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计算机网络复习

news 来源：原创 2025/9/15 18:48:14

1. 前言

2.五层模型

1.应用层

2 传输层

3.网络层

4. 数据链路层

编辑5. 物理层

3.UDP/TCP协议

UDP协议

TCP协议

4. HTTP/HTTPS协议

1. 前言

博主目前大四, 备战春招, 复习一下计网, 大家也可以看看我的文章. 共同学习, 如有不足之处欢迎指正.

2.五层模型

在计网中, 有一个很重要的概念就是协议分层, 上层协议无需关注下层做了什么工作, 只需要调用下层提供的接口即可(一般在程序猿的视角里, 大部分调用的是应用层协议,来完成相对应的工作, 这层协议也是平时打交道最多的一层协议)

下图是OSI七层网络模型, 是最初的大佬们设计出来的方案, 后面由于太过于复杂, 所以舍弃了这种设计, 把应用层, 表示层, 会话层合并为应用层.

接下来, 我将从上到下给大家逐步介绍一下这些协议分别有什么作用,以及常见协议的特点. 并且用微信发送消息来举例, 描述一下各协议是如何工作的.

1.应用层

常见协议: HTTP, HTTPS, WebSocket

应用层协议是平时程序员打交道最多的一层, 为应用程序之间的通信提供了规则, 它负责的是把数据进行封装成应用层数据包, 来发送给传输层, 用我们常见的微信发消息距离, 比如a要发送给b一个"你好", 应用层就会封装这个"你好" 成应用层数据包, 假如约定的格式如下:

发送微信号; 接收方微信号; 发送时间;消息正文

11111; 22222; 2025-2-22 20:28:00; 你好

应用程序就会调用操作系统的api, 把这个数据包交给传输层, 至于传输层怎么做的, 应用层无需关心. 只需要调用api并发送过去即可

2 传输层

常见协议: TCP/UDP

TCP和UDP协议是两种常见的, 不同传输层协议

其中: TCP协议是可靠的, 有连接的, 面向字节流, 全双工的

UDP协议是不可靠的, 无连接, 面向数据报, 全双工的

传输层的主要职责是确保数据能够在网络中从源端传输到目的端，并且保证数据的完整性和可靠性。它提供了端到端的数据传输服务，并且对数据进行分段和重组，以适应不同网络环境的传输需求.

如果是TCP协议并且之前没有建立连接, 在这一层还需要做的工作就是通过三次握手建立连接.

此时这个微信消息在传输层这里, 会进行一次封装, 在这条数据前面加上报头

报头里面最主要存放的数据就是, 源端口号, 目的端口号

此时这个封装好的数据包就会继续调用网络层的api, 交给下层继续封装

3.网络层

常见协议: IP协议

网络层的作用是, 通过目标IP地址,将数据从源主机经过多个网络和多段链路传输到目的主机, 在路由器的路由表中进行寻址, 和路由选择(会有一个字段,记录跳转了多少次路由器, Linux默认最大次数为64, windos默认最大为128, 如果超过64次还没有找到目标ip, 则把这个数据包丢失, 防止路由环路无法到达目的地, 并且消耗网络资源) ,并最终连接到目标IP对应的设备.

此时这个微信消息在网络层这里, 会进行一次封装, 在这条数据前面加上IP报头

这里也会包含一些辅助信息, 其中最关键的就是源IP地址和目标IP地址

构造完完整的IP数据包, 继续调用数据链路层的接口, 来完成下一层的传输

4. 数据链路层

数据链路层协议: 以太网

以太网就是我们日常最常见的有线网络, 主要是交换机负责传输, 数据链路层主要负责的是mac地址寻址. 找到对应的mac设备

此时这个微信消息会被在这一层封装成帧, 确保数据能够传输下去到达物理层

5. 物理层

物理层涉及到硬件设备, 提供了网络通信的硬件设施, 它的主要作用就说把数据链路层传来数据帧给转化为光信号/电信号

通过这样一系列操作, 最终可以把数据从家里发送出去

这时候如果到了接收方这里

假设接收方是b

1. b会把收到的光信号/电信号转化为数字信号(0和1) 得到一个以太网数据帧, 进一步把这个以太网数据帧较给数据链路层来处理

2. 数据链路层又会按照以太网数据帧的格式, 来解析出来, 取出载荷, 交给网络层

3.网络层按照IP协议格式进行解析, 取出载荷较给传输层

4.传输层按照UDP协议进行解析, 取出载荷交给应用层

5.到了应用层这里, 就会和对应的程序进行解析数据, 微信这个程序拿到这个数据以后, 就解析出然后弹出对方发送的消息. 发送时间, 然后显示到聊天窗口, 这些步骤其实就是把上述过程反过来, 称为分用.

3.UDP/TCP协议

UDP协议

UDP协议的数据报较为简单, 主要是8个字节的头部报头和载荷(最大为64kb)

其中报头部分包含源端口, 目标端口, 数据长度, 校验和

由于数据长度采用两个字节来规定, 所以一个UDP数据报的最大就是65535个字节 - 64kb 无法更大了

而端口号也是16位的, 所以端口的取值范围是0-65535

校验和的目的主要是为了校验数据在传输过程中是否损坏, 如果损坏就丢掉, 避免将错就错

TCP协议

相比于UDP协议, TCP协议则更加的复杂, 为了保证可靠性, 牺牲了性能, 也做了很多的处理.

TCP协议的报头大小是20个字节

后面包含了选项(可选无或者有)

保留位(6) 方便后续扩展

标志位(6) TCP协议核心的部分

校验和(16位) 类似于UDP的校验和, 把报头和数据载荷放在一起计算校验和

序号和确认序号则是为了保证UDP协议的重要特性, 可靠传输

首先在发送数据的时候,

在 TCP 连接建立时，发送方会选择一个 初始序号，这是一个随机值（防止预测攻击）。
每个 TCP 段的序号字段表示该段中第一个字节的序号。
例如，如果初始序号为 1000，且发送的数据长度为 100 字节，则下一个 TCP 段的序号为 1100。

接收数据的一方

收到这个序号以后, 就会把这个序号+1 (确认序号) 发送给发送方

发送方再把这个+1后的确认序号数据, 放到发送方的序号里面发送过去, 来保证数据的可靠传输

TCP协议并没有对数据的大小做出限制, 理论上可以发送无限大的数据, 并且会自动带有分片,组合的功能, 所以如果大数据传输且需要保证稳定性的话, 更推荐使用tcp协议

通过序号和确认序号, tcp可以在不可靠的网络中提供可靠的网络数据传输

这背后还有很多操作来兼顾可靠性和性能, 如超时重传, 滑动窗口, 拥塞控制, 延时应答, 捎带应答等

这里就不过多阐述了

4. HTTP/HTTPS协议

HTTP协议又叫超文本传输协议, 基于TCP协议的应用层协议, 如今被广泛使用, 最主要的应用场景就说网站, 游览器和服务器之间传输数据, 客户端(pc, 手机等)和服务器之间的数据传输, 也很可能是HTTP协议.

客户端发送一个HTTP请求, 服务器回一个HTTP响应. 是典型的一问一答

而一个HTTP请求包含四个部分

分别为

1. 首行方法/ url/ 版本号

分别是get, post等方法, 网站的url. 后面跟HTTP版本号

而在响应中这一行是版本号/ 状态码/ 状态码的描述

2. 请求头

属于key-value的键值对格式里面包含了很多信息如: 游览器类型等 cookie也存储在这里还有host这种请求的主机名

3. 空行

请求头下面的空行, 可以作为请求头的结束标志

4. body

HTTP的载荷部分

5.HTTPS

http属于明文传输, 不是很安全, 容易被黑客拦截到, 所以现在很多都在用https这种协议

https是基于http做的, 属于加密版本的http,

至于加密的过程, 可以分为以下几点;

1. 引入对称加密

将数据进行对称加密

客户端和服务器使用同一个密钥, 不同的客户端要使用不同的密钥

2.引入非对称加密

由于密钥非常重要, 而且如果密钥传输的过程中, 被黑客拿到了就很不安全, 所以密钥这一部分使用非对称加密确保密钥的安全性

完整的过程如下:

(1) 客户端连接上服务器以后, 从服务器拿到公钥(公开的 ,谁都可以拿到)

(2) 客户端生成对称密钥, 用公钥加密这个对称密钥传输给服务器

(3) 服务器用私钥解密对称密钥出来由于私钥只有服务器自己知道 , 所以相对安全

(4) 后续就可以使用对称加密的方法来进行加密传输数据了

即使是这样, 也存在着很大的安全漏洞

如果黑客使用中间人攻击, 即冒充服务器

此时, 客户端这边以为自己是在和服务器交流, 就用已经被黑客知道自己加密后的对称密钥来加密数据, 黑客自然知道你要发送什么数据, 然后在使用自己伪造客户端发送的对称密钥加密数据, 发送给服务器, 服务器的响应自然自己也都知道.

黑客不需要关心服务器的公钥私钥是什么, 自己生成一对就行了, 生产公钥和私钥的算法是公开的, 服务器能生, 黑客也可以

黑客可以使用自己的私钥进行解密对称密钥, 拿到了key1

继续使用从服务器拿到的p1对key进行加密, 并且传输给服务器

这种方式的攻击如何避免呢? 就要用到证书了, 一个证书的构成大概如下图所示:

1 证书是一个结构化的数据有很多属性

2 证书有一系列信息如: 主机名, 公钥, 证书有效期, 公证机构信息, 证书的签名(公证机构使用自己的私钥对校验和进行加密, 就是签名了) 签名本质上就是一个经过加密的校验和

3 证书是搭建服务器的人, 从第三方公证机构申请

验证证书的过程:

客户端拿到证书以后, 主要做两件事

1. 用一样的校验算法, 把证书的其他字段都算一遍得到校验和1

2.用系统内置的公证机构公钥, 对证书的签名解密, 得到校验和2

对比一下 ,就可以判断是不是原版证书

服务器的私钥和第三方公证机构的私钥都只有自己知道. 并且证书里的签名, 是证书里除了签名以外的所有数据(域名, 证书过期时间, 公证机构信息等)进行哈希计算后, 在用私钥进行加密后得到的. 有以下情况:

1. 如果黑客企图篡改公钥, 那么篡改后的证书到了客户端这里, 通过本地的哈希算法计算得到的校验和与签名通过公钥解密后得到的校验和并不一致, 所以行不通

2. 如果黑客企图篡改签名, 但是它并没有第三方公证机构的私钥, 所以也篡改不了

3. 如果黑客企图篡改公钥和签名, 用自己的私钥来构造签名, 那么到了用户这里, 通过公钥并不能解密出来这个签名, 自然也失败了

4. 如果黑客申请一个证书, 但是证书里包含了有域名, 客户端拿到了以后, 发现域名都不一致, 所以也行不通,

所以基于以上的情况, 证书基本上能够杜绝中间人篡改数据.

1. 前言

2.五层模型

1.应用层

2 传输层

3.网络层

4. 数据链路层

5. 物理层

3.UDP/TCP协议

UDP协议

TCP协议

4. HTTP/HTTPS协议

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