Andrew Tanenbaum & David Wetherall：Computer Networks@2011 (第5版)

網路的演進與普及應用

電腦網路經歷了顯著的演進，從學術實驗性質的系統發展成為今日無所不在的基礎設施。早期網路主要連接少數大型主機，服務於學術研究和大型企業。隨著個人電腦的興起，網路開始連接部門級的辦公室，實現資源共享和員工溝通。網際網路的爆炸性成長，特別是全球資訊網（World Wide Web）的出現，使得網路成為數百萬甚至數十億人日常生活的一部分，用於資訊獲取、購物和個人交流。

進入 21 世紀，網路的發展加速，無線網路和行動裝置普及，網路不再僅限於固定地點的電腦。手機演變成智慧型手機，成為強大的行動計算裝置，網路連接隨時隨地可用。網路的應用範疇也從傳統的商業和個人通訊，擴展到內容分發（特別是影音）、社群網路、物聯網（將日常物品連入網路）以及感測器網路等新興領域。這種擴展使得電腦網路不僅是一個通訊工具，更成為連接實體世界、推動新型應用和服務的平台。網路的價值隨著連接的裝置和使用者數量呈指數級增長，印證了「梅特卡夫定律」（Metcalfe’s law）的預測。這種普及也帶來了如隱私、審查、網路中立性、著作權和安全等重要的社會、政治和道德議題。

網路硬體分類與技術差異

電腦網路硬體可以根據傳輸技術和地理範圍進行分類。

1. 傳輸技術：
   • 點對點連結 (Point-to-Point Links)： 連接兩台獨立的機器。若資料需從來源傳送至目的，可能需要經過一或多個中間機器。點對點傳輸是一對一的單播 (unicasting)。
   • 廣播通道 (Broadcast Channels)： 通訊通道由網路上的所有機器共享。由任何機器發送的封包都會被所有其他機器接收。例如無線網路。廣播系統通常支援向所有目的地發送封包 (broadcasting) 以及向機器子集發送封包 (multicasting)。
2. 地理範圍 (Scale)：
   • 個人區域網路 (PAN – Personal Area Network)： 覆蓋個人周邊範圍，通常用於連接個人裝置，如電腦與周邊設備（鍵盤、滑鼠、印表機）或行動裝置與耳機。藍牙和 RFID 常用於 PAN。
   • 區域網路 (LAN – Local Area Network)： 覆蓋單一建築物，如家庭、辦公室或工廠。用於連接電腦和消費性電子產品，共享資源和交換資訊。有線 LAN 主要使用乙太網路 (Ethernet)，無線 LAN 主要使用 IEEE 802.11 (Wi-Fi)。 LAN 通常為私人所有，公司使用的 LAN 稱為企業網路。
   • 都會區域網路 (MAN – Metropolitan Area Network)： 覆蓋城市範圍。常見例子是有線電視網路和 IEEE 802.16 (WiMAX)。
   • 廣域網路 (WAN – Wide Area Network)： 覆蓋廣泛地理區域，如國家或大陸。通常由路由器和傳輸線組成，連接位於不同城市的辦公室。 WAN 可以使用租用線路，也可以使用網際網路形成虛擬私人網路 (VPN)。行動電話網路也是一種 WAN。WAN 通常由不同的實體擁有和營運。
3. 網際網路 (Internetwork)： 連接兩個或多個不同網路的集合。網際網路中最著名的例子是全球性的網際網路 (Internet)。不同網路通過稱為閘道器 (gateway) 的裝置連接，根據操作的協定層級不同，又稱為路由器 (router)。路由器在網路層級進行封包轉送。

不同範圍的網路使用不同的傳輸技術（例如，銅線、光纖、無線電、微波）並面臨不同的設計挑戰（例如，頻寬、延遲、錯誤率、規模）。

網路軟體結構與協定層級

為降低設計的複雜性，大多數電腦網路都組織成協定層級 (Protocol Hierarchies)，每一層都建立在下一層之上。
* 層 (Layers)： 每一層都提供特定服務給上一層，同時隱藏服務的實作細節。層與層之間定義清晰的介面 (Interface)。
* 協定 (Protocols)： 同一層在不同機器上的實體 (peers) 之間的通訊規則和慣例。協定定義了交換訊息的格式和意義。
* 協定層級的好處： 降低設計複雜性、模組化、易於替換層的實作、隱藏實作細節。
* 設計考量： 網路層級的設計需要考慮可靠性（錯誤控制、尋徑）、成長與演進（定址、互通性）、資源分配（多工、流量控制、壅塞控制、服務品質）、以及安全（機密性、完整性、認證）。
* 服務類型： 層級可以提供兩種主要服務給上一層：
* 連線導向服務 (Connection-Oriented Service)： 類似電話系統，需要建立、使用和釋放連線。保證資料順序和可靠性（如果提供可靠服務）。
* 無連線服務 (Connectionless Service)： 類似郵政系統，每個訊息（封包）獨立傳送。不保證順序，通常是不可靠的 (best-effort)。
* 服務原語 (Service Primitives)： 正式定義服務提供的操作集合，允許上層存取下層服務。

重要的參考模型

為了理解網路架構，有兩個主要的參考模型被廣泛討論：
1. OSI 參考模型 (OSI Reference Model)： 由 ISO 定義的七層模型。強調服務、介面和協定的區分。雖然其協定套件並未廣泛採用，但模型本身對網路概念的討論具有重要影響力。七層由下而上依序為：實體層、資料鏈結層、網路層、傳輸層、會議層、表達層、應用層。
2. TCP/IP 參考模型 (TCP/IP Reference Model)： 基於網際網路實際使用的協定而建立的模型。模型本身較不通用，但其協定套件（如 TCP 和 IP）被廣泛使用。經典模型為四層：鏈結層、網際網路層、傳輸層、應用層。
本教材採用一種混合模型，通常為五層：實體層、鏈結層、網路層、傳輸層、應用層。這種模型結合了 OSI 的概念清晰性和 TCP/IP 的實際應用性。

實際網路範例

數種重要的實際網路例子展現了不同的設計和技術：
* 網際網路 (Internet)： 一個龐大的互連網路集合，使用 TCP/IP 協定。起源於 ARPANET，經歷了從研究網路到全民使用的演變。其架構包括骨幹網路、網際網路服務提供商 (ISP)、交換點 (IXP) 以及連接最終使用者的接入網路（如 DSL、有線電視、光纖到家）。網際網路主要提供無連線的 IP 服務，但在其內部和邊緣也採用了一些連線導向技術。
* 第三代行動電話網路 (3G Mobile Phone Networks)： 提供數位語音和寬頻資料服務，是全球最成功的網路之一。採用蜂巢式設計來重複利用無線頻譜。從類比的 1G 發展到數位的 2G (GSM) 和 3G (UMTS/CDMA2000)，核心網路也從電路交換逐漸轉向封包交換。行動性和尋找行動裝置是其重要特性。
* 無線區域網路 (Wireless LANs – 802.11)： 廣泛用於家庭、辦公室和公共場所。基於 IEEE 802.11 (Wi-Fi) 標準，在非授權頻段操作。使用 CSMA/CA 進行通道共享。提供多種傳輸速率，並支援基於存取點的基礎設施模式或裝置間的 Ad hoc 模式。安全是其重要課題。
* RFID 和感測器網路 (RFID and Sensor Networks)： 將網路擴展到日常物品和環境監測。RFID 使用無線電識別標籤和讀取器進行通訊，標籤通常無電池。感測器網路由小型節點組成，可感測環境並無線傳輸資料，常形成多跳網路。這些技術成本低廉，但面臨能源、安全和易用性挑戰。

網路標準化組織

標準化對於確保不同廠商的設備和軟體能夠協同工作至關重要。主要的標準化組織包括：
* ITU (International Telecommunication Union)： 聯合國機構，負責協調全球電信標準，特別是電信傳輸和無線電頻譜分配。
* ISO (International Standards Organization)： 全球性標準組織，涵蓋廣泛領域，包括電腦網路（與 ITU-T 合作）。
* IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)： 專業技術組織，制定眾多技術標準，尤其在 LAN 領域（如 802 系列）。
* IETF (Internet Engineering Task Force)： 負責網際網路技術標準的組織，遵循「粗略共識和可執行程式碼」原則，制定網際網路協定（如 IP、TCP、HTTP），發布 RFC 文件。
* W3C (World Wide Web Consortium)： 致力於發展 Web 標準，如 HTML 和 XML。

這些組織共同塑造了網路技術的發展方向，確保了全球範圍內的互通性，並促進了產業競爭和技術創新。

度量單位

在電腦網路領域，資料傳輸速率通常使用國際單位制 (Metric Units)，以 10 的冪次表示 (例如 kbps = 10^3 bps, Mbps = 10^6 bps, Gbps = 10^9 bps)。儲存容量則常使用 2 的冪次 (例如 KB = 2^10 bytes, MB = 2^20 bytes)。