網路技術概論（Linux主機伺服器架設技術）

2019 年 7 月 1 日 topadmin網路最新資訊No Comment

網路技術概論（Linux主機伺服器架設技術）

網路的基本理論，提供給學員網管人員參考。希望對網管在網路故障偵錯、伺服安裝與設定等能有一定的幫助。

網路（NetWork）是利用傳輸線（或無線電波），把四散的電腦連結起來，使彼此的資料可以互通。
在早期，台灣網路尚未十分發達之前，電腦與電腦之間如果要交換文件，大多是靠磁碟片來做為媒介。
只是有時資料量太大，多張碟片就會變成一種麻煩。因此在當時，會利用電腦列表埠，以 LL3 線材連結，再塔配特定軟體，把兩台電串接起來，以方便交換檔案。
網路，就有點像是這個樣子，但更加的複雜化。

到了現代，大多數人對網路的印象就是上網(surf the internet)，因為在網路的世界，可以玩游戲、看新聞、購物…等。
在這樣的概念之下，我們可以發現有兩個主體觀念出現：一是網站服務主機 (Server)，如 tw.yahoo.com，它可以提供新聞、購物、拍賣、字典…等眾多服務，等客人上門。
另一個是：客戶端電腦(Client)，它只負責讓使用者在網址列上輸入網址，按個「Enter」，便把對方的網頁秀在螢幕上。
而這兩者之間地理上的距離，可以是近在咫尺，也可能是遠在天邊。
為達成此目的，在此簡要介紹。

網際網路InterNet

我們知道，網路叫「Net」，以學員而例，整個電腦用網路線接起來，便會形成「網際網路」。
依此理論，兩所學員互連，便是「校園網路」與「校園網路」之間互連。
而英文字：「inter-net」便是代表了這個狀況：「網路與網路之間」互連，簡言之，InterNet 就是全世界串在一起的網路系統，讓我們可以在學員連到自己學員的官方網站，也可以連到美國 amazon 買書，或是大陸淘寶網購物。

網路基本概念
OSI 七層次架構與 TCP/IP 四層次架構

   OSI 七層
   TCP / IP 四層
   簡要說明
Layer 7
   應用層

應用層

功能：應用程式，如 IE, Firefox, FTP…等
相關設備：電腦、網路電話、入侵防禦系統（IPS）等
Layer 6
   表達層
Layer 5
   對談層
Layer 4
   傳送層
   TCP / UDP

功能：控制資料傳輸之正確性；為應用程式開設服務窗口（Port）
TCP：強調資料正確；多用於 HTTP, FTP等注重資料完整性的網路服務
UPD：強調資料傳送順暢；多用於多媒體資料或網路電話語音傳送
相關設備：防火牆等
Layer 3
   網路層
   IPv4 / ICMP / ARP
IPv6 / NDP(芳鄰探索協定)

功能：定義網際網路位址(v4/v6)；網卡 MAC 位址之對映
相關設備：路由器或 L3 Switch
Layer 2
   資料連接層
   Host-to-Network
MAC

功能：實際負責網路封包的傳送與接收之硬體設備
每張網卡皆會有一組全球唯一值的 MAC 位址
相關設備：有線／無網網卡、集線器
Layer 1
實體層
網路的相連，中間隔了很多各種不同的設備。要讓它們之間能互通有無，就必須遵循相同的語言（通訊協定），否則你講你的，他講他的，誰也上不了網。基於這個構想，國際標準組織(ISO)就制定一組開放系統互連（OSI）參考模型。TCP/IP 網路架構也是基於這個理念所發展而成，而且，它在美國強力的推廣之下，已然取得全球的認可，成為全球互連的主要標準。以下，把上面兩篇引薦文繁雜的內容，整理簡化成以下幾個重點：
Socket

   1. Server 應用程式啟動後，必先建立網路 Socket ，而這個 Socket 包含了 IP 位址及監聽 Port Number(1-1024)
   2. Client 應用程式啟動並開始連線時，同樣會建妥 Socket，只是 client 的 Port Number 介於 1024 -65535
   3. Client 連線至 Server 時，便形成 Socket pair，進行連線並傳輸資料

Soket Pair

Client應用程式
例：Firefox
→

Server 應用程式
例：Apache2+PHP

來源 IP Address
例： 163.26.182.99

目的 IP Address
例： 163.26.200.3

來源 Port
例：port 6524

目的地 Port
例： 80

資料傳送

    * Server 端會先把所有等待傳輸的資料切割打包(建立封包)，再分批送至 client 端。而且它並不是乖乖的把所有封包依順序走同一條路（路由）到目的地，而是由路由器挑出所有可能的較短路徑，分批送出。到了目的地之後，再組合回來。
    * 每個封包(Packet)，皆分成 header 及 data 兩大部分，其中 header 便記載來源 IP，目的地 IP，以及通訊協定等資料
    * 封包送至 Client 時，要先判斷目的地的 IP Address 是否處在同一網段
          o 同網段 → 找到對方的網卡，把封包送出去
                + IPv4：透過 ARP 查詢，找到該網卡之 MAC Address ，經由集線器傳送封包
                + IPv6：透過 NDP(Neighbor Discovery Protocol)之 neighbor solicitataion message 暨 neighbor advertisement message，找到目的地 MAC 位置後，把封包送至對方主機
          o 不相同 → 把封包交給路由器處理
                + IPv4：由 ARP 查詢，找到路由器的 MAC Address，直接交給路由器，路由器再根據目的地 IP Address 送至對方主機
                + IPv6：由 NDP 的 Router solicitation message 暨 Router advertisement message，找到路由器 MAC 位址，再交由其處理傳送

    * 判斷是否相同網段的方法，請見下一段文件「IPv4網段分割」之簡要說明
    * 關於 IPv6 的芳鄰探索協定(Neighbor Discovery Protocol; NDP)，可參考下列文件
          o http://140.116.82.34/dclin/technique_paper/IPv6/neighbor_discovery.htm
          o http://technet.microsoft.com/en-us/library/cc781068%28WS.10%29.aspx
          o http://www.cu.ipv6tf.org/literatura/chap6.pdf
          o http://www.cu.ipv6tf.org/literatura/chap4.pdf

以IPv4為例細說不同網段兩台電腦交換資料的過程

本文是承接上面資料傳送部分，進一步以圖片來加強說明。文章是以 IPv4 作為說明的主軸，與 IPv6 的差異點僅在尋找 MAC Address 的過程不同(IPv4→ARP; IPv6→NDP)，其餘的部分是一樣的。

甲主機有資料要送到乙主機，資料封包會由應用層到資料鏈結層，層層加上 Header，其中比較重要的是：

    * 從應用層傳到網路層時：加上來源 IP 及目的地 IP
    * 往下送至資料鏈結層時：加上乙主機的 MAC Address
      因甲主機依其網路設定值，在判讀乙主機的 IP Adress 後知道，他們同處一個網段，因此直接加上乙主機的 MAC Address
    * 最後封包由實體層送至 Switch Hub

當封包送到 Switch Hub 時，Switch Hub 經判讀封包的 Hearder 得知目的 MAC Address，便直接把封包丟給乙主機，完成傳送。乙主機接收封包之後，會從最下層，層層分解封包，分述如下：

    * 上傳到網路層 (IP 層)：解析出來源 IP Address
    * 再往上到傳輸層 (TCP .or. UDP)時：解析出 port 值，依其值轉給適當之應用程式
    * 到最上方的三層(process/application)時：由網路應用程式接收來自甲主機的資料

網內與網外節點如何溝通

甲主機有資料要送到另一網段的乙主機，其傳送過程如下：

    * 資料封包下到網路層時：加上來源 IP 及目的地 IP
    * 再往下到資料鍵結層時：加上 Router 1 的 MAC Address
      因為甲主機分析後發現：乙主機與他並不在同一網段，所以他會把目的地的 MAC Address 設成 Gateway MAC Address，也就是《Router 1》，至於 Router 1 要如何建立路徑通往 Router 2 ，就不是甲主機的事情了。
    * 送到 Router 1 的資料鍵結層時：Router 1 會把目的地的 MAC Address 改成 Router 2 ，並經由路由表判定，送至 Router 2
    * 當資料封包送至 Router 2 時：Router 2 會根據網段內的 IP ←→ MAC 對照表(ARP 表)，把資料封包送至乙主機
      如果，Router 2 在 ARP 表找不到乙主機的 IP Address 與 MAC 對照時，會在網段內進行 ARP 廣播，向各節點詢問：【請擁有此 IP Address 的主機把 MAC Address 交出來】，乙主機接受到此訊息，便會對 Router 2 做 ARP 回應。得到乙主機 MAC Address 的 Router 2，便直接把封包傳給了它。
    * 得到來自甲主機封包的乙主機，其處理程序與上例一致

IP 基本概念

IP 位址的英文為 Ineternet Protocol Address，它是各網路設備上的一組全球唯一識別碼，也可以說是「網路地址」，有了這個地址，電腦與電腦之間的資料才可以正確的被傳送。此時，有人也許會有一些疑慮? 「MAC 位址不也是全球唯一值，為何不使用它來擔任地址的工作？」。原因為： MAC Address 的編碼原則為【廠商識別】＋【流水號】，因此只能從它了解其出廠別，無法知其所在的網段所在（地理位置）。因此，必須建立「網路地址」的機制，並依網段來區辨不同的使用團體（Network），進而找到使用者所在(IP Address）。目前，全球通用的 IP Address 版本有二：第四版（IPv4)及第六版（IPv6），而第四版已廣為全球共用，第六版目前仍待推廣。以下筆者針對這兩種版本，做一簡單的描述：
IPv4及IPv6位址表示法

IPv4 概念

IPv4 的網路位址是由四個中進位數字加三個點組成，例：【163.26.200.1】。可是每一組數字，只允許從 0 到 255 之間，共28 個數字。也就是說，它是由四組 (0 到 28-1)數值所組合而成的符號，代表著某一特定網路地點。依此觀念可知，全球可用的網路節點數是 256 x 256 x 256 x 256 = 232 個節點。

IPv6 概念

第六版的 IP 位址表示法，稱之為 IPv6 。它改用 8 組，每組 4 個 16 進位值來表示，詳見上圖。依此其理論可用範圍為:

0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000 ～ FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF

高達 2128 個節點，這麼多點，就算扣除一些保留用途的特殊範圍（FF0x, FE8x…)外，比起 IPv4 來，仍是巨量，依此便可解決 IPv4 的不足。

IPv4 網段分割

雖然目前全球通用的 IP 定址法版本有二，而且它們無論在「定址大小」、「虛擬IP」、「尋找 MAC」…等功能、做法有所不同，但網段分割這部分的原理相同，因此，筆者直接以 IPv4 為例，來解釋網段之分割原理。

無論是 IPv4 或 IPv6 ，它們可都是必須擔當起全球所有上網設備間的互連，在這麼龐大的網路節點上，設備間要能跨縣、跨國交換資料，就要有一套管理方式才可以，也就所謂的分段措施。他們把全部的 IP 切成一段段來分配。而且，每分割完一個網段，其第一個 IP 及最後一個 IP ，皆不可以使用。第一個 IP 稱之為【網段代表號】；最後一個 IP 是【廣播】。例如： 163.26.200.0 – 163.26.200.255 這個 C Class 的網段的 ".0" 及 ".255" 皆是不可運用的 IP。

TCP/IP 的分段是一種階層式定址法，也就是每一個 IP Address皆包含了兩種意義：一是網路位址，另一是主機位址。以 163.26.182.34 為例，其中【163.26.182】這三組數字是該網段的網路位址，【.34】則是主機位址。判斷是否同段的運算法則為【遮罩】法，什麼是遮罩呢？就是用〔 IP 〕去和〔遮罩〕的二進位碼做 AND 邏輯運算，若兩組不同 IP 和某一遮罩 AND 邏輯運算完，得到相同的值，就代表他們處再同一段網段內。說明如下：

網路遮罩 NetMask
AND 運算

二進位的 AND 邏輯運算是說：只有《1+1》才等於 1 ；其他相加皆是 0。亦即，《1+0》《0+1》《0+0》皆等於 0。

舉列如下

請問以下兩組 IPv4 Addres，那一組的兩個 IP 是位於同一網段內？它們的 NetMask 皆是 255.255.255.128

IP1: 163.26.108.130 → 10100011.00011010.01101100.10000010
IP2: 163.26.108.201 → 10100011.00011010.01101100.11001001
Netmask: 255.255.255.128 → 11111111.11111111.11111111.10000000

IP3: 163.26.100.130 → 10100011.00011010.01100100.10000010
IP4: 163.26.108.36 → 10100011.00011010.01101100.00100100
Netmask: 255.255.255.128 → 11111111.11111111.11111111.10000000

第一組：
   IP1: 163.26.108.130    IP2: 163.26.108.201
AND
運算    10100011.00011010.01101100.10000010
+ 11111111.11111111.11111111.10000000
————————————–
10100011.00011010.01101100.10000000    10100011.00011010.01101100.11001001
+ 11111111.11111111.11111111.10000000
————————————–
10100011.00011010.01101100.10000000
結果    163.26.108.128    163.26.108.128

第二組：
   IP3: 163.26.108.130    IP4: 163.26.108.36
AND
運算    10100011.00011010.01101100.10000010
+ 11111111.11111111.11111111.10000000
————————————–
10100011.00011010.01101100.10000000    10100011.00011010.01101100.00100100
+ 11111111.11111111.11111111.10000000
————————————–
10100011.00011010.01101100.00000000
結果    163.26.108.128    163.26.108.0

由以上 AND 運算結果得知，第一組得到同一個答案，但第二組則否。因此可說，只有第一組的兩個 IP Address 是位在同網段內。而且，而這個所算出的答案就是「網段代表號」，也就是前文所說的第一個不能動的 IP Address。

IPv4 網路分段原則

IPv4 的網段，會有所謂 A Class、B Class 及 C Class 等說法，至於，我們所說的 A class , B class, C class 到底是什麼意思呢？它可以是兩種意義：

(一). 國際網路組織分配 IP 網段給各國各組織，所制定的遊戲規則。如下表：

    * A Class : 0 – 127.xxx.xxx.xxx 的 IP (0xxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx)，皆是以一個 A Class 的量分配出去。
    * B Class : 128- 191.xxx.xxx.xxx 的 IP(10xxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxx)，分配時，是切成 B Class 的量分配出去。
    * C Class: 192 – 223.xxx.xxx.xxx 的 IP(110xxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxx)，分配時，是切成 C Class 的量分配出去。
    * 224.xxx.xxx.xxx 的 IP 保留其他用途

(二). 另一意義是：它是一種計量單位

    * 一個 A Class 的量： A.0.0.0 — A.255.255.255 共 256 x 256 x 256 ＝ 16, 777,216 個 IP。
    * 一個 B Class 的量： A.A.0.0 — A.A.255.255 共 256 x 256 = 65,536 個 IP。
    * 一個 C Class 的量： A.A.A.0 — A.A.A.255 共 256 個 IP。

如何判定遮罩

在前文，筆者是給 IPv4 Address 及 Netmask，再去判斷這些 IP Address 是否位處同一網段。現在，如果只給一個 IPv4 Address 及其網段大小，那麼，要如何計算出遮罩的數字? 請見下文分解。

以一個 C Class 為例

我們以 163.26.200.0 一個 C Class 為例，它的範圍是： 163.26.200.0 — 163.26.200.255 。轉成二進位值如下：
10100011.00011010.11001000.00000000

│
10100011.00011010.11001000.11111111

建立遮罩的原則是：

* 【網路位址：不會變的部份，如 163.26.200：底下的遮罩值皆填《1》】
* 【主機位址：會變的部份，如最後的 0 – 255：底下的遮罩值皆填《0》】。

依此原則：

    * 遮罩二進位值： 11111111.11111111.11111111.00000000 (前面不變的填 1，會變動的部分填 0 )
    * 遮罩十進位值： 255.255.255.0
    * 由二進位值計算，共得到 24 個《1》，所以本網段也寫成 163.26.200.0/24
    * 值「24」在 IPv6 叫做 prefix 24，它代表子網路的大小

以半個 C Class 為例

我們以 163.26.108.128 開始之後半段 C Class 網段為例，它的範圍是： 163.26.108.128 — 163.26.108.255，轉成二進位值如下：
10100011.00011010.01101100.10000000

│
10100011.00011010.01101100.11111111

依上面的原則：

    * 遮罩二進位值：11111111.11111111.11111111.10000000
    * 遮罩十進位值：255.255.255.128
    * 由二進位值計算，共得 25 個《1》，所以本網段也可以記成 163.26.108.128/25

給某個網址及遮罩，請找出其網段代表號及廣播位置

實務上，若只給您一個 IP 值，再告訴您網路遮罩，您要如何算出此網段之代表號及廣播，並以另一型式寫出該網段。
範例： 163.26.119.131 / 255.255.255.192

10100011.00011010.01110111.10000011/11111111.11111111.11111111.11000000

    * 分析一：前面共有 26 個數字不能變化
    * 分析二：所以 10100011. 00011010. 01110111. 10 (163.26.119.128 是不會變化的)
    * 分析三，最小值(代表號)便是： 10100011. 00011010. 01110111. 10000000 (163.26.119.128)
    * 分析四，最大值(廣播)便是： 10100011. 00011010. 01110111. 10111111 (163.26.119.191)
    * 因此，網段另一種寫法是： 163.26.119.128/26

作業： 163.26.62.90 / 255.255.255.192

* 提示：請自行把上述兩個值轉成二進位值，再進行分析，便可得解。

網路設備如何配置 IP？
IPv4 分配原則

網路設備介接至學術網路時，皆會得到一個網段，可能是 1 個 C Class，也可能是半個或 1/4 個 C Class，而網段內某些 IP 是有固定用途的，解說如下：

    * Network：第一個 IP 是網段代表號
    * DNS Server：第二個 IP 給 DNS Server 使用
    * 防火牆：倒數第三個 IP
    * L3 Switch (路由器)：倒數第二個 IP
    * 廣播：最後一個 IP

IPv6 分配原則

    * IPv6 各校配發查詢 http://voip.tnc.edu.tw/ngn/ipv6-iplist.pdf
    * DNS1 Server：2001:288:75xx::1
    * DNS2 Server：2001:288:75xx::2 (非必要）
    * L3 Switch (路由器)： 2001:288:75xx::ff

IPv6 文件

相信在看完 IPv4 的相關觀念後，再來理解 IPv6 便不會太大困難。而關於 IPv6 的解說，下面這篇文章已著墨甚多，請大家參閱。

* IPv6 參考文件： http://ipv6.tnc.edu.tw/ipv6

網路硬體

在講完軟體的通訊協定暨其簡易的運作原理後，再來要談談實現這些運作的硬體設備有那些，並簡單交代一下其歷史，以方便讀者了解一些名稱之命名由來。
各種網路拓樸

網路拓樸可以是兩種意義：

1. 依理論上電子訊號在設備間交換所走的路徑及其原理而定
2. 依實際上網路設備安裝位置及佈線型式來看

目前，在各大市面上所販賣的設備，無論是有線或無線，幾乎都是採用乙太網路 (ethernet)之通訊協定(802.3)產品，而這也是各國中小學所採用的硬體設備。所以在下文，筆者只針對乙太網路做詳細的介紹。其餘，請自行參考相書籍。

乙太網路(ethernet)簡介
資料傳遞原理

乙太網路訊號傳送的拓樸是採用【匯流排式(BUS)＋廣播】式，也就是，大家都是必須經由同一條公共走道送出訊息。而且，甲電腦要送資料給乙電腦時，是由甲把資料經由匯流排（ BUS）廣播到所有節點。每個節點接到封包後，發現不是他的，便直接丟棄。只有乙電腦拆封後，看一下收件人是自己，才會把它接收起來。

因為此一特性，所以在 BUS 上，一次只允許一台傳送資料，若兩台同時傳送，就會發生碰撞(Collision)。為了解決此問題，它採用了載波感應多重存取／碰撞偵測 (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection; CSMA/CD) 基頻技術。也就是說，一台設備要送訊號之前，要先聽一下(listen)，道路是否正在使用中，若沒人用，才送出資料。若有人用，就再等。但即使如此，仍可能因兩台同時偵測到沒人用，同時送出封包而發生碰撞。一碰撞，此節點會立即發出擁塞(jam)訊息到 BUS 上。此一 BUS 上的設備接到 jam 訊息後，便會中止動作，進入等待狀態，過一段時間，才又隨機啟動傾聽／傳送的動作。

搭配早期的乙太網路設備圖 (請參考下圖)，就很容易理解上述的原理。依圖示，我們發現電腦間利用 RG58 線材(類似電視第四台的訊號線)，所建構成的 BUS 來溝通訊息。
Net rg58.png

橋接器 bridge

若同一條 BUS 的節點數太多台，導致碰撞的機率大增。網路會因為 jam 太多而緩慢不堪。因此，就產生了《橋接器》設備，來切割碰撞區域，如下圖所示。橋接器的兩側，皆是單獨的碰撞區域。Ａ區的甲工作站要送資料給Ｂ區的戊工作站時。甲在Ａ區先做廣播的動作，橋接器接收了此封包，經拆封後，發現收件人的 MAC 位置是在Ｂ區，它就會在Ｂ區再廣播一次。自然，戊工作站也就可以收得到。

問題來了：【橋接器怎麼會知道收件人的 MAC 位置在那一區？】。這是因為橋接器會為 A 及 B 區建立 MAC Address 清單。

交換式集線器 (L2 Switch Hub)

講到這裡，諸位有沒有發現：【為什麼我們學員都沒上述的設備？】。這是因為，上述網路設備皆是古董級的東西了。從現在起，我們要開始講目前各校會使用到的設備，首先，從交換式集線器 (Switch Hub)講起，它與 Bridge 一樣，是屬於第二層的設備，只看得懂 MAC 。

從橋接器的分區模型中，來思考一下：【如果買多一點橋接器，每台電腦皆有其專屬的橋接器，那不就不必擔心碰撞的問題了，不是嗎？】。亦即，每個分區只放一台電腦，資料封包自然也就碰不著了。實現這個理想的產品就叫《交換式集線器》，Switch Hub 每個 port ，都是一個橋接器，而且只連接一台設備。在其內部會動態記錄每個節點的 MAC Address，當有兩個節點間要傳送資料封包時，Switch Hub 便會依各自的 MAC Address 建立起兩者之間的專屬連線，資料一旦傳送完畢，立即切斷。由以上可知，集線器是在 OSI 七層次架構的第二層（資料連接層）運作，因此一般的集線器最前面會加個「L2」字樣，代表它只能根據 MAC Address 傳送封包。至於封包內的 IP 位址是第幾代(v4 or v6)，與它完全無關。

Switch Hub 在實體佈線上，以單一集線器來看，是屬於星狀拓樸。也就是說，每個節點，皆把線材集中到它身上。再由它來為各節點間建立溝通的管道。但以整個學員的佈線來看，它是由一台台的集線器堆疊而成，看起來比較像是樹狀拓樸。因此，我們會有一個思考：「單一台集線器，當然符合每個節點皆有其單一MAC記錄，但多台集線器之間怎麼交換這些 MAC 位址?」，其實這個問題在 IEEE 802.3 通訊協定早就有妥善的規畫，而且硬體廠商只要遵循其規畫做成產品，便可互通。而使用者只要將這些集線器組合(switch hub set)，想像成一台巨大的集線器就好。

交換式路由器 (L3 Switch Router)

交換式集線器只解決了校內網路各節點溝通的需求，如果，要上到學術網路 (TANet) 或是 InterNet ，又該怎麼辨？我們知道，在 Internet 的世界要找到對方，只能靠《IP Address》，而不是靠 MAC Address，可是校內的的交換器是第二層的設備，只記錄了各節點的 MAC Address ，根本無法憑 IP Address 找節點。那麼，校內節點，要連接到遠方的節點時，要怎麼辨？是不是要有一個設備，幫忙找出連結對方節點的道路，並把資料丟過去。而，這個幫忙找路的設備就叫【路由器】。

由於路由器必須要有能力解析 IP Address ，所以，它是隸屬於第三層的網路設備。

Linux主機伺服器