TCP/IP详解（二）链路层

注：以后文章中颜色内容为不必注意，颜色内容为特别注意。

一、概述  

在T C P / I P协议族中，链路层主要有三个目的：

（1）为I P模块发送和接收I P数据报；

（2）为A R P模块发送A R P请求和接收A R P应答；

（3）为R A R P发送R A R P请求和接收R A R P应答。

T C P / I P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、F D D I（光纤分布式数据接口）及R S-2 3 2串行线路等。

二、以太网和IEEE 802封装

       以太网是当今T C P / I P采用的主要的局域网技术。它采用一种称作C S M A / C D的媒体接入方法，速率为10 Mb/s，地址为48 bit。

       几年后，I E E E8 0 2委员会公布了一个稍有不同的标准集，其中8 0 2 . 3针对整个C S M A / C D网络，8 0 2 . 4针对令牌总线网络，8 0 2 . 5针对令牌环网络。这三者的共
同特性由8 0 2 . 2标准来定义，那就是8 0 2网络共有的逻辑链路控制（L L C）。不幸的是，8 0 2 . 2和8 0 2 . 3定义了一个与以太网不同的帧格式。文献[Stallings 1987]对所有的IEEE 802标准进行了详细的介绍。在T C P / I P世界中，以太网I P数据报的封装是在RFC 894[Hornig 1984]中定义的，IEEE 802网络的I P数据报封装是在RFC 1042[Postel and Reynolds 1988]中定义的。主机需求R F C要求每台I n t e r n e t主机都与一个10 Mb/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。如果主机能同时发送两种类型的分组数据，那么发送的分组必须是可以设置的，而且默认条件下必须是RFC 894分组。

最常使用的封装格式是RFC 894定义的格式, 即以太网数据报封装。

          上图中802标准定义的帧中源地址后的2字节长度与以太网帧中2字节的类型有效取值都不一样，可以利用这一点来区分这两种帧。

          802.3和以太网帧最小长度64字节（包括CRC）。

          两种帧都有最小长度限制，为了保证这一点，必须在不足的空间插入填充（p a d）字节。

三、SLIP：串行线路IP

       S L I P的全称是Serial Line IP。它是一种在串行线路上对I P数据报进行封装的简单形式，在RFC 1055[Romkey 1988]中有详细描述。S L I P适用于家庭中每台计算机几乎都有的R S - 2 3 2串行端口和高速调制解调器接入I n t e r n e t。

       下面的规则描述了S L I P协议定义的帧格式：
       1) IP数据报以一个称作E N D（0 x c 0）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E N D字符（如果有线路噪声，那么E N D字符将结束这份错误的报文。这样当前的报文得以正确地传输，而前一个错误报文交给上层后，会发现其内容毫无意义而被丢弃）。
       2) 如果I P报文中某个字符为E N D，那么就要连续传输两个字节0 x d b和0 x d c来取代它。0 x d b这个特殊字符被称作S L I P的E S C字符，但是它的值与A S C I I码的E S C字符（0 x 1 b）不同。
       3) 如果I P报文中某个字符为S L I P的E S C字符，那么就要连续传输两个字节0 x d b和0 x d d来取代它。

       S L I P是一种简单的帧封装方法，还有一些值得一提的缺陷：
       1) 每一端必须知道对方的I P地址。没有办法把本端的I P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S L I P，那么它不能同时使用其他协议。

      3 )S L I P没有在数据帧中加上检验和（类似于以太网中的C R C字段）。如果S L I P传输的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（另一种方法是，新型的调制解调器可以检测并纠正错误报文）。这样，上层协议提供某种形式的C R C就显得很重要。

     压缩的SLIP：由于串行线路的速率通常较低（19200 b/s或更低），而且通信经常是交互式的（如Te l n e t和R l o g i n，二者都使用T C P），因此在S L I P线路上有许多小的T C P分组进行交换。为了传送1个字节的数据需要2 0个字节的I P首部和2 0个字节的T C P首部，总数超过4 0个字节。既然承认这些性能上的缺陷，于是人们提出一个被称作C S L I P（即压缩S L I P）的新协议，它在RFC 1144[Jacobson 1990a]中被详细描述。C S L I P一般能把上面的4 0个字节压缩到3或5个字节。它能在C S L I P的每一端维持多达1 6个T C P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。

四、 PPP：点对点协议

         P P P，点对点协议修改了S L I P协议中的所有缺陷:

         1) 在串行链路上封装I P数据报的方法。P P P既支持数据为8位和无奇偶检验的异步模式（如大多数计算机上都普遍存在的串行接口），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（L C P：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（N C P：Network Control Protocol）体系。当前R F C定义的网络层有I P、O S I网络层、D E C n e t以及A p p l e Ta l k。例如，IP NCP允许双方商定是否对报文首部进行压缩，类似于C S L I P（缩写词N C P也可用在T C P的前面）。

          由于标志字符的值是0 x 7 e，因此当该字符出现在信息字段中时，P P P需要对它进行转义。在同步链路中，该过程是通过一种称作比特填充(bit stuffing )的硬件技术来完成的。在异步链路中，特殊字符0 x 7 d用作转义字符。当它出现在P P P数据帧中时，那么紧接着的字符的第6个比特要取其补码，具体实现过程如下：
         1) 当遇到字符0 x 7 e时，需连续传送两个字符：0 x 7 d和0 x 5 e，以实现标志字符的转义。
         2) 当遇到转义字符0 x 7 d时，需连续传送两个字符：0 x 7 d和0 x 5 d，以实现转义字符的转义。
        3 )默认情况下，如果字符的值小于0 x 2 0（比如，一个A S C I I控制字符），一般都要进行转义。例如，遇到字符0 x 0 1时需连续传送0 x 7 d和0 x 2 1两个字符（这时，第6个比特取补码后变为1，而前面两种情况均把它变为0）。

       与S L I P类似，由于P P P经常用于低速的串行链路。P P P比S L I P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。

五、环回接口

       大多数系统把I P地址1 2 7 . 0 . 0 . 1分配给这个接口，并命名为l o c a l h o s t。一个传给环回接口的I P数据报不能在任何网络上出现。

六、最大传输单元MTU

        正如在图2 - 1看到的那样，以太网和8 0 2 . 3对数据帧的长度都有一个限制，其最大值分别是1 5 0 0和1 4 9 2字节。链路层的这个特性称作M T U，最大传输单元。不同类型的网络大多数都有一个上限。

          路径MTU：两台通信主机路径中的最小M T U。两台主机之间的路径M T U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M T U在两个方向上不一定是一致的。有路径M T U的发现机制。