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網絡小故事 4 · 入門

看不見的網線Wi-Fi（無線網絡）與 Access Point（無線基地台）

手機沒有插網線，資料是怎樣走進 LAN 的？

主角：阿麥、八爪、小比閱讀時間約 10 分鐘

Wi-FiAccess PointSSID

建議先讀：小故事 1「Switch 入門」

1. 故事

按「下一步」一步一步看。每一步都有一位角色出場，解釋自己正在做什麼。

序幕：溫習一下

第 1 步／共 11 步

有線的 LAN

家中的電腦和電視都用網線接到我身上，大家在同一個 LAN（區域網絡）裡。我按 MAC Address（硬體位址）把 Frame（訊框）送到正確的 Port（連接埠）。

動畫文字版（全部步驟）
  1. 序幕：溫習一下
  2. 有線的 LAN　八爪：家中的電腦和電視都用網線接到我身上，大家在同一個 LAN（區域網絡）裡。我按 MAC Address（硬體位址）把 Frame（訊框）送到正確的 Port（連接埠）。
  3. 第一幕：沒有插口的新朋友
  4. 手機來了　阿麥：家中多了一部手機。它想和我們一起傳相片，可是手機身上一個網線插口也沒有！八爪的觸手再長也接不到它。
  5. Access Point 出場　八爪：我們請來一部 Access Point（無線基地台），用網線接在我的 P4。它一邊接著網線，一邊用無線電波說話，好像一位雙語翻譯員。
    • 有線那邊說 Ethernet（以太網）
    • 無線那邊說 Wi-Fi（無線網絡），標準名稱是 IEEE 802.11
  6. Beacon：「我是阿麥的家！」　小比：Access Point 大約每 0.1 秒就發出一次 Beacon（信標），向四周宣佈自己的名字：「阿麥的家」。這個 Wi-Fi 名字叫 SSID（無線網絡名稱）。
    • 手機打開 Wi-Fi 設定時看到的網絡列表，就是從 Beacon 收集回來的
  7. 連接、對密碼　小比：手機選擇「阿麥的家」，和 Access Point 完成連接，再用 WPA2 或 WPA3 確認雙方都知道密碼，協商出一組只有這次連接用的加密鎖匙。
    • ① Authentication（認證）及 Association（連接）
    • ② WPA2／WPA3：確認密碼，產生加密鎖匙
    • ③ 之後用 DHCP（動態主機設定協定）取得 IP Address（第 8 課）
  8. 第二幕：無線 Frame 的旅程
  9. 小比飛越空氣　小比：手機要把相片傳給阿麥。我先穿上無線 Frame 的外衣，經無線電波飛到 Access Point。在空氣中，我的內容是加密的，鄰居收到也看不懂。
  10. 翻譯員換包裝　小比：Access Point 解密後，把我的無線外衣換成 Ethernet Frame，交給八爪。收件人和寄件人的 MAC Address 保持不變，裡面的相片也一樣。
    • 換的只是 Frame 的包裝，IP Address 和資料內容都不變
  11. 八爪：手機在 P4　八爪：我照常工作：看寄件人，記下手機在 P4；看收件人，把 Frame 送到阿麥的 P1。對我來說，手機和其他電腦沒有分別，大家都在同一個 LAN！
    • MAC Address Table：
    • P1 → …:01（阿麥）
    • P4 → …:03（手機，經 Access Point）
  12. 第三幕：共用的空氣
  13. 空氣只有一條「線」　小比：在同一個頻道上，所有 Wi-Fi 裝置共用同一片空氣，好像大家接在同一部 Hub（集線器）上。同一時間，只可以有一部裝置傳送。
    • 頻段：2.4 GHz（覆蓋遠、較擠迫）、5 GHz（快、範圍較短）、6 GHz（Wi-Fi 6E／7）
  14. CSMA/CA：盡量避免撞車　小比：無線裝置很難一邊送一邊聽，所以 Wi-Fi 用 CSMA/CA（載波偵聽多重存取／碰撞避免）：先聽，空閒後再等一段隨機時間才送。收件人收到後要回覆 ACK（確認），收不到 ACK 就再送。
    • 有線 Hub：CSMA/CD，撞車後處理
    • Wi-Fi：CSMA/CA，盡量避免撞車，並用 ACK 確認
  15. 總結：看不見的網線　阿麥：有了 Access Point，手機不用插線也加入了我們的 LAN。家中那部「Wi-Fi 蛋」，其實通常把 Router、Switch 和 Access Point 三合一了！
    • Access Point：把無線裝置接到有線的 LAN
    • SSID：Wi-Fi 的名字；WPA2／WPA3：加密
    • 同一頻道共用空氣，用 CSMA/CA 和 ACK

2. 問題在哪裡

八爪，即 Switch（交換器），很能幹，但它只能透過網線送貨。每部裝置都要有一個網線插口，再拉一條線接到它的 Port（連接埠）。

可是今天很多裝置根本沒有網線插口：

  • 手機、平板電腦、智能手錶
  • 很多輕薄的手提電腦
  • 智能燈泡、門鐘、揚聲器

就算有插口，拿著手機在家中走來走去，也不可能拖著一條網線。

問題是：這些裝置怎樣加入同一個 LAN（區域網絡），和有線的電腦、電視互相傳資料？

3. 網絡怎樣解決

在 LAN 裡加一位「雙語翻譯員」：Access Point（無線基地台）。

它一邊用網線接著八爪，說 Ethernet（以太網）；一邊用無線電波和手機溝通，說 Wi-Fi（無線網絡）。資料來到它面前，它就換一換包裝，轉交另一邊。

Wi-Fi 就是用無線電波連接 LAN 的技術。對八爪來說，手機只是另一部接在 P4 後面的裝置，大家仍然在同一個 LAN 裡。

4. 看深一點

手機加入 Wi-Fi 的四個步驟

步驟 發生了什麼事
① 搜尋 Access Point 大約每 0.1 秒發出一次 Beacon（信標），宣佈自己的 SSID（無線網絡名稱）；手機也可以主動發出查詢。
② 連接 手機選擇「阿麥的家」，和 Access Point 完成 Authentication（認證）及 Association（連接）。
③ 對密碼 用 WPA2 或 WPA3（Wi-Fi 保護存取）確認雙方都知道密碼，再協商出一組只有這次連接用的加密鎖匙。（WPA3 其實在第 ② 步的 Authentication 已經開始核對密碼。）
④ 取得 IP 用 DHCP（動態主機設定協定）向 Router（路由器）取得 IP Address（網絡位址），詳見入門課程第 8 課。

留意：密碼本身不會直接在空氣中傳送。雙方是用密碼「計算」出加密鎖匙，所以旁人偷聽也不能直接看到密碼（不過太簡單的密碼仍可能被猜中，所以密碼要夠長）。

無線 Frame（訊框）怎樣變成 Ethernet Frame？

手機把相片傳給阿麥時，無線 Frame 上有三個 MAC Address（硬體位址）欄位，比 Ethernet Frame 多一個：

欄位 無線 Frame（手機 → Access Point） Ethernet Frame（Access Point → 八爪）
這一程的收件人 Access Point 的無線 MAC Address —
寄件人 手機 00:00:5E:00:53:03 手機 00:00:5E:00:53:03
最終收件人 阿麥 00:00:5E:00:53:01 阿麥 00:00:5E:00:53:01
內容 加密的 IP Packet（封包）和相片 已解密的 IP Packet 和相片

Access Point 解密後，換上 Ethernet 的包裝，但寄件人和最終收件人的 MAC Address 都不變。所以八爪會學到「手機 …:03 在 P4」，就好像手機直接接在 P4 上一樣。

Access Point 無線那一邊的 MAC Address，有一個專門名稱，叫 BSSID（基本服務集識別碼）。

頻段和頻道

Wi-Fi 在幾個無線電頻段上運作：

頻段 特點
2.4 GHz 穿牆能力較好、覆蓋較遠；但頻道少，而且和藍牙、微波爐等共用，較擠迫
5 GHz 速度較快、頻道較多；範圍較短
6 GHz Wi-Fi 6E 和 Wi-Fi 7 才支援；最快、最少干擾，範圍最短

每個頻段再分成很多個 Channel（頻道）。在同一個頻道上的所有裝置，共用同一片空氣，好像一起接在同一部 Hub（集線器）上：同一時間，只可以有一部裝置傳送。所以 Wi-Fi 是 Half-duplex（半雙工）的。

CSMA/CA（載波偵聽多重存取／碰撞避免）：盡量避免撞車

小故事 2 講過，接在 Hub 上的裝置用 CSMA/CD（載波偵聽多重存取／碰撞偵測）：撞車之後才處理。

無線裝置很難做到這一點。它自己傳送的訊號太強，會蓋過遠處其他裝置的微弱訊號，所以一邊送一邊聽，也聽不出有沒有撞車。

Wi-Fi 改用 CSMA/CA：

  1. 先聽：頻道有人用，就等。
  2. 再等一段隨機時間：頻道空閒後，不會立即傳送，而是再等一段隨機時間，減少大家同時開口的機會。
  3. 傳送。
  4. 等 ACK（確認）：收件人收到 Unicast（單播）Frame 後，要立即回覆 ACK。收不到 ACK，就當作失敗，稍後再送。

「Wi-Fi 蛋」其實是三合一

家中那部 Wi-Fi 路由器（很多人叫它「Wi-Fi 蛋」），通常把三部設備放在同一個盒子裡：

內置的設備 負責
Router（路由器） 連接家中 LAN 和互聯網
Switch（交換器） 背面的 LAN 插口
Access Point（無線基地台） 發出 Wi-Fi 訊號

所以即使你在家中看不見八爪，它其實也在盒子裡工作。

5. 動手試試

任務：看看手機的 Wi-Fi 資料

  1. 打開手機的「設定」→「Wi-Fi」（名稱視乎手機而定）。
  2. 你看到的網絡列表，全部是附近 Access Point 用 Beacon 宣佈的 SSID。數一數有多少個？
  3. 按一下你已連接的網絡，看看：
    • 有沒有顯示「2.4 GHz」、「5 GHz」或頻道號碼？
    • 保安類型是不是 WPA2 或 WPA3？
    • 你的手機拿到的 IP Address 是什麼？是不是 192.168 開頭？
  4. 很多手機還會顯示「私人位址」或「隨機 MAC 位址」的選項，這是保護私隱的功能（見下面「比喻的極限」）。

小互動

有線還是無線？

把以下每一項，分到有線 Ethernet（接 Switch）或無線 Wi-Fi（同一個頻道）。（Full-duplex（全雙工）即可以同時送和收。）

  1. 1同一時間，同一個頻道只可以有一部裝置傳送

  2. 2裝置可以用 Full-duplex 同時送和收

  3. 3每一個 Unicast Frame 都要回覆 ACK

  4. 4用 CSMA/CA 盡量避免碰撞

  5. 5需要 SSID 和密碼才可以加入

  6. 6訊號沿著網線傳送，不容易被旁人收到

6. 比喻的極限

  • Access Point 不只是「翻譯」。 它還要管理連接、負責加密和解密、重送失敗的 Frame，甚至安排不同裝置輪流傳送，比翻譯員忙得多。
  • 無線電波不會乖乖直線飛。 動畫中小比沿一條線飛到 Access Point；現實中電波向四面八方散開，會被牆壁、傢俬和人體削弱或反射，所以距離遠了速度會下降。
  • 手機的名牌可能是「假名」。 為了保護私隱，今天很多手機連接每個 Wi-Fi 時，會用一個 Random MAC Address（隨機 MAC 位址），不一定是出廠時的那一個。故事中為了簡單，手機一直用 00:00:5E:00:53:03。
  • 加密只保護空氣那一段。 WPA2／WPA3 只加密手機和 Access Point 之間的無線電波；Access Point 解密後，資料在網線上是未經 Wi-Fi 加密的。要全程保護，要靠 HTTPS（加密網頁傳輸協定）等其他方法。
  • 「看不見的網線」不等於「沒有線」。 Access Point 本身仍然要用網線接到 Switch 或 Router；只有最後一小段是無線的。

7. 小測驗

第 1 題，共 3 題Access Point 的主要工作是什麼？
第 2 題，共 3 題手機在 Wi-Fi 設定中看到的「阿麥的家」，是什麼？
第 3 題，共 3 題為什麼 Wi-Fi 用 CSMA/CA，而不是 CSMA/CD？

8. 重點筆記

  • Access Point（無線基地台）一邊接網線、一邊發出 Wi-Fi（無線網絡）訊號，令無線裝置和有線裝置在同一個 LAN。
  • SSID（無線網絡名稱）是 Wi-Fi 的名字，Access Point 用 Beacon（信標）不斷宣佈；WPA2／WPA3 負責加密空氣中的資料。
  • Access Point 把無線 Frame 換成 Ethernet Frame，寄件人和收件人的 MAC Address 不變，所以 Switch 照常學習和送貨。
  • 同一頻道上的裝置共用空氣，同一時間只可以有一部傳送；Wi-Fi 用 CSMA/CA 和 ACK 盡量避免及處理碰撞。
  • 家中的 Wi-Fi 路由器，通常把 Router、Switch 和 Access Point 三合一。

延伸閱讀

有了 Access Point，手機不用插線也可以加入 LAN。可是，當客人來訪、也連上你家的網絡時，他們的電腦就可以看到家中每一部裝置了。下一個故事，八爪會放下一道「屏風」，把一部 Switch 分成家人區和客人區：VLAN（虛擬區域網絡）。