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無線通訊系統概論
行動通訊與網路
Chapter 09
網路協定
簡介


通訊雙方在網路上交換資訊必須遵循一個共通
的語言。技術上來說，這就是指網路協定。網
路協定是讓網路上不同位置的個體都能夠遵循
的一組規則。
本章會概述OSI（Open Systems Interconnection
）參考模型。OSI 參考模型是協定發展的一個
共通參考。而實務上是以TCP/IP（Transmission
Control Protocol/Internet Protocol）協定堆疊（
Protocol stack）為主。TCP/IP 是目前為止最受
歡迎的網路協定，研究此堆疊能幫助瞭解實務
上的網路需求。
第 9 章 網路協定 第 229
頁
2
簡介
目前的IP 版本是IPv4（Internet Protocol
version 4），使用32 個位元來表示網路上的
一台主機或節點。這樣的空間是非常有限
的，因此提出IPv6（Internet Protocol version
6），其使用128 個位元，能解決IP位址匱
乏的問題，同時也增加許多新的特色。
 網路協定與分散式應用的標準模型是國際
標準組織（ International Standards
Organization; ISO）的OSI 模型。OSI 的發
展係始於1970 年代末期，然後在1980 年代
末期與1990 年代初期才算成熟

第 9 章 網路協定 第 229
頁
3
圖 9.1 OSI模型
應用層
第七層
表達層
第六層
會議層
第五層
傳輸層
第四層
網路層
第三層
資料連結層
第二層
實體層
第一層
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頁
4
第一層：實體層

實體層支援電子或機械的介面連至實體媒介
，並執行資料連結層所要求的服務。實體層
的主要功能如下：
建立與結束通訊媒介的連線。
2. 協助通訊資源有效地讓多個用戶共用（譬如，
解決壅塞與流量控制）。
3. 轉換用戶端設備的數位資料與通訊通道的傳送
信號。
1.
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5
第一層：實體層

實體層負責下面這些：
介面與媒體的實體特徵。
2. 位元表示、傳輸率、位元同步。
3. 連結設定。
4. 實體拓樸與傳輸模式。
1.
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頁
6
第二層：資料連結層

資料連結層提供網路個體之間傳送資料的
所需功能與步驟，並偵測及試圖修正發生
於實體層的錯誤資料連結層負責下面這些
：
1.
2.
3.
4.
5.
訊框化。
實體定址。
流量控制。
錯誤控制。
存取控制。
第 9 章 網路協定 第 231
頁
7
第三層：網路層

網路層提供從來源端傳送變動長度的資料
序列至目的端所需的功能與步驟，並維護
傳輸層的QoS 要求網路層負責下面這些：
邏輯定址。
2. 路由。
1.
第 9 章 網路協定 第 231
頁
8
第四層：傳輸層

傳輸層的目的是提供終端用戶能透明地資
料傳送，因此要使資料傳輸是可靠且有效
率的。
服務點定址。
2. 切割（segmentation）與重組（reassembly）。
3. 連線控制與流量控制。
4. 錯誤控制。
1.
第 9 章 網路協定 第 231-232
頁
9
第五層：會議層
會議層提供管理用戶端之間應用程序的機制
。它支援雙工或半雙工運作，並建立查核點
（checkpointing）、延期（adjournment）、
結束與重新開始等步驟。
 會議層負責下面這些：

對話控制。
2. 同步。
1.
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頁
10
第六層：表達層

表達層解決應用層對於用戶兩端系統在資
料表示上句法差異的議題。表達層負責下
面這些：
轉譯。
2. 加密。
3. 壓縮。
1.
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11
第七層：應用層

應用層是最高的階層。此層接合用戶端的
應用服務，提供相關的服務包括語意（
semantic）轉換，並發送服務要求至表達層
。應用層負責下面這些：
網路虛擬終端機。
2. 檔案傳輸、存取與管理。
3. 郵件服務。
4. 目錄服務。
1.
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12
圖9.2 TCP/IP 協定堆疊
OSI 各層
TCP/IP 各層
應用層
DNS
表達層
應用
會議層
傳輸層
網路層
FTP,
Telnet,
SMTP
TCP
IP
UDP
OSPF DHCP ICMP IGMP
資料連結層
廠商在底層的實作
實體層
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網路層
IP（Internet Protocol）是網路層協定，在網
路上提供非連線式、盡力而為的封包傳送
方式。所謂盡力而為是指不進行錯誤檢查
或追蹤傳送封包的順序。它假設較上層的
協定會處理封包傳送的可靠性問題。
 傳送的封包稱為資料包（datagram）。各資
料包是相互獨立地傳送，而可能行經不同
的路由而抵達目的端。IP支援分割與重組資
料包的機制，來因應具有不同最大傳送單
位（maximum-transmission unit; MTU）大
小的資料連結。

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網路層
網際網路控制訊息協定（Internet control
message protocol; ICMP）是提供錯誤回報與
查詢某一主機或路由的機制。
 網際網路群組管理協定（Internet group
management protocol; IGMP）是用來維護一
個網域中多點傳送（multicast）群組的成員
。類似 ICMP，它使用查詢與回覆訊息來維
護多點傳送群組的成員。

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網路層
動態主機設定協定（dynamic host
configuration protocol; DHCP）是設計在網
域中進行 IP 位址之動態分配。此協定是
BOOTP（bootstrap protocol）協定的延伸，
提供一種機制讓行動節點在移動至另一個
網路時能從DHCP伺服器獲得一個IP位址。
 網際網路路由協定有一些在網路層廣泛所
使用的路由協定是RIP（routing information
protocol）、OSPF（open shortest path first
），以及BGP（border gateway protocol）。

第 9 章 網路協定 第 234-235
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網路層



RIP：RIP 是一種以距離向量為基礎的內部路
由協定。它使用Bellman-Ford 演算法（將在接
下來的章節討論）來計算路由表
OSPF：OSPF 設計用於IP 網路的內部路由協
定。此協定是基於最短路徑優先（shortest path
first; SPF）演算法，有時稱為Dijkstra 演算法
。OSPF支援階層式路由，將主機們分割成自
主系統（autonomous systems; AS）。
BGP：BGP 是網路之間（interdomain）或AS
之間（interautonomous system）的路由協定。
透過BGP ， AS 相互通訊以交換連結資訊。
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TCP



TCP是一種連線導向、可靠的傳輸協定，資料
係以位元串流在傳送。在發送端， TCP 將資料
串流分成較小的單位稱做數據段（segment）。
TCP 會在各數據段標示一個序號。此序號能協
助接收端重新排列封包的順序，並偵測是否有
任何遺失的封包。如果在傳輸過程中有封包遺
失，那麼TCP 會重送資料，直到收到接收端的
正面應答（positive acknowledgment; positive
ACK）。
TCP 也可以偵測重複的訊息，並提供流量控制
機制，因為有時發送端的傳送速度會超過接收
端所能處理的速度。
第 9 章 網路協定 第 235-236
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應用層
在TCP/IP 係將OSI 的最上面三層──會議、
表達與應用層──合而為一個層，叫做應用
層。
 一些於此層運作的應用服務包括DNS（
domain name server）、SMTP（simple mail
transfer protocol）、Telnet、FTP（file
transfer protocol）、遠端登入（Rlogin）與
NFS（network file system）。

第 9 章 網路協定 第 236
頁
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使用Bellman-Ford 演算法之路由
一個很費時的步驟是從源點至目的端之間
選取一條路由。選取適當的路徑能降低通
訊延遲
 令 n 為網路中的節點數量。w(u,v)是節點 u
與 v 所形成的邊 uv 之成本（權重），d(u)
是節點 u 與根節點之間的距離，初始值設
為 ∞。對每一個邊uv，設定d(v)＝
min[d(v),d(u) ＋ w(u,v)]。

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頁
20
圖9.3 無線網路的圖學抽象模型
6
1
4
3
2
3
3
1
-1
4
3
0
2
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根
頁
21
圖9.4 範例網路的Bellman-Ford
演算法之步驟
至節點
0
1
2
3
4
至節點
0
1
2
3
4
經過 0
0
8
8
8
8
經過 0
*
8
8
8
8
經過 1
0
8
3
8
2
經過 1
*
8
0
8
0
經過 2
0
7
3
1
2
經過 2
*
2
0
4
0
經過 3
0
4
3
1
2
經過 3
*
3
0
4
0
經過 4
0
4
3
1
2
經過 4
*
3
0
4
0
(a)依序計算相距節點
(b)從節點0至其他網路
0之距離d(u)
節點之前繼節點
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有線TCP 的限制
在有線網路環境使用傳統TCP的主要顧慮是
封包遺失，因為網路上的各節點都可能發
生壅塞。當系統唯一的錯誤來源是壅塞時
， TCP 壅塞避免（congestion-avoidance）
機制就是極為有用的。
 同樣的機制卻無法適用在無線網路，因為
以空氣做為封包傳輸的媒介就有可能會發
生錯誤。錯誤的來源也可能是因為用戶的
移動性。在這些情況， TCP 的壅塞避免與
錯誤復原（error-recovery）機制會造成不必
要的重送，使得頻寬的使用變得很沒效率
。

第 9 章 網路協定 第 238
頁
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無線環境的解決方案
點對點解決方案
 TCP-SACK：標準TCP 使用累積式應答方
案，也就是發送端無法在一個傳輸視窗復
原多個封包遺失。
 WTCP（wireless wide-area transmission
control protocol）：WTCP 協定是一種可靠
的傳輸層協定，用於具無線連結的網路。
 Freeze-TCP協定：freeze-TCP的主要概念是
將即將斷線的責任移至使用者端。

第 9 章 網路協定 第 239
頁
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無線環境的解決方案
點對點解決方案
 EBSN（explicit bad state notification）：
EBSN 使用BS的局部重送機制來解決無線
網路連結的錯誤，並改進TCP在無線網路連
結上運作的效能。
 快速重送（fast retransmission）：快速重送
的作法試圖減少MS換手的效應。

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無線環境的解決方案
連結層協定
 可靠的連結層協定可分為兩大類：

錯誤校正，使用像是FEC 等技術。
2. 回應ARQ 訊息，重送遺失封包。
1.
第 9 章 網路協定 第 240
頁
26
無線環境的解決方案




連結層協定
TULIP（transport unaware link improvement
protocol）： TULIP 係提供一個連結層，是與上層
無關的協定，它不需要知道TCP 的狀態，利用TCP
的逾時，使無線網路連結的頻寬能有效率的使用。
AIRMAIL 協定：AIRMAIL 是Asymmetric Reliable
Mobile Access in Link Layer的縮寫。此協定結合
FEC 與ARQ 技術來處理遺失復原。
Snoop 協定：在snoop 協定， BS 會使用一個snoop
代理人。此代理人會監控連結介面，當發現有任何
TCP 數據包是要給MS的，就會暫存至緩衝區。
第 9 章 網路協定 第 240
頁
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無線環境的解決方案
分割TCP 的作法
 I-TCP（Indirect-TCP）：I-TCP 是一種分割
連線的解決方案，其在有線連結上使用標
準TCP
 M-TCP 協定：在此作法，當接收端已ACK
某資料， BS 會將ACK 送回發送端，因此
，仍有點對點的味道，不過它也會將發送
端（固定式主機）與行動接收端（MS）之
間的連線分割成兩部分：一段是固定式主
機至BS ，另一段是BS 至MS ，其使用客製
的無線協定。

第 9 章 網路協定 第 240-241
頁
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從IPv4 轉換至IPv6
IPv4 已廣泛地用於有線網路的資料通訊。
我們將先介紹此協定，以瞭解其格式。這
點是很重要的，因為我們必須兼顧許多現
有的IPv4 主機與IPv4 路由器的相容性。
 IPv4 使用一個32 位元位址來提供非可靠性
、非連線式，盡力而為（best effort）的傳
送服務。資料包（datagram ，即IP 層中的
封包）可能需要分割成更小的資料包，因
為在某些實體網路會有最大封包大小的限
制。它也需要檢查碼（checksum）來保護
資料在傳輸過程中遭遇到錯誤。

第 9 章 網路協定 第 241
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圖9.5 IPv4 標頭格式
版本
標頭長度
(4 位元) (4 位元)
服務類型
(8 位元)
總長度
(16 位元)
識別碼
旗標
片段移位
(16位元)
(3 位元)
(13 位元)
存活時間
協定
標頭檢查碼
(8 位元)
(8 位元)
(16 位元)
來源位址 (32 位元)
目的位址 (32 位元)
選項與填充 (如果有的話)
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圖9.6 IPv6 的格式
版本
流量類別
承載長度
流量標示
下一個
躍數
標頭
上限
來源位址
目的位址
資料
第 9 章 網路協定 第 243
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31
表9.1 IPv6 的格式
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頁
32
IPv6 的特色

IPv6 使用128 個位元的位址來識別網際網路
上的一台主機（節點）。IPv6的獨特之處概
述如下：
 位址空間
 資源分配
 變更標頭格式
 支援安全性
第 9 章 網路協定 第 244
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IPv6 與 IPv4 之間的差異

IPv6 與IPv4 之間的主要差異如下：
 擴充位址能力
 簡化的標頭格式
 支援更多選項與擴充
 流量標記能力
 支援驗證與加密
第 9 章網路協定 第 243
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