Internet 之網路架構

Internet 是所謂網際網路 , 這是大家都知道的 , 但是整個 Internet 的架構了解的並不多 , Internet 是用 Router 所連成的一個全球網路 , 使用 TCPIP 的 IP Routing 將資料送到目的地 , 所以在這篇短文中主要是說明整個 IP Routing 的動作流程 , 並進而說明 Internet 的網路結構 , 這篇短文是就我的了解來撰寫 , 若有不對的地方請各位先進指教 , 我會儘快修改。

封包(Packet)概念

網路便是以網路線材使各 PC 及主機及網路設備連接使資料能夠互享 , 在 Internet 的使用大部份是使用 Ethernet , 也就是所謂的乙太網路 , 資料在網路上是以封包的方式傳輸 , 封包傳輸便是將所欲傳輸之資料切成一段一段的資料包 , 以這一段一段的封包往網路線上送 , 到目的地再組合起來 , 為什麼要使用封包來傳輸 , 那是因為這樣才能使網路能讓多人共享 , 試想若不用封包來傳送 , 網路上的一個使用者要傳輸 100 Mbytes 的資料那網路上的使用者必須等待這個使用者傳送完後才能使用這個網路 , 那就不能作到網路共享 , 而使用封包的方式來傳輸則能讓使用者們平均地來使用網路頻寬 , 讓每個網路上的使用者感覺像專用的網路但實際上是多人共同使用。
Internet 上目前大部份是使用 Ethernet 網路 , 而且是使用 TCPIP Protocol , 所謂 Protocol 是一個規約 , 也就是兩邊所講的語言要一樣才可以溝通 , 所以一邊使用 TCPIP 送資料 , 而接收端也要使用 TCPIP 才知道對方在說什麼 , 在 Ethernet 的網路上傳送的封包除了有 Ethernet Header 還有 TCPIP 等資料 , 而且一個 Ethernet 的封包大小最多為 1518 Bytes , 下圖說明封包的格式

最前面是 Ethernet 的 Header , 有目的地的 Ethernet ID 及來源的 Ethernet ID, 接著是 IP Header , 然後是 TCP 的 Header 及所傳輸的資料 , 在 Internet 上所傳輸的資料皆是以此種模式來傳輸 , TCPIP Protocol 是一個代稱 , 實際上這一組的 Protocol 相當多 , 除了 TCP 及 IP 外還有 UDP 、 ARP 、 ICMP 、 SMTP 等等相當多的 Protocol , 但在此所要討論主要還是以 IP 為主 , 因為在 Internet 上皆是使用 IP 來使資料送到所連線的點 , 這個點當然可能在全球各地 , 這便是 IP Routing 的功能 , 以下對 IP Routing 作更詳細的說明。

IP Address & Network Number

談 IP Routing 要從 IP Address 開始談起 , 網路上的設備有 Router 、 Hosts 、 Gateway 等等的字眼 , 在此要先說明清楚 , 所謂 Router 是指能將進入 Router 的封包根據其目的 IP Address 來判斷將此封包以最近的路徑送達目的地者稱之 , 除了如 CISCO 、 3Com 等的 Router 外 , 另外 UNIX 主機同樣也具備這樣的功能 , 所以在以下所說的 Router 可能是實際的 Router, 也可能是 UNIX 主機 , Hosts 一般是指主機 , 可能是 PC 執行 TCPIP 的軟體或是 UNIX 主機 , 而 Gateway 是同 Router 一樣 , 以下便只使用 Router 、 Hosts 及 Gateway 稱之 , 不另外說明。
要使用 TCPIP 功能 , 網路上的設備 Router 或是 Hosts 皆需要設定 IP Address , Router 必須對每個介面設定一個 IP Address , 所以 Router 視其介面的多寡可能有多個 IP Address 。IP Address 的格式如下

nnn.nnn.nnn.nnn
nnn 是從 0 - 255 , 每個數字之間以 "." 來區隔 , 但是 0.0.0.0 及 255.255.255.255 是不能使用的 IP Address , IP Address 的使用是有一些限制 , 概略而言 0 及 255 不可擺在 IP address 的首位及最後一個數字 , 因為這些 IP Address 是有特殊用途 , 所以正確的 IP Address 如下所示

192.10.10.2
145.23.12.100

這是概略的說法 , 若欲詳細了解請參考 TCPIP 的相關書籍及資料。
IP Address 除了內含有主機的號碼 (Host Number) 外 , 另外也有所謂網路號碼 (Network Number) , Routing 的執行主要是根據 Network Number 來選擇最佳路徑來傳送封包 , 如何知道所使用的 IP Address 之 Network Number 是什麼 , 在 IP Address 中分為幾個 Class , 可歸類為

從到 Class
0.0.0.0 126.255.255.255 A Class
128.0.0.0 191.255.255.255 B Class
192.0.0.0 223.255.255.255 C Class
224.0.0.0 255.255.255.255 D Class

在 Internet 上的使用 , 若一個公司向 ISP 申請通常所給的是 C Class , 所謂 C Class 便是如

203.67.10.0
202.67.12.0

這樣便表示可使用的 IP Address 是

203.67.10.1 -- 203.67.10.254
202.67.12.1 -- 202.67.12.254

203.67.10.0 為什麼不能用 , 那是 203.67.10.0 便是所謂的 Network Number , 而 203.67.10.255 不能用因為是 Broadcast Address , 所以一個 C Class 可使用 254 個 IP Address 。
跟著 IP Address 有所謂的 Net Mask , 事實上是要使用 IP Address 及 Net Mask 作 AND 的結果得到 Network Number , 所以各 Class 的預設的 Net Mask 為

255.0.0.0 ---- A Class
255.255.0.0 ---- B Class
255.255.255.0 ---- C Class

要計算所使用 IP Address 的 Network Number 可歸納為 Net Mask 為 0 的填 0 , 為 255 的保留 , 以下為例
      203. 67. 10. 45  <-- IP Address
      255.255.255.  0  <-- Net Mask
    ------------------- 
      203. 67. 10.  0  <-- Network Number


      202. 10. 35.100  <-- IP Address
      255.255.255.  0  <-- Net Mask
    -------------------
      202. 10. 35.  0  <-- Network Number
所以 Network Number 是使用 IP Address 及 Net Mask 所得來的 , 計算 Network Number 的方式要清楚 , 否則便無法了解 IP Routing 的方法。

IP Routing

以下便要開始來說明 IP Routing 的執行方式 , IP Routing 的執行需要一台 Router , 對 Router 的每個介面皆需設定 IP Address 及 Net Mask , 這兩個一設定這個介面的 Network Number 便已決定 , Net Mask 可以不用設定 , 系統會以預設的 Net Mask 來給予 , Network Number 一決定後在這個 Router 介面上的 Hosts 或其他網路設備必須設定為同一個 Network Number

在上圖中 , Router 的介面 IP Address 為 "203.67.10.254" 因這個 IP Address 屬 C Class , 所以其 Net Mask 為 "255.255.255.0" , 得知其 Network Number 為 "203.67.10.0" , 相對的其他的 Hosts 也必須是 "203.67.10.0" 這個 Network Number , 左下角的 Hosts 所設定的 IP Address 為 "202.10.10.5" , 其 Network Number 為 "202.10.10.0" , 如此設定這台 Hosts 是無法和 "203.67.10.0" 這個 Network Number 上的 Hosts 或是 Router 來連線的。
在此要加以說明 Hosts 傳封包的方式便會更清楚為何在一個網路連線上 "202.10.10.5" 不能和 "203.67.10.n" 的 Hosts 連線。在 Hosts 上 TCPIP 的設定通常有三項

IP Address
Net Mask
Default Gateway(Router)

由 IP Address 及 Net Mask 可得知所在的 Network Number , 以上圖中 Hosts "203.67.10.100" 為例 , 其 Network Number 為 "203.67.10.0" , 若在這台主機上執行

# telnet 203.67.10.1
Hosts 會取目的 IP Address 也就是 "203.67.10.1" 和本身的 Net Mask "255.255.255.0" 作 AND , 得到 "203.67.10.0" 這個 Network Number , 表示所欲傳送的 Network Number 為 "203.67.10.0" , 之後便和本身的 Network Number 作比較 , 結果是在同一個 Network Number 上 , 便將封包送到網路上 , 對封包不作處理。以左下角 Hosts "202.10.10.5" 為例 , 本身的 Network Number 為 "202.10.10.0" , 一樣執行

# telnet 203.67.10.1
目的地的 Network number 為 "203.67.10.0" , 結果和本身的 Network Number 不同 , 此時若 Default Router 有設定則會交由 Router 代為傳送 , Default Router 的設定必須為同一個 Network Number , 在圖中 Router 之 IP Address 為 "203.67.10.254" 不能為 "202.10.10.5" 的 Default Router , 所以封包便無法送出 , 因此無法連線。若 Default Router 沒有設定則跟本無法將封包送出 , 所以也就無法連線。
以上的原則是 Hosts 要送出封包時所執行的動作 , 根據以上的原則整理其流程圖如下

以上是 Hosts 封包送出的流程 , 由上所述在同一個 Lan 上的 Host 及 Router 必須在同一個 Network Number , 否則無法連線。
而 Router 一般有多個介面 , 有所謂 2 LAN 2 WAN 是表有二個 Etherent 介面及二個廣域的介面 , 這些介面要使用時皆要先設定 IP Address , 這在前面已提過 , 而各個介面皆需是不同的 Network Number , 如下圖所示

以上各界面的 Net Mask 為 255.255.255.0 , 所以介面一的 Network Number 為 203.67.10.0 , 介面二的 Network Number 為 202.10.10.0 。
在每個 Router 中皆有所謂的 Routing Table , Router 選擇最佳路徑皆是由 Routing Table 來決定 , 而 Routing Table 可由管理者自行建立 , 稱之為 Static Route , 也可使用 RIP 及 OSPF 來自行學習 , 在 Internet 的使用中 End User 端皆是使用 Static Router , 而 ISP 則使用 Static Route 和 RIP 或 OSPF 並用 , 在此僅介紹 Static Route 來說明 , RIP 及 OSPF 在不久的將來將專篇介紹。
若公司僅有一顆 Router , 那設定非常簡單 , 因為當 Router 的介面 IP Address 一設定完成時系統便自動建立一個所在 Network Number 的 Routing , 以上圖為例 , 當每個介面 IP Address 設定完成 , Router 的 Routing Table 便自動建立如下

Destination Net Mask Gateway Metric
203.67.10.0 255.255.255.0 203.67.10.254 0

202.10.10.0 255.255.255.0 202.10.10.254 0

192.10.12.0 255.255.255.0 192.10.12.3 0

此時圖中 203.67.10.1 及 202.10.10.1 兩台 Hosts 資料可以互通 , 但是若是要連線到不是這兩個 Network 203.67.10.0 及 202.10.10.0 的網路如 192.192.1.10 時 , 因為 Routing Table 中沒有這個路徑 , 所以便無法連線。
若廣域網路是連接到 Internet , 那還需加上一行 Default Route , 所謂 Default Router 是指在 Routing Table 找不到合乎條件的路徑時便會將封包往 Default Router 送 , 此時 Routing Table 加上 Default Route 時如下表所示

Destination Net Mask Gateway Metric
203.67.10.0 255.255.255.0 203.67.10.254 0

202.10.10.0 255.255.255.0 202.10.10.254 0

192.10.12.0 255.255.255.0 192.10.12.3 0

default 192.10.12.3 0

此時圖中的兩台 Hosts 欲連線到任一個其他的網路時 , Router 便會將封包由廣域網路的介面送出 , 由下一個 Router 來代為傳送。
接下來便以上圖來說明整個 Router 選路徑的動作 , 在上圖中兩台 Host 的設定如下
	Host1

           IP Address = 203.67.10.1
	   Net Mask   = 255.255.255.0
           default Router = 203.67.10.254
  	
        Host2

           IP Address = 202.10.10.1
           NetMask    = 255.255.255.0
           Default Router = 202.10.10.254
當在 Hosts1 執行
	# telnet 202.10.10.1
時 , 因為目的位址是不同網路 , 所以會將封包送到 203.67.10.254 的 Default Router 由 Router 來傳送 , Router 收到封包後便將封包的 Destination 的 IP Address 202.10.10.1 取出 , 便開始由 Routing Table 中找尋路徑 , 首先將 Destination IP Address 和 Routing Table 中的第一行的 Net Mask 作 AND 得到欲前往的 Network Number 202.10.10.0 , 但是 Routing Table 中第一行的 Destination Network 是 203.67.10.0 , 所以不符合 , 繼續和第二行 Routing Table 比對 , 結果 Routing Table 第二行符合 , 所以便將封包往 202.10.10.254 的介面送出 , 封包便可到達 202.10.10.1 (Host2) 的主機 , 反之 Host2 要回 Host1 的封包也是以一樣的方式傳回 Host1 , 網路上的 Router 皆是以此方式來選擇路徑 , 以下是整個 Routing 動作的流程圖

不管網路架構是如何其 Router 的動作皆是一樣 , 只要網路上的 Hosts 的 Default Router 設定正確 , 而且 Router 上的 Routing Table 設定讓網路上的 Network 皆有路徑可到達 , 那保證網路一定能通。

Internet 的網路組成

以上說明了 Routing 的動作及流程 , 接下來便要來說明 Internet 的網路架構了 , Internet 是一個全球的網路 , 在這個網路上已經有數百萬台提供服務的主機 , 而使用者保守估計也超過了三千萬的使用者 , 這麼大的網路皆是使用 Router 來架構完成的 , 首先由所謂的 NIC 為源頭 , 這個組織是在美國 , 因為 Internet 的起源是在美國 , 由這個組織來分發所使用的 IP Address , 要在 Internet 上使用的 IP Address 皆是要申請的 , 不合法的 IP Address 的封包是無法進到 Internet 網路中的 , 之前在說明 IP Address 時有提到 IP Address 分為 A Class、 B Class 及 C Class , NIC 這個組織將這些的 IP Address 根據申請者的需求分派 IP Address , 若取得 A Class 或是 B Class 還可將 IP Address 分派給別人使用。在此將以小網路漸進地說明到整個網路 , 若從 NIC 取得一個 B Class 的 IP Address 160.10.0.0 , 便可分派多個 C CLass 給其單位連接使用如下圖

在上圖中由 A Class 中取得了一個 B Class 160.10.0.0 的 IP Address , 有了 B Class IP Address , 再分派 C Class 的 IP Address 給其他單位使用 , 總共使用了 5 個 Router , 以下各表格顯示各 Router 的 Routing Table 之設定

Router 1

Number Destination Net Mask Gateway Metric

1 160.10.1.0 255.255.255.0 160.10.1.254 0

2 160.10.2.0 255.255.255.0 160.10.1.253 2

3 160.10.3.0 255.255.255.0 160.10.1.253 2

4 199.1.3.0 255.255.255.0 199.1.3.254 0

5 default 199.1.3.254 1

Router 2

Number Destination Net Mask Gateway Metric

1 160.10.1.0 255.255.255.0 160.10.1.253 0

2 160.10.2.0 255.255.255.0 199.1.2.254 1

3 160.10.3.0 255.255.255.0 199.1.1.254 1

4 199.1.1.0 255.255.255.0 199.1.1.254 0

5 199.1.2.0 255.255.255.0 199.1.2.254 0

6 default 160.10.1.254 1

Router 3

Number Destination Net Mask Gateway Metric

1 160.10.2.0 255.255.255.0 160.10.2.254 0

2 199.1.2.0 255.255.255.0 199.1.2.253 0

3 default 199.1.2.253 1

Router 4

Number Destination Net Mask Gateway Metric

1 160.10.3.0 255.255.255.0 160.10.3.254 0

2 199.1.1.0 255.255.255.0 199.1.1.253 0

3 default 199.1.1.253 1

除了 Router 1 、 Router 2 、 Router 3 、 Router 4 的 Router 需要設定外 , Router 5 也需要 , 因為 Router 5 是 A Class , 由 A Class 取得一個 B Class 來使用 , 所以在 Router 5 的 Routing Table 中需設定所有 160.10.0.0 的封包皆送到 Router 1 來 , 因此 Router 5 的 Routing Table 中一定有以下的設定

Router 5

Number Destination Net Mask Gateway Metric

1 160.10.0.0 255.255.0.0 199.1.3.254 0

2 ... 255.255.255.0 ... 0

3 default ... 1

以上是各 Router 的 Routing Table 的設定 , 在 Router 1 及 Router 2 的 Routing Table 項次較多 , 又因為一個 B Class 可以使用 254 個 C Class , 以上只連接了 2 個 C Class , 所以在 Router 1 及 Router 2 所在的 Lan 上到時可能有數十個 Router 以連接 254 個 C Class , 而這些 Router 的 Routing Table 皆使用 Static Route 的話 , 以人工的方式來建立那相當麻煩 , 而且維護非常複雜 , 所以便需使用 Routing Protocol RIP 或 OSPF 讓 Router 自行學習建立 Routing Table , 不用以人工建立。
在以上各個 Router 的 Routing Table 中有些 Gateway 的設定是指到自己 Router 的 IP Address 如 Router 2 的第 1 項 , 也有指到下一個 Router 的 IP Address 如 Router 1 的第 2 項 , 這原則是若 Destination Network Number 是在本身的 Router 介面上則 Gateway 設定在本身的 IP Address 上 , 若是 Destination Network Number 還需要由下一個 Router 代為傳送則 Gateway 的設定指到下一個 Router 的 IP Address , 但是 WAN Link 因為是點對點的連接 , 所以 Gateway 設定在本身的 WAN 介面的 IP Address , 或是另一端的 IP Address 皆可以。

以上是說明 TCP/IP IP Routing 的概念 , 以上各個 Router 的 Routing Table 可以是由管理者來一個一個設定 , 我們稱之為 Static Route, 但是在 Internet 上的 Routing 實在是太多了 , 由其是 ISP 中的各 Router 或是 ISP 與 ISP 間的 Routing Table 不太可能使用 Static Route 的設定 , 那太麻煩了 , 所以會使用所謂的 Routing Protocol 來自動地學習交換各個 Router 的 Routing Path , 這些的 Routing Protocol 有 RIP、OSPF、IS-IS 或是 BGP 等 , 這些的 Routing Protocol 便肩負者整個 Internet Routing 的交換。

說起這些的 Routing Protocol 是可以寫成一本書的 , 在這裏我不打算詳述 , 待日後有時間再來說明。
在下圖中先給各位一個概略的 Internet 的網路架構 , 想了解更多的人可以循著圖中的各個連接所使用的 Routing Protocol 來更進一步地學習 IP Routing。

經由以上的說明對 Internet 的架構及 Routing 的方式應該有所了解 , 雖然 Internet 的網路架設很大 , 但是其設定並非那麼複雜 , 仔細想想便會了解。以上對 TCPIP 只介紹一些 , 若要了解更多需參考 TCPIP 的書籍 , 希望這篇短文對您有所幫助。

Lastest Updated : 1997 年 01 月 24 日

若有話告訴我 , 請留下您的悄悄話 , 同時也歡迎到葉建良的家坐坐

從	到	Class
0.0.0.0	126.255.255.255	A Class
128.0.0.0	191.255.255.255	B Class
192.0.0.0	223.255.255.255	C Class
224.0.0.0	255.255.255.255	D Class

255.0.0.0	----	A Class
255.255.0.0	----	B Class
255.255.255.0	----	C Class

Destination	Net Mask	Gateway	Metric
203.67.10.0	255.255.255.0	203.67.10.254	0
202.10.10.0	255.255.255.0	202.10.10.254	0
192.10.12.0	255.255.255.0	192.10.12.3	0

Number	Destination	Net Mask	Gateway	Metric
1	160.10.1.0	255.255.255.0	160.10.1.254	0
2	160.10.2.0	255.255.255.0	160.10.1.253	2
3	160.10.3.0	255.255.255.0	160.10.1.253	2
4	199.1.3.0	255.255.255.0	199.1.3.254	0
5	default		199.1.3.254	1