web计算机网络网络层应用层数据链路层协议详解

　　1。网络层重点协议
　　1。1IP协议（InternetProtocol）
　　1IP协议头格式
　　4位版本号（version）：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4。
　　4位头部长度（headerlength）：IP头部的长度是多少个32bit，也就是length4的字节数。4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度是60字节。
　　8位服务类型（TypeOfService）：3位优先权字段（已经弃用），4位TOS字段，和1位保留字段（必须值为0）。4位TOS分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。这四者相互冲突，只能选择一个。对于sshtelnet这样的应用程序，最小延时比较重要；对于ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要。
　　16位总长度（totallength）：IP数据报整体占多少个字节。
　　16位标识（id）：唯一的标识主机发送的报文。如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每一个片里面的这个id都是相同的。3位标志字段：第一位保留（保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到）。第二位置为1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文。第三位表示更多分片，如果分片了的话，最后一个分片值为1，其他是0。类似于一个结束标记。
　　13位分片偏移（framegamentoffset）：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置。实际偏移的字节数是这个值8得到的。因此，除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍（否则报文就不连续了）。
　　8位生存时间（TimeToLive，TTL）：数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64。每次经过一个路由，TTL1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环。
　　8位协议：表示上层协议的类型。
　　16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。
　　32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端。
　　选项字段（不定长，最多40字节）：略。
　　2。数据链路层重点协议
　　2。1以太网
　　以太网不是一种具体的网络，而是一种技术标准；既包含了数据链路层的内容，也包含了一些物理层的内容。例如：规定了网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等；
　　例如以太网中的网线必须使用双绞线；传输速率有10M，100M，1000M等；
　　以太网是当前应用最广泛的局域网技术；和以太网并列的还有令牌环网，无线LAN等；
　　1。以太网帧格式
　　以太网的帧格式如下所示：
　　源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的；
　　帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP；
　　帧末尾是CRC校验码。
　　2。2MTU
　　MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制。这个限制是不同的数据链路对应的物理层，产生的限制。
　　以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位；
　　最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU；
　　如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对数据包进行分片（fragmentation）；
　　不同的数据链路层标准的MTU是不同的；
　　1。MTU对IP协议的影响
　　由于数据链路层MTU的限制，对于较大的IP数据包要进行分包。
　　2。MTU对UDP协议的影响
　　一旦UDP携带的数据超过1472（150020（IP首部）8（UDP首部）），那么就会在网络层分成多个IP数据报。
　　这多个IP数据报有任意一个丢失，都会引起接收端网络层重组失败。那么这就意味着，如果UDP数据报在网络层被分片，整个数据被丢失的概率就大大增加了。
　　3。MTU对于TCP协议的影响
　　TCP的一个数据报也不能无限大，还是受制于MTU。
　　TCP的单个数据报的最大消息长度，称为MSS（MaxSegmentSize）；
　　TCP在建立连接的过程中，通信双方会进行MSS协商。最理想的情况下，MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度（这个长度仍然是受制于数据链路层的MTU）。
　　双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值。
　　然后双方得知对方的MSS值之后，选择较小的作为最终MSS。
　　MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中（kind2）；
　　2。3ARP（通过IP找MAC）
　　ARP不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议
　　1。ARP协议的作用
　　ARP协议建立了主机IP地址和MAC地址的映射关系。
　　在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址；
　　数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃；
　　因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址；
　　2。ARP协议的工作流程
　　源主机发出ARP请求，询问IP地址是192。168。0。1的主机的硬件地址是多少，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填FF：FF：FF：FF：FF：FF表示广播）；
　　目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中；
　　每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arpa命令查看。缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址
　　3。应用层重点协议
　　3。1DNS
　　DNS，即DomainNameSystem，域名系统。DNS是一整套从域名映射到IP的系统。
　　TCPIP中使用IP地址来确定网络上的一台主机，但是IP地址不方便记忆，且不能表达地址组织信息，于是人们发明了域名，并通过域名系统来映射域名和IP地址。
　　网络通信发送数据时，如果使用目的主机的域名，需要先通过域名解析查找到对应的IP地址：
　　域名解析的过程，可以简单的理解为：发送端主机作为域名系统树形结构的一个子节点，通过域名信息，从下到上查找对应IP地址的过程。如果到根节点（根域名服务器）还找不到，即找不到该主机。
　　域名解析使用DNS协议来传输数据。DNS协议是应用层协议，基于传输层UDP或TCP协议来实现。
　　3。2NAT（内外网转换）
　　NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段，是路由器的一个重要功能；
　　NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP。
　　也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法：很多学校，家庭，公司内部采用每个终端设置私有IP，而在路由器或必要的服务器上设置全局IP；
　　全局IP要求唯一，但是私有IP不需要；在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的；
　　NAT路由器将源地址从10。0。0。10替换成全局的IP202。244。174。37；
　　NAT路由器收到外部的数据时，又会把目标IP从202。244。174。37替换回10。0。0。10；
　　在NAT路由器内部，有一张自动生成的，用于地址转换的表；
　　当10。0。0。10第一次向163。221。120。9发送数据时就会生成表中的映射关系；
　　NAT技术的缺陷：
　　由于NAT依赖这个转换表，所以有诸多限制：无法从NAT外部向内部服务器建立连接；转换表的生成和销毁都需要额外开销；通信过程中一旦NAT设备异常，即使存在热备，所有的TCP连接也都会断开；
　　3。3NAPT
　　那么问题来了，如果局域网内，有多个主机都访问同一个外网服务器，那么对于服务器返回的数据中，目的IP都是相同的。那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机？
　　这时候NAPT来解决这个问题了。使用IPport来建立这个关联关系
　　这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的。例如在TCP的情况下，建立连接时，就会生成这个表项；
　　在断开连接后，就会删除这个表项。
　　4。网络基础
　　4。1认识IP地址
　　1。概念
　　IP地址（InternetProtocolAddress）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。
　　2。作用
　　IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。
　　3。格式
　　IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个8位二进制数（也就是4个字节），如：01100100。00000100。00000101。00000110。
　　4。组成
　　IP地址分为两个部分，网络号和主机号
　　网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段具有不同的标识；
　　主机号：标识主机，同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号；
　　5。分类
　　为了IP地址浪费的问题解决以上问题，引入子网掩码来进行子网划分
　　4。2子网掩码
　　1。格式
　　子网掩码格式和IP地址一样，也是一个32位的二进制数。其中左边是网络位，用二进制数字1表示，1的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字0表示，0的数目等于主机位的长度。子网掩码也可以使用二进制所有高位1相加的数值来表示，如以上子网掩码也可以表示为24。
　　2。作用
　　（1）划分A，B，C三类IP地址子网：如一个B类IP地址：191。100。0。0，按AE类分类来说，网络号二进制数为16位网络号16位主机号。假设使用子网掩码255。255。128。0（即17）来划分子网，意味着划分子网后，高17位都是网络位网络号，也就是将原来16位主机号，划分为1位子网号15位主机号。此时，IP地址组成为：网络号子网号主机号，网络号和子网号统一为网络标识（划分子网后的网络号网段）
　　（2）网络通信时，子网掩码结合IP地址，可以计算获得网络号（划分子网后的网络号）及主机号（划分子网后的主机号）。一般用于判断目的IP与本IP是否为同一个网段。
　　3。计算方式
　　将IP地址和子网掩码进行按位与操作（二进制相同位，与操作，两个都是1结果为1，否则为0），得到的结果就是网络号。将子网掩码二进制按位取反，再与IP地址位与计算，得到的就是主机号。
　　示例：
　　4。3认识MAC地址
　　MAC地址，即MediaAccessControlAddress，用于标识网络设备的硬件物理地址。
　　主机具有一个或多个网卡，路由器具有两个或两个以上网卡；其中每个网卡都有唯一的一个MAC地址。
　　网络通信，即网络数据传输，本质上是网络硬件设备，将数据发送到网卡上，或从网卡接收数据。
　　硬件层面，只能基于MAC地址识别网络设备的网络物理地址。
　　特殊的MAC地址广播数据报：发送一个广播数据报，表示对同网段所有主机发送数据报。广播数据报的MAC地址为：FF：FF：FF：FF：FF：FF
　　4。4总结IP地址和MAC地址
　　IP地址描述的是路途总体的起点和终点；是给人使用的网络逻辑地址。
　　MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点，即每一跳的起点和终点；是给网络硬件设备使用的网络物理地址。
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