簡單理解 TCP/IP 模型

Hello Guys, I’m LukeTseng. 本篇將來介紹 TCP/IP 模型，若本篇文章有誤，歡迎各位指正，若你也喜歡這篇文章，不妨按下愛心跟追蹤我的個人頁面吧！

另外本篇文章主要針對上課內容製作筆記，斟酌參考～

為什麼要有 TCP/IP 模型？

OSI Model v.s. TCP/IP Model

Image Source：TCP/IP Model - GeeksforGeeks

上圖是 OSI 模型與 TCP/IP 模型的對應關係，先只看 TCP/IP 就好。

首先要理解為什麼要有 TCP/IP 模型？

可以試想如果全世界不同語言的人要溝通，是不是要亂成一團？每個人只要各講各的就好了，而電腦也是一樣。mac、Windows 電腦、手機等，硬體設備都不同，為了讓這些設備能彼此傳送資料，所以就需要一套通用的溝通規則。

這套規則的標準，就叫做 TCP/IP 模型。其中 TCP 跟 IP 的意思分別是以下這兩個：

TCP：Transmission Control Protocol（負責確保資料送達）
IP：Internet Protocol（負責地址與路徑）

TCP/IP 是一個分層架構，從上圖也可看得出來。

分層概念

由於網路傳輸很複雜，所以偉大的電腦科學家把他切成 4 層來管理。每一層只專心做自己的事，做完就丟給下一層。

第四層：應用層（Application Layer）

【角色】：接待員、翻譯官。（註：可能或多或少有誤，我盡可能去描述每層的工作像什麼）

【功能】：像是與軟體（如 Google Chrome、Gmail、Line 等）之間的橋樑，連接軟體跟實際發送和接收資料的網路底層。也管理資料格式，以便發送方和接收方都能理解資料，進行加密以保護資料安全，以及進行會話管理以追蹤正在進行的連接。

【常見協議（Protocol）】：

HTTP/HTTPS：看網頁用。
SMTP/POP3：寄信/收信用。
FTP：傳輸檔案用。

第三層：傳輸層（Transport Layer）

【角色】：物流人員。

【功能】：決定資料（封包）怎麼送以及送到電腦裡的哪個程式。這有兩個最重要的協定：

TCP（靠譜、慢）：像掛號信，一定要將信送到收件人手上。

TCP 會檢查送信（送封包）的過程中有沒有誤，有的話會重新發送缺失的部分。

用途：網頁、Email。

UDP（不靠譜、快）：同樣拿寄信舉例，這就像是平信。

資料寄出去後就完全不管，也不知道這個資料會不會中途掉了（掉封包），或是被別人截走等等。

用途：視訊通話、直播、遊戲。

TCP 跟 UDP 的差別就是，是否提供了可靠性傳輸，TCP 可靠，而 UDP 不可靠。另外還有快與慢的差別，兩者各有優缺。

另外在這邊也有個重要的概念是 Port（通訊埠），是電腦作業系統中用來區分不同網路服務和應用程式的虛擬位置。

就像電話的分機號碼，幫電腦把網路上的資料正確傳送到對應的應用程式，使得同一台電腦可以同時處理多種不同的網路服務。

電腦若同時開著 Line、瀏覽器、Spotify，資料進來時怎麼知道給誰？就是靠 Port。

Port 通常以數字表示，所以也稱為 Port Number。

每個應用程式或服務會使用特定的 Port 號碼，像 HTTP 預設使用 Port 80。而 HTTPS 則使用 Port 443。

當一台電腦收到網路資料時，作業系統會根據 Port Number 將這些資料分配給相應的軟體或服務，確保資料不會混淆。

第二層：網際網路層（Network Layer）

【角色】：導航系統、快遞司機。

【功能】：這層最知名的就是 IP（Internet Protocol）。該層任務是處理地址和路徑，給每個設備一個 IP 位址，並決定走哪條路最快到達目的地。

【常見協議】：

IPv4 / IPv6：可想成網路身分證 / 門牌號碼。
ICMP（網際網路控制訊息協定：Internet Control Message Protocol）：簡單來說就是檢查網路通不通。

ICMP 主要用於網路裝置之間傳送錯誤報告和診斷資訊。他可以幫你判斷資料是否有正確送到目的地，當資料封包在傳輸過程中產生問題的時候，如封包 timeout、無法到達目的地，ICMP 會將錯誤訊息發送回來源裝置，告訴你錯在哪。

而 ICMP 常用的診斷工具就是熟悉的 ping、traceroute。

第一層：網路存取層（Network Access Layer）

（也稱連結層 Link Layer）

【角色】：工人。

【功能】：

資料變成電子訊號（0 和 1），透過網路線、光纖或 Wi-Fi 電波傳出去。
負責將資料從一台裝置的網路層傳送到另一台裝置。
只能在 LAN（區域網路）中傳輸。

【常見技術】：

Ethernet（乙太網路）：有線網路技術，用光纖、雙絞線當作媒介傳輸。
Wi-Fi：無線傳輸，透過無線電波傳輸資料。

Ethernet 網路中的裝置用 MAC 地址作為識別碼，資料在網路上以封包形式傳送，並利用 CSMA/CD 協定來避免資料碰撞，提高傳輸效率。

這層處理資料時會把他封裝成資料幀（Data Frame），並用幀（Frame）當作傳輸的單位。

學術上分五層

TCP/IP five-layer

Image Source：https://www.researchgate.net/figure/The-TCP-IP-five-layer-model_fig1_358919795

學術上的分層將網路存取層（Network Access Layer）細分成兩個層次來看：

軟體 / 邏輯：資料連接層（Data Link Layer）
純硬：實體層（Physical Layer）

然後其他三層是沒變的。

第二層：資料連結層（Data Link Layer）

【角色】：交通警察、區域物流員。

【功能】：負責同一條實體線路上，相鄰節點之間如何可靠地把網路層交給它的資料搬運過去，並包裝成幀（frame）送到下一個節點。

另外還有三個功能：

框架化（framing）：把來自網路層的 datagram（像 IP 封包的東西）切成一個個可辨識的 frame，並在前後加上必要的控制資訊，讓接收端能知道 frame 的開始與結束。
糾錯（Correction）：利用 header 與尾端的檢查碼來發現傳輸過程中 bit 被干擾的情況，有些資料連結層協定會處理重送，以提高傳輸可靠度。
流量控制與媒體存取控制（MAC）：在多個裝置共用同一媒介（如同條乙太網、同段無線頻道）時，協調誰可以在什麼時候發送，避免互相碰撞或淹沒接收端。

然後有個很重要的設備叫做 Switch（交換器），主要就是在 data link layer 運作。它依 MAC 位址學習各個主機在哪個實體埠，然後只把 frame 轉送到該埠，這樣在同一個 LAN 裡面就能有效減少不必要的廣播與碰撞。

第一層：實體層（Physical Layer）

實體層位於 TCP/IP 模型中的最底層。

【功能】：把電腦裡的數位訊號（0 / 1），轉換成電壓（高低電位）、光（光纖亮滅）或無線電波，然後發射出去。

實體層負責定義硬體的物理特性與電氣規格，確保發送端送出的 1，接收端收到的也是 1，不會因為訊號衰減或干擾變成 0。

而實體層的規範通常包含以下幾個面向：

硬體介面與接頭規格：定義 RJ-45 網路孔（一般常看到 PC 背板插的網路線）有幾根針腳、光纖接頭的形狀、USB 或天線的接口標準等。
傳輸媒介：雙絞線（UTP）、同軸電纜、光纖、以及無線傳輸時的空氣（電磁波頻段）等。
訊號編碼：定義如何將電腦裡的數位資料（0 / 1）轉換成適合在媒介上跑的類比訊號。
傳輸速率：規範線路上的傳輸速度（如 100 Mbps, 1 Gbps）以及發送端與接收端如何保持時鐘同步，以正確讀取每一個 bit。

資料連結層與實體層的差別

實體層把 bit 送出去後就不管了，而資料連結層則是把這些 bit 整成有意義的 frame，並加上檢查碼確認這串 bit 在傳送過程中是否有誤。

TCP/IP 的運作模式

Image Source（不知道是哪本書的圖，但我是從方格子上面擷取的）：網際網路協定堆疊（五層）

例如要從 Source 端傳 line 給 Destination 端的電腦，line 是最頂層的 Application 層，一旦按下發送按鈕下去，就會將這個資料往下傳。傳給實體層後，可以看到圖中有一台 Link-layer switch，所以會經過 Data Link Layer -> Physical Layer，在實體層一樣繼續送資料給 Router（路由器）。

因為 Router 主要的功能是在不同的網路之間，根據 IP 位址來選擇最佳路徑並轉發資料。所以經過他的時候會經過 Network 層，最後發送給 Destination 端的電腦。