1. 網際網路運作原理

網際網路是什麼?是WWW(全球資訊網路)嗎?答案是不是，這兩個是完全不同的東西，網際網路是指偏向物理層面的，接下來就讓我們來瞭解一下資料如何交換，如何找到你是誰並給你你要的資料?

IP位置

在網際網路的世界中，IP（Internet Protocol，網際網路協定）就是網路上的郵政系統。

你今天在google搜尋「貓咪 圖片」，google的伺服器蒐集好了可愛貓咪的圖片準備要回傳給你，不過google 的伺服器怎麼知道你是誰?

而「IP 地址（IP Address）」，就是每台設備的實體門牌號碼。無論是你的手機、筆電、還是 Google 的伺服器，只要想連上網際網路，都必須擁有一個獨一無二的 IP 地址，否則網路上的資料封包就不知道該送去哪裡。

  • 定址（Addressing）： 為網路上的每個設備編發一個獨一無二的地址（門牌號碼）。
  • 路由（Routing）： 決定資料封包（信件）要經過哪些路由器（郵局），才能最快抵達目的地。

IP由四組 0 到 255 的數字組成，中間用點「.」隔開。(192.168.1.1 或 140.131.x.x)，它是 32 位元（32-bit）的架構，總共可以提供約 43 億個 地址。

43 億個聽起來很多，但在人手一機、加上智慧家電（物聯網）的時代，IPv4 地址早在幾年前就已經「用完了!」。

IPv4 與 IPv6

為了解決 IPv4 地址不夠用的危機，聰明的科學家開發了全新的 IPv6，改用 16 進位制，由八組數字與字母組成，中間用冒號「:」隔開 (2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334 )容。

由於它是 128 位元（128-bit）的架構，可以提供的地址數量高達 3.4乘10的38次方 個。

這個數量大到「可以給地球上的每一粒沙子都分配一個獨立的 IP 地址」，徹底解決了地址不足的問題。

DNS

雖然解決了不夠用的問題，但新的問題也隨之而來，那就是人類其實不擅長記一大串的數字，於是人們就開始想:「我有沒有辦法將IP轉為文字方便我記憶呢?」DNS由此誕生。

DNS (網域名稱系統，Domain Name System) 是網際網路的電話簿。將人類易讀的網域名稱（例如 google.com）轉換為機器能讀取的 IP 位址（例如 142.250.190.46）。

分布式階層架構

DNS 伺服器不是只有一台，而是由上到下分成好幾層：

  1. DNS 快取伺服器（預設/本地 DNS）： 就像你身邊的萬事通朋友（通常由 ISP 如中華電信，或 Google 的 8.8.8.8 提供）。他會幫你跑腿去外面問路，而且會把問到的答案記下來（快取），下次你再問同一個網址，他就能秒回答。
  2. 根域名伺服器（Root DNS Server）： 網路世界的最高權威（全世界只有 13 組群組）。它不知道具體 IP，但它知道「去哪裡找下一層」。
  3. 頂級域名伺服器（TLD DNS Server）： 負責管理網址的結尾，例如 .com、.org、.tw 等。
  4. 授權域名伺服器（Authoritative DNS Server）： 終點站。這台伺服器由網站的主人自己管理（或託管），上面紀錄了該網站真正的 IP 地址。

我們來實際跟著流程走一次!

假設你在瀏覽器輸入了學校官網 www.ntub.edu.tw，而本地 DNS 過去從來沒有紀錄（第一次查詢），整個「問路」的過程會如下運行：

  • 第一步（問身邊的朋友）： 電腦問「本地 DNS」：「你知道 www.ntub.edu.tw 的 IP 是多少嗎？」 本地 DNS 翻了翻口袋發現沒有紀錄，於是說：「你等等，我幫你去問。」
  • 第二步（向最高權威求助）： 本地 DNS 跑去問全球的「根域名伺服器 (Root)」。 根域名伺服器說：「我不知道具體 IP，但我知道這是 .tw 結尾的，你去問負責管理 .tw 的頂級域名伺服器吧！」（給予方向）
  • 第三步（縮小範圍到國家/類型）： 本地 DNS 接著跑去問「.tw 頂級域名伺服器」。 頂級域名伺服器說：「我也不知道具體 IP，但我知道 ntub.edu.tw 是由北商大自己管的，你拿著這張地址，去問他們的授權域名伺服器。」
  • 第四步（抵達終點站取得答案）： 本地 DNS 來到最後一站——北商大的「授權域名伺服器」。 學校的伺服器自豪地說：「沒錯！這是我家的網站，它的 IP 地址是 140.131.x.x！」
  • 第五步（回報並紀錄）： 本地 DNS 把這個 IP 抄下來，急忙跑回去告訴電腦，同時自己也偷偷背起來（快取），方便下一次別人問。 最後，瀏覽器拿到 140.131.x.x，終於可以順利連上學校官網了！

應用層協定

應用層協定（Application Layer Protocols）是 OSI 網路七層模型與 TCP/IP 模型的最頂層，直接與應用程式互動。

1. 網頁瀏覽：HTTP / HTTPS

  • HTTP（超文字傳輸協定）： 全球資訊網（WWW）的基石。定義了瀏覽器要怎麼向網頁伺服器請求網頁檔案（HTML、CSS、JavaScript），以及伺服器如何回應。
  • HTTPS（安全超文字傳輸協定）： HTTP 的安全加密版。在傳輸過程中加入 SSL/TLS 加密機制，防止信用卡號、密碼等敏感資料被中途竊聽或竄改。

2. 檔案傳輸與網路管理：FTP / DNS / DHCP

  • FTP（檔案傳輸協定）： 專門用來在兩台電腦之間「上傳」與「下載」檔案的協定。
  • DNS（網域系統協定）： （前一章已提及）負責將網址翻譯成 IP 位址的無名英雄。
  • DHCP（動態主機設定協定）： 自動發配 IP 地址的裝置。當你的手機連上星巴克的 Wi-Fi 就能立刻上網，就是 DHCP 自動幫你分配好 IP、子網路遮罩和閘道器。

3. 電子郵件：SMTP / POP3 / IMAP

  • SMTP（簡單郵件傳輸協定）： 專門負責把郵件「寄出去」（寄到收件人的郵件伺服器）。
  • POP3 / IMAP： 負責把郵件「收進來」到手機或電腦裡。
    • POP3： 把郵件下載到本地電腦後，通常會把伺服器上的備份刪除（適合單一裝置）。
    • IMAP： 讓郵件留在伺服器上，手機、筆電同步讀取（現代主流，如 Gmail 運作方式）。

4. 遠端控制：SSH / Telnet

  • SSH（安全外殼協定）： 讓工程師可以用加密、安全的方式，遠端連線並控制放在機房的伺服器。
  • Telnet： 早期常見的遠端連線協定，但因為所有資料（含密碼）都是明碼傳輸，現已沒落（台灣著名的 PTT 批踢踢 BBS 仍在使用此協定）。

HTTP協定

拿回前面的例子，當你今天去google搜尋「貓咪 圖片」時，實際上對電腦來說發生了什麼呢?

HTTP 請求 – Request

當使用者透過瀏覽器向伺服器要資料時，需要發出Request (請求)，請求的格式如下:

  • 請求行（Request Line）： 包含方法、路徑與協定版本。
    • 範例：GET /index.html HTTP/1.1
  • 請求標頭（Headers）： 瀏覽器的自我介紹與額外要求（鍵值對格式）。
    • Host: www.example.com（我要找哪台主機）
    • User-Agent: Mozilla/5.0...（我是什麼瀏覽器）
    • Accept-Language: zh-TW（我看得懂繁體中文）
  • 空行（Blank Line）： 必須存在，用來告訴伺服器「標頭結束了，下面是內容」。
  • 請求主體（Body）： 如果是 GET 通常是空的；如果是 POST（如送出登入表單），這裡就會存放帳號密碼等資料。

HTTP 回應 – Response

接著當伺服器處理完，回傳給瀏覽器的封包長這樣：

  • 狀態行（Status Line）： 協定版本與狀態碼。
    • 範例：HTTP/1.1 200 OK
  • 回應標頭（Headers）： 伺服器的自我介紹與檔案設定。
    • Content-Type: text/html（我回傳的是網頁 HTML 檔案喔！）
    • Content-Length: 1234（這個檔案的大小）
    • Server: Apache（我是 Apache 伺服器）
  • 空行（Blank Line）
  • 回應主體（Body）： 最重要的部分。網頁的 HTML 原始碼、圖片的二進位資料、或是 API 的 JSON 資料都放在這裡，瀏覽器拿到後才會把它渲染成我們看到的精美網頁。

HTTPS

假設我們向google 發出了request，我們的request會跨越大海去到google的伺服器去跟他要資料，那如果駭客透過監聽訊號，監聽這一段訊息呢?如果只是貓咪圖片這種無關緊要的事，那好像還好，但如果今天你發送的request中包含信用卡號等資訊呢?

因此誕生了HTTPS，HTTPS是密文傳輸，在應用層與傳輸層之間加了一層加密防護罩。這樣駭客就算監聽到了你的信用卡號，也只會得到一堆亂碼! 而HTTPS是如何實現加密這件事的呢?

TLS 交握

TLS 交握（TLS Handshake）是客戶端（如瀏覽器）與伺服器在傳輸資料前建立安全連線的過程。

有了TLS，雙方能驗證彼此身份、協商加密演算法，並安全地交換對稱式金鑰，確保後續傳輸的隱私與完整性，整個流程大致如下:

第一步：打招呼與開條件 (Client Hello)

瀏覽器（客戶端）率先向伺服器發送問候，並遞出一份自備清單：

  • 「嘿！我支援 TLS 1.2 版本。」
  • 「這是我看得懂的密碼演算法清單（密碼套件）。」
  • 「順便附上一串我自己產生的隨機亂數（Client Random）！」

第二步：回應與亮出身份證 (Server Hello & Certificate)

伺服器收到後，挑選好溝通方式，並亮出自己的大名與證明：

  • 「收到！那我們就用 TLS 1.2 和你清單上的 A 演算法來溝通。」
  • 「附上我這邊產生的隨機亂數（Server Random）。」
  • 【憑證】「對了，這是公正第三方（CA 機構）發給我的數位憑證（身份證），證明我真的是 Google 官方，不是詐騙網站！」

第三步：打造鑰匙的雛形 (Client Key Exchange)

一旦確認伺服器不是冒牌貨，瀏覽器就要開始動手做鑰匙了：

  • 瀏覽器在後台默默產生第三個亂數，叫做預主金鑰（Pre-Master Secret）。
  • 瀏覽器拿出憑證上的「伺服器公鑰」，把這個預主金鑰鎖起來，大方地傳給伺服器。

第四步：原神! 啟動!

伺服器用私鑰解開密碼，順利拿到預主金鑰。此時，奇蹟發生了：

  • 現在，瀏覽器與伺服器的手上，同時都擁有了三個元素：Client Random + Server Random + Pre-Master Secret。
  • 雙方在各自的後台，用這三個元素各自運算出同一把「對稱加密金鑰（Session Key）」。
  • 雙方互相發送 Finished 封包，宣示：「密鑰打造完成！接下來我們說的每句話，都要用這把鑰匙鎖進保險箱囉！」

交握大功告成！接下來，你在網頁上輸入的信用卡號，就會被這把 Session Key 狠狠鎖上，化作 request 跨越大海平安送達。

小結

講到這，你已經對網際網路的基礎運作原理有了一定的了解，接著我們就繼續前往瀏覽器的世界~!