【計算機網路筆記】1.2 The Network Edge

Hello Guys, I’m LukeTseng. 歡迎你也感謝你點入本篇文章，本系列主要讀本為《Computer Networking: A Top-Down Approach, 7th Edition》，就是計算機網路的聖經，會製作該系列也主要因為修課上會用到。若你喜歡本系列或本文，不妨動動你的手指，為這篇文章按下一顆愛心吧，或是追蹤我的個人公開頁也 Ok。

終端系統（End System）

回顧 1.1：

終端系統（End Systems） = 主機（Hosts）

在網路術語中，連接到網際網路的電腦和其他設備（如智慧型手機、平板、甚至現在的物聯網設備如恆溫器、汽車等）被稱作終端系統或主機。

而主機分成兩大類：

  • 客戶端（Client）：通常是桌機、筆電、手機等，主要是發起請求的一方。
  • 伺服器（Server）：通常是更強大的機器，用來儲存和發送網頁、影片、電子郵件等。現代伺服器集中在大型的資料中心（Data Centers）裡，如 Google 就有數十個大型資料中心，每個資料中心可能有數十萬台伺服器。

1.2.1 Access Networks（存取網路）

知道誰在連線後，接下來要了解如何將終端系統連接到網路的第一個路由器（邊緣路由器），進一步做到存取網路。

接著會按照情境分成三類：

  • 家庭網路存取
  • 企業與區域網路存取
  • 無線廣域網路存取

家庭網路存取（Home Access）

有三種常見的存取方式：

  1. 數位用戶線路（DSL, Digital Subscriber Line）
    • 基礎架構：DSL 用現有的電話線（雙絞銅線）來傳輸數據。
    • 運作模式：
      • 用戶從提供本地電話服務的電話公司（Telco）獲得 DSL 網路服務，因此電話公司也是 ISP。
      • 家中有一個 DSL 數據機（DSL modem），將數位資料轉換為高頻音訊透過電話線傳輸。
      • 在電話公司的機房（Central Office, CO），有一個設備叫做 DSLAM（Digital Subscriber Line Access Multiplexer），負責將來自許多家庭的類比訊號轉換回數位格式。
    • 頻寬分割：電話線同時傳輸數據和傳統電話訊號，兩者被編碼在不同的頻率上：
      • 高速下行通道（50 kHz – 1 MHz）。
      • 中速上行通道（4 kHz – 50 kHz）。
      • 傳統雙向電話通道（0 – 4 kHz）。
    • 速度與特性：DSL 接入通常是非對稱（Asymmetric）專用的連接，不會與鄰居共享這一條電話線的頻寬。

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Image Source：Computer Networking: A Top-Down Approach (7th ed., p. 41, Figure 1.5)

註：雙絞銅線長得像下面那樣。

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Image Source：https://zh.wikipedia.org/zh-tw/双绞线

  1. 有線電視網路（Cable Internet Access）
    • 基礎架構：利用現有的有線電視基礎設施，通常稱為 HFC（Hybrid Fiber Coax，混合光纖同軸電纜），因為它使用光纖將有線電視頭端連接到社區節點，再用同軸電纜連接到各個家庭。
    • 運作模式：
      • 家中使用 Cable 數據機（Cable Modem）。
      • 在有線電視頭端，有一個對應的設備叫做 CMTS（Cable Modem Termination System），其功能類似於 DSL 網路中的 DSLAM。
    • 速度與特性：
      • 同樣通常是非對稱的（下載快於上傳）。
      • 差別：有線電視網路是一個共享的廣播媒介（Shared broadcast medium），表示由頭端發送的封包會傳送到所有家庭，而所有家庭發送的封包也會傳送到頭端，如果有許多鄰居同時下載影片，實際速度可能會顯著下降。

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Image Source：Computer Networking: A Top-Down Approach (7th ed., p. 42, Figure 1.6)

註：HFC 長得像下面那樣，應該有蠻多人有看過，但不知道他叫啥。

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Image Source：https://www.horngjih.com.tw/product/同軸電纜

  1. 光纖到府（FTTH, Fiber To The Home）
    • 概念：提供一條從機房（這邊指的是 CO, colocation 主機代管機房）直接拉到家庭的光纖路徑，提供極高的速度。
    • 架構：主要有兩種技術，主動光纖網路（Active Optical Network, AON）和被動光纖網路（Passive Optical Network, PON），這邊課本講的主要是 PON。
      • PON 架構：每個家庭有一個 ONT（光纖網路終端：Optical Network Terminator, ONT），透過光纖連接到社區的分光器（Splitter），分光器將多個家庭（通常少於 100 個）的光纖匯聚成一條共享光纖，連接到機房的 OLT（光纖線路終端：Optical Line Terminator, OLT）。
    • 速度：FTTH 可以提供 Gbps 等級的傳輸速率。

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Image Source：Computer Networking: A Top-Down Approach (7th ed., p. 44, Figure 1.7)

  1. 其他方式：
    • 衛星（Satellite）：用於無法使用 DSL 或 Cable 的偏遠地區，速度通常超過 1 Mbps。
    • 撥接（Dial-up）：使用傳統電話線，速度極慢（56 kbps）。

企業與區域網路存取（Access in the Enterprise and Home）

這類存取方式常見於公司、大學校園，以及現代家庭網路中。

大概有兩大類：

  1. 乙太網路（Ethernet）
    • 應用：目前企業、大學和家庭網路中最普遍的區域網路（LAN）技術。
    • 運作方式：用戶使用雙絞銅線連接到乙太網路交換機（Ethernet Switch），再由這台交換機連接到更大的網際網路。
    • 速度：典型的用戶存取速度為 100 Mbps 或 1 Gbps，伺服器則可能達到 1 Gbps 或 10 Gbps。

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Image Source：Computer Networking: A Top-Down Approach (7th ed., p. 45, Figure 1.8)

  1. 無線區域網路（WiFi）
    • 應用：越來越多的設備（筆記型電腦、手機、物聯網等設備）透過無線方式存取。
    • 運作方式：無線用戶向基地台（Access Point, AP）發送／接收封包，該基地台通常連接到有線網路（如乙太網路）。
    • 速度：依據標準世代不同差異巨大。早期標準約 11~54 Mbps；現代標準（如 WiFi 6、WiFi 7）理論速率可達 600 Mbps 至數十 Gbps（例如 WiFi 7 理論值可達 46 Gbps），但實際用戶體驗通常受距離與干擾影響，多落在 100 Mbps 至 1 Gbps 之間。
    • 標準：基於 IEEE 802.11 技術，即俗稱的 WiFi。如今 WiFi 廣泛存在於家庭、辦公室和公共場所。

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Image Source：Computer Networking: A Top-Down Approach (7th ed., p. 46, Figure 1.9)

無線廣域網路存取（Wide-Area Wireless Access）

這類存取方式讓我們在移動中也能保持連線。

  • 3G 和 4G（LTE）
    • 基礎架構：利用行動電話網路的基礎設施，基地台由電信營運商管理。
    • 範圍：與 WiFi 的幾十公尺範圍不同，蜂巢式網路的基地台覆蓋範圍可達數十公里。
    • 速度：
      • 3G：提供超過 1 Mbps 的封包交換廣域無線存取。
      • 4G（LTE）：LTE（Long-Term Evolution）源於 3G 技術，可以達到超過 10 Mbps 的速度，商業部署中甚至可達數十 Mbps。

註：該書出版日期為 2018 年，而 5G 時代在隔年才剛開始，所以看看就好。

小結

  1. 家庭網路存取：
    • DSL（利用電話線，專用頻寬）
    • Cable（利用電視線，共享頻寬）
    • FTTH（光纖直連，極高速）。
  2. 企業與區域網路存取：
    • Ethernet（有線，穩定高速）
    • WiFi（無線，靈活）。
  3. 無線廣域網路存取：3G/4G LTE（利用手機基地台，覆蓋範圍廣）。

1.2.2 Physical Media（實體媒介）

什麼是實體媒介（Physical Media）？

首先回顧一個位元（bit）是怎麼從一個終端系統出發，經過一連串的連結與路由器，最後到達另一個終端系統的。

當考慮一個位元從源頭傳送到目的地時，它會經過一系列的發射器（transmitter）和接收器（receiver）。

對於每一對發射器跟接收器，位元（bit）是透過在實體媒介上傳播電磁波或光脈衝來傳送的。

而實體媒介主要分為兩類：

  • 導引式媒介（Guided Media）：電波沿著固體媒介被導引前進，如
    • 光纖電纜（Optical Fiber Cable）
    • 雙絞銅線（Twisted Pair Wire）
    • 同軸電纜（Coaxial Cable）等。
  • 非導引式媒介（Unguided Media）：電波在大氣或太空中傳播，如
    • 無線區域網路（Wireless LAN）
    • 數位衛星頻道（Digital Satellite Channel）等。

成本考量問題：物理連結本身的材料成本通常比安裝成本（勞動力）低很多，因此，建築商通常會在建築物的每個房間預先安裝雙絞線、光纖和同軸電纜，以免日後需要重新佈線。

導引式媒介（Guided Media）

雙絞銅線（Twisted-Pair Copper Wire）

這是最便宜且最常用的導引傳輸媒介，已有超過百年的歷史。

  • 結構：由兩條絕緣的銅線（每條約 1mm 粗）組成，以規則的螺旋狀排列，絞在一起的目的是為了減少來自鄰近線對的電氣干擾。
  • 應用：
    • 電話網路：超過 99% 從電話機到交換機的連接都使用雙絞線。
    • 區域網路（LAN）：無遮蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair, UTP）常用於建築物內的電腦網路，現代技術（如 Category 6a 電纜）可以在 100 公尺距離內達到 10 Gbps 的速率。
    • 住宅：用於撥接數據機 (Dial-up) 和 DSL 上網。

同軸電纜（Coaxial Cable）

  • 結構：與雙絞線一樣由兩條銅導體組成，但這兩條導體是同心（concentric）而不是平行的，藉由這種結構與特殊的絕緣和屏蔽，能達到較高的資料傳輸率。
  • 應用：常見於有線電視系統（Cable TV），近期結合纜線數據機（Cable Modems）為住宅用戶提供數十 Mbps 的網際網路存取速率。
  • 特性：同軸電纜可作為共享媒介（shared medium），多個終端系統可以連接到同一條電纜上，每個終端系統都能接收到其他終端系統發送的內容。

註：現今 2026 住宅用戶常見速率已達 1 Gbps（1,000 Mbps），而透過 DOCSIS（Data-Over-Cable Service Interface Specifications，有線電纜數據服務介面規範） 4.0 技術，理論下行速度可達 10 Gbps，上行則可達 6 Gbps。

光纖（Fiber Optics）

  • 結構：細而柔韌的媒介，傳導光脈衝（Optical Pulse），每個光脈衝代表一個位元。
  • 優點：
    • 極高的位元率：單一光纖可支援數十甚至數百 Gbps。
    • 抗干擾：不受電磁干擾影響。
    • 低衰減：訊號衰減極低，可達 100 公里。
    • 安全性： 很難被竊聽。
  • 應用：是長途導引傳輸的首選（特別是跨海連結）以及網際網路的骨幹（Backbone）。
  • 標準：光載波（Optical Carrier, OC）標準定義了連結速度，範圍從 OC-1（51.8 Mbps）到 OC-768（39.8 Gbps）。

註 1：現今 2026 年，單一光纖（Single Fiber）透過波分復用（WDM）技術，總頻寬已可達數十甚至上百 Tbps。

註 2：在 2026 年，除了維護舊有的傳統交換網路外，新的基礎設施幾乎不再使用 OC-3 或 OC-768 等標準。現在的標準主要由 IEEE 802.3 定義的乙太網路標準（如 400GBASE-LR4）或 ITU-T G.652 等光纖物理特性標準。

非導引式媒介（Unguided Media）

地面無線電通道（Terrestrial Radio Channels）

  • 特性：在電磁頻譜中傳送訊號，不需要安裝物理線路，可穿透牆壁，並提供移動性連接。
  • 挑戰：訊號強度會隨著距離增加、遇到障礙物（路徑損耗 path loss 和陰影衰落 shadow fading）或反射（多徑衰落 multipath fading）而減弱，且容易受到干擾。
  • 分類：
    1. 極短距離：如無線耳機、鍵盤（1-2公尺）。
    2. 區域（Local Area）：如無線區域網路 WiFi（10 到數百公尺）。
    3. 廣域（Wide Area）：如蜂巢式網路技術（數十公里）。

衛星無線電通道（Satellite Radio Channels）

  • 運作方式：衛星連接兩個或多個地面微波發射器／接收器（地面站），衛星接收一個頻段的傳輸，使用中繼器（repeater）再生訊號，並在另一個頻率上傳送出去。
  • 兩大類：
    1. 同步衛星（Geostationary satellites）：
      • 位於地表上方 36000 公里，相對於地球表面保持靜止。
      • 缺點是巨大的訊號傳播延遲（280 毫秒）。
      • 常用於無法使用 DSL 或纜線接入的區域。
    2. 低軌道衛星（LEO satellites）：
      • 距離地球較近，會繞地球旋轉。
      • 需要多顆衛星在軌道上才能提供連續覆蓋，未來可能用於網際網路存取。

註：有關低軌道衛星，現 2026 已有 Starlink、OneWeb 等在全球商用多年，提供低軌衛星的網路存取，技術已成熟。

總整理

終端系統（End Systems）

終端系統 = 主機（Host）

泛指所有連上網際網路的設備，如電腦、手機、平板、物聯網裝置等。

主機分為兩類：

  • 客戶端（Client）：負責發出請求（例如瀏覽網頁、看影片）。
  • 伺服器（Server）：負責儲存與提供資料，現代多集中於大型資料中心（Data Center）中。

存取網路（Access Networks）

存取網路的角色是：把終端系統連接到第一個路由器（邊緣路由器），是使用者進入網際網路的入口。

大致上有三類網路存取：

  1. 家庭網路存取
    • DSL（數位用戶線路）
      • 使用電話雙絞線。
      • 上下行頻寬分離，通常為非對稱、專用頻寬。
      • 由電話公司提供，核心設備為 DSLAM。
    • Cable（有線電視網路）
      • 使用 HFC（光纖＋同軸電纜）。
      • 為共享媒介，鄰居多時速度可能下降。
      • 核心設備為 CMTS。
    • FTTH（光纖到府）
      • 光纖直接拉到家中。
      • 以 PON 架構為主（ONT → 分光器 → OLT）。
      • 提供 Gbps 等級高速，是最先進的家庭接入方式。
    • 其他：衛星（偏遠地區）、撥接（已過時）。
  2. 企業與區域網路存取
    • Ethernet（乙太網路）
      • 最普遍的 LAN 技術。
      • 有線、穩定、低延遲。
      • 常見速率為 100 Mbps～1 Gbps，伺服器可達 10 Gbps 以上。
    • WiFi（無線區域網路）
      • 基於 IEEE 802.11。
      • 透過 AP 連接有線網路。
      • 理論速率極高（WiFi 6/7），但實際受距離與干擾影響。
  3. 無線廣域網路存取
    • 3G / 4G（LTE）
      • 由電信商基地台提供。
      • 覆蓋範圍大，可在移動中上網。
      • 4G 可提供數十 Mbps 的速率。
    • 註：看看就好，現在 4G 誰在給你十幾 Mbps。

實體媒介（Physical Media）

實體媒介負責：將位元以電磁波或光脈衝的形式實際傳送出去。

分類：

  • 導引式媒介（Guided Media）：電波沿著固體媒介被導引前進，如
    • 光纖電纜（Optical Fiber Cable）
    • 雙絞銅線（Twisted Pair Wire）
    • 同軸電纜（Coaxial Cable）等。
  • 非導引式媒介（Unguided Media）：電波在大氣或太空中傳播，如
    • 無線區域網路（Wireless LAN）
    • 數位衛星頻道（Digital Satellite Channel）等。

導引式媒介（Guided Media）

  1. 雙絞線
    • 最便宜、歷史最久。
    • 廣泛用於電話、乙太網路、DSL。
    • 現代可達 10 Gbps（短距離）。
  2. 同軸電纜
    • 結構抗干擾能力佳。
    • 為共享媒介。
    • 透過 DOCSIS 技術，現代（2026）可達 Gbps 等級。
  3. 光纖
    • 傳輸光脈衝。
    • 超高速、低衰減、抗干擾、安全性高。
    • 為網際網路骨幹的核心媒介。
    • 現代（2026）透過 WDM 可達 Tbps 等級。

非導引式媒介（Unguided Media）

  1. 地面無線電
    • 支援移動性，不需佈線。
    • 易受距離、障礙物與干擾影響。
    • 涵蓋短距離（藍牙）、區域（WiFi）、廣域（行動網路）。
  2. 衛星通訊
    • 同步衛星：覆蓋廣但延遲高。
    • 低軌道衛星（LEO）：延遲低，需大量衛星（如 Starlink）。