Ch2：链路层

一、 概述

本章讨论了Internet协议族中的最底层协议，链路层协议。我们比较了以太网和IEEE802.2/802.3的封装格式，以及SLIP和PPP的封装格式。由于SLIP和PPP经常用于低速的链路，二者都提供了压缩不常变化的公共字段的方法。这使交互性能得到提高。

大多数的实现都提供环回接口。访问这个接口可以通过特殊的环回地址，一般为127.0.0.1。也可以通过发送IP数据报给主机所拥有的任一IP地址。当环回数据回到上层的协议栈中时，它已经过传输层和IP层完整的处理过程。

二、 链路层功能

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。

三、 以太网和IEEE 802封装

图1. IEEE802.2/802.3和以太网的封装格式

IEEE802.2标准帧比以太网帧多一个802.2 LLC和802.2 SNAP域。

802.2规定帧数据部分至少为38字节，而以太网则要求至少为46字节。

四、 SLIP：串行线路IP

SLIP（Serial Line IP，串行线路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。

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。大多数实现在数据报的开始处也传一个END字符。

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。

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。

图2. SLIP报文的封装

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）。

五、 PPP：点对点协议

PPP（Point-to-Point Protocol），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，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（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（Network Control Protocol）体系。

PPP协议对数据的具体实现过程如下：

• 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。

图3. PPP数据帧的定义

PPP的帧格式与SLIP帧格式相比只增加了3个额外的字节：1个字节留给协议字段，另外2个给CRC字段。

PPP帧封装却具有如下方面的优势：

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。

六、 环回接口

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。

其对IP数据报的处理过程如下图所示。

图4. 环回接口处理IP数据报的过程

根据上图，环回接口数据输入：

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。
3. 任何传给该主机IP地址的数据均送到环回接口。

七、 MTU

MTU（Maximum Transfer Unit，最大传输单元），是指链路层对传输的数据帧长度的上限限制。

以太网的MTU为1500，而IEEE802.2/802.3帧的MTU为1492。

线路MTU为两台通信主机线路中的最小MTU值。

（完）