(002)TCP/IP协议-链路层

一、引言

在TCP/IP协议簇中，链路层的作用主要有：(1).为IP模块发送/接受IP数据包；(2).为ARP模块发送ARP请求与接收ARP应答；(3).为RARP模块发送RARP请求与接收RARP应答。
根据所使用的网络硬件不同，TCP/IP协议簇使用不同的链路层协议。不同的网络硬件包括以太网、令牌环网、光纤分布式数据接口（FDDI）、RS-232串行线路等等。
该文将说明一下链路层协议：
- 协议-以太网：事实上的协议（RFC 894封装格式）、标准组织协议（IEEE 802.2/802.3，即RFC 1042封装格式）；
- 协议-串行线路：SLIP/CSLIP与PPP。

二、以太网协议（RFC 894）与IEEE802协议（RFC 1042）

图1. IEEE 802帧（RFC 1042）与以太帧（RFC 894）

图中，各个数字的单位是字节（Byte）。这两种协议，都是以太网上的。以太网协议是事实上的协议，IEEE802协议是标准组织根据以太网协议发布的标准参考协议。这两种协议都有相似的结构（如图）。两种帧格式都是采用48bit（6字节）的目的地址与源地址。这些地址就是我们常说的物理地址（Media Access Control Address，MAC）。

1.以太网帧格式（如图1下半部分）

目标MAC地址，6字节长度；
源MAC地址，6字节长度；
类型区域，2字节长度，用于表示该帧是什么协议帧；
- 当区域值为0x0800，表示该帧是一个IP数据包，其后的数据区域长度是46~1500字节；
- 当区域值为0x0806，表示该帧是一个ARP请求或ARP应答包，其后数据长度是固定的28字节+18字节填充字节（PAD）；
- 当区域值为0x8035，表示该帧是一个RARP请求或RARP应答包，其后数据长度是固定的28字节+18字节填充字节(PAD)。
数据区域，其长度如上；
CRC ，差错循环冗余校验码，4字节长度。校验范围：除CRC以外的其他数据。

以太帧最小数据区域是46字节，因此，ARP与RARP包不够这么长，需要填充PAD（填充字节）。
用wireshark抓取一帧，可以看到：

图2. 抓取一以太帧

蓝色部分为目的MAC地址；黑色部分为源MAC地址；红色部分为帧类型部分，指明这是一个IPv4数据包；黄色为填充字节部分；其余为数据部分。没有看到CRC校验码是应为抓包工具抓不到。

2.IEEE802帧格式（如图1上半部分）

目标MAC地址，6字节长度；
源MAC地址，6字节长度；
长度区域，2字节长度，指明其后除去CRC校验码的数据长度。这个长度值与以太帧的类型区域值不重合（以太帧类型最小0x0800[2048],数据长度范围又是46~1500，不冲突），可以使用该区域区分是以太帧还是IEEE802帧；
逻辑链路控制（Logical Link Control ,802.2 LLC）,3字节长度；
子网访问协议（Sub-network Access Protocol, 802.2 SNAP）,5字节长度；
数据区域，38~1492字节长度；
CRC ，差错循环冗余校验码，4字节长度。

IEEE802最小数据区域是38字节

三、串行线路IP(SLIP)协议与点对点协议（PPP）

这两个协议都是对串行线路网络的协议。SLIP（Serial Line IP）,是一种串行线路上对IP数据包进行封装的简单形式。PPP（Point to Point Protocol）是SLIP的代替协议

1. SLIP

图3. 串行线路IP协议帧

IP数据包以一个字节（0xc0）的特殊字符结束。为了防止噪音，通常也会在首部加上一个0xc0字符；
如果IP数据包中有0xdb字节，使用0xdbdd替换该字节；
如果IP数据包中有0xc0字节，使用0xdbdc替换该字节。

SLIP缺点：
a. 没有类型字段，无法传输其他类型的上层协议；
b. 数据帧中，没有CRC校验码，无法保证传输正确性，除非上层协议保证校验。

2. PPP

图4. 点对点协议帧

标记（ox7e），1个字节，标记开始；
广播地址，1个字节；
控制字，1个字节；
数据包中所使用的协议，2个字节，0x0021表示IP数据包等等；
数据区域，0~1500字节，存放数据，这是逻辑上限制了最大字节数；
CRC校验码，2个字节；
标记（ox7e），1个字节，标记结束。

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I P协议；
(2) 每一帧都有循环冗余检验；
(3) 通信双方可以进行 I P地址的动态协商(使用I P网络控制协议)；
(4) 与C S L I P类似，对T C P和I P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。

四、环回接口

环回接口（Lookback Interface），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。多数系统将127.0.0.1分配给该接口，并命名该接口host为localhost。传给环回接口的IP数据包是不会出现在网络上的。它是当IP数据包离开网络层时候，返回给了它自己。可以想象环回接口是一个链路层。

图5. 环回接口处理IP数据包的过程

传给环回地址（一般为127.0.0.1）的任何数据均作为 I P输入；
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；
任何传给该主机IP地址的数据均送到环回接口。

五、MTU与路径MTU

通过以太帧和IEEE802帧，我们看到一个帧能够传输的数据是有大小限制的，其最大值分别是1500字节与1492字节。这种特性叫最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）,单位是字节（Byte）。以下是不同网络的MTU。

图6. 常见网络MTU

路径MTU是指两台通信主机间的最小MTU。两台主机通信，中间可能经过了n个网络，不同的网络有不同的MTU，根据木桶原理，其中最小的MTU为整个链路的路径MTU。由于所选路由不同，MTU也可能跟着变。

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