第一章 緒論

1-1 網路的目的與基本模式

一、網路的目的

()資源共享(Resource Sharing)

()提高可靠度(High Reliability):分散風險。

()節省經費(Cost Reduction)

()擴增性(Scalability)較佳

()通訊功能(Communication)

()分散處理(Distributed Processing)

 

二、通訊模式(Communication model)

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來源系統發送器傳送系統接收器目的系統。

 

1-2 通訊網路的分類(Classification of Communication Network)

一、用語(terminology)

()host:可以用來執行程式的電腦主機 (包括大型電腦)

()子網路(subnet):傳輸線和交換元件 (路由器、switchgateway)

()transmission line:負責在各機器之間傳送 bit sequence

()switching element:路由器、閘道器、交換器。

 

二、點對點通道(Point-to-point channels)

()點對點通道(Point-to-point channels)

1.使用點對點的方式來連接兩個裝置。

2.store and forward:儲存封包內容後做完處理,再選擇路徑。

()點對點的網路拓樸(topology)

1.星狀網路、2.完全連接、3.樹狀結構、4.環狀連接、5.不規則形狀。

 

訊息傳遞:

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三、廣播通道(Broadcast channel)

()特點

1.可以使用一組特殊的位址,將封包廣播傳送給整個網路上所有的機器

2.屬於多點傳送,大部份區域網路與少數的廣域網路會使用廣播通道。

3.封包 (packet) 中必須含有一個位址欄,當每部機器收到封包時必須檢查位址是否是自己的

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()時間分配方式:解決碰撞問題

1.靜態分配(static allocation method)

通道的時間切割成片段,輪流分配給各個機器。

2.動態分配(dynamic allocation method)

(1)集中式管理:

系統有一個 bus 仲裁器 (bus arbitrator) 做管理,決定誰可以使用 channel,例如 cable modem

(2)非集中式管理:由各機器自行決定是否傳遞訊息,例如 CSMA/CD

()廣播常用的網路拓樸

匯流排 (Bus)、環狀 (Ring)、衛星 (Satellite) 或無線電 (Radio) 線路。

 

四、網路拓樸(Network Topology)

[拓樸(Topology)] 10 | 89,93(2),94,96(3),98,99,104

89地三、93關三、93電員晉高、94身三、96關三、96退三、96調三、98技高、99地三、104警監二

()星狀拓樸(Star Topology)

由一台中央裝置與連接在四周設備所組成,中央裝置通常是集線器 (Hub),其他裝置則各自以獨立的線路與集線器進行連接。

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()環狀拓樸(Ring Topology)

1.拓樸上的所有節點會連接形成一個圓圈,資料則依環形順序以同一方向逐一傳遞直到到達目的設備為止。

2.採用記號傳遞 (Token Passing) 的技術來傳遞資料,只有取得該記號的設備才能傳輸資料,傳輸完成後再釋放記號供其他設備使用。

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()匯流排拓樸(Bus Topology)

以一條線路來連接所有的節點,線路二端結尾處以終端電阻來結束佈線。網路中的任一節點都可以傳送訊息至另一個節點中,新增或刪除某一節點也不會影響到網路上的其他電腦,但是當網路資料流量大時容易產生碰撞問題。

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()樹狀拓樸(Tree Topology)

各節點連接形成樹狀結構,任兩個節點間僅存在一條傳輸路徑。一般樹狀網路會應用在透過數個集線器連接各網路,例如社區網路。

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()網狀拓樸(Mesh Topology)

網路節點連接成複雜的網狀結構,通常每個節點均有二個以上的傳輸路徑可選擇,但不是任意一個節點都能與其他節點連接。例如網際網路。

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※參考資料:https://en.wikipedia.org/wiki/Network_topology

 

※網路拓樸的比較之一:

種類

優點

缺點

適用

星狀拓樸

1.由於架構簡單,易於維護與管理,是目前使用最多的網路架構

2.容易擴充

3.單一設備發生問題不會影響整個網路

4.故障排除容易 (可從集線器設備上的燈號得知連線正常與否)

1.集線器故障會使整個網路停擺

2.集線器需要配置較多纜線

基地台、802.11

環狀拓樸

不會有碰撞發生,因為採用記號傳遞的技術來,在網路負荷重時表現較佳

1.環圈上的任一節點故障,整個網路便會失去作用

2.擴充或移除設備比較麻煩

3.軟硬體設備成本高,不易普及

802.5 Token Ring、校園光纖網路(FDDI)

匯流排拓樸

1.安裝與設定容易

2.成本便宜

3.容易擴充與移除

1.網路主幹上任何一段線路故障會導致網路整體癱瘓

2.傳輸負荷重時,效能衰退程度較其他拓樸明顯

3.延伸過長會造成訊號強度衰減

1.網路流量小且電腦數目少的環境

2.802.3 乙太網路 (廣播網路)

樹狀拓樸

階層式管理,上層易於對下層進行有效權限管理與監控

上層電腦故障,將導致局部網路癱瘓

社區網路

網狀拓樸

1.容錯能力最佳,不會因為某一電腦或網路線段故障而造成全體網路癱瘓

2.最適合資料流量大且傳送作業不能中斷的環境

1.架設較複雜,因為需使用較大網路線進行佈置,且需妥善規劃佈線路徑

2.除錯難度較高

網際網路

※參考資料:kewi-區域網路的拓樸(Topology).pdf

 

※網路拓樸的比較之二:

拓樸結構

線路成本

傳訊延遲時間

線路的可靠度

星狀結構

1.線路成本極低:

n 條線路

2.設備成本普通:

需要中央的集線設備

極快:

只要2 hops

中等:

任一條線路斷線不會影響其他機器之間的傳訊;但如果中央的集線設備故障時,所有機器之間,皆無法傳訊

環狀結構

1.線路成本低:

共需要 n 條線路

2.設備成本低

較慢:

平均需要經過條線路

佳:

一條線路斷線,仍可以進行傳訊

匯流排結構

1.線路成本低:

一條線路共用

2.設備成本低

視線路狀況而定:

負載輕時,可快速傳送;負載重時,可能會延遲

差:

線路斷線時,會使所有節點之間全部不能通訊

樹狀結構

1.線路成本低:

共需要 n-1條線路

2.設備成本普通:

中介節點成本較高

較慢:

可能需要經過多條線路才能將訊息傳到目的地

差:

一條線路斷線可能會使網路分離成兩群

網狀拓樸

1.線路成本最高:

共需條線路

2.設備成本最高:

每個節點需要n-l 個介面

最快:

只要1 hop

最佳:

不易因斷線而無法傳訊

 

※網路拓樸的比較之三:

104警監二

拓樸結構

線路成本

星狀拓樸

最佳:2條鏈結數

最差:2條鏈結數

平均狀況:2條鏈結數

環狀拓樸

最佳:1條鏈結數

最差:N條鏈結數

平均狀況:條鏈結數

網狀拓樸

最佳:1條鏈結數

最差:N條鏈結數

平均狀況:條鏈結數

 

104年警察人員特種考試刑事警察人員數位鑑識組二等網路工程

七、假設網路上有 N 個主機,網路拓樸可為星狀 (star)、環狀 (ring)、網狀 (Mesh) 等三種型態,其中星狀拓樸是以一個中央交換器連接 N 個主機。請比較在這三種拓樸下,從一部主機 A 傳送封包至其他主機 B,需要經過多少個鏈結?請分別在最佳、最差和平均狀況下,計算經過鏈結數。(18分)

答:

 

五、通訊網路規模

()區域網路(Local Area Network, LAN)

1.連接的區域較 WAN 為小 (傳送距離 1~2km),例如在一棟建築之內、或鄰近的一些建築之間、或一個校區

2.主要的傳遞工具為集線器 (HUB)

3.例如 IEEE 802.3 EthernetIEEE 802.4 Token-BusIEEE 802.5 Token-Ring

()都會網路(Metropolitan Area Network, MAN)

1.改進區域網路中的傳輸媒介,擴大區域網路的範圍,達到包含一個城市或都會區。它是較大型的區域網路,需要的成本較高,但可以提供更快的傳輸速率

2.例如 IEEE 802.6 DQDB (Distributed Queue Dual Bus) 網路

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()廣域網路(Wide Area Network, WAN)

1.所涵蓋的範圍可以說是州與州國與國地區與地區的通訊網路,距離長 (傳送距離不受限制)連接 LAN LAN 之間的網路

2.主要傳遞工具為路由器 (Router)

3.例如分封交換數據網路ISDNB-ISDN

 

※區域網路與廣域網路的比較:

 

區域網路

廣域網路

傳送介質

網路線

公眾網路

傳送速度

10/100/1000Mps

較慢 9.6k~100Mps

連接成本

傳送距離

1~2 公里

不受限制

使用對象

同一單位

不同單位

主要傳遞工具

集線器 (HUB)

路由器 (Router)

※參考資料:http://content.edu.tw/junior/computer/tp_ct/content12-a.htm

 

六、無線網路(Wireless Networks)

1.摩斯電碼無線通訊。

2.蜂巢式數據通訊。

3.3G 行動通訊。

 

七、網路互連(Internetworking)

 

1-3 協定及其相關架構(Protocols and Protocol architecture)

[網路通訊協定] 4 | 97,99,101,105

97地三、99地三、101警鑑二、105調四

一、通訊系統必須處理的相關工作

()傳輸系統的有效運用

()介面與訊號產生

()資料交換管理

1.通訊兩端必須協調合作,建立某種協定。

2.協定必須定義清楚如下事項:

(1)同時雙向傳輸或以輪流方式單向傳輸。

(2)一次傳輸的 (最大) 資料量。

(3)資料的格式。

(4)突發狀況的處理方式,例如錯誤檢查及校正的處理等。

()錯誤檢查及校正:CRC (乙太)Checksum (TCP)2-D Parity

()流量控制

保證傳輸端傳送資料的速率不能超過接收端的接收與處理的速率。最常用的流量控制方式是以滑動窗口 (sliding window) 來控制。

()定址

()回復

()訊息格式化

()安全防範

()網路管理

 

※電腦網路協定:

105調四

現在最普及的電腦通訊為網路通訊,所以「通訊協定」一般都指電腦通訊的通訊協定,例如 TCP/IPNetBEUIDHCPFTP 等。必須處理的相關工作如下:

1.傳輸系統的有效運用、2.介面與訊號產生、3.資料交換管理、4.錯誤檢查及校正、5.流量控制、6.定址、7.回復、8.訊息格式化、9.安全防範、10.網路管理。

 

※流量控制(Flow Control)與壅塞控制(Congestion Control)的比較:

 

定義

方法

流量控制

只與給定的傳送端與接收端之間的點對點流量有關。確保傳送端的傳輸速率不能比接收端的接收速率更快。執行流量控制時,接收端通常會直接告訴傳送端自己這一端的情形

1.以回饋為基礎的流量控制(feedback-based flow control)

接收端送回資訊給傳送端,允許它傳送更多資料,或至少把接收端的狀況告訴傳送端

2.以速率為基礎的流量控制(rate-based flow control)

具有一個內建機制可限制傳送端傳輸資料的速率,無需透過來自接收端的回饋資訊

3.通常使用 sliding window 來控制。在高速網路上可能會使得頻寬沒有被充分利用

壅塞控制

所要解決的是子網路能夠確實載送所提供的流量,因此是一個整體性的問題牽涉到所有主機、路由器、路由器儲存並轉送的動作,以及所有可能降低子網路載送容量的因素

1.壓抑封包(Choke Packet)

Router 直接向來源端發送壓抑封包,要求減低傳送速率

2.顯性信號通知:

路由器遭受壅塞時,可以傳送一個顯性信號 (設定封包中的某個位元),以通知來源端或接收端

3.滑動窗口(Sliding Window)

傳送端的窗口大小不只由接收端來決定,也由網路的壅塞情況來調整。傳送端擁有接收端窗口大小 (rwnd) 及壅塞窗口大小 (cwnd) 兩項資訊。而實際使用的窗口大小為這兩者中較小的那一個

4.壅塞策略:

(1)緩慢起動(Slow Start):指數式增加

(2)壅塞避免(Congestion Avoidance)

線性地增加

(3)壅塞偵測(Congestion Detection)

倍數式地減少

(4)快速重傳與快速回復

※參考資料:

1.http://sls.weco.net/node/10665

2.http://sls.weco.net/node/10667

 

二、定義Protocol

()語法(syntax)

是一種使用規則 (資料的格式或結構)。例如一個通訊協定的資料結構可以設定資料的前8個位元是傳送者的地址,第二組8個位元是接收者的地址,其餘為訊息本身。

()語意(semantics):邏輯(執行結果如你所願)

資料中每一區段位元所代表的意義。某一特殊型式如何解譯?根據解譯應該採取什麼行動?例如一個代表位址的位元串,它是代表傳送訊息的經過路徑,還是傳送訊息的目的地?

()時序(timing)

速度的同步和順序的安排。例如資料應該以多快的速度傳送?資料何時應該傳送出去?

 

三、三層網路模式(A three-layer model)

()Network Access layer:送到目的。

()Transport layer:保證資料正確。

()Application layerFTPEmail

 

四、PDU(protocol data unit)

()定義

將上層傳來的資料附加上控制資訊。有以下意義:

1.在網路中左右對等傳送時的資料單元,包括控制訊息、地址訊息及使用者資料。

2.在分層系統中,是指在協定中,上下傳送的資料單元,包含該層的協定控制訊息和使用者資料。例如 Bridge PDU

()OSI model相關

1.第一層實體層(Physical Layer)bit

2.第二層資料連結層(Data Link Layer)frame

3.第三層網路層(Network Layer)packet

4.第四層傳輸層(Transport Layer)TCP segmentUDP datagram

5.第五、六、七層應用層(Application Layer)message data

※參考資料:http://en.wikipedia.org/wiki/Protocol_data_unit

 

五、網路軟體設計的要點

()協定架構

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()資料傳輸規則

1.單工(Simplex):資料只能固定單向傳送。例如電視、BB call

2.半雙工(Half-Duplex)

可雙向傳送,但兩個方向不可以同時傳送。例如傳真機、無線對講機。

3.全雙工(Full-Duplex):可以雙向同時傳送資料。例如電話、電腦網路。

()介面與服務

 

網路架構為何分層?

1.清楚定義每一層應該完成的任務

2.將網路通訊作業折解成較小的部份,在學習了解時更加簡單明瞭。

3.防止一層中的改變更動影響其他各層,以便更迅速發展。

4.網路元件標準化,使多家不同的廠商得以加入開發及支援

5.讓各種不同類型的網路硬體與軟體彼此互通聲息 (跨平台)

 

※分層的潛在缺點:

1.某一層的功能有可能和較低層的功能雷同,例如錯誤復原機制

2.某一層的功能可能會需要使用到另一層的資訊,例如時間戳記值,違反各層級相互獨立

 

※服務與協定的比較:

服務(service)

定義下層要對上層提供何種功能,方便幫助上層完成工作

協定(protocol)

定義對等實體 (peer entities) 之間的溝通方式

 

97年地方特考三等資料通訊

二、請說明以下的協定如何利用協定的表頭 (header) 來判斷一個封包的上一層的協定是什麼,以便將封包正確往上層傳送:Ethernet II, TCP, PPP, IPv4, IPv6。(10分)

答:

1.Ethernet II

Ethernet II訊框格式:

Preamble/SFD

Destination Address

Source Address

Type

Data

FCS

7+1 Bytes

6 Bytes

6 Bytes

2 Bytes

46~1500 Bytes

4 Bytes

訊框是做為實體層所發送出去的資料格式,[Type] 欄位會指出後面 [Data] 欄位所採用的通訊協定,例如 0x0800H,則採用 TCP/IP0x8137H,則採用 IPX協定。

2.TCP

Source Port Destination Port Port 255以下 () public applications256~1023 給軟體廠商銷售的應用軟體使用1024 以上則沒有特定的規定

3.PPP

[Protocol] 欄位是用來指出所搭乘的資料是哪種封包協定,例如 0xc021 LCP 協定。

4.IPv4

[Protocol] 欄位用來表示傳輸層所用的協定,例如6表示 TCP17表示 UDP

5.IPv6:將原 IPv4 Protocol 欄位改為 Next Header 欄位

[Next header] 欄位用來說明下一個標頭是哪一種標頭如果是最後一個標頭則用來說明是哪一種封包

※參考資料:http://teacher.tchcvs.tc.edu.tw/apple222/lan/lan_ch2.htm

 

99年地方特考三等資料通訊

三、請分別說明 Internet 的兩個主要協定的功能。(20分)

答:

()TCP(Transmission Control Protocol)

1.傳輸層通訊協定。

2.連線導向性質。

3.可靠性。

4.提供端到端 (End-to-End) 的服務。

()IP(Internet Protocol)

1.網路層通訊協定。

2.用於路徑選擇相關功能。

 

101年警察人員特種考試刑事警察人員數位鑑識組二等電腦通訊

三、以目前的網際網路為例,數據傳輸通訊協定須考慮錯誤 (error) 與遺失 (loss) 的風險。為了支援管線化 (pipeline-based) 可靠數據傳輸,以下五項機制被廣泛採用。請針對每一項機制說明其使用方式並舉現有網路通訊協定作為範例說明:

()錯誤檢查碼 (checksum)5分)

()計時器 (timer)5分)

()序列號碼 (sequence number)5分)

()確認訊息 (acknowledgement)5分)

()滑動視窗 (sliding window)5分)

答:

暫略

 

六、連接導向服務與非連接導向服務

[連接導向服務與非連接導向服務] 7 | 87(2),90,93,97,98,101

87高三(2)90調三、93地三、97關三、98警鑑二、101高三

()連接導向式服務(Connection Oriented Service)

1.可靠訊息串流(Reliable Message Stream):多頁文件。

2.可靠位元組串流(Reliable Byte Stream):遠端登入。

3.不可靠連線(Unreliable Connection):數位語音。

()非連接導向(Connectionless)

1.不可靠性資料包(Unreliable Datagram Service):電子郵件。

2.有確認的資料包(Acknowledge Datagram Service):註冊郵件 / ACK

3.要求-回覆服務(Request-Reply):資料庫查詢。

 

※連接導向傳輸的常見程序:

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連接導向服務與非連接導向服務的比較:

項目

Connection-Oriented

Connectionless

定義

可以採用實體電路交換,或是虛擬電路連線來交換資料。在這種模式下,在正式交換資料之前,要先建立通訊連線,之後串流資料在這個連線上循序傳送。例如 TCP ATM

一種通訊傳輸模式,使用於電信及電腦網路中。在兩個端點之間傳遞的訊息,不需要事先安排建立連線。被使用於分組交換網路中,資料被分割成小的資料包,每個封包中都攜帶著目的地的識別碼,經由硬體獨立遞送到達目的地。例如 IP UDP

建立連線

傳送端、接收端與子網路建立連線時,可對所使用的參數進行協商

延遲時間

較大 (建立連線時間)

較小

繞路方式

所有封包循相同的路徑

各封包獨立繞路

位址資訊

每個訊息可以不用包含完整的目的位址資訊,例如 virtual circuit

每個訊息都需要有完整的目的位址

接收資料順序

接收端與發送端相同

接收的順序未必與發送的順序相同

傳輸可靠性

可以使用 ACK 告知發送端,對未收到的訊息可進行重送

亦可以使用回覆,但有問題不重送

 

連接導向式通訊與無連接式通訊的優缺點:

 

優點

缺點

連接導向式通訊

1.進行協商

2.一旦建立好連線,網路流量就是固定的,不會被其他通訊影響

3.接收端與發送端資料順序相同

4.可靠,未收到的訊息進行重送

5.適合檔案傳輸

1.需要預先建立連線,耗費的資源成本較高,無法分享網路頻寬

2.延遲時間較大 (建立連線時間)

無連接式通訊

1.不用事先建立連線,耗費的資源成本較小,分享網路頻寬

2.延遲時間較小 (建立連線時間)

3.適合數位語音傳輸

1.訊息有問題不會重送

2.難以達成服務品質

3.難以壅塞控制 (各個封包路徑不同)

 

虛擬線路(virtual circuit)訊簡(datagram)的比較:

 

虛擬線路(virtual circuit)

訊簡(datagram) / UDPdatagram

建立連線

需要

不需要

延遲時間

較大 (建立連線時間)

較小

繞路方式

所有封包循相同的路徑

各封包獨立繞路

位址

每一封包有虛擬線路號碼

每一封包有來源與目的地的完整位址

資料順序

接收端與發送端相同

接收的順序未必與發送的順序相同

路由器故障

連上該路由器的虛擬線路都會終止

除非封包在傳送時遺失,否則無影響

服務品質

若可事先提供足夠資源給每個虛擬線路則容易達成服務品質

難以達成服務品質

壅塞控制

有足夠空間配置即可 (封包路徑相同)

難以壅塞控制 (各個封包路徑不同)

狀態資訊

使用虛擬線路 (virtual circuit) 表格

使用路由器表格

註:

1.連接導向採用虛擬線路 (virtual circuit),相當於實際電話線路,例如 TCP;無連接導向則採用訊簡 (datagram),相當於電報,例如 UDP

2.datagram 是在封包交換網路中最小的傳輸資料單元。

 

101年高考三級電腦網路

二、()從網路層(network layer) 的角度來說,可提供連結導向的服務(connection-oriented service) 或非連結的服務 (connectionless service)。提供連結服務的網路稱為 virtual-circuit (VC) networks,而提供非連結服務的網路稱為 datagram。請問兩者有何不同?(7分)

()從傳輸層 (transport layer) 的角度來說,可提供連結導向的服務(connection-oriented service) 或非連結的服務 (connectionless service)。請問兩者有何不同?(7分)

()TCP over IP,分別從網路層以及傳輸層來說,是屬於上述那一種的服務組合?請簡述說明。(6分)

答:

 

七、服務品質(Quality of Service, QoS)

[QoS] 10 | 91(2),92,94,97,99,100,101,103,104

91高三、91檢三、92技高、94-2地三、97鐵高、99警鑑二、100調三、101高三、103技高、104鐵高

()定義

是一種控制機制,針對不同用戶或者不同資料流提供不同的優先順序,或者根據應用程序的要求,保證資料流的性能達到一定的水準。QoS 的保證對於容量有限的網路來說是十分重要的 (如串流多媒體應用),例如 VoIP IPTV 等,因為這些應用常常需要固定的傳輸率,對延遲也比較敏感。

※參考資料:http://sls.weco.net/node/10683

()資料流四種特性:

傳統上資料流有可靠度、延遲、跳動、頻寬四種特性。

1.可靠度(reliability)

是資料流需要的特性,缺少可靠度就是遺失封包和確認,就得重傳。但是,應用程式對可靠度的敏感度是不同的,例如電子郵件、檔案傳輸和 internet 存取對可靠度的依賴比電話或聲音傳輸來得高。

2.延遲(delay)

來源到目的地間的延遲是另一種資料流特性,應用程式可以忍受的延遲各有不同。電話、視訊會議和遠端登入的延遲要最小,而檔案傳輸或電子郵件就比較不重要。

3.跳動(jitter):劇跳

是指封包延遲的變化,高跳動是指延遲變化大,低跳動是指延遲變化小。例如A video stream 傳送給 B,可是 B 要求一邊播一邊傳。希望傳輸速度穩定,不會一下快一下慢。

4.頻寬(bandwidth)

不同的應用程式有不同的頻寬需求,在視訊會議中每秒必須傳送數百位元來更新色彩,而電子郵件的資料內容則不會超過一百萬位元。

※參考資料:劉金順-資料通訊網路四版 24-14~24-15

 

QoS參數:

封包遺失(Packet Loss)、高可用性(Availability)、延遲(Latency)、跳動(Jitter)、頻寬效能(Throughput)。藉由這些參數便可以表現出 QoS 的效果如何。

註:

1.可用性(Availability):軟硬體產生錯誤時,仍能維持正常運作的方式。

2.封包遺失、高可用性列入可靠度。

※參考資料:http://sls.weco.net/node/10683

()改善Qos方法(Techniques to Improve QoS)

1.排程(Scheduling)

不同資料流的封包抵達交換器或路由器等待處理,好的排程方式以公平和合理對待不同的封包。不少排程方式都是為了改善服務品質而設計。種類如下:

(1)FIFO佇列(first-in first-out, FIFO)

  封包在緩衝區中等待節點 (交換器或路由器) 就緒以便處理它們。如果平均抵達速率比平均處理速率快,則佇列會填滿且新的封包將被丟棄。

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    註:

緩衝(buffering)

資料流可以事先傳送到接收端,並加以緩衝 (臨時資料儲存區域),可以降

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