【計算機網路筆記】2.3 Electronic Mail in the Internet

發表於2026-02-13|更新於2026-02-22|計算機網路

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【計算機網路筆記】2.3 Electronic Mail in the Internet

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。

電子郵件系統的核心在於提供一種非同步（Asynchronous）的通訊方式。

什麼意思？就像傳統的郵政服務，寄信時，收件人不需要坐在家裡等，寄件人寫好信丟進郵筒，系統會負責傳遞到收件人的郵箱，對方有空時再開箱讀取。

電子郵件的出現打破了時間的限制，不需要通訊雙方同時在線（Always-on）也能交換資訊，且成本極低、速度快。

Image Source：Computer Networking: A Top-Down Approach (8th ed., p. 147, Figure 2.14)

上圖中呈現一份網際網路郵件系統的高層級觀點，可看到有三個主要元件：

使用者代理（User Agent）：
- 解釋：用來寫信和讀信的軟體。例如 Gmail、Microsoft Outlook、iCloud 等等。
- 功能：讓使用者撰寫、回覆、閱讀郵件。當寫好信按下傳送後，使用者代理就會把信交給郵件伺服器。
郵件伺服器（Mail Server）：
- 解釋：電子郵件系統的核心，相當於郵局。
- 功能：
  - 信箱（Mailbox）：用來存放別人寄的信（收件）。
  - 訊息佇列（Message Queue）：當要寄信時，郵件會先排在這裡，等待被送出去（寄件）。
簡單郵件傳輸協定（Simple Mail Transfer Protocol, SMTP）：
- 解釋：郵件伺服器之間用來傳輸郵件的規則，相當於負責長途運輸的郵差卡車。
- 功能：使用 TCP 協定來確保郵件能可靠地從發信伺服器傳送到收信伺服器。

2.3.1 SMTP

SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）是網際網路電子郵件的核心傳輸協定。

為什麼需要 SMTP？當按下傳送後，郵件需要跨越網際網路到達對方的伺服器。SMTP 提供了標準化的規則，確保不同廠牌、不同地點的伺服器能互相交談並傳遞訊息。

核心特徵：SMTP 基於 TCP 的應用層協定，表示其非常重視可靠性，郵件必須準確無誤地送達，不能像 UDP 那樣允許掉包。

術語解析

正式進入流程前，先了解這些術語吧：

SMTP 客戶端與伺服器（SMTP Client & Server）：
- 注意：這裡的「客戶端」和「伺服器」是指郵件伺服器內部執行的行程（Process）。
- 當郵件伺服器要「寄信」給別的伺服器時，扮演 SMTP 客戶端。
- 當郵件伺服器要「收信」（從別的伺服器接收）時，扮演 SMTP 伺服器。
直接連線（Direct Connection）：
- SMTP 通常不經過中繼站。
- 如果 Alice 在香港，Bob 在聖路易斯，則 Alice 的伺服器會建立一條 TCP 連線，「直接」連到 Bob 的伺服器，中間不會經過第三方的郵件伺服器轉手。
- 如果 Bob 的伺服器掛了，郵件會留在 Alice 的伺服器上排隊重試，而不是丟給中間人。
7-bit ASCII 限制：
- 這是一個「歷史遺留問題」。
- SMTP 設計之初（1980年代），網路頻寬珍貴，且沒人傳送大圖片，因此，SMTP 限制郵件體必須是 7-bit ASCII 文字。
- 現今影響：這就是為什麼今天我們要傳送圖片、影片時，必須先經過編碼（如 Base64），把它們偽裝成 ASCII 文字才能傳送。

SMTP 運作流程範例

撰寫：Alice 用他的 User Agent（使用者代理，如 Gmail）寫信給 bob@someschool.edu，並指示 User Agent 發送。
佇列：Alice 的 User Agent 將郵件推送到他的郵件伺服器，郵件被放入訊息佇列（Message Queue）等待發送。
連線：Alice 伺服器上的 SMTP 客戶端發現佇列中有信，於是向 Bob 的伺服器（運作在主機 someschool.edu 上）發起建立 TCP 連線（目標連接埠 25）。
交握：TCP 連線建立後，進行 SMTP 應用層交握（自我介紹）。
傳送：SMTP 客戶端透過 TCP 連線發送 Alice 的訊息。
接收：Bob 的伺服器（SMTP 伺服器端）接收訊息，並將其放入 Bob 的信箱（Mailbox）。

如果步驟 3 失敗，例如 Bob 的伺服器沒開機，Alice 的伺服器會稍後重試，不會丟棄郵件。

Image Source：Computer Networking: A Top-Down Approach (8th ed., p. 149, Figure 2.15)

SMTP 協定對話：伺服器之間是如何聊天的？

SMTP 的對話非常像兩個禮貌的人在對話。

假設客戶端主機是 crepes.fr，伺服器主機是 hamburger.edu：

方向	訊息內容	解讀
S（伺服器）	`220 hamburger.edu`	服務就緒：伺服器說「我準備好了」。
C（客戶端）	`HELO crepes.fr`	打招呼：HELO 為 HELLO 的縮寫，如同說「嗨，我是 `crepes.fr`」。
S	`250 Hello crepes.fr, pleased to meet you`	確認：「收到，很高興見到你」。（250 代表 OK）
C	`MAIL FROM: <alice@crepes.fr>`	發信人：「這封信是 Alice 寫的」。
S	`250 alice@crepes.fr ... Sender ok`	確認：「寄件人沒問題」。
C	`RCPT TO: <bob@hamburger.edu>`	收信人：「我要寄給 Bob」（RCPT 為 Recipient 的縮寫）
S	`250 bob@hamburger.edu ... Recipient ok`	確認：「收件人存在，沒問題」。
C	`DATA`	請求發送內容：「我要開始傳送內容了」。
S	`354 Enter mail, end with "." on a line by itself`	同意：「請輸入內容，最後用單獨一行『.』結束」。
C	`Do you like ketchup?`	（郵件內容…）
C	`How about pickles?`	（郵件內容…）
C	`.`	結束符號：單獨一行的句號代表內容結束（`CRLF.CRLF`）。
S	`250 Message accepted for delivery`	接收成功：「郵件已接收」。
C	`QUIT`	道別：「我沒事了，掰掰」。
S	`221 hamburger.edu closing connection`	斷線：伺服器關閉連線。

重點整理：

持續連線（Persistent Connections）：如果 Alice 還有別的信要寄給 Bob 同一家公司的其他人，SMTP 可以利用同一條 TCP 連線繼續發送（MAIL FROM …），不用重新建立連線，可節省時間。
結束符號：SMTP 使用單獨一行的句點（.）來告訴伺服器「講完了」，在 ASCII 術語中表示為 CRLF.CRLF。
SMTP 狀態碼：
- 220：服務就緒（Service Ready）。
- 250：要求郵件動作已完成（Requested mail action okay, completed）。
  - 當伺服器接收到 HELO/EHLO、MAIL FROM、RCPT TO 或 DATA 等指令並成功處理時，會回傳此代碼，代表郵件已順利被接納並傳輸。
- 354：開始郵件輸入（Start mail input）的成功狀態代碼，意即郵件伺服器已準備好接收電子郵件內容（郵件主旨與本文）。
  - 伺服器收到 DATA 指令後回傳此代碼，並等待用戶端以單獨一行輸入點號 .（CRLF.CRLF）來結束郵件傳輸。
- 221：服務關閉傳輸通道（Service closing transmission channel）。
  - 此為 SMTP 伺服器在接收到 QUIT 命令後，正常終止與用戶端連線的狀態碼，表示郵件傳輸任務完成或會話結束。
  - 此代碼通常為正常操作，但若在郵件發送中途出現，則可能代表連線被強制中斷或認證失敗。

2.3.2 Mail Message Formats（郵件訊息格式）

這節的核心在於定義電子郵件本身的內容格式。

SMTP 是傳輸協定（像是郵差），而該節講的是郵件本身的寫法（像是郵件上的格式），由 RFC 5322 標準定義。

術語解析

標頭列（Header Lines）：
- 位於郵件的最上方，包含像是 To:、From:、Subject: 等資訊。
- 每一行都包含一個關鍵字，後面跟著冒號，然後是內容值。
空白行（Blank Line）：
- 用來分隔「標頭」與「內文」。
- 在電腦世界裡，通常是一個 CRLF（Carriage Return + Line Feed）。
訊息內文（Body）：真正寫給對方的內容，位於空白行之後。

郵件標準結構

一封標準的電子郵件（RFC 5322）長這樣：

From: alice@crepes.fr          <-- 標頭 (Header)
To: bob@hamburger.edu          <-- 標頭 (Header)
Subject: Searching for life    <-- 標頭 (Header)
                               <-- 空白行 (Blank Line)
Hi Bob,                        <-- 內文 (Body)
How are you?                   <-- 內文 (Body)

必要的標頭：From: 和 To: 是必須存在的。
可選的標頭：Subject:（主旨）雖然很重要，但在技術規範上是可選的。

SMTP 指令 vs. 郵件標頭

「信封上的地址」不一定等於「信紙上的抬頭」。

比較項	SMTP	郵件標頭
類比	信封（Envelope）	信紙抬頭（Letterhead）
用途	給郵件伺服器（MTA）看的，用於傳遞。	給收件人或郵件軟體（MUA）看的，用於顯示。
指令範例	`MAIL FROM: <alice@crepes.fr>` `RCPT TO: <bob@hamburger.edu>`	`From: Alice <alice@crepes.fr>` `To: Bob <bob@hamburger.edu>`
影響	決定郵件會寄到哪裡、退信退給誰。	決定在 Gmail 裡看到是誰寄的。

2.3.3 Mail Access Protocols（郵件存取協定）

該節的核心概念在於區分「推送（Push）」與「取回（Pull）」的不同操作。

Bob 的設備（筆電、手機等）不會 24 小時開機，也不一定隨時連網。

因此，我們不能讓 Alice 的伺服器直接把信推送給 Bob 的個人電腦（如果 Bob 關機，信就沒了）。

解法：郵件必須先存在 Bob 的郵件伺服器上。等到 Bob 開機上線時，再由 Bob 的使用者代理主動去伺服器把信取回（Pull）。

與 SMTP 的區別：

SMTP 是推送式協定（Push Protocol）：用於發送（Alice → 伺服器）和轉發（伺服器 → 伺服器）。
郵件存取協定是取回式協定（Pull Protocol）：用於接收（伺服器 → Bob）。

因此在這有個考點可以考：「SMTP 能不能用來收信？」答案為否，因為它是設計用來推送的協定。

術語解析

該節介紹了兩個現代最主流的郵件存取方式：

HTTP（HyperText Transfer Protocol）：
- 解釋：現在絕大多數人（用 Gmail、Outlook Web 版本等）皆透過瀏覽器或手機 App，利用 HTTP 協定從伺服器讀取郵件。
- 特點：方便，不需要安裝專用的郵件軟體。
IMAP（Internet Mail Access Protocol）：
- 解釋：IMAP 是專門為了「存取與管理」郵件而設計的複雜協定（RFC 3501），常見於 Microsoft Outlook, iCloud Mail 等桌面軟體。
- 特點：
  - 它將郵件保留在伺服器上，並允許使用者在伺服器上建立資料夾、移動郵件。
  - 最重要的是，它也維護了狀態（State）。例如在手機上讀了一封信，伺服器會標記為「已讀」，當回到電腦上看時，它也會顯示為「已讀」。

註：早期還有 POP3（Post Office Protocol - Version 3），稱為郵局協定，但功能較簡單且逐漸被 IMAP 所取代。

:::info
補充說明：

POP3 核心特性：

單向傳輸：POP3 採「下載並刪除」模式，郵件下載到電腦後，預設會從伺服器上刪除。
離線閱讀：下載完成後，即使沒有網路也能在本地設備閱讀信件。
節省空間：由於信件不長期存放在伺服器，能有效節省信箱主機的儲存空間。
通訊埠：預設使用 Port 110，而加密版本（POP3S，當中 S 為 SSH/TLS）則使用 Port 995。

POP3 運作流程：

連線：客戶端程式向伺服器建立 TCP 連線。
認證：使用者輸入帳號密碼登入。
交易：用戶端下達指令（如 RETR 抓取郵件、DELE 標記刪除）。
更新：中斷連線前，伺服器正式執行刪除動作並結束工作。
:::

完整的郵件傳輸路徑

假設 Alice（使用 Web-based email）寄信給 Bob（使用 Outlook 軟體）。

Alice → Alice 的郵件伺服器：
- 協定：HTTP（或 SMTP，取決於他用的是網頁還是軟體）。
- 動作：Alice 在瀏覽器寫好信，透過 HTTP 傳送到他的伺服器。
Alice 的郵件伺服器 → Bob 的郵件伺服器：
- 協定：SMTP。
- 動作：伺服器之間的對話。Alice 的伺服器扮演 SMTP Client，Bob 的伺服器扮演 SMTP Server，信件被推送過去。
Bob 的郵件伺服器 → Bob（User Agent）：
- 協定：IMAP（或 HTTP）。
- 動作：Bob 的電腦扮演 Client，主動去連線伺服器，驗證帳號密碼後，把郵件清單或內容取回。

Image Source：Computer Networking: A Top-Down Approach (8th ed., p. 152, Figure 2.16)

SMTP vs. Mail Access Protocols

比較項	SMTP	Mail Access Protocols（IMAP、HTTP）
方向	推送（Push）	取回（Pull）
主要用途	寄信、伺服器間轉發	收信、管理信箱
發起方	擁有信件的一方（Sender）	想要信件的一方（Receiver）
伺服器角色	接收信件並放入佇列或信箱	提供信件內容給使用者
使用情境	User Agent → Server Server → Server	Server → User Agent

為什麼需要中繼？

在圖 2.16，為什麼 Alice 不直接把信傳到 Bob 的伺服器，而是要先傳給自己的伺服器？

原因：如果沒有 Alice 的伺服器當作中繼站，Alice 的 User Agent 就必須自己處理所有錯誤。

如果 Bob 的伺服器當機了，或者網路暫時不通：

直接傳：Alice 必須一直開著電腦重試，直到傳送成功，非常不方便。
透過伺服器傳：Alice 只要把信丟給她的伺服器（通常很快且保證成功），就可以關機去睡覺了。他的伺服器會負責在 Bob 伺服器恢復時，反覆重試（例如每 30 分鐘試一次），直到送達。

總整理

電子郵件系統的核心概念：非同步通訊（Asynchronous Communication）

電子郵件的本質是一種非同步通訊機制。

通訊雙方不需同時在線。
郵件可先存放於伺服器。
收件者可在任何時間取回。
成本低、可靠性高、跨地域傳輸快速。

比喻：寄信 → 放入郵局 → 郵局負責轉送 → 收件人有空再讀。

電子郵件系統的三大核心元件

使用者代理（User Agent, UA）

代表使用者操作的軟體，例如：

Gmail
Microsoft Outlook
iCloud

功能：

撰寫、閱讀、回覆郵件。
將郵件提交給郵件伺服器。

郵件伺服器（Mail Server）

電子郵件系統的核心基礎設施。

主要組成：

Mailbox（信箱）：儲存收到的郵件。
Message Queue（訊息佇列）：暫存待發送郵件。

如果對方伺服器無法連線，郵件會留在佇列中重試，而不會遺失。

SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）

SMTP 是伺服器之間傳送郵件的標準協定。

建立在 TCP 之上。
強調可靠性。
預設使用 Port 25。
採「推送（Push）」模式。

其角色如同長途運輸系統。

SMTP 的核心特性

客戶端與伺服器角色會切換

發送方伺服器 → 扮演 SMTP Client
接收方伺服器 → 扮演 SMTP Server

直接連線（Direct Connection）

SMTP 通常：

發送伺服器直接連線到接收伺服器。
不經第三方轉手。
若失敗則重試。

7-bit ASCII 限制（歷史遺留）

SMTP 初期僅允許 7-bit ASCII 文字。

因此：

圖片、影片需轉為 Base64 編碼。
造成傳輸量增加約 33%。

SMTP 標準對話流程

基本順序：

220 → 伺服器準備好
HELO / EHLO → 客戶端打招呼
MAIL FROM → 指定寄件者
RCPT TO → 指定收件者
DATA → 開始傳送內容
CRLF.CRLF → 單獨一行「.」表示結束
250 → 接收成功
QUIT → 結束連線
221 → 關閉通道

重要概念：

持續連線（Persistent Connection）：可在同一 TCP 連線中寄多封信。
SMTP 是「命令＋回應」的應用層協定。

郵件內容格式（RFC 5322）

SMTP 負責「送信」。

RFC 5322 定義「信的格式」。

標準郵件結構：

標頭列（Header Lines）：
- 位於郵件的最上方，包含像是 To:、From:、Subject: 等資訊。
- 必填欄位：From:、To:。
- 每一行都包含一個關鍵字，後面跟著冒號，然後是內容值。
空白行（Blank Line）：
- 用來分隔「標頭（Header）」與「內文（Body）」。
- 在電腦世界裡，通常是一個 CRLF（Carriage Return + Line Feed）。
訊息內文（Body）：真正寫給對方的內容，位於空白行之後。

1
2
3

Header
(空白行)
Body

SMTP 與郵件標頭的差異

比較項	SMTP	郵件標頭
類比	信封（Envelope）	信紙抬頭（Letterhead）
用途	給郵件伺服器（MTA）看的，用於傳遞。	給收件人或郵件軟體（MUA）看的，用於顯示。
指令範例	`MAIL FROM: <alice@crepes.fr>` `RCPT TO: <bob@hamburger.edu>`	`From: Alice <alice@crepes.fr>` `To: Bob <bob@hamburger.edu>`
影響	決定郵件會寄到哪裡、退信退給誰。	決定在 Gmail 裡看到是誰寄的。