# 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
<br>
#### 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