TCP/IP详解——链路层

Posted 2023-04-15

参考技术A 以太网的链路层协议：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。

MTU： 最大传输单元

2.2. 以太网和IEEE 802封装 ——
我们常说的都是以太网的封装格式（常用）
以 太 网 这 个 术 语 一 般 是 指 数 字 设 备 公 司 ( D i g i t a l E q u i p m e n t C o r p . )、 英 特 尔 公 司 ( I n t e l C o r p . )和 X e r o x 公司在 1 9 8 2 年 联 合 公 布 的 一 个 标 准 。

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 。
都是由 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 。

IEEE 802要求每台Internet主机都与一个10Mb/s的以太网电缆相连接的：
1）必须能发送和接收采用REC 1042(IEEE 802)封装格式的分组
2）应该能够接收与RFC 894 混合的REC 1042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。

RFC 894 和 RFC 1042
两种帧格式都采用 4 8 b i t ( 6 字节)的目的地址和源地址( 8 0 2 . 3 允许使用 1 6 b i t 的地址，但
一般是 4 8 b i t 地址)。这就是我们在本书中所称的硬件地址。 A R P 和 R A R P 协议(第4 章和第 5 章) 对 3 2 b i t 的 I P 地址和 4 8 b i t 的 硬 件 地 址 进 行 映 射 。

C R C 字 段 用 于 帧 内 后 续 字 节 差 错 的 循 环 冗 余 码 检 验 ( 检 验 和 )( 它 也 被 称 为 F C S 或帧检验
序列)。 —— 这个需要看一下这个是怎么校验的

2.3 尾部封装
描述了另一种用于以太网的封装格式，称为：尾部封装(trailer encapsulation)
通过调整IP数据包中字段的次序来提高性能。
《在以太网中数据帧中，开始的那部分是边长的字段(IP首部和TCP首部)》
把它们移到尾部（在CRC之前），这样当把数据复制到内核时，就可以把数据帧中的数据部分映射到一个硬件页面， 节省内存到内存的复制过程。

TCP 数据报的长度是512字节的整数倍，正好可以用内核中的页表处理。 —— 所以，我们要了解内存的分页过程

—— 现在基本上是反对了尾部封装了； （可以略过）

2.4 SLIP: 串行线路IP （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。

SLIP 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 )

现在很多厂家都支持这个协议；

2.5 压缩的SLIP
由 于 串 行 线 路 的 速 率 通 常 较 低 ( 1 9 2 0 0 b / s 或 更 低 )， 而 且 通 信 经 常 是 交 互 式 的 ( 如 T e 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；
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。

2.6 PPP 点对点协议
修改了SLIP协议的所有缺陷
包括了三个部分：
1）在串行链路上封装IP数据包的方法。支持数据为8bit和无奇偶校验的异步模式，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（TCP：Link Control Protocol） 。 它允许通信双方进行协商，已确定不同的选项。
3）针对不同的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。

每一帧都以标志字符 0 x 7 e 开始和结束。紧接着是一个地址字节，值始终是 0 x ff ，然后是一 个值为 0 x 0 3 的控制字节。

信息中如果有0x7E , 那么就需要采用比特填充（bit stuffing）的硬件技术来完成的；

2.7 环回接口 （lookback interface）
允许运行在同一台主机上的客户程序和服务程序通过TCP/IP 进行通信。 A类网络号127就是给环回接口预留的；
一般系统把IP地址127.0.0.1 分配给这个接口，并命名为localhost。 一个传给环回的IP数据包不能在任何网络上出现。

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
I P 数据报离开网络层时把它返回给自己。

2.8 最大传输单元MTU
链路上对数据帧的长度都有一个限制的特性 —— MTU
如果 I P 层 有 一 个 数 据 报 要 传 ， 而 且 数 据的长度比链路层的 M T U 还大，那么 I P 层 就 需 要 进 行 分 片 ( f r a g m e n t a t i o n )， 把 数 据 报分成若干片，这样每一片都小于 M T U 。

点到点的链路层(如 S L I P 和 P P P )的 M T U并非指的 是网络媒体的物理特性。相反，它是一个逻辑限制，目的是为交互使用提供足够快的响应时 间。

2.9 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 M T U 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 M T U 。重要的不是两台主机所在网络的 M T U的值，重要的是两台通信主机路径中的最小 M T U 。它被称作路径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。
——> 动态、方向

2.10 串行线路吞吐量计算
将用这些串行线路吞吐量的计算来验证数据从串行线路上通过的 时间。

数据块的划分： 考虑到数据的占用比例，和等待的时间问题，取一个平衡的值；
。。。。 这个需要进行计算

《TCP/IP详解 卷1：协议》读书笔记（第一章 概述 & 第二章 链路层）

第一章 概述

1. TCP/IP协议族：四层协议系统
   
   
   • 链路层（数据链路层、网络接口层）
     设备驱动程序和网络接口卡。
   • 网络层（互联网层）
     处理分组在网络中的活动，点对点服务。IP、ICMP、IGMP
   • 运输层
     提供端对端通信。TCP、UDP
   • 应用层
     处理应用程序细节。Telnet、FTP、SMTP、SNMP
2. 部分概念
   
   
   • 构造互联网最简单的方法是把两个或多个网络通过路由器（Router）进行连接。
     路由器的好处是为不同类型的物理网络提供连接：以太网、令牌环网、点对点的链接等等。
   • 网络层IP协议提供的是一种不可靠的服务。
     只是尽可能快地把分组从源地址到目标地址
   • 互联网地址：类别+网络号+主机号
     IP地址长32bit（4字节）ABCDE类 0一字节 10两字节 110三字节 1110 11110
   • 域名系统（DNS）提供IP地址和主机名之间的映射
   • 封装。 每层对收到的数据添加一些首部信息（有些还有尾部信息），传给下一层
     TCP传给IP的数据单元称TCP报文段或TCP段（TCP segment）；
     IP传给接口层的数据单元称作IP数据报（IP datagram），
     　　更准确地说，IP和网络接口层之间传送单元应该是分组（packet），可以是IP数据报，也可以是IP数据报的一个片（fragment）；
     通过以太网传输的比特流称作帧（Frame）
   • 目的主机收到一个以太网数据帧时，从协议栈由底向上，去掉各层协议加上的报文首部，以确定接收数据的上层协议。这个过程称作分用（Demultiplexing）；
   • 服务器上的应用程序一般通过端口号来识别。知名端口号1~1023（保留端口号）
     客户端通常不关心端口号，保证唯一就行了，因此客户端口号又称临时端口号，大多分配1024~5000。（由于客户端不是长期启动运行，程序关闭后端口就释放了）
     FTP 21，TCP 23
   • 所有关于Internet的正式标准都以RFC（Request for Comment）文档出版。用数字标识，数字越大说明内容越新。
   • 当使用TCP和UDP提供相同的服务时，一般选择相同端口号。
     　　很多端口号都是奇数：历史原因，这些端口派生于ARPANET的运输层协议NCP（网络控制协议），而NCP是单工的，不是全双工的，因此每个应用程序都需两个连接，需预留一对奇数和偶数端口号。 TCP和UDP称为标准的运输层协议时，每个应用程序只需要一个端口号。
   • internet和Internet含义不同
     internet 指用一个共同协议族把多个网络连接在一起；
     Internet 指全世界范围通过TCP/IP互相通信的主机集合（超过100万台）。Internet是一个internet，但internet不等于Internet。
   • 构造互联网的共同基石是路由器。

第二章 链路层

1. 链路层主要有三个目的
   • 为IP模块发送和接收IP数据报；
   • 为ARP模块发送ARP请求和接收ARP应答；（ARP   地址解析协议）
   • 为RARP发送RARP请求和接受RARP应答。（RARP 逆地址解析协议）
2. 以太网这个术语一般指 数字设备公司DEC、因特尔公司Intel、Xerox公司于1982年联合公布的一个标准。
   它是当今TCP/IP采用的主要局域网技术。
   IEEE802委员会公布了一个标准集。 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。
3. 串行线路IP（SLIP：Serial Line IP）和 压缩的SLIP（称作CSLIP）
   一种在串行线路上对IP数据报进行封装的简单形式。在数据报的开头和结尾都加一个特殊字符（END字符 0xc0）
4. 点对点协议PPP
   修改了SLIP的缺陷。
5. 环回接口（Loopback Interface）
   允许运行在同一台主机上的客户程序和服务程序通过TCP进行通信。
   大多数系统将 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。
6. 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，链路层的这个特性称作MTU，最大传输单元。
   若需传输的数据报比MTU还大，IP层就需要进行分片（fragmentation）
7. 同一个网络上的两台主机通信，重要的是两台主机路径中的最小MTU，称作路径MTU。
8. 串行线路吞吐量计算
   e.g. 线路速率 9600 b/s，一个字节8 bit，一个起始比特、一个停止比特，则速率就是 9600/(8+2) = 960 B/s （字节/秒）
   传输一个1024字节的分组需要 1024/960 = 1066 ms，两个应用程序交互则须等待一般时间 533ms（参考两者相向而行）。（研究称交互响应超过100~200ms被认为是不好的）