109 一般警察特考二等 刑事警察人員數位鑑識組 電腦通訊(包括無線網路) 考古題詳解

核心觀念

本題為「電腦通訊與網路」之基礎核心名詞釋義題，主要考核考生對於 OSI 模型與 TCP/IP 架構中各層通訊協定、錯誤控制、密碼學應用及無線傳輸控制機制的理解程度。各小題核心重點如下：

1. ARQ（Automatic Repeat reQuest）：聚焦於資料鏈結層（Data Link Layer）與傳輸層（Transport Layer）之「可靠傳輸機制」，利用錯誤偵測編碼、確認訊號（ACK/NAK）與逾時重傳（Timeout）確保傳輸正確性。
2. 公開金鑰密碼系統（Public Key Cryptosystems）：聚焦於資訊安全與非對稱密碼學（Asymmetric Cryptography），利用數學單向陷門函數（Trapdoor One-way Function）產生公鑰與私鑰對，解決對稱金鑰的分發難題，並實現機密性（Confidentiality）、數位簽章（Digital Signature）與不可否認性（Non-repudiation）。
3. CSMA/CA with RTS/CTS：聚焦於無線區域網路（IEEE 802.11）媒介存取控制（MAC），藉由載波感測、退避演算法（Backoff Algorithm）與虛擬載波感測（NAV），搭配「請求傳送／清除傳送」機制以克服「隱藏節點問題（Hidden Terminal Problem）」。
4. Datagram：聚焦於網路層（如 IPv4/IPv6）或傳輸層（如 UDP）之「非連線導向（Connectionless）」傳輸單元，每一資料報包含完整目的端位址資訊，獨立由路由器轉送，提供盡力傳送（Best-effort Delivery）服務。

---

解題方法

申論題型之名詞釋義（每題 5 分），閱卷評分重點在於「定義精準度」、「技術機制或架構完整度」以及「應用／解決的核心問題」。作答時應採取條列化與三段式切入法：

1. 定義與層級定位：指明該名詞所屬的網路協定層級與基本技術定義。
2. 運作流程與核心機制：寫出其運作邏輯（如控制訊號、金鑰對搭配、封包交握流程等）。
3. 關鍵分類或解決之問題：點出該技術的實作類型或在網路環境中排除的痛點。

---

解題技巧

1. 配分與版面控制：一題 5 分，每小題作答長度以 6～8 行為宜，切忌寫成一段未分段的文字；務必使用小標點出關鍵專有名詞。
2. 關鍵字精準命中：

• ARQ 必須提及「ACK/NAK」、「Timeout 逾時重傳」、「Stop-and-Wait / Go-Back-N / Selective Repeat」。
• 公開金鑰密碼系統必須提及「金鑰對（公鑰／私鑰）」、「機密性（接收端公鑰加密）」、「數位簽章（傳送端私鑰簽署）」。
• CSMA/CA with RTS/CTS 必須明確點出「隱藏節點問題（Hidden Terminal Problem）」與「網路配置向量（NAV, Network Allocation Vector）」。
• Datagram 必須點出「非連線導向（Connectionless）」、「獨立繞送（Independent Routing）」、「盡力傳送（Best-effort）」。

3. 常見陷阱防範：

• 勿將 CSMA/CA（無線碰撞避免）與乙太網路的 CSMA/CD（有線碰撞偵測）混淆。
• 數位簽章與加解密的金鑰使用對象常被考生寫反，應牢記：「加密用對方公鑰，簽章用自己私鑰」。

---

【答案】

(一) ARQ（Automatic Repeat reQuest，自動重傳請求）

1. 定義： ARQ 是一種利用錯誤偵測（Error Detection）與反饋機制，以達成不可靠通道上資料「可靠傳輸（Reliable Data Transfer）」的通訊協定機制，常見於資料鏈結層與傳輸層（如 TCP）。
2. 核心運作要素：

• 錯誤偵測編碼：傳送端於資料訊框附加同位檢查碼或循環冗餘檢查碼（CRC）。
• 確認訊號（ACK/NAK）：接收端收到資料後驗證，正確則回傳確認訊號（ACK, Positive Acknowledgment），有誤則回傳否定確認訊號（NAK, Negative Acknowledgment）。
• 逾時重傳計時器（Timeout Timer）：傳送端送出資料後啟動計時器，若在特定時間內未收到 ACK，或收到 NAK，即主動重傳該筆資料。

3. 常見類型：

• 停等式（Stop-and-Wait ARQ）：每發送一個訊框，須等待收到 ACK 後才發送下一個訊框，通道利用率較低。

核心觀念

1. 交錯技術（Interleaving）與通道特性： 無線通道常因多路徑衰落（Multipath Fading）、脈衝雜訊（Impulse Noise）或暫態干擾，導致連續多個位元／位元組損毀的「突發性錯誤（Burst Errors）」。交錯技術本質上是一種**時間分集（Time Diversity）技術，在傳送端依特定規則重新排列資料順序，接收端再還原（De-interleaving），其核心在於不增加任何額外檢查碼位元（無頻寬負擔）**的情況下改變錯誤的分佈型態。
2. 前向錯誤更正（FEC）與交錯的互補性： 大多數 FEC 編碼（如區塊碼、迴旋碼）的最佳設計前提是「獨立隨機錯誤（Independent Random Errors）」，對於超出其更正極限 $t$ 的連續突發錯誤無能為力。交錯技術將實體通道上的連續「突發性錯誤」打散成多個碼字（Codewords）中彼此分散的「單一隨機錯誤」，使其落入 FEC 的更正能力範圍內，從而大幅提升解碼成功率。
3. 區塊交錯器（Block Interleaver）設計準則： 若單一封包（碼字）長度為 $N$ 位元組，其 FEC 最大可更正 $t$ 個位元組錯誤，欲抵抗長度為 $B$ 位元組的連續突發錯誤，交錯深度（Interleaving Depth, $D$）必須滿足： $D \ge \left\lceil \frac{B}{t} \right\rceil$

---

解題方法

(一) Interleaving 技巧與提升容錯／更正能力之原理

1. Interleaving 的技術內涵：

• 機制：將待傳送的數位序列打散重排。最常見的形式為區塊交錯（Block Interleaving）：建立一個 $M \times N$ 的二維矩陣緩衝區，資料寫入與讀出的維度相互垂直（例如：按列寫入、按行讀出）。
• 解交錯（De-interleaving）：接收端接收到資料後，進行反向操作（按行寫入、按列讀出），將資料還原為原始的邏輯順序後再送交 FEC 解碼器。

2. 提升容錯與更正能力的原因：

• 打散連續錯誤：傳送時在時間軸上連續相鄰的位元組，在邏輯原始資料中彼此相距 $M$ 個位置。當無線通道發生長度為 $L$ 的連續突發性衰落或雜訊時，這 $L$ 個受損位元組在接收端解交錯後，會被均勻分散到 $L$ 個不同的封包或碼字中。
• 化突發為隨機：FEC 解碼器在處理單一封包時，原本致命的「連續區塊損毀」轉化為「各封包僅承擔微量的分散錯誤」。只要各封包所分攤到的錯誤量不超過其更正門檻（$t$），FEC 即能全數修復，避免因突發干擾導致整個封包損毀而必須重傳。

---

(二) 針對 10 bytes Burst Error 的交叉碼傳送設計與示意圖

1. 參數定義與計算

• 單一封包長度 $N = 40\text{ bytes}$（含檢查碼）。
• 單一封包更正能力 $t = 1\text{ byte}$。
• 目標突發錯誤長度 $B = 10\text{ bytes}$。

欲使長度為 10 bytes 的連續錯誤在解交錯後分散至不同封包，且每個封包承擔的錯誤量不超過 $t = 1\text{ byte}$，所需的交錯深度（即同時參與交錯的封包數）$D$ 為： $D = \frac{B}{t} = \frac{10}{1} = 10\text{ 個封包}$

2. 傳送方法設計（$10 \times 40$ 區塊交錯器）

• 發送端配置： 取 10 個封包（記為 $\text{PKT}_1$ 至 $\text{PKT}_{10}$），每封包長 40 bytes。建立一個 $10 \times 40$ 的交錯矩陣（10 列、40 行）。
• 橫向寫入（Row-by-Row）：將 10 個封包依序橫向填入矩陣。第 $i$ 列為 $\text{PKT}_i$，其中元素記為 $P_{i,j}$（代表第 $i$ 個封包的第 $j$ 個 byte，其中 $1 \le i \le 10, 1 \le j \le 40$）。
• 縱向讀出傳送（Column-by-Column）：在實體通訊通道傳送時，依垂直方向逐行讀出發送。
• 傳送位元組順序： $P_{1,1}, P_{2,1}, P_{3,1}, \dots, P_{10,1}, P_{1,2}, P_{2,2}, \dots, P_{10,2}, \dots, P_{1,40}, \dots, P_{10,40}$

3. 容錯機制驗證

• 假設傳輸過程中遭遇長度為 10 bytes 的連續突發錯誤，損毀了傳輸串列中任意連續的 10 個位元組（例如 $P_{1,k}, P_{2,k}, \dots, P_{10,k}$）。
• 接收端解交錯：接收端以「縱向寫入、橫向讀出」重組封包。

核心觀念

本題評量 IPv4 無類別網域間路由（CIDR）與子網路劃分（Subnetting）的核心運算，以及網路層的封包遞送決策機制：

1. 網路識別碼（Network ID）計算：主機 IP 位址與子網路遮罩進行「逐位元邏輯且」（Bitwise AND）運算，所得即為該子網路的網路位址。
2. 可用主機位址空間公式：若主機位元長度為 $h$ 位元（$h = 32 - \text{Prefix Length}$），則子網路內理論上共有 $2^h$ 個位址。因保留「主機位元全為 $0$（Network ID）」與「主機位元全為 $1$（Directed Broadcast Address）」，實際可配置之可用固定主機位址數為： $N_{\text{host}} = 2^h - 2$
3. 路由轉送判定（Direct vs. Indirect Delivery）：

• 來源端將「目的端 IP 位址」與自身的「子網路遮罩」進行 AND 運算。
• 若運算結果與來源端的 Network ID 相同，代表雙方處於「同一子網路」，發送端可直接利用二層（Layer 2）ARP 協定解析 MAC 位址完成直接遞送（Direct Delivery）。
• 若運算結果與來源端 Network ID 不同，代表屬於「跨子網路通訊」，必須藉助**預設閘道器（Default Gateway，即路由器）進行間接遞送（Indirect Delivery）**轉送。

---

解題方法

(一) 計算子網路的網路 ID（Network ID）

1. 遮罩分析： 子網路遮罩為 $255.255.255.224$（CIDR 表示為 $/27$）。 前三個 Octet 皆為 $255$，故前 $24$ 個位元全為 $1$；第四個 Octet 轉換為二進位： $224_{10} = 11100000_2$
2. IP 位址分析： 電腦 A 的 IP 位址為 $135.122.142.65$。 前三個 Octet 不變，第四個 Octet 數值 $65$ 轉換為二進位： $65_{10} = 01000001_2$
3. 逐位元 AND 運算： 將第四個 Octet 進行 Bitwise AND 運算：

& 01000001_2 \quad (65) \\ \text{AND} & 11100000_2 \quad (224) \\ \hline & 01000000_2 \quad (64) \end{array}$$ 4. **結論**： 此子網路之網路 ID 為 **$135.122.142.64$**（或標示為 $135.122.142.64/27$）。 --- #### **(二) 計算此子網路最多可編配之固定位址數** 1. **主機位元計算**： IPv4 位址長度共 $32$ 位元。子網路遮罩長度為 $/27$（網路前綴 $n = 27$ 位元），故主機位元數為： $$h = 32 - 27 = 5 \text{ 位元}$$ 2. **扣除保留位址**： $5$ 個主機位元共可表示 $2^5 = 32$ 個位址（範圍從 $135.122.142.64$ 至 $135.122.142.95$）。依 RFC 規範必須扣除 2 個特殊用途位址： - **網路位址（Network ID）**：主機位元全為 $0$ 之 $135.122.142.64$。 - **直接廣播位址（Directed Broadcast Address）**：主機位元全為 $1$ 之 $135.122.142.95$。 3. **計算結果**： $$2^5 - 2 = 32 - 2 = 30$$ 因此，此子網路最多可以為 **$30$** 部電腦編配可用固定 IP 位址（可用主機範圍為 $135.122.142.65 \sim 135.122.142.94$）。 --- #### **(三) 判定封包傳送至 $135.122.142.161$ 是否需透過路由器轉送** 1. **判斷目的端所屬子網路**： 目的端 IP 為 $135.122.142.161$。電腦 A 使用自身的遮罩 $255.255.255.224$ 對目的端 IP 進行 Bitwise AND 運算。 第四個 Octet 數值 $161$ 轉換為二進位： $$161_{10} = 10100001_2$$ 與遮罩第四個 Octet 進行運算： $$\begin{array}{r@{\quad}l} & 10100001_2 \quad (161) \\ \text{AND} & 11100000_2 \quad (224) \\ \hline & 10100000_2 \quad (160) \end{array}$$ 目的端 IP 所屬的子網路 ID 為 **$135.122.142.160/27$**。

核心觀念

本題評量網路安全架構中兩大基礎防禦機制——**防火牆（Firewall）與網路入侵偵測系統（Network Intrusion Detection System, NIDS）**之運作架構、防禦定位差異，以及 IDS 核心偵測演算法之工作原理。

1. 防火牆 vs. IDS 之定位與機制差異：

• 防火牆：屬於「存取控制（Access Control）」與「預防性阻擋（Prevention）」機制，多部署於網路邊界（Inline 串接模式），依據預設安全政策（Security Policies）過濾網路層至傳輸層（L3/L4）標頭資訊。
• IDS：屬於「安全監控（Monitoring）」與「偵測警示（Detection）」機制，多採旁路監聽模式（Out-of-band / TAP / SPAN），針對傳輸內容進行深層封包檢測（Deep Packet Inspection, DPI）至應用層（L7）。

2. IDS 偵測技術原理：

• 異常行為入侵偵測（Anomaly-based Detection）：以「正常行為輪廓（Baseline / Profile）」為基準，凡偏離正常行為達到閥值者即判定為入侵。
• 錯誤行為入侵偵測（Misuse-based / Signature-based Detection，亦稱誤用偵測）：以「已知攻擊特徵庫（Signatures / Attack Patterns）」為基準，凡封包或行為模式吻合特徵者即判定為入侵。

---

解題方法

本題為標準的警察特考二等資訊資安申論題，作答時應把握「層次分明、對比清晰、專有名詞精準」的原則：

• 子題 (一) 解題切入點： 建議採用「生活化比喻建立直觀＋系統化維度對比表＋文字論述深化」結構。將防火牆比喻為「門禁警衛/閘門」，IDS 比喻為「防盜監視器/警報器」；接著從「部署架構（Inline vs. Passive）」、「運作層級（OSI L3/L4 vs. L4~L7）」、「防禦型態（主動阻斷 vs. 被動告警）」、「對網路效能與可用性之影響」四個構面展開對比。
• 子題 (二) 解題切入點： 針對兩種偵測原理，均依照「定義與本質 $\to$ 工作原理與建立流程 $\to$ 核心判定邏輯 $\to$ 優缺點與誤判特性（False Positive vs. False Negative）」之標準四步驟架構說明，展現扎實的學理背景。

---

選項分析（本題為申論題，此處針對評分爭點與名詞對應進行深度剖析）

本題非選擇題，無選項排除問題，但考生作答時常因名詞辨析不清而痛失分數，閱卷評分關鍵爭點如下：

1. 「錯誤行為入侵偵測」之名詞對應：

• 題目所稱「錯誤行為入侵偵測」，學術界與業界標準術語為 Misuse-based Detection（誤用偵測） 或 Signature-based Detection（特徵偵測）。
• 常見錯誤：切勿字面翻譯為「偵測系統本身的錯誤」，其核心意義是「定義出壞的行為（Bad/Misuse Behaviors），凡符合即視為攻擊」。

2. IDS 與 IPS（入侵防禦系統）之界線：

• IDS 核心在於「Detection（偵測）」而非「Prevention（防禦）」。不可將 IDS 寫成「直接丟棄惡意封包並中斷連線」；若具備主動在線丟棄封包功能，屬於 IPS（Intrusion Prevention System）或與防火牆聯防之範疇。

3. 誤報率（False Positive）與漏報率（False Negative）之歸屬：

• 異常行為偵測：因使用者行為會隨時間自然變異，極易將新型正常操作誤判為攻擊，故 誤報率（False Positive）高；但能有效捕捉未知攻擊，故針對新型威脅之 漏報率（False Negative）低。
• 錯誤行為偵測：特徵吻合才告警，誤報率（False Positive）極低；但對未知零時差攻擊完全無法辨識，漏報率（False Negative）高。

---

解題技巧

1. 記憶口訣與比喻法：

• 防火牆＝門禁管理員（看證件通行，只看門面 IP/Port，不行就不放進來）。
• IDS＝保全錄影監視系統（站在一旁側錄觀察，看包包裡有沒有危險物品，有異常就響警報發 Log）。
• 異常偵測＝非我族類，其心必異（只要不像平常的自己，就算攻擊；優點抓未知，缺點常大驚小怪）。
• 錯誤偵測＝按圖索驥，照本宣科（通緝名冊對照，符合特徵才算；優點精準，缺點新罪犯抓不到）。

2. 常見陷阱提醒：

• 避免通篇口語，必須精準帶出標準專有名詞，如：Inline Mode、Promiscuous Mode / SPAN、Deep Packet Inspection (DPI)、Baseline / Profile、Signature Matching、False Positive / False Negative。

---

【答案】

(一) 網路入侵偵測系統（IDS）與防火牆（Firewall）之差異比較

防火牆與 IDS 皆為網路縱深防禦（Defense-in-Depth）的重要組件，兩者在安全策略架構中扮演互補角色。其核心差異彙整如下表及後續說明：

核心觀念

本題的核心為數位通訊與資訊理論的基石——香農定理（Shannon-Hartley Theorem），以及其在現代行動通訊系統（5G NR）中的實體層應用。涉及的重要公式與定義如下：

1. 香農通道容量公式（Shannon-Hartley Theorem）： $C = B \log_2 \left(1 + \text{SNR}\right) = B \log_2 \left(1 + \frac{S}{N}\right)$

• $C$：通道容量（Channel Capacity），代表在具有加性高斯白雜訊（AWGN）之通道中，理論上能達成無錯誤傳輸的最高資料傳輸速率，單位為位元/秒（$\text{bps}$）。
• $B$：通道頻寬（Bandwidth），單位為赫茲（$\text{Hz}$）。
• $\text{SNR}$：訊雜比（Signal-to-Noise Ratio），為訊號功率 $S$ 與雜訊功率 $N$ 的線性比值（無因次量）。
• $S$：接收端接收到的訊號功率（Signal Power），單位為瓦特（$\text{W}$）或毫瓦（$\text{mW}$）。
• $N$：通道內的等效雜訊功率（Noise Power），單位為瓦特（$\text{W}$）或毫瓦（$\text{mW}$）。

2. 通訊功率與分貝換算：

• 傳送功率以 $\text{dBm}$ 為單位：$P\ (\text{dBm}) = 10 \log_{10} \left(\frac{P\ (\text{mW})}{1\text{ mW}}\right)$。
• 傳輸衰減以 $\text{dB}$ 表示：$P_{r}\ (\text{dBm}) = P_{t}\ (\text{dBm}) - \text{Attenuation}\ (\text{dB})$。
• 線性訊雜比換算：$\text{SNR} = \frac{S}{N}$，若使用對數表示則 $\text{SNR}_{\text{dB}} = S_{\text{dBm}} - N_{\text{dBm}}$，$\text{SNR} = 10^{\frac{\text{SNR}_{\text{dB}}}{10}}$。

---

解題方法

(一) 闡釋 Shannon’s Theorem 中決定網路效能的參數（10 分）

香農定理由 Claude Shannon 提出，用以規範連續有雜訊通道中資訊傳輸的理論極限。決定通道傳輸效能 $C$ 的核心參數及其物理意義如下：

1. 通道頻寬（Bandwidth, $B$）：

• 定義：通訊通道允許傳遞訊號的有效頻率範圍，單位為 $\text{Hz}$。
• 效能影響：由公式可知，容量 $C$ 與頻寬 $B$ 呈線性正比關係。當頻寬擴大一倍，理論最高傳輸速率亦等比例提升一倍。頻寬是決定傳輸速率最直接且最有效的資源。

2. 接收端訊號功率（Signal Power, $S$）：

• 定義：訊號經過傳輸媒介（包含路徑耗損、衰減、陰影效應等）後，到達接收端機器的平均訊號功率，單位為 $\text{W}$ 或 $\text{mW}$。
• 效能影響：提高發射端傳送功率（$P_t$）或降低傳輸損耗，皆能直接增加抵達接收端的有效訊號功率 $S$，進而拉高 $\text{SNR}$。

3. 通道雜訊功率（Noise Power, $N$）：

• 定義：傳輸通道中不可避免的隨機干擾總和（通常以熱雜訊 Thermal Noise 及加性高斯白雜訊 AWGN 為主），單位為 $\text{W}$ 或 $\text{mW}$。熱雜訊功率與頻寬及絕對溫度成正比（$N = k \cdot T \cdot B$）。
• 效能影響：雜訊功率是訊號傳輸的阻礙，雜訊越小，通道越乾淨，能容納的傳輸速率越高。

4. 訊雜比（Signal-to-Noise Ratio, $\text{SNR} = S/N$）：

• 定義：接收端訊號功率與雜訊功率的線性比值，表徵通道傳輸品質。
• 效能影響：容量 $C$ 與 $(1 + \text{SNR})$ 的對數呈正比。當 $\text{SNR}$ 極高時，通道容量受對數成長曲線限制，呈現邊際效益遞減；但當 $\text{SNR}$ 極低時，傳輸速率會被雜訊嚴重壓制。

---

(二) 通道理論最高傳輸速率計算（5 分）

步驟一：計算接收端訊號功率 $S$

• 傳送端功率：$P_t = 30\text{ dBm}$。
• 傳輸線衰減：$\text{Attenuation} = 10\text{ dB}$。
• 接收端功率 $P_r$（即訊號功率 $S$）： $P_r\ (\text{dBm}) = P_t\ (\text{dBm}) - \text{Attenuation}\ (\text{dB}) = 30\text{ dBm} - 10\text{ dB} = 20\text{ dBm}$
• 將 $P_r$ 轉換為線性毫瓦（$\text{mW}$）： $S = 10^{\frac{20}{10}}\text{ mW} = 10^2\text{ mW} = 100\text{ mW}$

步驟二：計算線性訊雜比 $\text{SNR}$

• 雜訊功率：$N = 0.1\text{ mW}$。
• 線性訊雜比： $\text{SNR} = \frac{S}{N} = \frac{100\text{ mW}}{0.1\text{ mW}} = 1000$ （亦可由分貝驗算：$N\ (\text{dBm}) = 10 \log_{10}(0.1) = -10\text{ dBm}$；$\text{SNR}_{\text{dB}} = 20 - (-10) = 30\text{ dB} \implies \text{SNR} = 10^{\frac{30}{10}} = 1000$）

步驟三：代入香農定理求最高傳輸速率 $C$

• 通道頻寬：$B = 100\text{ MHz} = 100 \times 10^6\text{ Hz} = 10^8\text{ Hz}$。
• 代入公式： $C = B \log_2 (1 + \text{SNR}) = 100 \times 10^6 \times \log_2 (1 + 1000) = 10^8 \times \log_2 (1001)\text{ bps}$

步驟四：對數數值化計算

• 運用對數換底公式：$\log_2 (1001) = \frac{\log_{10}(1001)}{\log_{10} 2}$。
• 取 $\log_{10} 2 \approx 0.30103$： $\log_2 (1001) \approx \log_2 (1000) = \frac{3}{0.30103} \approx 9.9658$