TCP/IP 協定族基礎架構與 IP 協定核心機制完整指南

TCP/IP 四層架構模型

核心原則：IP 提供「盡力而為」的無連線傳輸，可靠性由上層 (TCP) 保證。ICMP 為 IP 附屬協定處理錯誤/控制訊息，IGMP 管理多播群組。

IP 位址與子網遮罩

位址分類 (Classful Addressing)

特殊位址

• 網路位址：主機位全 0 (如 192.168.1.0) — 不可指派給主機
• 廣播位址：主機位全 1 (如 192.168.1.255) — 單播送達該網段所有主機
• 環回位址：127.0.0.1 (整個 127.0.0.0/8) — 本機測試、內部通訊
• 私有位址：10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16 (RFC 1918)

子網遮罩與 CIDR

• 將主機位劃分為 子網位 + 主機位
• 遮罩 1 = 網路/子網位，0 = 主機位
• 例：B 類 172.16.0.0/16 → /24 遮罩 (255.255.255.0) = 254 子網 × 254 主機
• CIDR 表示法：192.168.1.0/24 (斜線標記網路前綴長度)
• 取代傳統分類，支援 VLSM (變長子網遮罩) 與路由匯總

封裝與分用流程

發送端封裝 (自上而下)

應用資料
  ↓ TCP/UDP 標頭 (來源/目的埠、序號、檢驗和...)
  ↓ IP 標頭 (來源/目的 IP、TTL、協定、檢驗和...)
  ↓ 連結層幀標頭/尾 (MAC、類型、FCS)
  ↓ 實體傳輸

接收端分用 (自下而上)

實體接收
  ↑ 連結層：檢查 FCS、MAC 匹配 → 剝離幀標頭/尾
  ↑ IP 層：檢查檢驗和、TTL、目的 IP → 剝離 IP 標頭
    ├─ 協定=1 (ICMP) → ICMP 模組
    ├─ 協定=2 (IGMP) → IGMP 模組
    ├─ 協定=6 (TCP)  → TCP 模組 (依埠號分用至連線)
    └─ 協定=17 (UDP) → UDP 模組 (依埠號分用至佇列)
  ↑ 傳輸層：檢查檢驗和、序號/埠號 → 剝離標頭
  ↑ 應用層：交付應用程式

IP 標頭深度解析 (RFC 791)

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       Source Address                          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Destination Address                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options (variable)           |   Padding   |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

關鍵欄位詳細說明

IP 檢驗和計算演算法 (C 實作)

USHORT checksum(IP_HDR *ip, int len) {
    unsigned long sum = 0;
    while (len > 1) {
        sum += *((USHORT*)ip)++;
        len -= sizeof(USHORT);
    }
    if (len) sum += *(UCHAR*)ip;
    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xFFFF);
    sum += (sum >> 16);
    return (USHORT)(~sum);
}

ICMP、IGMP、TCP、UDP 採用相同演算法 (含偽標頭)。

埠號機制

• 16 bits，範圍 0-65535
• 知名埠 (0-1023)：IANA 分配，如 HTTP(80), HTTPS(443), DNS(53), SSH(22)
• 登記埠 (1024-49151)：應用程式向 IANA 登記
• 動態/私用埠 (49152-65535)：客戶端暫時性使用 (Ephemeral Ports)

連結層：以太網封裝 (RFC 894)

 目的 MAC(6) | 來源 MAC(6) | 類型/長度(2) | 資料(46-1500) | FCS(4)
類型值：0x0800=IPv4, 0x0806=ARP, 0x86DD=IPv6
最小資料 46 bytes → ARP/RAPR 28 bytes 需填充 18 bytes
MTU = 1500 bytes (不含 18 bytes 幀標頭/尾)

環回介面機制

• 位址：127.0.0.1 (通常命名 localhost)
• 送往環回的封包：不出現在任何實體網路上
• 三大特性：
  1. 送往環回 = IP 輸入 (內部回環)
  2. 廣播/多播封包：複製一份送環回，一份送實體網卡
  3. 送往本機 IP 位址：直接送環回介面

MTU 與路徑 MTU

• MTU (Maximum Transmission Unit)：連結層最大資料單元 (以太網 1500)
• IP 資料報 > MTU → IP 層分片
• 路徑 MTU (PMTU)：端到端路徑上 最小 MTU
• PMTU 發現：設 DF bit，收到 ICMP "Packet Too Big" 調整發送大小

IP 路由選擇核心邏輯

路由表結構 (Windows route print 範例)

Network Destination    Netmask          Gateway       Interface  Metric
0.0.0.0                0.0.0.0          192.1.8.26    192.1.8.84 1      ← Default
127.0.0.0              255.0.0.0        127.0.0.1     127.0.0.1  1
192.1.8.0              255.255.255.0    192.1.8.84    192.1.8.84 1      ← Direct
192.1.8.84             255.255.255.255  127.0.0.1     127.0.0.1  1      ← Host
192.1.8.255            255.255.255.255  192.1.8.84    192.1.8.84 1      ← Broadcast
224.0.0.0              240.0.0.0        192.1.8.84    192.1.8.84 1      ← Multicast
255.255.255.255        255.255.255.255  192.1.8.84    192.1.8.84 1      ← Limited Bcast

路由查找演算法 (最長前綴匹配)

1. 對每個路由表項：目的 IP & 遮罩 == 目的地 & 遮罩
2. 所有匹配項中選擇 遮罩最長 (最具體) 者
3. 相同遮罩多條 → 依 Metric (度量) 選擇最小者
4. 若無匹配且有預設路由 → 使用預設路由
5. 仍無路由 → 本機產生送 ICMP Host/Net Unreachable；轉發封包送 ICMP Host Unreachable 給來源

直接 vs 間接遞送

• 直接：目的在同一連結 (遮罩匹配本機介面網路) → ARP 解析 MAC 直接送達
• 間接：送往閘道 (路由器) → 遞歸查找下一跳