2026 年 05 月 05 日
CH7 — LAN 區域網路
📋 大綱
1📡 IEEE802 委員會 — 成立背景、各工作群組、與 OSI 對應
2🌐 乙太網路協定 — Ethernet 2.0 vs IEEE 802.3、CSMA/CD
3📦 訊框格式 — Preamble、MAC 位址、Etype、資料、FCS
4🔀 交換式乙太網路 — 碰撞網域、廣播網域、MAC 學習
5⚡ 乙太網路深入探討 — 5-4 法則、最小訊框法則、速度演進
6📶 802.11 無線網路 — DCF/PCF、CSMA/CA、RTS-CTS、NAV
📡 1｜IEEE802 委員會
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成立背景
📅 1980 年 2 月成立
委員會名稱取決於 IEEE 一系列委員會的序號，與其成立的時間相仿無關。
主要針對 LAN（區域網路）、MAN（都會網路）、HSN（高速網路）制訂標準。
主要工作群組
| 群組 | 內容 | 現況 |
|---|---|---|
| 802.1 | 高階層介面 (HLI) 標準 | 運作中 |
| 802.2 | LLC（邏輯鏈路控制） | 已解散 |
| 802.3 | 乙太網路（Ethernet） | 運作中 |
| 802.4 | 記號匯流排（Token Bus） | 已解散 |
| 802.5 | 記號環（Token Ring） | 已解散 |
| 802.11 | 無線區域網路（WLAN） | 運作中 |
| 802.15 | 藍牙、ZigBee（WPAN） | 運作中 |
| 802.16 | 寬頻無線存取（WiMAX） | 暫停 |
💡 延伸學習
802.3 目前已發展到 802.3cm（400Gbps）、802.3db（2.5Gbps）等標準。802.11 的 Wi-Fi 6（802.11ax）與即將到來的 Wi-Fi 7（802.11be）也都是由這個委員會制定。
IEEE802 與 OSI 對應
應用層 OSI 7層
802.1 橋接 / HLI 對應網路層
802.2 LLC 對應資料連結層（上）
802.3 / 802.4 / 802.5 MAC 對應資料連結層（下）
實體層 實體層
▶ 802.1：橋接（Bridging）標準，連接不同 LAN
▶ 802.2：LLC（Logical Link Control），提供可靠的邏輯鏈路
▶ 802.3~802.5：實體層 + MAC 子層，定義如何「競爭」傳輸媒介
▶ 802.2：LLC（Logical Link Control），提供可靠的邏輯鏈路
▶ 802.3~802.5：實體層 + MAC 子層，定義如何「競爭」傳輸媒介
代表性區域網路架構
▶ 1980 年代：802.3（CSMA/CD 乙太網路）、802.4（Token Bus）、802.5（Token Ring）三強鼎立
▶ 1990 年代：乙太網路勝出，Token Ring 逐漸被取代
▶ 目前：802.3 有線、乙太網路 + 802.11 無線為主流
▶ 1990 年代：乙太網路勝出，Token Ring 逐漸被取代
▶ 目前：802.3 有線、乙太網路 + 802.11 無線為主流
🌐 2｜乙太網路協定
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Ethernet 2.0 與 IEEE 802.3 的由來
1980
Ethernet 2.0（DIX）
由 DEC、Intel、Xerox 三家公司共同制定。
DIX 1.0 → DIX 2.0（1982）
標準文件：Ethernet Version 2
DIX 1.0 → DIX 2.0（1982）
標準文件：Ethernet Version 2
1983
IEEE 802.3
由 IEEE 802 委員會參考 DIX 制定。
補充：802.3a（細同軸電纜）、802.3z（光纖）等。
訊框格式與 Ethernet 2.0 略有不同，但可互通
補充：802.3a（細同軸電纜）、802.3z（光纖）等。
訊框格式與 Ethernet 2.0 略有不同，但可互通
CSMA/CD 協定
🔑 Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection
乙太網路用來決定「誰可以發送、發送時衝突怎麼辦」的核心機制。
CS
Carrier Sense
傳送前先聽網路上有沒有人正在傳輸
「先聽再送」
「先聽再送」
MA
Multiple Access
多台設備共享同一傳輸媒介（匯流排拓撲）
大家都可以發送
大家都可以發送
CD
Collision Detection
發送時持續監測是否與他機碰撞
「送完再聽」
「送完再聽」
CSMA/CD 處理流程
1
傾聽媒介 — 確認目前沒有人傳輸（Carrier Sense）
2
開始傳送 — 取得發送權，開始傳送資料
3
監控碰撞 — 若偵測到訊號異常（電壓重疊），判定為碰撞
4
發送 Jam Signal — 發送 32 位元「1」堵塞訊號，通知所有節點
5
退讓等待 — 隨機等待一段時間（2ⁿ-1 Slot Time）再重試
6
回到步驟 1 — 重新傾聽並嘗試傳送
💡 為何要等隨機時間？
若碰撞後所有設備同時等相同時間，會再次同時發送造成二次碰撞。
2ⁿ-1 中的 n 為碰撞次數，碰撞次數越多，等待範圍越大（指數退避）。
碰撞處理
▶ 發送點停止資料傳送
▶ 送出「堵塞訊號」(Jamming Signal)：32 位元全為 1
▶ 清除網路線上殘留訊號，通知所有節點發生了碰撞
▶ 各節點必須等一段隨機時間再進行載波感測
▶ 送出「堵塞訊號」(Jamming Signal)：32 位元全為 1
▶ 清除網路線上殘留訊號，通知所有節點發生了碰撞
▶ 各節點必須等一段隨機時間再進行載波感測
📦 3｜乙太網路訊框格式
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Ethernet Frame（不含 Preamble）
64 Bytes ≤ Frame ≤ 1518 Bytes
Preamble
8 Bytes
同步時脈（Ethernet 2.0）
IEEE 802.3：7B + 1B SFD
IEEE 802.3：7B + 1B SFD
Dest / Src MAC
6B + 6B
48 位元 MAC 位址
廣播：FF-FF-FF-FF-FF-FF
廣播：FF-FF-FF-FF-FF-FF
EtherType
2 Bytes
0800=IP、0806=ARP
≤1500 為 Length（802.3）
≤1500 為 Length（802.3）
FCS
4 Bytes
CRC-32 錯誤檢查
硬體線路處理
硬體線路處理
Ethernet 2.0 vs IEEE 802.3 訊框差異
| 項目 | Ethernet 2.0 | IEEE 802.3 |
|---|---|---|
| Preamble | 8 Bytes | 7 Bytes + 1 Byte SFD |
| 第三欄位 | EtherType（類型） | Length（長度）≤1500，後相容 EtherType |
| 發展時間 | 1980（DIX 1.0） | 1983（IEEE 802.3） |
| 實務 | 較廣泛使用 | 兩者互通 |
💡 為何同一欄位（第三欄位）可以同時代表長度和類型？
乙太網路最大資料 payload 為 1500 Bytes，而 EtherType 從 0x0600（1536）起跳。
所以：值 ≤ 1500 → Length（802.3）、值 ≥ 0x0600 → EtherType（Ethernet 2.0），兩者不會衝突。
訊框大小規範
📏 64 ~ 1518 Bytes（不含 Preamble）
最小 64 Bytes = 6+6+2+46+4：確保障道碰撞偵測時間足夠（512 位元傳送時間）
最大 1518 Bytes = 6+6+2+1500+4：避免單一訊框占據通道過久
IPv4 vs IPv6 封包大小
| 項目 | IPv4 | IPv6 |
|---|---|---|
| Header 大小 | 最小 20 Bytes（無 options） | 固定 40 Bytes |
| 最大封包 | 65,535 Bytes（16-bit Total Length） | 65,535 Bytes（16-bit Payload Length） |
| 實務 MTU | ~1500 Bytes | ~1500 Bytes（受乙太網路限制） |
| 最小內容 | 46 Bytes（配合 CSMA/CD） | 無嚴格要求（header 已 40B） |
為何 IPv4 有 46 Bytes 最小內容限制？
▶ IPv4 的 46 Bytes 最小內容是為了配合 CSMA/CD 碰撞偵測（512 位元傳送時間）
▶ IPv6 設計時已不需要相容古老硬體限制，因此無此要求
▶ IPv4 的 46 Bytes 最小內容是為了配合 CSMA/CD 碰撞偵測（512 位元傳送時間）
▶ IPv6 設計時已不需要相容古老硬體限制，因此無此要求
🔀 4｜交換式乙太網路
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Hub vs Switch — 核心差異
Hub（集線器）
共享碰撞網域
所有連接埠在同一碰撞網域
收到的封包會複製到所有其他埠
效率低、衝突多
收到的封包會複製到所有其他埠
效率低、衝突多
Switch（交換器）
每埠獨立碰撞網域
每個連接埠是獨立的碰撞網域
依 MAC 位址學習，精準轉發
全雙工、不需 CSMA/CD
依 MAC 位址學習，精準轉發
全雙工、不需 CSMA/CD
碰撞網域與廣播網域
▶ 碰撞網域：使用 Hub 連接時，所有設備在同一碰撞網域，任何衝突都會影響全體
▶ 廣播網域：同一廣播域內的設備可收到廣播封包（FF-FF-FF-FF-FF-FF）
▶ 交換式集線器：每個埠為獨立碰撞網域，但仍在同一廣播網域
▶ 廣播網域：同一廣播域內的設備可收到廣播封包（FF-FF-FF-FF-FF-FF）
▶ 交換式集線器：每個埠為獨立碰撞網域，但仍在同一廣播網域
交換式網路的運作 — MAC 學習
1
初始狀態 — 交換器的 MAC 表是空的（記憶體空白）
2
學習 — 收到訊框後，記錄「來源 MAC → 接收埠」
3
轉發 — 若目標 MAC 在表中，只從對應埠轉發；若不在，向所有埠泛洪
4
老化 — 記錄一段時間後刪除（保持最新），斷電後學習記錄消失
💡 泛洪（Flooding）與單播（Unicast）
當目標 MAC 位址不在 MAC 表中時，交換器會將訊框泛洪（flooding）到所有其他埠，這是正常的學習過程。等目標回覆後，交換器就能學到正確的埠位址。
轉接判斷
▶ 以接收訊框目的端 MAC 位址進行路徑判斷
▶ 目的節點與來源節點屬於相同連接埠：不將訊號傳送到其他連接埠（節省頻寬）
▶ 目的節點與來源節點屬於相同連接埠：不將訊號傳送到其他連接埠（節省頻寬）
⚡ 5｜乙太網路協定的進一步探討
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5-4 法則與時槽時間
⏱ Slot Time = 512 位元傳送時間 = 51.2 μs（@ 10 Mbps）
最初根據 10Base5（粗同軸電纜，最大段長 500m）的物理特性分析得出「5-4 法則」：最多 5 個區段、4 個中繼器，總覆盖 2500m。
512 位元的傳送時間剛好足夠信號來回傳遞並偵測碰撞，這就是最小訊框 64 Bytes的由來。
乙太網路速度演進
10 Mbps
10Base5 → 10Base2 → 10Base-T
粗同軸 → 細同軸 → 雙絞線
最大距離 2500m（5-4-3 法則），Slot Time = 51.2 μs
粗同軸 → 細同軸 → 雙絞線
最大距離 2500m（5-4-3 法則），Slot Time = 51.2 μs
100 Mbps
100Base-TX（Fast Ethernet）
傳送速率快 10 倍，但位元時間不變
距離只有 1/10 → 250m（100Base-TX 規範 205m）
傳送速率快 10 倍，但位元時間不變
距離只有 1/10 → 250m（100Base-TX 規範 205m）
1 Gbps
1000Base-T（Gigabit Ethernet）
速率再快 10 倍，距離縮減到約 25m
最小訊框擴大到 512 Bytes（4,096 位元）以維持相容
速率再快 10 倍，距離縮減到約 25m
最小訊框擴大到 512 Bytes（4,096 位元）以維持相容
10 Gbps+
10GBase-T → 400GBase
全雙工傳輸，徹底排除碰撞
CSMA/CD 已無存在必要，但最小訊框規範仍被保留
全雙工傳輸，徹底排除碰撞
CSMA/CD 已無存在必要，但最小訊框規範仍被保留
💡 為何到 1 Gbps 要將最小訊框擴大到 512 Bytes？
若保持 64 Bytes，1 Gbps 的 512 位元傳送時間只有 0.512 μs，光在 250m 光纖中來回的時間（約 1.25 μs）就已經超過了，無法完成碰撞偵測。擴大為 512 Bytes 後，4,096 位元的傳送時間（約 4 μs）才足以在實體限制內完成來回偵測。
訊框間隔（Interframe Gap）
▶ 相鄰訊框間有訊框間隔 (IFG)：96 位元（12 位元組）的時程
▶ 讓接收端有時間恢復、準備接收下一個訊框
▶ 訊框間隔後便為前序 (Preamble)
▶ 讓接收端有時間恢復、準備接收下一個訊框
▶ 訊框間隔後便為前序 (Preamble)
碰撞偵測的極限
▶ 一般 Hub 架構：一個以上輸入埠同時有訊號 → 碰撞
▶ 各工作點的偵測判定：不正常訊號振幅、訊框長度小於 64 Bytes
▶ 各工作點的偵測判定：不正常訊號振幅、訊框長度小於 64 Bytes
📶 6｜802.11 無線區域網路協定
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802.11 架構 — 兩種協調功能
PCF
集中式協調功能
Point Coordination Function
Point Coordination Function
由 AP（基地台）扮演協調者
輪詢（Polling）各主機是否要傳送
免競爭（Contention Free）
只適用 Infrastructure 模式
輪詢（Polling）各主機是否要傳送
免競爭（Contention Free）
只適用 Infrastructure 模式
DCF
分散式協調功能
Distributed Coordination Function
Distributed Coordination Function
所有主機互相爭取發送權
競爭式（Contention）
Ad hoc 與 Infrastructure 皆適用
使用 CSMA/CA 機制
競爭式（Contention）
Ad hoc 與 Infrastructure 皆適用
使用 CSMA/CA 機制
為何 wireless 用 CSMA/CA 而非 CSMA/CD？
📡 無線的挑戰：隱藏節點問題
A 與 B 都連接到同一 AP，但彼此之間距離太遠，聽不到對方。當 A 和 B 同時發送時，AP 會收到碰撞，但 A 和 B 都以為媒介閒置，這就是「隱藏節點（Hidden Node）」問題。
CSMA/CD 需要邊發送邊偵測碰撞（CD），但無線訊號強度差異大、設備無法同時發送和接收，所以改用Collision Avoidance（碰撞避免）策略。
CSMA/CA 碰撞避免機制
1
傾聽 — 確認網路沒有資料正在傳送（DIFS 等待）
2
隨機倒數 — 選擇一個隨機槽值（Backoff Window）開始倒數
3
倒數期間傾聽 — 若期間有人傳輸，立即暫停倒數（避免碰撞）
4
倒數歸零 → 發送 — 立即發送 RTS 請求
訊框間隔（Interframe Space）
| 間隔 | 802.11b/g | 802.11a | 用途 | 優先級 |
|---|---|---|---|---|
| SIFS | 10 μs | 16 μs | RTS, CTS, ACK, DATA 確認 | 最高 |
| PIFS | 30 μs | 25 μs | PCF 免競爭傳送 | 第二 |
| DIFS | 50 μs | 34 μs | DCF 正常競爭傳送 | 第三 |
| EIFS | 更高 | 更高 | 錯誤發生後才使用 | 最低 |
| Slot Time | 20 μs | 9 μs | 倒數計時基本單位 | — |
RTS / CTS 機制
🔑 解決隱藏節點問題的四步握手
1
RTS（Request to Send） — 發送端對 AP 說「我要發送，請幫我預約」
包含 Duration，告知預留時間
包含 Duration，告知預留時間
2
CTS（Clear to Send） — AP 回覆「可以」並向其他節點廣播
其他節點收到 CTS 後記錄 NAV，在期間不發送
其他節點收到 CTS 後記錄 NAV，在期間不發送
3
資料傳送 — 發送端正式傳送資料
4
ACK — 接收端確認收到，發送端釋放媒介
NAV（網路配置向量）
▶ 包含在 RTS 與 CTS 訊息中，告知需要多久時間才可完成資料傳送
▶ 其他主機看到 RTS 或 CTS 後記錄 NAV 值，在該時段內不發送（虛擬 Carrier Sense）
▶ 結合實體載波感測（實際監聽）與虛擬載波感測（NAV）兩層機制
▶ 其他主機看到 RTS 或 CTS 後記錄 NAV 值，在該時段內不發送（虛擬 Carrier Sense）
▶ 結合實體載波感測（實際監聽）與虛擬載波感測（NAV）兩層機制
💡 RTS/CTS 的代價
RTS/CTS 消耗額外頻寬（兩個控制訊框），所以通常只在傳輸大檔案或隱藏節點問題嚴重的環境中才啟用。小封包直接發送可能更有效率。
802.11 訊框格式
802.11 MAC Frame Structure
最大 Frame：2,312 + 28（header）= 2,340 Bytes
Frame Control
2 Bytes
版本、類型、副類型
To-DS/From-DS、フラグ等
To-DS/From-DS、フラグ等
Duration / ID
2 Bytes
0~32767：持續時間（μs）
32768+：免競爭週期識別碼
32768+：免競爭週期識別碼
Address 1~4
6B × 4
RA/TA/DA/SA
依 To-DS/From-DS 組合而變
依 To-DS/From-DS 組合而變
Sequence Control
2 Bytes
序列號碼（12-bit）
分片號碼（4-bit）
分片號碼（4-bit）
Data Payload
≤ 2,312 Bytes
上層傳遞下來的資料
MSDU（MAC Service Data Unit）
MSDU（MAC Service Data Unit）
FCS
4 Bytes
CRC-32
錯誤檢測
錯誤檢測
💡 802.11 訊框為何比乙太網路大？（2,312 vs 1,500 Bytes）
乙太網路最大 1,500 Bytes 是因為早期網卡記憶體有限，而 802.11 是設計給射頻傳輸用的，無實體線路限制。2,312 Bytes 的上限來自於確保訊框能在合理時間內傳完（否則干擾機率太高）。
位元順序差異（Big-endian vs Little-endian）
TCP/IP
Big-endian
由高位元排列至低位元
網路位元組順序標準
先傳 MSB（Most Significant Byte）
網路位元組順序標準
先傳 MSB（Most Significant Byte）
802.11
Little-endian
由低位元排列至高位元
Frame Control 欄位有位元反轉
讀取時需注意反轉
Frame Control 欄位有位元反轉
讀取時需注意反轉
❓ 問題與討論
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▶ 填充題
▶ 選擇題
▶ 問答題
▶ 填充題
▶ 選擇題
▶ 問答題