110 中央印製廠分類職 資安管理員 資通網路 考古題詳解

核心觀念

本題考查兩項概念：

1. 網路壅塞與「負載（Load）」及「容量（Capacity）」的關係。
2. 封閉迴圈壅塞控制（Closed-loop congestion control）的常見控制機制。

網路容量係指網路在單位時間內可承載的最大資料量，通常以位元率表示；網路負載係指單位時間內實際產生、傳送或要求傳送的資料量。

可將網路負載正規化為負載率：

$$\rho=\frac{L}{C}$$

其中：

• $\rho$：網路負載率
• $L$：實際網路負載
• $C$：網路容量

當 $\rho<1$ 時，網路通常仍有餘裕；當 $\rho$ 接近 $1$ 時，網路資源趨於飽和；當 $\rho>1$ 時，輸入流量超過處理能力，容易形成佇列累積、延遲增加、封包遺失及重傳，進而產生壅塞。

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（一）以負載函數表示網路效能的量測【5分】

1. 基本表示式

網路效能可表示為負載率的函數：

$$P=f(\rho)=f\left(\frac{L}{C}\right)$$

其中 $P$ 代表網路效能，實際上可由下列指標衡量：

• 吞吐量（Throughput）
• 傳輸延遲（Delay）
• 封包遺失率（Packet loss rate）
• 回應時間
• 網路利用率

因此，若以吞吐量 $T$ 作為效能指標，可寫成：

$$T=f\left(\frac{L}{C}\right)$$

在低負載時，隨著負載增加，吞吐量通常會增加；當負載接近網路容量時，吞吐量趨於最大值；負載超過容量後，因佇列溢位及封包重傳，實際有效吞吐量可能下降。

2. 延遲與負載的關係

若以延遲 $D$ 作為效能指標，則可表示為：

$$D=f\left(\frac{L}{C}\right)$$

在 $\rho$ 較小時，封包大多可立即傳送，延遲較低；當 $\rho$ 接近 $1$ 時，等待佇列快速增加，延遲會大幅上升。理想化的排隊模型中，平均延遲可呈現下列形式：

$$D\propto \frac{1}{1-\rho}$$

當 $\rho\to 1$ 時，延遲急遽增加，顯示網路已接近飽和。

3. 效能曲線的意義

網路效能與負載的關係可分為三個階段：

1. 低負載區：負載增加可有效提升網路利用率及吞吐量。
2. 高利用率區：網路接近容量上限，延遲開始明顯增加。
3. 壅塞區：負載超過容量，佇列溢位、封包遺失及重傳增加，有效效能下降。

因此，本小題的完整表示為：

$$\boxed{P=f\left(\rho\right)=f\left(\frac{L}{C}\right)}$$

其中負載率是判斷網路是否接近或超過容量的重要依據。

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（二）四種封閉迴圈壅塞控制機制【5分】

封閉迴圈控制的特色是：網路先偵測壅塞狀態，再將壅塞資訊回饋給傳送端或相關節點，最後依據回饋結果降低流量、調整傳送速率或重新分配資源。

常見機制如下。

核心觀念

SLA（Service Level Agreement，服務等級協議）是服務提供者與服務接受者之間，針對「服務內容、服務品質、責任分工及未達標處理方式」所訂定的正式協議。

SLA 的重點不只是說明「提供何種服務」，更要將服務品質具體化、量化，使雙方能據以衡量服務是否符合約定。例如：

• 網路服務可用率須達 $99.9\%$。
• 資安事件通報後，須於 15 分鐘內回應。
• 一般故障須於 4 小時內排除。
• 備份成功率須達 $99\%$。

其中：

• SLI（Service Level Indicator）：服務效能指標，例如可用率、回應時間、故障修復時間。
• SLO（Service Level Objective）：服務目標，例如可用率達 $99.9\%$。
• SLA：將服務內容、SLO、責任及違約處理方式正式記載於協議中。

可用率常用下式計算：

$$\text{可用率}=\frac{\text{約定服務時間}-\text{不可用時間}}{\text{約定服務時間}}\times 100\%$$

例如一個月約定服務時間為 720 小時，若不可用時間為 43.2 分鐘，則可用率約為 $99.9\%$。

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SLA 的主要內容

一份完整的 SLA 通常包括下列項目：

1. 協議當事人

明確記載服務提供者、服務使用單位、管理窗口及雙方聯絡方式。

2. 服務範圍與內容

說明所提供的服務項目，例如網路連線、主機代管、雲端服務、備份服務、資安監控、弱點掃描及事件通報等。

3. 服務等級與效能指標

將服務品質量化，常見指標包括：

• 系統或網路可用率。
• 服務回應時間。
• 故障排除或事件處理時間。
• 資安事件通報時間。
• 備份成功率。
• 網路頻寬、封包遺失率及延遲。
• 客服或技術支援的回應時間。

4. 衡量方式與計算基準

說明資料來源、監控工具、統計期間、計算公式，以及哪些時間不列入計算。例如計畫性維護、不可抗力或使用者端設備故障是否排除。

5. 服務提供者的責任

包括維持系統正常運作、執行監控、備份、維護、事件處理及定期提出服務報告等。

6. 服務接受者的責任

包括提供必要的系統資訊、配合維護、妥善使用服務、指定聯絡人及依約支付費用等。

7. 事件處理與支援機制

規定事件分級、通報管道、回應時間、處理時限、升級程序及服務恢復方式。例如重大資安事件須立即通報並提高處理優先順序。

8. 報告與檢討機制

規定服務提供者應定期提供可用率、事件紀錄、效能統計及違約情形，並由雙方定期檢討及調整服務目標。

9. 未達服務水準的處理方式

可包括改善計畫、服務費減免、賠償、違約金、補救措施或契約終止等。

10. 協議期間與變更、終止條件

說明 SLA 的生效期間、續約方式、服務內容變更程序、資料返還、移轉及契約終止後的責任。

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解題方法

本題屬於資訊服務管理與資通網路管理的觀念題，作答可採「定義 → 內容 → 效能等級」三段式：

1. 先說明 SLA 是服務提供者與服務接受者間的正式服務品質協議。
2. 再列出 SLA 的核心內容，至少涵蓋服務範圍、效能指標、責任分工、衡量方式、事件處理及未達標處置。

核心觀念

本題考查高速區域網路（High-Speed LAN）的主要技術，以及各技術在下列四方面的差異：

1. 傳輸速率（Transmission Rate）
2. 傳輸媒介（Transmission Media）
3. 存取方法（Medium Access Method）
4. 支援標準（Supporting Standards）

解題時應以「技術類型」為主軸，逐一比較其速率、媒介、媒介存取控制方式與標準，不宜只列舉網路名稱。

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解題方法

可將高速區域網路分成兩大類：

• 乙太網路系列：Fast Ethernet、Gigabit Ethernet、10 Gigabit Ethernet
• 其他高速區域網路：FDDI、Token Ring、ATM

作答時建議先說明各技術的基本特性，再以表格整理，最後補充各種技術的優缺點與命題常見陷阱。

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一、Fast Ethernet

Fast Ethernet 是將傳統乙太網路由 $10$ Mbps 提升至 $100$ Mbps 的技術，仍保留 IEEE 802.3 乙太網路架構。

1. 傳輸速率

標準傳輸速率為 $100$ Mbps。

2. 傳輸媒介

常見種類如下：

• 100BASE-TX：使用 Cat 5 以上雙絞線，通常可達 $100$ 公尺。
• 100BASE-FX：使用光纖，適合較長距離與電磁干擾較嚴重的環境。
• 100BASE-T4：使用四對較低等級雙絞線，現已較少使用。

3. 存取方法

採用 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，載波偵聽多重存取／碰撞偵測）。

其基本流程為：

1. 傳送前先偵聽媒介是否忙碌。
2. 媒介空閒時開始傳送。
3. 若發生碰撞，停止傳送。
4. 經隨機退避時間後重新傳送。

在交換器所形成的全雙工網路中，通常不會發生碰撞，因此 CSMA/CD 實際上不再運作。

4. 支援標準

主要標準為 IEEE 802.3u。

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二、Gigabit Ethernet

Gigabit Ethernet 將乙太網路速率提升至 $1$ Gbps，亦即 $1000$ Mbps，並盡量維持既有乙太網路的封包格式與管理方式，因此具有高度相容性。

1. 傳輸速率

標準速率為 $1$ Gbps。

2. 傳輸媒介

常見種類如下：

• 1000BASE-SX：使用短距離多模光纖。
• 1000BASE-LX：使用光纖，可支援較長距離。
• 1000BASE-CX：使用屏蔽式銅纜，距離較短。
• 1000BASE-T：使用 Cat 5e 以上雙絞線，通常可達 $100$ 公尺。

3. 存取方法

傳統共享式 Gigabit Ethernet 可採 CSMA/CD；但現代 Gigabit Ethernet 多使用交換器與全雙工傳輸，因此主要特色是：

• 不需競爭共享媒介。
• 不會產生碰撞。
• 不使用 CSMA/CD 進行實際傳輸控制。

4. 支援標準

主要標準包括：

• IEEE 802.3z：光纖及部分銅纜 Gigabit Ethernet。
• IEEE 802.3ab：1000BASE-T 雙絞線 Gigabit Ethernet。

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三、10 Gigabit Ethernet

10 Gigabit Ethernet 將傳輸速率提升至 $10$ Gbps，主要應用於企業骨幹、資料中心及高速網路匯聚層。

1. 傳輸速率

標準速率為 $10$ Gbps。

2. 傳輸媒介

常見種類包括：

• 10GBASE-SR：短距離多模光纖。
• 10GBASE-LR：長距離單模光纖。
• 10GBASE-ER：更長距離光纖。
• 10GBASE-T：使用 Cat 6a 等級以上雙絞線，通常可達 $100$ 公尺。

3. 存取方法

10 Gigabit Ethernet 以全雙工交換式傳輸為主，不支援傳統共享式半雙工碰撞控制，因此實務上不使用 CSMA/CD。

4. 支援標準

主要標準包括：

• IEEE 802.3ae：10 Gigabit Ethernet 光纖標準。
• IEEE 802.3an：10GBASE-T 雙絞線標準。

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四、FDDI

FDDI（Fiber Distributed Data Interface，光纖分散式資料介面）是一種以光纖為主要媒介的高速區域網路，常用於校園網路或企業骨幹。

1. 傳輸速率

標準速率為 $100$ Mbps。

2. 傳輸媒介

主要使用光纖，亦有以銅線實作的 CDDI（Copper Distributed Data Interface）。

FDDI 通常具有雙環結構：

• 主環：正常傳輸資料。
• 次環：作為備援環，發生斷線時可重新組成網路。

3. 存取方法

採用 Token Passing（權杖傳遞）。

只有持有權杖的節點才能傳送資料，因此具有：

核心觀念

本題考查 OSI 網路模型中第 2、3、4、7 層的功能，以及交換器依據哪一層資訊進行封包轉送、過濾、負載平衡與存取控制。

判斷各類 Switch 的核心，可整理為：

類型	主要判斷資訊	主要功能
Layer 2 Switch	MAC 位址、VLAN、乙太網路框架	區域網路內交換
Layer 3 Switch	IP 位址、路由表	網路間路由與高速轉送
Layer 4 Switch	TCP／UDP 通訊埠、連線狀態	依服務類型或連線進行轉送
Layer 7 Switch	HTTP、DNS、SMTP 等應用層內容	依應用程式內容進行智慧型轉送

交換器層級越高，能辨識的資訊越完整，控制能力越精細，但處理複雜度與設備成本通常也越高。

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解題方法

本題可依序從「辨識依據、所在網路範圍、主要用途、典型設備位置」四個方向比較：

1. 先確認該 Switch 主要查看哪一層的標頭或資料。
2. 再判斷它解決的是區域網路交換、跨網段路由、傳輸服務分流，還是應用內容分流。
3. 說明其典型使用情境。
4. 補充各層級的限制與常見混淆點。

必須注意，Layer 2、3、4、7 Switch 是功能分類，不代表設備只能工作在單一層。現代交換器常屬於多層交換器，例如 Layer 3 Switch 通常也具備 Layer 2 Switch 的功能。

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一、Layer 2 Switch

Layer 2 Switch 工作於 OSI 第二層「資料鏈結層」，主要根據乙太網路框架中的目的 MAC 位址進行轉送。

1. 運作方式

交換器會學習來源 MAC 位址與輸入埠的對應關係，建立 MAC 位址表：

$$\text{MAC 位址} \longrightarrow \text{交換器埠號}$$

收到框架後，交換器依目的 MAC 位址查詢表格：

• 若已知目的埠，便只轉送至對應埠。
• 若目的 MAC 位址尚未學習，會在同一廣播網域內泛洪。
• 若目的 MAC 位址屬於廣播或未知單播，也可能進行泛洪。
• 若來源與目的位於同一埠，通常不需再轉送。

2. 主要功能

Layer 2 Switch 的用途包括：

• 連接同一區域網路內的電腦、伺服器、印表機及網路設備。
• 取代傳統 Hub，降低碰撞並提高傳輸效率。
• 支援 VLAN，將一台實體交換器切分成多個邏輯區域網路。
• 使用 STP、RSTP 等機制避免交換迴圈。
• 依 MAC 位址執行基本的埠安全控制。

3. 特性與限制

Layer 2 Switch 通常不負責不同 IP 網段之間的路由，因此：

• 可以在同一個 VLAN 內交換資料。
• 無法單靠 Layer 2 功能完成不同 VLAN 間的通訊。
• 廣播封包通常會限制在同一個廣播網域內。
• 判斷依據是 MAC 位址，不是 TCP／UDP 埠號或應用程式內容。

例如，辦公室內多台電腦位於同一 VLAN 時，使用 Layer 2 Switch 即可完成彼此的區域網路通訊。

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二、Layer 3 Switch

Layer 3 Switch 工作於 OSI 第三層「網路層」，除了具備 Layer 2 交換功能外，也能根據 IP 位址進行路由。

1. 運作方式

Layer 3 Switch 會依據目的 IP 位址查詢路由表，決定封包應送往哪個介面或下一跳設備。

其基本判斷依據為：

$$\text{目的 IP 位址} \longrightarrow \text{路由表} \longrightarrow \text{下一跳或輸出介面}$$

在收到 IP 封包後，設備通常會：

1. 讀取目的 IP 位址。
2. 依最長前綴匹配原則查詢路由表。
3. 決定輸出介面與下一跳。
4. 重新封裝資料鏈結層標頭。
5. 將封包轉送至其他網段。

2. 主要功能

Layer 3 Switch 常用於：

• 不同 VLAN 間的路由。
• 部門間網路分隔，例如總務、財務、研發各自使用不同 VLAN。
• 校園、企業或機關內部網路的核心層與匯聚層。
• 透過硬體 ASIC 高速執行 IP 封包轉送。
• 支援靜態路由、RIP、OSPF 等路由功能，視設備等級而定。
• 搭配 ACL 進行來源、目的 IP 位址及通訊協定的存取控制。

3. 特性與限制

Layer 3 Switch 的路由能力通常比一般路由器更適合內部高速區域網路，但不一定具備路由器的所有功能，例如：

• WAN 連線、VPN、NAT、廣域網路撥接等功能，通常由路由器或防火牆負責。
• 主要依據 IP 位址與網路前綴轉送。
• 不會深入判斷 HTTP URL、Cookie 或應用程式內容。

例如，使用者從「人事 VLAN」存取「伺服器 VLAN」時，可由 Layer 3 Switch 執行 VLAN 間路由，並以 ACL 限制僅允許必要的服務。

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三、Layer 4 Switch

Layer 4 Switch 工作在 OSI 第四層「傳輸層」，除了辨識 IP 位址外，也會依 TCP／UDP 的通訊埠與連線狀態進行轉送或分流。

1. 主要判斷資訊

Layer 4 Switch 通常觀察下列資訊：

• 來源 IP 位址。
• 目的 IP 位址。
• TCP 或 UDP 協定。
• 來源通訊埠。
• 目的通訊埠。
• TCP 連線狀態。

常見服務與通訊埠如下：

服務	常見協定與埠號
HTTP	TCP 80
HTTPS	TCP 443
DNS	UDP／TCP 53
SMTP	TCP 25
SSH	TCP 22

2. 主要用途

Layer 4 Switch 常用於：

• 依 TCP／UDP 服務進行流量分流。
• 伺服器負載平衡。
• 將不同服務導向不同伺服器群組。
• 依連線數、來源 IP 或連線狀態進行流量控制。
• 在不深入解讀應用程式內容的情況下，提供高速服務分配。

例如，同一個網站服務由多台伺服器提供時，Layer 4 負載平衡器可依 TCP 443 連線將 HTTPS 流量分配至後端伺服器。

3. 與 Layer 3 Switch 的差異

核心觀念

本題考查多重存取（Multiple Access）技術，重點是說明多個使用者如何共享同一通信媒介，並比較三者所分割的資源不同：

• FDMA（Frequency Division Multiple Access，分頻多重存取）：依頻率分割。
• TDMA（Time Division Multiple Access，分時多重存取）：依時間分割。
• CDMA（Code Division Multiple Access，分碼多重存取）：依擴頻碼分割。

三者的核心差異可整理如下：

技術	分割資源	使用者區隔方式	同一時間能否傳送	主要干擾來源
FDMA	頻率	不同頻帶	可以	鄰頻干擾
TDMA	時間	不同時槽	通常不可	時槽重疊、同步誤差
CDMA	編碼	不同展頻碼	可以、使用同一頻帶	多重存取干擾

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解題方法

解題時採用「共享資源種類」作為切入點，依序判斷：

1. 系統將頻寬切成數個頻帶，屬於 FDMA。
2. 系統將時間切成數個時槽，屬於 TDMA。
3. 多個使用者使用相同頻帶、相同時間傳送，靠不同碼序列分離，屬於 CDMA。

答題時應說明三者的：

• 資源分割方式；
• 使用者分離原理；
• 頻寬與效率；
• 同步要求；
• 干擾特性；
• 優缺點及典型應用。

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一、FDMA：分頻多重存取

1. 定義與原理

FDMA 將可用總頻寬切割成多個互不重疊的頻道，每一位使用者分配一個固定頻帶。使用者在通話或傳輸期間，持續占用其所分配的頻率。

為避免相鄰頻道互相干擾，各頻帶之間通常設置保護頻帶（Guard Band）。

若總可用頻寬為 $B$，每一使用者需要頻寬 $B_c$，保護頻帶寬度為 $B_g$，則可容納的頻道數約為：

$$N_{\text{FDMA}} = \left\lfloor \frac{B}{B_c+B_g} \right\rfloor$$

2. 圖形說明

頻率
 ↑
 │ 使用者 A 保護頻帶 使用者 B 保護頻帶 使用者 C
 │┌──────────┐ │ ┌──────────┐ │ ┌──────────┐
 ││ 頻帶 f1 │ │ 頻帶 f2 │ │ 頻帶 f3 │
 │└──────────┘ └──────────┘ └──────────┘
 └────────────────────────────────────────────────────→ 時間
 A 持續使用 f1 B 持續使用 f2 C 持續使用 f3

3. 優點

• 架構簡單，容易實作。
• 使用者之間在頻率上分離，彼此不需共用同一頻道。
• 不需要嚴格的時槽同步。
• 適合連續性較高的語音通信。

4. 缺點

• 保護頻帶會造成頻譜浪費。
• 使用者即使沒有資料傳送，仍可能持續占用頻帶。
• 頻率配置缺乏彈性。
• 頻道數受限於可用頻寬及保護頻帶大小。
• 需要較高品質的頻率濾波器，以降低鄰頻干擾。

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二、TDMA：分時多重存取

1. 定義與原理

TDMA 將通信時間切割成週期性的時框（Frame），再將每一時框分成數個時槽（Time Slot）。不同使用者在不同時槽傳送資料，共用同一頻率頻道。

若每一時框包含 $N$ 個時槽，每位使用者占用一個時槽，則理論上可供 $N$ 位使用者共享該頻道。

由於訊號必須在指定時間抵達，TDMA 必須處理：

• 時槽同步；
• 時框同步；
• 傳播延遲；
• 保護時間（Guard Time）。

2. 圖形說明

時間 →
┌──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┐
│ A │ B │ C │ A │ B │ C │
│時槽 │時槽 │時槽 │時槽 │時槽 │時槽 │
└──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┘
 ↑ ↑ ↑
 保護時間可設於時槽交界，避免訊號重疊

頻率
 ↑
 │ 所有使用者共用同一頻率 f
 │ A：在第 1、4 時槽傳送
 │ B：在第 2、5 時槽傳送
 │ C：在第 3、6 時槽傳送

3. 優點

• 多個使用者可共用同一頻率。
• 不需像 FDMA 一樣為每個頻道長期保留獨立頻帶。
• 可配置不同長度或數量的時槽，具有一定彈性。
• 適合數位資料傳輸，也便於加入錯誤控制與加密機制。
• 頻譜效率通常優於含有較大保護頻帶的 FDMA。

4. 缺點

• 必須精確同步。
• 時槽交界需要保護時間，造成時間資源浪費。
• 使用者只能在分配的時槽傳送，資料傳輸具有間歇性。
• 高速移動、傳播延遲變化會增加同步設計難度。
• 若某使用者沒有資料，分配給該使用者的時槽可能閒置。

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三、CDMA：分碼多重存取

1. 定義與原理

CDMA 讓多位使用者在相同時間、相同頻帶內同時傳送資料，再利用彼此不同的展頻碼（Spreading Code）分離訊號。

傳送端先將資料與指定碼序列相乘，使訊號展寬至較大的頻寬；接收端使用相同碼序列進行相關運算，即可還原該使用者的資料。

簡化表示如下：

$$s_k(t)=d_k(t)c_k(t)$$

其中：

• $d_k(t)$：第 $k$ 位使用者的資料訊號；
• $c_k(t)$：第 $k$ 位使用者的展頻碼；
• $s_k(t)$：展頻後的傳送訊號。

多位使用者同時傳送時，接收訊號為：

核心觀念

無線感測網路（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量具備感測、資料處理與無線通訊能力的感測節點所組成，透過節點間的無線連線，蒐集環境中的溫度、濕度、聲音、影像、震動、位置等資訊，並將資料傳送至彙聚節點（Sink Node）或基地台（Base Station），最後交由管理中心分析與應用。

典型架構如下：

$$\text{感測節點} \rightarrow \text{多重跳躍無線網路} \rightarrow \text{彙聚節點} \rightarrow \text{管理中心}$$

感測節點通常包含：

1. 感測器：蒐集環境資料。
2. 處理器：進行資料過濾、壓縮、聚合與初步分析。
3. 無線通訊模組：負責節點間及節點與基地台間的資料傳輸。
4. 電池或能源模組：提供運作所需電力。
5. 儲存設備：暫存感測資料及網路資訊。

本題沒有特定法條或計算公式，答題重點在於掌握 WSN 的架構、限制條件、網路特性，以及其安全威脅與防護方向。

解題方法

本題可採「定義、特性、安全問題、防護措施」四段式作答：

1. 先說明 WSN 是由大量感測節點形成的無線、分散式網路。
2. 再從能源、通訊、網路管理、資料型態及部署環境說明特性。
3. 接著依機密性、完整性、可用性、身分認證及路由安全，整理常見攻擊。
4. 最後補充對應的安全防護，使答案具備完整性。

無線感測網路的主要特性

一、大量節點與高度分散

WSN 通常由大量低成本、低功耗的感測節點組成，節點分散部署於廣大區域。節點數量多，且各節點可能具有不同的位置、功能及剩餘電量。

因此，網路管理不能完全依賴人工逐一設定，必須具備自動組態、節點發現及自我管理能力。

二、無線通訊與廣播特性

感測節點透過無線方式傳輸資料，具有以下特點：

• 傳輸媒介容易被竊聽。
• 訊號容易受到干擾。
• 攻擊者不必實體連接網路，即可能進行封包攔截、重播或偽造。
• 無線頻道屬共享媒介，容易遭受阻斷服務攻擊。

WSN 常使用多重跳躍（Multi-hop）方式傳送資料，資料可能需經過多個中繼節點才能抵達基地台。

三、能源受限

感測節點多以電池供電，部署後不易更換或充電。節點能源主要消耗於：

• 無線傳輸。
• 接收封包。
• 感測資料。
• 資料處理。
• 加密、驗證及重新傳送。

其中無線通訊通常是主要耗能來源。因此，WSN 必須使用低功耗協定、資料聚合及睡眠排程，以延長網路壽命。

四、運算能力、記憶體及頻寬有限

感測節點的處理器、記憶體、儲存空間與通訊頻寬通常低於一般電腦或伺服器，無法承受過於複雜的加密演算法、頻繁的金鑰交換或大量控制封包。

安全機制必須在安全性與資源消耗之間取得平衡，不能只追求高強度加密而忽略節點能量及效能。

五、自組織與動態拓撲

WSN 通常沒有固定的網路基礎設施，節點須自行建立鄰居關係、選擇路由及維持網路連線。

當節點故障、電力耗盡、遭到破壞，或無線環境發生變化時，網路拓撲可能重新組合。因此 WSN 必須具備：

• 自我組態。
• 動態路由。
• 故障容忍。
• 節點加入與離開的處理能力。

六、多重跳躍及資料聚合

感測資料通常不是由每個節點直接傳送至基地台，而是由鄰近節點逐跳轉送。中繼節點可能同時扮演感測器、路由器及資料聚合器。

多個節點的資料可先在中繼節點進行合併、壓縮或去除重複資料，以降低傳輸量及能源消耗。

七、資料導向與事件導向

一般電腦網路較重視「哪一台主機」傳送資料；WSN 則常重視「哪一個區域發生何種事件」。例如：

• 某區域溫度超過門檻。
• 某地區出現異常震動。
• 某位置偵測到入侵行為。

因此，WSN 常以資料內容、地理位置或事件類型作為資料傳遞及查詢依據。

八、容易受到實體環境影響

感測器經常部署於戶外、工廠、戰場、交通設施等無人看管環境，攻擊者可能直接接觸節點，進行：

• 偷竊或破壞節點。
• 拆解節點分析記憶體。
• 竄改韌體。
• 取得儲存於節點中的金鑰。
• 偽造節點重新加入網路。

此種實體暴露程度通常高於傳統機房內的伺服器網路。

無線感測網路常見的安全問題

一、竊聽與資料外洩

由於無線通訊具有廣播特性，攻擊者可在通訊範圍內攔截封包，取得感測內容、節點位置、網路拓撲或管理資訊。

若傳輸內容未加密，可能造成：

• 機密資料外洩。
• 使用者隱私受侵害。
• 感測區域及部署位置曝光。
• 網路拓撲資訊被攻擊者利用。

主要防護方式是使用對稱式加密保護資料機密性，並妥善管理節點金鑰。

二、假冒節點與身分認證問題

攻擊者可能偽造合法節點身分加入網路，向其他節點傳送錯誤資料，或進一步取得路由控制權。

此問題屬於身分認證不足，防護方式包括：

• 節點身分認證。
• 訊息認證碼（MAC）。
• 數位簽章。
• 安全的節點加入程序。
• 金鑰更新與撤銷機制。

WSN 受限於運算及能源，實務上常以低成本的對稱式金鑰認證為主。

三、資料竄改與偽造資料注入

攻擊者可能攔截資料後修改溫度、位置或警報資訊，也可能自行製造虛假感測資料，讓管理中心產生錯誤判斷。

其影響包括：

• 誤判環境狀況。
• 產生虛假警報。
• 掩蓋真正的異常事件。
• 導致錯誤的控制決策。

防護方式包括使用 MAC、數位簽章、資料完整性檢查，以及透過多個感測節點交叉驗證資料。

四、重播攻擊（Replay Attack）

攻擊者先攔截合法封包，稍後重新傳送，使接收端誤以為該封包是最新資料。

例如，攻擊者重播過去的「設備正常」訊息，使管理中心無法發現目前已發生的故障。

防護方式包括在封包中加入：

• 時間戳記。
• 序號。
• Nonce。
• 有效期限。
• 訊息新鮮度（Freshness）驗證。

五、阻斷服務與能源耗竭攻擊

攻擊者可透過大量無效封包、重複要求或持續喚醒節點，使節點消耗大量能源與頻寬，最後無法提供正常服務。

WSN 的特殊風險在於，攻擊者不只需要使網路停止，也可藉由消耗電池電力，使節點提早失效，此稱為能源耗竭攻擊或睡眠剝奪攻擊（Sleep Deprivation Attack）。

防護方式包括：

核心觀念

MPEG（Moving Picture Experts Group）視訊壓縮的核心，是利用視訊資料中的三種冗餘性降低資料量：

1. 空間冗餘性：同一畫面中相鄰像素通常具有相似性。
2. 時間冗餘性：連續影格之間大部分內容相同，只有物體位置或局部內容改變。
3. 統計冗餘性：不同符號出現機率不相同，可使用較短的編碼表示常見符號。

MPEG 並非單一壓縮演算法，而是一系列由 MPEG 制定的視訊、音訊及系統標準。就傳統考試所稱的 MPEG 視訊壓縮而言，主要結合：

• 影格間預測（Inter-frame Prediction）
• 動作估計與動作補償（Motion Estimation and Compensation）
• 離散餘弦轉換（DCT）
• 量化（Quantization）
• Zigzag 掃描
• 游程編碼（Run-Length Coding, RLE）
• 可變長度編碼（Variable Length Coding, VLC）

其基本思想是：先找出影格之間的相同部分，只記錄移動資訊與差異，再將畫面差異進一步轉換、量化及熵編碼。

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一、影格類型與 GOP 結構

MPEG 通常將連續影格組成 GOP（Group of Pictures），並使用三種影格：

1. I 影格（Intra-coded Picture）

I 影格為「內部編碼影格」，不依賴其他影格即可還原，類似 JPEG 靜態影像壓縮。

其特性為：

• 以本身影像資料進行壓縮。
• 不需要參考前後影格。
• 壓縮率較低，但可作為隨機存取及錯誤恢復的起點。
• 每一個 GOP 通常以 I 影格開始。

2. P 影格（Predictive-coded Picture）

P 影格為「預測編碼影格」，以先前的 I 影格或 P 影格作為參考。

P 影格不直接儲存完整畫面，而是儲存：

• 參考區塊的位置變化，即動作向量（Motion Vector）。
• 實際畫面與預測畫面之間的差異，即殘差（Residual）。

因此，P 影格通常比 I 影格小。

3. B 影格（Bidirectionally predictive-coded Picture）

B 影格為「雙向預測編碼影格」，同時參考前方與後方的 I 影格或 P 影格。

其預測畫面可表示為：

$$\hat{X}_B = \alpha X_{\text{前方}} + (1-\alpha)X_{\text{後方}}$$

其中 $\alpha$ 為前後參考影格的加權係數。傳統 MPEG-1、MPEG-2 中，B 影格主要用來提高壓縮效率，不通常作為其他影格的參考影格。

B 影格通常具有最高壓縮率，但編碼及解碼時必須同時取得前後參考影格，因此會造成一定的處理延遲。

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二、MPEG 編碼運作流程

1. 將影像切割成區塊

輸入視訊先依影格處理，再將影格切割成宏區塊（Macroblock）。傳統 MPEG-1、MPEG-2 常以 $16 \times 16$ 的亮度區塊搭配色度區塊作為基本處理單位。

影像通常使用 YCbCr 色彩空間：

• $Y$：亮度
• $Cb$、$Cr$：色度

由於人眼對亮度變化較敏感，對色度變化較不敏感，因此 MPEG 可對色度採用較低取樣率，例如 4:2:0，以進一步降低資料量。

2. 動作估計

對於 P 影格及 B 影格，編碼器會在參考影格中搜尋與目前區塊最相似的位置。

若目前區塊的位置為 $(x,y)$，在參考影格中找到最佳匹配位置為 $(x+\Delta x,y+\Delta y)$，則動作向量為：

$$\mathbf{v}=(\Delta x,\Delta y)$$

搜尋相似區塊時，可利用絕對差值總和（SAD）：

$$SAD=\sum_{i=1}^{N}\sum_{j=1}^{N} \left|C(i,j)-R(i+\Delta x,j+\Delta y)\right|$$

其中：

• $C(i,j)$：目前影格的區塊像素值。
• $R(i+\Delta x,j+\Delta y)$：參考影格中候選區塊的像素值。
• $N$：區塊邊長。

SAD 越小，表示候選區塊與目前區塊越相似，該位置越適合作為預測區塊。

3. 動作補償

找到最佳匹配區塊後，編碼器以該區塊產生預測影像，再計算目前影像與預測影像的差異：

$$E(x,y)=X(x,y)-\hat{X}(x,y)$$

其中：

• $X(x,y)$：原始影像。
• $\hat{X}(x,y)$：利用參考影格及動作向量產生的預測影像。
• $E(x,y)$：殘差影像。

若影格中的物體只是位置移動，則殘差通常很小，因此只需要傳送動作向量及少量殘差資料。

4. DCT 離散餘弦轉換

殘差區塊或 I 影格的影像區塊會進行 DCT。傳統 MPEG 常將區塊分成 $8 \times 8$ 像素，將空間域資料轉換為頻率域係數。

二維 DCT 可表示為：

$$F(u,v)=\frac{1}{4}C(u)C(v) \sum_{x=0}^{7}\sum_{y=0}^{7} f(x,y) \cos\left(\frac{(2x+1)u\pi}{16}\right) \cos\left(\frac{(2y+1)v\pi}{16}\right)$$

其中：

• $f(x,y)$：原始區塊像素值或殘差值。
• $F(u,v)$：DCT 係數。
• $F(0,0)$：直流係數（DC coefficient），代表區塊的平均亮度。
• 其他係數：交流係數（AC coefficients），代表不同空間頻率的細節。

DCT 本身主要是資料表示方式的轉換，並非主要的失真來源。其作用是將影像能量集中到少數低頻係數。

5. 量化

核心觀念

本題考查：

1. IPv4 位址與子網路遮罩的關係。
2. VLSM（Variable Length Subnet Mask，可變長度子網路遮罩）。
3. 依主機數需求配置不同大小的子網路。
4. 子網路位址、可用主機位址及廣播位址的判定。

原始網段為：

$$14.16.72.0/24$$

其中：

• /24 表示前 24 位為網路位址。
• 主機位元數為 $32-24=8$ 位。
• 整個區塊共有：

$$2^8=256$$

個 IPv4 位址，範圍為：

$$14.16.72.0\sim14.16.72.255$$

其中每一個子網路均須保留：

• 1 個網路位址
• 1 個廣播位址

因此，可用主機數公式為：

$$\text{可用主機數}=2^h-2$$

其中 $h$ 為主機位元數。

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解題方法

本題應採用 VLSM，並依需求數量由大至小配置：

$$100 \rightarrow 50 \rightarrow 10$$

原因是先配置較大的區塊，可避免位址空間被切割成零散的小區塊，造成大型網段無法配置。

一、配置 100 部主機

需滿足：

$$2^h-2\geq100$$

當 $h=6$ 時：

$$2^6-2=62<100$$

當 $h=7$ 時：

$$2^7-2=126\geq100$$

因此需要 7 個主機位元，前綴長度為：

$$32-7=25$$

所以配置：

$$/25$$

其遮罩為：

$$255.255.255.128$$

每個 /25 區塊共有 128 個位址，可用主機位址 126 個。

配置第一個子網路：

• 網路位址：14.16.72.0/25
• 可用主機位址：14.16.72.1～14.16.72.126
• 廣播位址：14.16.72.127

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二、配置 50 部主機

需滿足：

$$2^h-2\geq50$$

當 $h=5$ 時：

$$2^5-2=30<50$$

當 $h=6$ 時：

$$2^6-2=62\geq50$$

因此需要 6 個主機位元，前綴長度為：

$$32-6=26$$

所以配置：

$$/26$$

其遮罩為：

$$255.255.255.192$$

每個 /26 區塊共有 64 個位址，可用主機位址 62 個。

第一個 /25 使用到 .127，下一個可用的區塊從 .128 開始，因此配置：

• 網路位址：14.16.72.128/26
• 可用主機位址：14.16.72.129～14.16.72.190
• 廣播位址：14.16.72.191

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三、配置 10 部主機

需滿足：

$$2^h-2\geq10$$

當 $h=3$ 時：

$$2^3-2=6<10$$

當 $h=4$ 時：

$$2^4-2=14\geq10$$

因此需要 4 個主機位元，前綴長度為：

$$32-4=28$$

所以配置：

$$/28$$

其遮罩為：

$$255.255.255.240$$

每個 /28 區塊共有 16 個位址，可用主機位址 14 個。

前一個 /26 使用到 .191，下一個 /28 的起點為 .192，因此配置：

• 網路位址：14.16.72.192/28
• 可用主機位址：14.16.72.193～14.16.72.206
• 廣播位址：14.16.72.207

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區塊規劃結果

（一）CDN（Content Delivery Network，內容傳遞網路）

核心觀念

CDN 是由分布於不同地理位置的多個邊緣伺服器（Edge Server）所組成的內容傳遞架構，目的在於將網站、圖片、影片、下載檔案等內容，從距離使用者較近的節點提供服務，以降低延遲、減少骨幹網路流量並提升可用性。

CDN 通常由下列元件組成：

1. 來源站台（Origin Server）：保存原始內容。
2. 邊緣節點（Edge Node）：快取並提供內容給使用者。
3. 流量導向機制：依據 DNS、Anycast、負載、網路距離或節點健康狀態，將使用者導向適當節點。
4. 快取機制（Caching）：常用內容暫存於邊緣節點，避免每次都向來源站台請求。

使用者請求內容時，若邊緣節點已有有效快取，即可直接回應，稱為 Cache Hit；若沒有快取或內容已過期，則向來源站台取得內容，稱為 Cache Miss。

解題方法

回答 CDN 時，應掌握「分散節點、就近提供、快取內容、降低延遲」四個重點，並補充其可改善的效益：

• 減少使用者至來源站台的網路距離。
• 降低來源站台負載。
• 提升大量使用者同時存取時的服務能力。
• 增加網站的容錯與可用性。
• 分散流量，降低單一節點遭受流量攻擊的風險。

CDN 並不等於單純增加一台伺服器，也不代表所有資料都永久複製到所有節點；其核心是透過快取及流量導向，將適合分發的內容配置到較接近使用者的位置。

解題技巧

看到 CDN，應立即聯想到：

「內容快取在全球或各地邊緣節點，使用者就近取得。」

常見陷阱是將 CDN 誤認為資料庫同步系統。CDN 主要處理內容傳遞與快取，資料的一致性則須透過快取期限、失效控制及來源站台更新機制處理。

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（二）DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，動態主機組態設定協定）

核心觀念

DHCP 是用來自動分配網路組態參數的應用層協定，主要提供：

• IP 位址
• 子網路遮罩
• 預設閘道
• DNS 伺服器位址
• 租約期限（Lease Time）
• 網域名稱及其他選用參數

DHCP 使用用戶端與伺服器之間的租約機制，使裝置能在加入網路時自動取得可用的 IP 位址，並在租約到期前續租。

IPv4 DHCP 通常使用 UDP：

• 伺服器端：UDP 67
• 用戶端：UDP 68

解題方法

DHCP 的標準取得流程可用 DORA 記憶：

1. DHCP Discover 用戶端尚未取得 IP 位址，因此以廣播方式尋找 DHCP 伺服器。

2. DHCP Offer DHCP 伺服器提供可租用的 IP 位址與相關組態參數。

3. DHCP Request 用戶端選擇一個提供，並廣播表示接受該伺服器提供的設定。

4. DHCP Acknowledgment（ACK） 伺服器確認租約，正式授予用戶端 IP 位址及其他網路參數。

若伺服器拒絕請求，會回傳 DHCP NAK。租約接近到期時，用戶端可向原 DHCP 伺服器提出續租。

DHCP 以廣播進行初始通訊，因此 DHCP 伺服器與用戶端不在同一個網段時，通常需要設定 DHCP Relay Agent，將 DHCP 訊息轉送至其他網段的伺服器。

解題技巧

DHCP 與 DNS 的功能不可混淆：

• DHCP：分配 IP 與網路設定。
• DNS：將網域名稱解析為 IP 位址。

快速記憶方式：

DHCP 負責「拿到網路設定」；DNS 負責「找出名稱對應的位址」。

另一個常見陷阱是以為 DHCP 位址是永久固定。DHCP 原則上採租約制，但可透過 DHCP Reservation 依據 MAC 位址提供固定的特定位址。

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（三）Shannon capacity（香農容量）

核心觀念

Shannon capacity 是通訊理論中，在具有雜訊的通道下，資料能夠可靠傳輸的理論最大傳輸速率。對於頻寬為 $B$、訊號功率為 $S$、雜訊功率為 $N$ 的高斯白雜訊通道，其容量為：

$$C = B \log_2\left(1+\frac{S}{N}\right)$$

其中：

• $C$：通道容量，單位為 bit/s
• $B$：通道頻寬，單位為 Hz
• $S$：訊號功率
• $N$：雜訊功率
• $\frac{S}{N}$：訊號雜訊比（SNR）

此公式表示：只要實際傳輸速率不超過通道容量，透過適當的錯誤更正編碼，理論上可使錯誤率降至任意接近零；若傳輸速率超過容量，則無法以編碼方式完全克服雜訊所造成的限制。

解題方法

計算時依下列步驟：

1. 確認頻寬 $B$。
2. 確認訊號功率與雜訊功率，計算 $\frac{S}{N}$。
3. 若 SNR 以分貝表示，先換算成線性值：

$$\mathrm{SNR}_{\text{linear}} = 10^{\mathrm{SNR}_{\mathrm{dB}}/10}$$

4. 代入 Shannon 公式：

$$C = B \log_2(1+\mathrm{SNR})$$

例如，若通道頻寬為 $1\text{ MHz}$，SNR 為 $15\text{ dB}$，先換算：

$$\mathrm{SNR}=10^{15/10}\approx 31.62$$

因此：

$$C=10^6\log_2(1+31.62) =10^6\log_2(32.62) \approx 5.03\times 10^6\text{ bit/s}$$

通道容量約為 $5.03\text{ Mbps}$。

與 Nyquist 定理的區別

• Nyquist 無雜訊公式：

$$C = 2B\log_2 M$$

其中 $M$ 為訊號電平數，假設通道沒有雜訊。