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網絡小故事 1 · 入門

八爪上班第一天Switch（交換器）怎樣送貨

三部電腦想互相傳相片，每兩部拉一條線行不行？

主角：八爪、阿麥、小比閱讀時間約 10 分鐘

SwitchMAC AddressFrame

建議先讀：第 3 課

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。

第一幕：三部電腦怎樣連起來？

第 1 步／共 10 步

三部電腦，還未連起來

我、桌面電腦和電視都在同一間屋裡，想互相傳相片。可是我們之間一條線也沒有，怎樣連起來呢？

動畫文字版（全部步驟）
  1. 第一幕：三部電腦怎樣連起來？
  2. 三部電腦，還未連起來　阿麥：我、桌面電腦和電視都在同一間屋裡，想互相傳相片。可是我們之間一條線也沒有，怎樣連起來呢？
  3. 每兩部拉一條線？　阿麥：最直接的方法，是每兩部電腦之間拉一條網線。三部電腦要三條線，好像還可以……但電腦一多就麻煩了。
    • 3 部電腦：3 條線
    • 10 部電腦：45 條線
    • 100 部電腦：4,950 條線！
    • 而且每部電腦都要有很多個網線插口
  4. 請八爪來幫忙　八爪：不用那麼麻煩！把我放在中間，每部電腦只要一條網線接到我身上。我是 Switch（交換器），負責在 LAN（區域網絡）裡把資料送到正確的電腦。
    • 每部電腦：只要 1 條網線
    • 多一部電腦：只多 1 條網線
    • 八爪身上的網線插口叫 Port（連接埠）：P1、P2、P3
  5. 第二幕：八爪怎樣送貨？
  6. 小比穿上 Frame　小比：阿麥要傳相片給桌面電腦。出發前，我背上寫著收件人和寄件人 MAC Address（硬體位址）的背包。在 LAN 裡，這個包裝叫 Frame（訊框）。背包執好，出發囉！
    • 收件人：00:00:5E:00:53:04（桌面電腦）
    • 寄件人：00:00:5E:00:53:01（阿麥）
  7. 第一次：八爪不認識收件人　八爪：我先記下：寄件人阿麥在 P1。可是我還不知道桌面電腦在哪個 Port，只好把小比複製，送到其他所有 Port。這個動作叫 Flooding（泛洪）。
    • 八爪的筆記簿叫 MAC Address Table（MAC 位址表）
    • P1 → …:01（阿麥）　← 新記下
    • 電視收到後，發現不是寄給自己，就會把它丟掉
  8. 桌面電腦回覆，八爪學會了　八爪：桌面電腦回覆阿麥時，我又看一看寄件人：原來桌面電腦在 P2！這個動作叫 Learning（學習）。收件人阿麥我已經認識，所以直接送到 P1。
    • P1 → …:01（阿麥）
    • P2 → …:04（桌面電腦）　← 新記下
  9. 之後：只送到正確的 Port　八爪：收到！馬上送到正確的連接埠！筆記簿有齊資料了。阿麥再傳相片，我就只送到 P2，電視不會再收到與它無關的 Frame。這個動作叫 Forwarding（轉發）。
    • 八爪的三個動作：
    • ① Learning：看寄件人，記下它在哪個 Port
    • ② Flooding：不認識收件人，就送到所有其他 Port
    • ③ Forwarding：認識收件人，就只送到那一個 Port
  10. 人人有份的 Broadcast　小比：如果收件人寫 FF:FF:FF:FF:FF:FF，就是 Broadcast（廣播）。八爪一定會把我複製，送到除了來源以外的每一個 Port。記住這一點，後面很重要！
  11. Layer 2 和 Layer 3　八爪：我只看 MAC Address，也只在同一個 LAN 裡送貨，所以我是 Layer 2（第二層） 的設備。要把資料送到其他網絡，就要靠看 IP Address（網絡位址）的 Router（路由器），它是 Layer 3（第三層） 的設備。
    • Layer 2：MAC Address、Frame、Switch（本故事的主角）
    • Layer 3：IP Address、Packet（封包）、Router
    • 「Layer 2／Layer 3」是業界沿用 OSI Model（OSI 模型）的叫法；分層的詳細內容，第 5 課再講
  12. 總結：八爪的工作　八爪：三部電腦只要各拉一條線到我身上，就可以互相傳資料。我一邊送貨、一邊記下誰在哪個 Port，越送越快。下一個故事，我們會看看在我出現之前，大家是怎樣用 Hub（集線器）的！
    • Learning：看寄件人，記下它在哪個 Port
    • Flooding：不認識收件人，就送到所有其他 Port
    • Forwarding：認識收件人，就只送到那一個 Port
    • 筆記簿的資料會定時清理（很多 Switch 預設 300 秒沒再見到就刪除），裝置搬了位置也不怕記錯

2. 問題在哪裡

每兩部電腦之間拉一條網線，叫「全網狀連接」。電腦少的時候還可以，但數目一多，網線就會多得驚人：

電腦數目 需要的網線 每部電腦要有多少個網線插口
3 3 2
10 45 9
100 4,950 99

計算方法是 n × (n − 1) ÷ 2。每加一部電腦，就要替之前每一部電腦都多拉一條線，根本做不到。

3. 網絡怎樣解決

在中間放一部 Switch（交換器），每部電腦只要一條網線接到它身上。

Switch 好像一位聰明的送貨員：它看 Frame（訊框）上收件人的 MAC Address（硬體位址），把 Frame 只送到正確的 Port（連接埠）。它一邊送貨，一邊記下「誰在哪個 Port」，所以越送越準。

多一部電腦，只需要多一條網線。

4. 看深一點

八爪的筆記簿：MAC Address Table（MAC 位址表）

Switch 用一張表記住每個 MAC Address 在哪個 Port。故事完結時，八爪的筆記簿大約是這樣：

Port MAC Address 裝置
P1 00:00:5E:00:53:01 阿麥
P2 00:00:5E:00:53:04 桌面電腦
P3 00:00:5E:00:53:02 電視

這張表是 Switch 自己學回來的，不需要人手輸入。

每收到一個 Frame，Switch 會做什麼？

  1. Learning（學習）：看寄件人的 MAC Address 和 Frame 從哪個 Port 進來，記入 MAC Address Table。
  2. 再看收件人的 MAC Address：
    • 收件人是 Broadcast Address（廣播位址）FF:FF:FF:FF:FF:FF，或者表內找不到收件人 → Flooding（泛洪）：複製並送到除了來源以外的所有 Port。
    • 表內找到收件人，而且在另一個 Port → Forwarding（轉發）：只送到那一個 Port。
    • 表內找到收件人，但它和寄件人在同一個 Port → Filtering（過濾）：不用送出去，直接丟棄。

留意：Switch 學習時看的是寄件人，送貨時看的是收件人。

筆記簿會定時清理

如果一段時間沒有再見到某個 MAC Address，Switch 就會把它從表內刪除。這段時間叫 Aging Time（老化時間），很多 Switch 預設是 300 秒。這樣即使裝置換了 Port 或離開了 LAN，表內資料也不會長期出錯。

Switch 是 Layer 2（第二層）設備

Switch 只看 MAC Address，只在同一個 LAN（區域網絡）裡送 Frame，所以業界把它稱為 Layer 2（第二層）設備。要把資料送到其他網絡，就要靠看 IP Address（網絡位址）的 Router（路由器），它是 Layer 3（第三層）設備。

「Layer 2／Layer 3」是沿用 OSI Model（OSI 模型）的編號。分層的概念，入門課程第 5 課會詳細介紹。

5. 動手試試

任務：數一數你家的 Switch

  1. 找出家中的 Router（路由器），數一數它背面有多少個網線插口（通常標示為 LAN 1、LAN 2……）。
  2. 這些 LAN 插口其實就是 Router 裡面內置的一部小 Switch！
  3. 想一想：如果插口不夠用，可以怎樣做？（提示：可以再接一部 Switch。）

小互動

八爪會怎樣做？

八爪的筆記簿記著：阿麥在 P1、桌面電腦在 P2、電視在 P3。以下每一個情況，八爪會怎樣處理？

  1. 1收件人是 FF:FF:FF:FF:FF:FF

  2. 2收件人是一部剛接上 P4 的新電腦，筆記簿裡還沒有它

  3. 3阿麥（P1）寄 Frame 給電視

  4. 4一個 Frame 由 P1 進來，收件人也在 P1

  5. 5電視（P3）寄 Frame 給桌面電腦

  6. 6收件人的 MAC Address 在 300 秒前已被清除

6. 比喻的極限

  • 八爪不會真的「複製」一個小比。 Switch 先把 Frame 暫存在記憶體，再從每個 Port 各送出一份，整個過程以微秒計算。
  • 八爪同時處理很多 Frame。 動畫中一次只送一個小比；真實的 Switch 可以在所有 Port 同時收發資料。
  • 八爪不看信的內容。 Switch 只看 Frame 標頭裡的 MAC Address，不會打開 Payload（資料內容）看看裡面是什麼相片。
  • 家中不一定看得見 Switch。 家用 Router 通常已經內置一部小 Switch；Wi-Fi（無線網絡）裝置則經 Access Point（無線基地台）加入同一個 LAN（小故事 4 會講）。
  • 電腦通常只有一個網線插口。 所以「每兩部拉一條線」在現實中幾乎不可能，動畫只是用來說明問題。

7. 小測驗

第 1 題，共 3 題Switch 收到一個 Frame，但 MAC Address Table 內找不到收件人，它會怎樣做？
第 2 題，共 3 題Switch 是怎樣知道「某部電腦在哪個 Port」的？
第 3 題，共 3 題如果 10 部電腦每兩部之間都直接拉一條網線，一共需要多少條？

8. 重點筆記

  • 每兩部電腦直接拉線，線的數目會急速增加；在中間放一部 Switch（交換器），每部電腦只要一條線。
  • Switch 用 MAC Address Table（MAC 位址表）記住每個 MAC Address 在哪個 Port，這張表是自動學回來的。
  • 三個動作：Learning（看寄件人並記下）、Flooding（不認識收件人或 Broadcast 時送到所有其他 Port）、Forwarding（認識收件人就只送到那一個 Port）。
  • Switch 只看 MAC Address，在同一個 LAN 內工作，是 Layer 2（第二層）設備；Router 看 IP Address，是 Layer 3（第三層）設備。

延伸閱讀

在 Switch 出現之前，大家用的是一種更簡單的設備。它會把每一個 Frame 都送給所有人，結果常常「撞車」。下一個故事，八爪會介紹他的前輩：Hub（集線器）。

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