第二章 電腦網路的構成

講師　駱宏順

民生高級家事商業職業學校 2010.11.08

說明流程 2-1 網路簡介

2-2 網路組成架構簡介

2-3 區域網路連結模式

2-4 承載訊號與傳輸方式

備註：可依進度點選小節

2-8 認識通訊協定

2-9 有線區域網路

2-10 網路連線裝置

2-11 無線傳通訊輸

2-5 連線傳輸技術

2-6 網路傳輸媒介

2-7 網路參考模型

2-12 無線區域網路通訊標準

2-13 行動通訊系統

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網路的目的本來就是在於交換訊息與資料之用，透過電話網路，就可以與他人進行語音聯絡、傳真訊息等等。

2-1 網路簡介

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是一種最小規模的網路連線方式，可以只包含兩或三部彼此連線而共享資源的個人電腦，它也可以包含數百部不同種類的電腦。

區域網路

區域網路示意圖

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是一個較大型的網路，將一些小型的區域網路使用了橋接器、路由器等裝置連接而成為較大型的區域網路。

都會網路

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連接無數個區域網路與都會網路，可能是都市與都市、國家與國家，甚至於全球間的聯繫。

廣域網路

廣域網路示意圖

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伺服器型網路 伺服器型網路不僅包含電腦節點，也包含一部中央電腦，並具有當作共享儲存設備的高容量硬碟。

2-2 網路組成架構簡介

採用伺服器型網路，各伺服器會有專門管理的資源

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優點簡單且設置成本便宜，只要具備網路線與網路卡，就可以將電腦彼此連結為一個網路，最常見的應用就是分享印表機了。

缺點維護不易，只能使用於小型網路中，如果今日印表機從 A 電腦移至 B 電腦，則先前透過網路使用這台印表機的其它電腦，就必須重新設定才可以再使用這台印表機。

對等型網路

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對等型網路結構示意圖

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匯流排式拓樸 優點

如果要在網路中加入或移除電腦裝置都很方便，所使用的材料也頗為便宜，而且比任何網路拓樸都使用比較少的纜線適用於剛起步的小型辦公室網路來使用。

缺點維護不易，如果某段線路有問題，整個網路就無法使用，且需逐段檢查以找出發生問題線段並加以更換。

2-3 區域網路連結模式

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匯流排式拓樸

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在星狀拓樸中，個別的電腦會使用各自的線路連接至一台中間連接裝置，這個裝置通常是集線器（ Hub ），所有的節點被連接至集線器並透過它進行溝通。

星狀拓樸

星狀拓樸示意圖

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環狀拓樸一般較不常見，使用環狀拓樸的網路主要有 IBM 的「符記環」（ Token Ring ）網路，符記環網路使用「符記」 (token) 來進行資料的傳遞。

優點是網路上的每台電腦都處於平等的地位，

缺點是當網路上的任一台電腦或線路故障，其它電腦部會受到影響。

環狀拓樸

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環狀網路示意圖

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由於每個裝置至少與其它兩個裝置進行連接，所以網狀拓樸的網路會具備有較高的容錯能力，也就是如果此條線路不通，還可以用另外的路徑來傳送資料。但網狀拓樸的成本較高，要連接兩台以上的裝置也較為複雜，所以建置不易，一般還是很少看到網狀拓樸的應用。

網狀拓樸

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網狀拓樸示意圖

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通常資料的承載訊號可分成「數位」與「類比」兩種。「數位」就如同電腦中階段性的高低訊號，而「類比」則是一種連續性的自然界訊號 ( 如同人類的聲音訊號 ) 。如下圖所示：

2-4 承載訊號與傳輸方式

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在單工傳輸模式 (Simplex Transmission Mode) 的環境中，發送端是做為傳送資料的工作，而接收端就只能做接收資料的工作。 單工傳輸模式只能遵循著一種方向來進行資料傳送。例如一般廣播系統中，電波發射器只能做發射訊號動作，而收音機就只能做接收訊號的動作一樣。

單工傳輸

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在半雙工傳輸模式 (Half-duplex Transmission) 的環境中，發送端與接收端一次只能做一種傳輸動作，當發送端在進行資料傳輸時，接收端便不能做傳送動作。例如一般市面上火腿族所用的無線電就是一種半雙工的傳輸設備。

半雙工傳輸

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在全雙工傳輸 (Full-duplex Transmission) 環境中，發送端與接收端可同時做傳送與接收的動作。例如日常生活上，電話就是最常見的全雙工傳輸設備，當我們在向對方發話的同時，對方也能夠同步發話給我們。

全雙工傳輸

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「頻寬」以每秒能夠傳輸資料量的多寡來表示資料的傳輸速率，計算的單位則是用每秒多少位元來計算，也就是一般所見的「 bps」（ bits per second ）。 數據機的傳輸速率單位如下：

頻寬與寬頻簡介 (1)

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寬頻 (Broadband)在傳輸媒介上可同時傳送數個頻道資料的傳輸方式，已就是讓許多節點同時共用一條線路，好比是多線道路的高速公路，汽車可以同時平行前進一樣，例如 ISDN( 整合式服務數位網路 ) 、 ADSL(非對偁數位用戶專線 ) 等，都屬於寬頻傳輸。

頻寬與寬頻簡介 (2)

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電路交換 由於所建立的線路為兩個主機獨自擁有，因此不會有資料擁塞的問題。如果兩個主機一直要使用此連線，那這個線路就會一直由它們所擁有，不過在建立兩端的連線時會多花上一點時間，而且無法讓其他節點使用正在連線的線路，另外費用也較貴，連線時間也較緩慢。

2-5 連線傳輸技術

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以「先儲存再發送」（ Store and Forward ）的方式進行。當資料傳送到每一節點時，還會進行錯誤檢查，傳輸錯誤率低。缺點是傳送速度也慢，需要較大空間來存放等待的資料，另外即時性較低，重新傳送機率高，較不適用於大型網路。

訊息交換

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是一種結合電路交換與訊息交換優點的交換方式，利用電腦儲存及「前導傳送」（ Store and Forward ）的功用，將所傳送的資料分為若干「封包」（ packet ）。 優點

節省傳送時間，並可增加線路的使用率。對遠距離且短時間的傳送，分封交換網路是一種高效率與可靠度的網路。

缺點是由於封包傳送順序不一，需要花費封包重組的成本。

封包交換

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同軸電纜 是由內外兩層導體構成，所使用的材質通常是銅導體，內層導體為了避免斷裂常會以多蕊的銅導體集結而成，而外層導體形成網狀圍繞內層導體，因此具有遮蔽的效應，可以減低電磁方面的干擾，兩層導體之間以絕緣體加以隔絕，最外層則為塑膠套：

2-6 網路傳輸媒介

同軸電纜外部與內部構造圖

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將導線成對絞在一起的目的是為了防止雜訊（ Noise ）干擾與串音（ Crosstalk ）現象。藉由兩條導線相互絞在一起，則可以降低外部電磁場的干擾（並無法完全消除此干擾），絞繞的次數越多，抗干擾的效果越好，但相對地成本也會較高。

雙絞線

雙絞線外觀圖 RJ-11 與 RJ-45 接頭外觀圖

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傳遞原理是當光線在介質密度比外界低的玻璃纖維中傳遞時，如果入射的角度大於某個角度（臨界角），就會發生全反射的現象，也就是光線會完全在線路中傳遞，而不會折射至外界，如下圖所示：

光纖電纜 (1)

光纖剖面圖

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光纖的傳輸速率極快，其最高速率可達2Gbps ，所以其應用主要是在高速網路上，例如 100BaseFX 高速乙太網路、「非同步傳輸模式」網路（ Asynchronous Transfer Mode ， ATM ）、「光纖分散式介面」（ Fiber Distributed Data Interface ， FDDI ）、海底電纜等高速網路上。

光纖電纜 (2)

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OSI 參考模型

2-7 網路參考模型

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應用層 在這一層中運作的就是我們平常接觸的網路通訊軟體，例如瀏覽器、檔案傳輸軟體、電子郵件軟體等，它的目的在於建立使用者與下層通訊協定的溝通橋樑，並與連線的另一方相對應的軟體進行資料傳遞。通常這一層的軟體都採取所謂的主從模式。

OSI 參考模型 (1)

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表現層 主要功能是讓各工作站間資料格式能一致，包含字碼的轉換、編碼與解碼、資料格式的轉換等。例如全球資訊網中有文字、各種圖片、甚至聲音、影像等資料，而表現層顧就是負責訂定連線雙方共同的資料展示方式，例如文字編碼、圖片格式、視訊檔案的開啟等等。

OSI 參考模型 (2)

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會議層是在於建立起連線雙方應用程式互相溝通的方式，例如何時表示要求連線、何時該終止連線、發送何種訊號時表示接下來要傳送檔案，也就是建立和管理接收端與發送端之間的連線對談形式。例如在連線遊戲時，就不能發生客戶端按一下方向鍵表示要移動遊戲中的人物 1格，伺服端卻認為這是要移動人物 10格，這就是會議層中應該實作的規範。

OSI 參考模型 (3)

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傳輸層 主要工作是提供網路層與會談層一個可靠且有效率的傳輸服務，例如 TCP 、 UDP 都是此層的通訊協定。傳輸層所負責的任務就是將網路上所接收到的資料，分配（傳輸）給相對應的軟體，例如將網頁相關資料傳送給瀏覽器，或是將電子郵件傳送給郵件軟體，而這層也負責包裝上層的應用程式資料，指定接收的另一方該由哪一個軟體接收此資料並進行處理。

OSI 參考模型 (4)

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網路層 是負責解讀 IP位址並決定資料要傳送給哪一個主機，如果是在同一個區域網路中，就會直接傳送給網路內的主機，如果不是在同一個網路內，就會將資料交給路由器，並由它來決定資料傳送的路徑，而目的網路的最後一個路由器再直接將資料傳送給目的主機。

OSI 參考模型 (5)

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資料連結層 由於 IP位址只是邏輯上的位址，而真正的網路是以實際的硬體裝置來連結，實體的位址與邏輯的位址這中間轉換的工作是由資料連結層負責這項工作，它可以透過「位址解析協定」（ Address Resolution Protocol, ARP ）來取得網路裝置的「媒體存取控制位址」（ Media Access Control Address ， MAC ）， MAC位址是網路裝置的實體位址，像是網路卡就是直燒錄在 EEPROM上的網路卡卡號。

OSI 參考模型 (6)

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實體層是 OSI 模型的第一層，所處理的是真正的電子訊號，主要的作用是定義是實際定義網路資訊傳輸時的實體規格，包含了連線方式、傳輸媒介、訊號轉換等等，也就是對數據機、集線器、連接線與傳輸方式等加以規定。例如我們常見的「集線器」（ Hub ），也都是屬於典型的實體層設備。

OSI 參考模型 (7)

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TCP 協定 TCP 的資料傳送是以「位元組流」來進行傳送，資料的傳送具有「雙向性」。建立連線之後，任何一端都可以進行發送與接收資料，而它也具備流量控制的功能，雙方都具有調整流量的機制，可以依據網路狀況來適時調整。

2-8 認識通訊協定

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是 TCP/IP 協定中的運作核心，存在 DoD 網路模型的「網路層」 (network layer) ，也是構成網際網路的基礎，是一個「非連接式」(Connectionless) 傳輸，主要是負責主機間網路封包的定址與路由，並將封包 (packet) 從來源處送到目的地。IP 協定可以完全發揮網路層的功用，並完成IP封包的傳送、切割與重組。也就是說可接受從傳輸所送來的訊息，再切割、包裝成大小合適 IP封包，然後再往連結層傳送。

IP 協定

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對於一些小型但頻率高的資料傳輸，這些工作都會耗掉相當的網路資源。 UDP 則是一種非連接型的傳輸協定，他允許在完全不理會資料是否傳送至目的地的情況進行傳送，當然這種傳輸協定就比較不可靠。不過它適用於廣播式的通訊，也就是 UDP還具備有一對多資料傳送的優點，這是 TCP 一對一連線所沒有。

UDP 協定

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是在『探測』封包內加入此 IP擁有者的要求，然後針對網路上所有的實體位址進行廣播 (Broadcast) 。一旦擁有此 IP 的電腦收到封包時，就會回覆對方，告訴自己的實體位址。「位址解析協定」會有一份對照清單，用來記錄 IP 與實體位址，因此無須每次都要送出探測封包來找尋實體位址。

ARP 協定

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「網際網路控制訊息協定」 (Internet Control Message Protocol,ICMP)

是用來偵測網路狀態的協定，主要是用來報告網路上的錯誤狀況，可以產生與 IP相關的測試封包，例如 Ping指令是傳送一個 ICMP封包給某部主機，以偵測該主機的狀態。

ICMP 協定

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乙太網路 (1) 是目前最普遍的區域網路存取標準，通常用於匯流排型或星型拓樸。由於它具備有傳輸速度快、相關設備組件便宜與架設簡單等特性，使得中小企業或學校的辦公室中，大部份都是採用此種架構來建立區域網路。

2-9 有線區域網路

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乙太網路架構圖

乙太網路 (2)

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乙太網路起源於 1976年全錄公司將乙太網路正式轉為實際的產品， 1979年Xerox 、 DEC 、 Intel 三家公司試圖將 10-Mbps Ethernet 規格交由 IEEE 協會 ( 電子電機工程師協會 )制定成標準。常見的三種規格如下：

乙太網路 (3)

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高速乙太網路 1995年 IEEE 正式通過 802.3u 規格定義了高速乙太網路（ Fast Ethernet ），將 10Mpbs 的乙太網路提昇為 100Mbps 。常見的兩種規格如下：

乙太網路 (4)

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超高速乙太網路 1995年 IEEE開始研究傳輸速率可達 1000Mpbs的乙太網路標準，並於 1996年正式成立 802.3z小組著手制定超高速乙太網路標準。1998年 6月底 IEEE 802.3z 標準委員會通過傳輸速率高達 1Gigabit （即 1000Mbps ）的超高速乙太網路。

乙太網路 (5)

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由 IBM 在 1980年代所發展的區域網路技術，網路相關資訊則規範於 IEEE 802.5 標準中，它的存取速度有 4Mbps 與 16Mbps 兩種。標準傳輸速度為 4Mbps 。利用記號傳遞 (Token Passing) 來做媒介存取控制，傳送資料時毋須做碰撞偵測動作，不過傳送資料之前，電腦必須先取得記號封包。

記號環網路

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是由 ANSI 與 ISO 於 1990年代所制定的標準，採用分離式雙環狀網路架構與環狀網路的結構，不過是一種具備有「兩個環」的環狀網路，也就是一個為「主環」與另一個為「次環」。可預留一個備份線路以防不時之需，即光纖式網路，傳輸速率為 100Mbps ，主要是用來作為骨幹網路或高性能的區域網路。

光纖分散式資料介面網路

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它可以同時傳送聲音、影像與一般性資料等內容，並且在 OSI 模型中屬於資料連結層的通訊協定。ATM 網路主要應用於骨幹網路連結其它的區域網路，如果有必要也可以架構成區域網路或連結公眾網路來使用。

ATM 網路

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中繼器 (1) 為了讓訊號能夠傳送更長的距離，可以使用中繼器（ repeater ）來再生訊號，其可以將衰減的電位訊號予以模擬放大，然後再傳送至下一個網段中，不過由於是根據原來衰減過的訊號加以模擬放大，與原訊號相比就有失真的情況，如果經過長距離多次放大之後，訊號就會變得無法辨識了，所以通常使用中繼器來進行再生訊號的話，所使用的中繼器最多不超過三台。

2-10 網路連線裝置

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中繼器可以將訊號重新整理再傳送

中繼器 (2)

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主要使用於星狀網路中，用來連接網路上不同的電腦裝置，集線器可以分為「被動式集線器」與「主動式集線器」，被動式集線器單純地用來連接電腦裝置，而主動式集線器尚具備有中繼器的功能，可以將訊號再生後再傳送至網路上。

集線器

集線器

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橋接器是在 OSI 模型的實體層與資料連結層運作，除了具備中繼器或集線器的功能外，也還有「訊框」（ Frame ）過濾的功能，也就是有過濾資料封包的能力。 橋接器可以連接兩個相同類型但通訊協定不同的網路，並藉由位址表 (MAC位址 )判斷與過濾是否要傳送到另一子網路，是則通過橋接器，不是則加以阻止，如此就可減少網路負載與改善網路效能。

橋接器

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交換器具有橋接器過濾封包的功能，所以若不屬於另一個網段上的封包，則會過濾不予通過。所以若有一個電腦裝置連接至交換器，它將會擁有該條線路上所有的頻寬，連接至交換器上的電腦可以是伺服器，或是一整個區域網路，通常為了提高伺服器的存取效率，會將伺服器直連接至交換器上，而將其它個別的網路以集線器連接後，再連接至交換器。

交換器 (1)

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交換器使用示意圖

交換器 (2)

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又稱「路徑選擇器」，是屬於 OSI 模型網路層中運作的裝置。它可以過濾網路上的資料封包，且將資料封包依照大小、緩急來選擇最佳傳送路徑，以將封包傳送給指定的裝置。除了具備中繼器、集線器、橋接器功能外，它還具有「尋徑」（ Routing ）的功能。

路由器

路由器可在不同網路拓樸中選擇最佳封包路俓

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閘道器可以運作於 OSI 模型的七個階層，所以它可以處理不同格式的資料封包，並進行通訊協定轉換的動作。不論網路系統使用何種廠牌、硬體或軟體，只要閘道器有支援都可以順利連接與轉換。因此可以使用閘道器來連接不同通訊協定的網路系統。

閘道器 (1)

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閘道器可轉換不同網路拓樸的協定與資料格式

閘道器 (2)

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光學傳輸 (1) 以目前所知道的傳輸媒介中，光的傳播速率是最快的。因此在無線通訊技術中，便利用光的特性來進行資料的傳送，以提升資料傳輸的效率。目前採用「光」方式來作為傳輸媒體的光線，有「紅外線」（ Infrared ）與「雷射」（ Laser ）兩種：

2-11 無線通訊傳輸

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紅外線（ Infrared ， IR ） 紅外線傳輸乃是採取「點對點」（ peer to peer ）的傳輸架構，其傳輸速率在 9.6KBPS～4MBPS範圍間。另外它的傳輸距離在 1.5 公尺以內，而且兩設備（節點）間訊號的接收角度必須控制在 ±15度內。

紅外線適合筆記型電腦間的傳輸

光學傳輸 (2)

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雷射光（ Laser ） 雷射光較一般光線不同之處在於它會先將光線集中成為「束狀」，然後再投射到目的地。除了本身所具備的能量較強外，同時也不會產生「漫射」的情形。在光學無線網路傳輸的安全機制中，雷射就遠比紅外線來的強，而且傳輸距離也較紅外線遠。

光學傳輸 (3)

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無線電波的「頻帶」（ Band ）在每一個國家中都屬於相當珍貴的資源，通常會有相當嚴格的使用管制。不過依照國際慣例，一般會將 2.4～ 2.4835 GHz 的頻率範圍，定訂為「公用頻帶」區，而不加以管制，以提供給國家內的工業、醫療、科技等方面來使用。而無線網路通訊中所使用的頻帶，也同樣是這個開放的「公用頻帶」範圍。

無線電波傳輸

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802.11a採用一種多載波調變技術，稱為「正交分頻多工技術」（ Orthotgonal Frequency Division Multiplexing,OFDM ），工作於 5GHz頻段上，最大傳輸速率可達 54Mbps ，傳輸距離約 50 公尺，而 802.11a 優勢在於傳輸速率快且受干擾少，但價格相對較高。

2-12 無線區域網路通訊標準

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802.11g 標準結合了目前現有 802.11a 與802.11b 標準的精華，在 2.4G頻段使用OFDM調製技術，使數據傳輸速率最高提升到 54 Mbps 的傳輸速率。802.11g穩定的效能與 54Mbps 的傳輸速率已經成為無線區域網路的一項新標準，而且在成本價格逐漸滑落的情況下，目前已成為無線區域網路的主流產品。

802.11g

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IEEE 802.11n 是一項新的無線網路技術，除了可以加快連線速度，更可以傳送更遠的距離。其資料傳輸速度估計將達 540Mbit/s ，此項新標準比 802.11g快上 10倍左右，許多廠商寄望 802.11n 能成為數位家庭中主要的無線網路技術，並做為數位影音串流的應用。

802.11n

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主要支援「點對點」（ point-to-point ）及「點對多點」（ point-to-multi points ） 的連結方式，它使用 2.4GHz頻帶，目前傳輸距離大約有 10 公尺，每秒傳輸速度約為1Mbps ，預估未來可達 12Mbps 。

藍芽技術

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AMPS 是北美第一代行動電話系統，採類比式訊號傳輸，即是第一代類比式的行動通話系統。類比式行動電話的缺點是通話品質差、服務種類少、沒有安全措施、門號容量少等。在國內，類比式行動電話系統已經正式走入歷史，例如早期耳熟能詳的「黑金剛」大哥大，原本 090開頭的使用者將自動升級為 0910 的門號系統。

2-13 行動通訊系統

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是屬於無線電波的一種，因此必須在頻帶上工作，由於各個國家所使用的 GSM 系統規格上會有不同，因此 GSM 通常被使用在三種頻帶上－ 900MHz 、 1800MHz 、 1900MHz 。GSM 通訊系統的訊號傳送方式與傳統的有線電話一樣，是屬於一種「電路交換」（ Circuit Switch ） 式的傳輸技術。

GSM

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GPRS 採用的無線調變標準、頻帶、結構、跳頻規則及「分時多重擷取技術」（ Time Division Multiple Access,TDMA ）都與 GSM相同，但是 GPRS允許兩端線路在封包轉移的模式下發送或接收資料，而不需要經由電路交換的方式傳遞資料。

GPRS

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3G 主要目的是透過大幅提升數據資料傳輸速度，並採用與 Internet相同的 IP 技術，將無線通訊與網際網路等多媒體通訊結合的新一代通訊系統。除了 2G時代原有的語音與非語音數據服務，還多了網頁瀏覽、電話會議、視訊電話、傳送或下載資料等多媒體動態影像傳輸。

3G/3.5G/3.75G/4G

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3.5G 主要用來加快用戶端設備 (User Equipment, UE)的下行傳輸速率，如今全球都在推行 HSDPA ，例如 3G基地台軟體升級成支援 3.5G 、 HSDPA功能擴充卡、支援 HSDPA 的新款手機或筆記型電腦內建 HSDPA 等。如果上網的地方未支援 3.5G 無線網路， 3.5G 無線網路還會自動轉換為 3G 或 GPRS 無線網路。

3G/3.5G/3.75G/4G

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3.75G由於 HSDPA 上傳速度不足 ( 只有 384Kb/s) ，後來又開發了高速上行分組接入 (High Speed Uplink Packet Access, HSUPA ）的技術，又稱3.75G ，其上傳速度達 5.76Mb/s ， 3.75G提供了雙向視訊或網路電話更佳傳輸速率的頻寬環境。

3G/3.5G/3.75G/4G

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4G是指行動電話系統的第四代，它的願景是希望建構完備的高速無線通訊系統，但目前尚未有確切規格的概念，不過由於 Intel 大力推動 WiMax（ Worldwide Interoperability for Microwave Access, 微波存取全球互通）技術，因此受到手機大廠及電信業者的支持，最有可能成為日後 4G技術的主流。

3G/3.5G/3.75G/4G

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主要用來制定在無線通訊設備上一種執行Internet 網路存取服務的開放標準。有點類似 HTTP 對於 Internet 的協定，但WAP 最主要是針對無線通訊設備所開發，因為無線通訊設備的頻寬相當有限，而且螢幕也較小。

WAP

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Q&A討論時間

本章結束