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13-2 TCP/IP 協定堆疊
一般所說的 TCP/IP 是指 TCP 和 IP 兩個通訊協定，而 TCP/IP 網路是指 ARPANET 網路。目前 ARPANET 網路與『網際網路』（Internet）已幾乎整合在一起，都以 Internet 網路為代名詞。圖 13-1 為 TCP/IP 通訊協定的堆疊，我們還是依照傳統 OSI 參考模式和它比較相關的功能。基本上，早期 ARPANET 所訴求的是讓各偏遠地區上的電腦彼此之間能互相連接（軍事用途），至於應用方面則較為簡單的遠端登入、電子郵遞和檔案傳送等等。因此，ARPANET 網路早期並沒有提供較複雜的使用環境，在應用層方面也沒有再細分表現層和交談層。Internet 網路也沿用 ARPANET 架構，在通訊協定方面只區分為四個層次。但隨著 Internet 網路的應用逐漸複雜，標準化的資料表示（如加密、壓縮等）是否有需要（表現層功能），或異質電腦的程序之間的對談（多方通訊）標準是否有需要制定（交談層功能），也漸漸在 Internet 網路中蘊釀著。
圖 13-1 TCP/IP 協定堆疊 13-2-1 TCP/IP 協定堆疊 在 TCP/IP 協定堆疊中，區分為四個層次，各個層次功能如下： (A) 應用層（Application Layer） 簡單的說，應用層就是在網路上所開發的應用軟體。隨著網路的發展，應用軟體的開發愈來愈多，應用層也就愈來愈豐富，延伸出許多新的網路軟體技術。雖然 TCP/IP 網路沒有另外區分表現層和交談層，並不表示沒有提供這方面的服務，只是沒有提供這兩個層次的標準介面。儘管它減少開發軟體的方便性，但也促進新技術的發展。以下列出在 TCP/IP 網路上較常見的應用軟體：（有關應用層的相關技術請參考本書第六章） (1) FTP（File Transfer Protocol）：遠端檔案傳輸協定，透過 FTP 可和不同地區的異質電腦之間檔案互相傳送。 (2) SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）：簡易郵件傳輸協定。在各個電子郵件伺服器之間郵件傳輸的協定，使用者可透過 SMTP 傳送郵件。 (3) HTTP（HyperText Transfer Protocol）：超文件傳輸協定。使用者（瀏覽器）和網頁伺服器器（Web Server）之間超文件（文字、聲音、圖片、影像等）的傳輸協定。 (4) DNS（Domain Name Server）：將主機名稱和 IP 位址之間的轉換。 (B) 傳輸層（Transport Layer） 傳輸層如同 OSI 參考模式的第四層（請參考本書第五章）。基本上，傳輸層是提供可靠性連線服務（TCP），但也提供非連接方式（UDP）的傳輸，以作為一般網路管理或快速資料傳輸之連線使用。兩個主要通訊軟體說明如下： (1) TCP（Transmission Control Protocol）：傳輸控制協定。提供連接導向（Connection -oriented）程序（Process）之間的可靠性（Reliable）連線服務。TCP 提供標準傳輸介面，讓不同電腦之間可以連線。 (2) UDP（User Datagram Protocol）：使用者電報傳輸協定。提供非連接服務（Connectionless）的使用者（或程序）之間連線。類似 TCP 服務但為不可靠性（Unreliable）連線。 (C) 網際層（Internet Layer） 網際層（Internet Layer）相當於 OSI 參考模式的網路層（請參考本書第四章）。TCP/IP 網路為提供遠距離之間的網路連結，其網際層採用變異性較高的電報傳輸（Datagram）方式，亦是『網際協定』（Internet Protocol, IP）。雖然網際層還有若干個通訊軟體（ICMP、IGMP 等），但都包裝在 IP 封包內，以 IP 方式傳輸（Datagram）。以下介紹幾個較重要的通訊軟體： (1) IP（Internet Protocol）：提供網路之間的路徑選擇協定。遠端電腦之間可透過 IP 協定尋找出對方位址，並能互相連接在一起。 (2) ICMP（Internet Control Message Protocol）：網際控制訊息協定。網路之間互相傳送網路狀況的資料格式，以及回報方式的協定。使用者可利用 ICMP 查詢網路狀況（網路負載情況或斷路等等）。 (3) ARP（Address Resolution Protocol）：位址解析協定。某部電腦可透過 ARP 協定以對方（使用者）的網路位址（IP 位址），來查問其網路介面卡位址（Ethernet 位址）。 (4) RARP（Reverse Address Resolution Protocol）：反向位址解析協定。使用者透過RARP 協定以本身的網路介面卡位址（Ethernet 位址），向網路上其他電腦（如名稱伺服器）詢問本身的網路位址（IP 位址） (D) 網路存取層（Network Access Layer） 網路存取層相當於 OSI 參考模式中的第一、二層，TCP/IP 網路並未對它提出特殊標準，因此未再細分層次。媒介存取層大多是沿用現有的網路介面存取方式，在區域網路方面以 IEEE 802 系列為主，如 Ethernet、Token-Ring、FDDI 等。廣域網路方面，早期有 PPP、SLIP 等通訊協定，目前為要求更高的傳輸速度，即有 ATM 網路中的 IP over ATM 或 ADSL、Cable Modem 等標準介面被製定出來。 13-2-2 協定資料單元包裝 TCP/IP協定堆疊的特性如同 OSI 參考模式一樣，各個層次之間也具有隔離性和獨立性。上下層之間的『協定資料單元』（Protocol Data Unit, PDU）經過『包裝』（Encapsulation）（傳送端）和『拆裝』（Decapsulation）（接收端），控制訊息（通訊協定）包裝在『協定標頭』（Protocol header）上。 如圖 13-2 中，傳送端（User_A）發送一個訊息經由應用層加入 AH 的協定前頭，再經過傳輸層加入 TH包裝成為 TL-PDU，再傳送給網際層。接收端依反方向拆裝，網際層接收到 IL-PDU 拆解出 IH 協定標頭，得到傳送端給予有關網際層的控制訊息，再將 TL-PDU 傳送給傳輸層，依此類推，各層次之間的通訊協定就如此構成。路由器（Router_X 和 Router_Y）只負責封包路徑之尋找及轉送，因此只提供到網際層（Internet Layer）的服務，對於 PDU 的拆裝和解裝也只有到網際層。
圖 13-2 TCP/IP 之協定資料單元的包裝 13-2-3 資料名稱及協定定址 在 OSI 參考模式之中各個層次的資料都稱為『協定資料單元』（Protocol Data Unit, PDU），如傳輸層（Transport Layer）的資料就稱為 TL-PDU。同樣的，TCP/IP 協定堆疊的每一層資料都有其固定的結構和名稱，理論上，每一層皆可忽略其他層次的資料結構。但實際上，由於考量了傳輸效率的因素，每一層的資料結構都被設計成相容於該層的上、下兩層的資料結構。在 TCP/IP 網路底下，我們為了能突顯出每一資料單元的特性，而各訂一個特殊的名稱，這樣在程式設計時，也比較能夠區分其屬性。各層次資料單元的名稱如圖 13-3 所示，其中應用層如使用 TCP 連接時，其資料單元稱之為『串流』（Stream）；而使用 UDP 連線則稱之為『訊息』（Message）。在傳輸層方面，TCP 的協定資料單元，稱之為『資料段』（Segment）；在 UDP 中則稱為『封包』（Packet）。網際層的資料單元統稱為『資料片』（Datagram）；網路存取層的資料單元稱為『訊框』（Frame）。但在網路上傳送的資料包裝，一般還是以『封包』（Packet）稱呼較多。 在通訊協定裡，每一層次皆有多工處理的功能，每一條虛擬鏈路在各層次之間都要有一個位址，這各位址就是在 OSI 參考模式中，各層次之間的『服務存取點』（Service Access Point）。TCP/IP 制定一個『協定定址方法』（Protocol Addressing）來表示一個通訊連線，在各層次之間的連結位址，如圖 13-3 與 13-4 所示。各層次間的連接位址有：網路實體位址（如Ethernet Address）、 IP 位址（IP address）、協定號碼（Protocol Number）與埠口號碼（Port Number）。其中協定號碼比較特殊，這是因為傳輸層或許多網際層協定（如TCP、UDP、ICMP）都是使用 IP 封包轉送，因此，必須有協定號碼來標示目前 IP 封包上，所承載的資料是屬於哪一個通訊軟體（如TCP 或 ICMP）。
圖 13-3 TCP/IP 協定堆疊各層的資料名稱及定址
圖 13-4 TCP/IP 各層次的定址名稱 |
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