網路的基本原理，適合初入門者。

1. 網路非常概論~~
廖冠雄
ghliaw@isu.edu.tw

2. 2
生活中做哪些事情時有用到網路？

3. 3
會使用網路  懂網路

4. 網路是做甚麼用的？
 聊天、打屁
 打Game
 查作業資料
 看短片、電影
 實況轉播
(http://g0d.today)
 … …
會產生資料的裝置
之間互相傳遞資料
用的
4

5. 甚麼是會產生資料的裝置？
 電腦
 手機
 平板
 還有嗎？
5

6. 甚麼是資料？
 我們在電腦之間互相交換的資料有哪些？
 文字
 聲音
 影像
 視訊
 數字
 …
這些都只不過是以”人”的觀點來看的，
那麼以電腦的觀點來看呢？
6

7. 電腦眼中的資料到底是甚麼？
 那得要先了解電腦(Computer)是甚麼東西
7

8. 電腦是甚麼？
 Computer = 計算機 (用來做計算的機器)
 不過，他不會自己算，必須”人”來指揮他做
計算
 而且不能丟一個式子給他，他就會自己算
 而是計算的步驟要人來一一做安排
 例如：要算2+(3 x 5) – 4 ，步驟如下：
 先算 3 x 5 得到15  再算 2 + 15 得到 17  再算
17 – 4 得到 13
 這計算的步驟就是所謂的”程式” (Program)
8

9.  電腦會做的計算有哪些？
 四則運算：加/減/乘/除
 比較大小
 布林運算：AND/OR/NOT
 以上運算每一個都是一個指令，寫程式的人
依據想要做的運算。用指令兜出計算的步驟
 運算完的結果可以儲存在：
 電腦內部的記憶體(Memory)
 或外部的硬碟、光碟、隨身碟…
9

10. 所以，電腦眼中的資料是甚麼？
就是”數字”
那說好的文字、影像、聲音、視訊呢？
那只是你們人類的想像而已
在電腦裡面全部都是數字組成的
10

11. 電腦裡的數字長甚麼樣子？
 儲存數字的記憶體其實是一種記錄ON/OFF
狀態的東西
 記憶體就像大賣場裡的置物櫃一樣
 一格一個擺得整整齊齊的
 而且編有流水號
 一格裡面要嘛就是有人放東西(ON)，要嘛就是
空的(OFF)
11

12.  如果把ON當作1，OFF當作0，搭配記憶體
的儲存空間，那麼就可以來做計算了
 想像你是只有一根手指頭的人，那你要如
何做計算？
1
+ 0
1
1
+ 1
1 0
12

13. 所以，電腦裡的資料其實是…
一連串0與1的組合
13

14. 資料的單位
 位元 (bit)
 位元組 (byte) = 8 bits
14

15. 所以，網路的作用只不過是…
把一連串0與1的組合
從一邊送到另一邊
15

16. 要怎麼實現網路這種東西呢？
 先想想人類之間的對話吧
 人類之間面對面的對話需要：
 至少有兩個人 (廢話!)
 還要在地球上 (這不是廢話，沒有空氣你的聲音
會傳出去嗎？)
 要有共同的語言
16

17.  所以，電腦之間要能對傳資料，需要：
 至少要有兩台電腦 (又是廢話!)
 要有可以傳導資料的”傳輸媒介” (在不在地球上
都無所謂啦)
 要有共同的”語言” (正式名稱：協定 (Protocol))
 不要忘了，電腦是被動的東西，所以這語言得要我們
設計出來
 原則上就是做到”資料可以從一端傳送到另一端”這個
目的
 傳送端與接收端都要遵守
17

18. 怎樣才能讓資料在兩部電腦之間傳遞？
 這條線(傳輸媒介)可以是：
 金屬導線
 光纖
 無線電磁波
18

19. 資料如何透過傳輸媒介傳遞？
 此問題其實是在問
”0與1如何透過傳輸媒介傳遞？”
 傳輸媒介上可以傳甚麼？  “信號”
 金屬導線  電的方波或弦波
 光纖  光的方波
 無線  電磁波(弦波)
19

20.  所以，這個問題就變成
”0與1可以用甚麼信號來代表？”
 分別用不同的信號來代表0與1
 例如電的方波：+5V代表1，-5V代表0
 例如電磁波：使用某固定頻率與振幅，相位0度代表
0，相位180度代表1
 還要規定每個信號的持續時間，例如0.1秒，這
樣子接收端才知道已經收到了一個位元
 傳輸速率的計算單位：bits per second (bps)
20

21. 01001… 01001…
21

22. 以上的傳遞方式會有甚麼問題？
 這世界沒有十全十美的事
 資料可能會有錯誤或遺失
 錯誤：傳送端傳送0但接收端收到1，反之亦然
 遺失：傳送端傳送的資料，接收端都沒收到
 Why?
 打雷、閃電  干擾
 有人手癢，把線剪斷  斷線
 如何解決？
 接收端要能判斷是否有錯誤或遺失
 重新傳送
22

23. 這樣就OK了嗎？
 想像以下的情境：
 A有10 M bits (10 x 106 bits)的資料要送到B
 假設線路的傳輸速率為10 Kbps (10 x 103 bps)
 那麼總共要花 1000 秒才能傳完
 如果第9,999,999 bit發生錯誤，怎麼辦？
A B
10 M bits
10 Kbps
23

24.  重新傳送  又要花1000秒  不實用!
 再假設每10 Mbits一定會發生一次錯誤，而
且會發生在哪一個bit是隨機的
 那不就永遠也傳送不完了?!
 如何解決？
24

25. 怎樣解決傳輸媒介所發生的錯誤與遺
失？
 解決的原則：在整筆資料傳送前先動一些手
腳
 甚麼手腳？
 把資料先分割成一個個長度比較小的單位(即所
謂的封包)，然後再一一傳送
 設計判斷錯誤與遺失的機制
25

26. 10 M bits
…………………
1 K bits
共10,000個
26

27. 1 K bits
錯誤檢查/糾正碼
A B
回覆訊息(Acknowledgement, ACK)
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28. 如果有三人以上共用同一個傳輸
媒介，該怎麼辦？
 例如：大家都使用同一個無線電頻道的網路
 Wi-Fi、Bluetooth、3G、4G/LTE等等都是
 有線網路也有這種類型
 早期的乙太網路(Ethernet)
 有線電視網路(Cable modem)
制定使用媒介的遊戲規則!
(就是協定啦)
28

29. 有線電視網路 共用傳輸頻道
29

30. 共用傳輸媒介時，封包結構必須改變
嗎？
 當然要囉，要不然怎麼會知道這筆資料要送給
誰
 在一個共用媒介中的每部電腦(更正確的說，應
該是網路介面)必須要有一個唯一的識別碼
 叫做”(實體)地址” (Physical Address)
 封包結構中要加入傳送端(source)與目的端
(destination)的地址
1 K bits
錯誤檢查/糾正碼
傳送端地址目的端地址
30

31. 共用媒介的遊戲規則怎麼設計？
 兩種方式
 隨機式(想送就送)
 由某特定裝置來分配
 隨機式(想送就送)
 優點：簡單(大家都遵守同一規則即可，地位相等)
 缺點：會有”碰撞”(collision)的機會(及兩人同時傳
送資料，彼此互相干擾)
 而且裝置越多機會越大
 必須設計因發生碰撞而必須重新傳送的機制
 特性：頻寬使用效率不可能達到100% !
 適合傳輸範圍小、裝置數不多的網路
 Wi-Fi、傳統乙太網路
31

32. 32

33.  由某特定裝置來分配
 被分配到的裝置才能傳送資料
 優點：不會有碰撞
 頻寬可做最有效的利用
 缺點：比較複雜
 要設計分配頻寬的步驟與對話內容
 用在傳輸範圍大、使用者眾多的網路
 例如：3G、4G/LTE
33

34. 小結 …
 到目前為止，我們已經可以讓接在同一個傳
輸媒介的裝置，彼此之間可以互相傳送資料
了。
“小網路”
34

35. 如果有好幾個小網路要互相連起來，
要怎麼辦？
?
35

36. 有彈性且經濟的做法…
那就在網路之間加一個專
門的「轉送裝置」吧
36

37. 不同網路中的裝置如何傳送資料？
 找一條傳遞路徑(Route)就對了
Source
Destination
37

38.  專門的轉送裝置叫做”路由器” (Router)
 找出傳遞路徑的協定叫做”路由協定”
(Routing Protocol)
38

39. 怎麼找到傳遞路徑？
 首先，在整個大網路上的每樣東西要有識別
碼
 每一個小網路都要有一個唯一的識別碼—”網
路ID“ (Network ID)
 每一部電腦/路由器(更正確的說，應該是網
路介面)在整個網路中也要有一個唯一的識別
碼—”網路地址” (Network Address)
 網路地址可以由”網路ID + 裝置ID”合成
39

40. 網路A
網路B
網路C
網路D
網路E
#1 #2
#3
#4#5
#6 #1 #2
#3
#4#5
#6
#1 #2
#3
#4#5#6
#1 #2
#3
#4#5
#6
#1
#2
#3
#4#5
#6
網路地址 = A.#1
網路地址 = D.#3
路由器X
路由器Y
路由器Z
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41.  類比於我們熟知的網際網路來說，每一網路
介面必須配給一個IP Address
 IP Address = 子網路ID + 主機ID
140.127.196.39
子網路ID 主機ID
41

42. 打岔一下 …
 每個網路介面不是有一個”實體地址”的識別
碼嗎？ 那為何還要另外定義”網路地址“呢？
 因為：
 實體地址只是用來和連在同一媒介中的其他網路
介面傳輸資料使用的
 每種不同傳輸媒介的實體網路，其網路地址格式
會不一樣  如果採用，路由協定會很難制定
 當網路介面卡更換時，不應更換網路地址才對
(就像房子原地打掉重建，地址不應該變)
 所以 …
42

43. 網際網路是虛擬世界!!
43

44. 怎麼找到傳遞路徑？ (續)
 當傳送端想傳一個封包到接收端時，由接收
端的網路地址來判斷：
 如果和傳送端在同一個小網路中  直接傳給接
收端
 如果和傳送端不在同一個小網路中  傳給路由
器，請路由器轉送
44

45.  路由器裡面要有路徑指引—”路由表”
(Routing Table)
 用來查詢到某個小網路的下一步要怎麼走
 由網路建立與管理者設定
路由器X
路由器Y
路由器Z
網路A
網路C
網路B
網路D
網路E
路由器X
介面#1˙ 介面#2
介面#3
網路A 介面#1 直接到達
網路B 介面#3 路由器Y
網路C 介面#3 直接到達
網路D 介面#2 直接到達
網路E 介面#2 路由器Z
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46.  封包裡面要至少再加入：
 傳送端網路地址
 目的端網路地址
1 K bits
錯誤檢查/糾正碼傳送端
實體地址
接收端
實體地址
目的端
網路地址
傳送端
網路地址
46

47. 小結 …
 加上了網路串接機制(路由器+決定傳送路徑)，
就可以讓世界上所有的裝置互相傳送資料了
 這樣就符合大眾的需求了嗎？
47

48. 思考一下，你是怎麼用你的電腦的？
 我拿電腦來”同時“做下列事情：
 用瀏覽器看網路新聞、電影、收郵件
 打Game
 用LINE和朋友哈啦
 用Word寫報告 …
“同時執行多個應用程式”
48

49. 到底是甚麼在使用網路做通訊？
 是電腦主機嗎？
 是應用程式!!
 問題：當電腦主機收到一個封包時，他怎麼
知道這個封包是要給哪一個應用程式？
NO!
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50. 如何辨識應用程式？
 老方法，給它的一個在此主機中唯一的辨識
碼即可
 通常就是用一個特定範圍內的整數來代表
 (例如：0 ~ 65535之間的整數(16位元整數))
 封包中再加兩個欄位，分別標示傳送端程式
與接收端程式的代表號
50

51. 以網頁瀏覽為例
瀏覽器程式
網頁伺服器程式代表號：13579
代表號：80
網路地址
A 網路地址
B
Get index.html 13579 80
接收端程式
代表號
傳送端程式
代表號
接收端主機
網路地址
傳送端主機
網路地址
A B 13579 80 index.html內容
A B
傳送端程式
代表號
接收端程式
代表號
傳送端主機
網路地址
接收端主機
網路地址
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52. 如果同時又跑e-mail服務
瀏覽器程式
網頁伺服器程式代表號：13579
代表號：80
網路地址 A 網路地址B
Get index.html 13579 80
A B 13579 80 index.html內容
A B
看信程式 郵件伺服器程式
代表號：24680 代表號：25
Get index.html 24680 25
A B 24680 25 index.html內容
A B
52

53. 那，寫網路應用程式會不會很難？
 如果每個訊息都要自己包裝成封包再傳送，
當然很難
 因為你得要了解網路封包的封裝格式
 而且這問題也不只包裝成封包那麼單純，要
是在透過網路傳遞的過程中發生問題怎麼辦？
 (可能發生的問題仍是”錯誤”與”遺失”)
 總不能叫應用程式設計者自己去設法解決
吧?!
53

54. 如何讓網路應用程式容易開發？
 首先，先想想看，透過網路傳遞可能發生的 “錯
誤”與“遺失”要怎麼解決?
 可以仿效先前在同一傳輸媒介中解決問題的方
法(見此)，設計一套機制在收送兩端運行
 在封包中加入錯誤檢查碼(or糾錯碼)
 回覆(ACK)與重傳的機制
 在系統中獨立運行這套訊息傳輸機制(請把它想
像成系統中的某一套軟體程式)，每個應用程式
都委託這套機制做訊息的傳輸。
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55. 所以，網路應用服務的開發就只要…
 既然有專門傳輸訊息的機制，那麼網路應用
服務的開發就只要專注於：
 服務進行的流程設計
 在服務進行的過程中，所需要傳遞的訊息內容與
格式
55

56. 到此大功告成 !!
 只要做到本頁之前的所有機制，就可以達到
最終的目的：
“讓所有應用程式都可以透過網路
正確地交換訊息”
56

57. 構成網路的機制，是否有些規律？
 請由下而上，回想網路運作的機制：
在選定的傳輸媒介上，將0與1組成的資料串流轉成特定信號
送出
為做到在傳輸媒介上有效且可靠的資料傳輸，必須將資料切成
小段為單元來傳，並且加上錯誤檢查/糾正以及重新重送的機制
為做到各個小網路之間可以互相串連成一大網路，因此加上
轉送裝置(路由器)的設計，將各網路串連起來，並設計決定資
料轉送路徑的機制
57

58. 為了讓網路兩端的應用程式可以順利地交換訊息，特別設計
專門用來在網路上傳輸訊息的機制，獨立運行於系統中
網路應用程式依其服務進行的流程，產生特定格式的訊息互相
傳遞
58

59.  再請反過來由上而下來看：
網路應用程式依其服務進行的流程，產生特定格式的訊息…
交給以下傳輸機制傳遞
為了讓網路兩端的應用程式可以順利地交換訊息，特別設計
專門用來在網路上傳輸訊息的機制，獨立運行於系統中
交給以下傳輸機制在網路上傳遞
為做到各個小網路之間可以互相串連成一大網路，因此加上
轉送裝置(路由器)的設計，將各網路串連起來，並設計決定資
料轉送路徑的機制
在連結兩裝置的傳輸媒介上傳遞時，
使用以下機制傳遞
為做到在傳輸媒介上有效且可靠的資料傳輸，必須將資料切成
小段為單元來傳，並且加上錯誤檢查/糾正以及重新重送的機制
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60. 使用以下機制傳遞轉成實際的信號
在媒介上傳遞
在選定的傳輸媒介上，將0與1組成的資料串流轉成特定信號
送出
1. 有層次的分工，分層負責不同任務
2. 要為每一層次的任務制定協定
60

61. 分層式(Layered)的網路協定模型
在傳輸媒介上以實際信號傳遞資料串
在同一傳輸媒介上傳遞特定長度資料
透過轉送裝置在分屬不同網路的電腦間傳送資料
將應用程式的訊息透過網路傳遞
應用程式產生特定格式的訊息
要求傳送
要求傳送
要求傳送
要求傳送
回報接收
回報接收
回報接收
回報接收
實體層
(Physical)
資料鏈結層
(Data-Link)
網路層
(Network)
傳輸層
(Transport)
應用層
(Application)
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62. 封包的封裝
(Encapsulation)source
application
transport
network
data link
physical
HtHn M
segment Ht
datagram
destination
application
transport
network
data link
physical
HtHnHl M
HtHn M
Ht M
M
network
dara link
physical
data link
physical
HtHnHl M
HtHn M
HtHn M
HtHnHl M
router
switch
message M
Ht M
Hn
frame
通常實體層與資料鏈結
層的實際上就是”網路
介面”
62

63. 網際網路(Internet)協定的與分層式模
型的對應
Application
Internet
Transport
Network
Access
Data Link
Physical
Internet Protocol (IP)
Physical Network Hardware
ARP
ICMP
RARP
TCP/IP Model TCP/IP Protocols
FTP
SMTP DNS
TCP
Telnet HTTP DHCP
UDP
NFS
(“Ping”指令)
(找對方的實體位址)
63