Learning Objectives
- 說明協定與分層的意義，對照 OSI 七層模型與 TCP/IP 模型
- 描述資料從應用層往下封裝、到對方再一層層解封裝的過程，以及路由器轉送時改了哪些欄位
- 說明埠號的用途，以及 TCP 三向交握、序號與確認號、遺失重傳的運作
- 比較 TCP 與 UDP 的差異與適用情境，認識 IPv4 與 IPv6 位址
這一課要回答的問題
你在手機上傳一則訊息，它會先經過家裡的 Wi-Fi 基地台、路由器、電信業者的光纖，可能還跨過海底電纜，才到達伺服器。 沿路的設備來自不同廠商、用不同的線路，卻都能正確合作；中途有封包遺失，訊息也不會少一個字。
這一課回答：
- 網路上的設備怎麼說「同一種語言」？什麼是協定？
- 為什麼要把網路的工作分層？每一層負責什麼？
- 一份資料送出去之前，被包上了哪些東西？
- TCP 怎麼保證資料完整、順序正確？什麼時候改用 UDP？
協定與分層：OSI 模型與 TCP/IP 模型
協定（protocol）是雙方事先約定好的規則：資料的格式、每個欄位的意思、誰先說話、出錯了怎麼處理。
網路的工作很多，所以拆成好幾層，每一層只負責一件事，只和上下相鄰的層打交道。 就像寄包裹：你只管把東西裝箱、寫上地址；貨運公司決定走哪條路；司機只管開車。換了車種，你寄東西的方式不用改。
兩個常見的分層模型：
| OSI 模型（7 層） | TCP/IP 模型 | 負責的事 | 例子 | 資料單元 |
|---|---|---|---|---|
| 7 應用層、6 展示層、5 會議層 | 應用層 | 提供給程式使用的服務 | HTTP、DNS、SMTP | 資料 |
| 4 傳輸層 | 傳輸層 | 把資料交給對方的哪一個程式（埠號）；TCP 確保可靠 | TCP、UDP | 資料段（segment） |
| 3 網路層 | 網路層（網際網路層） | 依 IP 位址跨網路找到對方的主機 | IP | 封包（packet） |
| 2 資料連結層 | 網路存取層 | 在同一段線路上把資料交給下一站（MAC 位址） | 乙太網路、Wi-Fi | 訊框（frame） |
| 1 實體層 | （同上） | 把位元轉成電壓、光或無線電波 | 網路線、光纖 | 位元 |
TCP/IP 模型常把最下面拆成資料連結層與實體層，合起來說「五層」，本課的模擬器就用五層。
歷史：
- OSI 模型由國際標準組織（ISO）在 1984 年發布（ISO 7498），現在主要用來教學與討論，各層的名稱大家都通用。
- 實際在網際網路上運作的是 TCP/IP：IP 的規格是 1981 年 9 月的 RFC 791，TCP 是 1981 年的 RFC 793（2022 年 8 月由 RFC 9293 取代），UDP 是 1980 年 8 月的 RFC 768。
- 1983 年 1 月 1 日，ARPANET 依計畫（RFC 801）停用舊的 NCP 協定、全面改用 TCP/IP，常被視為今天網際網路的重要起點。
RFC（Request for Comments）是網際網路標準的文件系列，每份都有編號，任何人都可以在網路上免費閱讀。
封裝與解封裝
送出資料時，每往下一層，就在前面加上這一層的標頭（header），像把信裝進信封、再放進包裹箱：
應用層 [ HTTP 請求 ]
傳輸層 [TCP][ HTTP 請求 ]
網路層 [IP][TCP][ HTTP 請求 ]
資料連結層 [乙太][IP][TCP][ HTTP 請求 ][FCS]
這個過程叫封裝（encapsulation）。對方收到後從外到內一層一層拆開，叫解封裝：每一層只讀自己那一層的標頭， 再依標頭裡的欄位決定交給上面哪一個協定（IP 標頭的「協定」欄位、TCP 標頭的「目的埠號」）。
中途的路由器只拆到網路層：讀目的 IP、查路由表，再包上新的訊框往下一站送。下面的模擬器裡，每一個位元組都是依標準格式實際組出來的。
埠號：交給哪一個程式
IP 位址找到對方的電腦，但一台伺服器上可能同時跑著網頁、郵件、遠端登入好幾個程式。 傳輸層用埠號（port number，16 位元，0～65535）區分要交給哪一個程式。
| 埠號 | 服務 |
|---|---|
| 80 | HTTP（網頁） |
| 443 | HTTPS（加密的網頁） |
| 53 | DNS（網域名稱查詢） |
| 22 | SSH（加密的遠端登入） |
| 25 | SMTP（郵件伺服器之間傳送郵件） |
IANA 把埠號分成三段（RFC 6335）：0～1023 是系統埠（常見服務固定使用）、1024～49151 是使用者埠（可向 IANA 登記）、 49152～65535 是動態埠（用戶端臨時挑一個來用）。瀏覽器連到網站時，目的埠是 443，來源埠則是作業系統臨時挑的。
「IP 位址＋埠號」決定了通訊的一端，像 203.0.113.80:443；一條 TCP 連線由兩端的位址與埠號一起識別。
TCP：可靠的傳輸
IP 只負責「盡力送」：封包可能遺失、重複、順序亂掉，IP 不保證。TCP（Transmission Control Protocol）在這之上提供可靠的傳輸：
用戶端 ── SYN seq=x ────────────────▶ 伺服器
用戶端 ◀── SYN-ACK seq=y, ack=x+1 ─── 伺服器
用戶端 ── ACK seq=x+1, ack=y+1 ─────▶ 伺服器
- 三向交握（three-way handshake）建立連線（上圖）：雙方交換各自的起始序號（實際上是隨機選的，避免和舊連線混淆，也讓別人更難偽造封包）。
- 序號與確認號：TCP 幫送出的每一個位元組編號。確認號（ack）是「下一個想收到的位元組編號」：收到編號 1001～1004 的 4 個位元組，就回 ack=1005。
- 逾時重送：送出後啟動計時器，時間到還沒收到確認，就重送同一段。接收端依序號把資料排好，重複的丟掉。
- 流量控制與壅塞控制：依接收端的處理能力（視窗大小）與網路擁擠程度，調整一次可以送多少。
- 結束時雙方各送一個 FIN、各回一個 ACK。
下面的程式用最簡單的方式模擬「送一段、等確認、遺失就重送」，看序號與確認號怎麼算。
序號、確認號與重送
每一段 4 個位元組。看 seq 與 ack 的關係：ack 永遠是 seq 加上這段的長度。第二段第一次送出時遺失，continue 讓迴圈回到開頭但 i 沒有加 1，所以用同一個序號重送同一段，最後接收端拿到完整、順序正確的資料。
UDP：簡單、快速、不保證
UDP（User Datagram Protocol）只在資料前面加上 8 個位元組的標頭：來源埠、目的埠、長度、檢查碼。 不建立連線、沒有序號、沒有確認、不重送。
| TCP | UDP | |
|---|---|---|
| 連線 | 先三向交握 | 不需要，直接送 |
| 可靠性 | 遺失會重送、依序交付 | 遺失就遺失、順序不保證 |
| 標頭大小 | 至少 20 位元組 | 8 位元組 |
| 適合 | 網頁、檔案下載、電子郵件：一個位元組都不能錯 | DNS 查詢、即時語音與視訊、線上遊戲：重視即時，晚到的資料沒有用 |
用 UDP 的程式如果需要可靠性，要自己處理（例如 DNS 查不到回應就再問一次）。
IPv4 與 IPv6
IPv4 位址 32 位元，最多 2³² ＝ 4,294,967,296 個（約 43 億）。手機、筆電、伺服器、物聯網裝置越來越多，位址早就不夠： IANA 在 2011 年 2 月把最後的大區塊分配出去。NAT 讓很多裝置共用一個位址，延緩了問題，但也讓「從外面直接連到某台裝置」變得麻煩。
IPv6 位址 128 位元，數量約 3.4 × 10³⁸ 個。目前的規格是 2017 年 7 月的 RFC 8200（取代 1998 年 12 月的 RFC 2460）。
IPv6 位址寫成 8 組、每組 4 個十六進位數字，用冒號隔開，有兩條縮寫規則：
完整寫法 2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001
規則 1 每組開頭的 0 可以省略 → 2001:db8:0:0:0:0:0:1
規則 2 一段連續全 0 的組寫成 ::（只能用一次）→ 2001:db8::1
2001:db8::/32 是保留給文件與教材的範例位址（RFC 3849）。
| IPv4 | IPv6 | |
|---|---|---|
| 長度 | 32 位元 | 128 位元 |
| 寫法 | 192.0.2.10 |
2001:db8::10 |
| 位址數量 | 約 43 億 | 約 3.4 × 10³⁸ |
| 自動設定 | DHCP | 可以自己依網路前綴產生位址，也可用 DHCPv6 |
目前許多網路同時支援兩種位址（雙協定堆疊，dual stack），兩者會共存很長一段時間。 不論用哪一種，上面的 TCP、UDP 與應用層都不用改：這就是分層的好處。
想一想：分層與封裝
筆電送出的訊框經過一台路由器（沒有做 NAT）到達伺服器。伺服器收到時，和筆電剛送出時比較，哪一項一定相同？
伺服器怎麼知道收到的資料要交給 Web 伺服器程式，而不是郵件伺服器程式？
想一想：TCP 與 UDP
TCP 三向交握依序是哪三個封包？
下列哪一種應用最適合用 UDP？
下面的程式模擬 TCP 的編號：起始序號 2001，依序送出兩段資料。最後會印出什麼？
seq = 2001
for data in ['ABC', 'DEFGH']:
ack = seq + len(data)
seq = ack
print(ack)
想一想：IPv4 與 IPv6
IPv4 位址有幾個位元？最多大約有幾個位址？
IPv6 位址 2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001 的正確縮寫是？
重點整理
- 協定是通訊雙方約定的規則；網路的工作分成好幾層，每層只負責一件事。OSI 模型有 7 層，實際運作的 TCP/IP 常以 4 層或 5 層說明。
- 送出時一層一層加上標頭（封裝），對方一層一層拆開（解封裝）：應用層資料 → TCP／UDP 資料段 → IP 封包 → 乙太網路訊框 → 位元。
- 路由器只處理到網路層：依目的 IP 轉送，換上新的訊框（MAC 位址改變），TTL 減 1；IP 位址與埠號不變（做 NAT 的路由器會改來源位址）。
- 埠號（16 位元）決定交給哪一個程式；80 是 HTTP、443 是 HTTPS、53 是 DNS。
- TCP 用三向交握建立連線，用序號與確認號追蹤每個位元組，逾時沒收到確認就重送；UDP 不建立連線、不重送，適合重視即時的應用。
- IPv4 位址 32 位元已經不夠用；IPv6 位址 128 位元，寫成 8 組十六進位數字，可以用
::縮寫。
下一課看應用層最常用到的一個服務：你輸入網址時，電腦怎麼透過 DNS 查到伺服器的 IP 位址。