Learning Objectives
- 說明網路為什麼要分層，以及「每一層只和上下層與對方同一層打交道」的意思
- 對照 OSI 七層與 TCP/IP 四層，說出每一層的工作與代表協定
- 描述封裝與解封裝的過程，並說出各層資料單位的名稱（訊框、封包、區段／資料報）
- 說明接收端怎麼依標頭欄位（類型、協定、目的埠）把資料交給正確的上一層
- 計算標頭的額外負擔，說明為什麼小封包的效率比較低
為什麼要分層
寄一個包裹：你只管寫好內容、填上收件人；物流公司決定走哪條路線；貨車司機只管把車開到下一站。 你不需要知道貨車走哪條高速公路，司機也不需要拆開包裹看內容。每個角色只做自己的事，並且和上下游約定好交接的方式。
網路也是這樣切成好幾層（layer）：
- 每一層提供一種服務給上一層，並使用下一層的服務。例如傳輸層把「資料送到對方的某個程式」這件事，交給網路層去「送到對方那台電腦」。
- 每一層和對方的同一層用協定溝通：你電腦的 TCP 和伺服器的 TCP 用 TCP 的規則對話，中間的路由器不需要懂 TCP。
- 某一層換掉，其他層不受影響：從網路線換成 Wi-Fi，瀏覽器和網頁伺服器完全不用改。
這樣的分工讓網路能一直演進：新的應用程式不用重新設計線路，新的線路技術也不用改應用程式。 計算機概論的「TCP/IP」那一課介紹過分層的概念，這一課實際拆開一個封包看看。
OSI 七層與 TCP/IP 四層
有兩個常見的分層模型。OSI 參考模型（ISO/IEC 7498-1）分七層，是教學與溝通的共同語言； TCP/IP 模型是網際網路實際使用的分法，RFC 1122 把它分成四層。很多教科書把 TCP/IP 的最下層再拆成兩層，變成五層，這一軌也這樣對照：
| OSI 七層 | TCP/IP 四層 | 這一層的工作 | 代表協定 | 資料單位（PDU） |
|---|---|---|---|---|
| 7 應用層、6 表現層、5 會議層 | 應用層 | 程式之間的對話內容與格式 | HTTP、DNS、SMTP | 資料、訊息 |
| 4 傳輸層 | 傳輸層 | 送到對方的哪一個程式（連接埠）；TCP 另外負責可靠傳送 | TCP、UDP | 區段（TCP）、資料報（UDP） |
| 3 網路層 | 網路層（網際網路層） | 跨越很多網路，送到對方那台電腦（IP 位址、路由） | IPv4、IPv6、ICMP | 封包 |
| 2 資料連結層 | 連結層 | 在同一段連線或區域網路裡送到下一站（MAC 位址） | 乙太網路、Wi-Fi | 訊框 |
| 1 實體層 | （連結層包含） | 把位元變成電、光或無線電的訊號 | 網路線、光纖、無線電規格 | 位元 |
OSI 的表現層（資料格式、加密）與會議層（對話的建立與管理）在 TCP/IP 裡沒有獨立出來，由應用程式自己處理。 大家常說的「第 2 層交換器」「第 3 層」「第 7 層負載平衡」，用的就是 OSI 的層號。
注意一個常見的誤解：路由器只處理到第 3 層，交換器只處理到第 2 層。它們轉送時不會打開 TCP 或 HTTP 的內容； 只有兩端的主機會處理全部的層（防火牆、NAT 等設備會例外地看傳輸層，後面的課會講）。
封裝與解封裝
資料往下送的時候，每一層都在前面加上自己的標頭（header），把上一層交下來的整包東西當成自己的「內容」，這叫封裝（encapsulation）：
應用層 [ HTTP 請求 ]
傳輸層 [TCP 標頭][ HTTP 請求 ] ← 區段
網路層 [IP 標頭][TCP 標頭][ HTTP 請求 ] ← 封包
連結層 [乙太網路標頭][IP 標頭][TCP 標頭][ HTTP 請求 ][FCS] ← 訊框
實體層 0101100011110101… ← 位元
接收端反過來，每一層讀掉自己的標頭、依標頭裡的欄位決定交給上面哪一個協定，這叫解封裝（decapsulation）：
| 哪一層 | 看哪個欄位 | 例子 |
|---|---|---|
| 連結層 | 乙太網路標頭的類型（EtherType） | 0x0800 → 交給 IPv4；0x0806 → ARP；0x86DD → IPv6 |
| 網路層 | IP 標頭的協定 | 6 → TCP；17 → UDP；1 → ICMP |
| 傳輸層 | TCP／UDP 標頭的目的埠 | 80 → 網頁伺服器；53 → DNS 伺服器 |
這三個欄位串起了整疊協定：同一條網路線上同時跑著網頁、DNS、ping，接收端靠它們一路分派到正確的程式。
標頭的額外負擔
標頭是送資料必須付出的成本。一個走乙太網路的 TCP 封包，最少要加上：
| 項目 | 位元組 |
|---|---|
| 乙太網路標頭（目的 MAC、來源 MAC、類型） | 14 |
| IPv4 標頭（沒有選項時） | 20 |
| TCP 標頭（沒有選項時） | 20 |
| FCS（訊框結尾的檢查碼） | 4 |
| 合計 | 58 |
實際線上還要再加 8 位元組的前置碼與起始符號，訊框之間至少要隔 12 位元組的時間。
- 送 1,460 位元組的資料（乙太網路一個訊框裝得下的最大量）：資料占 1,460 ÷ 1,518 ≈ 96%，很划算。
- 送 41 位元組的小請求：資料只占 41 ÷ 99 ≈ 41%，一半以上是標頭。
- 乙太網路的資料部分最少要 46 位元組，太小的封包還要補 0，浪費更多。
所以程式設計上，「很多很小的封包」通常比「少數幾個大封包」浪費頻寬；這也是 TCP 會把應用程式的資料湊成較大區段再送的原因之一。 （實際的 TCP 標頭常帶有選項，會比 20 位元組多；這裡用最小值計算。）
小測驗：分層與 PDU
下列哪一組「協定 — 層」的對應是正確的？
傳輸層用 TCP 時，這一層的資料單位叫什麼？
從網路線換成 Wi-Fi，瀏覽器不需要修改，最主要是因為：
路由器轉送一個 HTTP 請求時，最高會處理到 OSI 的第幾層？
小測驗：封裝與額外負擔
接收端的網路層看到 IP 標頭的協定欄位是 17，會把內容交給誰？
用乙太網路送 TCP，應用資料 100 位元組。訊框總共多少位元組（不算前置碼）？
應用資料只有 1 位元組（例如遠端終端機打一個字），用 TCP 經乙太網路送出。資料部分（IP 封包）只有 41 位元組，接下來會怎樣？
重點整理
- 分層讓每一層只做自己的事：使用下一層的服務、服務上一層，和對方的同一層用協定溝通；換掉一層不影響其他層。
- OSI 七層是共同語言（第 2 層交換、第 3 層路由、第 7 層應用）；TCP/IP 實際分成應用、傳輸、網路、連結四層。
- 資料單位：應用層的資料、傳輸層的區段（TCP）或資料報（UDP）、網路層的封包、連結層的訊框、實體層的位元。
- 封裝是每一層加上自己的標頭；解封裝時依類型（0x0800）、協定（6、17）、目的埠（80、53）一路交給正確的程式。
- 標頭有成本：TCP 經乙太網路至少 58 位元組；小封包的效率低，太小還要補到 64 位元組。
下一課從最下面開始：乙太網路的訊框長什麼樣子，交換器怎麼知道往哪個埠送。