108 公路人員升資考試員級晉高員級 技術類(選試機械設計)-公路總局 電子資料處理 考古題詳解

核心觀念

本題評量電腦網路的基石——國際標準化組織（ISO）所提出的「開放式系統互聯參考模型」（Open Systems Interconnection Reference Model，簡稱 OSI 7 層模型）。 核心概念包含：

1. 模組化與階層化分工（Layered Architecture）：將複雜的網路通訊流程拆解為 7 個獨立階層，上下層間僅透過定義良好的介面（Interface）與服務存取點（SAP）溝通，降低系統相依性。
2. 協定資料單元（Protocol Data Unit, PDU）與封裝（Encapsulation）：資料自上層向下傳遞時逐層加入標頭（Header）與標尾（Trailer），在接收端逐層解封裝。
3. 通訊責任範圍之界定：如節點到節點（Hop-to-Hop, 第 2 層）、主機到主機（Host-to-Host, 第 3 層）與端對端（End-to-End, 第 4 層）的精確區分。

解題方法

本題為標準的國家考試資訊類科核心名詞解釋題。答題應採取階層式架構化呈現，切入點如下：

1. 層級順序標準化：依照國際規範由底層（Layer 1）至頂層（Layer 7）依序撰寫，並同時列出「層級編號、中文名稱、英文全稱」。
2. 定義說明標準化：每層定義皆應涵蓋「核心職責與功能」、「協定資料單元（PDU）」以及「代表性協定或硬體設備」，以展現深厚的專業架構思維，爭取滿分。

選項分析

本題為非選擇題（申論問答題），無選項可供比對。作答時必須確保七層名稱毫無缺漏、順序正確無誤，且各層權責劃分清晰，不可將相鄰階層功能混淆（如：將第 4 層的端對端流量控制與第 2 層的相鄰節點流量控制混為一談）。

解題技巧

1. 英文記憶口訣（由下至上，Layer 1 $\to$ Layer 7）：

• Please Do Not Throw Sausage Pizza Away
• 對應：Physical $\to$ Data Link $\to$ Network $\to$ Transport $\to$ Session $\to$ Presentation $\to$ Application

2. 中文記憶口訣（由下至上）：

• 「物、鏈、網、輸、會、表、應」（實體、資料鏈結、網路、傳輸、會議、表現、應用）。

3. PDU 與定址記憶對照表（拿分關鍵）：

• 實體層：位元（Bits）
• 資料鏈結層：訊框（Frames）／MAC 位址
• 網路層：封包（Packets）／IP 位址（邏輯定址、路由路徑選擇）
• 傳輸層：區段（Segments）／Port 埠號（行程對行程 Process-to-Process、端對端通訊）
• 第 5～7 層：資料（Data / Messages）

【答案】

開放式系統互聯參考模型（OSI Reference Model）共分為七層，由最底層（第 1 層）至最頂層（第 7 層）之名稱及定義說明如下：

1. 實體層（Physical Layer，Layer 1）

• 定義：負責在實體傳輸媒介上傳送未經結構化處理的原始位元流（Raw Bitstream）。規範傳輸介質的機械、電氣、功能及程序特性（例如電壓準位、針腳定義、傳輸速率與線材規格）。
• 主要功能：位元編碼與調變、傳輸媒介介面規範、信號傳同步、實體拓樸建立。
• PDU：位元（Bit）。
• 實例：RJ-45 接頭、EIA/TIA-232、集線器（Hub）、中繼器（Repeater）。

核心觀念

1. 二元搜尋樹（Binary Search Tree, BST）定義： 二元搜尋樹為一種特殊的二元樹結構，對樹中任意節點 $X$ 而言，皆必須滿足下列性質：

• 若左子樹不為空，則左子樹中所有節點的值均小於節點 $X$ 的值。
• 若右子樹不為空，則右子樹中所有節點的值均大於節點 $X$ 的值。
• 節點 $X$ 的左子樹與右子樹亦各自為合法的二元搜尋樹。

2. 節點插入原則（Insertion Rule）：

• 建立新樹時，第一筆資料作為根節點（Root）。
• 後續輸入資料均由根節點開始比較：
• 若新值小於當前節點值，則向該節點的左子樹搜尋空位。
• 若新值大於當前節點值，則向該節點的右子樹搜尋空位。
• 重複比較直到抵達空鏈結（Null Pointer），將新節點加入該位置，過程中不可任意旋轉或改變已存在的樹狀結構（本題為標準 BST，非 AVL 樹或紅黑樹）。

解題方法

給定輸入序列為：$58, 26, 39, 77, 99, 30, 47, 52, 60, 36$。依序將各數值插入二元搜尋樹中，逐步推導如下：

1. 插入 $58$：樹尚為空，將 $58$ 建立為根節點。
2. 插入 $26$：$26 < 58$，將 $26$ 作為 $58$ 的左子節點。
3. 插入 $39$：

• 比對根節點：$39 < 58 \rightarrow$ 往左走至 $26$。
• 比對節點 $26$：$39 > 26 \rightarrow$ 往右走。
• 將 $39$ 作為 $26$ 的右子節點。

4. 插入 $77$：$77 > 58$，將 $77$ 作為 $58$ 的右子節點。
5. 插入 $99$：

• 比對根節點：$99 > 58 \rightarrow$ 往右走至 $77$。
• 比對節點 $77$：$99 > 77 \rightarrow$ 往右走。
• 將 $99$ 作為 $77$ 的右子節點。

6. 插入 $30$：

• 比對路徑：$30 < 58$（左）$\rightarrow 30 > 26$（右）$\rightarrow 30 < 39$（左）。
• 將 $30$ 作為 $39$ 的左子節點。

7. 插入 $47$：

• 比對路徑：$47 < 58$（左）$\rightarrow 47 > 26$（右）$\rightarrow 47 > 39$（右）。
• 將 $47$ 作為 $39$ 的右子節點。

8. 插入 $52$：

• 比對路徑：$52 < 58$（左）$\rightarrow 52 > 26$（右）$\rightarrow 52 > 39$（右）$\rightarrow 52 > 47$（右）。
• 將 $52$ 作為 $47$ 的右子節點。

9. 插入 $60$：

• 比對路徑：$60 > 58$（右）$\rightarrow 60 < 77$（左）。

核心觀念

本題評量電腦網路通訊領域之「實體網路拓樸（Physical Network Topology）」基礎理論及其工程實務特性。核心觀念涵蓋：

1. 網路拓樸定義：網路節點（端點主機、伺服器）與傳輸媒體（雙絞線、同軸電纜、光纖）之間的實體佈線幾何形狀與邏輯訊號傳輸路徑。
2. 硬體與傳輸相依性：不同拓樸直接決定了集中式或分散式連接設備（交換器／集線器 Switch/Hub、多重存取單元 MAU、終端電阻 Terminator）、網路介面卡（NIC）規格及傳輸媒體的鋪設長度與型態。
3. 系統可靠度與架構評估準則：包含單點失效（Single Point of Failure, SPOF）風險、安裝與擴充彈性（Scalability）、故障隔離能力（Fault Isolation）以及傳輸碰撞（Collision）與效能表現。

解題方法

本題為標準的國家考試申論型試題，解題結構切入如下：

1. 分別定義與說明：依序針對「星狀拓樸」、「環狀拓樸」與「匯流排拓樸」，明確交代其幾何架構、訊號傳遞方式、核心輔助元件及具代表性之技術規格。
2. 優缺點剖析：各拓樸分項列出實務上的主要優點與缺點，直指工程建置與維運痛點。
3. 綜合比較彙整：最後以結構化表格，由建置成本、線材用量、單點失效風險、維運擴充性、除錯難易度等關鍵工程維度進行縱向與橫向交叉比對，展現答題的完整度。

選項分析

（本題為申論試題，針對題目指定之三種拓樸要求，進行逐項深入剖析）：

1. 星狀拓樸（Star Topology）

• 架構說明：所有工作站皆透過獨立的點對點（Point-to-Point）傳輸纜線（通常為雙絞線或光纖），直接連接至中央集中控制設備（如交換器 Switch 或傳統集線器 Hub）。節點間傳遞訊息皆須經由中央設備轉發。
• 代表技術：現代乙太網路（Ethernet，如 10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T 等）。
• 優點：
• 容錯力高（無全域擴散風險）：單一終端節點或單一連接線損壞，僅影響該節點，不會造成整個網路癱瘓。
• 維護與擴充便利：新增、移動或移除節點僅需在中央設備插拔，不需中斷全網運作。
• 故障隔離容易：可透過中央交換器之連接埠燈號或網管軟體精確定位故障節點。
• 缺點：
• 存在單點失效（SPOF）：中央核心設備（Switch/Hub）若毀損，全網立即中斷連線。
• 線材與建置成本較高：每一節點均需專屬線路拉回中央機房，耗用線材量大且中央設備單價較高。

2. 環狀拓樸（Ring Topology）

• 架構說明：所有裝置串接成一個封閉的單向（或雙向）迴路，每個節點兼具中繼器（Repeater）功能，訊號依序從一個節點接收、再生並轉發給下一個節點。資料傳送多透過「權標（Token）」機制控制傳輸權，以避免訊號碰撞。
• 代表技術：IEEE 802.5 Token Ring、光纖分散式數據介面（FDDI，採雙環架構以提供容錯）。
• 優點：
• 無碰撞風險、傳輸具可預測性：採權標傳遞機制（Token Passing），在高負載環境下效能穩定，不會因競爭通道而產生封包碰撞。
• 線路用量較星狀節省：僅需節點間相鄰串接，點對點中繼傳輸使訊號能藉由節點再生而傳遞更長距離。
• 缺點：
• 單環脆弱性高：傳統單環架構中，任一節點損壞或線路中斷將導致整個環狀迴路斷裂，造成全網中斷。
• 維護與擴充困難：新增或移除節點通常必須中斷環路運作。
• 故障排除複雜：若無特殊繞道硬體（如 MAU 內部繼電器切除故障點），找出故障點極耗費時間。

3. 匯流排拓樸（Bus Topology）

• 架構說明：所有電腦與裝置皆掛載於同一條共用傳輸幹線（Backbone，通常為同軸電纜）。訊號由發送端發出後向兩側廣播，為避免訊號抵達纜線端點產生反射波干擾訊號，主幹線兩端必須安裝「終端電阻（Terminator，通常為 $50\,\Omega$）」。
• 代表技術：早期乙太網路 10BASE2（細同軸電纜）、10BASE5（粗同軸電纜）。
• 優點：
• 建置成本極低：線材總用量最少，且不需集線器或交換器等中央轉發設備。
• 架構簡單：小型或臨時網路架設極為迅速。
• 缺點：

核心觀念

本題評量資訊安全與現代密碼學（Cryptography）之核心基礎，命題重點聚焦於以下觀念：

1. 數位簽章（Digital Signature）之定義與三大安全屬性：數位簽章為傳統紙本親筆簽名在電子世界的對應機制，依賴「單向雜湊函數（Hash Function）」與「非對稱式加密（Asymmetric Encryption）」之結合，提供認證性（Authentication）、完整性（Integrity）​與不可否認性（Non-repudiation）。
2. 非對稱式密碼學之金鑰職責劃分：公鑰（Public Key, $PU$）公開給大眾；私鑰（Private Key, $PR$）由所有人獨佔保管。

• 機密性（Confidentiality）導向：接收者公鑰加密、接收者私鑰解密。
• 認證性（Authentication）導向：發送者私鑰簽署、發送者公鑰驗證。

3. 認證性（Authentication）之數學與邏輯基礎：包含「訊息來源認證（Message Origin Authentication）」與「實體身分鑑別（Entity Authentication）」。其核心邏輯建立在「私鑰的唯一專屬性」，即世界上唯有金鑰擁有者方能產生特定密文或簽章。

解題方法

本題為標準的申論名詞解釋與原理說明題，解題切入點應分為兩大部分：第一部分先給出數位簽章之嚴謹定義、數學運算流程及所滿足之資訊安全需求；第二部分詳細推演非對稱金鑰如何透過私鑰專屬性與演算法之單向陷阱函數（Trapdoor One-way Function），達成身分與來源之認證。

一、數位簽章（Digital Signature）之定義與機制

1. 定義： 數位簽章是一種利用非對稱式密碼技術與單向雜湊演算法，附加於數位訊息（或文件）上的加密數據代碼。其功能等同於電子世界中的印鑑或親筆簽署，用以向接收方證明訊息的真實來源與內容完整性。

2. 核心運作流程：

• 簽署階段（Signing）： 設發送方 $A$ 欲傳送原始訊息 $M$ 給接收方 $B$：

1. 發送方 $A$ 利用單向雜湊函數 $h$ 對訊息 $M$ 進行運算，產生固定長度的訊息摘要（Message Digest）： $H = h(M)$
2. 發送方 $A$ 使用其獨有的私鑰 $PR_A$ 對摘要 $H$ 進行加密運算，產出數位簽章 $S$： $S = E_{PR_A}(H)$
3. 發送方將原始訊息 $M$ 與數位簽章 $S$ 一併包裝傳送給 $B$。

• 驗證階段（Verification）： 接收方 $B$ 收到 $(M, S)$ 後：

1. $B$ 對收到的原始訊息 $M$ 執行相同的雜湊運算，獲得本地摘要值 $H_1 = h(M)$。

2. $B$ 使用發送方 $A$ 公開的公鑰 $PU_A$ 對數位簽章 $S$ 進行解密運算，還原發送方產生的摘要值 $H_2$： $H_2 = D_{PU_A}(S)$

3. 比較兩者：若 $H_1 = H_2$，則判定簽章有效；若 $H_1 \neq H_2$，則簽章無效。

4. 提供的安全服務：

• 認證性（Authentication）：確認訊息確實由擁有 $PR_A$ 的發送方發出。
• 完整性（Integrity）：雜湊函數具備抗碰撞性（Collision Resistance），任何對 $M$ 的竄改皆會導致 $H_1 \neq H_2$。
• 不可否認性（Non-repudiation）：由於 $PR_A$ 僅由 $A$ 私密持有，$A$ 無法事後否認曾簽署該筆訊息。

二、非對稱式演算法達成認證性（Authentication）之原理

非對稱演算法主要透過以下兩種機制達成認證性：

1. 訊息來源認證（Data Origin Authentication / Message Authentication）：

• 私鑰專屬性與單向性：在非對稱密碼系統（如 RSA、ECC）中，金鑰成對產生（$PU, PR$）。公鑰由私鑰推導而來，但基於數學難題（如大質數質因數分解、離散對數問題），自公鑰反推私鑰在計算上是不可行的（Computationally Infeasible）。
• 數學對稱驗證：非對稱演算法滿足 $D_{PU}(E_{PR}(X)) = X$ 之特性。