課程大綱

課程定位與成果

本課程從一臺電腦連上遠端服務的完整過程出發，依序建立區域網路、位址與路由、名稱解析、可靠傳輸、安全通訊及代理／VPN 的知識。每個模型都連到可以觀察或量測的現象。

完成課程後，學習者應能：

畫出一次通訊的拓樸，逐跳追蹤 IP 封包、鏈路訊框與代理連線。
根據位址、子網與路由表判斷下一跳，並說明 DNS 與資料流的關係。
用延遲、視窗、頻寬延遲乘積與遺失模型分析傳輸行為。
用 Socket 建立可重現的小型網路應用，分析 TCP 與 UDP 的差異。
區分驗證、加密、前向保密、重放防護及流量可觀察性。
比較代理協定、承載方式、安全機制、接管方式與 IP 層 VPN。
以封包、日誌及受控制的量測作為故障診斷與設計選擇的依據。

先備知識與入門補充

不要求先修網路課。附錄補充二進位、單位換算、Python 程式啟動、命令列路徑與 Socket 的基本概念。必修程式以標準函式庫為主。路由演算法用小型圖例與虛擬碼說明；實作密碼學不是本課必修工作。

閱讀採兩層深度：正文提供完整的問題、模型與例題；「延伸」提供規範細節、演算法推導及版本差異。先完成正文再進入延伸。

評量與自學

自學者可用相同規準檢核。解答獨立成冊，說明推理過程與常見錯法。基本題、分析題及延伸題分開標示；延伸題不作為完成零基礎路線的必要條件。

項目	比例	核心證據
習題	15%	正確假設、推導與解釋
實驗	25%	預測、紀錄、差異分析與可重現性
期中	20%	概念、計算與路徑追蹤
期末題組	15%	10 至 22 單元的概念、計算與故障定位
期末專題	25%	設計、量測、故障定位與取捨

24 週核心進度與兩個 LAN 補充單元

週次／單元	問題與內容	可觀察成果
01 網路全貌	主機、交換器、路由器、AP、ISP；端點與路徑	家庭拓樸圖及服務路徑假設
02 分層與效能	封裝、封包交換、傳送／傳播／排隊延遲、吞吐量、BDP	計算與受控延遲模型
03 IPv4	CIDR、子網、最長前綴匹配、預設路由、ICMP、MTU	位址設定與下一跳判斷
04 區域網路	Ethernet、MAC、ARP、交換表、VLAN、迴路與 STP 概念	逐跳訊框表與交換演練
05 DHCP 與 DNS	租約、遞迴／權威解析、快取、TTL、名稱與位址	DHCP 時序圖及 DNS 回應分析
06 Socket 與 UDP	埠、端點、多工、資料報與位元組串流的應用介面	本機 UDP 與 TCP 小型服務
07 可靠傳輸	校驗、序號、ACK、逾時、重傳、滑動視窗	ARQ 模擬與視窗效率圖
08 TCP	建連、關閉、序號、流量控制、壅塞控制、RTT	TCP 串流與離線遺失模型分析
09 期中整合	網路設定到取得內容；概念、計算與證據	期中題組與路徑診斷報告
10 路由演算法	轉送／路由、距離向量、鏈路狀態、OSPF、BGP 政策	最短路徑與路由選擇演練
11 IPv6	位址、NDP、SLAAC、DHCPv6、雙協定、ICMPv6	IPv6 位址與路徑分析
12 NAT 與防火牆	對映／過濾、連線狀態、CGNAT、STUN、TURN、ICE	NAT 表與穿透可行性分析
13 密碼學概念	對稱／非對稱、雜湊、MAC、簽章、DH、AEAD、PFS、重放	安全性需求與信任分析
14 TLS 與 HTTPS	信任鏈、名稱驗證、握手、SNI、0-RTT、可見資訊	本機 TLS 驗證與憑證觀察
15 HTTP 與 QUIC	HTTP/1.1／2／3、串流、DATAGRAM、快取、CDN、WebSocket／gRPC 承載	隊首阻塞與快取決策分析
16 無線、量測與排錯	Wi-Fi 媒介競爭、AP、家庭分段、分層排錯、量測誤差	最低路線做排錯；無線細節列延伸
17 代理基礎	HTTP CONNECT、SOCKS5、目的位址、名稱解析位置、正向／反向代理	本機代理與連線路徑
18 加密代理	Shadowsocks AEAD 2017／2022、VMess AEAD、驗證、時間與重放	封裝與安全機制對照
19 VLESS／Trojan 與分層組合	VLESS、Trojan、TLS／REALITY、Vision、WebSocket／gRPC／XHTTP、VLESS Encryption；AnyTLS／NaïveProxy 延伸	分欄辨認 protocol、encryption、transport、security、flow
20 QUIC 代理	Hysteria 2、TUIC v5、串流／資料報、UDP 轉送、壅塞與填充	同條件量測設計
21 IP 層 VPN	WireGuard、AllowedIPs、路由、MTU、OpenVPN、IKEv2／IPsec	IP 隧道與代理的路徑對照
22 接管與整合	系統代理、TUN／TAP、透明代理、分流、Fake IP、DoH／DoT、鏈式代理；軟路由整合	DNS／IPv6／UDP 路徑檢查
23 專題設計	拓樸、服務、量測、受控故障、報告	專題初稿與證據
24 綜合評量	設計取捨、故障定位、協定組合與反思	完整專題與期末題組

專題於第 17 週選題，第 19 週交拓樸，第 21 週交量測計畫，第 23 週完成初稿，第 24 週整合。這些里程碑與每週實驗共用成果。

LAN 補充的正式位置

LAN 補充包含必讀 03A「單介面多 IP、來源選擇與政策路由」及 04A「單播、多播、廣播與 LAN 服務探索」，以及 L15、L16 與獨立解答。完整自學可用 26 次學習，03A 接 03、04A 接 04；4A.5 的 DNS-SD 在 05 後回讀，政策路由細節可在 10 後回讀。

若維持 24 週，將 03A 分在第 03 與 10 週，04A 分在第 04 與 05 週，每個補充單元約另需 3 小時，完整 Linux 延伸另計。這兩單元是完整課程的必讀內容；需在 09 期中前完成基礎，在 22 整合前完成來源政策與探索分析。LAN 評量題組可替換原期中／期末部分題目，維持總比例。

新增成果：能追蹤同介面兩個來源的規則、表與下一跳；能預測 FDB／MDB／VLAN 的資料出口；能分開畫探索、單播服務及代理上游路徑。

每章結構

每章依序包含：學習目標與先備關係、具體問題、原理與模型、完整例題、圖解或時序表、常見誤解、實驗連結、習題、章末檢核及來源。抽象模型會明示假設與限制；實作特性會標示版本與平臺。

必修環境與實驗

必修環境：macOS、Windows 或 Linux 的 Python 3.10 以上；僅使用標準函式庫。L13 的本機憑證實驗另需 OpenSSL 相容指令，提供憑證資料的離線條件表替代路線。Wireshark 為延伸工具，非必修前提。每週最低路線為正文、基本題與指定實驗步驟，約 5 至 6 小時；完整分析與延伸約 7 至 8 小時，代理單元可拆成兩次學習。

必修實驗提供本機可執行版本或離線資料分析：

L01（01、06）觀察端點、資料與連線；建立本機 HTTP 服務。
L02（02、07、08）延遲、單位、視窗及頻寬延遲乘積。
L03（03、11）位址與最長前綴匹配。
L04（05）DNS 訊息與名稱解析。
L05（06、08）TCP／UDP Socket 與訊息邊界。
L06（07、08）ARQ 與滑動視窗模擬。
L07（10）路由演算法。
L08（12）NAT 對映、過濾與連線狀態模型。
L09（17、22）本機 CONNECT／SOCKS 代理與 DNS 路徑。
L10（19、21、22）隧道開銷、MTU 與分流決策。
L11（15、16、18、20、23）同條件效能比較與統計摘要。
L12（09、12、16、23、24）綜合故障診斷與專題。
L13（13、14）本機 TLS、名稱驗證、信任與憑證。
L14（15、18、19、20、21、22）代理／VPN 的協定欄位與路徑分析工作表。
L15（03A、10、22）單介面多 IP、來源選擇、RPDB 與 LAN／endpoint 例外。
L16（04A、05、11、22）單播／廣播／多播交付、成員老化與 DNS-SD 路徑。

每份實驗包含預測、步驟、預期現象、紀錄表、判讀題與驗證範圍。模擬結果只能支持模型內的結論；真實代理／VPN 的效能與可辨識性需要指定實作及實際網路資料。

Linux 虛擬環境延伸提供封包擷取、多網段、NAT／防火牆與 WireGuard／代理設定的指引。它們不列為零基礎讀者完成必修課程的環境前提。將清楚區分已在本機驗證的程式、可離線分析的範例與尚未執行的跨平臺延伸。

代理與 VPN 的評估方法

對每個協定使用相同欄位：設計目標、轉送單位、目的位址、驗證方式、加密位置、金鑰與前向保密、重放防護、TCP／UDP 承載、多工、DNS 解析位置、可觀察資訊、實作相容性、效能條件與失敗案例。

協定名稱、承載方式、安全機制、流量接管及軟體核心分開描述。TLS 與 REALITY 不當作和 VLESS 等價的代理協定；TUN 不被當作加密保證。各種組合的有效性以指定實作及版本核對，不能將工具中的一個標籤當作普遍標準。

不以一次測速排列「最快協定」。比較要控制硬體、實作版本、路徑、延遲、遺失、頻寬、工作負載與並行連線數；同時紀錄延遲分布、吞吐量、CPU 與額外流量。安全、匿名性、偽裝與可用性分別分析。