網際網路怎麼傳送資料？封包與路由器的運作

生活中的例子

用手機點一下新聞的連結，多半不到幾秒，頁面就會顯示出來。這些資料，是從遠方某台電腦送來的。像這樣依要求提供資料的電腦，稱為「伺服器」。

這篇文章會依序說明，打開1個網頁時背後發生的事。大致的流程如下。

1. 從網站的名稱（例：www.example.com），查出伺服器的號碼
2. 和伺服器之間，做好開始交換資料的準備
3. 送出「請給我這個頁面」的請求
4. 頁面的資料分成許多小塊送過來
5. 在手機端重新組合，顯示在畫面上

資料要分成「封包」來傳送

在網際網路上，照片和網頁的文字，都是當作0和1的排列來傳送。大的資料，不會整塊直接傳送。而是切成小塊，一塊一塊地送。這些小塊稱為封包。

封包的開頭，會加上寫著目的地和來源號碼等資訊的部分。這稱為「標頭」。接收端以標頭為線索收集片段，再組合回原本的資料。

1個封包的大小有上限。家用的有線網路和Wi-Fi，通常最多1,500位元組（1位元組是8個0或1排在一起的量）。1 MB（100萬位元組）的照片，算起來大約會分成700個封包。

特地切開的理由，主要有2個。第1個是1條線路能由許多人共用。封包很小，就能把不同人的通訊一點一點輪流傳送。第2個是途中即使遺失一部分，也只要重送那個片段就好。

以前的市內電話，是相反的想法。通話期間，會整條占住通往對方的線路。即使沒有在說話，其他人也不能使用那條線路。把資料分開、共用線路的方式，是在1960年代想出來的，成為網際網路的基礎。

IP位址：封包目的地的號碼

封包的目的地，要寫上代表對方設備的號碼。這個號碼稱為IP位址。手機、電腦和伺服器，只要是連上網際網路的設備，都會分配到IP位址。

在廣泛使用的格式裡，IP位址寫成「192.0.2.10」這樣。這是用點隔開4個0～255的數字。用0和1表示是32位，所以能做出的號碼只有約43億個。這不夠全世界的設備使用，所以正逐步改用位數大幅增加的新格式（IPv6）。兩者的差異整理在「IPv4與IPv6的差異」的表格中。

用IP位址把封包送到對方的規則，稱為IP。IP專心把封包朝目的地送出去。確認有沒有送到，不是IP的工作。

路由器只選「下一站」來轉送

網際網路是由許多小網路連接起來的。有家裡的網路、公司的網路、電信業者的網路等。位在網路交界處、把封包交給隔壁網路的設備，稱為路由器。

路由器會從收到的封包標頭，讀出目的地的IP位址。再對照自己手上的表，決定交給隔壁哪一台路由器。這個表稱為路由表。路由表裡寫著「這個範圍的號碼，交給那邊的鄰居」這樣的對應。

重要的是，每台路由器都不知道通往對方的完整路線。它只知道「下一步該交給誰」。並不是在傳送前就先決定好整條路線。封包是從路由器到路由器，像接力傳水桶一樣送過去。

路由表會由路由器之間交換資訊，自動重新建立。某處線路故障時，路由表會改寫成避開那條路。送往同一個對象的封包，平常大多走幾乎相同的路。不過，通訊途中路徑也可能改變，之後封包仍會繼續送達。

把工作分成4個「層」來思考

到目前為止的說明裡，混著好幾種工作。把訊號送到隔壁設備的工作、尋找通往遠方對象路徑的工作、防止遺漏的工作等。網際網路把這些工作分成「層」，每一層訂出通訊的規則。這些規則稱為「協定」。

層一般用下面4個來說明（稱為TCP/IP的4層模型）。表中越上面的層越接近App，越下面的層越接近電波和纜線。

最下面的連結層，只負責送到相連的隔壁設備。如果是手機的Wi-Fi，負責的範圍到家用路由器為止。再往前，則由乙太網路（有線網路的規格）或光纖線路，再送到下一台設備。

在最上層決定網頁交換方式的，是HTTP。它規定了「請給我這個頁面」「好，給你」這樣的對話形式。這段對話由下面的層依序接手，送到對方。

分成層之後，即使替換某一層，其他層也能照樣使用。例如，把Wi-Fi換成有線網路，也不必重做瀏覽器或IP。

準備證照考試時，也常會看到把同樣的想法分成7層整理的OSI參考模型。它只是分得比較細，「依工作分層」的想法是一樣的。大致來說，連結層（也稱為網路介面層）對應OSI的第1～2層，網際網路層對應第3層。傳輸層是第4層，應用層是第5～7層。

DNS：從名稱查出號碼

人是用「www.example.com」這樣的名稱來記網站。但是，封包的目的地能寫的是號碼（IP位址）。所以，要用把名稱轉成號碼的機制。這稱為DNS（網域名稱系統）。

瀏覽器會先問DNS伺服器：「這個名稱的號碼是多少？」拿到答案後，才能把封包送到網頁的伺服器。開頭流程的第1步就是這個。答案會記住一段時間，所以不是每次都重新詢問。

TCP與UDP：要確實，還是要輕快

IP的工作，只到把封包送出去為止。途中太擁擠的路由器可能丟掉封包，抵達的順序也可能對調。即使如此，網頁還是能完整顯示，靠的是TCP這個規則。

在TCP中，傳送端會替資料加上流水號。接收端會回覆「已收到這裡為止」。沒收到回覆的部分，傳送端會再送一次。接收端看號碼，把資料排回正確的順序。

另外，TCP在開始傳送資料前，會和對方簡短打個招呼做準備。開頭流程的第2步就是這個。這個招呼要花1次來回的時間。

另一方面，UDP不管理號碼、也不重送，封包送出去就不管了。步驟比較少，所以能縮短等待時間。它用在視訊通話和對戰遊戲這類「現在」的資料比晚到的資料更重要的用途。DNS的查詢，也主要使用UDP。

新的HTTP/3，在UDP之上再加上QUIC這個規則，由QUIC負責重送等工作。差異整理在「TCP與UDP的差異」和「HTTP/1.1、HTTP/2、HTTP/3的差異」的表格中。

家用路由器與號碼改寫（NAT）

家裡的Wi-Fi設備，多半是把Wi-Fi基地台和路由器合成1台。家裡的手機和電腦，會分配到只在家裡通用的號碼。常用的是以「192.168.」開頭的號碼。用這個號碼，網際網路另一端無法把回覆送回來。

所以，家用路由器會把送出去的封包的來源號碼，改寫成網際網路用的號碼。路由器會記下哪個通訊屬於哪台設備，再把回來的封包改回原本的號碼送達。這種改寫稱為NAT。這是讓只有約43億個的號碼，能由許多設備共用的方法。

HTTPS與鎖頭圖示

途中的設備，只要想讀，就讀得到封包的內容。所以，要先把資料轉成只有持有鑰匙的對方才能還原的形式，再傳送。這稱為「加密」。

把網頁的交換加密後傳送的方式，就是HTTPS。HTTPS也會確認通訊對象是不是真正的伺服器。

為此，伺服器會出示稱為「憑證」的電子身分證。憑證是受信任的發行機構，確認網站名稱的擁有者後所做的保證。瀏覽器會先確認這個保證，再開始通訊。

網址列的鎖頭圖示，一直用來表示已完成這種確認和加密。不過，鎖頭圖示並不代表「經營者值得信任的網站」。因為詐騙網站也能取得憑證。Chrome從2023年的117版起，為了避免這種誤解，把鎖頭圖示換成了別的圖示。

經過好幾台設備，為什麼還是很快

長距離的通訊，主要使用光纖。光纖是讓光通過像頭髮一樣細的玻璃線，來傳送訊號的纜線。光在裡面每秒約前進20萬km。大約是真空中光速（約30萬km）的3分之2。

換算成每1 km，大約是5微秒（1微秒是100萬分之1秒）。從送出資料到回覆回來的時間，稱為RTT。東京和大阪直線距離約400 km，所以RTT最短也要約4毫秒（1毫秒是1000分之1秒）。實際的纜線不是直線，所以路程更長。

東京和洛杉磯，沿地球表面的最短距離約8,800 km。用光纖來回一趟，光是距離就要約88毫秒。根據美國電信業者Verizon公布的數值，兩個城市據點之間的來回，2026年初的月平均約110毫秒。差距約20毫秒，來自纜線繞遠路，以及途中設備的處理和排隊等待。

路由器的處理，如果不擁擠，很短的時間就能完成。和遠方對象通訊時，等待時間大部分是訊號跑完距離的時間。跨海的通訊，大部分會經過鋪設在海底的光纖纜線。調查公司TeleGeography在2023年的驗證中指出，洲際資料有99%以上是如此。

常見的誤解

從數字來看

「下限」是以光纖中的速度，來回最短距離所需的時間。實際的來回時間，不會比這更短。

進一步學習

• 用表格看差異：集線器、交換器、路由器的差異（家裡和公司網路的設備）
• 用計算試試看：IP位址與子網路計算（把IP位址分成「網路部分」和「設備部分」的計算）
• 下一步的名詞：MAC位址、預設閘道、DHCP（家用網路的運作方式）
• 進一步認識HTTPS：憑證機構（發行憑證的機構）、TLS（HTTPS加密的規則）
• 自己看看路徑：traceroute（列出封包經過的路由器的指令）
• 從基礎讀起：伺服器和手機裡面，都是由CPU執行指令。「CPU是什麼？」