乙太網路 (Ethernet) 的功能架構#

乙太網路是目前最普遍的區域網路 (LAN) 技術，定義於 IEEE 802.3 標準，採用 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）作為存取控制機制。

乙太網路訊框結構#

乙太網路以訊框 (Frame) 為傳輸單位，每個訊框包含標頭、資料與校驗碼。

flowchart LR
    A["前導碼\nPreamble\n8 bytes"] --> B["目的 MAC\nDest MAC\n6 bytes"]
    B --> C["來源 MAC\nSrc MAC\n6 bytes"]
    C --> D["類型/長度\nType/Length\n2 bytes"]
    D --> E["資料\nPayload\n46-1500 bytes"]
    E --> F["FCS\n4 bytes"]

乙太網路速率演進#

乙太網路命名規則：速率 + BASE（基頻傳輸）+ 介質代號。例如 1000BASE-T 代表 1 Gbps、基頻、雙絞線 (Twisted pair)。

CSMA/CD 運作原理#

1. 載波偵測 (Carrier Sense)：傳送前先偵測線路是否空閒
2. 多重存取 (Multiple Access)：多台裝置共用同一傳輸媒介
3. 碰撞偵測 (Collision Detection)：若偵測到碰撞，雙方停止傳送，各自等待隨機時間後重試

全雙工 (Full-duplex) 模式下，收發使用獨立通道，不會發生碰撞，因此 CSMA/CD 僅在半雙工 (Half-duplex) 環境下運作。現代交換式乙太網路幾乎皆為全雙工，CSMA/CD 已很少被實際觸發。

L2 交換器 (Layer 2 Switch)#

L2 交換器運作於 OSI 資料連結層，依據 MAC 位址表 (MAC Address Table) 進行訊框轉送，是建構區域網路的核心設備。

運作機制#

flowchart TD
    A["收到訊框"] --> B["記錄來源 MAC\n與連接埠對應"]
    B --> C{"目的 MAC\n在表中？"}
    C -->|是| D{"來源埠 =\n目的埠？"}
    C -->|否| E["泛洪\n(Flooding)"]
    D -->|是| F["丟棄\n(Filtering)"]
    D -->|否| G["轉送至\n目的連接埠"]

L2 vs L3 交換器比較#

Spanning Tree Protocol (STP)：當網路存在冗餘路徑時，STP 會自動封鎖部分連接埠以消除迴圈 (Loop)，避免廣播風暴。RSTP（Rapid STP）可將收斂時間從 30-50 秒縮短至數秒。

無線區域網路 (Wireless LAN)#

無線區域網路依據 IEEE 802.11 系列標準運作，使用 CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）取代有線的 CSMA/CD，因為無線環境無法在傳送時同時偵測碰撞。

主要標準比較#

無線網路核心元件#

無線安全協定#

WEP 加密已被證實可在數分鐘內破解，任何仍使用 WEP 的環境應立即升級至 WPA2 或 WPA3。

Port based VLAN 與 Tag based VLAN#

VLAN（Virtual Local Area Network，虛擬區域網路）透過邏輯方式將一台實體交換器切割為多個獨立的廣播網域，無需額外實體設備即可隔離流量。

Port based VLAN（基於連接埠的 VLAN）#

以交換器的實體連接埠劃分 VLAN 歸屬，每個連接埠只能屬於一個 VLAN。

• 設定方式：管理員將連接埠靜態指定至特定 VLAN ID
• 優點：設定簡單直觀
• 限制：裝置移動至不同連接埠時需重新設定；跨交換器的同一 VLAN 需佔用額外連接埠

Tag based VLAN（基於標籤的 VLAN，IEEE 802.1Q）#

在訊框中插入 VLAN Tag（4 bytes） 標示 VLAN 歸屬，使同一條鏈路可承載多個 VLAN 的流量。

flowchart LR
    subgraph 原始訊框
        A1["目的 MAC"] --> A2["來源 MAC"] --> A3["Type"] --> A4["Payload"] --> A5["FCS"]
    end

    subgraph 802.1Q 標記訊框
        B1["目的 MAC"] --> B2["來源 MAC"] --> B3["802.1Q Tag\n(4 bytes)"] --> B4["Type"] --> B5["Payload"] --> B6["FCS"]
    end

• TPID（Tag Protocol Identifier）：固定為 0x8100，標示此訊框含有 VLAN Tag
• VID（VLAN Identifier）：12 bits，可表示 0-4095 共 4096 個 VLAN

兩種 VLAN 比較#

Trunk 與 Access 連接埠#

• Access Port：屬於單一 VLAN，連接終端裝置（PC、印表機），訊框不帶 Tag
• Trunk Port：承載多個 VLAN 的流量，訊框帶有 802.1Q Tag，用於交換器之間的連線

Native VLAN：Trunk 連接埠上，未加標籤的訊框會被歸入 Native VLAN（預設為 VLAN 1）。為避免安全風險，建議將 Native VLAN 改為非預設值，且兩端交換器的 Native VLAN 必須一致。

VPN（Virtual Private Network，虛擬私人網路）#

VPN 透過加密與隧道 (Tunneling) 技術，在公用網路上建立安全的私有通訊通道，使遠端使用者或分支機構如同直接連線至內部網路。

VPN 核心技術#

VPN 類型比較#

IPsec 的兩種模式#

• 傳輸模式 (Transport Mode)：僅加密原始封包的 Payload，IP 標頭保持不變；適用於端對端通訊
• 隧道模式 (Tunnel Mode)：加密整個原始封包並加上新的 IP 標頭；適用於閘道對閘道（Site-to-Site）

SSL VPN 的最大優勢在於只需瀏覽器即可使用，無需在用戶端安裝專用軟體，特別適合 BYOD（Bring Your Own Device）環境。

虛擬化 (Virtualization)#

虛擬化是將實體資源（伺服器、儲存、網路）抽象化為邏輯資源的技術，使多個虛擬環境可共享同一套實體硬體。

伺服器虛擬化#

在一台實體伺服器上執行多個虛擬機 (VM, Virtual Machine)，每個 VM 擁有獨立的作業系統與應用程式。

flowchart TB
    subgraph 實體伺服器
        HW["硬體\n(CPU / RAM / Storage / NIC)"]
        HV["Hypervisor\n(虛擬化層)"]
        HW --> HV
        HV --> VM1["VM 1\nOS + App"]
        HV --> VM2["VM 2\nOS + App"]
        HV --> VM3["VM 3\nOS + App"]
    end

Hypervisor 類型#

容器 (Container) 與虛擬機比較#

虛擬化的核心價值在於資源整合與彈性調度。一台閒置率 90% 的實體伺服器，透過虛擬化可同時承載多個工作負載，大幅提升硬體使用率。

網路虛擬化#

雲端 (Cloud) 架構#

雲端運算透過網路提供隨需 (On-demand) 的運算資源，使用者無需自行建置與維護實體基礎設施。

雲端部署模型#

雲端服務分層架構#

flowchart TB
    subgraph 使用者管理範圍
        APP["應用程式"]
        DATA["資料"]
        RT["Runtime"]
        MW["Middleware"]
        OS["作業系統"]
    end

    subgraph 供應商管理範圍
        VIRT["虛擬化"]
        SRV["伺服器"]
        STR["儲存"]
        NET["網路"]
    end

    APP --> DATA --> RT --> MW --> OS --> VIRT --> SRV --> STR --> NET

上圖為完整的基礎設施堆疊。IaaS、PaaS、SaaS 三種服務模型的差異在於使用者與供應商之間的管理責任分界線在堆疊中的位置不同。

IaaS（Infrastructure as a Service，基礎設施即服務）#

IaaS 提供虛擬化的運算、儲存與網路等基礎設施資源，使用者自行管理作業系統以上的所有層級。

PaaS（Platform as a Service，平台即服務）#

PaaS 在 IaaS 基礎上進一步提供應用程式開發與部署平台，使用者只需專注於程式碼與資料。

SaaS（Software as a Service，軟體即服務）#

SaaS 將完整的應用程式以服務形式透過網路提供，使用者直接使用軟體功能，無需安裝或維護。

IaaS / PaaS / SaaS 責任分界#

即使使用 SaaS，資料治理仍為使用者責任。備份策略、存取權限、合規稽核皆不可假手供應商。