第3天：OSI七层模型

# day03_osi_demo.py
# 功能：演示OSI七层模型的数据封装和解封装过程

class OSILayer:
    """OSI模型的基础层类"""

    def __init__(self, name, layer_num):
        self.name = name
        self.layer_num = layer_num

    def encapsulate(self, data):
        """封装数据：添加本层头部"""
        header = f"[{self.name}头部]"
        return header + data

    def decapsulate(self, data):
        """解封装数据：移除本层头部"""
        header = f"[{self.name}头部]"
        if data.startswith(header):
            return data[len(header):]
        return data


class PhysicalLayer(OSILayer):
    """物理层：第1层"""

    def __init__(self):
        super().__init__("物理层", 1)

    def encapsulate(self, data):
        """将数据转换为比特流"""
        bits = ''.join(format(ord(c), '08b') for c in data)
        print(f"📡 {self.name}: 将数据转换为比特流")
        print(f"   比特流(前64位): {bits[:64]}...")
        return bits

    def decapsulate(self, bits):
        """将比特流转换为数据"""
        chars = []
        for i in range(0, len(bits), 8):
            byte = bits[i:i+8]
            if len(byte) == 8:
                chars.append(chr(int(byte, 2)))
        data = ''.join(chars)
        print(f"📡 {self.name}: 将比特流转换为数据")
        return data


class DataLinkLayer(OSILayer):
    """数据链路层：第2层"""

    def __init__(self):
        super().__init__("数据链路层", 2)

    def encapsulate(self, data):
        """添加MAC地址（帧头和帧尾）"""
        mac_src = "AA:BB:CC:DD:EE:FF"  # 源MAC地址
        mac_dst = "11:22:33:44:55:66"  # 目标MAC地址
        frame = f"[帧头|源MAC:{mac_src}|目标MAC:{mac_dst}]{data}[帧尾|CRC校验]"
        print(f"🔗 {self.name}: 添加MAC地址")
        print(f"   源MAC: {mac_src}")
        print(f"   目标MAC: {mac_dst}")
        return frame

    def decapsulate(self, frame):
        """移除MAC地址"""
        # 简化处理：移除帧头和帧尾
        start = frame.find("]") + 1
        end = frame.rfind("[")
        data = frame[start:end]
        print(f"🔗 {self.name}: 移除MAC地址")
        return data


class NetworkLayer(OSILayer):
    """网络层：第3层"""

    def __init__(self):
        super().__init__("网络层", 3)

    def encapsulate(self, data):
        """添加IP地址"""
        ip_src = "192.168.1.100"  # 源IP地址
        ip_dst = "93.184.216.34"  # 目标IP地址（example.com）
        packet = f"[IP头|源IP:{ip_src}|目标IP:{ip_dst}|TTL:64]{data}"
        print(f"🌐 {self.name}: 添加IP地址")
        print(f"   源IP: {ip_src}")
        print(f"   目标IP: {ip_dst}")
        return packet

    def decapsulate(self, packet):
        """移除IP头部"""
        start = packet.find("]") + 1
        print(f"🌐 {self.name}: 移除IP头部")
        return start and packet[start:] or packet


class TransportLayer(OSILayer):
    """传输层：第4层"""

    def __init__(self):
        super().__init__("传输层", 4)

    def encapsulate(self, data):
        """添加端口号（TCP头部）"""
        port_src = 54321  # 源端口
        port_dst = 80     # 目标端口（HTTP）
        segment = f"[TCP头|源端口:{port_src}|目标端口:{port_dst}|序号:12345]{data}"
        print(f"🚚 {self.name}: 添加端口号（TCP协议）")
        print(f"   源端口: {port_src}")
        print(f"   目标端口: {port_dst} (HTTP)")
        return segment

    def decapsulate(self, segment):
        """移除TCP头部"""
        start = segment.find("]") + 1
        print(f"🚚 {self.name}: 移除TCP头部")
        return segment[start:]


class SessionLayer(OSILayer):
    """会话层：第5层"""

    def __init__(self):
        super().__init__("会话层", 5)

    def encapsulate(self, data):
        """建立会话"""
        session_id = "SESSION-20250105-12345"
        session_data = f"[会话头|会话ID:{session_id}]{data}"
        print(f"💬 {self.name}: 建立会话")
        print(f"   会话ID: {session_id}")
        return session_data

    def decapsulate(self, data):
        """终止会话"""
        start = data.find("]") + 1
        print(f"💬 {self.name}: 解析会话信息")
        return data[start:]


class PresentationLayer(OSILayer):
    """表示层：第6层"""

    def __init__(self):
        super().__init__("表示层", 6)

    def encapsulate(self, data):
        """数据格式转换"""
        # 这里简化为添加编码信息
        formatted_data = f"[格式|编码:UTF-8|压缩:无|加密:无]{data}"
        print(f"🎨 {self.name}: 数据格式处理")
        print(f"   编码: UTF-8")
        return formatted_data

    def decapsulate(self, data):
        """数据格式还原"""
        start = data.find("]") + 1
        print(f"🎨 {self.name}: 数据格式还原")
        return data[start:]


class ApplicationLayer(OSILayer):
    """应用层：第7层"""

    def __init__(self):
        super().__init__("应用层", 7)

    def encapsulate(self, data):
        """生成HTTP请求"""
        http_request = f"GET / HTTP/1.1\\nHost: example.com\\n\\n{data}"
        print(f"📱 {self.name}: 生成HTTP请求")
        print(f"   请求: GET / HTTP/1.1")
        print(f"   主机: example.com")
        return http_request

    def decapsulate(self, data):
        """解析HTTP响应"""
        print(f"📱 {self.name}: 解析HTTP响应")
        return data


class OSIModel:
    """OSI七层模型"""

    def __init__(self):
        # 创建各层对象
        self.layers = [
            ApplicationLayer(),    # 第7层
            PresentationLayer(),   # 第6层
            SessionLayer(),        # 第5层
            TransportLayer(),      # 第4层
            NetworkLayer(),        # 第3层
            DataLinkLayer(),       # 第2层
            PhysicalLayer(),       # 第1层
        ]

    def send_data(self, data):
        """发送数据：从应用层到物理层"""
        print("=" * 70)
        print("📤 数据发送过程（封装）".center(70))
        print("=" * 70)
        print(f"\n原始数据: {data}\n")

        current_data = data

        # 从应用层到物理层，逐层封装
        for layer in self.layers:
            print(f"\n{'▼' * 35}")
            current_data = layer.encapsulate(current_data)
            if layer.layer_num > 1:  # 物理层的输出太长，不显示完整数据
                print(f"   数据长度: {len(current_data)} 字符")

        print("\n" + "=" * 70)
        return current_data

    def receive_data(self, data):
        """接收数据：从物理层到应用层"""
        print("\n" + "=" * 70)
        print("📥 数据接收过程（解封装）".center(70))
        print("=" * 70)

        current_data = data

        # 从物理层到应用层，逐层解封装
        for layer in reversed(self.layers):
            print(f"\n{'▲' * 35}")
            current_data = layer.decapsulate(current_data)

        print(f"\n最终数据: {current_data}")
        print("=" * 70)

        return current_data


def main():
    """主函数"""
    print("=" * 70)
    print("OSI七层模型数据封装演示".center(70))
    print("=" * 70)
    print("\n📚 本程序演示OSI七层模型的数据封装和解封装过程")
    print()

    # 创建OSI模型
    osi = OSIModel()

    # 要发送的数据
    original_data = "Hello, Network World!"

    print(f"🎯 准备发送数据: \"{original_data}\"")
    print()

    # 发送数据（封装过程）
    transmitted_data = osi.send_data(original_data)

    # 模拟数据传输
    print("\n" + "⚡" * 35)
    print("   数据通过网络传输中...")
    print("⚡" * 35)

    # 接收数据（解封装过程）
    received_data = osi.receive_data(transmitted_data)

    # 验证
    print("\n" + "=" * 70)
    print("✅ 传输完成！".center(70))
    print("=" * 70)
    print(f"\n发送的数据: {original_data}")
    print(f"接收的数据: {received_data}")

    if "Hello, Network World!" in received_data:
        print("\n🎉 数据传输成功！")
    else:
        print("\n❌ 数据传输失败！")


if __name__ == "__main__":
    main()

cd code/day03
python day03_osi_demo.py