TCP/IP 详解(卷一) 链路层

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。

以太网和 IEEE 802封装

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。

两种格式都采用48bit（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。

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。

SLIP 串行线路IP

下面的规则描述了SLIP协议定义的帧格式：

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。

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）。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）。这样，上层协议提供某种形式的CRC就显得很重要。IP首部和TCP首部及其数据始终都有检验和。UDP首部及其数据的检验和却是可选的。

压缩的SLIP

由于串行线路的速率通常较低（19200 b/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，它在RFC 1144[Jacobson 1990a]中被详细描述。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。

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（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。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）。

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。

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(bit stuffing)的硬件技术来完成的[Tanenbaum 1989]。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：

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。
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。
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）。

总的来说，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IP协议；(2)每一帧都有循环冗余检验；(3)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)；(4)与CSLIP类似，对TCP和IP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，当建立链路时要发送几帧协商数据，以及更为复杂的实现。

环回接口

大多数的产品都支持环回接口（Loopback 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。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。

我们想象，一旦传输层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IP数据报离开网络层时把它返回给自己。