解读《TCP/IP详解》(卷1)：02章：链路层
2.1引言
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，具体取决于网络所使用的硬件，本文讨论以太网链路层协议，串行接口链路层协议（SLIP和PPP）以及回环（127.0.0.1）驱动程序。
2.2以太网和IEEE 802封装
以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。后来IEEE 802委员会公布了一个稍有不同的标准集。
在TCP/IP世界中，以太网IP数据报的封装格式是在RFC 894中定义的，IEEE 802网路的IP数据报格式封装格式是在RFC 1042中定义的。主机需求RFC要求每台Internet主机都与一个10M/s的以太网电缆相连：
（1）必须能发送和接收 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，而且默认必须是RFC 894分组。
这里我们可以看出以太网的封装格式还是最普遍被人们接受的。
两种帧格式都采用48位（6字节）的目的地址和源地址，802.3允许16位地址，但一般也是48位。这就是我们通常所说的硬件地址（MAC地址）。接下来的两个字节在两种帧格式中互不相同。802中，长度字段是指它后续数据的字节长度，不包括CRC（循环冗余）校验码。而以太网中这两个字节是定义了后续数据类型的类型字段。802中的类型字段则由后续的SNAP（子网接入协议）的首部给出。幸运的是，802的有效长度指和以太网的类型值无一相同，这就可以对两种帧格式进行区分。
上图为IEEE 802.2/802.3（RFC 1042）与以太网封装格式图
其中：
LLC：逻辑链路控制 这是802网络共有的
DSAP：目的服务访问点 值0xaa
SSAP：源服务访问点 值0xaa
以太网和802.3都有帧的最小长度要求。802.3规定数据部分至少38字节，而以太网而要求46字节。如不能满足，则在不足的空间插入填充（pad）字节。
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另外，RFC 893 描述了一种尾部封装，这种封装格式已经遭到反对。它的内容是将以太网数据帧的IP首部与TCP首部移到尾部CRC之前。
2.3 SLIP（串行线路IP）
SLIP
SLIP（Serial Line Internet Protocol，串行线路网际协议），主要在Unix远程访问服务器中使用，现今仍然用于连接某些ISP。因为SLIP协议是面向低速串行线路的，可以用于专用线路，也可以用于拨号线路，Modem的传输速率在1200bps到19200bps。RFC1055中有详细描述。
帧格式的规则：
（1）IP数据报以一个被称作END（0xc0）的特殊字符结束。同时为防止数据到来前的噪声，通常在开始处也会传一个END，用来标识数据的起始部分。
（2）若IP报文中某个字符为END，那么要连续传输两个字节0xdb，0xdc来代替。（好比，编程语言中要打印特殊含义的字符的时候要加转义字符）
（3）若IP报文中某个字符为ESC，那么要连续传输两个字节0xdb，0xdd来代替。
SLIP的缺陷：
（1）每一端必须知道对方的IP地址，不能把本端的IP地址通知给另一端
（2）数据帧中没有类型字段。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中没有类似于以太网的CRC校验字段，这样纠错能力差。
CSLIP
传统的串行线路速率较低，为了传输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。因此，人们提出CSLP（压缩SLIP），他将前面提到的40个字节压缩到3到5个字节，且能够在两端维持多大16个TCP连接，并且知道其中每个连接的首部中的某个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。被压缩的首部大大缩短了交互响应时间。
2.4 PPP（点对点协议）
PPP协议修改了SLIP协议中的所有缺陷:
包括三个部分：
（1）在串行链路上封装了IP数据报的方法。PPP既支持数据位8为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LCP（数据链路的链路控制协议）。它允许通信双方进行协商，以及确定不同的选项。
（3）针对不同网络层协议的NCP（网路控制协议）体系。当前RFC定义的网络层有IP、OSI网络层、DECnet以及AppleTalk。例如，IP NCP允许双方商定是否对报文首部进行压缩，类似于CSLIP
PPP数据帧的格式看上去很像ISO的HDLC（高层数据链路控制）。每一帧都以标志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0x03de控制字节。接下来是协议字段（类似于以太网中的类型字段）：
其值为0x0021时，表示信息字段是一个IP数据报
其值为0xc021时，表示信息字段是链路控制数据
其值为0x8021时，表示信息字段是网络控制数据
标志字节值是0x7e，因此如果信息字段中出现此字符时，PPP需要对其转义。同样特殊字符0x7d也需要进行转义。
过程如下：
（1）当遇到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）默认的，如果字符的值小于0x20，一般都要进行转义。由ASCLL表可以看出20（16进制）以内的字符大都是控制字符，所以需要转义。
|
HEX |
字符 |
解释 |
HEX |
字符 |
解释 |
|
00 |
NUL |
空字符 |
10 |
DLE |
数据链路转义 |
|
01 |
SHO |
标题开始 |
11 |
DC1 |
设备控制1 |
|
02 |
STX |
正文开始 |
12 |
DC2 |
设备控制2 |
|
03 |
ETX |
正文结束 |
13 |
DC3 |
设备控制3 |
|
04 |
EOT |
传输结束 |
14 |
DC4 |
设备控制4 |
|
05 |
ENQ |
请求 |
15 |
NAK |
拒绝接收 |
|
06 |
ACK |
收到通知 |
16 |
SYN |
同步空闲 |
|
07 |
BEL |
响铃 |
17 |
ETB |
传输块结束 |
|
08 |
BS |
退格 |
18 |
CAN |
取消 |
|
09 |
HT |
水平制表符 |
19 |
EM |
介质中断 |
|
0A |
LF |
换行符 |
1A |
SUB |
替补 |
|
0B |
VT |
垂直制表符 |
1B |
ESC |
溢出 |
|
0C |
FF |
换页符 |
1C |
FS |
文件分割符 |
|
0D |
CR |
回车符 |
1D |
GS |
分组符 |
|
0E |
SO |
不用切换 |
1E |
RS |
记录分割符 |
|
0F |
DI |
启用切换 |
1F |
US |
单元分割符 |
PPP比SLIP只多了额外3个字节，一个字节留给协议字段，另外两个留个CRC字段。
总体看，PPP比SLIP有如下优点：
（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
为这些优点付出的代价是在每一帧的首部增加 3个字节。。虽然如今SLIP用户依然比PPP用户多，但最终SLIP将会被取代。
2.5回环接口（127.0.0.1）
回环接口，又叫环回接口都是Loopback Interface的翻译，不过我觉得环回有点拗口。关于这个127.0.0.1基本上学过网络编程的人都不会陌生。比如你用java写一个c/s的程序，要用自己的PC又当Server又当Client。就需要这个回环地址。同样java中可以用localhost代替。A类网络号就是为了回环接口预留的，大多数系统喜欢分配127.0.0.1，所以在你不装网卡的时候用ping命令也是可以通的。.当你把ip数据报传给这个接口的时候，就不能再任何网络上出现了。
也许你会觉得，既然是自己给自己传递数据。那么就不必先一层一层向下传，再一层一层向上传递了。但是多数厂品还是会完成传输层和网络层的传递过程。回环接口可以看作是网络层下面的另一个链路层。与其他链路层一样，只不过他把数据又返回了IP输入队列中。
2.6MTU（最大传递单元）
链路层对于传输的数据是有长度限制的。不同网络有所不同。
|
网络 |
MTU字节 |
|
超通道 |
65535 |
|
10Mb/s令牌环（IBM） |
17914 |
|
4Mb/s令牌环（IEEE 802.5） |
4464 |
|
FDDI |
4352 |
|
以太网 |
1500 |
|
IEEE 802.2/802.3 |
1492 |
|
X.25 |
576 |
|
点到点（低时延） |
296 |
上面的点到点的链路层（SLIP和PPP）的MTU并非是值网络媒体的物理特性，只是一个逻辑限制，为了加快交互相应速度。
如果两台主机在同一个网络，那么该网络的MTU就不用说了，确定了。但是如果两个主机在两个不同的网络，进行通信的时候中间又经过不同的网络，美每个网络都有不同的MTU，那么该次通信的MTU是多少呢？答案也很理解，就是其中的最小值。称为“路径MTU”。实际上，两台主机之间的路径MTU不是一个常数。这取决于当时所选的路由。比如，从小明到小红家有好多条路可以走，小明并不一定每一次都走同一条路哦。
