學習目標
- 理解無線網路的兩種模式（Ad Hoc 和 Infrastructure）
- 掌握 Wi-Fi 安全協定（WEP、WPA、WPA2）的差異
- 理解 SSID 的作用
- 了解隱藏節點問題及其解決方案
1. 無線網路的基本概念
1.1 什麼是無線網路？
無線網路 (Wireless Network) 是指不使用實體線路連接的網路，透過無線電波傳輸資料。
1.2 無線網路的優點
- 移動性: 不受線路限制，可以移動使用
- 安裝方便: 不需要佈線
- 擴展性: 容易增加新的裝置
1.3 無線網路的缺點
- 安全性: 訊號可能被竊聽
- 穩定性: 可能受到干擾
- 速度: 通常比有線網路慢
- 距離限制: 訊號範圍有限
2. 無線網路模式
2.1 Ad Hoc 模式（點對點模式）
定義
Ad Hoc 是一個由多個無線裝置直接相互連接組成的去中心化網路，不需要透過中央存取點 (Access Point, AP)。
特點
- 去中心化: 沒有中央控制節點
- 臨時性: 通常用於臨時性的資料交換
- 小範圍: 適合小範圍的裝置連接
- 對等連接: 所有裝置地位平等
應用場景
- 臨時檔案分享
- 遊戲連線
- 緊急情況下的通訊
- 沒有網路基礎設施的環境
架構圖
裝置 A ←→ 裝置 B
↕ ↕
裝置 C ←→ 裝置 D
所有裝置直接相互連接，形成網狀網路。
2.2 Infrastructure 模式（基礎架構模式）
定義
Infrastructure 模式中，所有無線裝置都透過一個中央的存取點 (Access Point, AP) 連接。AP 負責管理網路通訊，並可將無線網路橋接至有線網路（如網際網路）。
特點
- 中央控制: AP 管理所有通訊
- 穩定: 有固定的中央節點
- 可擴展: 容易擴展到有線網路
- 最常見: 這是 Wi-Fi 最常見的使用模式
應用場景
- 家庭 Wi-Fi 網路
- 辦公室無線網路
- 公共場所的 Wi-Fi 熱點
- 任何需要連接網際網路的場景
架構圖
存取點 (AP)
/ | \
/ | \
裝置A 裝置B 裝置C
|
有線網路
|
網際網路
所有裝置透過 AP 連接，AP 連接到有線網路。
2.3 兩種模式的比較
| 特性 | Ad Hoc | Infrastructure |
|---|---|---|
| 中央節點 | 無 | 有（AP） |
| 連接方式 | 裝置直接連接 | 透過 AP 連接 |
| 網路管理 | 分散式 | 集中式（AP 管理） |
| 連接網際網路 | 困難 | 容易（透過 AP） |
| 穩定性 | 較低 | 較高 |
| 適用場景 | 臨時、小範圍 | 長期、大範圍 |
| 常見程度 | 較少 | 非常常見 |
3. Wi-Fi 安全協定
3.1 為什麼需要安全協定？
無線網路的訊號在空氣中傳播，任何人都可以接收，因此需要加密來保護資料。
3.2 WEP (Wired Equivalent Privacy)
定義
WEP 是最早的 Wi-Fi 安全協定，設計目標是提供與有線網路相當的隱私保護。
技術細節
- 加密演算法: RC4 串流加密
- 金鑰長度: 64 位元或 128 位元
- 金鑰類型: 靜態金鑰（手動設定，很少更換）
問題
- 設計缺陷: 存在嚴重的安全漏洞
- 容易被破解: 可以在幾分鐘內被破解
- 靜態金鑰: 金鑰很少更換，一旦洩露就持續不安全
現狀
- 已過時: 現已極不安全，不應使用
- 不建議: 所有現代裝置都不建議使用 WEP
3.3 WPA (Wi-Fi Protected Access)
定義
WPA 是為取代 WEP 而設計的過渡方案。
技術細節
- 加密演算法: 仍使用 RC4，但改進金鑰管理
- 金鑰管理: TKIP (Temporal Key Integrity Protocol)
- 動態金鑰機制
- 定期更換金鑰
- 每個封包使用不同的金鑰
改進
- 動態金鑰: 解決了 WEP 靜態金鑰的問題
- 完整性檢查: 防止資料被篡改
- 安全性提升: 雖然仍使用 RC4，但安全性遠高於 WEP
現狀
- 過渡方案: 主要用於舊裝置
- 仍可用: 比 WEP 安全，但不如 WPA2
3.4 WPA2 (Wi-Fi Protected Access II)
定義
WPA2 是目前最廣泛使用的 Wi-Fi 安全標準。
技術細節
- 加密演算法: AES (Advanced Encryption Standard)
- 比 RC4 更強大的加密演算法
- 被美國政府採用為標準
- 協定: CCMP (Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol)
- 提供加密和完整性保護
優點
- 高安全性: 提供非常高的安全性
- 廣泛支援: 所有現代裝置都支援
- 標準化: 是 IEEE 802.11i 標準的一部分
現狀
- 目前標準: 是目前最推薦使用的安全協定
- 持續更新: 有 WPA3 正在推廣，但 WPA2 仍是最常見的
3.5 三種協定的比較
| 特性 | WEP | WPA | WPA2 |
|---|---|---|---|
| 加密演算法 | RC4 | RC4 + TKIP | AES + CCMP |
| 金鑰管理 | 靜態 | 動態 (TKIP) | 動態 (AES) |
| 安全性 | 極低（已破解） | 中等 | 高 |
| 建議使用 | ❌ 不建議 | ⚠️ 僅舊裝置 | ✅ 強烈建議 |
| 推出時間 | 1999 | 2003 | 2004 |
4. SSID (Service Set Identifier)
4.1 定義
SSID 是無線網路的名稱，是一個長度最多 32 字元的字串，用於識別一個特定的無線區域網路 (WLAN)。
4.2 功能
- 網路識別: 讓使用者可以識別和選擇要連接的網路
- 區分網路: 在同一個區域可能有多個無線網路，SSID 用於區分
4.3 運作方式
- 廣播: 無線基地台 (AP) 會定期廣播其 SSID
- 掃描: 無線裝置掃描環境中的 SSID
- 選擇: 使用者從掃描到的 SSID 列表中選擇要連接的網路
4.4 隱藏 SSID
- 功能: 可以設定不廣播 SSID（隱藏網路）
- 效果: 網路不會出現在掃描列表中
- 安全性: 提供有限的安全性（安全性透過 obscurity）
- 注意: 隱藏 SSID 不能提供真正的安全保護
5. 隱藏節點問題 (Hidden Node Problem)
5.1 問題描述
在一個無線網路中，當節點 A 和節點 C 都在 AP 的通訊範圍內，但 A 和 C 卻互相聽不到對方的信號時，會發生隱藏節點問題。
情境:
節點 A AP 節點 C
●─────────────●─────────────●
可以聽到 AP | 可以聽到 AP
但聽不到 C | 但聽不到 A
5.2 問題後果
如果節點 A 和節點 C 同時向 AP 傳送資料： - 兩個訊號會在 AP 端發生碰撞 (Collision) - 導致傳輸失敗 - 兩個節點都需要重傳，降低網路效率
5.3 為什麼會發生？
- 距離太遠: A 和 C 之間的距離超過了無線訊號的傳輸範圍
- 障礙物: 中間有障礙物阻擋訊號
- 訊號強度: 訊號強度不足以到達對方
5.4 解決方案：RTS/CTS 機制
RTS/CTS 是什麼？
- RTS (Request to Send): 請求發送
- CTS (Clear to Send): 清除發送（允許發送）
運作機制
- 節點發送 RTS: 當一個節點要傳送資料前，先向 AP 發送一個短的 RTS 請求
- AP 廣播 CTS: AP 收到 RTS 後，會廣播一個 CTS 封包給所有在範圍內的節點
- 其他節點延後: 即使是隱藏節點（如 C），收到 CTS 後也會知道媒體正忙，從而延後自己的傳送
- 避免碰撞: 這樣可以避免碰撞
流程圖
節點 A 要傳送資料:
A → AP: RTS (Request to Send)
AP 廣播 CTS:
AP → 所有節點: CTS (Clear to Send)
節點 C 收到 CTS:
C 知道媒體正忙，延後傳送
節點 A 傳送資料:
A → AP: 資料封包（不會與 C 碰撞）
優點
- 解決隱藏節點問題: 有效避免隱藏節點造成的碰撞
- 提高效率: 減少重傳，提高網路效率
缺點
- 額外開銷: RTS/CTS 封包本身需要時間和頻寬
- 延遲增加: 增加了傳輸的延遲
6. 實際應用
6.1 選擇網路模式
- 家庭/辦公室: 使用 Infrastructure 模式
- 臨時檔案分享: 可以使用 Ad Hoc 模式
6.2 選擇安全協定
- 新裝置: 使用 WPA2
- 舊裝置: 如果必須，使用 WPA（但應考慮升級）
6.3 處理隱藏節點問題
- 啟用 RTS/CTS: 在 AP 設定中啟用 RTS/CTS 機制
- 調整位置: 調整節點位置，減少隱藏節點
7. 練習題
練習題 1
請比較 Ad Hoc 和 Infrastructure 兩種無線網路模式。
參考答案： - Ad Hoc: 去中心化，裝置直接連接，適合臨時、小範圍使用 - Infrastructure: 有中央 AP，所有裝置透過 AP 連接，適合長期、大範圍使用，可以連接網際網路
練習題 2
請說明 WEP、WPA、WPA2 三種安全協定的差異。
參考答案： - WEP: 使用 RC4 和靜態金鑰，已不安全，不應使用 - WPA: 使用 RC4 + TKIP，動態金鑰，安全性中等，僅用於舊裝置 - WPA2: 使用 AES + CCMP，動態金鑰，安全性高，是目前標準
練習題 3
什麼是隱藏節點問題？如何解決？
參考答案： 隱藏節點問題是指兩個節點都在 AP 範圍內，但互相聽不到對方信號，如果同時傳送會造成碰撞。解決方案是使用 RTS/CTS 機制：節點傳送前先發送 RTS，AP 廣播 CTS，其他節點收到 CTS 後知道媒體正忙，會延後傳送，從而避免碰撞。
8. 考試重點提醒
- 兩種模式: 清楚區分 Ad Hoc 和 Infrastructure 模式
- 安全協定: 理解 WEP、WPA、WPA2 的差異和演進
- SSID: 理解 SSID 的作用
- 隱藏節點問題: 理解問題原因和 RTS/CTS 解決方案
- 實際應用: 了解如何選擇適當的模式和安全協定