网络层，数据链路层和应用层

本文主要是介绍网络层，数据链路层和应用层，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1.网络层

网络层最主要的协议就是IP协议。

下图是IP协议的格式：

1.1 IP协议解析

（1）4位版本：

有两种：IPV4（IP地址4个字节大小）和IPV6（IP地址16个字节大小）

（2）4位首部长度：

IP协议的报头长度同TCP类似的，是变长的，范围：0~0xF（单位为4字节）

（3）8位服务类型：

能够让IP协议切换形态。包括：3位优先权字段（已经弃用），4位TOS字段（这4位字段是冲突的，也就是说只能有一位是1，不同位设1表示IP协议不同的状态，分别表示：最小延时，最小吞吐量，最小成本，最高可靠性），1位保留字段

（4）16位总长度：

描述IP协议包的最大长度，范围：0~65535，不超过64KB（但IP协议自身支持拆包组包功能）。

（5）16位标识：

如果一个大的IP协议数据包被拆分成一个一个小的包，每一个小包中的标识位就相同。

（6）3位标识：

有一位表示是否允许拆包，还有一位表示是否是最后一个包。

（7）13位偏移：

表示每一个小的数据包的相对位置。

（8）8位生存时间（TTL）：

描述了一个IP数据包在网络上能够存活的时间。IP数据包在被构造出来时，TTL（次数）都会设置一个初始值，数据包在转发过程中，每经过一个路由器就会使TTL减少一次，直至TTL为0，如果TTL已经为0，但是还没有到达目的地，就会被丢弃掉。

（9）8位协议：

描述的是IP数据包的载荷部分，是TCP/UDP数据包。

（10）16位首部校验和：

只是校验IP的头部，不会校验载荷。（原理与UDP校验和相同）

（11）源IP地址/目的IP地址：

IP协议中最重要的一部分，4个字节大小，采用点分十进制的方式来进行表示。

1.2 网络层的主要作用

（1）地址管理：

指定一系列规则，通过地址，描述出一个设备在网络上的位置。

IP地址是一个32位的整数（42亿9千万），互联网发展到前天，能够上网的设备早就超过了IP地址所能表示的最大范围，很明显IP地址已经不够用了。

那么如何解决IP地址不够用的问题呢？

方案一：动态分配IP地址=>治标不治本，提高了IP地址的利用率，并没有增加IP地址的数量。

eg：美国与我们国家有时差，我们这里一般是白天，他们那边就是晚上，同样我们这边是晚上，他们那边是白天，晚上都都睡觉就不会分配IP地址，白天才会分配IP地址。

方案二：NAT转换机制

IP地址分为两类：

1）外网IP（外域网IP）；除了内网IP之外的所有IP。

2）内网IP（局域网IP）：如果一个IP是192.168.*或10.*或172.16.*~172.31.*，则为内网IP。

当前情况下，一个小区/学校/公司统一使用一个局域网，局域网中可能有成千上万个IP，然后这个局域网有一个外网IP，局域网内部的设备要想访问外网都会经过NAT将IP地址转换成外网IP，从而就可以访问了。

NAT具体工作：

如果是只有一台机器，那么只需要源IP和目的IP就足够了，IP数据包在经过NAT的时候，NAT会将IP数据包报头中的源IP（原来是一个内网IP），给替换成局域网的外网IP（内网IP不允许在外网中使用），并且建立映射关系（原来的内网IP与局域网的外网IP，以便响应返回的时候，能够映射回去）。

如果是多台机器，仅仅只有IP地址就不行了，还需要结合端口号来进行访问：

1）源IP不同，端口号也不同：

多个数据包在经过NAT的时候，NAT会将每一个IP数据包报头中的源IP（原来是一个内网IP），给替换成局域网的外网IP，端口号还是原来的，并且建立映射关系（源IP+端口号和局域网IP+端口号），然后就可以进行访问了。

2）源IP不同，端口号相同：

多个数据包在经过NAT的时候，NAT会将每一个IP数据包报头中的源IP（原来是一个内网IP），给替换成局域网的外网IP，端口号也需要进行转换（NAT会自动分配两个不一样的端口号），并且建立映射关系（有两个：源IP和局域网IP，源端口号和经NAT转换后的端口号），然后就可以进行访问了。

当前就是采用动态分配IP地址和NAT转换机制来解决IP地址不够用的问题。

方案三：使用IPv6：16个字节，可以来说是相当大了（可以给地球上的每一粒沙子都给分配一个IP地址）。

但是IPv6最大的问题在于和IPv4不兼容，要想支持IPv6就得升级设备，我们国家是IPv6普及程度最高的国家（没有之一），这是国家大力推进的结果。IPv6一般要使用得手动开启。

（2）路由选择：

描述IP协议的转发过程，网络环境是复杂的，从一个节点到另一个节点之间，存在很多条不同的路径，就需要通过这种方式，筛选出更合适的路径进行数据传输。

IP数据包在转发的时候，每一个路由器是无法像地图那样知晓网络的全貌，只知道一些局部信息，也就是一个路由器不知道它自己与哪些路由器相连。这也就意味着IP数据包在转发过程中是一个“探索式”的过程。

具体过程：

数据包每到一个路由器，就会通过其中的一个数据结构-“路由表”进行查询下一步向哪转发，最终到达目的地。如果查找到了就按照查找到的进行转发，否则就按照默认的地址进行转发。

1.3 IP地址的其他知识点

IP地址由网络号（标识了一个局域网）和主机号（标识了一个局域网中的设备）组成。一个局域网中的主机号不允许相同，不同局域网之间网络号肯定也是不相同的。

一个IP地址哪个是网络号，哪个是主机号是由子网掩码决定的。

子网掩码：也是一位32位整数，左侧都为1，右侧都为0，不会出现0,1交替的情况。

子网掩码为1的数量就是网络号的数量，为0的数量就是主机号的数量。

如果一个IP地址主机号全为0，就代表这个IP地址是一个局域网，不能用来表示任何主机设备。

如果一个IP地址主机号全为1，就代表这个IP地址是一个广播地址。（UDP天然支持广播）

2.数据链路层

主要常见的协议是以太网协议。

下图是以太网协议的格式：

2.1 以太网数据包解析

（1）目的地址/源地址（mac地址）：

6个字节，比IPv4大很多，目前来说每一个设备都有一个mac地址（可以作为一台网络设备的身份标识，一般来说网卡一经出场就被写死了，不能进行修改）。

IP地址和mac地址有什么区别呢？

IP地址和mac地址用于不同的地方。IP地址更关注全局，完成整个通信过程中的路径规划工作。

mac地址更关注于局部，相邻两个节点之间是如何进行转发的。

eg：就好比我现在要去北京，中间可能会途经很多城市，现在有计划的的路径是：绵阳-成都-西安-北京，网络中类似于这个过程就是IP做的，而每到一个城市具体座什么车就是mac所需要考虑的。

并且每到一个城市源目的地和目的地就会发生变化，也就类似于每到一个节点，源mac和目的mac地址就会变换。

（2）2位类型：

描述当前数据包是一个什么类型。

（3）IP数据报，ARP请求/应答，RARP请求/应答：

1）IP数据报：

存储业务数据的数据报，最大长度是1500字节，主要取决于MTU（数据链路层数据报所能承载的最大数据长度），不同的数据链路层的MTU不同（和物理介质有关）。

2）ARP/RARP请求/应答：

不存储任何业务数据，只是进行辅助转发的协议。

以太网数据报具体转发过程：

也是类似于IP数据报转发的过程，在交换机内部有一个类似于“路由表”的一个数据结构-“转发表”（就是用ARP协议实现的）。

3.应用层

3.1 DNS（域名解析系统）

使用IP地址，来描述一个设备在网络上的位置。

eg：www.baidu.com，www.sogou.com....这些就是域名，由于IP地址难以进行宣传（并且不容易理解），所以引入域名来解决上述问题。

通过DNS把域名翻译成一个IP地址（把域名和IP地址想像成是一对键值对）。

最早的DNS，是通过一个hosts文件来存储域名和IP地址的映射的关系，但是这种方式很麻烦，于是就有一些大佬，搭建了一组DNS服务器，把这样的映射关系存储在服务器中。如果想要访问某个域名，就会先要请求这个服务器，然后服务器响应返回当前域名对应的IP，然后就可以访问目标网站。后续如果有域名的更新，只需要更新这个服务器中的内容即可，不用修改每个用户电脑中的hosts文件。

但全世界每时每刻都会有很多设备要进行DNS的请求，那么这一组服务器能接受这么高的请求量吗？

很明显是不能的，一个服务器能接受的请求量有限，也就是一个服务器的硬盘资源是有限的，服务器处理每个请求都是要消耗一定的资源的，单位时间内，申请的请求越多，消耗的资源越多，当消耗的资源超过了服务器的上限，机器就挂了。

为解决上述问题，就需要做到“高并发”，核心思路就两条：

（1）开源：

搭建DNS的程序员就号召各大网络运营商自行搭建一组“DNS镜像源服务器”，镜像服务器的数据由他们这边来进行负责上传，此时用户访问域名就是访问离自己最近的DNS镜像服务器。

（2）节流：

假如现在一台设备要对某个域名进行10次访问，第一次访问时候，还是会访问就近的镜像服务器，然后通过响应返回的IP访问对应的网站，同时浏览器会存储一下当前访问的结果，在后续访问相同域名时，就直接使用第一次访问的结果即可。

3.2 HTTP

HTTP是一个文本格式的协议，所以在网络传输过程中经常会被压缩，压缩之后体积变小，这样在传输的时候就可以节省网络带宽（网络带宽是硬件最珍贵的资源）。

而UDP/TCP/IP是二进制格式的协议，不需要进行压缩。

3.2.1 URL

计算机中一个比较重要的概念，在很多地方都会设计到。

格式：

解析：

（1）登录信息（认证）：现在几乎不会使用了。

（2）服务器地址：可以是IP地址也可以是域名。

（3）服务器端口号：判断当前是哪个应用程序。

对HTTP请求来说默认访问的是80端口；对HTTPS请求来说默认访问443端口。

（4）资源路径：描述了你要访问服务器的哪个资源。

（5）查询字符串：是一种键值对结构的数据，以?开头，用&来分割不同的键值对，键和值之间使用 = 分割。一个URL的query string中的键值对可以有很多个。对于一些特殊的字符：+，/，?，:已经在URL中有特殊用途的字符，此时需要在进行query string的书写时就需要进行转码（ASCII），用%表示转义。（如果出现中文字符，也需要进行转码）

（6）片段标识符：有的网页内容比较长就可以分成多个“分段”，通过分段标识符就可以完成页面内部的跳转。

3.2.2 HTTP的请求

（1）请求方法：

主要常用的也就是GET，POST和PUT。

关于GET和POST：

对于HTTP请求方法的初心就是为了表示不同的“语义”，但是在实际使用过程中，初心已经被遗忘了，实际上程序员如何使用，凭借自己的心意，所以目前来说GET和POST请求没有任何区别，要说有区别也只是使用习惯上造成的差异：

1）GET请求通常将传递的数据放在query string中，而POST请求通常将要传递的数据放在body中。（当然GET请求也不是不可以将数据放在body中，只是使用习惯上的差异）

2）GET请求通常用来获取资源，而POST请求通常用来提交资源（比如：登录，上传文件）

说法误区：

1）GET请求传递的数据量有限，POST传递的数据量时无限的。

这是一个历史遗留问题，早期的计算机硬件资源匮乏，所以针对URL的query string的长度做出了限制，但现在的计算机的硬件资源已经很富有了，所以query string中能存放的数据量可以很大，甚至也可以使用它上传一些照片/文件。

2）GET请求传递数据是不安全的，POST请求传递数据是安全的。

这个问题也就是来忽悠一下小白，安不安全这个问题在于请求能不能被获取到/是否进行加密。

请求被获取到对于现在来说很简单，随便使用一个抓包工具都可以获取到，也就是也可以拿到query string和body中的内容。所以安全不安全的关键就在于是否进行了加密，而HTTP是明文传输，后续会介绍到HTTPS，它是密文传输。

3）GET请求只能传输文本数据，POST请求能传输文本数据和二进制数据。

GET请求也可以将二进制数据放在body中进行传输。

（2）报头（header）：

1）Host：服务器的地址，使用代理的话有可能不同。

2）Content-length：body的数据长度

3）Content-type：body的数据格式

content-length和content-type属性得要有body才会有。后续处理请求的时候，不同的数据格式服务器处理的逻辑不同，同样返回给浏览器数据的时候，也可能设置一下数据格式，不同的数据格式浏览器也有不同的处理方式。

有哪些格式：

请求：

json，form表单，form-data

上传文件的时候会用到后面两种请求中body的数据格式。

响应：

html，css，js，json，图片。

4）User-Agent：

可以用来查看一台什么样的设备在哪进行上网（哪个浏览器）。现在主要用来区分是PC端还是移动端（一个页面在PC端/移动端可能显示的不一样，所以可以用该属性来进行区分一样，什么样的用户端返回对应的页面）。

5）Referer：

描述了当前页面是从哪跳转过来的。Referer的存在可能就用来计算钱的。

eg：搜狗的广告搜索，按照单击计费，用户如果点击了，意味着可能对这块内容感兴趣，进一步就可能促进消费，按照点击计费，也就是单位时间内点击广告多少次=>搜狗和广告主都需要进行统计，此时搜狗就需要通过referer来判断当前页面是不是通过搜狗页面跳转而来，广告主不可能只在一家公司投广告，可能还会在其他地方投广告，所以也需要通过referer来区别不同页面跳转而来，

6）Cookie：

可以认为是浏览器存储数据的一种机制。

浏览器的数据来源于服务器，服务器这边管理了一些核心的1数据，但是程序运行过程中，也会有一些数据，需在浏览器中存储的，后续也可能需要将这些数据发送给服务器（比如上次登录时间，上次访问信息，用户的身份信息，临时性的数据存储在浏览器中比较合适）。

更容易想到的时候，把这些数据存储在本地文件中，但是实际上是不可行的，浏览器为了安全性禁止网页直接访问电脑的本地文件。为了提高安全性就引入了Cookie（也是按照文件的方式保存，但是浏览器把操作文件给封装了，网页只能通过往cookie中存储键值对），后续服务器在发送请求的时候，就会把cookie中的内容给自动带入请求中，传递给服务器，服务器通过cookie中的内容来做逻辑上的一些处理。