110 調查局特考三等 資訊科學組 資通網路 考古題詳解

核心觀念

本題考查兩種網路服務型態，以及 OSI 與 TCP/IP 模型將「連接導向」與「非連接」功能放在哪一層。

• 連接導向服務（connection-oriented service）：傳送資料前，先建立連線；傳送期間維持連線狀態，通常提供排序、錯誤控制與可靠傳輸；完成後再釋放連線。
• 非連接服務（connectionless service）：每個封包獨立處理，不需事先建立連線；封包可能經由不同路徑傳送，因此不保證抵達、順序及不重複。

本題的關鍵不是單純比較「TCP 與 UDP」，而是比較兩種模型如何分配這些服務功能。

---

解題方法

採用「分層定位」方式比較：

1. 先觀察 OSI 模型的網路層與傳輸層分別支援哪些服務。
2. 再觀察 TCP/IP 模型的網際網路層與傳輸層分別採用何種設計。
3. 最後比較兩者的核心差異： OSI 讓網路層同時支援兩種服務，TCP/IP 的網際網路層則固定採用非連接服務。

---

OSI 模型的做法

OSI 模型在**網路層（Network Layer）**同時定義：

• 連接導向網路服務（connection-oriented network service）
• 非連接網路服務（connectionless network service）

因此，OSI 網路層可以採用類似虛擬電路的方式，先建立網路連線，再傳送資料；也可以採用資料報方式，使每個封包獨立轉送。

OSI 傳輸層（Transport Layer）的主要任務是提供端點到端點的資料傳輸服務，將下層網路服務的差異隔離，使上層應用程式不必直接處理網路層的細節。在經典 OSI 與 TCP/IP 比較題中，OSI 傳輸層主要被設計為提供可靠的連接導向傳輸服務。

即使下層網路採用非連接服務，OSI 傳輸層仍可透過：

• 分段與重組
• 序號與確認
• 流量控制
• 錯誤偵測與重傳
• 連線管理

建立可靠的端點到端點傳輸。

因此，OSI 的典型分工如下：

OSI 層級	連接導向	非連接
網路層	支援	支援
傳輸層	主要提供	經典模型比較中不列為主要服務

---

TCP/IP 模型的做法

TCP/IP 模型的網際網路層（Internet Layer）核心採用 IP 協定。IP 是典型的非連接、盡力而為（best-effort）資料報服務，具有下列特性：

• 傳送資料前不建立端到端連線。
• 每個 IP 封包獨立路由。
• 不保證封包一定抵達。
• 不保證封包順序。
• 不負責端到端重傳與可靠性維護。

核心觀念

網路流量控制（flow control）是指：當發送端產生資料的速度高於接收端處理或暫存資料的能力時，接收端透過回饋資訊限制發送端的傳送速率，使資料不致大量堆積、緩衝區溢位或遭到丟棄。

其核心目的包括：

1. 配合發送端與接收端的處理速度，避免快速發送端壓垮慢速接收端。
2. 防止接收端緩衝區（buffer）溢位。
3. 降低重傳、封包遺失與資源浪費。
4. 維持資料傳輸的正確性與穩定性。
5. 在多個節點共享網路資源時，避免網路內部封包過度累積。

流量控制必須與壅塞控制（congestion control）區分：

• 流量控制：重點在「接收端能不能承受」。
• 壅塞控制：重點在「整個網路是否塞車」。

例如 TCP 接收視窗主要是流量控制；TCP 擁塞視窗則主要是壅塞控制。

---

解題方法

本題應採用「分層比較法」回答，針對每一層說明四項內容：

1. 控制的範圍。
2. 控制的對象。
3. 主要依據或機制。
4. 控制失效時所造成的影響。

三層的比較如下：

層級	控制範圍	主要防止的問題	常見機制
資料鏈結層	相鄰兩個節點之間	鄰接接收端或下一跳設備來不及接收	Stop-and-Wait、滑動視窗、鏈結層回饋
網路層	網路節點、路由器與整個封包轉送路徑	路由器佇列或網路資源過度負荷	佇列管理、回饋、封包丟棄、流量調節
傳輸層	來源端應用程序至目的端應用程序	目的端主機或應用程序緩衝區溢位	TCP 接收視窗、滑動視窗、ACK

---

資料鏈結層的流量控制

1. 控制範圍

資料鏈結層的流量控制屬於逐跳（hop-by-hop）控制，只負責相鄰兩個網路節點之間的傳輸，例如：

• 主機與交換器之間。
• 路由器與路由器之間。
• 無線基地台與行動裝置之間。

它不直接處理整條端到端路徑。

2. 控制對象

資料鏈結層控制的是：

• 相鄰節點的資料框（frame）傳送速度。
• 鄰接接收端的硬體緩衝區。
• 單一鏈結上的傳送與接收能力。

3. 常見控制方式

Stop-and-Wait

發送端送出一個資料框後，等待接收端確認，收到 ACK 後才傳送下一個資料框。

其優點是簡單，缺點是等待時間較長，鏈結利用率較低。

滑動視窗（Sliding Window）

發送端可在未收到確認前，連續傳送多個資料框，但數量不得超過接收端允許的視窗大小。

若視窗大小為 $W$，表示發送端最多可同時有 $W$ 個尚未確認的資料框。接收端根據自身緩衝能力調整視窗，發送端便據此調整傳送量。

4. 控制失效的影響

資料鏈結層流量控制失效時，通常造成：

• 相鄰接收節點的緩衝區溢位。
• 資料框遺失。
• 鏈結層重傳增加。
• 單一鏈結的傳輸效率下降。

因此，資料鏈結層關注的是一段鏈結是否能順利承受資料框流量。

---

網路層的流量控制

1. 控制範圍

網路層負責封包（packet）在不同網路之間的路由與轉送，因此其控制範圍大於資料鏈結層，涉及：

• 多個路由器。
• 多條鏈結。
• 封包從來源端到目的端的轉送路徑。
• 路由器介面的輸出佇列。

網路層的控制通常具有逐節點、逐路由器或整體網路資源管理的特性。

2. 控制對象

網路層主要處理：

• 路由器輸入佇列與輸出佇列。
• 網路內部的封包流量。
• 不同路徑之間的負載分配。
• 網路設備的轉送能力。

當封包進入路由器的速度高於路由器轉送或下一跳鏈結的處理速度時，封包會在佇列中累積。

3. 主要控制內容

網路層常見的控制方式包括：

• 佇列管理。
• 封包排程。
• 流量整形（traffic shaping）。
• 封包丟棄策略。
• 路由調整。
• 透過回饋資訊降低封包輸入速率。

在嚴格的網路分層觀念中，網路層更常強調壅塞控制（congestion control），因為它面對的是整個網路內部的資源競爭；但廣義教材將網路層針對封包流量的調節也歸入流量控制。

4. 控制失效的影響

網路層控制失效時，可能造成：

核心觀念

本題考查數位調變的種類，以及「每一個符號可承載多少位元」對實際傳輸速率的影響。

數位調變是將數位資料映射至載波的某種物理特徵，例如：

• 改變載波的相位：相位調變
• 改變載波的振幅：振幅調變
• 同時改變振幅與相位：正交振幅調變

若調變具有 $M$ 個可辨識的符號狀態，則每一個符號可承載的位元數為：

$$k=\log_2 M$$

因此，若符號率為 $R_s$ symbols/s，理想未編碼的位元率為：

$$R_b=R_s\log_2 M$$

若考慮錯誤更正碼、封包標頭及其他協定負荷，實際有效資料率可表示為：

$$R_{\text{payload}} =R_s\log_2M\times \eta$$

其中 $\eta$ 為編碼效率與協定效率，且 $0<\eta<1$。

---

解題方法

判斷各種調變方式時，先看名稱中的數字：

1. BPSK 的 $B$ 表示二元，具有 $2$ 個相位狀態。
2. QPSK 具有 $4$ 個相位狀態。
3. QAM-$64$ 具有 $64$ 個振幅—相位組合。
4. QAM-$256$ 具有 $256$ 個振幅—相位組合。

再利用：

$$\text{每符號位元數}=\log_2M$$

即可求得在相同符號率下，各調變方式的相對傳輸速率。

---

各種調變技術與每符號位元數

1. BPSK

BPSK 是 Binary Phase Shift Keying，即二元相位偏移鍵控，屬於相位調變。

它使用兩種相位表示兩種符號，例如：

• 相位 $0^\circ$ 表示位元 $0$
• 相位 $180^\circ$ 表示位元 $1$

因此：

$$M=2$$ $$\log_2 2=1$$

所以 BPSK 每個符號承載 $1$ bit，位元率為：

$$R_b=R_s$$

BPSK 的優點是星座點距離較大、抗雜訊能力佳；缺點是在相同符號率與頻寬下，每符號承載的資料量最低。

---

2. QPSK

QPSK 是 Quadrature Phase Shift Keying，即正交相位偏移鍵控，屬於多相位調變。

它使用四種彼此相差 $90^\circ$ 的相位表示四種符號，因此：

$$M=4$$ $$\log_2 4=2$$

所以 QPSK 每個符號承載 $2$ bits，位元率為：

$$R_b=2R_s$$

在相同符號率下，QPSK 的位元率是 BPSK 的 $2$ 倍。QPSK 常可視為兩個彼此正交的 BPSK 通道，分別承載同相分量 $I$ 與正交分量 $Q$。

---

3. QAM-64

QAM 是 Quadrature Amplitude Modulation，即正交振幅調變。它同時利用載波的振幅與相位，以形成多個星座點。

QAM-64 具有 $64$ 個振幅—相位組合：

$$M=64$$ $$\log_2 64=6$$

所以 QAM-64 每個符號承載 $6$ bits，位元率為：

$$R_b=6R_s$$

在相同符號率下，QAM-64 的位元率是：

• BPSK 的 $6$ 倍
• QPSK 的 $3$ 倍

QAM-64 能提高頻譜效率，但星座點較密集，接收端必須具備較高的訊雜比，才能正確區分相鄰符號。

---

4. QAM-256

QAM-256 同樣屬於正交振幅調變，具有 $256$ 個振幅—相位組合：

$$M=256$$ $$\log_2 256=8$$

所以 QAM-256 每個符號承載 $8$ bits，位元率為：

$$R_b=8R_s$$

在相同符號率下，QAM-256 的位元率是：

核心觀念

本題比較 4G 與 5G 的三項核心技術指標：

1. 傳輸速率：與頻寬、調變階數、MIMO 空間串流數及編碼效率有關。
2. 調變機制：比較所使用的多載波架構、上下載方向的波形，以及 QAM 階數。
3. 時間延遲：比較無線介面、基地台處理、排程、重傳及核心網路所造成的延遲。

5G 並非只靠單一技術提升效能，而是整合更大頻寬、較高階調變、大規模 MIMO、波束成形、彈性 numerology 及邊緣運算等技術。

解題方法

作答時可依「速率—調變—延遲」三個面向逐項比較，並區分：

• 理論峰值與實際使用速率；
• 4G LTE 的典型架構與 5G NR 的標準架構；
• 無線介面延遲與端到端網路延遲。

如此可避免把「5G 理論峰值速率」誤寫成所有使用者都能穩定取得的實際速率，也能避免把「1 ms 延遲」錯誤解釋成所有 5G 服務的端到端延遲。

一、傳輸速率差異

1. 4G 的傳輸速率

4G 主要以 LTE 及 LTE-Advanced 為代表。其效能受限於：

• 單一載波頻寬通常最高約 $20\ \text{MHz}$；
• MIMO 空間串流數有限；
• 調變階數及頻譜效率低於 5G 的最高配置；
• 載波聚合雖能增加總頻寬，但仍受頻段及設備能力限制。

依 IMT-Advanced 的典型要求，4G LTE-Advanced 的峰值資料速率約為：

• 低移動性環境：$1\ \text{Gbps}$；
• 高移動性環境：$100\ \text{Mbps}$。

實際使用速率則會受到使用者數量、訊號品質、基地台負載、距離、遮蔽物及回傳網路容量影響，通常低於理論峰值。

2. 5G 的傳輸速率

5G NR 可使用：

• Sub-6 GHz 頻段；
• 毫米波頻段；
• 更寬的單一載波頻寬；
• 載波聚合；
• 大規模 MIMO；
• 波束成形；
• 較高階 QAM 調變。

依 IMT-2020 的典型峰值要求，5G 可達：

• 下行峰值約 $20\ \text{Gbps}$；
• 上行峰值約 $10\ \text{Gbps}$。

因此，5G 的理論峰值速率約為 4G LTE-Advanced 的數十倍。其提升原因可由近似速率公式表示：

$$R \approx B \times \eta \times N_{\text{stream}}$$

其中：

• $R$：資料傳輸速率；
• $B$：可用頻寬；
• $\eta$：單位頻寬頻譜效率；
• $N_{\text{stream}}$：MIMO 空間串流數。

5G 同時增加 $B$、$\eta$ 及 $N_{\text{stream}}$，因此速率提升並非只來自調變階數提高。

二、調變機制差異

1. 4G LTE 的調變與多載波架構

4G LTE 下行採用 OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access），將資料分配到彼此正交的多個子載波上。

4G LTE 常見調變方式包括：

• QPSK：每個調變符號攜帶 $2$ bits；
• 16-QAM：每個符號攜帶 $4$ bits；
• 64-QAM：每個符號攜帶 $6$ bits；
• LTE-Advanced 在良好訊號條件及支援設備下可使用 256-QAM。

QAM 每個符號所攜帶的位元數為：

$$k=\log_2 M$$

其中 $M$ 是星座點數。例如：

$$\log_2 64=6$$

表示 64-QAM 每個符號可攜帶 $6$ bits。

4G LTE 上行通常採用 SC-FDMA，亦稱 DFT-spread OFDM。其主要目的在於降低峰均功率比（PAPR），使手機發射器較省電，適合電池容量有限的行動裝置。

2. 5G NR 的調變與多載波架構

5G NR 下行主要採用 CP-OFDM，上行可採用 CP-OFDM，也可採用 DFT-s-OFDM，以兼顧高頻譜效率與終端發射功率效率。

5G NR 常見調變方式包括：

• QPSK；
• 16-QAM；
• 64-QAM；
• 256-QAM。

在高訊號品質環境下，5G 可採用 256-QAM：

$$\log_2 256=8$$

因此 256-QAM 每個符號攜帶 $8$ bits；相較 64-QAM 的 $6$ bits，未考慮錯誤更正及其他控制負荷時，單一符號的位元承載量增加：

$$\frac{8}{6}\approx 1.33$$

也就是約增加三分之一。

5G NR 的另一項重要改進是 numerology 更具彈性。4G LTE 的基本子載波間隔通常為 $15\ \text{kHz}$；5G NR 可依

$$\Delta f=15\times 2^\mu\ \text{kHz}$$

選擇不同子載波間隔，其中 $\mu$ 為 numerology 指標。

子載波間隔提高時，OFDM 符號時間縮短，時槽（slot）時間也可縮短，有助於降低排程及傳輸等待時間，特別適合低延遲服務。

3. 調變比較重點

項目	4G LTE	5G NR
下行多載波架構	OFDMA	CP-OFDM
上行架構	主要為 SC-FDMA	CP-OFDM 或 DFT-s-OFDM

核心觀念

本題考查兩個重點：

1. OSI 7 層中，哪一層主要負責錯誤控制。
2. ATM 如何利用細胞標頭中的 HEC（Header Error Control）進行錯誤偵測與修正。

錯誤控制通常包含：

• 錯誤偵測：判斷資料是否遭到破壞。
• 錯誤修正：直接修正錯誤位元。
• 重傳控制：要求錯誤資料重新傳送。

在 OSI 模型中，主要負責相鄰節點間錯誤控制的是資料鏈結層（Data Link Layer，第 2 層）。資料鏈結層通常採用 CRC、Checksum、ACK、NAK、ARQ 等機制，處理單一鏈結上的錯誤。

傳輸層（Transport Layer，第 4 層）也可提供端對端的可靠傳輸與錯誤恢復，但若題目問 OSI 中「執行錯誤控制」的主要層級，標準答案是資料鏈結層。

---

解題方法

本題可分成兩部分回答：

1. 先指出 OSI 層級及其錯誤控制範圍。
2. 再說明 ATM 的錯誤控制欄位、保護範圍及接收端處理方式。

ATM 將資料切割成固定長度的 53 bytes 細胞（cell）：

• 5 bytes：Header
• 48 bytes：Payload

ATM 細胞標頭格式中包含 1 byte 的 HEC 欄位。HEC 主要針對前 4 bytes 的標頭進行錯誤控制。

---

ATM 的 HEC 錯誤控制

ATM 使用 HEC 進行標頭錯誤偵測與單一位元錯誤修正。HEC 的產生方式，是將 ATM 細胞標頭前 4 bytes 視為資料，利用 CRC-8 計算出 1 byte 的檢查值：

$$G(x)=x^8+x^2+x+1$$

因此，ATM 的 HEC 欄位具有下列功能：

• 保護 ATM 細胞的標頭。
• 偵測標頭中的錯誤。
• 修正單一位元錯誤。
• 偵測多位元錯誤。
• 無法修正且被判定為錯誤的細胞，予以丟棄。

接收端收到細胞後，會重新依據前 4 bytes 標頭計算 HEC，並與收到的 HEC 欄位比對。依檢查結果進行處理：

錯誤情形	接收端處理
標頭無錯誤	接受細胞並繼續處理
標頭單一位元錯誤	利用 HEC 修正錯誤後接受細胞
標頭多位元錯誤且可被偵測	丟棄細胞
錯誤型態未被 HEC 偵測	可能形成殘留錯誤，屬於錯誤控制機制的限制

ATM 的細胞標頭包含 VPI、VCI、PT、CLP 等重要資訊。若標頭錯誤，可能導致細胞被送往錯誤的虛擬路徑或虛擬通道，因此 ATM 特別重視標頭保護。

---

HEC 的錯誤控制範圍

ATM 的 HEC 只保護 5 bytes 標頭中的前 4 bytes，並不保護 48 bytes 的 Payload。

因此：

• HEC 不是整個 ATM 細胞的 CRC。
• HEC 不負責檢查使用者資料內容。
• ATM 層本身不提供完整的端對端可靠傳輸。
• Payload 的完整性與錯誤處理，通常交由 ATM Adaptation Layer（AAL）或更高層協定負責。