史丹佛CS144 電腦網路播客：電腦網路簡介- 分層模型、 ARP 、 IP 與應用層

當我們在瀏覽器中輸入網址，按下回車，絢麗的網頁便呈現眼前。這個看似瞬間完成的動作背後，是一個由無數協定、路由器和連結組成的複雜而又優雅的系統在默默工作。這個系統就是網路。

本文將以史丹佛大學CS 144 課程的核心思想為基礎，帶你深入探索互聯網的基石——從網絡設計的宏偉藍圖（四層模型），到其最核心的協議（IP），再到地址分配與路由的精妙細節。

宏觀設計：網路的四大支柱

為了管理網路通訊的複雜性，電腦科學家借鑒了軟體工程中的分層思想，將整個互聯網的功能劃分為四個層次。這種分層設計不僅降低了系統的複雜度，也讓每一層都可以獨立演進，大大促進了技術創新。

四層網路模式(The Four-Layer Internet Model)

想像寄送一個包裹。你需要先將物品（資料）打包（應用層），然後寫上收件人和寄件人資訊（傳輸層），再貼上具體的街道地址（網絡層），最後由快遞員選擇具體的交通工具和路線（鏈路層）送達。互聯網的四層模型與此類似：

• 應用層(Application Layer)  ：這是我們最常接觸的一層。它定義了應用程式之間如何交流，例如，Web 瀏覽器使用 HTTP 協定取得網頁，郵件用戶端使用 SMTP 協定發送郵件。這一層關心的是通訊內容的具體語意。
• 傳輸層(Transport Layer)  ：負責端對端（end-to-end）的資料傳輸。它為應用層提供可靠的通訊管道。最著名的協定是 TCP (Transmission Control Protocol)，它能確保資料完整且有序地到達目的地，並處理網路擁塞。對於一些即時性要求高、但能容忍少量資料遺失的應用（如視訊通話），則會使用更輕量的 UDP (User Datagram Protocol)。
• 網路層(Network Layer)  ：這是整個網路的心臟。它負責將資料包從源頭主機跨越多個網絡，一路「接力」到目標主機。網路層的核心協定就是 IP (Internet Protocol)  。它定義了位址格式和路由規則，將全球無數個子網路黏合成一個統一的網路。
• 連結層(Link Layer)  ：這是最底層，負責在單一實體連結上（例如，你的電腦和路由器之間，或兩個路由器之間）傳輸資料。我們熟悉的乙太網路(Ethernet) 和Wi-Fi 都屬於連結層技術。

封裝(Encapsulation)：層層打包的藝術

分層模型帶來了一個關鍵操作—封裝。當應用程式的資料向下傳遞時，每一層都會給它加上自己的「頭部資訊」（Header），就像層層打包一樣。

一個 HTTP 請求的旅程是這樣的：

1. 應用層產生 HTTP 資料。
2. 傳輸層將其打包成一個 TCP 段（Segment），並加上 TCP 頭部（包含連接埠號碼等資訊）。
3. 網路層將 TCP 段打包成一個 IP 資料封包（Datagram），並加上 IP 頭部（包含來源/目的IP 位址等資訊）。
4. 鏈路層將 IP 資料封包打包成一個訊框（Frame），並加上鏈路層頭部（包含MAC 位址等資訊），最後透過實體媒體傳送出去。

這個過程可以用下圖清楚地表示：

+------------------------------------------------------------+
| 链路层头部   | 网络层头部 | 传输层头部   | 应用层数据 | 链路层尾部  |
| (Ethernet) |   (IP)   |   (TCP)    |  (HTTP)  | (Ethernet) |
+------------------------------------------------------------+
             <----------------------- IP Datagram ----------->
                         <----------- TCP Segment ----------->
1.
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接收方則會執行相反的「解包」過程，逐層剝離頭部，最終將原始的應用層資料交給應用程式。

在乙太網路（Ethernet）中， 幀（Frame） 由三個部分組成：

[ 以太网头部 (Ethernet Header) ] + [ IP 数据报 (Payload) ] + [ 以太网尾部 (Ethernet Trailer) ]
1.

• 乙太網路頭部( Ethernet Header  )：包含目的MAC 位址、來源MAC 位址、型別欄位(EtherType)。
• IP 資料封包 (Payload)：就是整個網路層的資料（IP 頭+ 上層資料）。
• 乙太網路尾部 (Ethernet Trailer)：通常只有一個欄位－  FCS (Frame Check Sequence, 幀校驗序列)  ，用來偵測連結層傳輸是否出錯。長度4 位元組。

所以你圖裡寫的 連結層尾部 ，其實指的就是 FCS  ，它不是必然有複雜意義，只是連結層用來做錯誤偵測的校驗欄位。

有些教材/畫圖會忽略它，因為它對理解分層結構不是核心，但嚴格來說它確實存在。

HTTP 處於 應用層，它的「資料」就是我們真正關心的內容（網頁內容、請求訊息等）。

在封裝時，HTTP 資料會被逐層打包：

HTTP 数据 → 加上 TCP 头部 → 成为 TCP Segment
TCP Segment → 加上 IP 头部 → 成为 IP Datagram
IP Datagram → 加上以太网头部和尾部 → 成为 Ethernet Frame
1.
2.
3.

所以：

• 在TCP 眼裡，HTTP 就是「資料」。
• 在IP 眼裡，整個TCP 段（包括HTTP）就是「資料」。
• 在Ethernet 眼裡，整個IP 資料報就是「資料」。

這就是分層封裝的關鍵： 每一層只看自己要處理的頭部，把上層全部當作「資料」  。

網路核心：IP 協定的「薄腰」哲學

在四層模型中，網路層的 IP 協定扮演著一個無可取代的角色，它被稱為網際網路的「薄腰(thin waist)」。這意味著，無論上層的應用（HTTP, FTP, DNS）如何變化，也無論下層的鏈路技術（乙太網路, Wi-Fi, 5G）如何演進，它們都必須透過 IP 協定這個「腰部」來進行連接。

這種設計的背後，蘊含著深刻的哲學。

IP 服務模式：簡單即是美

IP 協議的設計者們選擇了一種極為簡潔的服務模型，其核心特徵可歸納為：

• 不可靠(Unreliable)  ：IP 協定不保證資料包一定能送達。它可能會在傳輸過程中遺失、損壞、延遲或被重複發送。
• 盡力而為(Best-Effort)  ：雖然不可靠，但 IP 協議承諾會盡其所能地投遞資料包，不會無故丟棄（除非網路擁塞或資料包生命週期結束）。
• 無連線(Connectionless)  ：IP 協定在發送資料前，來源和目的之間不建立任何連線。每個資料包都被獨立對待，各自尋找自己的路徑，這使得網路核心的路由器可以非常簡單和有效率。

端對端原則(End-to-End Principle)

既然 IP 協定如此“不可靠”，那我們如何實現可靠的通訊？答案是 端到端原則 。

這個原則主張，像是可靠性、擁塞控制這類複雜的功能，應該由通訊的兩個端點（即使用者的電腦）來負責，而不是由網路中間的路由器來承擔。

這樣做的好處是巨大的：

• 保持網路核心簡單 ：路由器只需專注於快速轉發資料包，這使得它們可以做得更便宜、更快速、更穩定。
• 應用靈活客製化 ：應用程式可以根據自身需求，在端系統上選擇實現不同程度的可靠性。需要高可靠性的文件傳輸可以使用 TCP，而即時視訊則可以使用更簡單的 UDP，將可靠性的實現留給應用程式本身。
• 易於創新 ：新的應用功能可以在端系統上快速部署和迭代，無需改變整個互聯網的核心設備。

IPv4 頭部欄位一覽

為了實現上述功能，每個 IP 資料封包都帶有一個頭部，其中包含了路由和處理所需的所有資訊。下面是IPv4 頭部的主要欄位：

0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       Source Address                          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Destination Address                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options                    |    Padding    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
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• Version (版本)  ：指明協定版本，對IPv4 來說，這個值是 4。
• Time to Live (TTL, 存活時間)  ：一個8 位元的數值，每經過一台路由器就減1。當TTL 減到 0 時，資料包將被丟棄。這個機制可以防止資料包因路由錯誤在網路中無限循環。
• Protocol (協定ID)  ：告訴接收方，IP 封包的負荷（payload）應該交給哪個傳輸層協定處理。例如，6 代表 TCP，17 代表 UDP。
• Source/Destination Address (來源/目的位址)  ：32 位元的IP 位址，是整個轉送過程的依據。
• Header Checksum (頭部校驗和)  ：用於偵測 IP 頭部在傳輸過程中是否發生損壞。

位址與順序：網路通訊的規範

位元組序(Byte Order)：大端與小端的約定

當我們在記憶體中儲存一個多位元組的數字（例如一個32 位元的整數）時，有兩種排列方式：

• 大端序(Big-endian)  ：最高有效位元組（Most Significant Byte）儲存在最低的記憶體位址。這符合人類的閱讀習慣。
• 小端序(Little-endian)  ：最低有效位元組（Least Significant Byte）儲存在最低的記憶體位址。 Intel x86 架構的處理器就是典型的小端序。

讓我們用一個32 位元整數 0x12345678 來舉例：

内存地址         大端序存储
低 ----> 高     低 ----> 高
+------+        +----+----+----+----+
| 0x100 |        | 12 | 34 | 56 | 78 |
+------+        +----+----+----+----+
| 0x101 |       小端序存储
+------+        +----+----+----+----+
| 0x102 |        | 78 | 56 | 34 | 12 |
+------+        +----+----+----+----+
| 0x103 |
+------+
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不同的機器可能有不同的字節序，為了確保通訊的正確性，互聯網協定規定： 所有在網路上傳輸的二進位數據，都必須採用大端序 ，這也被稱為 網路字節序(Network Byte Order)  。

為了方便開發者，C 語言等程式語言的網路庫提供了 htons() (Host to Network Short)、ntohl() (Network to Host Long) 等函數，用於在主機字節序和網路字節序之間進行自動轉換。

IPv4 位址與CIDR

IPv4 位址是一個32 位元的數字，通常被寫成點分十進位的形式（如 171.64.0.0）。為了有效率地管理和路由，IP 位址被分為網路部分和主機部分。

早期的A、B、C 類地址劃分方式非常僵化，造成了大量的地址浪費。如今，我們使用 無類別域間路由(Classless Inter-Domain Routing, CIDR) 來分配和表示 IP 位址區塊。

CIDR 使用「IP 位址/前綴長度」的格式，例如 171.64.0.0/16。這裡的 /16 表示位址的前16 位元是網路部分，後 32-16=16 位元是主機部分。這個前綴長度可以是任意的，大大提高了位址分配的靈活性。

最長前綴匹配(Longest Prefix Match)

當一個路由器收到封包時，它如何決定從哪個連接埠轉送出去？答案是查詢其內部的轉發表(Forwarding Table)，並遵循 最長前綴匹配(Longest Prefix Match, LPM) 原則。

路由器的轉發表由一系列CIDR 條目組成。當封包到達時，路由器會用其目的 IP 位址去匹配表中的所有條目，並選擇 前綴最長 的那一個。

看一個例子：

路由器转发表
+--------------------+--------------+
|       前缀          |    下一跳     |
+--------------------+--------------+
| 128.10.0.0/16      |   接口 A      |
| 128.10.1.0/24      |   接口 B      |
| 0.0.0.0/0          |   接口 C      |  <-- 默认路由
+--------------------+--------------+
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• 如果一個封包的目的位址是 128.10.2.5，它同時匹配 /16 和 /0，但 /16 更長，所以封包會從介面A 轉送。
• 如果目的地址是 128.10.1.5，它同時匹配 /16、/24 和 /0。/24 是最長的前綴，所以封包會從介面B 轉送。
• 如果目的位址是 192.168.1.1，它只匹配 /0（預設路由），所以會從介面C 轉送。

位址解析協定(Address Resolution Protocol - ARP)

IP 位址工作在網路層，它解決了全域路由的問題。但是當資料包到達最終的區域網路後，如何把它準確地交給目標機器呢？這需要連結層的位址，也就是我們常說的 MAC 位址 。

位址解析協定(Address Resolution Protocol, ARP) 就是用來建立 IP 位址和MAC 位址之間映射關係的橋樑。

工作流程如下：

1. 主機A 想向同一區域網路下的主機B (IP:  192.168.1.100) 發送數據，但它只知道B 的 IP 位址，不知道其MAC 位址。
2. 主機A 先檢查自己的ARP 快取表，看是否 192.168.1.100 有的記錄。
3. 如果沒找到，主機A 會在區域網路內廣播一個ARP 請求包，內容是：“誰的 IP 位址是 192.168.1.100？請告訴我你的MAC 位址。”
4. 區域網路內所有主機都會收到這個要求，但只有主機B 會回應。
5. 主機B 向主機A 發送ARP 回應包，內容是：“我的 IP 是 192.168.1.100，我的MAC 位址是 XX:XX:XX:XX:XX:XX。”
6. 主機A 收到回應後，就知道了主機B 的MAC 位址，並將這個映射關係存入自己的ARP 緩存，然後就可以封裝鏈路層幀並發送資料了。

從宏觀的分層設計，到 IP 協定簡潔而強大的「薄腰」模型，再到字節序、位址分配、路由匹配和位址解析等具體實現，我們看到了網路設計中的智慧與權衡。它透過「保持核心簡單，將複雜性推向邊緣」的端到端原則，建構了一個既穩定又極具創新活力的全球網路。理解這些基本原理，是深入學習更高階網路概念（如 TCP 的可靠傳輸、DNS 的網域解析等）的堅實基礎。

在上面的討論中，我們探索了互聯網的底層基石：從優雅的四層模型到作為「細腰」的IP 協定。我們了解資料包如何在網路中被定址和路由。現在，讓我們將目光上移，看看運行在這個堅實基礎之上的應用程序，並探討這個偉大的全球網絡是如何演進、被治理，以及它將走向何方。

應用的千姿百態：不同的通訊模型

幾乎所有的網路應用程序，從瀏覽網頁到視訊通話，其核心訴求都可以歸結為一個簡單的模型：在兩台電腦之間建立一個 可靠的雙向字節流(reliable two-way byte stream)  。這意味著程式可以像讀寫本機檔案一樣，向這個「管道」的一端寫入數據，並確信這些數據會完整、有序地出現在另一端。TCP 協議正是為滿足這項需求而生。

然而，不同的應用在實現這一目標時，採用了截然不同的架構。

萬維網(World Wide Web)：經典的客戶端-伺服器模型

這是我們最熟悉的模型。當你造訪一個網站：

• 模型 ：嚴格的 客戶端-伺服器(Client-Server) 模型。你的瀏覽器是客戶端，運作網站的機器是伺服器。
• 協議 ：HTTP (HyperText Transfer Protocol)。
• 流程 ：

1. 你的瀏覽器（客戶端）會向網站伺服器的 80 或 443 連接埠發起一個 TCP 連線。
2. 連線建立後，瀏覽器發送一個 HTTP GET 請求，請求特定的網頁資源。
3. 伺服器處理請求，然後回傳一個 HTTP 回應，其中包含狀態碼（如 200 OK）和網頁的 HTML 內容。
4. 瀏覽器接收並解析 HTML，最終渲染出我們看到的頁面。

這個模型簡單、直觀，但所有壓力都集中在伺服器上。如果訪問量過大，伺服器就會不堪負荷。

BitTorrent：去中心化的點對點模型

為了解決中心化下載的瓶頸，BitTorrent 採用了一種截然不同的方法：

• 模型 ： 點對點(Peer-to-Peer, P2P) 模型。在這個網路中，每個參與者既是下載者（客戶端），也是上傳者（伺服器）。
• 核心概念 ：

檔案塊(Pieces)  ：一個大檔案被切分成許多小的資料塊。

群(Swarms)  ：所有正在下載或共享同一個檔案的使用者的集合。

Tracker 伺服器 ：一個協調者。它不會儲存檔案本身，只負責記錄目前「群組」裡有哪些使用者（peer）在線，以及他們各自擁有哪些檔案區塊。

流程

1. 你打開一個 .torrent 文件，你的客戶端聯絡Tracker 伺服器，取得目前線上的使用者清單。
2. 你的客戶端直接與其他使用者建立 TCP 連線。
3. 你從不同的使用者下載不同的檔案區塊，同時，也將你已經下載好的檔案區塊上傳給其他需要的人。

透過這種「人人為我，我為人人」的模式，下載的人越多，速度反而越快，大大分散了頻寬壓力。

Skype：應對複雜現實的混合模型

Skype 的目標是讓用戶間的語音和視訊通話盡可能流暢。然而，一個巨大的障礙是  網路位址轉換(Network Address Translator, NAT)  。多數家庭和公司的設備都位於NAT 路由器之後，它們擁有的是私有IP 位址，無法從公網直接訪問，這給P2P 通訊帶來了巨大挑戰。

為了穿透NAT，Skype 設計了一套巧妙的混合模型：

• 會合伺服器(Rendezvous Server)  ：當你登入Skype 時，你的客戶端會與一個公網上的會合伺服器建立連線。這個伺服器扮演著「介紹人」的角色。
• 反向連線(Reverse Connection)  ：當Alice 想要呼叫位於NAT 之後的Bob 時，直接連線是行不通的。此時：

1. Alice 的客戶端通知會合伺服器：「我想呼叫Bob」。
2. 伺服器找到Bob 已經建立的連接，透過它向Bob 的客戶端發送指令：「Alice 想呼叫你，請你主動向Alice 的公網IP 和連接埠發起連線」。
3. Bob 的用戶端主動向Alice 發起 TCP 連線。因為這個連結是從NAT 內部發起的，所以能夠成功穿透NAT。

中繼伺服器(Relay Server)  ：如果Alice 和Bob 雙方都位於複雜的NAT 之後，連反向連線也無法成功，該怎麼辦？此時，Skype 會啟用最後的備用方案：

1. Alice 和Bob 的客戶端都分別與一台公網路上的中繼伺服器建立連線。
2. 雙方的通話資料包都先傳送給中繼伺服器，再由伺服器轉送給對方。

這三種連接方式的示意圖如下：

// 理想情况：直接连接
Alice <----------------------> Bob

// 方案二：反向连接 (Bob 在 NAT 后)
1. Alice -> Rendezvous Server -> Bob
2. Bob ----------------------> Alice (Bob 主动发起连接)

// 方案三：中继 (双方都在 NAT 后)
Alice <--------> Relay Server <--------> Bob
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Skype 的成功，很大程度上歸功於這套務實的、多層次的連接策略，它優先嘗試最高效的P2P 連接，失敗後則優雅地降級到伺服器輔助的模式。

網路的脈動：演進、治理與挑戰

網路並非一成不變的科技造物，它是一個不斷發展、由全球社群共同治理的生命體。

誰在掌管網路？

互聯網沒有單一的“所有者”，它的技術標準和資源分配由多個國際組織協同管理：

• IETF (  Internet Engineering Task Force) ：互聯網工程任務小組。它負責制定絕大多數網際網路協定標準（如IP, TCP, HTTP）。 IETF 以其獨特的「思想優勝制(meritocracy of ideas)」和「大致共識與運行程式碼」的務實文化而聞名。
• W3C (World Wide Web Consortium)  ：萬維網聯盟。它專注於Web 應用層面的標準，如 HTML、CSS 等。
•  ICANN ( Internet Corporation for Assigned Names and Numbers ) ：網際網路名稱與數位位址分配機構。它負責管理全球的網域名稱系統（DNS）和IP 位址的分配。

演進案例：SIP 與VoIP 的革命

在1990 年代末，隨著網路頻寬和運算能力的提升，透過IP 網路傳輸 語音，即VoIP (Voice over IP)  ，成為可能。這場革命的關鍵技術之一是 會話發起協定(Session Initiation Protocol, SIP)  。

SIP 的誕生源自於 軟體交換(Soft Switching) 的想法：將傳統昂貴、笨重的電話交換機的控制邏輯，以運作在通用電腦上的軟體來取代。 SIP 正是這樣一種訊號協議，它負責建立、修改和終止通話會照（如語音通話或視訊會議）。

SIP 成為了連接傳統電話世界和IP 網路的橋樑。像Skype Out/In 這樣的服務，正是透過SIP 協議，讓你能用電腦呼叫一部普通的電話，反之亦然。然而，為了被市場和傳統電信業者廣泛接受，SIP 在設計上做出了一些妥協，例如允許中間伺服器查看信令訊息，這在一定程度上偏離了互聯網純粹的端到端原則。

新興趨勢與未來挑戰

網路的演進從未停止，新的技術和挑戰不斷湧現：

• 軟體定義網路(Software Defined Networking, SDN)  ：與軟體交換類似，SDN 將網路的控制平面（決定封包如何路由）與資料平面（實際轉送封包）分開。這使得網路管理變得更加集中化、可編程和靈活，對傳統的網路設備製造商構成了顛覆性的挑戰。
• 隱私與安全 ：「棱鏡門」等事件引發了全球對網路監控的擔憂。 IETF 成立了 PerPass 等工作小組，積極探討如何透過加密和改進協定設計，來增強網路的隱私保護能力。
• 內容傳遞網路(Content Distribution Networks, CDNs)  ：像Netflix、YouTube 等流量巨頭，透過在全球部署CDN 伺服器，將內容快取到離用戶更近的地方，大大提升了存取速度和網路效率。未來，不同CDN 之間的協同工作將成為新的研究熱點。
• 傳統網路融合的陣痛 ：當網路與傳統電話網路深度融合時，一些舊問題也找到了新的「溫床」。例如， 騷擾電話(Robocalling) 利用VoIP 技術的低成本和匿名性，變得愈發猖獗。如何建立跨網路的身份認證體系，以追溯和阻止這些騷擾行為，已成為一個緊迫的法律和技術難題。

結語

從應用程式的精巧設計，到全球社群的協同治理，再到永不停歇的技術革新與挑戰，我們看到網路不僅是一組冰冷的協議，更是一個充滿活力、不斷自我完善的生態系統。它在連結訊息的同時，也深刻地塑造我們的社會。理解它的過去，洞察它的現在，是為了更好地參與並建構它的未來。