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链路协议和网络层

一、前言

本篇将为链路层画上句号，开启网络层的学习~

二、数据链路层

接上文，数据链路层的第三个问题——差错检测的另一种检测方法

2.1 CRC循环冗余校验

奇偶校验基本不太使用（如果出错了两位，就不起作用了），只有在实验中或者短距离运输中会用。

关于CRC循环冗余校验，基本硬件已经做好了，不用自己实现

2.1.1 定义

数据链路层广泛使用漏检率低的循环冗余实验（Cyclic Redundancy Check，CRC）检错技术

2.1.2 基本思想

• 收发双方约定好一个生成多项式G(x)
• 发送方基于待发送的数据和生成多项式G(x)，计算出差错检测码（冗余码），将冗余码添加到待发送数据的后面一起传输
• 接收方收到数据和冗余码后，通过生成多项式G(x)来计算收到的数据和冗余码是否产生了误码

2.1.3 发送方CRC操作

这里的生成多项式是一个关于1和0的序列

2.1.4 循环冗余校验举例

2.2 Ethernet协议

2.2.1 Ethernet V2标准

• 以太网帧的格式有：

  • Ethernet V2标准（使用最多）
  • IEEE的802.3标准

  格式问题 协议定义格式

  二进制格式 其他层 定义不同的位数代表什么含义

  文本格式 应用层 人阅读 Content-length

• 为了能够检测正在发送的帧是否产生了冲突，以太网的帧至少要64字节

• 用交换机组建的网络，已经支持全双工通信，不需要再使用CSMA/CD协议，它传输的帧依然是以太网帧

2.2.2 Ethernet V2帧格式

格式说明

• 首部：目标MAC + 源MAC + 网络类型
• 以太网帧：首部 + 数据 + FCS
• 数据的长度至少是：64 - 6 - 6 - 2 - 4 = 46字节

2.2.3 Ethernet V2帧长度标准

• 当数据部分的长度小于46字节时
  • 数据链路层会在数据的后面加入一些字节填充
  • 接收端会将添加的字节去掉
• 长度总结
  • 以太网帧的数据长度：46~1500字节
  • 以太网帧的长度：64~1518字节

2.2.4 以太网MAC帧协议

以太网帧没有帧开始符和帧结束符

• 接收方可能收到的无效MAC帧包括以下几种：
  • MAC帧的长度不是整数个字节
  • 通过MAC帧的FCS字段的值检测出帧有误码
  • MAC帧的长度不在64~1518字节之间
• 接收方收到无效的MAC帧时，就简单将其丢弃，以太网的数据链路层没有重传机制

2.3 PPP协议

2.3.1 PPP概述

• 点对点协议（Point-to-Point Protocol，PPP）是目前使用最广泛的点对点数据链路层协议
• 点对点协议PPP是因特网工程任务组（Internet Engineering Task Force，IETF）于1992年制定的。经过多次修订，目前PPP已成为因特网的正式标准[ RFC1661, RFC1662 ]
• 点对点协议PPP主要有两种应用：
  • 因特网用户（ALDS拨号）
  • 广域路由器链路

2.3.2 PPP帧

• 标志（Flag）字段：PPP帧的定界符，取值为0x7E

• 地址（Address）：取值为0xFF，预留（目前没什么作用）

  点对点通信和广播通信不同，是直连的，不需要地址

• 控制（Control）：取值为0x03，预留（目前没什么作用）

• 协议（Protocol）：其值用来指明帧的数据载荷应向上交付给那个协议处理

  在以太网帧中，协议就是类型

帧检验序列（Frame Check Sequence，FCS）字段：其值是使用循环冗余校验CRC计算出的检错码

三、网络层

3.1 网际层的设计选择

网络层有时叫网际层

3.1.1 为什么要有网络层？

主要原因在于：链路层设计了很多很多链路，比如：以太网和点对点。这两种链路直接通信是不可行的。

由于异构网路的组网格式、身份识别方式、数据校验方式等都不尽相同，如何将不同的异构网络组合成新的网络，此时，IP协议诞生了。

IP协议就是用来描述网络的逻辑结构

先前我们了解到路由器作为三层设备（工作在网络层），路由器的接到数据包后，会直接丢到下一个设备，就是利用IP来传的，而不是MAC地址。

3.1.2 路由器的主要任务

• 将分组从源主机经过多个网络和多段链路传输到目的主机
• 可以将任务划分为分组转发和路由选择两种重要的功能

3.1.3 网络层向上层提供两种服务

• 面向连接的虚电路服务

  • 核心思想是“可靠通信”应由网络自身来保证
  • 通信双方沿着已建立的虚电路发送分组（路径固定）

  很多广域分组交换网都使用面向连接的虚电路服务。

• 无连接的数据报服务

  • 核心思想是“可靠通信应由用户主机来保证”
  • 不需要建立网络层连接
  • 每个分组可走不同的路径，因此，每个分组的首部都必须携带目的主机的完整地址
  • 通信结束后，没有需要释放的连接

  缺点：可能误码、丢失、重复和失序，至此，网络层不再提供可靠通信，将可靠性交给上层——传输层

  优点：使得网络中的路由器可以做得比较简单，大大降低了网络造价，适合厂家部署

整个网络就是一个大的云，大家都是通过IP层互相认识的

3.2 网络层协议

3.2.1 IPv4数据报格式（核心）

• 在TCP/IP标准中，各种数据格式常常以32比特（即4字节）为单位来描述

  数据按位来解读

• 网络层数据包（IP数据把包，Packet）由首部、数据2部分组成

  • 数据：很多时候是由传输层传递下来的数据段（Segment）

固定部分表示必不可少的部分，如果没有这个部分，那么上层根本不知道该如何处理这个数据包

40 + 20 = 1111（15） × 4

容易出现问题：数据粘包

解决方案：定义长度

3.2.2 IPv4数据报首部协议

• 版本（Version）

  长度为4个比特，用来表示IP协议的版本

  • 0b0100：IPv4
  • 0b0110：IPv6

• 首部长度（Header Length）

  占4个比特，乘以4才是最终长度，用来表示IPv4数据报的首部长度

  • 最小取值为二进制的0101：20字节
  • 最大取值为二进制的1111：60字节

• 可选字段

  • 长度从1字节到40字节不等，用来支持排错、测量以及安全措施等功能

  • 虽然可选字段增加了IPv4数据报的功能，但这同时也使得IPv4数据报的首部长度成为可变的，这就增加了因特网中每一个路由器处理IPv4数据报的开销

    以太网和IP协议不同，首部格式是固定的

• 填充

  • 当首部长度（20字节固定部分 + 可变部分）的长度不是4字节整数倍时，填充相应数量的全0字节，以确保IPv4数据报的首部长度是4字节的整数倍
  • 使用全0进行填充

• 区分服务（Differentiated Services Field）

  • 占8个比特
  • 可以用于提高服务质量

• 总长度（Total Length）

  • 占16个比特
  • 首部 + 数据的长度之和，最大65535

  路由器在逐字节解析首部时，会发现总长度（首部 + 数据长度（可能是传输层 + 应用层往上层传输的数据））

  当数据包从网络层传往链路层时，有一个定义表示最大传输单元，是1500字节。而在网络层的总长度最大为65535，在网络协议中有一个巧妙的处理——分片

• 标识、标志、片偏移

  标识（Identification）：

  • 占16比特
  • 数据包的ID，当数据包过大进行分片时，同一个数据包的所有片的标识都是一样的
  • 有一个计数器专门管理数据包的ID，每发出一个数据包，ID就加1

  标志（Flags）：

  • 占3比特
  • 最低位（More Fragment，MF）
    • MF = 1表示本分片后面还有分片
    • MF = 0表示本分片后面没有分片
  • 中间位（Don’t Fragment，DF）
    • DF = 1表示不允许分片
    • DF = 0表示允许分片
  • 最高位为保留位，必须设置为0

  题目：

  某个IPv4数据总长度为3820字节，采用20字节固定首部，假设根据数据链路层要求，需要将该IPv4数据报分片为长度不超过1420字节的数据报片。

  
  面临问题：数据包不能保证有序到达

  片偏移（Fragment Offset）：

  • 占13比特

  • 片偏移乘以8：字节偏移

    为了能够跟总长度（16比特）接近，作了×8的处理（左移3位），因此每一片的长度一定是8的整数倍。

  • 每一片的长度一定是8的整数倍

    片偏移是为了实现网络层数据的有序到达，便于数据进一步处理

    
    
    链路层：20 + x1 == 800

    20 + 1560

    20 + 780

    片偏移：

    20 0 - - - - 779

    780 / 8 = 97.5（不符合是8的整数倍，错误）

    找一个接近的：776 / 8 = 97

    20 0 - - - - - 775

    20 776 - - - - 1551

    20 1552 - - - 1560

    因此选择B

• 生存周期（Time To Live，TTL）

  占8比特

  数据包在初始时有一个TTL初始值，每个路由器在转发之前会将TTL减1，一旦发现TTL减为0，路由器会返回错误报告

• 协议

  • 长度为8个比特，用来指明IPv4数据报的数据载荷是何种协议数据单元（PDU）

  目的地会对其进行解析，如果IP（协议头是1），那么就丢给ICMP。

  ping命令的数据包不可能到传输层，直接到网络层：把数据包构造成之后，发给目标地址，然后src和dest交换位置之后再原封不动传回来

每一层收到数据包，都会进行不同的处理。

链路层：有几个不同的去处：IPv4/ARP
网络层：传给传输层/ICMP（把目的地址和源地址进行重构）
传输层：UDP/TCP

四、小结

数据包的逐层传输蕴含极大奥妙，在网络层中的处理就是上述啦~