資訊網路

Chapter 1

定義

網路的定義：

藉由硬體的相互連接，能夠互相進行傳輸資料的架構

硬體可以是個人電腦、工作站、印表機、終端機…等等

網際網路

目前的網際網路採用TCP/IP協定來架構

網際網路最初的目的是電子郵遞、遠端使用、檔案傳輸

網路形式

1. 個人網路
   可隨身攜帶或幾公尺範圍內的網路環境
   EX:手機、耳機…

2. 區域網路
   價格便宜、傳輸速度快，範圍約2公里內
   EX:社區網路、校園網路…

3. 都會網路
   設備貴、需連線費、速度中等
   因為區域網路的功能越來越強，距離也越來越遠
   都會網路的定位變得模糊
   EX:市政府各區行政網路系統、交通控制網路系統…

4. 區域網路
   設備更貴、連線費用更高、速度慢、距離極遠，範圍10公里以上
   EX:網際網路、臺灣學術網路…

個人網路和區域網路多以Wi-Fi為主，為IEEE802.11規範的無線網路系統

網路拓撲

1. 星型網路 star
   維護容易，網路容易因中心節點故障而癱瘓
   
2. 直線型網路 Bus
   節點故障不影響網路、但斷線會癱瘓
   有廣播特性，會將資料往兩旁的終端機傳遞，每個節點都能接收到資料
   
3. 環型網路 Ring
   節點故障會癱瘓網路
   
4. 樹狀網路 Tree
   階層式網路，可視為多個星型網路
   
5. 混合式網路
   將多個網路拓撲結合而形成的網路

網路關係

主從式架構、對等式架構(P2P)

OSI

國際標準組織ISO訂定的OSI模式

由最高層到最底層和對應架構為：

1. 應用層
   應用軟體介面

2. 呈現層
   編解碼(轉換0和1)

3. 會議層
   開啟一個個連線的視窗介面

4. 傳輸層
   TCP

5. 網路層
   IP位址

6. 資料連接層
   網路卡

7. 實體層
   電線

Chapter 2

通訊傳輸與訊號

通訊傳輸可略分為：
單工傳輸、半雙工傳輸、全雙工傳輸三種

1. 單工傳輸
   只能對單一方向傳送

2. 半雙工傳輸
   能對兩個方向傳送，但同時間只能傳一個方向
   最典型的半雙工傳輸範例就是 無線對講機

3. 全雙工傳輸
   能對兩個方向傳送
   

訊號型態可分為：
類比訊號、數位訊號兩種

類比訊號為存在於自然界中的聲音訊號

數位訊號為電腦中的高低訊號

訊號的特性包含：

1. 大小(振幅)
2. 頻率
3. 相位

調變、解調變

將訊號搬動到高頻率的過程稱為調變

將接收到的訊號還原的過程稱為解調變

數位調變有三種調變處理：

• ASK 振幅調變

• FSK 頻率調變

• PSK 相位調變
  

類比轉數位

要經過取樣、量化、PCM、編碼等步驟

取樣

會依照設定的頻率在類比訊號的x軸上取點

量化

會依取樣的的點，從y軸取點

脈碼調變(PCM)

將以量化過的訊號，把量值表示成0和1的數碼

編碼處理

使數位訊號的傳輸更有效率，及達到同步處理的目的

編碼處理

NRZ-L(Nonreturn to Zero Level)

負電位代表資料0，正電位代表資料1
成本低，能夠有效使用頻寬
但缺乏自我時序

NRZ-I(Non return to zero, inverted)

當出現資料0，維持狀態；出現資料1，改變狀態
屬於微分編碼，更高的傳輸速率
但缺乏自我時序

曼徹斯特(Manchester)

當出現資料0，由低電位轉為高電位
出現資料1，由高電位轉為低電位
有自我時序

微分曼徹斯特(Differential Manchester)

當出現資料0，繼續原來的電位轉換
出現資料1，改變電位轉換的規律
有自我時序

MLT-3

採用三電位(+V,0,-V)訊號編碼
當出現資料0，維持狀態
出現資料1，改變狀態，依照(0,-V,0,+V)

4B/5B編碼

直流平衡(DC Balance)：避免太多1或0
不會有連續3個以上的0或連續8個以上的1
選取變化較多的數碼做編碼

類比處理

數位訊號不適合遠距離傳輸，傳送處理時常將訊號轉成類比訊號
EX：電腦至電話線執行類比處理

多工處理

分頻多工FDM

將不同頻率的訊號放在同一個通道傳輸
因為彼此的頻率範圍不相同，所以不會互相干擾

分時多工TDM

將訊號切成好幾個部分，和其他訊號每次分批傳送一部份

分碼多工CDM

將訊號轉換成一串數碼，具有互不干擾的特性

通訊交換方式

電路交換

發送端和接收端建立一條專屬的通訊網路

分封交換

將資料分成一連串的小封包，接收端收到資料後，會將小封包重組回原來的資料

訊息交換

環境與分封交換類似
各節點會等待全部封包到達後，再傳到下一個節點
不適合用在即時性和交談性的架構
目前電子郵件的傳送採用此技術

xDSL

DSL

Digital Subscriber Line；數位用戶網路
以既有低成本銅線為基礎所架設高速網路傳送的技術
4Khz以下頻率進行語音傳送
4Khz以上頻率提供數據資料傳輸
DSL種類繁多，一般統稱為xDSL

ADSL

Asymmetric Digital Subscriber Line
非對稱數位用戶線路

Asymmetric(非對稱)：
上傳與下載傳輸速率不一樣
上傳最高：12 Mbps
下載最高：1 Mbps

連線距離越遠，速率越慢

VDSL

Very high bit-rate Digital Subscriber Line
極高速數位用戶線路

速度最快的xDSL
上傳最高：52.8 Mbps
下載最高：3 Mbps

連線距離越遠，速率越慢

解決傳輸距離問題

• FTTH
  Fiber to the Home
  光纖到家

• FTTC
  Fiber to the Curb
  光纖到街角

• FTTB
  Fiber to the Building
  光纖到大樓

• FTTN
  Fiber to the Neighborhood
  光纖到鄰里
  

無線電話通訊發展

第一代

讓無線電話實現

第二代

產品數位化

第三代

APP及社群軟體普及

第四代

視訊及雲端通訊更流暢

Chapter 3

雙絞線

雙絞線互絞可以減少電磁干擾
互絞程度越高，抗干擾效果越好

UTP

無遮蔽雙絞線

STP

遮蔽雙絞線

同軸電纜線

價格較雙絞線略高
絕緣體外面的金屬導體層用來遮蔽外界的電磁干擾

光纖

重量輕、體積小、使用年限久
沒有輻射、無電磁干擾、頻寬大

光纖種類

步級式多模光纖

漸級式多模光纖

單模光纖

成本較高

無線電傳輸

地波

使用極低頻透過地表傳送訊號

天波

藉由天空的電離層與地面間來回反射，以此來傳送訊號

直線傳送

傳送距離最遠，但基地台須架在高處

連接器

RJ-45

乙太網路接頭

RJ-11

電話線接頭

網路傳輸設備

數據機

遠距離傳送的系統通常以類比方式進行
而數據機就是負責調變、解調變的工作

• 網路卡

OSI第二層設備
負責對彼此之間的通訊提供傳輸的橋樑

• 中繼器

OSI第一層設備
中繼器會將衰減的訊號重新整理後，再傳送出去

• 集線器

OSI第一層設備
簡單的增加網路節點的數量
常稱為多埠中繼器
具有中繼器功能

• 橋接器

OSI第二層設備
將大區塊地的廣播網路系統區隔成兩個較小的區塊
具有中繼器功能

• 交換式集線器

OSI第二層設備
更強大的集線器
常稱為多埠橋接器

• 路由器

OSI第三層設備
中大型網路系統的連接
具備中繼、集線、橋接器的功能

• 第三層交換器

OSI第三層設備
在許多網路系統進行封包交換

• 閘道器

比一般路由器更強的系統相容與轉換能力
許多時候也稱路由器為閘道器
但這兩個並不一樣

Chapter 4

實體層

傳輸線材屬於實體層
像是中繼器和集線器等對傳輸線上的訊號重新整理及發送工作也屬於實體層

資料連結層

介於電腦主機與連接線之間的介面部分
將訊號轉為訊框，並建立傳輸通道
分為兩個子層，分別為LLC與MAC

網路層

路由器透過尋徑協定來進行路徑選擇工作

常見網路層協定：

IP 網路協定
IPX 網路封包交換協定

常見尋徑協定：

RIP 尋徑資訊協定
OSPF 開放最短路徑優先

傳輸層

處理資料的分段、傳送、接收和重組
確保資料的完整性、可靠性和時效性

常見傳輸層協定：

TCP、UDP

會議層

確認連線的通訊協定
採用何種通訊模式(全雙工、半雙工、單工)
處理通訊的開始、結束、同步、安全…等等

呈現層

如果是傳送訊息會進行壓縮、加密等
接收則將訊息解壓縮、解密

應用層

處理使用者在操作介面上做的任何操作
例如：按鈕、指令等

IAB

網路架構委員會
有IETF、IRTF兩個子機構

• IETF

制定協定的組織
透過RFC發表協定

• IRTF

負責長期及未來的發展

• RFC

一系列與網際網路相關的文件
負責將網路協定統一

如果電腦要上網需要什麼

IP
Network mask
Default route
DNS server

Chapter 5

乙太網路

1. 架構簡單
2. 價格低廉

1980 乙太網路被三家公司所提出(10Mbps)
1992 變為100Mbps
1995 100Mbps訂定IEEE802.3u
1998 1Gbps訂定IEEE802.3z

最典型的乙太網路架構：樹狀結構

EX：100BaseT

代表100Mbps、Baseband、Twisted pair

無線網路

1. 訊號易受外界干擾
2. 設備貴
3. 資安疑慮
4. 速度較慢

安全機制

• WEP

最易破解

• WPA、WPA2

可用暴力窮舉、字典攻擊破解

• WPA3

LoRa

廣域網路
低耗能、距離遠、速度低

802.11

無線區域網路

MIMO

多重輸入輸出技術

802.15.1

無線個人網路
EX：藍芽、ZigBee
速率低

藍芽

每代速度與距離皆有提升

4.0開始可切換模式：
高速模式、省電模式

傳輸速度越快、距離越遠
功耗也會越高

無線網路架構

AD Hoc模式

• 對等式架構P2P

無須存取設備
各節點直接對傳，地位相等

• 主從式

IBSS網路：
以SSID辨識
SSID不同不能通訊

Infrastructure模式

• Infrastructure模式

以AP為節點間的中繼器
以SSID對網路進行辨識
訊息傳給AP，AP再傳給其他欲接收的節點

• 中繼模式

AP和節點間再加上中繼器
擴大可傳送範圍
但速率會變為原本一半

• 橋接模式

在不同的地點設置多個AP
每個AP都設置同樣的SSID
以此實現無線網路漫遊

Chapter 7

乙太網路協定

CSMACA
CSMACD

乙太網路標準

DIX

又稱Ethernet 2.0

IEEE802.3

CSMA/CD

1. CS 載波感測
2. MA 多重存取
3. CD 碰撞偵測

碰撞發生後才會使用BEB演算法

流程圖：

乙太網路訊框格式

Preamble

MAC位址

6byte+6byte

• IP位址

第三層架構
邏輯位址

• MAC

網路卡位址
實體位址

Etype

2 byte
0800(Hex) IP
0806(Hex) ARP

Data

46~1500 byte

FCS

4 byte
訊號檢查

交換式乙太網路

交換機的運作

藉由MAC位址判斷所屬連接埠
資料非永久保存，要持續更新
斷電資料會消失，需重新學習

無線區域網路協定

802.11

無線區域網路
MAC子層有兩種處理方式：

1. PCF 集中式協調功能(尚未實作)
2. DCF 分散式協調功能

PCF

需有協調者處理
處理者輪流詢問主機是否發送
協調者通常由AP(基地台)處理
非競爭型

DCF

互相爭取發送權
每個主機都具有這個功能
競爭型

超級訊框

CSMA/CA

在每一筆資料傳送前都會使用BEB演算法

流程圖：

訊框間隔

訊框有多種不同的類型
重要度越高，時間間隔越短

重要度由高到低：

1. SIFS
   最重要，設定時間最短
   RTS、CTS、ACK等

2. PIFS
   PCF傳送

3. DIFS
   DCF傳送

4. EIFS
   進行重送時

Ack回應訊息

接收端收到資料後
會對來源端發送Ack訊息

為了避免碰撞
發送時會先進行RTS/CTS

RTS/CTS

發送端在傳送封包之前，先廣播RTS封包
目的地如果順利收到RTS的封包
則必須廣播CTS封包

Chapter 8

IPv4

目前使用
32bit
非連線導向

IPv5

實驗室用
連線導向

IPv6

128bit
又稱IPng

位址分配

由ICANN機構處理
位址由網路位元與主機位元組成

Class A

7個網路位元，24個主機位元
有128(2^7)次個網路系統
每個A類網路能提供2^24-2個主機位址

Class B

14個網路位元，16個主機位元
有16384(2^14)次個網路系統
每個A類網路能提供2^16-2個主機位址

Class C

21個網路位元，8個主機位元
有2097152(2^21)次個網路系統
每個A類網路能提供2^8-2個主機位址

Class D

廣播使用
使用多點群播路由器
有效降低網路使用量

Class E

實驗室網路

網路遮罩

網路位元為1，主機位元為0
網域的右邊可能有/n
來表示左邊遮罩為1的bit數量

例題：

子網路規劃

會將主機位元借用到網路位元
借用的bit數量由要分成的子網路數量決定

EX：
如果要分成2個子網路
要借1 bit

如果要分成4個子網路
要借2 bit

如果要分成8個子網路
要借3 bit

例題：

超網化（合併網路）

將子網路規劃反著做
把網路位元變成主機位元