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:

  1. 必须能发送和接收采用 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:

  1. 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)。
  2. 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。
  3. 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:

  1. 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。
  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SLIP,那么它不能同时使用其他协议。
  3. 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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

  1. 传给环回地址(一般是127.0.0.1)的任何数据均作为IP输入。
  2. 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(第12章)包含主机本身。
  3. 任何传给该主机IP地址的数据均送到环回接口。

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,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。

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

当在同一个网络上的两台主机互相进行通信时,该网络的MTU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。

两台主机之间的路径MTU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MTU在两个方向上不一定是一致的。

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