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網絡小故事 15 · 進階

小比平安到達了嗎？TCP 的 Sequence Number（序號）與 ACK（確認）

一張相片被切成很多個封包，少了一個怎麼辦？

主角：小比、阿麥閱讀時間約 10 分鐘

TCPSequence NumberACKRetransmission

建議先讀：第 9 課

1. 故事

按「下一步」一步一步看。每一步都有一位角色出場，解釋自己正在做什麼。

序幕：溫習一下

第 1 步／共 13 步

先握手

用 TCP（傳輸控制協定）傳資料之前，雙方先做 Three-way Handshake（三次握手）：SYN「你好？」、SYN-ACK「你好！」、ACK「開始吧！」

動畫文字版（全部步驟）
  1. 序幕：溫習一下
  2. 先握手　小比：用 TCP（傳輸控制協定）傳資料之前，雙方先做 Three-way Handshake（三次握手）：SYN「你好？」、SYN-ACK「你好！」、ACK「開始吧！」
    • 握手時，雙方也交換了各自的起始序號
    • 詳細內容：第 9 課
  3. IP 只會盡力送　阿麥：我要下載一張相片。可是互聯網上的 Router（路由器）只會「盡力而為」：太忙時可能丟掉封包，也不保證次序。相片少了一塊就會變成爛圖，怎麼辦？
    • IP：負責找路，不保證送到、不保證次序
    • TCP：在兩端補上「一定送到、按次序」
  4. 第一幕：每份都有編號
  5. 切開、編號　小比：伺服器把 6,000 Byte 的相片切成 6 份，每份 1,000 Byte。每份背包上都寫著 Sequence Number（序號）：它由第幾個 Byte 開始。
    • 第 1 份：Seq 1（第 1 至 1,000 Byte）
    • 第 2 份：Seq 1001
    • 第 3 份：Seq 2001
    • 第 4 份：Seq 3001
    • 第 5、6 份：Seq 4001、5001
    • 真實的起始序號是隨機的，這裡用「相對序號」，由 1 開始
  6. 送出第 1 份　小比：我背著 Seq 1 出發，平安到達阿麥那裡！
  7. ACK：下一個想要的號碼　阿麥：我收到 1 至 1,000 Byte，於是回覆 ACK 1001。意思是：「1001 之前的全部收到，下一份請由 1001 開始。」
    • ACK（確認）＝ 下一個想要的 Byte 號碼
    • 它是累積的：ACK 1001 代表 1001 之前全部收到
  8. 一次送出幾份　小比：每份都等 ACK 太慢了！伺服器可以一次送出好幾份，才一起等 ACK。Seq 1001 至 5001 一齊出發！
    • 可以同時「在路上」而未確認的資料量，叫 Window（窗口）
  9. 第二幕：有一個小比走失了
  10. Seq 2001 不見了！　小比：糟糕！互聯網上一部 Router 太忙，把背著 Seq 2001 的小比丟掉了。其他小比則平安到達。
  11. 阿麥一直催：ACK 2001　阿麥：我收到 1001，回覆 ACK 2001。接著收到 3001、4001、5001，但 2001 還未到！我先把它們放在一旁，每收到一份，都再次回覆 ACK 2001：「我還在等 2001！」
    • 第一個 ACK 2001：收到 1001 後的正常回覆
    • 之後三個：收到 3001、4001、5001 時的 Duplicate ACK（重複確認）
  12. 重送走失的一份　小比：伺服器連續收到 3 個重複的 ACK 2001，就知道 2001 走失了，立即重送一次，這叫 Retransmission（重傳）。如果連 ACK 都收不到，伺服器也會等計時器到期再重送。
    • 收到 3 個重複 ACK 就立即重送：Fast Retransmit（快速重傳）
    • 計時器到期才重送：逾時重傳
  13. 全部收齊：ACK 6001　阿麥：2001 補回來了！加上一直放在一旁的幾份，6,000 Byte 全部收齊。我一次回覆 ACK 6001，再按序號把六份排好，相片完整無缺！
  14. 第三幕：控制速度與道別
  15. 別送得太快　阿麥：我每個 ACK 都會附上「我還有多少空位」，叫 Window。空位不夠，伺服器就要慢下來，這是 Flow Control（流量控制）。伺服器發現有小比走失，也會當網絡塞車而減速，這是 Congestion Control（擁塞控制）。
  16. 說再見：FIN　小比：傳送完畢，雙方各自送出 FIN「再見！」，並由對方用 ACK 確認。這次 TCP 對話正式結束。
  17. 總結：平安到達　小比：序號標明每份的位置，ACK 告訴寄件人收到哪裡；走失了就重送，次序亂了就重新排好。有了 TCP，網頁、電郵和檔案都可以完整無缺地送到！
    • Sequence Number：這份由第幾個 Byte 開始
    • ACK：下一個想要的號碼（累積確認）
    • 走失 → 重複 ACK 或逾時 → Retransmission

2. 問題在哪裡

互聯網上的 Router（路由器）只負責找路。它們遵守的是 IP（互聯網協定），即按 IP Address（網絡位址）把 Packet（封包）一站一站送出去的規則。IP 標頭還有 TTL（存活時間），每經過一部 Router 減 1，防止封包永遠兜圈。IP 的承諾只是「盡力而為」：

  • 可能遺失：Router 太忙、隊伍太長時，會直接丟掉封包，不會通知任何人。
  • 可能亂序：不同封包可能走不同的路，後出發的反而先到。
  • 可能重複：同一份資料有時會送到兩次。

一張 6,000 Byte（位元組）的相片，被切成 6 個小比上路。只要少了一份，或者次序排錯，阿麥看到的就是一張爛圖。

3. 網絡怎樣解決

想像你寄一套六冊的漫畫給朋友，每個包裹都寫上「第幾頁開始」。朋友收到後，就回條說「下一本請由第幾頁開始」。哪一本沒回條，你就再寄一次。

TCP（傳輸控制協定）就是這樣做：在兩端的電腦為資料編上 Sequence Number（序號），收件人用 ACK（確認）回覆「下一個想要的號碼」。走失了就重送，次序亂了就重新排好。

沿途的 Router 完全不用理會這些，一切由兩端負責。

4. 看深一點

Sequence Number 數的是 Byte，不是份數

Sequence Number 表示「這份資料的第一個 Byte，是整段資料的第幾個 Byte」。故事中伺服器 example.com（192.0.2.80:443）把相片切成每份 1,000 Byte。（留意：192 開頭不一定是 Private，只有 192.168 開頭才是。）

份數 Sequence Number 包含的 Byte
第 1 份 1 1 – 1,000
第 2 份 1001 1,001 – 2,000
第 3 份 2001 2,001 – 3,000
第 4 份 3001 3,001 – 4,000
第 5 份 4001 4,001 – 5,000
第 6 份 5001 5,001 – 6,000

真實的起始序號在 Three-way Handshake（三次握手）時隨機選出，例如 2837461005。Wireshark 等工具會換算成由 1 開始的「相對序號」，方便閱讀，故事也用這個方法。

ACK ＝ 下一個想要的 Byte 號碼

阿麥收到第 1 至 1,000 Byte，就回覆 ACK 1001，意思是「1001 之前全部收到，請由 1001 繼續」。

ACK 是累積的：ACK 6001 代表第 1 至 6,000 Byte 全部收齊，不用逐份回覆。

Window（窗口）：一次送出幾份

如果每送一份都要停下來等 ACK，一來一回的時間就全浪費了。所以伺服器可以一次送出好幾份，才一起等 ACK。

可以同時「在路上」而未確認的資料量，叫 Window。

走失了怎樣發現？

故事中 Seq 2001 在互聯網上被丟掉了，阿麥收到的是這樣：

收到          阿麥回覆
Seq 1001  →  ACK 2001
（2001 走失）
Seq 3001  →  ACK 2001（重複）
Seq 4001  →  ACK 2001（重複）
Seq 5001  →  ACK 2001（重複）
重送 2001 →  ACK 6001

阿麥把 3001、4001、5001 暫時放在 Buffer（緩衝區），不會丟掉。伺服器發現有兩種方法：

  1. Fast Retransmit（快速重傳）：連續收到 3 個 Duplicate ACK（重複確認），立即重送 2001，不用等。
  2. 逾時重傳：送出資料後會開一個計時器，到期仍收不到 ACK，就重送。如果連 ACK 都在路上走失，就靠這個方法。

兩者都屬於 Retransmission（重傳）。補回 2001 後，阿麥一次回覆 ACK 6001，再按序號把六份排好。

Flow Control（流量控制）與 Congestion Control（擁塞控制）

  • Flow Control：阿麥每個 ACK 都附上「我還有多少空位」，例如 ACK 6001｜Window 8000。空位不夠，伺服器就要慢下來，免得塞爆阿麥。
  • Congestion Control：伺服器發現資料走失，會估計是網絡塞車，於是自動減少一次送出的份量，之後再慢慢加快。

所以，一次可以送多少，由兩者之中較小的一個決定。

說再見：FIN

傳送完畢，雙方各自送出 FIN「再見！」，對方用 ACK 確認。因為兩個方向要各自關閉，所以通常一共有四個訊息：FIN、ACK、FIN、ACK。

5. 動手試試

任務：看看重傳有多常見

  1. 在電腦打開「命令提示字元」（Windows）或「終端機」（macOS／Linux）。
  2. Windows 輸入 netstat -s；macOS 輸入 netstat -s -p tcp。
  3. 在一大堆統計數字中，找找有 retransmit 或「重新傳送」字眼的一行。
  4. 和已送出的數目比一比，你會發現重傳雖然不多，但一直都在發生。TCP 每天都在默默替你補回走失的小比！

小互動

誰負責？

以下六項工作，由 TCP（兩端的電腦）還是 IP（沿途的 Router）負責？

  1. 1把資料切成多份並編上序號

  2. 2按 IP Address 把 Packet 一站一站送到目的地

  3. 3發現資料走失並重送

  4. 4用 TTL 防止 Packet 永遠兜圈

  5. 5在收件人那邊按次序排好資料

  6. 6用 Window 控制寄件速度

6. 比喻的極限

  • 每份不一定是 1,000 Byte。 真實的大小受 MTU（最大傳輸單位）影響，Ethernet（以太網）上每份最多約 1,460 Byte 資料；故事用 1,000 只是為了容易計算。
  • ACK 不一定每份回一次。 很多電腦會等收到兩份才回一個 ACK，或者把 ACK 夾在自己要送的資料裡一起送出，這樣更省。
  • 序號不是由 1 開始。 真實的起始序號是隨機的大數字，一來防止舊連線的資料混進來，二來令別人較難偽造封包。
  • TCP 保證的是「送到」，不是「保密」。 TCP 不會加密內容；要防止別人偷看，需要 TLS（傳輸層安全），下兩個故事會講。
  • 重送不是無限次。 重送多次仍然失敗，TCP 就會放棄並中斷連線，這時你會看到「連線逾時」之類的錯誤。

7. 小測驗

第 1 題，共 3 題阿麥收到 Seq 1、長度 1,000 Byte 的資料，他會回覆什麼？
第 2 題，共 3 題Seq 2001 走失了，阿麥之後收到 Seq 3001，他會怎樣做？
第 3 題，共 3 題為什麼 TCP 可以一次送出好幾份資料，才等 ACK？

8. 重點筆記

  • IP 只會盡力送，封包可能遺失、亂序或重複；TCP（傳輸控制協定）在兩端補上「一定送到、按次序」。
  • Sequence Number（序號）數的是 Byte：表示這份資料由第幾個 Byte 開始。
  • ACK（確認）＝ 下一個想要的 Byte 號碼，而且是累積的。
  • 走失的資料靠 Retransmission（重傳）補回：收到 3 個 Duplicate ACK 就快速重傳，或等計時器到期再重傳。
  • Window 讓伺服器一次送出幾份；Flow Control 保護收件人，Congestion Control 保護網絡。

延伸閱讀

有了序號和 ACK，小比就算走失也會被補回來，相片完整無缺。可是，萬一不是走失，而是整條路都不通呢？下一個故事，路路會變身網絡醫生，用 Ping 和 Traceroute 找出問題出在哪一站。