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13-6 TCP 與 UDP 協定
13-6-1 TCP 封包格式 『傳輸控制協定』（Transmission Control Protocol, TCP）和 IP 兩者似乎是連結在一起的同一名稱（TCP/IP），兩者的功能確實是相輔相成。IP 的功能是無論兩部工作站距離多遠，都能透過 IP 技術連結在一起。TCP 提供網路的服務接點讓應用程式使用，也就是說，提供端點對端點（host-to-host）的連線。主機電腦上可能有多個應用程式需要透過網路服務，TCP 就提供多點服務的連線（虛擬鏈路的多工功能）讓各種應用程式可同時連結到網路上。TCP 和 IP 的關係宛如電話系統中的電話號碼和分機號碼。當我們撥接電話時，將依照電話號碼的位址在廣泛的電話大海之中找到對方，並和其連接完成（IP 功能，各地區的交換機就如網路閘門）。這並不能表示我們已連絡上受話的對方，但最起碼我們也連線到對方的電話機上（IP 已連結到主機上）。欲找到受話的人也許可用人工呼叫，或是再撥分機號碼（TCP 的埠口號碼），就像是在主機號碼上再加入分機號碼來表示通訊的個人（TCP 的點對點連線）。而人與人之間的對話就像網路上應用程式之間的通訊。（傳輸層技術請參考本書第五章） TCP 和 IP 另一個相輔相成的功能是由 IP 提供非連接的不可靠傳輸，至於有關可靠傳輸的處理程序就必須仰賴 TCP 來完成。換言之，IP 傳送當中，也許會發生封包損壞、封包遺失、封包重複或次序錯亂等現象，這些情況都必須由 TCP 來負責檢測出，並要求對方重送、重整封包順序等工作。因此，TCP 必須提供連接導向的連線，才能使整個網路通訊達到可靠性的傳輸。本節將依此介紹 TCP 之特性，首先介紹 TCP 的封包格式，如圖 13-24 所示，各欄位功能如下： (1) 來源埠口（Source Port）：來源之 TCP 埠口。 (2) 目的地埠口（Destination Port）：目的地之 TCP 埠口。 (3) 順序編號（Sequence Number）：該封包的順序編號。（滑動視窗法中的 N(S)） (4) 確認號碼（Acknowledge Number）：回應傳送封包的確認號碼，也是期望傳送端下次發送封包的序號，其表示該確認號碼以前的封包都以正常接收。（滑動視窗法中的 N(R)） (5) 資料偏移量（Data Offset）：因為 TCP 的 Option 欄位長度並非固定，Data Offset 用來表示傳輸資料（Data）是在整個封包之區段起始位址。 (6) 位元碼（Code bits）：（6 位元）（URG, ACK, PSH, TST, SYN, FIN）此欄位作控制訊息傳遞之用。而且目前有關 TCP/IP 網路上的特殊處理工作（如防火牆等等）都是利用這些控制碼來運作。其中：
(7) 視窗（Window）：此欄位是用來控制封包流量，告訴對方目前本身還有多少緩衝器（Receive Buffer）可以接收封包（滑動視窗法之特性）。如果 Window = 0 表示緩衝器已滿暫停傳送資料。Window 大小的單位是位元組（Byte）。 (8) 檢查集（Checksum）：對整個封包（資料和表頭）作檢查集檢查的檢查碼。 (9) 緊急指標（Urgent Point）：如 URG = 1 時，其代表緊急資料是在資料區的什麼位址。 (10) 任選欄（Option）：目前此欄位只應用於表示接收端能夠接收最大資料區段的大小。如果不使用此欄位，則可以使用任意的資料區段大小。 (11) 填補欄位（Padding）：將 Option 欄位補足 32 位元的整數倍。
圖 13-24 TCP 封包格式 13-6-2 TCP 埠口 『TCP 埠口』（TCP Port） 是 TCP 連線中虛擬鏈路的邏輯編號，讓應用層的應用軟體可透過埠口位置銜接上網路。TCP 埠口是利用 16 位元表示，理論上可以提供 65536（= 216）個連接埠。TCP 埠口和 IP 之連線是多工處理的關係（如圖 13-25 所示），至於虛擬鏈路之間如何選擇處理次序，可依照作業系統的程序排程（Scheduling）管理，例如，分時系統（Time sharing system）以時間分割或循環點名法（Round-robin）來輪流處理，或即時系統（Real-time system）以優先權較高的連線優先處理。對於每一個連接埠口都給予唯一的編號（如 2020），如圖 13-25 裡程式A 連接之位址為 163.15.2.1:2020，表示在 IP 位址為 163.15.2.1（宛如電話號碼） 的主機之第 2020 連接埠（宛如分機號碼）。程式1 的連結位址為 163.15.4.5:8080，程式設計者或網路使用者只要記住這個位址，就可以連絡到程式1，而不必知道（也很難知道）連線之間所經過何種網路，或它在全世界的哪一個角落。
圖 13-25 TCP 與 IP 之連線關係 TCP port 的編號範圍為0 ~ 65535（216），我們採用兩種配置方式：『固定配置埠』（Static Allocated Port）和『動態配置埠』（Dynamically Allocated Port）。將 0 ~ 1023 之位置配置給固定的應用程式（或常用伺服器）使用，使一般用戶連接時不必特別去記憶連接埠的位置，稱之為固定配置埠。例如，當使用者連接到某一主機（163.15.2.1）上的 Web Server（80），只要連接上 http://163.15.2.1，便自動連結到 Web Server，而不用輸入 http://163.15.2.1:80。我們節錄一些較常用的著名埠（Well-known）位置如表 13-3。動態配置埠是當應用程式需要連線時，才由系統動態地配置出，其埠號碼範圍為 1024 ~ 65535，但某些位置如被特別指定連線使用（如 8080），就不可以再重複配置。 表 13-3 著名服務的埠號碼（節錄）
13-6-3 TCP 連線管理 TCP 是連接導向的傳輸方式，對於連線管理來說，顯得特別重要。TCP 採用『三向握手式連絡法』（Three-way handshake）來實現連線處理方式，其中會用到封包內二個序號：Sequence Number（seq）及 Acknowledge Number（ack），以及 Code 欄位中四個旗標：ACK、SYN、FIN 和 RST。以下分別介紹各種連線情況的處理方式：（基本原理請參考第五章） 建立連線 圖 13-26 為三向握手式連絡法的連線建立圖，所謂三向握手式是表示有三個訊號來建立連線：(1) SYN（A→B）表示A 向 B 要求連線；(2) SYN&ACK（B→A）為 B 回應給 A，表示同意或不同意連線要求；(3) ACK（A→B）表示 A 確認收到 B 的回應。另外， seq 表示要求連線的封包號碼；ack = seq +1 表示確認 seq 封包，並要求傳遞下一個封包序號（滑動視窗法確認方式）。
圖 13-26 TCP 建立連線運作程序 (A) 資料傳送 TCP 連線中的資料流量控制也是採用滑動視窗法（Sliding Window）（請參閱 3-4-2 節說明），錯誤偵測技巧是採用檢查集（Checksum）的方法（請參閱 3-5-2 節說明）。Sequence Number（seq） 表示該封包的順序號碼（滑動視窗法中的 N(S)）、Acknowledge Number（ack）為期望對方發送的封包順序號碼（N(R)），也確認該序號以前的封包都已正常接收。 傳送開始的 Sequence Number 是由亂數（Random Number）產生。圖 13-27 為 User_A 傳送資料給 User_B 的資料流動控制程序。其中 data_length 表示每次封包內所傳送的資料位元組數量。我們要特別強調封包序號的計算是以資料位元組（byte）為單位，而不是以傳送次數為單位。因此，回應確認序號是 ack = seq + data_length。
圖 13-27 TCP 資料傳送運作方式 (B) 連線終止 TCP 連線使用連接導向與雙向傳輸模式，遇到要處理連線終止的問題就會變得比較麻煩。可能出現一端已經傳輸完畢，而另一端卻還要傳送資料的問題，因此雙方必須協議好才可以終止連線。圖 13-28 為連線終止的運作程序，首先 User_A 傳送完資料並告訴 User_B 工作已完成，且準備終止連線（FIN = 1）。User_B 必須詢問上層通訊軟體是否還要繼續通訊，如上層回應同意終止連線，User_B 再告訴 User_A 確實可以終止連線。為了防止封包遺失或溢時傳送，雙方請求或回應封包都以封包序號（N(S) 及 N(R)）作為確認基準。
圖 13-28 TCP 終止連線運作程序
13-6-4 UDP 協定 TCP/IP 網路除了提供可靠性服務的 TCP 連接外，也提供非連接方式傳輸，稱之為『使用者電報傳輸協定』（User Datagram Protocol, UDP）。UDP 傳輸協定比 TCP簡單，沒有連線要求、連線終止、以及流量控制的管理程序。它的優點是傳輸速率較快，主要應用於較少量與即時性傳輸，但對資料正確性的要求較不高（如語音或視訊）。而其缺點則是無法提供正確性較高的資料傳輸。採用 UDP 傳輸可能會有資料重覆、資料未依序到達、資料遺失等等問題，必須由使用者自行解決。倘若上層應用軟體可自行驗證資料正確性的情況下，可考慮使用 UDP（如 RIP、DNS 之應用）傳輸。UDP 之封包格式如圖 13-29 所示，各欄位功能也如同 TCP 格式，不另再贅言。
圖 13-29 UDP 之封包格式 |
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