核心觀念

本題考查區域網路在「共享傳輸媒介」下的多重存取控制，重點包括：

1. 衝撞偵測（CSMA/CD）：先監聽、再傳送，傳送期間持續偵測是否發生碰撞。
2. 衝撞迴避（CSMA/CA）：先監聽並等待隨機退避，盡量降低同時傳送的機會。
3. 媒介特性差異：有線媒介適合偵測碰撞；無線媒介因無法可靠地邊傳邊聽，故採取碰撞迴避。
4. 實際標準應用：IEEE 802.3 傳統乙太網路使用 CSMA/CD；IEEE 802.11 無線區域網路使用 CSMA/CA。

---

（一）衝撞偵測與衝撞迴避的基本工作原理

1. 衝撞偵測：CSMA/CD

CSMA/CD 的完整名稱為 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，中文為「具衝撞偵測的載波感測多重存取」。

其工作流程如下：

（1）載波感測

傳送站先監聽共享媒介：

• 媒介閒置：準備傳送。
• 媒介忙碌：延後傳送，持續等待媒介恢復閒置。

（2）多重存取

所有節點均可競爭同一傳輸媒介，因此多個節點可能在接近同一時間判斷媒介閒置並開始傳送。

（3）邊傳送邊偵測

節點開始傳送後，仍持續監聽媒介上的訊號，將自己送出的訊號與媒介實際訊號比較。

若偵測到訊號異常，表示有其他節點同時傳送，因而發生碰撞。

（4）發生碰撞後停止傳送

偵測到碰撞的節點立即停止正常資料傳送，並送出干擾訊號（jam signal），使所有節點都能確實知道碰撞已發生。

（5）二進位指數退避

節點等待一段隨機時間後重新競爭媒介。退避時間通常以時槽（slot time）為單位，等待時間為：

$$T_{\text{backoff}}=K \times T_{\text{slot}}$$

其中 $K$ 為隨機選取的整數。發生碰撞的次數越多，競爭視窗越大，稱為二進位指數退避（Binary Exponential Backoff）。

其目的在於降低多個節點再次同時重傳的機率。

---

2. 衝撞迴避：CSMA/CA

CSMA/CA 的完整名稱為 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，中文為「具衝撞迴避的載波感測多重存取」。

其工作流程如下：

（1）先行載波感測

傳送站先檢查媒介是否忙碌：

• 媒介忙碌：暫停傳送。
• 媒介閒置：進入等待程序。

（2）等待固定間隔

媒介恢復閒置後，傳送站通常還要等待一段指定的訊框間隔，例如 IEEE 802.11 的 DIFS，避免剛結束傳送的節點立即被其他節點搶占。

（3）隨機退避

傳送站選取隨機退避計數值，只有在計數倒數至零時才開始傳送。

若倒數期間偵測到媒介變忙，計數器凍結；媒介重新閒置並符合規定的等待時間後，再繼續倒數。

（4）以確認訊框判斷成功與否

無線節點通常無法直接確認傳送是否發生碰撞，因此接收端成功收到資料後，以 ACK 訊框回覆。

若傳送端在預定時間內沒有收到 ACK，便視為傳送失敗，增加競爭視窗並重新退避傳送。

（5）選用 RTS/CTS 降低隱藏節點問題

部分情況可先交換：

1. RTS（Request to Send）
2. CTS（Clear to Send）
3. DATA
4. ACK

其他節點聽到 RTS 或 CTS 後，依其中的時間資訊設定 NAV（Network Allocation Vector），在預定期間內保持沉默，以降低碰撞機率。

須注意，CSMA/CA 是「降低碰撞機率」，不是保證完全沒有碰撞。

---

（二）兩種方式適合的傳輸媒介及原因

1. CSMA/CD 適合有線共享媒介

CSMA/CD 適合使用於：

• 同軸電纜匯流排型乙太網路。
• 透過集線器（hub）連接的半雙工乙太網路。
• 其他能夠讓傳送站在傳送時同時監聽媒介狀態的有線共享網路。

原因

有線媒介具有較穩定的訊號傳播特性。節點傳送資料時，可以同時監聽線路上的電氣訊號，並將接收到的媒介訊號與自己送出的訊號比較。

若另一節點同時傳送，線路上的訊號會產生電壓或波形變化，傳送站可以在訊框傳送完畢前偵測到碰撞。

CSMA/CD 能正常運作，還必須使節點在傳送期間仍有機會偵測到最遠端發生的碰撞。因此乙太網路需要滿足：

$$T_{\text{frame}}\geq 2\tau$$

其中：

• $T_{\text{frame}}$：最短訊框的傳送時間。
• $\tau$：訊號由網路一端傳到另一端的最大傳播延遲。
• $2\tau$：往返傳播時間。

這也是傳統乙太網路設計最小訊框長度與網路最大距離的重要原因。

---

2. CSMA/CA 適合無線共享媒介

CSMA/CA 主要適合：

• 無線區域網路。
• IEEE 802.11 Wi-Fi。
• 其他無線電波共享頻道的區域網路。

原因一：無線節點難以邊傳邊聽

無線節點在傳送時，自己的發射訊號通常遠強於其他節點傳來的訊號，會使接收電路被自身訊號壓制。因此節點無法像有線乙太網路一樣，可靠地比較「自己送出的訊號」與「媒介上的實際訊號」。

核心觀念

本題考查三項無線通訊基礎：

1. 多工（Multiplexing）：讓多個訊號共用同一傳輸媒介。
2. 展頻（Spread Spectrum）：將訊號頻寬擴展至遠大於原始資料所需頻寬，以提升抗干擾、抗截收或多重存取能力。
3. 跳頻展頻（FHSS）：展頻技術之一，利用跳頻碼控制載波在多個頻道間快速跳換。

---

（一）多工與展頻之差異

1. 多工的定義與目的

多工是將多個獨立訊號，利用同一條傳輸媒介或同一頻帶傳送，以提高傳輸媒介的使用效率。接收端再利用解多工器，將各路訊號分離。

多工的核心問題是：

如何讓多個訊號共用同一傳輸資源，並在接收端正確分離？

常見多工方式包括：

• 分頻多工 FDM：不同訊號使用不同頻帶。
• 分時多工 TDM：不同訊號使用不同時間區段。
• 分碼多工 CDM：不同訊號使用彼此可區分的碼序列。
• 分波多工 WDM：光纖通訊中使用不同波長傳送不同訊號。

2. 展頻的定義與目的

展頻是利用展頻碼，將原始窄頻訊號的能量分散到較寬的頻帶中傳送。接收端使用相同或同步的展頻碼，將訊號能量重新集中，恢復原始資料。

展頻的主要目的包括：

• 增加抗窄頻干擾能力。
• 降低被截收或被偵測的機會。
• 提高多重路徑環境下的通訊可靠度。
• 支援多重存取。
• 降低訊號遭蓄意干擾時的影響。

展頻的核心問題是：

如何利用展頻碼改變訊號的頻譜分布，使訊號在寬頻帶中傳送，並於接收端還原？

常見展頻方式包括：

• 跳頻展頻 FHSS：載波頻率依序跳至不同頻道。
• 直接序列展頻 DSSS：利用高速碼元將資料展開至較寬頻帶。
• 跳時展頻 THSS：依展頻碼改變訊號傳送時間。
• 線性調頻展頻：使訊號頻率隨時間連續變化。

3. 兩者的主要差異

比較項目	多工	展頻
核心目的	讓多個訊號共用傳輸媒介	擴大單一訊號所占用的頻寬
解決問題	傳輸資源如何分配與分離	如何提高抗干擾、抗截收與傳輸可靠度
主要對象	多個使用者或多路訊號	通常是單一通訊訊號的頻譜處理
頻寬觀念	重點在有效利用既有頻寬	刻意使用遠大於資料需求的頻寬
接收端處理	解多工	利用展頻碼解展頻
代表技術	FDM、TDM、CDM、WDM	FHSS、DSSS

兩者並非互斥。例如，系統可以先利用分時多工安排多個使用者，再由每一個使用者採用跳頻展頻方式傳送。因此，多工著重於「共用資源」，展頻著重於「擴展頻譜及提升抗干擾能力」。

---

（二）FHSS 的工作原理

1. 基本概念

FHSS 是 Frequency Hopping Spread Spectrum 的縮寫，中文為跳頻展頻。

其基本作法是：

將可用頻帶分成多個頻道，並依據發送端與接收端共同擁有的跳頻碼，使載波頻率依特定順序及速率，在不同頻道間快速跳換。

FHSS 傳送的資料內容不必改變，主要改變的是「資料目前使用的載波頻率」。

2. 發送端工作流程

發送端通常依序進行下列處理：

核心觀念

本題考查「滑動視窗」如何同時達成：

1. 流量控制（flow control）：避免傳送端傳送速度過快，使接收端緩衝區溢位。
2. 錯誤控制（error control）：利用 ARQ（Automatic Repeat reQuest，自動重送請求）確認資料是否正確抵達。
3. 提升鏈路使用率：在等待 ACK 或往返延遲期間，持續傳送多個資料框，避免線路閒置。

Go-back-N ARQ 屬於**連續傳送（pipelining）**的 ARQ 協定，其主要特徵為：

• 傳送端可連續傳送多個尚未收到確認的資料框。
• 接收端通常只接受按序抵達的資料框。
• 採用累積確認（cumulative ACK）。
• 若某一資料框遺失或錯誤，接收端拒絕其後的失序資料框，傳送端從錯誤資料框開始重新傳送。

---

解題方法

本題分成兩部分：

• 第一部分說明 Go-back-N 的傳送端、接收端及 ACK、逾時重傳機制。
• 第二部分分析視窗大小對傳輸效率、延遲、重傳成本及緩衝需求的影響。

---

（一）Go-back-N ARQ 中的滑動視窗機制

1. 傳送端的視窗

傳送端維護一個大小為 $W$ 的傳送視窗（send window），其中 $W$ 表示同時允許存在於網路中、尚未獲得確認的資料框數量上限。

傳送視窗可分成三個區域：

• 已經送出且收到 ACK 的資料框；
• 已經送出但尚未收到 ACK 的資料框；
• 尚未送出、但目前仍可使用視窗傳送的資料框。

設：

• base：最早尚未被確認的資料框序號；
• nextseqnum：下一個準備傳送的資料框序號；
• $W$：傳送視窗大小。

則傳送端可傳送的條件為：

$$nextseqnum < base + W$$

只要尚未確認的資料框數量小於視窗大小，傳送端即可繼續傳送，不必每送一個資料框就停下等待 ACK。

視窗滑動

當傳送端收到 ACK 後，會將視窗左端向前移動。例如視窗大小為 $4$：

• 初始可傳送：$0,1,2,3$
• 收到 ACK 0 後，視窗向前滑動，可再傳送資料框 4
• 收到 ACK 1、ACK 2 後，視窗持續向前滑動，可再傳送資料框 5、6

因此，滑動視窗可讓多個資料框同時在傳輸途中，提高鏈路利用率。

---

2. 接收端的視窗

Go-back-N 的接收端通常採用大小為 $1$ 的接收視窗，即：

$$W_R = 1$$

接收端只接受目前所期待的下一個資料框，稱為 expectedseqnum。

例如接收端目前期待序號 3：

• 收到正確且按序的資料框 3：接受、交付上層，並將期待序號改為 4。
• 收到資料框 4：因資料框 3 尚未收到，屬於失序資料框，予以丟棄。
• 收到重複的資料框 2：予以丟棄，並可重新傳送對最後一個正確資料框的 ACK。

Go-back-N 接收端通常不儲存失序資料框，這是它與 Selective Repeat ARQ 的重要差異。

---

3. 累積 ACK 機制

Go-back-N 通常使用累積確認。ACK 所代表的意義是：

ACK $k$ 表示序號小於或等於 $k$ 的資料框均已正確收到，接收端下一個期待的資料框為 $k+1$。

例如：

• ACK 0：表示資料框 0 已收到；
• ACK 2：表示資料框 0、1、2 均已收到；
• 接收端下一個期待資料框 3。

累積 ACK 的優點是確認封包數量較少，也能一次確認多個連續抵達的資料框。

---

4. 發生遺失或錯誤時的處理

假設傳送端依序傳送：

$$0,\ 1,\ 2,\ 3,\ 4$$

其中資料框 2 遺失，而資料框 3、4 仍抵達接收端。

接收端的處理如下：

1. 收到資料框 0：接受，回傳 ACK 0。
2. 收到資料框 1：接受，回傳 ACK 1。
3. 收到資料框 3：因目前期待資料框 2，資料框 3 失序，予以丟棄，並重複回傳 ACK 1。
4. 收到資料框 4：仍然失序，予以丟棄，並再次回傳 ACK 1。

傳送端收到重複 ACK，或等待資料框 2 的計時器逾時後，會從資料框 2 開始重新傳送：

$$2,\ 3,\ 4$$

這就是 Go-back-N 名稱的由來：發生錯誤後，傳送端必須「退回」錯誤資料框，重新傳送其後尚未被接收端確認的資料框。

---

5. 計時器與重傳方式

Go-back-N 通常以最早尚未確認的資料框作為計時器基準：

• 傳送端送出資料框後啟動計時器；
• 若收到累積 ACK，表示部分或全部資料框已成功抵達，視需要向前移動視窗；
• 若最早未確認資料框的計時器逾時，傳送端從該資料框開始，重傳所有尚未確認的資料框。

因此，Go-back-N 可採用單一計時器管理整個未確認區段，實作相對簡單。

---

6. 序號空間限制

若序號欄位有 $m$ 位元，序號總數為：

$$2^m$$

Go-back-N 的傳送視窗大小通常必須滿足：

$$W_S \leq 2^m-1$$

保留至少一個序號，可避免新資料框與舊資料框在序號循環後產生辨識歧義。

---

（一）小結

Go-back-N ARQ 的核心流程如下：

1. 傳送端在視窗內連續傳送多個資料框。
2. 接收端只接受按序資料框。
3. 接收端以累積 ACK 回報最後一個連續正確收到的資料框。
4. 失序資料框直接丟棄。
5. 發生遺失或逾時時，傳送端從錯誤資料框開始，重新傳送其後所有尚未確認的資料框。
6. ACK 到達後，傳送視窗向前滑動。

---

（二）滑動視窗大小與 ARQ 傳輸效能的關係

1. 視窗太小會造成鏈路閒置

設：

核心觀念

本題考查網際網路網路層的核心服務模型：IP（Internet Protocol）採取「最大努力服務」（Best Effort Service），亦稱「不可靠、無連線的資料報服務」。

其基本精神是：網路層會盡力將 IP 資料包送往目的地，但不對傳輸結果提供絕對保證。IP 的主要責任是依據目的 IP 位址進行封裝、轉送與路由選擇；可靠性、順序控制、重傳與流量控制，則由傳輸層協定如 TCP 負責。

---

解題方法

本題分為兩部分：

1. 先說明 Best Effort Service「提供什麼」及「不提供什麼」。
2. 再從 IP 的無連線、分散式、資料報與動態路由等特性，說明其為何具有高度容錯能力。

答題時應明確區分：

• 「最大努力」不等於完全不處理資料。
• 「不保證」不等於一定會遺失。
• 「IP 本身不可靠」不代表整個網際網路無法提供可靠通信。

---

（一）Best Effort Service 的內涵

1. IP 會盡力轉送資料，但不保證一定成功

當主機送出 IP 資料包後，中間路由器會依據路由表選擇下一跳，逐段轉送至目的地。只要網路資源允許，路由器就會嘗試完成轉送。

但 IP 不承諾資料包一定能抵達目的主機。若發生下列情況，資料包可能被丟棄：

• 網路壅塞，輸出佇列溢位；
• 路由器或鏈路故障；
• TTL 歸零；
• 封包標頭檢查失敗；
• 目的地不可達；
• 封包超過可接受的大小，且無法完成適當處理。

因此，「最大努力」是指網路盡力傳送，而非保證傳送成功。

---

2. IP 採無連線的資料報服務

IP 傳送資料前，不需要先建立端到端連線，也不需要由網路層維持一條固定的通信路徑。

每一個 IP 資料包都包含完整的來源 IP 位址與目的 IP 位址，路由器可依據當時的路由資訊獨立處理各個資料包。

因此，同一個應用程式傳送的連續資料，可能出現：

• 經過不同路徑；
• 到達時間不同；
• 部分資料先到、部分資料後到；
• 部分資料抵達、部分資料遺失。

---

3. 不保證資料包的可靠交付

IP 本身不提供重傳機制，也不負責確認目的端是否已收到資料。

因此 IP 不保證：

• 資料包一定抵達；
• 資料包只抵達一次；
• 資料包不會重複；
• 資料內容不會因傳輸錯誤而受影響。

若應用程式需要可靠傳輸，通常由 TCP 透過序號、確認回應、逾時重傳等機制補足。UDP 則大致維持 IP 的不可靠、無連線特性。

---

4. 不保證資料包的傳送順序

IP 封包彼此獨立轉送，網路層沒有提供端到端的順序控制。

假設資料被分成資料包 $P_1、P_2、P_3$，接收端可能依序收到：

$$P_1 \rightarrow P_2 \rightarrow P_3$$

也可能收到：

$$P_2 \rightarrow P_1 \rightarrow P_3$$

甚至發生某一個資料包遺失的情況。若上層需要按照正確順序重組，必須由 TCP 等上層協定處理。

---

5. 不保證延遲、頻寬與服務品質

Best Effort Service 不承諾固定的：

• 傳輸延遲；
• 延遲抖動；
• 可用頻寬；
• 封包遺失率；
• 吞吐量；
• 服務可用性。

例如，在網路壅塞時，封包可能在路由器佇列中等待較久，甚至因佇列滿載而被丟棄。IP 仍會依網路當時狀況盡力轉送，但不保證符合特定即時性或頻寬需求。

---

6. 路由器通常採取「丟棄封包」的處理方式

當路由器無法繼續轉送資料包時，通常會將該資料包丟棄，並在部分情形透過 ICMP 傳送錯誤或控制訊息。

但 ICMP 錯誤通知本身也不具可靠交付保證，因此不能將 ICMP 視為 IP 的可靠傳輸機制。

---

7. IP 與可靠傳輸層的分工

可將網際網路通信分為下列層次：

層次	主要功能
IP 網路層	位址、路由、資料報轉送
TCP 傳輸層	可靠性、順序、重傳、流量控制、壅塞控制
UDP 傳輸層	輕量、無連線、低負擔傳輸
應用層	HTTP、DNS、電子郵件等應用服務

因此，IP 的 Best Effort Service 是「網路層提供基本且彈性的資料報轉送服務」，並不負責完成所有可靠通信功能。

---

（二）Best Effort Service 能提供網際網路極大容錯能力的原因

1. 無連線設計降低單一路徑故障的影響

IP 不要求通信雙方先建立固定連線，也不必長時間維持一條專用路徑。

因此，某一條鏈路或某一台路由器故障時，其他資料包仍可能依據新的路由資訊改走替代路徑。單一路徑中斷不必然造成整個通信系統停止。

固定連線導向的系統若核心路徑故障，既有連線可能直接中斷；IP 的無連線設計則使封包具有重新尋路的彈性。

---

2. 分組交換與資料包獨立轉送提高彈性

一個大型訊息會被分割成許多 IP 資料包，每一個資料包可被網路獨立處理。

因此，單一資料包遺失時，不必然代表整個通信內容全部失敗。上層協定可針對遺失部分進行重傳，無須重新傳送整個通信工作。

以 TCP 為例，若序號為 $n$ 的資料包遺失，接收端可要求傳送端重新傳送缺少的資料，而不是重新建立整條網路路徑。

---

3. 網際網路具備多重路徑與網路冗餘

網際網路由大量互相連接的網路、路由器與鏈路組成，通常存在多條可通往同一目的地的路徑。

抽象表示如下：

$$S \rightarrow R_1 \rightarrow R_2 \rightarrow D$$

若 $R_1$ 與 $R_2$ 之間的鏈路故障，路由協定可促使網路改採：

$$S \rightarrow R_3 \rightarrow R_4 \rightarrow D$$

只要仍存在一條可達路徑，資料就有機會抵達目的地。這種多重路徑是網際網路容錯能力的重要基礎。

---