSI
- 電子工業聯盟EIA
- 電子和電氣工程師協會IEEE
- 國際標準化組織ISO
- 廠商
- CISCO
- HP
- 中興通訊
- 華為
- 銳捷
- IBM
- 北電網絡
- 港灣
- D-Link
- TP-Link

## 參考文獻

### 來源

書籍

- Andrew S. Tanenbaum. 《電腦網絡》（Computer Networks, ISBN 0-13-349945-6）
- William Stallings. 《數據與電腦通信》（DATA & COMPUTER COMMUNICATIONS, 6th Ed., ISBN 7-04-010043-6）