读书笔记：TCPIP详解卷一 第2章 链路层

daobaqin

2.1引言
    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。
    TCP/IP支持多种不同的链路层协议，这取决于网络所使用的硬件，如以太网、令牌环网、FDDI（光纤分布式数据接口）及RS-232串行线路等。

2.2以太网和IEEE 802封装
    以太网这个术语一般是指数字设备公司（Digital Equipment Corp.）、英特尔公司（IntelCorp.）和Xerox公司在1982年联合公布的一个标准，它采用一种称作CSMA/CD的媒体接入方法。
    几年后，IEEE（电子电气工程师协会） 802委员会公布了一个稍有不同的标准集，其中802.3针对整个CSMA/CD网络，802.4针对令牌总线网络，802.5针对令牌环网络。这三者的共同特性由802.2标准来定义，那就是802网络共有的逻辑链路控制（LLC）。
    以太网帧格式RFC894：  目的地址（6字节）、源地址（6字节）、类型（2字节）、数据（46-1500字节）、CRC（4字节）。
    IEEE802帧格式RFC1024：目的地址（6字节）、源地址（6字节）、长度（2字节）、DSAP（1字节）、SSAP（1字节）、cntl（1字节）、org code（3字节）、长度（2字节）、数据（38-1492字节）、CRC（4字节）。
    类型字段常用的有0800（IP数据包）、0806（ARP请求/应答）、0835（RARP请求/应答）。
   
2.3尾部封装
    RFC 893[Leffler and Karels 1984]描述了另一种用于以太网的封装格式，称作尾部封装（trailer encapsulation）。现在，尾部封装已遭到反对，因此不对它举任何例子。
   
2.4SLIP：串行线路IP
    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，在RFC 1055[Romkey 1988]中有详细描述。
    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 C R C就显得很重要。

2.5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。这些被压缩的首部地缩短了交互响应时间。
   
2.6PPP：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。
    RFC 1548[Simpson 1993]描述了报文封装的方法和链路控制协议。 RFC 1332[McGregor1992 ]描述了针对IP的网络控制协议。PPP数据帧的格式看上去很像ISO的HDLC（高层数据链路控制）标准。
    PPP帧格式：
    标志（0X7E）、地址（0XFF）、控制字节（0X03）、协议（2字节）、信息（最多1500字节）、CRC（2字节）、标志（0X7E）
    协议字段值为0x0021时，表示信息字段是一个IP数据报；值为0xc021时，表示信息字段是链路控制数据；值为0x8021时，表示信息字段是网络控制数据。
    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，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。
   
2.7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。
    关键点是：
    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。看上去用传输层和IP层的方法来处理环回数据似乎效率不高，但它简化了设计，因为环回接口可以被看作是网络层下面的另一个链路层。网络层把一份数据报传送给环回接口，就像传给其他链路层一样，只不过环回接口把它返回到IP的输入队列中。
    4.4BSD系统定义了变量useloopback，并初始化为1。但是，如果这个变量置为0，以太网驱动程序就会把本地分组送到网络，而不是送到环回接口上。它也许不能工作，这取决于所使用的以太网接口卡和设备驱动程序。
   
2.8最大传输单元MTU
    链路层对数据帧的长度都有一个限制，这个特性称作MTU，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。
    点到点的链路层（如SLIP和PPP）的MTU并非指的是网络媒体的物理特性。相反，它是一个逻辑限制，目的是为交互使用提供足够快的响应时间。在2.10节中，我们将看到这个限制值是如何计算出来的。
    典型MTU值：
        超通道                  65535字节
        16MB/s令牌环(IBM)       17914
        4MB/s令牌环(IEEE 802.5) 4464
        FDDI                    4352
        以太网                  1500
        IEEE802.3/802.2         1492
        X.25                    572
        点对点（低时延）        296
        
2.9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。
    RFC 1191[Mogul and Deering 1990]描述了路径MTU的发现机制，即在任何时候确定路径MTU的方法。我们在介绍了ICMP和IP分片方法以后再来看它是如何操作的。在11.6节中，我们将看到ICMP的不可到达错误就采用这种发现方法。在11.7节中，还会看到，traceroute程序也是用这个方法来确定到达目的节点的路径MTU。在11.8节和24.2节，将介绍当产品支持路径MTU的发现方法时，UDP和TCP是如何进行操作的。
   
2.10串行线路吞吐量计算
    如果线路速率是9600b/s，而一个字节有8bit，加上一个起始比特和一个停止比特，那么线路的速率就是960B/s（字节/秒）。以这个速率传输一个1024字节的分组需要1066ms。如果用SLIP链接运行一个交互式应用程序，同时还运行另一个应用程序如FTP发送或接收1024字节的数据，那么一般来说就必须等待一半的时间（533 ms）才能把交互式应用程序的分组数据发送出去。
    假定交互分组数据可以在其他“大块”分组数据发送之前被发送出去。大多数的SLIP实现确实提供这类服务排队方法，把交互数据放在大块的数据前面。交互通信一般有Telnet、Rlogin以及FTP的控制部分（用户的命令，而不是数据）。
    这种服务排队方法是不完善的。它不能影响已经进入下游（如串行驱动程序）队列的非交互数据。同时，新型的调制解调器具有很大的缓冲区，因此非交互数据可能已经进入该缓冲区了。
    对于交互应用来说，等待533ms是不能接受的。关于人的有关研究表明，交互响应时间超过100～200ms就被认为是不好的[Jacobson 1990a]。这是发送一份交互报文出去后，直到接收到响应信息（通常是出现一个回显字符）为止的往返时间。
    把SLIP的MTU缩短到256就意味着链路传输一帧最长需要266ms，它的一半是133ms（这是一般需要等待的时间）。这样情况会好一些，但仍然不完美。我们选择它的原因（与64或128相比）是因为大块数据提供良好的线路利用率（如大文件传输）。假设CSLIP的报文首部是5个字节，数据帧总长为261个字节，256个字节的数据使线路的利用率为98.1%，帧头占了1.9%，这样的利用率是很不错的。如果把MTU降到256以下，那么将降低传输大块数据的最大吞吐量。
    在上面列出的MTU值中，点对点链路的MTU是296个字节。假设数据为256字节，TCP和IP首部占40个字节。由于MTU是IP向链路层查询的结果，因此该值必须包括通常的TCP和IP首部。这样就会导致IP如何进行分片的决策。IP对于CSLIP的压缩情况一无所知。
    我们对平均等待时间的计算（传输最大数据帧所需时间的一半）只适用于 SLIP链路（或PPP链路）在交互通信和大块数据传输这两种情况下。当只有交互通信时，如果线路速率是9600 b/s，那么任何方向上的1字节数据（假设有5个字节的压缩帧头）往返一次都大约需要12.5 ms。它比前面提到的100~200ms要小得多。需要注意的是，由于帧头从40个字节压缩到5个字节，使得1字节数据往返时间从85ms减到12.5ms。
    不幸的是，当使用新型的纠错和压缩调制解调器时，这样的计算就更难了。这些调制解调器所采用的压缩方法使得在线路上传输的字节数减少，但纠错机制又会增加传输的时间。不过，这些计算是我们进行合理决策的入口点。在后面的章节中，我们将用这些串行线路吞吐量的计算来验证数据从串行线路上通过的时间。
   
2.11小结
    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。
    我们描述了很多链路都具有的一个重要特性，MTU，相关的一个概念是路径MTU。根据典型的串行线路MTU，对SLIP和CSLIP链路的传输时延进行了计算。
    本章的内容只覆盖了当今TCP/IP所采用的部分数据链路公共技术。TCP/IP成功的原因之一是它几乎能在任何数据链路技术上运行。