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应用层位于TCP/IP协议栈的最顶层是用户与网络通信的接口。这一层包括了各种高级应用协议如HTTP用于网页浏览、FTP用于文件传输、SMTP用于电子邮件和DNS用于域名解析。应用层协议规定了应用软件如何通过网络进行通信处理特定类型的网络活动并为用户提供直观的操作界面。
传输层
传输层负责在网络中不同主机间的数据传输。这一层主要使用两种协议TCP传输控制协议和UDP用户数据报协议。TCP提供可靠的、有序的数据传输通过三次握手建立连接确保数据完整性。UDP则提供更快但不保证数据完整性的连接适用于对速度要求高但可以容忍一定丢包的应用如视频流和在线游戏。
网络层
网络层处理数据包在网络中的路由和转发。最重要的协议是IP互联网协议它为每个网络设备分配一个独特的地址IP地址确保数据包能够找到正确的目的地。网络层决定数据包的最佳路径通过路由器进行数据包转发并处理不同网络之间的互连问题。
数据链路层
数据链路层负责在相邻网络节点间的数据传输。这一层将数据封装成帧然后进行物理传输。它同时也负责错误检测和纠正确保数据在局部网络中的准确传输。此层中的以太网Ethernet是最常见的技术标准用于有线网络中。
物理层
物理层是协议栈中最基础的部分负责在物理媒介上进行原始数据的传输。这包括了电缆、光纤、无线电波等传输媒介的使用以及数据的编码和信号调制。物理层确保数据可以在不同的物理设备间传输无论是通过电缆还是无线方式。
示例 在Web浏览会话中应用层主要使用HTTP协议。当用户在浏览器中输入一个网址或点击一个链接时浏览器会通过HTTP协议向服务器发送请求。HTTP协议规定了这些请求和响应的格式。
传输层 - TCPHTTP请求通过传输层的TCP协议传输。TCP提供可靠的数据传输服务确保数据包的正确顺序和完整性。在TCP层数据被分割成小的段并在到达目的地后重新组合。
网络层 - IPv4网络层使用IP协议这个例子中是IPv4来处理数据包的寻址和路由。每个数据包都包含源IP地址和目的IP地址这些地址确保数据包能够正确地路由到目的地。
数据链路层 - Ethernet在数据链路层数据包被进一步封装为帧用以在局部网络中的物理设备之间传输。以太网是最常见的数据链路层技术。
物理层 - 物理信号最后在物理层数据以电子或光信号的形式通过物理媒介如铜线、光纤或无线电波进行传输。
TCP 和 UDP 使用端口允许主机之间的多个主机之间的同时连接 公共IP地址作为唯一标识符公共IP地址是分配给网络中每个设备的独特标识符。在互联网上每个设备的IP地址必须是唯一的以确保数据可以准确地发送到正确的目的地。TCP和UDP的端口使用TCP传输控制协议和UDP用户数据报协议都使用端口号来管理多个连接。端口号允许一个IP地址上的不同应用或服务进行区分。例如HTTP通常使用端口80HTTPS使用端口443。这样即使多个服务在同一IP地址上运行也能够被正确地区分和访问
NAT 在多台主机之间共享同一个 IP 地址多个主机共享同一 IP 地址以应对 IPv4 短缺问题 网络地址转换(NAT)NAT是一种在IPv4地址不足的情况下广泛使用的技术。它允许多个设备共享同一个公共IP地址通过在私有网络和公共网络之间转换IP地址来实现。这样内部网络中的多个设备可以使用私有IP地址而对外表现为单一的公共IP地址。IP数据包的基本结构IP数据包包括一个头部和数据部分。头部包含了重要的控制信息如源IP地址、目的IP地址、版本号、长度等。这些信息对于正确路由和传输数据包至关重要。
IP数据包在网段上的传递不涉及路由器
为了到达同一网络链路中的计算机IP 数据包被封装在数据链路帧中最常见在有线帧中是以太网
以太网实现基本链路功能例如冲突避免和 CRC
网卡仅将那些发往该主机的帧传递给操作系统即以其 MAC 地址作为目的地 IP漏洞和路由
互联网最初的设计没有将安全作为首要考虑因素导致了许多潜在的安全漏洞。随着网络攻击的增加改进网络安全成为了一个重要的挑战。
路由算法决定了数据包在网络中的传输路径。BGP边界网关协议是互联网上使用的主要路由协议。然而BGP自身存在安全问题如路由劫持这可能导致数据流量被错误地或恶意地重定向。
IPSec 和 IPv6
IPSec 为 IP 添加身份验证和加密
IPSec 可以验证和加密每个 IP 数据包。IPSec是一个在网络层提供认证和加密的协议框架以增强数据传输的安全性。它包括两种模式传输模式和隧道模式。传输模式只加密IP数据包的数据部分而隧道模式则加密整个IP数据包。
安全关联 (SA)在通信开始之前定义端点之间——指定用于身份验证和加密的算法并通过 IPSec 密钥交换 (IKE) 交换密钥身份验证标头 (AH)IP 扩展提供数据报的身份验证和完整性加上时间戳以防止重放攻击封装安全有效负载 (ESP)对 IP 的扩展提供身份验证、完整性和机密性加密
IPv6应对了IPv4地址耗尽的问题提供了几乎无限的地址空间。它还引入了一些其他改进如自动地址配置、更简单的头部格式和改进的安全性例如内置IPSec支持。
IPSec有两种模式传输主机到主机和隧道VPN
在传输模式下IPSec 被“添加”到原始数据包中。 AH 可以为 IP 标头和有效负载提供完整性通过散列和身份验证问题IP 选项是可变的并且可以在传输过程中更改因此被排除在外 。
在隧道模式下原始数据包封装在 IPSec 中例如 用于虚拟专用网络 (VPN) 网关将 IP 数据包封装到附加的 IP 标头中一旦数据包到达另一个网关该标头就会被删除。网络中的主机看到彼此就好像它们在同一网络中一样。IPv6的引入大大增加了可用的IP地址数量并带来了其他改进例如自动配置和简化的路由器处理。
