【計算機網路筆記】3.1 Introduction and Transport-Layer Services

Hello Guys, I’m LukeTseng. 歡迎你也感謝你點入本篇文章，本系列主要讀本為《Computer Networking: A Top-Down Approach, 8th Edition》，就是計算機網路的聖經，會製作該系列也主要因為修課上會用到。若你喜歡本系列或本文，不妨動動你的手指，為這篇文章按下一顆愛心吧，或是追蹤我的個人公開頁也 Ok。

傳輸層簡介

傳輸層（Transport Layer）位於應用層（Application Layer）之下，網路層（Network Layer）之上。

傳輸層的核心功能是為執行在不同主機（Host）上的應用程式行程（Application Processes）之間提供邏輯通訊（Logical Communication）。

所謂邏輯通訊：從應用程式的角度看，好像兩台主機是直接連在一起的，儘管中間隔著無數的路由器和連結。

3.1.1 Relationship Between Transport and Network Layers（傳輸層與網路層的關係）

通訊的對象是誰？

在協定堆疊（Protocol Stack）中，傳輸層位於網路層之上。

兩者皆提供邏輯通訊，但對象截然不同：

  • 網路層（Network Layer）：提供主機到主機（Host-to-Host）的邏輯通訊。
    • 網路層的工作是將封包從該台電腦的網卡送到那台電腦的網卡。
    • 它只認得 IP 位址（像是房子的地址），不認得是哪個程式要用這些資料。
  • 傳輸層（Transport Layer）：提供行程到行程（Process-to-Process）的邏輯通訊。
    • 傳輸層的工作是接手網路層送來的資料，精確地分發給正在執行的應用程式（例如 Chrome、Line、LOL 等等）。

重要觀念釐清：

  • 傳輸層協定只執行在端系統（End Systems）上。
  • 網路中間的路由器（Routers）只負責網路層的工作（轉發 IP 封包），通常不會檢查傳輸層的標頭資訊。就像郵局的轉運站只看信封上的地址，不會拆開信來看裡面是寫給誰的。

比喻：家庭郵件

書中以家庭郵件的方式做比喻，情境設定如下：

想像有兩個家庭，一個在美國東岸，一個在西岸：

  • 每個家庭有 12 個孩子（堂表兄弟姊妹）。
  • 他們每週都會寫信給對方家庭的孩子。
  • 每個家庭有一位負責收發郵件的代表：東岸是 Bill，西岸是 Ann。

流程：

  1. 每週，Ann 會去收集她兄弟姊妹要寄出的信。
  2. Ann 把這些信交給每天來門口的郵差。
  3. 郵差透過郵政系統把信送到東岸的房子。
  4. Bill 在東岸收到一疊信，負責把信分發給他的兄弟姊妹（收信人）。

上述這樣的比喻可以製成以下的角色對照表：

比喻中的角色電腦網路術語說明
家庭主機（Hosts）如同端系統（End Systems）。
孩子們行程（Processes）正在執行的應用程式，通訊的真正端點。
郵件（Letters）應用層訊息應用程式要傳送的資料內容。
Ann 與 Bill傳輸層協定負責在「家裡」收集與分發郵件（多工與解多工）。
郵政服務（含郵差）網路層協定負責把信從這棟房子送到那棟房子。

於該比喻中，郵政服務（網路層）只負責把信從「西岸的房子」送到「東岸的房子」，郵差完全不認識家中那 12 個小孩，他只認得房子地址。

Ann 和 Bill（傳輸層）負責最後一哩路，確保郵件是交給 “Alice” 而不是 “Bob”，此為 Host-to-Host 與 Process-to-Process 的區別。

服務的限制與增強

既然傳輸層是建立在網路層之上，傳輸層的能力自然會受到底層的影響，在此有兩個重要的動態關係：

  1. 受限於底層
    • 如果底層網路很爛，傳輸層通常無法改變物理現實。
    • 延遲（Delay）與頻寬（Bandwidth）：
      • 如果郵差（網路層）送信就是要三天，或者郵務車一次只能載一袋信，Ann 和 Bill（傳輸層）再怎麼努力，也無法保證郵件能「瞬間到達」或「無限量傳送」。
    • 結論：若網路層無法提供延遲或頻寬的保證，傳輸層通常也無法提供這些保證。
  2. 增強底層服務
    • 即使底層網路很爛，傳輸層可以透過「軟體機制」來提供更好的服務。
    • 可靠性（Reliability）：
      • 情境：如果郵政服務不可靠，郵件可能會在途中遺失。
      • 對策：Ann 和 Bill 雙方可以約定好說：「如果你收到信，要回信告訴我，如果你沒回信，我就重新寄一份影本」。
      • 技術：即使網路層（IP）是不可靠的（會掉封包），傳輸層（如 TCP）可以透過確認回應（ACKs）和重傳（Retransmission）機制，為應用程式提供可靠資料傳輸。
    • 安全性（Security）：
      • 情境：郵差可能會偷看郵件內容。
      • 對策：Ann 和 Bill 可以在寄信前用暗號（加密）寫信，收到後再解碼。
      • 技術：即使網路層沒有加密，傳輸層（如 TLS/SSL）可以提供加密，確保資料不被竊聽。

3.1.2 Overview of the Transport Layer in the Internet（網際網路傳輸層的概觀）

雖然在前面章節提過蠻多次的了，但還是要再提一次，在網際網路的傳輸層中，提供了兩個協定給應用程式開發者選擇：

  1. UDP（User Datagram Protocol）：中譯使用者資料包協定，它提供的是不可靠（Unreliable）、非連線導向（Connectionless）的服務。
  2. TCP（Transmission Control Protocol）：中譯傳輸控制協定，它提供的是可靠（Reliable）、連線導向（Connection-oriented）的服務。

術語解析

  • 區段（Segment）：指傳輸層（Transport Layer）的封包。
    • 註：雖有些技術文件（RFC）中，UDP 的封包有時被稱為 Datagram（資料包），但為了清楚區分層級，則統一將 TCP 和 UDP 的封包都稱為 Segment。
  • 資料包（Datagram）：指網路層（Network Layer）的封包。
    • IP 協定的資料單位，Segment 會被封裝在 Datagram 裡面傳送。
  • 盡力而為的投遞服務（Best-effort Delivery Service）：IP 協定的服務模型，意思是 IP 會盡最大的努力把資料送到目的地，但不做任何保證。它不保證送達、不保證順序、也不保證資料內容正確。

IP 協定服務模型（The IP Service Model）

IP 是網際網路的網路層協定，其特點為：

  • 邏輯通訊：提供主機（Host）之間的邏輯連接。
  • 不可靠（Unreliable）：IP Datagram 可能會丟失、亂序、或者內容損毀。
  • 定址（Addressing）：每台主機都有一個 IP 位址（IP Address）。

此為 TCP 和 UDP 的起點，它們兩個的任務就是要把這個「不可靠的主機對主機」服務，擴展成「應用行程對應用行程」的服務。

傳輸層的最基本責任

無論 TCP 或 UDP，它們都必須提供兩個最基本的功能，這也是 UDP 唯二提供的功能：

  1. 多工與解多工（Multiplexing and Demultiplexing）：
    • 將 IP 的「主機到主機」交付服務，擴展為「行程到行程」的交付服務。
    • 簡單來說，就是確保收到的資料能送到正確的應用程式（透過 Port Number）。
  2. 錯誤檢查（Integrity Checking）：在 Segment 標頭中包含錯誤偵測欄位（Checksum），用來檢查資料在傳輸過程中是否損毀。

UDP 與 TCP 的深度比較

UDP 是「除了基本功能什麼都不加」，TCP 則為「透過複雜機制把不可靠變可靠」。

  • UDP（User Datagram Protocol）
    • 設計哲學：極簡主義。
    • 功能：除了多工／解多工和錯誤檢查外，它沒有對 IP 增加任何功能。
    • 特性：
      • 不可靠：資料可能遺失。
      • 無流量控制：應用程式想送多快就送多快，對某些即時應用（如語音通話）很有吸引力，但也可能導致網路癱瘓。
  • TCP（Transmission Control Protocol）
    • 設計哲學：在不可靠的基礎上提供可靠服務，並維護網路整體的健康。
    • 功能：
      1. 可靠資料傳輸：透過
        • 流量控制（Flow Control）
        • 序號（Sequence Numbers）
        • 確認回應（Acknowledgment）
        • 計時器（Timers）等等
        • 確保資料正確、依序地從傳送端行程送到接收端行程。
      2. 壅塞控制（Congestion Control）：
        • 這不是為了單一連線的利益，而是為了網際網路整體的利益。
        • 當 TCP 偵測到網路塞車時，會自動降低傳送速率，讓每條連線公平地分享頻寬，避免網路崩潰。

兩者比較表：

比較項目UDPTCP
服務類型非連線導向（Connectionless）連線導向（Connection-oriented）
可靠性不可靠（Unreliable）可靠（Reliable）
功能僅提供多工／解多工、錯誤檢查可靠傳輸、壅塞控制、流量控制
傳輸速率不受限受壅塞控制調節
複雜度低高（需要維護連線狀態、計時器等）

總整理

傳輸層位於應用層之下、網路層之上，主要負責端系統（End Systems）上的行程通訊。

  1. 傳輸層 vs. 網路層：
    • 網路層（Network Layer）：提供主機到主機（Host-to-Host）的邏輯通訊，只負責把封包送到正確的 IP 地址（房子）。
    • 傳輸層（Transport Layer）：提供行程到行程（Process-to-Process）的邏輯通訊，負責把資料交給正確的應用程式。
  2. 家庭郵件比喻：
    • 家庭（Hosts）：端系統。
    • 孩子（Processes）：應用程式行程。
    • 郵件（Application Messages）：資料內容。
    • 收發者 Ann/Bill（Transport Layer）：負責多工與解多工。
    • 郵政服務（Network Layer）：負責房屋間的郵件運送。
  3. 服務的限制與增強：
    • 無法改變的限制：若網路層頻寬不足或延遲高，傳輸層無法提供即時或無限量保證。
    • 可以增強的服務：
      • 可靠性（Reliability）：透過確認（ACK）與重傳機制，在不可靠的 IP 上建立可靠傳輸。
      • 安全性（Security）：透過加密技術（TLS/SSL 等）確保資料不被竊聽。
  4. 網際網路傳輸層概觀：
    • 封包術語定義：
      • 區段（Segment）：傳輸層的封包單位。
      • 資料包（Datagram）：網路層的封包單位。
      • 盡力而為的投遞服務（Best-effort Delivery）：IP 的特性，盡力送達但不保證順序、不丟包。
  5. UDP vs. TCP：

所有傳輸層協定都必須具備的兩項基本功能：多工／解多工與錯誤檢查。

比較項目UDPTCP
服務類型非連線導向（Connectionless）連線導向（Connection-oriented）
可靠性不可靠（Unreliable）可靠（Reliable）
功能僅提供多工／解多工、錯誤檢查可靠傳輸、壅塞控制、流量控制
傳輸速率不受限受壅塞控制調節
複雜度低高（需要維護連線狀態、計時器等）