前言
我們每天都會瀏覽各種網頁，透過輸入網址，我們就可以看到網頁出現，那麼這個過程究竟發生了哪些事? 本文將會簡介網路連線的機制。
正文
在瀏覽器上輸入網址(URL)後，便會發送請求到網頁伺服器(Web Server)上，並把收到的資料顯示在網頁上。但是在網路上，我們必須有網頁伺服器的IP位址才能將請求送到對方手上。
如果把要送的資料想像成包裹，IP位址就是網路世界的門牌號碼。透過門牌號碼，我們才知道要將包裹送到什麼地方。因為IP位址就像網路世界的地址一樣，所以IP是獨一無二不重複的，否則就會不知道要將資料送到哪裡了。IP存在不同的版本，本文僅討論IPv4，在這個版本中IP位址有32位，通常會寫成四段，包含兩部分，第一部分是網路號，用來代表主機所在的網路，第二部分是主機編號。顧名思義，我們可以透過網路號和主機號來確認和管理IP。比如有一台裝置的網路號和另一台裝置相同，我們就能知道他們是位在同一個公司的不同計算機。網路和主機號的總和雖然是32位，但是分別有幾位是不固定的，因此需要一個媒介來判讀究竟哪塊是網路號，哪塊是主機號。這個媒介就叫做子網路遮罩(Subnet Mask)，子網路遮罩是一串的1和0組成。表示形式可以是用二進位的方式列出一串的1和0，也可以用十進位的方式，如下圖：
這兩種表示方式的意思完全一樣，將這32位和IP位址的32位對齊，子網路遮罩的1對應到的IP位址就是網路號，0對應到的Ip則是主機號。舉例來說，IP位址如果是192.168.1.1，子網路遮罩是255.255.255.0，那麼我們就可以把兩者都轉成二進位，再把前24位當成網路號，後8位當成主機號。
回到正題，如果我們要向網頁伺服器傳送請求，就必須先查到網頁伺服器的IP位址，因此要經過DNS(Domain Name Server)伺服器。DNS伺服器可以透過URL查詢並回傳相對應的IP位址。有了DNS的存在，我們就不需要記一串又臭又長又難記的IP了。
DNS有一張大表，裡面寫了許多域名對應的IP位址。這時有兩種情況，第一種是DNS伺服器在表中查到了該網頁伺服器的IP位址，它就回傳IP即可。第二種情形是DNS查表沒有查到該網頁伺服器，這時DNS伺服器就會向其他DNS伺服器查詢。查詢的方式並不是一個一個問，而是解析URL的結構，層層向上詢問。舉例而言，如果要查詢www.google.com.tw的IP位址，會先訪問本地的DNS伺服器，本地DNS伺服器查表查不到時，會去問一個名叫根伺服器的伺服器，並透過層層接力的方式找到目標IP位址，如下圖
本地DNS伺服器：我要查詢www.google.com.tw的IP位址
根伺服器：我不知道www.google.com.tw的IP位址，但是我知道.tw的DNS伺服器的IP位址，你去問它。
本地DNS伺服器：我要查詢www.google.com.tw的IP位址
負責.tw的伺服器：我不知道www.google.com.tw的IP位址，但是我知道.com.tw的DNS伺服器的IP位址，你去問它。
知道網頁伺服器的IP後，我們就可以利用IP和網頁伺服器建立連線，透過UDP(User Datagram Protocal)或是TCP(Transmission Control Protocol)兩種協議收發數據。大部分的應用程式用的都是TCP，TCP具有可靠性，可以保證資料不會傳丟。TCP的連接機制稱為三向交握(Three-Way Handshake)，透過這個機制，我們可以和網頁伺服器建立連接並開始發送數據，數據傳送的單位是封包(Packet)，可以想像成一段一段的位元組。每種網路能夠傳輸的量是不一樣的，比如乙太網路最多可以一次傳送1500 Bytes，這個傳輸的極限稱為MTU (Maximum Transmission Unit)，在發送數據時，如果要送的內容很多，數據會被切成好幾個封包來傳。因此，大家可以想像，數據並不是隨到隨傳的，而是會累積到接近MTU的大小才會傳送，這樣才可以避免每次傳送的封包都只有一點點資訊。TCP在切封包時，會記得每個封包的開頭是原始數據的第幾個Byte，然後將這項資訊一併傳出去。因此，接收方可以查看這個資訊來判斷有沒有漏傳的情形，並傳一項稱為ACK的資訊給發送方，表示自己確實收到封包了。反過來說，如果傳送方一直沒有收到ACK，就知道接收方沒有收到封包，因此便會重傳一次。資料傳送完成後，TCP會透過四次揮手(Four-Way Wavehand)來切斷連結。透過上述的機制，TCP能夠保證數據完好無缺的到對方手上。以下簡單放上三向交握和四次揮手的流程圖讓大家感受一下，由於TCP的機制細探十分複雜，我們會另外針對TCP寫另一篇文章來介紹，圖中的SYN、FIN、ACK這些專有名詞也會一併介紹。
除了TCP以外，UDP也是一種收發數據的方式，相較於TCP單純很多，也無法保證數據傳輸的可靠性。即使如此，UDP還是有用到的時候，比如當我們要傳輸的資料很少時，比如一個封包就能裝下的話，如果資料傳丟了直接重傳一次即可，這時候如果用TCP還需要經過建立和結束連接的封包，反而耗費了許多資源。此外，有些影片和音樂也是透過UDP傳送的，因為如果用TCP傳送，必須要耗費很多時間檢查和重傳，反而會導致影像或聲音延遲，反過來說，使用UDP雖然可能會丟失一些資訊，但對整體的影響不會那麼大。
而資料在傳輸的過程中，會經過許多硬體設備，比如路由器(Router)、交換器(Switch)、集線器(Hub)等等，這些設備會層層接力，把數據傳送到目的地。
交換器內部有一張表，上面寫著不同的MAC地址以及該地址對應的埠口。當封包送入交換器時，就可以透過查表，將封包送到相對應的埠口。那麼，交換器的表是怎麼產生的呢? 當交換器收到一個新的封包時，會記錄這個發送方的MAC地址以及這個封包進入的埠口，久而久之就能累積出一張表了。如果交換器查表找不到要送到哪時，便會將封包送給所有的埠口，負責接收該封包的埠口將封包收下後，也會回傳資訊給交換器，讓交換器知道該MAC地址對應的埠口，下次遇到一樣的MAC地址就可以直接發送了。
路由器同樣也是查表，但是路由器的表紀錄的是IP地址和埠口，當封包進來時，路由器透過IP地址判斷要交封包送到哪一個埠口。不過路由器的詳細運作機制比較複雜，為了避免離題我們以後另外介紹。
結語
本文非常概略的解釋了網路連線的機制，當然其中的每個環節都有非常多的細節可以討論，因此本文僅以蜻蜓點水的形式簡單帶過，希望能作為一個大略的導覽供參考。如果有誤，還請不吝賜教。
