Learning Objectives
- 說出網路的三種組成：主機、連線與交換設備，以及交換器和路由器各自的角色
- 比較電路交換與封包交換，說明封包交換為什麼適合電腦之間斷斷續續的流量
- 分辨 bps 與 Bps，換算下載時間，並說明吞吐量受最慢的那一段限制
- 說出處理、排隊、傳輸、傳播四種延遲各自取決於什麼，並計算傳輸延遲與傳播延遲
- 說明 RTT 的意思，以及「頻寬大」和「距離近」各在什麼情況下比較重要
打開一個網頁，中間經過了什麼
你在宿舍打開一個網頁，請求要先離開你的電腦，經過房間的網路孔、樓層的設備、學校的機房，再經過網路服務業者的線路， 最後才到達網頁伺服器；回應再沿著類似的路回來。整個過程常常不到 0.1 秒。這一軌要一層一層看清楚：資料怎麼被包裝、怎麼找到路、怎麼確保送到。 計算機概論的「網路基礎」那一課講過整體輪廓，這裡往下深入一層，每一課都會在模擬網路上親手操作。
不管是校園網路還是整個網際網路，都只由三種東西組成：
| 組成 | 是什麼 | 例子 |
|---|---|---|
| 主機（host） | 網路的端點，執行程式、產生與接收資料，也叫終端系統 | 筆電、手機、網頁伺服器、感測器 |
| 連線（link） | 把兩台設備接起來的傳輸媒介 | 網路線（銅線）、光纖、Wi-Fi、行動網路 |
| 交換設備 | 收下資料、決定往哪條線送出去 | 交換器（switch）、路由器（router） |
交換設備有兩種，這一軌會一再用到：
- 交換器：把同一個區域網路（例如一層樓）裡的設備接在一起，依 MAC 位址轉送，第 3 課細講。
- 路由器：把不同的網路接在一起，依 IP 位址決定下一步往哪送，第 9 課細講。
電路交換與封包交換
讓很多人共用線路，有兩種做法。
電路交換（circuit switching）是傳統市內電話的做法：通話前先在路徑上每一段保留一份固定的容量，通話期間這份容量只屬於你， 就算你沉默不說話也一樣佔著；掛斷後才釋放。
封包交換（packet switching）是網際網路的做法：資料切成一個個封包（packet），每個封包帶著目的地址， 和其他人的封包共用線路，誰有資料要送誰就用；線路忙的時候，封包在交換設備裡排隊等候。
| 電路交換 | 封包交換 | |
|---|---|---|
| 開始傳送前 | 先建立連線、保留容量 | 不用，直接送 |
| 線路的使用 | 保留的容量只給一個人，閒置也浪費 | 大家共用，有資料才用 |
| 延遲 | 穩定可預期 | 會隨排隊情況變化 |
| 擁擠時 | 打不進來（忙線），但打進來就有保障 | 大家都變慢，嚴重時封包被丟掉 |
| 適合 | 持續、固定速率的流量（傳統語音） | 斷斷續續、忽多忽少的流量（瀏覽網頁、訊息） |
電腦的流量多半是「突然一大筆、接著很久沒事」：點一下網頁下載一陣，接著讀很久。如果每個人都保留一條電路，大部分時間都閒著； 封包交換讓閒著的容量自動給正在傳的人用，所以同一條線能服務多得多的使用者。
交換設備處理封包的方式叫儲存轉送（store-and-forward）：一個封包要整個收完、檢查過，才開始往下一段送。 所以封包是一段一段往前跳的。下面的練習可以看到這件事。
頻寬、bps 與 Bps、吞吐量
頻寬（bandwidth）是一條連線每秒最多能送多少位元，單位是 bps（bits per second）。網路設備與方案寫的「100M」「1G」指的都是位元：
| 寫法 | 意思 | 等於 |
|---|---|---|
| 1 kbps | 每秒 1 千位元 | 1,000 bps |
| 1 Mbps | 每秒 1 百萬位元 | 1,000,000 bps |
| 1 Gbps | 每秒 10 億位元 | 1,000,000,000 bps |
| 1 MB/s（大寫 B） | 每秒 1 百萬位元組 | 8 Mbps |
小寫 b 是位元（bit），大寫 B 是位元組（byte），1 位元組 = 8 位元。網路速率的 k、M、G 是 10 的次方（1 M = 1,000,000）； 作業系統顯示檔案大小時，有的用 1,024 的次方，數字會略有差異，這裡一律用 10 的次方。
例子：用 100 Mbps 的線路下載 100 MB 的檔案，最快要 100 × 8 ÷ 100 = 8 秒，不是 1 秒。下載軟體顯示「12.5 MB/s」，其實就是 100 Mbps 跑滿。
吞吐量（throughput）是實際每秒送達多少資料，一定小於等於頻寬：線路要和別人共用、協定的標頭佔掉一部分、遺失的封包要重送。 從伺服器到你的電腦經過好幾段連線，整條路的吞吐量被最慢的那一段限制住，這一段叫瓶頸（bottleneck）： 伺服器端是 10 Gbps、學校骨幹 1 Gbps、你的 Wi-Fi 只跑出 80 Mbps，下載最快就是 80 Mbps 左右。
四種延遲與 RTT
頻寬回答「每秒送多少」，延遲（delay）回答「一個封包要多久才到」。封包每經過一台交換設備、一段連線，會累積四種延遲：
| 延遲 | 發生在哪 | 取決於 | 算法 |
|---|---|---|---|
| 處理延遲 | 設備收到封包後 | 設備的速度 | 檢查標頭、查表，通常是微秒等級 |
| 排隊延遲 | 等著從輸出埠送出 | 前面還有多少封包在排 | 排隊的位元數 ÷ 頻寬；忙的時候變大 |
| 傳輸延遲 | 把封包的位元推上線 | 封包大小 L、頻寬 R | L ÷ R |
| 傳播延遲 | 訊號從線的一端跑到另一端 | 距離 d、訊號速度 s | d ÷ s |
傳輸與傳播最容易搞混。想像一列車隊過一座橋：傳輸延遲是整列車隊從橋頭全部開上橋要多久（車越多、入口越窄就越久）； 傳播延遲是一台車從橋頭開到橋尾要多久（橋越長越久，和入口寬窄無關）。
傳輸延遲的例子：1,500 位元組 = 12,000 位元，在 100 Mbps 的線路上要 12,000 ÷ 100,000,000 = 0.12 毫秒。
傳播延遲的例子：訊號在光纖裡大約每秒跑 20 萬公里（光速的三分之二），也就是每公里 5 微秒。350 公里要 1.75 毫秒； 10,000 公里要 50 毫秒，不管頻寬多大都一樣，這是物理限制。實際的光纖路線比直線長，所以真實數字更大。
RTT（round-trip time，來回時間）是送出一個小封包到收到回覆的總時間，也就是去程加回程的延遲。 ping 顯示的時間就是 RTT。連線到 10,000 公里外的伺服器，RTT 至少 100 毫秒，這是網頁開啟、遊戲反應要多等的時間。
小測驗：頻寬與延遲的計算
網路方案寫「300M」，下載一個 600 MB 的檔案，在最理想的情況下要多久？
一個 1,000 位元組的封包，送上 10 Mbps 的線路，傳輸延遲是多少？
把線路從 1 Gbps 升級到 10 Gbps，下列哪一種延遲不會改變？
伺服器的對外線路 10 Gbps、學校骨幹 1 Gbps、你的 Wi-Fi 實際只跑出 120 Mbps。下載大檔案時，吞吐量大約是多少？
小測驗：交換方式與延遲的觀念
下列哪一項是封包交換的特性？
線上遊戲玩家常說「延遲比頻寬重要」。玩遊戲時送的多半是很小的封包，下列哪一個說法最合理？
在 net-lab 的練習裡，交換器 SW1 為什麼沒有出現在 traceroute 的結果裡？
重點整理
- 網路由主機、連線與交換設備組成；交換器在區域網路裡依 MAC 位址轉送，路由器在網路之間依 IP 位址轉送。
- 電路交換先保留容量、延遲穩定但容易浪費；封包交換大家共用線路，適合電腦斷斷續續的流量，代價是要排隊。
- 交換設備採儲存轉送：封包整個收完才往下一段送，所以每一段連線都要傳一次。
- 頻寬單位是 bps（位元），檔案大小常用 B（位元組），差 8 倍；吞吐量受整條路上最慢的一段限制。
- 四種延遲：處理、排隊（看擁擠程度）、傳輸（L ÷ R，看頻寬）、傳播（d ÷ s，看距離）；RTT 是去程加回程。
- 大檔案靠頻寬，小封包與遠距離時距離才是關鍵。
下一課看資料送出前怎麼被一層一層包裝：分層模型與封裝。