TCP/IP详解 卷1：协议—链路层

Posted 2021-05-18 xhjh

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。

以太网和IEEE 802封装

两种帧格式都采用48 bit（6字节）的目的地址和源地址，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。在802标准定义的帧格式中，类型字段则由后续的子网接入协议（Sub-network Access Protocol，SNAP）的首部给出。幸运的是，802定义的有效长度值与以太网的有效类型值无一相同，这样，就可以对两种帧格式进行区分。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802.2LLC和5字节的802.2SNAP。目的服务访问点（Destination Service Access Point, DSAP）和源服务访问点（Source Service Access Point, SSAP）的值都设为0xaa。Ct rl字段的值设为3。随后的3个字节org code都置为0。再接下来的2个字节类型字段和以太网帧格式一样。

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。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。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SLIP的ESC字符，但是它的值与ASCII码的ESC字符（0x1b）不同。
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。

其缺点为：

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）。

PPP：点对点协议

点对点协议修改了SLIP协议中的所有缺陷，PPP包括以下三个部分：

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（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（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。当前RFC定义的网络层有IP、OSI网络层、DECnet以及AppleTalk。
   

PPP数据帧的格式如上图，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。接下来是协议字段，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。CRC字段是一个循环冗余检验码，以检测数据帧中的错误。
由于标志字符的值是0x7e，因此当该字符出现在信息字段中时，PPP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的硬件技术来完成的。在异步链路中，特殊字符0x7d用作转义字符。当它出现在PPP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0x7e时，需连续传送两个字符：0x7d和0x5e，以实现标志字符的转义。
2. 当遇到转义字符0x7d时，需连续传送两个字符：0x7d和0x5d，以实现转义字符的转义。
3. 默认情况下，如果字符的值小于0x20（比如，一个ASCII控制字符），一般都要进行转义。例如，遇到字符0x01时需连续传送0x7d和0x21两个字符（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）。

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。根据惯例，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。环回接口处理IP数据报的简单过程：

图中需要指出的关键点是：

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（第12章）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。

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。

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。