一、引言

• 在TCP/IP协议簇中，链路层的作用主要有：(1).为IP模块发送/接受IP数据包；(2).为ARP模块发送ARP请求与接收ARP应答；(3).为RARP模块发送RARP请求与接收RARP应答。
• 根据所使用的网络硬件不同，TCP/IP协议簇使用不同的链路层协议。不同的网络硬件包括以太网、令牌环网、光纤分布式数据接口（FDDI）、RS-232串行线路等等。
• 该文将说明一下链路层协议：
  • 协议-以太网：事实上的协议（RFC 894封装格式）、标准组织协议（IEEE 802.2/802.3，即RFC 1042封装格式）；
  • 协议-串行线路：SLIP/CSLIP与PPP。

二、以太网协议（RFC 894）与IEEE802协议（RFC 1042）

图1. IEEE 802帧（RFC 1042）与 以太帧（RFC 894）

图中，各个数字的单位是字节（Byte）。这两种协议，都是以太网上的。以太网协议是事实上的协议，IEEE802协议是标准组织根据以太网协议发布的标准参考协议。这两种协议都有相似的结构（如图）。两种帧格式都是采用48bit（6字节）的目的地址与源地址。这些地址就是我们常说的物理地址（Media Access Control Address，MAC）。

1.以太网帧格式（如图1下半部分）

• 目标MAC地址，6字节长度；
• 源MAC地址，6字节长度；
• 类型区域，2字节长度，用于表示该帧是什么协议帧；
  • 当区域值为0x0800，表示该帧是一个IP数据包，其后的数据区域长度是46~1500字节；
  • 当区域值为0x0806，表示该帧是一个ARP请求或ARP应答包，其后数据长度是固定的28字节+18字节填充字节（PAD）；
  • 当区域值为0x8035，表示该帧是一个RARP请求或RARP应答包，其后数据长度是固定的28字节+18字节填充字节(PAD)。
• 数据区域，其长度如上；
• CRC ，差错循环冗余校验码，4字节长度。校验范围：除CRC以外的其他数据。

以太帧最小数据区域是46字节，因此，ARP与RARP包不够这么长，需要填充PAD（填充字节）。
用wireshark抓取一帧，可以看到：

图2. 抓取一以太帧

蓝色部分为目的MAC地址；黑色部分为源MAC地址；红色部分为帧类型部分，指明这是一个IPv4数据包；黄色为填充字节部分；其余为数据部分。没有看到CRC校验码是应为抓包工具抓不到。

2.IEEE802帧格式（如图1上半部分）

• 目标MAC地址，6字节长度；
• 源MAC地址，6字节长度；
• 长度区域，2字节长度，指明其后除去CRC校验码的数据长度。这个长度值与以太帧的类型区域值不重合（以太帧类型最小0x0800[2048],数据长度范围又是46~1500，不冲突），可以使用该区域区分是以太帧还是IEEE802帧；
• 逻辑链路控制（Logical Link Control ,802.2 LLC）,3字节长度；
• 子网访问协议（Sub-network Access Protocol, 802.2 SNAP）,5字节长度；
• 数据区域，38~1492字节长度；
• CRC ，差错循环冗余校验码，4字节长度。

IEEE802最小数据区域是38字节

三、串行线路IP(SLIP)协议与点对点协议（PPP）

这两个协议都是对串行线路网络的协议。SLIP（Serial Line IP）,是一种串行线路上对IP数据包进行封装的简单形式。PPP（Point to Point Protocol）是SLIP的代替协议

1. SLIP

图3. 串行线路IP协议帧

• IP数据包以一个字节（0xc0）的特殊字符结束。为了防止噪音，通常也会在首部加上一个0xc0字符；
• 如果IP数据包中有0xdb字节，使用0xdbdd替换该字节；
• 如果IP数据包中有0xc0字节，使用0xdbdc替换该字节。

SLIP缺点：
a. 没有类型字段，无法传输其他类型的上层协议；
b. 数据帧中，没有CRC校验码，无法保证传输正确性，除非上层协议保证校验。

2. PPP

图4. 点对点协议帧

• 标记（ox7e），1个字节，标记开始；
• 广播地址，1个字节；
• 控制字，1个字节；
• 数据包中所使用的协议，2个字节，0x0021表示IP数据包等等；
• 数据区域，0~1500字节，存放数据，这是逻辑上限制了最大字节数；
• CRC校验码，2个字节；
• 标记（ox7e），1个字节，标记结束。

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I P协议；
(2) 每一帧都有循环冗余检验；
(3) 通信双方可以进行 I P地址的动态协商(使用I P网络控制协议)；
(4) 与C S L I P类似，对T C P和I P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。

四、环回接口

环回接口（Lookback 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。多数系统将127.0.0.1分配给该接口，并命名该接口host为localhost。传给环回接口的IP数据包是不会出现在网络上的。它是当IP数据包离开网络层时候，返回给了它自己。可以想象环回接口是一个链路层。

图5. 环回接口处理IP数据包的过程

• 传给环回地址（一般为127.0.0.1）的任何数据均作为 I P输入；
• 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，包含主机本身；
• 任何传给该主机IP地址的数据均送到环回接口。

五、MTU与路径MTU

通过以太帧和IEEE802帧，我们看到一个帧能够传输的数据是有大小限制的，其最大值分别是1500字节与1492字节。这种特性叫最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）,单位是字节（Byte）。以下是不同网络的MTU。

图6. 常见网络MTU

路径MTU是指两台通信主机间的最小MTU。两台主机通信，中间可能经过了n个网络，不同的网络有不同的MTU，根据木桶原理，其中最小的MTU为整个链路的路径MTU。由于所选路由不同，MTU也可能跟着变。

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