網路基礎與分層模型#

網路協定是電腦之間溝通的「語言」。就像人類需要共同的語言才能交流，電腦需要共同的協定才能傳輸資料。

為什麼需要網路協定#

一段程式碼能讓一台電腦運作，但要讓一大片機器協同運作，就需要網路協定。網路協定使得全球數十億設備能夠互聯互通，建置起互聯網世界。

協定三要素#

任何協定都包含三個基本要素：

網路分層模型#

複雜的系統都需要分層，網路也不例外。分層讓每一層專注於自己的職責，降低複雜度。

TCP/IP 四層模型#

實際工作中最常用的是 TCP/IP 四層模型：

flowchart TB
    A["應用層 Application\nHTTP, DNS, FTP, SSH"]
    B["傳輸層 Transport\nTCP, UDP"]
    C["網路層 Network\nIP, ICMP, 路由協定"]
    D["網路接口層 Network Interface\nMAC, ARP, 乙太網路"]

    A --> B --> C --> D

    style A fill:#4a90d9,stroke:#2a6cb0,color:#fff
    style B fill:#50b86c,stroke:#339952,color:#fff
    style C fill:#e8a838,stroke:#c4882a,color:#fff
    style D fill:#d95050,stroke:#b03030,color:#fff

層層封裝的核心概念#

網路上傳輸的包都是完整的。可以有下層沒上層，絕對不可能有上層沒下層。

資料在發送時，從上往下逐層添加頭部（封裝）；接收時，從下往上逐層剝離頭部（解封裝）：

flowchart LR
    subgraph 發送方 - 封裝
        direction TB
        S1["HTTP 資料"]
        S2["TCP 頭 + 資料"]
        S3["IP 頭 + TCP 頭 + 資料"]
        S4["MAC 頭 + IP 頭 + TCP 頭 + 資料"]
        S1 -->|"加入 TCP 頭"| S2 -->|"加入 IP 頭"| S3 -->|"加入 MAC 頭"| S4
    end

    S4 -- "網路傳輸" --> R4

    subgraph 接收方 - 解封裝
        direction BT
        R4["MAC 頭 + IP 頭 + TCP 頭 + 資料"]
        R3["IP 頭 + TCP 頭 + 資料"]
        R2["TCP 頭 + 資料"]
        R1["HTTP 資料"]
        R4 -->|"剝離 MAC 頭"| R3 -->|"剝離 IP 頭"| R2 -->|"剝離 TCP 頭"| R1
    end

    style S1 fill:#4a90d9,stroke:#2a6cb0,color:#fff
    style S2 fill:#50b86c,stroke:#339952,color:#fff
    style S3 fill:#e8a838,stroke:#c4882a,color:#fff
    style S4 fill:#d95050,stroke:#b03030,color:#fff
    style R1 fill:#4a90d9,stroke:#2a6cb0,color:#fff
    style R2 fill:#50b86c,stroke:#339952,color:#fff
    style R3 fill:#e8a838,stroke:#c4882a,color:#fff
    style R4 fill:#d95050,stroke:#b03030,color:#fff

TCP 三次握手時，IP 層和 MAC 層在做什麼？答案是：每發一個 TCP 包，IP 層和 MAC 層都要完整運作一遍。沒有 MAC 和 IP 頭，包根本發不出去。

二層設備與三層設備#

所謂「幾層設備」，是指該設備處理到哪一層：

• 二層設備（交換機）：只看 MAC 頭，決定轉發、丟棄或自己處理
• 三層設備（路由器）：剝掉 MAC 頭後，再看 IP 頭做決策

無論經過幾層設備，網路包本身始終是完整的（包含所有層的頭部）。

IP 位址基礎#

查看 IP 位址#

# Linux
ip addr       # 推薦，iproute2 工具包
ifconfig      # 傳統方式，net-tools 工具包

# Windows
ipconfig

2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP
    link/ether fa:16:3e:c7:79:75 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 10.100.122.2/24 brd 10.100.122.255 scope global eth0

CIDR 表示法#

傳統的 A/B/C 類位址劃分已經過時，現在普遍使用 CIDR（無類型域間選路）：

10.100.122.2/24
     │         │
     │         └── 前 24 位是網路號，後 8 位是主機號
     └── IP 位址

計算方式：

/24 對應子網掩碼 255.255.255.0，最多 254 台主機；/16 對應 255.255.0.0，最多約 65534 台主機。

公有 IP 與私有 IP#

私有 IP 就像社區內的門牌號，不同社區可以重複；公有 IP 就像國家統一分配的街道位址，不能重複。

IP 位址 vs MAC 位址#

MAC 位址是網卡的物理位址（6 個位元組，十六進制表示，如 fa:16:3e:c7:79:75）。這裡只做與 IP 位址的對照，完整的 MAC 層機制（多路存取、ARP、交換機學習）見「資料鏈結層」一章。

IP 位址用於跨網路的路由定位，就像快遞收件地址；MAC 位址用於本地網路內的設備識別，就像收件人姓名。到了目標網路後，透過 MAC 位址找到具體的機器。

一個完整的網路請求過程#

以訪問電商網站為例，串聯所有協定：

本章小結#