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第 5 課

小比執背包Packet（封包）與 Network Layers（網絡分層）

一張相片是怎樣「坐」在網線上出門的？

帶路角色：小比閱讀時間約 10 分鐘

1. 漫畫開場

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漫畫文字版（畫面及對白）
格 畫面 對白
1 阿麥身旁有一張巨型相片，小比的背包只有相片一角那麼大。 字幕：「阿麥想把一張 3 MB 的相片寄到 example.com。」
阿麥：「小比，幫我寄這張相片！」
小比：「這……這張相片比我大幾千倍啊！」
2 相片被切成很多小塊，一排小比各背一塊，背包寫著編號。 字幕：「大資料會被切成一小份一小份，每一份就是一個 Packet（封包）。」
小比：「分開出發，到達後再砌回原樣！」
3 小比示範「一層包一層」：信 → 信封：Port（連接埠）443 → 背包：收件人 192.0.2.80 → 送貨袋：MAC Address（硬體位址）。 字幕：「每一層都在外面加上自己的標籤，這叫 Encapsulation（封裝）。」
小比：「背包執好，出發囉！」
4 路路為小比換上新的外層送貨袋；舊袋丟進回收箱，背包上的收件人不變。 字幕：「每過一站，最外層的送貨袋都會換新。」
路路：「送貨袋我幫你換，背包上的地址一個字也不改！」

2. 重點概念

在網絡上，資料不會一整塊送出，而是切成很多小份。每一小份叫 Packet（封包），好像一個個背著背包的小比。

背包叫 Header（標頭），寫著收件人、寄件人等資料；背包裡的信叫 Payload（資料內容），是真正要送的東西。

出發前，資料要經過幾層處理，每一層在外面加一張自己的標籤，好像一層包一層的禮物紙，這叫 Encapsulation（封裝）。

3. 看深一點

本課的範例位址 本課假設 example.com 的伺服器在 192.0.2.80。192.0.2.x 是專門留給教材使用的 Public IP（公共位址），不會指向任何真實的伺服器。留意：它以 192 開頭，但不是 Private IP（私人位址）；只有 192.168. 開頭的才是。

為什麼要切成小份？

第 2 課講過 Packet Switching（封包交換）：把資料切成小份，每份各自找路，線路由大家共用。好處有三個：

  • 公平：一個人傳大檔案，不會霸佔整條線，其他人的小封包可以插空隙通過。
  • 出錯只補一小份：某一份在路上遺失，只要重送那一份，不用由頭再來。
  • 可以走不同的路：某條路塞車，後面的封包可以改道。

一個封包可以有多大？最常見的 Ethernet（以太網）每次最多載 1,500 個 Byte（位元組），這個上限叫 MTU（最大傳輸單位）。扣除標頭之後，每個封包大約可以載 1,460 個 Byte 的資料。

所以，一張 3 MB（約 3,000,000 個 Byte）的相片，大約要切成 2,000 多個封包。

背包裡有什麼？Header（標頭）與 Payload（資料內容）

部分 比喻 內容
Header（標頭） 小比的背包 收件人、寄件人、編號、檢查碼等「送貨資料」
Payload（資料內容） 背包裡的信 真正要送的資料，例如相片的一小塊

Header 好像信封上的字：郵差只看信封，不用拆開信。網絡設備也一樣，大多只看 Header 就決定怎樣送。

一層包一層：TCP/IP Model（TCP/IP 模型）

寄一個封包，要同時解決很多問題：資料是什麼格式？送給對方哪一個程式？對方在哪個網絡？下一站是誰？

工程師把這些工作分成幾層，每層只負責一件事，這就是 Network Layers（網絡分層）。本網站主要用 TCP/IP Model（TCP/IP 模型），它有四層：

層 名稱 負責什麼 加上的標籤寫著 例子
4 Application Layer（應用層） 準備要送的內容 網頁、相片、訊息本身 HTTPS（加密網頁傳輸協定）、DNS（網域名稱系統）
3 Transport Layer（傳輸層） 送給對方電腦上的哪個程式；要不要確保送達 Port（連接埠）號碼、編號 TCP（傳輸控制協定）、UDP（用戶資料包協定）
2 Internet Layer（互聯網層） 送到哪個網絡、哪部裝置 寄件人和收件人的 IP Address（網絡位址） IPv4、IPv6
1 Link Layer（鏈路層） 在這一段 LAN（區域網絡）內送到下一站 寄件人和收件人的 MAC Address Ethernet、Wi-Fi（無線網絡）

寄出時，資料由第 4 層往下走，每層在外面加上自己的 Header，這就是 Encapsulation（封裝）。收到時，由第 1 層往上走，每層拆走自己那張標籤，這叫 Decapsulation（解封裝）。

圖解：一張相片由應用層往下，經過傳輸層、互聯網層、鏈路層，每層加上一個標頭；右邊對照 OSI 模型七層

圖解：左邊是 Encapsulation 的過程，每往下一層，外面就多一個 Header；右邊是 TCP/IP Model 四層和 OSI Model（OSI 模型）七層的對照。

每一層的包裝，各有名字

同一份資料，在不同層有不同叫法。日後看英文課本時會常常見到：

層 這一層的包裝叫
Application Layer（應用層） Data（資料）
Transport Layer（傳輸層） Segment（區段）；用 UDP 時叫 Datagram（資料包）
Internet Layer（互聯網層） Packet（封包）
Link Layer（鏈路層） Frame（訊框）

第 3 課的 Frame（訊框），就是最外層的送貨袋：它的 Header 寫著 MAC Address，尾部還有一段檢查碼，用來發現傳送途中有沒有出錯。在網線或無線電波上，Frame 最後會變成一連串 0 和 1 的訊號。

日常說話中，大家常常把每一層的包裝都叫「封包」。本網站也會這樣說，但你要知道嚴格的叫法。

每過一站，換一次送貨袋

資料由阿麥的電腦（192.168.1.10）送去 example.com 的伺服器（192.0.2.80）時，中途要經過很多部 Router（路由器）。每到一部 Router：

  1. Router 拆開最外層的 Frame，看裡面的 IP 收件人。
  2. 查一查下一站往哪裡。
  3. 套上一個新的 Frame，寫上下一站的 MAC Address，再送出去。

所以：

標籤 一路上會不會改變？
Frame 上的 MAC Address 每一站都換，只負責「這一段」
IP 收件人（192.0.2.80） 一路不變，負責「整段旅程」

這就是第 3 課和第 4 課的分工：MAC Address 管一段，IP Address 管全程。

圖解：封包由阿麥的電腦經過兩部 Router 去到伺服器，每一段的 MAC Address 都不同，IP 收件人一直是 192.0.2.80

圖解：三段旅程中，Frame 上的 MAC Address 每段都不同；背包裡的 IP 收件人 192.0.2.80 由頭到尾不變。

兩個細節：Router 每轉送一次，會把 IP Header 裡的 TTL（存活時間）減 1，避免封包永遠兜圈；家用 Router 還會改寫寄件人位址，這叫 NAT（網絡位址轉換），第 8 課再講。

OSI Model（OSI 模型）：另一套分層方法

你日後在課本或考試中，會見到另一套七層的 OSI Model（OSI 模型）。它是 1980 年代訂立的參考模型，分得更細；真正在互聯網上運行的，則是 TCP/IP。

TCP/IP Model（四層） OSI Model（七層）
Application Layer 7 Application、6 Presentation、5 Session
Transport Layer 4 Transport
Internet Layer 3 Network
Link Layer 2 Data Link、1 Physical

業界常說的「Layer 2（第二層）設備」和「Layer 3（第三層）設備」，例如 Switch（交換器）和 Router，就是用 OSI Model 的編號。下一課會再見到它們。

4. 動手試試

小互動

幫小比執背包

把以下四層包裝，由最裡面排到最外面。

  1. 寫著收件人 192.0.2.80 的 IP Header
  2. 相片的一小塊（Payload）
  3. 寫著 MAC Address 的 Frame Header
  4. 寫著 Port 443 的 TCP Header

小互動

這張標籤屬於哪一層？

把以下六張卡分到正確的一層：

  1. 1192.0.2.80

  2. 200:00:5E:00:53:01

  3. 3Port 443

  4. 4網頁的文字和圖片

  5. 5192.168.1.10

  6. 6Port 53

任務：算一算要幾多個小比

  1. 在手機相簿揀一張相片，看看它的檔案大小（iPhone：向上掃看資料；Android：詳細資料）。
  2. 用這條算式估計：檔案大小（Byte）÷ 1,460 ≈ 封包數目。1 MB 約等於 1,000,000 Byte。
  3. 例如 3 MB 的相片：3,000,000 ÷ 1,460 ≈ 2,055 個封包。

想一想：一條一分鐘的高清影片，可能有幾十 MB，那要多少個小比出發？

5. 比喻的極限

  • 封包不是一個「人」走完全程。 小比好像由頭走到尾；其實每一站都在複製訊號、重新發送，走在網線上的只是電子訊號或光。
  • 禮物紙不是完全一層包一層。 比喻中每層都完整包住裡面；但 Frame 除了前面的 Header，尾部還有一段檢查碼，而有些 Header 欄位會在途中改變（例如 TTL）。
  • 分層不是鐵律。 真實世界裡有些設備會「跨層」工作，例如家用 Router 做 NAT 時會改寫 Port 號碼，而 Port 屬於 Transport Layer。
  • 封包不一定按次序到達。 小比們可能走不同的路，後出發的可能先到。把它們砌回正確次序，是第 9 課 TCP（傳輸控制協定）的工作。
  • 大小不是固定的。 1,500 Byte 是 Ethernet 最常見的上限，其他網絡可以不同，封包也可以比上限小得多。

6. 小測驗

第 1 題，共 3 題一個 Packet（封包）中，負責寫上收件人和寄件人等資料的部分叫什麼？
第 2 題，共 3 題在 TCP/IP Model（TCP/IP 模型）中，寫著 IP Address 的標籤由哪一層加上？
第 3 題，共 3 題封包由阿麥的電腦經過兩部 Router 去到 example.com 的伺服器。一路上，哪一項會在每一站改變？

7. 重點筆記

  • 資料會被切成很多小份的 Packet（封包）；Ethernet 常見的上限（MTU）是 1,500 Byte。
  • 封包由 Header（標頭）和 Payload（資料內容）組成：Header 寫送貨資料，Payload 是真正的內容。
  • TCP/IP Model 有四層：Application、Transport、Internet、Link；OSI Model 有七層，作參考用。
  • 寄出時一層包一層，叫 Encapsulation（封裝）；收到時一層拆一層，叫 Decapsulation（解封裝）。
  • MAC Address 每一站都換；IP 收件人全程不變。

下一站

小比已經執好背包。沿途為他換送貨袋、指路的，究竟是哪些設備？家裡那個閃燈的盒子，又在做什麼？