网络安全--20250213计算机网络(1)

林浣
119 阅读8分钟

关于OSI模型:

层名称功能
应用层网络服务于最终用户端的一个接口
表示层数据的表示、安全、压缩、加密等
会话层建立、管理终止会话
传输层定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验
网络层进行逻辑地址寻址，实现到达不同网络的路径选择
数据链路层建立逻辑连接、硬件地址寻址、差错校验等功能
物理层建立、维护及断开物理连接

结合资料和我的理解：

想象在这样一个背景下，有成百上千的村庄，把所有的计算机比作居民，村庄里有许多村民和驿站，村外也分布有驿站。

第一层：物理层

类似于连接村庄的土路、牛车等基础交通工具

功能：
  • 负责将比特流（0和1）通过物理介质（如光纤、电缆）等传输
  • 对应村庄间的土路和运输工具，决定数据如何“物理移动”
实体：
  • 网线/光纤：相当于土路，提供物理传输通道
  • 信号：相当于牛车上的货物，是数据的物理载体

第二层：数据链路层

类似于村庄内的驿站，MAC地址相当于门牌号

功能：
  • 将比特流组装成帧，通过MAC地址在局域网内精准投递
  • 类似驿站根据门牌号把信件送到本村住户
实体：
  • MAC地址：每个住户的唯一门牌号，用于标识村内设备（如计算机网卡）
  • 交换机：相当于驿站管理员，记录门牌号（MAC地址表），确保信件在村内正确传递

第三层：网络层

类似于村庄外的驿站，IP地址类似于村庄地址

功能：
  • 通过IP地址跨村庄（网络）寻址，选择最佳路径（路由）
  • 类似于驿站长决定信件送往哪个村
实体：
  • IP地址：村庄的全局地址（如“北京村3号”），用于跨网络定位目标
  • 路由器：村外驿站，根据IP地址表来决定信件转发方向

第四层：传输层

类似于驿站内的分拣员（TCP/UDP协议）

功能：
  • 确保端到端可靠传输（TCP）或快速传输（UDP）
  • 类似分拣员送信件到收件人手中确保安全，或直接投递不保证安全
实体：
  • 端口号：住户的具体收件人（如张三或李四），标识应用程序
  • TCP协议：分拣员要求收件人签收回执，确保信件不会丢失（以防丢包）
  • UDP协议：分拣员直接投递，不确认是否收到（可能丢包）

第五层：会话层

类似于驿站内的通信协调员

功能：
  • 建立、管理、终止会话（如视频通话的持续连接）
  • 类似协调员安排张三和李四持续通信的时间段

第六次：表示层

类似于驿站内的翻译官

功能：
  • 数据转换格式（加密、压缩、编码）
  • 类似把英文信件翻译成中文信件，或把密文解密为明文

第七层：应用层

类似于写信的村民（应用程序）

功能：
  • 提供用户可直接使用的服务（如网页浏览、邮件发送）
  • 类似村民写出信件内容（HTTP请求、邮件正文）

实例：北京村村民张三发送消息给上海村村民李四

发送：
  1. 应用层（用户生成数据）：
  • 数据单元：原始数据（如HTTP请求、消息内容）
  • 设备：用户应用程序
  • 过程：
    • 张三在电脑上输入“Hello”并点击发送
    • 应用层把数据交给传输层
  1. 传输层（输到端可靠传输）
  • 数据单元：段
  • 设备：操作系统内核（处理端口号）
  • 操作：
    • 添加源端口号（如5000）和目标端口号（如HTTP的80）
    • 若使用TCP还会添加序列号、校验和等
  1. 网络层（跨网络寻址）
  • 数据单元：包
  • 设备：路由器（处理IP地址）
  • 操作：
    • 添加源IP地址（张三192.168.1.1）和目标IP地址（李四10.1.1.2）
    • 若目标IP不在同一子网，数据包会被发给默认网关（路由器）
  1. 数据链路层（局域网投递）
  • 数据单元：帧
  • 设备：交换机（处理MAC地址）
  • 操作：
    • 添加源MAC地址（张三网卡AA:AA:AA:AA:AA:AA）和目标MAC地址
      • 目标在同一子网：直接使用李四的MAC地址
      • 目标不在同一子网：使用默认网关（路由器）的MAC地址
    • 添加帧头（MAC地址）和帧尾（CRC校验）
  1. 物理层（信号传输）
  • 数据单元：比特流
  • 设备：网卡、光纤、网线
  • 操作：
    • 将帧转换为电信号（以太网）或光信号（光纤）
    • 通过物理介质传输到交换机或路由器
接收：
  1. 物理层（信号接收）
  • 设备：网卡、光纤接收器
  • 过程：把信号还原成比特流
  1. 数据链路层（帧校验和MAC匹配）
  • 设备：交换机、网卡
  • 过程：
    • 把比特流组装成帧，检查CRC校验和
    • 若目标MAC地址匹配本机MAC，则剥离帧头，将IP交给网络层
  1. 网络层（匹配IP地址）
  • 设备：路由器
  • 过程：
    • 检查目标IP地址是否为本机IP
    • 匹配成功剥离IP头部，将TCP段给传输层
  1. 传输层（端口分发）
  • 设备：操作系统内核
  • 过程：根据目标端口号（80）把数据交付给对应的应用程序（如Web服务器）
  1. 应用层（数据交给用户）
  • 设备：应用程序
MAC地址变化 路由器剥离原帧头重新封装
  1. 北京村内（源子网）
  • 源MAC地址：张三的MAC
  • 目标MAC地址：北京村路由器（网关）的地址
  1. 北京村路由器转发
  • 新源MAC地址：北京村路由器出接口的MAC
  • 新目标MAC地址：上海村路由器的MAC
  1. 上海村内（目标子网）
  • 源MAC地址：上海村路由器的MAC
  • 目标MAC地址：李四的MAC

如何理解IP地址对应村庄的地址以及MAC地址对应门牌号？

IP地址的本质是：逻辑上的“村庄地址”

  • 分层设计：IP地址是分层的，如192.168.1.0/24，分为网络部分（村庄地址）和主机部分（居民地址）
  • 如192.168.1.0/24表示的“北京村”，那么192.168.1.2是该村内的一个居民
  • 路由器（村外驿站）只需关心村庄地址也就是网络段

MAC地址的本质：物理上的“门牌号”

  • 扁平化设计：MAC地址是唯一的、无层次的（如00:1A:2B:3C:4D:5E），直接标识设备
  • 交换机在村内（局域网）通过MAC地址的IP地址的映射（MAC地址表），将数据精准投递给目标设备

现实中的例子：快递包裹

  • IP地址：相当于包裹上的“省-市-区”，帮助快递分拣中心决定送往哪个区域
  • MAC地址：相当于“街道-门牌号-收件人姓名”，确保快递员在区域内精准投递，所以MAC地址只在局域网内（村内）有效。

物理层与数据链路层的协作

发送端：自上而下

1.数据链路层：

  • 将数据数据封装成帧，包含源MAC地址和、目标MAC地址、校验和等
  • 类似驿站管理员把信件装入信封，写上发件人、收件人门牌号

2.物理层：

  • 将帧的比特流转换为物理信号，通过网线、光纤等介质传输
  • 类似把信封装上车然后运出村庄
接收端：自下而上

1.物理层：

  • 接收物理信号，将其还原成比特流
  • 类似车把信件运到目标村庄的驿站

2.数据链路层：

  • 将比特流重新组装成帧，检查校验和（如CRC）确保数据未损坏
  • 若目标MAC地址匹配本地设备则接收数据；否则丢弃或转发
  • 类似驿站管理员拆开信封，核对门牌号后投递给村民
关键区别
特性物理层数据链路层
数据处理单位比特帧
核心功能物理信号传输帧封装、MAC寻址、错误检测
依赖硬件网线、光纤、网卡、集线器交换机、网卡
错误处理无通过校验和检测错误丢弃损坏帧
寻址方式无MAC寻址

关键结论：

  • MAC地址变化：只在跨网络传输时，路由器的接口MAC会替换原MAC地址
  • 分层协作：
    • 高层（应用层、传输层）关注数据内容和端到端逻辑
    • 低层（网络层、数据链路层、物理层）关注寻址和物理传输
  • 设备分工：
    • 交换机处理MAC地址（数据链路层）
    • 路由器处理IP地址（网络层）
    • 网卡和网线处理物理信号（网络层）
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