分类： WINDOWS
2010-04-17 22:44:42
TCP/IP 是網際網路的關鍵核心，也是業界的標準，因此 Windows 作業系統也實作了這項協定組。由於「網路化」已經是電腦裝置（甚至電子產品）的重要能力，而 TCP/IP 又是如此受到業界的廣泛應用，所以系統管理者都非常需要紮實的 TCP/IP 基礎，以面對網路環境的設定或調校。本文將先簡述協定對網路通訊的必要性，也將扼要說明 TCP/IP 的發展簡史。然後將討論現今最廣為採用的分層式網路架構，並且對照 Windows 及這些分層式網路架構的實作方式。最後則將列出各個 Windows 版本所支援的 TCP/IP 重要功能。
我們通常會以「協定組」（protocol suite）稱呼 TCP/IP，這是因為 TCP/IP 實際上是由許多不同的協定所組成，更重要的是因為 TCP/IP 的架構採用了分層式的設計方式，因此可以在每一層安排不同的協定。這種設計方式讓 TCP/IP 更彈性、靈活。
TCP/IP 雖然是由一組協定所組成，但是這組協定的名稱（也就是 TCP/IP），是取自這組協定裡重要的兩層協定：TCP（Transmission Control Protocol）和 IP（Internet Protocol），因此可以想見這兩層協定的重要性。甚至，在許多網際網路的官方文件，會以 Internet Protocol Suite 來稱呼這一整組驅動網際網路的協定，更可以想見 Internet Protocol 的地位。
協定（protocol）是一組決定事物該如何運行或完成的規則，而我們日常生活其實充滿了各種協定。例如要到銀行辦理交易的 顧客，必須按照規則排隊等候；此外，我們也有語言的協定，也就是文法。同樣的，電腦和網路也需要協定才能共同運作，而且不同性質的需求，需要不同類型的協 定。
為了達到通訊的目的，資料通訊的協定必須具備四個重要的特性。首先，協定必須指明資料的格式，其次是通訊裝置必須能理解所使用 的協定格式，再者協定應該要能根據通訊雙方的能力來決定通訊的速度（不然有一方會來不及處理所傳輸的資料，不過這可以利用緩衝區來舒緩傳輸負載），最後是 通訊協定應該能夠決定雙方可以開始通訊的時機。
協定對網路通訊是無比重要，任何網路通訊的學習或實際工作時，絕大部分的心力都放在協定；而且在瞭解協定、熟悉協定的特性之 後，許多網路設定就會變得理所當然。
報章媒體或普羅大眾開口閉口必稱現在是「網際網路時代」，而實際上，當初設計 TCP/IP 的目的，就是希望能連接各種既有的異質實體網路，而建構出「互相連接的網路」（interconnected network），也就是「互連網」（internetwork 或簡稱 internet）。互連網發展至今，也就成為無遠弗屆的「網際網路」（Internet）。
若提及 TCP/IP 的發展，就不能不提到文特‧瑟夫這個名字，因為他正是 TCP/IP 的設計者之一。本名 Vinton Gray Cerf 的瑟夫是 TCP/IP 的共同設計者，因此也有人直接尊稱他為網際網路之父（"founding father" of the Internet）。
大家都知道目前的網際網路，是源自於美國國防部先進研究計畫署（United States Department of Defense Advanced Research Projects Agency）從 1960 年代開始出資贊助的專案計畫，也就是 ARPANET（Advanced Research Projects Agency net）。1970 年的九月二日，ARPANET 的第一個節點安裝在加州大學洛杉磯分校（UCLA）的實驗室。ARPANET 雖然是實驗性質的網路，但卻也替現今網際網路的技術、方法，提供了先行、熱身的機會與環境，甚至可視為現今網際網路的前身。例如現今的網際網路採用了迥異 於傳統電路交換的封包交換技術，也是經過 ARPANET 的實驗，證明封包交換確實是可行的技術；而 ARPANET 所使用的協定「網路控制協定」（Network Control Protocol，NCP），也是現今網際網路 TCP 協定的先驅。
TCP/IP 的創造者
瑟夫於 1965 年畢業史丹福大學，獲得數學學士學位，畢業後的兩年期間，曾經在 IBM 的洛杉磯分公司擔任分時作業系統的工程師，也因此認定了自己必須繼續進修電腦方面的專業課程。隨後瑟夫進入了加大洛杉磯分校研習電腦科學，最終並取得電腦 科學的博士學位。瑟夫的論文也與先進研究計畫署的 Snuper Computer 專案有關（這個專案的目的是要以電腦遠端觀測另一部電腦的程式執行），因為瑟夫在加大洛杉磯分校唸書時，就是這個專案的研究生，而這也算是瑟夫與先進研究 計畫署淵源的開始。
在 1968 年秋天，加大洛杉磯分校即將為先進研究計畫署的 ARPANET，執行一項稱為「網路測量中心」（Network Measurement Center，NMC）的專案，這項專案的負責人是提出封包交換理論的先驅李奧納多‧柯連洛克（Leonard Kleinrock），而這項專案將負責網路效能的測試與分析；當時正是加大洛杉磯分校學生的瑟夫，也進入了這個專案，而這是瑟夫與 ARPANET 的另一個淵源。
在 1968 年底，先進研究計畫署開始準備為四所學校設立 ARPANET 的首批四個節點，包括加大洛杉磯分校、史丹福大學、猶他州立大學、加州大學聖塔芭芭拉分校等四所參與計畫的學校，分別由相關的師生負責進行相關的網路架設 工作。千萬別以為這是一件簡單的工作：ARPANET 是網際網路的前身，而 TCP/IP 的設計者雖然都參與了這項計畫，但此時這群電腦網路菁英為 ARPANET 設計了「網路控制協定」（Network Control Protocol，NCP）；甚至連乙太網路的雛形，也是在 1972 年才出現。這群學生（包括畢業生）及指導教授，只能根據理論，以及執行分時系統的大型主機，一點一滴的討論、累積，並且利用 NCP 協定讓 ARPANET 得以連線。
革命性的 TCP/IP 協定
雖然 ARPANET 已經能夠順利連線，證明了封包交換的的確是可行的技術，但此時距離網際網路還有差距，還有很多問題必須克服，其中最大的問題就是如何讓網路上各種不同的電 腦，能「以相同的方式溝通」。瑟夫在加大洛杉磯分校其間，認識了羅伯特‧康恩（Robert E. Kahn，不過大家都叫他鮑伯（Bob）），兩人經常共同討論網路方面的技術與想法，包括如何讓各種電腦都能互相連接。瑟夫和康恩首先想到了「閘 道」（gateway）的概念，也就是在這些電腦或電腦所在的網路之間，放置能夠轉換不同訊息的閘道裝置，這相當於為各種電腦或電腦網路擔任資料通訊的翻 譯工作。
其次，瑟夫和康恩也為網路訊息的傳遞，構思另一個更獨立、更能廣被大多數主機接受的網路通訊協定。瑟夫在 1972 年回到史丹福大學任教，在 1973 年底，瑟夫和康恩完成了一篇影響網路通訊甚鉅的論文：〈封包網路交換協定〉（A Protocol for Packet Network Intercommunication），並且在 1974 年五月正式發表這篇論文，論文中提出了現在大家熟悉的「傳輸控制協定」（transmission-control protocol，TCP），以及「資料包」（datagram）的概念。這其中還有一件趣聞：這篇論文是瑟夫和康恩共同完成，但在發表之前，兩人卻是以 丟銅板的方式，來決定論文作者的排名，瑟夫擲贏了銅板，因此名字放在康恩之前。
在提出了革命性的 TCP 協定之後，瑟夫在 1976 年接受了先進研究計畫署的工作，擔任 APRA Internet 的計畫經理，扮演了 TCP 協定發展的重要關鍵角色。在 1978 年，瑟夫與 APRA Internet 計畫的其他同事，為 TCP 協定發表了第三個版本，在這個版本將 TCP 分成兩個部分，也就是將負責繞送封包的部分，從 TCP 獨立出來，成為現在各位熟知的「網際網路協定」（Internet Protocol，IP），而這項協定也更名為 TCP/IP。而目前廣為使用的 IPv4，則是在 1981 年所發表。
1982 年美國國防部的通訊署（Defense Communications Agency）和 ARPA 將 TCP 和 IP 合併為 TCP/IP 協定組，並且在 1983 年全面將 ARPANET 的 NCP 換成 TCP/IP。此外，應用層的諸多協定，例如 Telnet（1972 年）、FTP（1973 年）、DNS（1984 年）、HTTP（1996 年），也分別於不同的時間逐一發表，而寄望取代 IPv4 的 IPv6 則是在 1996 年發表。
網路元件可以分為實體元件和邏輯元件，構成網路的實體和邏輯元件都根據標準規格和協定而彼此運作，種類繁多的標準規格和協定不 只建構起網路的功能，也架構出網路運作的模式，這種模式稱為「網路模型」。目前已經發展出許多種資料通訊的網路模型，但有兩種模型贏得最多的認同，第一種 是 OSI（Open Systems Interconnection，開放系統互連），第二種是與前述 TCP/IP 關係密切，而且比 OSI 還早誕生的 DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）模型。
DARPA 是領導、贊助發展出 TCP/IP 協定組的美國政府單位，在發展過程當中也依照網路運作的邏輯概念，制訂了四層的網路運作模型。因此 TCP/IP 協定組自然而然也就對映到 DARPA 模型的四個層級。OSI 則是國際標準組織 ISO 所制訂的七層網路模型，這七層完整的描繪出網路運作的一切細節，不過並沒有廠商完全以此實作。而 DARPA 模型雖然只有四層，但也幾乎涵蓋了 OSI 七層的功能。
這兩種模型都是開放的模型，而且也都是分層式架構。分層式架構構賦予每一層獨特的目的和功能，層層分工讓每一層只需要做好自己 該作的事，但是各層之間的功能卻是環環相扣：接收並處理上一層傳來的資料，處理完再送往下一層（相反的方向亦然）。您可能經常聽到 TCP/IP stack，之所以會稱為 stack，就是因為分層式架構一層一層的「堆疊」出整個通訊協定。
OSI 七層模型
應用層：這一層的功能是讓使用者所操作的應用程式能夠存取網路。應用層並不會加入標頭（header）或標尾 （trailer）資料。
展示層：這一層將確保送往應用層的資料，是應用層能夠理解的格式。如果傳送端和接收端使用不同的編碼結構，展示層就會 加以轉譯，如果有需要，展示層也會執行加密和壓縮。
交談層：在傳送端和接收端開始通訊之前，這兩端應該要先建立連線（或稱為交談），而交談層就是負責建立、維護、終止這 兩端藉由網路所執行的連線，交談層通常也會管理兩端通訊設備所產生的訊息。
傳輸層：傳輸層的任務是確保來自傳送端的整個訊息都能送達接收端，而且當傳輸層將資料送往上一層時，會重組資料，將資 料送往下一層，則會切割資料。
網路層：傳輸層要確定整個訊息都已送出，而網路層則要確保封包都能送到接收端。網路層也會處理封包的邏輯定址 （logical addressing），並且根據傳送端和接收端是否處於同一個邏輯網路，而可能需要負責路由服務。
資料鍊結層：這一層會將來自實體層的位元流拆解成位元，再以「訊框」為單位重組這些位元資料，並且替每個訊框加上實體 位址。此外，資料鍊結層也提供流程控制、錯誤控制、存取控制等功能。
實體層：實體層透過某種類型的實體媒介傳送位元流，實體媒介可能是有線或無線。這一層也要處理實體媒介的機械或電子規 格、位元的同步、實體拓撲、傳送模式等。
DARPA 四層模型
應用層：這相當於 OSI 模型應用層、展示層、交談層的三層合併，也稱為「行程層」（process layer），因為這裡是協定組與主機行程的介面。
傳輸層：這相當於 OSI 的傳輸層，DARPA 模型的傳輸層有兩個主要的協定：TCP 和 UDP（User Datagram Protocol）。
互連層：這相當於 OSI 的網路層，不僅是 IP 協定的運作所在，也是其他 TCP/IP 協定傳送資料的關鍵。
網路介面層：這相當於 OSI 的資料鍊結層和實體層。
以下列出了 OSI、DARPA 模型、TCP/IP 協定組、Windows 實作方式，以及這四種的相互對映。
以下我們將焦點放在 Windows 的實作方式。
網路應用程式：位於最上層、且通常位於 User mode 的網路應用程式，將取用所有下層提供的 API 或服務，而達成指定的網路功能。網路應用程式通常會以 .exe 執行檔或 Windows 系統服務的形式實作。
網路 API DLL：以動態連結程式庫（Dynamic Linking Library，DLL）的形式實作出與協定無關的網路功能，並且可以位於 User mode，或同時位於 User mode 和 Kernel mode（若在 Kernel mode，則是以下的網路 API 驅動程式）。開發人員編寫上層的應用程式時，可以不需要知道協定細節而使用網路功能。這一層的實例包括了 WinSocks 或 WinINet。
網路 API 驅動程式：這是實作在 Kernel mode 的網路 API。
協定驅動程式：位於 Kernel mode，並且會針對特定協定（例如 TCP/IP、NetBEUI、或 IPX/SPX 等）而實作。這一層也稱為 Transport Device Interface 或 NDIS 驅動程式，有時也會簡稱 TDI transport 或 transport。您可以在 Windows 的 System32\Drivers 資料夾找到 tcpip.sys，就是 Windows 的 TCP/IP 協定驅動程式。
裝置驅動程式：位於 Kernel mode 的裝置驅動程式包括 NDIS library 和 NDIS miniport。NDIS 是 Network Device Interface Specification 的縮寫，這是編寫 Windows 網路裝置驅動程式的介面規格，目的是讓硬體廠商開發 Windows 驅動程式。
此外，微軟也在 Windows Vista 等後續 Windows 版本加入了 Windows Connect Now 的網路連接概念，並延伸出新的驅動程式架構，相關細節可參閱《》或。
早期的 Windows 版本是以 NetBIOS（Network Basic Input/Output System）作為網路通訊介面，雖然很適合用在小型的區域網路，但面對大型網路架構就力有未逮。微軟也察覺到 TCP/IP 將會是主流的網路協定，因此除了以 NetBIOS over TCP/IP（NBT）技術讓 NetBIOS 具備繞送功能，也重新改寫 Windows TCP/IP 協定組的程式碼，而 Microsoft Windows NT 3.5 則是重新改寫之後第一個受惠 Windows 版本。每一個 Windows 版本都持續發展並新增或加強了 TCP/IP 功能，尤其是伺服端的 Windows 版本，更比用戶端的 Windows 版本多了很多 TCP/IP 網路服務功能。以下表格列出了各個 Windows 版本所支援的 TCP/IP 功能。
N=No, Y=Yes, and D=Disabled by Default
參考資料
企業資料通訊（培生出版、賴榮樞譯）
MICROSOFT WINDOWS INTERNALS（Microsoft Press，Mark E. Russinovich、David A. Solomon）
Microsoft Windows Server 2003 TCP/IP Implementation Details（Microsoft Corporation）
