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網絡小故事 2 · 入門

八爪的前輩Hub（集線器）與 Collision（碰撞）

如果大家同時說話，會發生什麼事？

主角：八爪、小比、阿帕教授閱讀時間約 10 分鐘

HubCollisionSwitchEthernet

建議先讀：小故事 1「Switch 入門」

1. 故事

按「下一步」一步一步看。每一步都有一位角色出場，解釋自己正在做什麼。

序幕：溫習一下

第 1 步／共 13 步

八爪今天怎樣送貨

還記得我嗎？我是 Switch（交換器）。我看 Frame（訊框）上收件人的 MAC Address（硬體位址），認識的話，就只送到那一個 Port（連接埠）。

動畫文字版（全部步驟）
  1. 序幕：溫習一下
  2. 八爪今天怎樣送貨　八爪：還記得我嗎？我是 Switch（交換器）。我看 Frame（訊框）上收件人的 MAC Address（硬體位址），認識的話，就只送到那一個 Port（連接埠）。
    • 詳細內容：網絡小故事 1「八爪上班第一天」
  3. 第一幕：Hub 的年代
  4. 阿帕教授的時光機　阿帕教授：在很久很久以前……其實是 1990 年代，大部分 LAN（區域網絡）還未有八爪。那時大家把網線接到一部叫 Hub（集線器） 的盒子上。
    • 1973 年：Ethernet（以太網）誕生，最初所有電腦共用一條同軸電纜
    • 1990 年：10BASE-T 標準出現，可以用雙絞網線接 Hub
  5. Hub 不看名牌　小比：阿麥要寄相片給桌面電腦。Hub 完全不看我背包上的 MAC Address，只是把收到的電子訊號放大，再從所有其他 Port 送出去。
    • Hub 只處理電子訊號，所以是 Layer 1（第一層）設備
    • 它不會學習，也沒有 MAC Address Table（MAC 位址表）
  6. 電視收到不屬於自己的信　小比：電視也收到我了。它看看收件人：00:00:5E:00:53:04，不是自己，只好把我丟掉。每一個 Frame 都要這樣檢查一次，白白浪費時間。
  7. 大家共用一條線　阿帕教授：接在 Hub 上的裝置，其實好像共用同一條線路。所以同一時間，只可以有一部裝置說話；一部在送，其他就要等。
    • 這種「只能輪流送或收」的模式叫 Half-duplex（半雙工），好像對講機
    • 10 Mbps 的 Hub：所有裝置一起分享這 10 Mbps
  8. 砰！撞車了　小比：糟糕！阿麥和電視同時傳送。兩股訊號在線路上撞在一起，變成誰也看不懂的雜訊。這叫 Collision（碰撞），兩份資料都要重新送。
  9. 先聽後說：CSMA/CD　阿帕教授：工程師想出一套規則，叫 CSMA/CD（載波偵聽多重存取／碰撞偵測）：傳送前先聽；線路空閒才開始；一邊送一邊聽，發現撞車就立即停下。
    • ① Carrier Sense（載波偵聽）：先聽有沒有人在說話
    • ② Multiple Access（多重存取）：空閒時大家都可以說
    • ③ Collision Detection（碰撞偵測）：撞車就發出 Jam Signal（干擾訊號），通知大家
  10. 各自等一段隨機時間　小比：撞車後，阿麥和電視各自等一段隨機的時間再試。因為等待時間不同，這次阿麥先送，電視聽到線路有人用，就耐心再等。
    • 這段隨機等待叫 Backoff（退避）
    • 撞車次數越多，可以選擇的等待時間範圍就越大
    • 裝置越多，撞車越頻繁，網絡就越慢
  11. 第二幕：八爪接班
  12. 每個 Port 一條行車線　八爪：後來，我們 Switch 越來越便宜，就取代了 Hub。我每個 Port 都是獨立的行車線，只把 Frame 送到收件人那個 Port，所以兩部電腦同時傳送也不會撞車。
  13. 一邊送，一邊收　八爪：裝置直接接在我的 Port 上，還可以同時送和收，好像打電話一樣，這叫 Full-duplex（全雙工）。既然不會撞車，CSMA/CD 就可以休息了。
    • Half-duplex（半雙工）：輪流送或收，像對講機（Hub）
    • Full-duplex（全雙工）：同時送和收，像電話（Switch）
  14. 撞車的範圍：Collision Domain　八爪：一群「同時說話就會撞車」的裝置，叫一個 Collision Domain（碰撞域）。接在 Hub 上的全部裝置是 1 個；接在我身上，每個 Port 各自是 1 個。
    • Hub + 3 部電腦：1 個 Collision Domain
    • Switch + 3 部電腦：3 個 Collision Domain
  15. 可是 Broadcast 仍然人人有份　小比：留意：收件人是 Broadcast（廣播）的話，八爪一樣會送到所有 Port。一個 Broadcast 可以去到的範圍，叫 Broadcast Domain（廣播域）。Hub 和 Switch 都不會把它分開。
    • 要分開 Broadcast Domain，要靠 Router（路由器）或 VLAN（虛擬區域網絡），之後的故事會講
  16. 總結：前輩退休了　阿帕教授：Hub 簡單又便宜，陪伴了早期的 LAN 很多年。但它令大家共用線路、常常撞車。今天的網絡幾乎全部改用 Switch，Hub 已經光榮退休了。
    • Hub：Layer 1，送到所有 Port，共用線路，會 Collision
    • Switch：Layer 2，只送到正確 Port，每個 Port 獨立，不會 Collision
    • 兩者都不會分開 Broadcast Domain

2. 問題在哪裡

想像一間課室，只有一位同學可以說話。如果兩位同學同時開口，大家就什麼也聽不清楚，要兩個人都重新說一次。

接在 Hub（集線器）上的電腦，就是這樣的情況：

  • 人人都收到。 Hub 把每一個 Frame（訊框）送到所有其他 Port（連接埠），每部電腦都要檢查一次，不是給自己的就丟掉。
  • 大家輪流說話。 所有裝置共用同一條「線路」，同一時間只可以有一部裝置傳送。
  • 同時說話就撞車。 兩部裝置一起傳送，訊號會撞在一起，變成雜訊。這叫 Collision（碰撞），兩份資料都要重新送。

裝置越多，撞車越頻繁，大家分到的速度就越少。

3. 網絡怎樣解決

第一步：定下說話規矩。 好像開會時「先聽，沒人說話才開口；撞到就停，各自等一會再說」。這套規矩叫 CSMA/CD（載波偵聽多重存取／碰撞偵測），令共用線路勉強可以運作。

第二步：換成 Switch（交換器）。 八爪替每部裝置開一條獨立的行車線，只把 Frame 送到收件人的 Port。大家各行各路，自然不會撞車。

今天的有線網絡幾乎全部用 Switch，Hub 已經退休了。

4. 看深一點

Hub 是 Layer 1（第一層）設備

Hub 不看 MAC Address（硬體位址），也沒有 MAC Address Table（MAC 位址表）。它只做一件事：把從一個 Port 收到的電子訊號放大，再從所有其他 Port 送出去。所以 Hub 又叫「多埠中繼器」。

因為它只處理電子訊號，不理解 Frame 的內容，業界把它稱為 Layer 1（第一層）設備。Switch 看 MAC Address，是 Layer 2（第二層）設備。

一點歷史

年份 發生了什麼事
1973 年 Ethernet（以太網）誕生，最初所有電腦共用一條同軸電纜
1990 年 10BASE-T 標準出現，可以用雙絞網線把電腦接到 Hub
1990 年代中後期 Switch 價錢下降，開始取代 Hub
今天 新的 Ethernet 設備只用 Switch，Hub 幾乎絕跡

留意：無論是一條同軸電纜，還是一部 Hub，接在上面的裝置都是共用同一條線路。

CSMA/CD 的三個部分

部分 意思 開會時的比喻
Carrier Sense（載波偵聽） 傳送前先聽線路上有沒有訊號 先聽有沒有人在說話
Multiple Access（多重存取） 線路空閒時，每部裝置都可以開始傳送 沒人說話，誰都可以開口
Collision Detection（碰撞偵測） 一邊送一邊聽；發現撞車就停下，並發出 Jam Signal（干擾訊號） 撞到就停，並說一聲「撞到了！」

撞車之後：Backoff（退避）

撞車後，每部裝置各自等一段隨機的時間，才再試一次。這段等待叫 Backoff（退避）。

  • 等待時間以「時槽」計算。10 Mbps 的 Ethernet，一個時槽大約是 51.2 微秒。
  • 第 1 次撞車，在 0 至 1 個時槽之間隨機選；第 2 次，在 0 至 3 個之間選；之後每撞一次，範圍大約加倍（最多到 0 至 1023）。
  • 撞車 16 次仍然失敗，就放棄這個 Frame。

隨機的好處是：兩部裝置很大機會選到不同的時間，下一次就不會再撞在一起。

Half-duplex（半雙工）與 Full-duplex（全雙工）

模式 意思 比喻 用在
Half-duplex（半雙工） 同一時間只可以送或收 對講機 Hub
Full-duplex（全雙工） 可以同時送和收 電話 直接接在 Switch 上的裝置

用 Full-duplex 時根本不會撞車，所以 CSMA/CD 不用再運作。

Collision Domain（碰撞域）與 Broadcast Domain（廣播域）

  • Collision Domain（碰撞域）：一群「同時傳送就會撞車」的裝置。
  • Broadcast Domain（廣播域）：一個 Broadcast（廣播）Frame 可以去到的範圍，即收件人是 FF:FF:FF:FF:FF:FF 時會收到的所有裝置。
設備 接 3 部電腦時的 Collision Domain Broadcast Domain
Hub 1 個 1 個
Switch 3 個（每個 Port 一個） 1 個
Router（路由器） 每個介面各自一個 每個介面各自一個

Switch 分開了 Collision Domain，但沒有分開 Broadcast Domain。要把 Broadcast 攔住，要靠 Router 或 VLAN（虛擬區域網絡），之後的故事會講。

5. 動手試試

任務：分辨對講機和電話

  1. 回想用對講機說話：要按著按鈕才可以說，說完放手才可以聽。這就是 Half-duplex。
  2. 再想想打電話：兩個人可以同時說話，雖然不禮貌，但聲音不會「撞壞」。這就是 Full-duplex。
  3. 如果你用電腦，可以在網絡設定中找找「速度與雙工」（名稱視乎作業系統而定），看看你的網線連線是不是「Full Duplex」。

小互動

這是 Hub 還是 Switch？

把以下每一項，分到 Hub（集線器）或 Switch（交換器）：

  1. 1收到的每一個 Frame 都一律送到所有其他 Port

  2. 2會記住每個 MAC Address 在哪個 Port

  3. 3接在上面的裝置要用 CSMA/CD

  4. 4每個 Port 是一個獨立的 Collision Domain

  5. 5裝置可以用 Full-duplex 同時送和收

  6. 6屬於 Layer 1 設備

6. 比喻的極限

  • Hub 沒有「複製」小比。 Hub 只是把收到的電子訊號即時放大，從所有 Port 送出；它連 Frame 從哪裡開始、到哪裡結束也不理會。
  • 撞車不是兩個包裹相撞。 Collision 是兩股電子訊號在同一條線上疊加，變成無法讀懂的波形，不會有東西「撞爛」。
  • 隨機等待不是真的「耐心」。 裝置只是按規則抽一個隨機數字，再等那麼多個時槽，完全是機械式的計算。
  • Wi-Fi（無線網絡）也會「撞車」，但做法不同。 無線裝置無法一邊送一邊聽，所以不用 CSMA/CD，而是用另一套「盡量避免撞車」的方法（小故事 4 會講 Wi-Fi）。
  • Switch 不是完全不會塞車。 Switch 每個 Port 不會 Collision，但如果很多裝置同時送資料給同一個 Port，資料仍然要排隊，太多時也會被丟棄。

7. 小測驗

第 1 題，共 3 題Hub 收到一個 Frame，會怎樣做？
第 2 題，共 3 題兩部接在同一部 Hub 的電腦同時傳送資料，會發生什麼事？
第 3 題，共 3 題一部 Switch 接著 5 部電腦，有多少個 Collision Domain 和 Broadcast Domain？

8. 重點筆記

  • Hub（集線器）是 Layer 1（第一層）設備：不看 MAC Address，把訊號送到所有其他 Port，大家共用線路。
  • 共用線路上兩部裝置同時傳送，就會發生 Collision（碰撞）；CSMA/CD 規定「先聽後說、撞車就停、隨機等待再試」。
  • Switch（交換器）每個 Port 獨立，可以用 Full-duplex（全雙工）同時送和收，所以不會 Collision。
  • Hub 全部 Port 是 1 個 Collision Domain（碰撞域）；Switch 每個 Port 各自 1 個。
  • Hub 和 Switch 都不會分開 Broadcast Domain（廣播域）。

延伸閱讀

Hub 已經退休，八爪接班後，大家終於不用再撞車了。不過，八爪只認得 MAC Address；阿麥如果只知道電視的 IP Address（網絡位址），要怎樣寫收件人？下一個故事，阿麥會在 LAN（區域網絡）裡大叫一聲：「誰是 192.168.1.11？」這就是 ARP（位址解析協定）。

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