重学TCP/IP系列（2）：链路层

简介

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协议族支持多种不同的链路层协议，包括以太网、令牌环网、FDDI以及RS-232串行线路等。

数据报的封装

RFC 894 格式

以太网一般指数字设备公司、英特尔公司和Xerox公司在1982年公布的一个标准。在TCP/IP世界中，以太网IP数据报的封装是在RFC 894中定义的，这也是最常使用的封装格式，如图。

其中，6个字节的目的地址和6个字节的源地址都属于我们所说的硬件地址；类型字段则定义了后续数据的类型；CRC字段用于帧内后续字节差错的循环冗余码检验（检验和）。另外由于以太网的帧有最小长度要求，需要至少46字节。为了保证这一点，在数据不足的情况下需要插入填充（PAD）字节。

RFC 893 格式（尾部封装）

这是另一种用于以太网的封装格式。它是一个早期BSD系统在DEC VAX机上运行时的试验格式，通过调整IP数据报中字段的次序来提高性能。现在尾部封装遭到反对，很少使用。

SLIP（串行线路IP）封装

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，适用于家庭中每台计算机几乎都有的RS-232串行端口和高速调制解调器接入Internet。

SLIP协议定义的帧格式有以下几个特点：

为了防止线路噪声被当成数据报内容，数据报开头会传一个END字符，并且数据报也以END字符结束。
如果IP报文中某个字符为END，那么需要连续传输两个字节0xdb和0xdc来取代它。
如果IP报文中某个字符为SLIP的ESC字符，那么需要连续传输两个字节0xdb和0xdd来取代它。

以及SLIP封装的缺点有：

每一端都必须知道对方的IP地址。没办法把本端的IP地址通知给另一端。
数据帧中没有类型字段，也就是说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的数据帧中没有检验和，如果传输的报文发生错误，只能通过上层协议体现（另外，现在的新型调制解调器可以检测并纠正错误报文）。

CSLIP封装（压缩的SLIP）

由于串行线路的速率通常比较低，并且通信经常是交互式（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。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，总数超过40个字节。

因为这些性能上的缺陷，人们提出了被称作CSLIP（即压缩SLIP）的新协议。CSLIP能将上述的40个字节压缩到3或5个字节。现在大多数产品都支持SLIP。

点对点协议（PPP）

点对点协议修改了SLIP协议中的所有缺陷，比如说支持8数据为8位和无奇偶检验的异步模式，也支持面向比特的同步连接，还允许通信双方进行商定是否对报文首部进行压缩（类似于CSLIP）。

PPP中的每一帧都以标志字符0x7e开始和结束。标志字符后面是地址字节，值始终是0xff，然后是值为0x03的控制字节。协议字段则类似于以太网中类型字段的功能，不同的取值可以表示信息字段是IP数据报还是链路控制数据还是网络控制数据等。

总结一下，PPP比SLIP拥有以下优点：

PPP支持在单根串行线路上运行多种协议。
每一帧都有循环冗余校验。
通信双方可以进行IP地址的动态协商（使用IP网络控制协议时）。
可以对TCP和IP报文首部进行压缩（类似于CSLIP）。
链路控制协议可以对多个数据链路选项进行设置。

环回接口

环回接口（Loopback Interface）是一种虚拟接口，任何送到该接口的网络数据报文都会被认为是送往设备本身。大多数设备都支持环回接口，以便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，大多数系统会把IP地址127.0.0.1分配给环回接口，并命名为localhost。下图是环回接口处理IP数据包的简单过程。