網路架構大概論2－網路模型、封包架構、解析OSI 7層作用

傳輸層

傳輸層負責打包由應用層傳來的資料，或是拆解由網路層傳來的東西，協定不若應用層那麼多，甚至可以說是網路4層模型中最少的，絕大多數僅使用其中2種傳輸協定：TCP和UDP。

UDP

使用者資料電報協定（User Datagram Protocol）的表頭格式相當簡單，僅包含4個部分：來源連接埠、目的連接埠、資料長度、校驗，全部只有8 Byte的長度。

當使用者的電腦使用許多網路應用程式時，便需要連接埠的幫忙，每個單一的連接埠負責服務單一應用程式，讓資料不混淆。由於埠的欄位有2 Byte，數值可從0～65535，其中有幾個埠是大家公認，提供給特定服務的專用埠，如DNS服務的53、網路時間協定的123……。當然，這只是公認，並非絕對，你想要使用這些埠也可以，但若發生連線問題可就怨不得人。

資料長度就是此份UDP資料的大小，最小8  Byte（僅有UDP標頭），校驗碼負責檢查所攜帶的資料是否正確。UDP和TCP的校驗計算中，有使用到「虛擬表頭」的功能，也就是將有關IP位址的資訊也加入計算之中，但實際上這些資訊並不隨UDP和TCP傳送，而是由更下1層的網路層獲得。

▲UDP的表頭欄位定義

TCP

傳輸控制協定（Transmission Control Protocol）是現今網路主要的傳輸協定，重要性甚至與下1層的IP協定共稱為TCP/IP，想要網路產品順暢傳輸資料，選擇這2種協定就對了。

TCP的表頭比起UDP複雜得多，因為TCP擁有更多控制以及復原功能，包含確認連線的3方交握程序、回傳確認封包（ACK）、限制流量的視窗大小。TCP也有公認埠號的存在，FTP資料埠20、FTP控制埠21、SMTP的25、HTTP的80等。

首先是來源埠與目的地埠，原理和UDP相同。sequence number在傳送方首次連線時會設定隨機亂數，之後會逐漸加上已傳輸的資料量（以位元組為單位）。acknowledge number主要是給接收方使用，將sequence number和接收位元組相加，傳回給發送方。以上的流程操作確認了TCP不會有遺失封包的情形發生，因為當發送方在一定時間內沒有收到接收方回傳的ACK，就判斷封包傳送有問題無法送達，會將資料再傳送1次。

data offset標明資料的起始處在哪裡，因為受到TCP表頭尾端有個option欄位，長度不固定所致。reservation欄目保留未使用，而code bit長度僅6 bit，但每個bit都有其實際意義。

code bit的第一個bit為UGR，此值設為1時，將中斷目前的資料傳輸，優先傳輸此資料。第二個bit為ACK，表示acknowledge number有效。第三個為PSH，一般來說，TCP的資料會先進入傳送緩衝區，累積到一定的量時才傳送，但當PSH設為1時，緩衝區內的資料就會立即送出。第四個為RST，可要求立即中斷連線，不經過確認斷線步驟。第五、第六個分別為SYN和FIN，分別在請求連線和請求斷線時設定為1。

window可告知目前的接收緩衝區還有多少的空間，對方傳送資料時便不會送出超過此數值的資料，避免緩衝區溢位導致資料流失需要重傳，浪費頻寬。checksum用來檢查資料是否正確，也有使用虛擬表頭的功能，將其它的資訊一同放入運算。urgent pointer在UGR設定為1時，標出緊急資料的位置。option則是選用欄位，可表示接收方能夠支援的最大資料區段大小，如果選用欄位的資料長度不是32 bit的整數時，會在其後填入0，對齊邊界。

▲TCP的表頭欄位定義

網路層（Internet Layer）

在網路層中，應用最廣的就是IP協定，然而IP協定存在著許多版本，目前世界上應用最廣的是第四版，第六版也已制定完成、實作，由於IPv4位址在可預見的未來中一定會配發完畢，各地也已開始佈建支援IPv6的硬體設施和軟體服務。

IPv4

IPv4的表頭最小為20 Byte，其中包含了IP位址、服務類型、存活時間等重要參數。首先由4  bit的version開頭，由於是IPv4版本，所以填入的值為4。IHL標出表頭大小，由於有option欄位，數值從5～15不定。DSField欄位一開始為type  of service，但在RFC 2474中重新定義，前6 bit為DSCP，標出這個資料的優先權，後2 bit目前保留未使用。total length為IP封包長度（含標頭），identification提供1個序列號，讓接收端能夠依照號碼，重組出原始的資料。flag提供封包是否分段的訊息，而fragment offset就是用來指出目前這個資料分段在原始資料中的位置。

TTL控制此封包能夠經過的網路節點數，每經過網路節點此值就減1，數值為0時，網路裝置就捨棄此封包。protocol指出需要由何種傳輸層協定處理，如TCP就設定為6，UDP設定為17。header checksum負責檢查IP表頭部分有沒有問題，若檢驗不合，此封包會被直接丟棄。source address和destination address如同字面解釋，分別填入來源位址和目的地位址。最後的選項欄位並不一定要存在，但長度一定是32 bit的整數倍，不足的部分填入0。

▲IPv4的表頭欄位定義

鏈結層（Link Layer）

終於到了最後1層，鏈結層終於要把資料，實際在媒體上傳輸、存取。下面這個例子就是目前比較常用的Ethernet範例：

Ethernet的表頭相當簡單，只有目的地位址、來源位址、網路協定型態。目的地位址來源位址的長度都是6 Byte，裡面放的是實際網路介面卡的MAC位址。type指的是後面跟著的資料為何種網路協定，一般採用TCP/IP的協定，此欄就填入2048，此外像是Apple Talk協定，就填入32923。

最前端有個preamble的部分，主要是給接收端使用，讓接收端和發送端能夠同步。前7 Byte為10101010，最後1Byte為10101011。鏈結層也是唯一一層在資料尾端加入額外資訊，Ethernet在尾端加入4 Byte CRC檢查碼。

▲Ethernet的欄位定義

▲MAC（媒體存取控制，media access control）位址，每個網路介面都會有的獨立編號