系列之TCP/IP协议-链路层

一、引言

在 TCP/IP 协议簇中，链路层的作用主要有：(1). 为 IP 模块发送 / 接受 IP 数据包；(2). 为 ARP 模块发送 ARP 请求与接收 ARP 应答；(3). 为 RARP 模块发送 RARP 请求与接收 RARP 应答。
根据所使用的网络硬件不同，TCP/IP 协议簇使用不同的链路层协议。不同的网络硬件包括以太网、令牌环网、光纤分布式数据接口（FDDI）、RS-232 串行线路等等。
该文将说明一下链路层协议：
协议 - 以太网：事实上的协议（RFC 894 封装格式）、标准组织协议（IEEE 802.2/802.3，即 RFC 1042 封装格式）；
协议 - 串行线路：SLIP/CSLIP 与 PPP。

二、以太网协议（RFC 894）与 IEEE802 协议（RFC 1042）

图中，各个数字的单位是字节（Byte）。这两种协议，都是以太网上的。以太网协议是事实上的协议，IEEE802 协议是标准组织根据以太网协议发布的标准参考协议。这两种协议都有相似的结构（如图）。两种帧格式都是采用 48bit（6 字节）的目的地址与源地址。 这些地址就是我们常说的物理地址（Media Access Control Address，MAC）。

1. 以太网帧格式（如图 1 下半部分）

目标 MAC 地址，6 字节长度；
源 MAC 地址，6 字节长度；
类型区域，2 字节长度，用于表示该帧是什么协议帧；
当区域值为 0x0800，表示该帧是一个 IP 数据包，其后的数据区域长度是 46~1500 字节；
当区域值为 0x0806，表示该帧是一个 ARP 请求或 ARP 应答包，其后数据长度是固定的 28 字节 + 18 字节填充字节（PAD）；
当区域值为 0x8035，表示该帧是一个 RARP 请求或 RARP 应答包，其后数据长度是固定的 28 字节 + 18 字节填充字节 (PAD)。
数据区域，其长度如上；
CRC ，差错循环冗余校验码，4 字节长度。校验范围：除 CRC 以外的其他数据。

以太帧最小数据区域是46字节，因此，ARP与RARP包不够这么长，需要填充PAD（填充字节）。用 wireshark 抓取一帧，可以看到：

蓝色部分为目的 MAC 地址；黑色部分为源 MAC 地址；红色部分为帧类型部分，指明这是一个 IPv4 数据包；黄色为填充字节部分；其余为数据部分。没有看到 CRC 校验码是应为抓包工具抓不到。

2.IEEE802 帧格式（如图 1 上半部分）

目标 MAC 地址，6 字节长度；
源 MAC 地址，6 字节长度；
长度区域，2 字节长度，指明其后除去 CRC 校验码的数据长度。这个长度值与以太帧的类型区域值不重合（以太帧类型最小 0x0800[2048], 数据长度范围又是 46~1500，不冲突）， 可以使用该区域区分是以太帧还是IEEE802帧；
逻辑链路控制（Logical Link Control ,802.2 LLC）,3 字节长度；
子网访问协议（Sub-network Access Protocol, 802.2 SNAP）,5 字节长度；
数据区域，38~1492 字节长度；
CRC ，差错循环冗余校验码，4 字节长度。

IEEE802最小数据区域是38字节

三、串行线路 IP(SLIP) 协议与点对点协议（PPP）

这两个协议都是对串行线路网络的协议。SLIP（Serial Line IP）, 是一种串行线路上对 IP数据包进行封装的简单形式。PPP（Point to Point Protocol）是 SLIP 的代替协议

1. SLIP

IP 数据包以一个字节（0xc0）的特殊字符结束。为了防止噪音，通常也会在首部加上一个 0xc0 字符；
如果 IP 数据包中有 0xdb 字节，使用 0xdbdd 替换该字节；
如果 IP 数据包中有 0xc0 字节，使用 0xdbdc 替换该字节。

SLIP 缺点：a. 没有类型字段，无法传输其他类型的上层协议；b. 数据帧中，没有 CRC 校验码，无法保证传输正确性，除非上层协议保证校验。

2. PPP

标记（ox7e），1 个字节，标记开始；
广播地址，1 个字节；
控制字，1 个字节；
数据包中所使用的协议，2 个字节，0x0021 表示 IP 数据包等等；
数据区域，0~1500 字节，存放数据，这是逻辑上限制了最大字节数；
CRC 校验码，2 个字节；
标记（ox7e），1 个字节，标记结束。

PPP 比 SLIP 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。

四、环回接口

环回接口（Lookback Interface），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。多数系统将 127.0.0.1 分配给该接口，并命名该接口 host 为 localhost。传给环回接口的 IP 数据包是不会出现在网络上的。它是当 IP 数据包离开网络层时候，返回给了它自己。可以想象环回接口是一个链路层。

传给环回地址（一般为 127.0.0.1）的任何数据均作为 I P 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。

五、MTU 与路径 MTU

通过以太帧和 IEEE802 帧，我们看到 一个帧能够传输的数据是有大小限制的，其最大值分别是 1500 字节与 1492 字节。 这种特性叫最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）,单位是字节（Byte）。以下是不同网络的 MTU。

路径MTU是指两台通信主机间的最小MTU。两台主机通信，中间可能经过了 n 个网络，不同的网络有不同的 MTU，根据木桶原理，其中最小的 MTU 为整个链路的路径 MTU。由于所选路由不同，MTU 也可能跟着变。

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