網路架構大概論2－網路模型、封包架構、解析OSI 7層作用

上一篇我們預告讀者，接下來將會介紹現今網路最重要的架構：TCP/IP，TCP/IP從ARPANet後期發展以來，直至今日仍是網路主要使用的架構，如果你今天要設計能夠連到網路上的產品，支援TCP/IP就對了。

分層的意義

在正式進入主題之前，先來了解為何網路使用分層結構，而非從頭到腳一手全包的設計。由於網路需考量許多實際應用上的困難，如傳輸不同種類的資訊、不同版本以及作業系統的交流需求，甚至牽扯到更廣大的範圍，如遠距微波傳送、跨洲海底電纜等不同傳輸媒介。如果要設計能夠包山包海、全部通吃的網路架構是件吃力不討好的事，況且也無法預測未來會出現什麼需求，於是需要個具有彈性的網路架構，還要能夠兼顧未來發展。

▲網路模型的4層架構，工作彼此獨立卻又需要它層的協助。

▲資料經過網路模型的處理方式，先將傳送端的資料一層層打包完畢之後，送到網路上傳送。接收端接受到東西之後，再依相反順序拆開。

網路架構模型分為4層，也就是經常聽到的DoD（Department of Defense）或是TCP/IP模型，如附圖所示，最上層為應用層（Application  Layer），接下來依據為傳輸層（Transport Layer）、網路層（Internet Layer）、鏈結層（Link Layer）。這4層分工需要相互合作，卻又彼此獨立，好比寄信一般，需要郵局處理郵件，道路和交通工具負責運送，信才可送達目的地，但是你卻不用管郵局如何經營、交通工具如何設計、道路怎麼鋪設才會平坦又耐用。

將網路架構分層出來，便加入了許多可能性，只要符合這個網路模型，各層如何處理資訊的方式就各自獨立，不受其它外在條件的限制。舉個小小例子，筆電能夠透過有線和無線方式連上網路，但是這2種傳輸介質所看到的網頁有所差異嗎？應該不會發生有線介面看到Dream Girls，換成無線介面就變閃亮三姊妹這種情形。同時，分層模型所具備的向後相容性也可以在無線傳輸規格上看到，從現今的802.11 a/b/g/n，到未來的802.11 ac/ad，均能夠傳送網頁資料，讀者應該也沒有聽過換個傳輸規格，網頁就要重寫這種荒唐事。

在實際傳送資料時，資料的路徑也是由上至下傳送，最後包成一包貨物交給網路中稱為路由器（router）或是閘道器（gateway）的機器傳送；到達目的地之後，再由下而上，層層拆開。

對於這2台相互交流的電腦來說，只有最原始的那份資料才是最重要的，猶如寄送包裹，裡面所攜帶的東西才是我們最關心的，氣泡紙或是外箱、地址，僅是確保東西正確送達目的地的手段。接下來將逐層介紹這個網路模型，了解各層到底在做什麼事。

其它的網路模型

部分讀者或許在其它地方看過不同名稱、不同層級的網路模型，本文採用RFC 1122中定義的模型。如果讀者有意了解其它的網路模型，請至英文版維基百科，搜尋「Internet protocol suite」。

應用層（Application Layer）

網路模型的最上層，也是想要利用網路傳輸資料的程式，能夠直接碰觸到的層級。無論是收發郵件的POP3/SMTP/IMAP、或是網頁傳送標準HTTP、檔案傳輸協定FTP、現代網路不可或缺的網域/位址轉換伺服器DNS，還是近年興起的BitTorrent P2P（peer to peer）傳輸協定，均屬於這層的管轄範圍。

這層直接對應用程式開放，提供不同程式同一類型的服務，譬如你可以使用你所喜歡的程式開啟網頁，也可以使用Outlook或Thunderbird收發郵件。各種不同的應用層協定，會為該協定提供的服務提供必要的處理機制。同時也因為服務眾多，在這層的協定數量為4層之冠，光是想看個網頁，就可能有3種協定參與其中，包含取得私有IP的DHCP、網域與位址轉換的DNS、以及取得網頁資料的HTTP。

傳輸層（Transport Layer）

資料經過了應用層之後，下一層便是傳輸層，此層對應用層傳送過來的資料進行處理，建立2台電腦之間可靠的傳輸。在此層常見的2種協定為TCP與UDP，絕大多數應用層協定都會選擇TCP，因為TCP提供一連串偵錯、重送、資料順序、流量控管等實作，確保2台電腦之間的連線正常，不會產生投桃報李的狀況。

相較於TCP提供連線的可靠性，UDP則專注於資料的傳遞，從TCP（傳輸控制協定、Transmission Control Protocol）與UDP（使用者資料電報協定：User Datagram Protocol）的名稱可看出端倪，UDP幾乎不管資料是否正確送達，需要應用層自行處理。

但別認為UDP就是項垃圾，像是DNS查詢、DHCP請求與配發都是使用UDP協定，另外像是部分影音串流服務，講求大量且迅速的資料傳遞，偶爾丟掉資料不會造成太大影響（因為最終觀賞或聆聽的終端是人，不易察覺畫面或聲音細微的缺陷）；即時通訊也是UDP的愛好者，因為人與人的溝通具時間性，上一句話漏掉的資訊，下一句話再傳來並沒有意義。除了上列2種常見的協定之外，前往中國旅遊出差，好用的翻牆方式PPTP，也住在這層喔。

TCP的三方交握

為了讓讀者有感體會TCP在建立穩定連線的努力，先偷渡TCP建立連線時的三方交握原理。當客戶端想向伺服器建立連線時，會先發出SYN資訊，接著伺服器回應SYN-ACK資訊，客戶端接受到之後，再回應ACK，此時客戶端和伺服器的連線就算是建立完畢，可以開始傳送資料了。

UDP則不進行此類手續，直接往對方送，途中就像是飛鴿傳書，小鳥變成焦仔巴也沒人知道。