《TCP/IP详解卷1：协议》——第2章：链路层（转载）

1、引言

从图1-4可以看出，在TCP/IP协议族中，链路层主要有三个目的：

（1）为IP模块发送和接收IP数据报；

（2）为ARP模块发送ARP请求和接收ARP应答。

（3）为RARP发送RARP请求和接收RARP应答。

TCP/IP支持多种不同的链路层协议，这取决于网络所使用的硬件，如以太网、令牌环网、FDDI（光纤分布式数据接口）及RS-232串行线路等。

在本章主要学习：以太网链路层协议，两个串行接口链路层协议（SLIP和PPP）以及大多数实现都包含的环回（loopback）驱动程序

。

2.2  以太网和IEEE 802封装

（1）以太网

以太网一般是指数字设备公司(Digital Equipment Corp.)、英特尔和Xerox公司在1982年联合公布的一个标准。它是当今TCP/IP采用的主要的局域网技术，它采用一种称作CSMA/CD的媒体接入方法，意思是带冲突检测的载波侦听多路接入。它的速率为10Mb/s，地址为48 bit。

（2）IEEE 802封装

IEEE 802委员会公布了一个稍有不同的标准集，其中802.3针对整个CSMA/CD网络，802.4针对令牌总线网络，802.5针对令牌环网络。这三者的共同特性由802.2标准来定义，那就是802网络共有的逻辑链路控制（LLC）。

注意：IEEE 802.2和802.3定义了一个与以太网不同的帧格式。

（3）相关RFC文档

在TCP/IP中，以太网IP数据报的封装是在RFC 894中定义的。IEEE 802网络的IP数据报封装是在RFC 1042中定义的。

主机需求RFC要求每台Internet主机都与一个10Mb/s的以太网电缆相连接：

1）必须能发送和接收采用RFC 894（以太网）封装格式的分组。

2）应该能接收与RFC 894混合的RFC 1042（IEEE 802）封装格式的分组。

3）也许能够发送采用RFC 1042格式封装的分组。

最常使用的封装格式是RFC 894定义的格式。图2-1显示了两种不同形式的封装格式。每个方框下面是它们的字节长度。

两种封装格式的说明：

最开头的那两个6个字节：

（1）两种帧格式都采用48bit（6字节）的目的地址和源地址（802.3允许使用16 bi的地址，但一般是48 bi地址），称为硬件地址。ARP和RARP协议对32 bi的IP地址和48 bit的硬件地址进行映射。

长度字段：

（2）在802标准定义的帧格式中，长度字段是指它后续数据的字节长度，但不包括CRC检验码。以太网的类型字段定义了后续数据的类型。

之后：

（3）在以太网帧格式中，类型字段之后就是数据；而在802帧格式中，跟随在后面的是3字节的802.2 LLC和5字节的802.2 SNAP。

（4）CRC字段用于帧内后续字节差错的循环冗余码检验（检验和）。

（5）802.3标准定义的帧和以太网的帧都有最小长度要求。802.3规定数据部分必须至少为38字节，而对于以太网，则要求最少要有46字节。

在本书中再需要的时候给出以太网的封装格式，因为这是最为常见的封装格式。

2.4 、SLIP：串行线路IP

SLIP的全称是Serial Line IP。它是一种在串行线路上对IP数据报进行封装的简单形式。SLIP适用于家庭中每台计算机几乎都有的RS-232串行端口和高速调制解调器接入Internet。下面的规则描述了SLIP协议定义的帧格式：

（1） IP数据报以一个称作END（0xc0）的特殊字符结束。同时，为了防止数据报到来之前的线路噪声被当成数据报内容，大多数实现在数据报的开始处也传一个END字符。

如果有线路噪声，那么END字符将结束这份错误的报文。

（2）如果IP报文中某个字符为END，那么就要连续传输两个字节0xdb和0xdc来取代它。0xdb这个特殊字符被称作SLI的ESC字符。

（3）如果IP报文中某个字符为SLIP的ESC字符，那么就要连续传输两个字节0xdb和0xdd来取代它。

图2-2中的例子就是含有一个END字符和一个ESC字符的IP报文。

SLIP是一种简单的帧封装方法，值得一提的缺陷：

（1） 每一端必须知道对方的IP地址。没有办法把本端的IP地址通知给另一端。

（2）数据帧中没有类型字段（类似于以太网中的类型字段）。如果一条串行线路用于SLIP，那么它不能同时使用其他协议。

（3）SLIP没有在数据帧中加上检验和（类似于以太网中的CRC字段）。如果SLIP传输报文被线路噪声影响而发生错误，只能通过上层协议来发现。

尽管存在这些缺点，SLIP仍然是一种广泛使用的协议。

4、压缩的SLIP

由于串行线路的速率通常较低（19200b/s或更低），而且通信经常是交互式的，因此在SLIP线路上有许多小的TCP分组进行交换。为了传送1个字节的数据需要20个字节的IP首部和20个字节的TCP首部，总数超过40个字节。

提出一个被称作CSLIP（压缩SLIP）的新协议，它一般能把上面的40个字节压缩到3或5个字节。它能在CSLIP的每一端维持多达16个TCP连接，并且知道其中每个连接的首部中的某些字段一般不会发生变化。对于那些发生变化的字段，大多数只是一些小的数字和的改变。这些被压缩的首部大大地缩短了交互响应时间。

5、PPP：点对点协议

PPP点对点协议修改了SLIP协议中的所有缺陷。包括三个部分：

（1）在串行链路上封装IP数据报的方法。PPP既支持数据为8位和无奇偶检验的异步模式，还支持面向比特的同步链接。

（2）建立、配置及测试数据链路的链路控制协议（LCP：Link Control Protocol）。它允许通信双方进行协商，以确定不同的选项。

（3）针对不同网络层协议的网络控制协议（NCP：Network Control Protocol）体系。

图2-3是PPP数据帧的格式。

（1）每一帧都以标志字符0x7e开始和结束。紧接着是一个地址字节，值始终是0xff，然后是一个值为0x03的控制字节。

（2）协议字段，类似于以太网中类型字段的功能。当它的值为0x0021时，表示信息字段是一个 IP数据报；值为0xc021时，表示信息字段是链路控制数据；值为0x8021时，表示信息字段是网络控制数据。

（3）CRC字段（或FCS，帧检验序列）是一个循环冗余检验码，以检测数据帧中的错误。

（4）标志字符0x7e出现在信息字段中时，PPP需要对它进行转义。

总的来说，PPP比SLIP具有下面这些优点：

（1）PPP支持在单根串行线路上运行多种协议，不只是IP协议；

（2）每一帧都有循环冗余检验；

（3）通信双方可以进行IP地址的动态协商(使用IP网络控制协议)；

（4）与CSLIP类似，对TCP和IP报文首部进行压缩；

（5）链路控制协议可以对多个数据链路选项进行设置。

为这些优点付出的代价是在每一帧的首部增加3个字节，当建立链路时要发送几帧协商数据，以及更为复杂的实现。

6、环回接口

大多数产品都支持环回接口，以允许运行在同一台主机上的客户程序和服务器程序通过TCP/IP进行通信。A类网络号127就是为环回接口预留的，大多数系统把IP地址127.0.0.1分配给这个接口，并命名为localhost。一个传给环回接口的IP数据报不能在任何网络上出现。

一旦传输层检测到目的端地址是环回地址时，应该可以省略部分传输层和所有网络层的逻辑操作。但是大多数的产品还是照样完成传输层和网络层的所有过程，只是当IP数据报离开网络层时把它返回给自己。图2-4是环回接口处理IP数据报的简单过程。

图2-4的说明：

（1）传给环回地址（一般是127.0.0.1）的任何数据均作为IP输入。

（2）传给广播地址或多播地址的数据报复制一份传给环回接口，然后送到以太网上。这是因为广播传送和多播传送的定义包含主机本身。

（3）任何传给该主机IP地址的数据均送到环回接口。

（4）环回接口可以被看作是网络层下面的另一个链路层。网络层把一份数据报传送给环回接口，就像传给其他链路层一样，只不过环回接口把它返回到IP的输入队列中。从图2-4可以看出，送给主机本身IP地址的IP数据报一般不出现在相应的网络上。

7、最大传输单元MTU

以太网和802.3对数据帧的长度都有一个限制，其最大值分别是1500和1492字节。链路层的这个特性称作MTU，最大传输单元。不同类型的网络大多数都有一个上限。如果IP层有一个数据报要传，而且数据的长度比链路层的MTU还大，那么IP层就需要进行分片，把数据报分成若干片，这样每一片都小于MTU。

8、路径MTU

当在同一个网络上的两台主机互相进行通信时，该网络的MTU是非常重要的。但是如果两台主机之间的通信要通过多个网络，那么每个网络的链路层就可能有不同的MTU。重要的不是两台主机所在网络的MTU的值，重要的是两台通信主机路径中的最小MTU。它被称作路径MTU。

两台主机之间的路径MTU不一定是个常数。它取决于当时所选择的路由。而选路不一定是对称的（从A到B的路由可能与从B到A的路由不同），因此路径MTU在两个方向上不一定是一致的。

9、串行线路吞吐量计算

如果线路速率是9600b/s，而一个字节有8bit，加上一个起始比特和一个停止比特，那么线路的速率就是960B/s（字节/秒）。以这个速率传输一个1024字节的分组需要1066ms。如果用SLIP链接运行一个交互式应用程序，同时还运行另一个应用程序如FTP发送或接收1024字节的数据，那么一般来说就必须等待一半的时间（533ms）才能把交互式应用程序的分组数据发送出去。

对于交互应用来说，等待533ms是不能接受的。研究表明，交互响应时间超过100~200ms就被认为是不好的，这是发送一份交互报文出去后，直到接收到响应信息（通常是出现一个回显字符）为止的往返时间。

注意：我们对平均等待时间的计算（传输最大数据帧所需时间的一半）只适用于SLIP链路（或PPP链路）在交互通信和大块数据传输这两种情况下。