110 中華郵政招考營運職 資通訊與安全管理 作業系統與網路管理 考古題詳解

核心觀念

本題考查：

1. 作業系統中的可搶先排程。
2. CPU 排程器重新選擇程序的時機。
3. FCFS 排程的執行順序、甘特圖與平均等待時間。

FCFS 的基本原則是：依程序抵達就緒佇列的先後順序執行，先到者先執行。在非搶先式 FCFS 中，程序一旦取得 CPU，會持續執行至結束或主動進入等待狀態。

等待時間公式為：

$$\text{等待時間}=\text{開始執行時間}-\text{抵達就緒佇列時間}$$

平均等待時間為：

$$\text{平均等待時間} =\frac{\text{所有程序等待時間總和}}{\text{程序總數}}$$

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解題方法

（一）可搶先排程（Preemptive）

可搶先排程是指：程序正在使用 CPU 時，作業系統可以中斷並剝奪其 CPU 使用權，將 CPU 分配給另一個更適合執行的程序。

被中斷的程序會保存目前的執行狀態，例如：

• 程式計數器（Program Counter）
• CPU 暫存器內容
• 程序狀態
• 堆疊資訊

這些資訊通常會保存於程序控制區塊（Process Control Block, PCB）中，待程序日後重新取得 CPU 時恢復執行。

可搶先排程常見的觸發情況包括：

• 時間片用完。
• 高優先權程序進入就緒佇列。
• 系統發生計時器中斷。
• 作業系統判定需要重新分配 CPU。

可搶先排程的優點是反應時間較短、互動性較佳，也能避免低優先權程序長時間占用 CPU；缺點是需要進行程序切換，會產生額外的內容切換（Context Switch）成本。

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（二）決定 CPU 排程的時間點

以下列出 3 個常見時間點：

1. 執行中的程序由執行狀態轉為等待狀態 例如程序提出輸入／輸出要求，必須等待磁碟或其他裝置完成工作。

2. 執行中的程序執行完畢並終止 CPU 釋放後，排程器必須從就緒佇列選擇下一個程序。

3. 等待中的程序完成事件而轉為就緒狀態 例如輸入／輸出完成，等待中的程序重新進入就緒佇列，排程器需依排程策略決定是否讓它取得 CPU。

在可搶先式系統中，計時器中斷導致目前程序由執行狀態轉為就緒狀態，也是常見的排程時機。

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（三）FCFS 甘特圖與平均等待時間

1. 決定執行順序

題目給出的抵達順序為：

$$P2 \rightarrow P3 \rightarrow P1 \rightarrow P4$$

所需處理時間如下：

• $P2=3$ 毫秒
• $P3=2$ 毫秒
• $P1=10$ 毫秒
• $P4=4$ 毫秒

2. 計算各程序開始與結束時間

程序	執行順序	開始時間	結束時間	處理時間
$P2$	1	0	3	3
$P3$	2	3	5	2
$P1$	3	5	15	10

核心觀念

本題考查兩大主題：

1. 高可用性架構 HA 的常見實現機制。
2. VM 與 Container 的虛擬化層次、資源隔離方式、部署效率，以及兩者的優缺點。

高可用性（High Availability, HA）的目標，是在硬體、軟體、網路或服務元件發生故障時，透過備援、故障偵測與服務切換，使系統持續提供服務，降低停機時間。

常用衡量指標為可用率：

$$\text{可用率}=\frac{\text{正常運作時間}}{\text{正常運作時間}+\text{停機時間}}$$

可用率也常表示為：

$$\text{可用率}=1-\frac{\text{停機時間}}{\text{總服務時間}}$$

因此，HA 的核心不只是「有兩台設備」，還必須具備：

• 備援資源；
• 故障偵測；
• 故障切換；
• 必要時的資料同步與一致性維護。

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解題方法

（一）高可用性架構 HA 的兩種實現機制

作答時應列出兩種具體機制，並說明其運作方式與用途。以下兩種最具代表性。

1. 伺服器叢集與故障切換（Cluster／Failover）

將多台伺服器組成叢集，由叢集管理軟體監控各節點狀態。當主要節點發生故障時，系統會將服務、虛擬 IP、儲存資源或工作負載切換至備援節點。

常見型態包括：

• 主動／被動式（Active-Passive）：平時由主要節點提供服務，備援節點處於待命狀態；主要節點故障時，由備援節點接手。
• 主動／主動式（Active-Active）：多個節點同時提供服務，任一節點故障時，其工作負載由其他節點承接。

其運作流程通常為：

1. 健康檢查機制持續監控節點、服務與網路狀態。
2. 偵測到節點或服務失效。
3. 由叢集管理員執行資源轉移。
4. 備援節點接管服務，使用者持續存取系統。

優點是可提供自動故障切換，降低單一伺服器故障造成的服務中斷。缺點是架構較複雜，且若未妥善處理共享資料與狀態同步，可能發生資料不一致或雙主（Split-Brain）問題。

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2. 負載平衡與伺服器冗餘（Load Balancing）

在使用者與後端伺服器之間配置負載平衡器，由負載平衡器將連線分配至多台後端伺服器。

基本架構如下：

$$\text{用戶端} \rightarrow \text{負載平衡器} \rightarrow \text{多台後端伺服器}$$

負載平衡器會透過健康檢查確認後端伺服器是否正常。若某台伺服器故障，便停止將新的連線分配給該伺服器，改由其他正常伺服器提供服務。

常見分配方法包括：

• 輪詢（Round Robin）；
• 加權輪詢（Weighted Round Robin）；
• 最少連線（Least Connections）；
• 依來源位址或工作階段分配。

優點包括：

• 分散大量使用者連線；
• 提升整體處理能力；
• 單一後端伺服器故障時，其他伺服器仍可提供服務；
• 可配合增加伺服器節點進行水平擴充。

缺點是負載平衡器本身也可能成為單點故障，因此通常必須配置雙機、虛擬 IP 或其他備援機制。

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（二）VM 與 Container 的差異

1. 虛擬化層次不同

VM：硬體層級虛擬化

VM 透過 Hypervisor 將一台實體主機切分成多台虛擬機。每台虛擬機通常具有：

• 虛擬 CPU；
• 虛擬記憶體；
• 虛擬磁碟；
• 虛擬網路卡；
• 完整的客體作業系統。

架構如下：

$$\text{實體硬體} \rightarrow \text{Hypervisor} \rightarrow \text{多台 VM} \rightarrow \text{各自的 Guest OS} \rightarrow \text{應用程式}$$

每台 VM 都能執行完整的作業系統，因此不同 VM 可以使用不同作業系統，例如一台執行 Linux，另一台執行 Windows。

Container：作業系統層級虛擬化

Container 不模擬完整硬體，也不為每個容器建立一套完整作業系統，而是由多個容器共用主機的核心（Kernel），再透過名稱空間（Namespace）、控制群組（cgroups）等機制進行隔離與資源限制。

架構如下：

$$\text{實體硬體} \rightarrow \text{Host OS} \rightarrow \text{Container Engine} \rightarrow \text{多個 Container} \rightarrow \text{應用程式及相依函式庫}$$

容器通常只封裝應用程式及其執行所需的函式庫，不包含完整 Guest OS。

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2. 主要差異比較

比較項目	VM	Container
虛擬化層次	硬體層級或完整系統虛擬化	作業系統層級虛擬化
是否包含 Guest OS	每台 VM 通常包含完整 Guest OS	不包含完整 Guest OS，共用 Host OS Kernel
啟動速度	較慢，需啟動完整作業系統	很快，通常數秒內即可啟動
資源需求	較高，需配置各自的 OS 資源	較低，容器共用核心
隔離程度	通常較強	隔離程度較 VM 弱
作業系統彈性	可執行不同類型作業系統	通常須與主機核心相容
映像檔大小	通常較大	通常較小
移植性	可攜帶完整 VM 映像	可攜帶應用程式與相依環境

核心觀念

本題考查 IPv4 CIDR、子網路切割、網路位址、主機位址與廣播位址。

IPv4 位址共有 32 位元，CIDR 的 /n 表示前 $n$ 位為網路部分，剩餘位元為主機部分。

主機數公式為：

$$2^{\text{主機位元數}}-2$$

扣除的兩個位址為：

• 網路位址（Network Address）
• 廣播位址（Broadcast Address）

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（一）可供電腦設備使用的 IP 位址數

原網段為：

$$172.20.6.0/23$$

主機位元數為：

$$32-23=9$$

因此整個網段共有：

$$2^9=512$$

個 IP 位址。

扣除網路位址與廣播位址：

$$512-2=510$$

其位址範圍如下：

• 網路位址：$172.20.6.0$
• 廣播位址：$172.20.7.255$
• 可用主機位址：$172.20.6.1$ 至 $172.20.7.254$

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（二）切割成 8 個同樣大小的子網路

切割成 8 個子網路，需要借用的主機位元數為：

$$\log_2 8=3$$

原本為 /23，借用 3 位元後：

$$23+3=26$$

因此新的 CIDR 標記為：

$$/26$$

子網路遮罩

/26 的二進位遮罩為：

$$11111111.11111111.11111111.11000000$$

轉換為十進位：

$$255.255.255.192$$

因此：

• 子網路遮罩：$255.255.255.192$
• CIDR 標記：/26

每個 /26 子網路包含：

$$2^{32-26}=2^6=64$$

個 IP 位址，其中可供主機使用：

$$64-2=62$$

個。

八個子網路

原網段涵蓋第三個八位元組 $6$ 與 $7$，共 512 個位址。每個子網路大小為 64，因此子網路如下：

子網路	網路位址	廣播位址
1	$172.20.6.0$	$172.20.6.63$
2	$172.20.6.64$	$172.20.6.127$
3	$172.20.6.128$	$172.20.6.191$
4	$172.20.6.192$	$172.20.6.255$

核心觀念

本題考查路由的來源、路由優先等級，以及預設、直連、靜態、動態路由的特性。

路由器選擇路由時，通常依下列順序判斷：

1. 先比較目的網路的最長前綴匹配。
2. 若目的網路相同，再比較路由來源的優先等級。
3. 優先等級數值越小，代表可信度越高、優先順序越前。

以命題當年常見的路由器設定規則為準，路由優先等級範圍為 $0$ 至 $255$，其中 $0$ 為最高優先等級。

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解題方法

判斷各類型路由時，可從三個角度切入：

• 路由是否由路由器自動產生。
• 管理者是否必須手動設定。
• 網路拓撲變更時，路由是否能自動調整。

其中「預設路由」主要是目的地範圍最廣的路由；「直連路由」是介面啟用並設定 IP 位址後自動產生的路由；「靜態路由」由管理者手動指定；「動態路由」則由路由協定交換資訊後建立。

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（一）路由優先等級

1. 優先等級最高的路由類型

直連路由的優先等級最高。

直連路由是路由器根據自身介面設定，自動知道「某個網路直接連接在本機介面上」，不需要經過下一跳路由器，因此可信度最高。

以常見路由器的路由來源優先順序表示：

路由類型	常見優先等級概念
直連路由	$0$
靜態路由	通常高於動態路由
動態路由	依使用的路由協定而定
未知或不可信路由	接近 $255$

2. 優先等級範圍

路由優先等級設定值範圍為：

$$0 \leq \text{Priority} \leq 255$$

最高優先等級的設定值為：

$$\boxed{0}$$

數值越小，優先等級越高；數值 $255$ 通常表示該路由不可信或不採用。

解題技巧

「優先等級」與「路由成本」不是同一個概念：

• 優先等級：比較不同路由來源，數值越小越優先。
• 成本或 Metric：比較同一路由協定內的不同路徑，計算方式依協定而定。

此外，預設路由不一定是獨立的路由來源。它可以是靜態預設路由，也可以由動態路由協定學習而來。因此不能直接認為「預設路由一定比直連路由優先」。

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（二）預設路由的優缺點

預設路由通常表示「沒有更詳細路由可匹配時，送往指定的下一跳或出口介面」。

IPv4 預設路由通常表示為：

$$0.0.0.0/0$$

它可以匹配所有 IPv4 目的位址，但只有在路由表中沒有更長前綴的適用路由時才會被使用。

優點

1. 路由表較小

不必為大量未知或外部網路逐一建立路由，只需設定一條預設路由。

2. 設定簡單

適合分支機構、家用網路、單一出口網路等拓撲。內部設備只要將未知流量送往上游路由器即可。

3. 降低管理負擔

當外部網路數量很多時，管理者不必維護每一個外部目的網路的路由。

4. 適合階層式網路架構

邊緣路由器通常將所有非內部網路的流量轉送到核心路由器或 ISP。

缺點

1. 路由精確度低

預設路由只能表示「其他所有目的地」，無法反映每一個外部網路的最佳路徑。

2. 可能造成錯誤轉送

若預設下一跳設定錯誤，未知流量可能被送往錯誤出口，甚至形成封包迴圈。

3. 故障偵測能力有限

路由器本身可能仍認為預設路由有效，但實際的上游線路或遠端網路已經中斷。

4. 可能導致次佳路徑

在多出口環境中，若預設路由的優先順序或 Metric 設定不當，流量可能未經最佳出口送出。

常見陷阱

預設路由不是「所有流量永遠優先使用的路由」。路由器採用最長前綴匹配，因此：

• 192.168.1.0/24 會優先於 0.0.0.0/0。
• 只有找不到更具體的路由時，才使用預設路由。

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（三）直連路由的優缺點

直連路由是路由器透過自身介面直接連接的網路所產生的路由。

例如，介面設定為 192.168.10.1/24，路由器會自動知道：

$$192.168.10.0/24$$

直接連接在該介面上。

優點

1. 不需要額外設定

介面啟用並設定 IP 位址與網路遮罩後，直連網路通常會自動加入路由表。

2. 優先等級最高

直連路由是路由器直接確認的網路，通常設定為優先等級 $0$。

3. 轉送效率高

封包不需要先交給其他路由器，可直接由相應介面送出。

4. 不依賴路由協定

即使未啟用 RIP、OSPF 等動態路由協定，路由器仍能處理直連網路的封包。

缺點

1. 只能涵蓋直接連接的網路

對於遠端網路，直連路由無法提供路徑資訊，仍須依靠靜態路由或動態路由。

2. 受介面狀態影響

若介面關閉、實體線路中斷，相關直連路由通常會從路由表移除。

3. 不具備全網路拓撲資訊

直連路由只知道鄰接網路，不知道整個組織網路或 Internet 的其他路徑。

4. 多網段環境仍需其他路由

當網路規模擴大時，只依賴直連路由無法完成跨網段通訊。

解題技巧

判斷直連路由的關鍵是「目的網路是否直接掛在本機介面上」。若封包必須經過下一台路由器才能抵達，該路由就不是直連路由。

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（四）靜態路由的優缺點