TCP/IP协议之链路层
1.1引言
在TCP/IP协议族中，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；
- 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，这取决于网络所使用的硬件，如以太网、令牌环网、FDDI（光纤分布式数据接口）及RS-232串行线路等。
1.2 以太网和IEEE 802封装
以太网：以太网这个术语一般是指数字设备公司（ Digital Equipment Corp.）、英特尔公司（IntelCorp.）和Xerox公司在1982年联合公布的一个标准。它是当今TCP/IP采用的主要的局域网技术。它采用一种称作CSMA/CD的媒体接入方法，其意思是带冲突检测的载波侦听多路接入（Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection）。它的速率为10 Mb/s，地址为48 bit。
802封装：IEEE（电子电气工程师协会），802委员会公布了一个稍有不同的标准集，其中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，那就是802网络共有的逻辑链路控制（LLC）。
主机需求RFC要求每台Internet主机都与一个10 Mb/s的以太网电缆相连接：
- 必须能发送和接收采用RFC 894（以太网）封装格式的分组；
- 应该能接收与RFC 894混合的RFC 1042（IEEE 802）封装格式的分组；
- 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。下图显示了两种不同的封装格式。图中每个方框下面的数字是它们的字节长度。
两种帧格式都采用48 bit（6字节）的目的地址和源地址。接下来的2个字节在两种帧格式中互不相同。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802.2 LLC和5字节的802.2 SNAP。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。Ctrl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。
CRC字段用于帧内后续字节差错的循环冗余码检验（检验和）。
802.3标准定义的帧和以太网的帧都有最小长度要求。 802.3规定数据部分必须至少为38字节，而对于以太网，则要求最少要有46字节。为了保证这一点，必须在不足的空间插入填充（pad）字节。
1.3 尾部封装
尾部封装：另一种用于以太网的封装格式，这是一个早期BSD系统在DEC VAX机上运行时的试验格式，它通过调整IP数据报中字段的次序来提高性能。
不知道为什么尾部封装遭到反对。在网上也没有找到答案。
1.4 SLIP:串行线路IP
SLIP：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的帧格式：
- 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）。
- 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。
- 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。
下图中的例子就是含有一个END字符和一个ESC字符的IP报文。在这个例子中，在串行线路上传输的总字节数是原IP报文长度再加4个字节。
SLIP是一种简单的帧封装方法，还有一些值得一提的缺陷： - 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。
- 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。
- SLIP没有在数据帧中加上检验和（类似于以太网中的CRC字段）。
1.5 压缩的SLIP
由于串行线路的速率通常较低（19200b/s或更低），而且通信经常是交互式的（如Telnet和Rlogin，二者都使用TCP），因此在SLIP线路上有许多小的TCP分组进行交换。为了传送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，总数超过40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CSLIP（即压缩SLIP）的新协议。
CSLIP一般能把上面的40个字节压缩到3或5个字节。它能在CSLIP的每一端维持多达16个TCP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。
1.6 PPP：点对点协议
PPP，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：
- 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。
- 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。
- 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RFC定义的网络层有IP、OSI网络层、DECnet以及Apple Talk。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（缩写词NCP也可用在TCP的前面）。
PPP的帧格式：PPP的标准帧格式如下图所示。
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（或FCS，帧检验序列）是一个循环冗余检验码，以检测数据帧中的错误。
PPP比SLIP的优点： - PPP支持在单根串行线路上运行多种协议，不只是IP协议；
- 每一帧都有循环冗余检验。
- 通信双方可以进行IP地址的动态协商(使用IP网络控制协议)；
- 与CSLIP类似，对TCP和IP报文首部进行压缩；
- 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，当建立链路时要发送几帧协商数据，以及更为复杂的实现。
2.7回环接口
回环接口：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.根据惯例，大多数系统把I P地址127.0.0.1分配给这个接口，并命名为localhost
环回接口处理IP数据报的简单过程：如下图所示：
图中需要指出的关键点是：
- 传给环回地址（一般是127.0.0.1）的任何数据均作为IP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。
2.8 最大传输单元MTU
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。
分片：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（fragmentation），把数据报分成若干片，这样每一片都小于MTU。
路径MTU：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。
2.9 串行线路吞吐量计算
如果线路速率是9600b/s，而一个字节有8bit，加上一个起始比特和一个停止比特，那么线路的速率就是960B/s（字节/秒）。以这个速率传输一个1024字节的分组需要1066ms。如果用SLIP链接运行一个交互式应用程序，同时还运行另一个应用程序如FTP发送或接收1024节的数据，那么一般来说就必须等待一半的时间（533ms）才能把交互式应用程序的分组数据发送出去。
注：我当时很疑惑为什么必须等待一半的时间。后来查资料得知SLIP数据帧中没有类型字段.一条串行线路使用SLIP就不能同时使用其他协议，有两种情况，一种是此交互应用程序先发送数据，那么它等待的时间是0ms，另一种是ftp发送数据，那么它将占用1066ms的时间，则交互应用程序将要等待1066ms，平均下来即等待533ms。
