在深入各種通訊模型之前，先回顧兩件基礎工作：一是網路通訊協定，它是任何分散式系統的基礎；二是換個角度，對分散式系統中出現的通訊型態做分類。

分層協定（Layered Protocols）#

由於沒有共享記憶體，分散式系統中的一切通訊都建立在傳送與接收（低階）訊息之上。當行程 A 要與行程 B 通訊時，A 先在自己的位址空間中組出訊息，再透過系統呼叫讓作業系統把訊息經網路送給 B。想法簡單，但為了避免混亂，A 與 B 必須對傳送位元的意義取得共識，而且需要在許多層級上達成協議：

• 用幾伏特代表 0、幾伏特代表 1？
• 接收端如何知道訊息的最後一個位元在哪？
• 如何偵測訊息損毀或遺失？發現了該怎麼辦？
• 數字、字串等資料多長、如何表示？

OSI 參考模型#

為了處理這麼多層級的議題，國際標準組織（ISO）制定了開放系統互連參考模型（Open Systems Interconnection Reference Model），通稱 OSI 模型。所謂開放系統（open system），是指準備好依循標準規則與任何其他開放系統通訊的系統；這些規範訊息格式、內容與意義的規則，正式名稱就是協定（protocol）。

OSI 模型附帶的那套協定從未被廣泛使用，如今已名存實亡；但模型本身對理解電腦網路仍然非常有用。實務上真正普及的是網際網路的協定，如 TCP 與 IP。

協定分為兩大類：

• 連線導向（connection-oriented）協定：收發雙方交換資料前必須先明確建立連線，可能還要協商所用的協定，結束後要釋放連線。電話就是連線導向的通訊系統。
• 非連線（connectionless）協定：不需事先設置，發送方準備好就直接送出第一則訊息。把信投進郵筒即是一例。

OSI 模型把通訊分成七層，每層處理通訊的一個特定面向，並對上層提供介面（一組定義該層服務的操作）。訊息由發送端一路往下傳：每經過一層就在前面加上該層的表頭（header）（有些層還會在尾端加上 trailer），最後由實體層送上傳輸媒介；到達接收端後逐層往上，每層剝掉並檢查自己的表頭。第 n 層表頭中的資訊，就是給第 n 層協定使用的。

一個系統所使用的一組協定，稱為協定套組（protocol suite）或協定堆疊（protocol stack）。要注意區分參考模型與其實際協定：OSI 協定從未流行，以下逐層介紹時，會改以各層對應的網際網路協定為例。

低階協定#

最底下三層合起來實作了電腦網路的基本功能：

• 實體層（physical layer）：負責傳送 0 與 1。關心用幾伏特表示 0/1、每秒可送幾個位元、能否雙向同時傳輸，以及接頭的大小形狀、腳位數量與意義等。實體層協定把電氣、機械與信號介面標準化，確保一方送出的 0 位元在另一方也被收成 0；例如序列通訊線的 RS-232-C 標準。
• 資料連結層（data link layer）：實體層只管送位元，但真實網路會出錯，因此需要偵錯與更正機制，這是資料連結層的主要任務。它把位元組成訊框（frame），在每個訊框頭尾放上特殊位元樣式做記號，並計算**檢查和（checksum）**附在訊框上；接收端重算檢查和比對，不符就要求重傳。訊框帶有序號，以便辨識。
• 網路層（network layer）：在 LAN 上發送者通常不必定位接收者，但廣域網路由大量機器與線路構成，訊息可能要經過多個中繼跳點，每一跳都得選擇出線。如何選出最佳路徑稱為繞送（routing），這正是網路層的主要任務。最短路徑不一定最好——真正重要的是路徑上的延遲，而延遲又與流量及排隊訊息量有關，會隨時間變化；有些繞送演算法會嘗試適應負載變化，有些則依長期平均做決策。目前最廣泛使用的網路層協定是非連線的 IP（Internet Protocol）：每個 IP 封包不需設置即可送出，各自獨立繞送到目的地，不會選定並記住內部路徑。

傳輸協定#

**傳輸層（transport layer）**是「基本網路協定堆疊」的最後一塊：它補齊網路層介面沒有提供、但建構網路應用合理需要的服務——換句話說，傳輸層把底層網路變成應用開發者真正可用的東西。

• 封包在途中可能遺失。傳輸層的工作是提供可靠連線：應用層把訊息交給傳輸層，就能預期它會不遺失地送達。
• 傳輸層收到應用層訊息後，把它切成足夠小的片段、逐一編上序號後送出。傳輸層表頭裡談的就是哪些封包已送出、已收到、接收端還有多少空間、哪些要重傳等事項。
• 可靠的傳輸連線（依定義是連線導向的）可以建立在連線導向或非連線的網路服務上。後者的封包可能各走不同路徑而亂序到達，由傳輸層軟體負責重新排序，維持「傳輸連線像一根大管子——訊息放進去，會完好且依序地出來」的假象。提供這種**端對端（end-to-end）**行為是傳輸層的重要面向。

網際網路的傳輸協定是 TCP（Transmission Control Protocol）；TCP/IP 組合如今是網路通訊的事實標準。協定套組中另有非連線的傳輸協定 UDP，本質上就是 IP 加上少量補充，供不需要連線導向協定的程式使用。此外也不斷有新的傳輸協定被提出，例如支援即時資料傳輸的 RTP（Real-time Transport Protocol）——它是一個框架協定，規定即時資料的封包格式，但不提供保證遞送的實際機制，並附帶監控 RTP 封包傳輸的協定。

高階協定#

傳輸層之上，OSI 還區分了三層，但實務上只有應用層真正被使用；網際網路協定套組更是把傳輸層以上的東西全部歸為一類。

• 會期層（session layer）：本質上是傳輸層的強化版，提供對話控制（記錄目前輪到哪一方發言）與同步設施（在長時間傳輸中插入檢查點，當機時只需退回最近的檢查點而非從頭開始）。實務上很少應用在意會期層，網際網路協定套組甚至沒有它；不過在發展中介軟體方案時，「會期」概念及其協定其實相當有用，尤其是在定義高階通訊協定時。
• 展示層（presentation layer）：下層關心的是把位元可靠且有效率地送達，展示層關心的則是位元的意義。多數訊息不是隨機位元串，而是姓名、地址、金額等結構化資訊；展示層可以定義包含這類欄位的紀錄，讓發送方告知接收方訊息內含某種格式的紀錄，方便內部表示法不同的機器彼此溝通。
• 應用層（application layer）：原本打算收納電子郵件、檔案傳輸、終端機模擬等標準網路應用，如今變成一切「放不進下層」的應用與協定的容器。從 OSI 參考模型的角度看，幾乎所有分散式系統都只是應用。

這個模型缺少的是應用、應用特定協定、通用協定三者的清楚區分。例如網際網路的檔案傳輸協定 FTP 定義了客戶端與伺服器間傳檔的協定，不應與 ftp 程式（實作了 FTP 的終端使用者應用）混為一談。又如 HTTP（HyperText Transfer Protocol）原是為遠端管理與傳輸網頁而設計、由瀏覽器與網頁伺服器實作的應用特定協定，如今卻也被與 Web 無關的系統採用——例如 Java 的物件呼叫機制用 HTTP 來請求呼叫防火牆後的遠端物件。同時，還有許多對眾多應用都有用、卻不能算傳輸協定的通用協定，它們多半屬於接下來要談的中介軟體協定。

中介軟體協定#

中介軟體是邏輯上（大多）位於應用層的應用，但其中含有許多值得自成一層的通用協定，獨立於更特定的應用之外。可分為「建立各種中介軟體服務的協定」與「高階通訊協定」兩類。

支援中介軟體服務的協定例子：

• 鑑別（authentication）協定：提供宣稱身分的證明；不與特定應用綁死，可整合進中介軟體作為通用服務。授權（authorization）協定（讓通過鑑別的使用者與行程只能存取有權限的資源）同樣具有一般性。
• 分散式提交（distributed commit）協定：確保一群行程要嘛全部執行某項操作、要嘛全都不執行，也就是原子性（atomicity），廣泛用於交易，容錯應用也能受益。
• 分散式鎖定（distributed locking）協定：保護資源不被分散在多台機器上的行程同時存取。

中介軟體通訊協定則支援高階通訊服務，例如：以高度透明的方式呼叫遠端機器上的程序或物件；為即時資料設定與同步串流；可擴展到廣域網路上數千個接收者的可靠多播服務。有些中介軟體通訊協定其實也可以放在傳輸層，但保留在較高層可能有特定理由——例如可靠多播若要保證可擴展性，只有把應用需求納入考量才做得到，因此中介軟體系統可能提供多種（可調校的）協定，各自以不同傳輸協定實作，但對外提供單一介面。

依這種分層思路，可以得到一個調整後的參考模型：與 OSI 相比，會期層與展示層被單一的中介軟體層取代，其中放的是與應用無關的協定，位於傳輸層之上、應用層之下。原有的傳輸服務也可以不加修改地作為中介軟體服務提供，中介軟體通訊服務也可能包含與傳輸層相當的訊息傳遞服務。

本章接下來聚焦四種高階中介軟體通訊服務：遠端程序呼叫、訊息佇列服務、連續媒體串流的通訊支援，以及多播。

通訊的類型#

要理解中介軟體能提供哪些通訊選項，可以把中介軟體視為客戶端—伺服器運算中的一項額外服務：應用透過中介軟體這個中間（分散式）服務彼此通訊。以電子郵件系統為例：郵件遞送系統的核心可以視為一種中介軟體通訊服務——每台主機執行使用者代理程式供使用者撰寫、傳送與接收郵件；發送端把郵件交給遞送系統，期待它終究把郵件送達收件者；接收端的使用者代理程式則連上遞送系統查看是否有新郵件。

依持久性區分：

• 持久通訊（persistent communication）：訊息一旦提交傳送，就由通訊中介軟體保存，直到送達接收者為止。因此發送應用提交訊息後不必繼續執行，接收應用在訊息提交當下也不必在執行。電子郵件是典型例子。
• 暫時通訊（transient communication）：訊息只在收發雙方的應用都在執行期間由通訊系統保存。若中介軟體因傳輸中斷或接收方不在線而無法遞送，訊息就直接丟棄。傳輸層的通訊服務通常都只提供暫時通訊，此時通訊系統就是傳統的儲存轉送（store-and-forward）路由器：路由器無法把訊息交給下一站或目的主機時，就把它丟掉。

依同步性區分：

• 非同步通訊（asynchronous communication）：發送者提交訊息後立即繼續執行，訊息在提交當下（暫時）存放於中介軟體。
• 同步通訊（synchronous communication）：發送者阻塞，直到確知請求已被接受。同步點有三種可能：
  1. 阻塞到中介軟體通知它將接手傳送該請求為止；
  2. 阻塞到請求已送達接收者為止；
  3. 阻塞到請求被完整處理完畢、接收者回傳回應為止。

實務上常見的組合：持久＋提交時同步是許多訊息佇列系統的常見方案；暫時＋處理完畢後同步則對應遠端程序呼叫（RPC）。兩者都會在本章後續詳述。

最後還要區分**離散（discrete）與串流（streaming）**通訊：

• 離散通訊：通訊雙方以訊息往來，每則訊息是一個完整的資訊單位。前述例子都屬此類。
• 串流通訊：連續送出多則訊息，訊息之間因發送順序或時間關係而彼此相關。本章後面會深入討論。