分类： LINUX
2009-08-22 12:59:16
链路控制协议可以对多个数据链路选项进行设置。为这些优点我们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。
（下面是原书p.27①的译文）
尽管PPP比SLIP有更多的优点，但是现在的SLIP用户仍然比PPP用户多。随着产品越来越多，产家也开始逐渐支持PPP，因此最终PPP应该取代SLIP。
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。
图2.4是环回接口处理IP数据报的简单过程。
图2.4 环回接口处理IP数据报的过程
需要指出图中的关键点是：
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。
在图2.4中，另一个隐含的意思是送给主机本身IP地址的IP数据报一般不出现在相应的网络上。例如，在一个以太网上，分组一般不被传出去然后读回来。某些BSD以太网的设备驱动程序的注释说明，许多以太网接口卡不能读回它们自己发送出去的数据。由于一台主机必须处理发送给自己的IP数据报，因此图2.4所示的过程是最为简单的处理办法。
（下面是原书p.29①的译文）
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，这取决于你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
正如我们在图2.1看到的那样，以太网和802.3对数据帧的长度都有一个限制，其最大值分别是1500和1492字节。链路层的这个特性称作MTU，最大传输单元。不同类型的网络大多数都有一个上限。
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），把数据报分布若干片，这样每一片都小于MTU。我们将在11.5节讨论IP分片的过程。
图2.5列出了一些典型的MTU值，它们摘自RFC 1191[Mogul and Deering 1990]。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。
在3.9节中，我们将用netstat命令打印出网络接口的MTU。
图2.5 几种常见的最大传输单元（MTU）
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。而路由选择不一定是对称的（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，我们还会看到，traceroute程序也是用这个方法来确定到达目标节点的路径MTU。在 11.8节和24.2节，我们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9600 b/s，而一个字节有8 bit，加上一个起始比特和一个停止比特，那么线路的速率就是960 B/s（字节/秒）。以这个速率传输一个1024字节的分组需要1066 ms。如果我们用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，那么一般来说我们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。
假定我们的交互分组数据可以在其它“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）。
（下面是原书p.31①的译文）
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533 ms是不能接受的。关于人的有关研究表明，交互响应时间超过100-200 ms就被认为是不好的[Jacobson
把SLIP的MTU缩短到256就意味着链路传输一帧最长需要266 ms，它的一半是133 ms（这是我们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。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。
在图2.5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100-200 ms足够小。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85 ms减到12.5 ms。
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大大减少，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止通过的时间。
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IEEE 802.2/802.3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，我们对SLIP和CSLIP链路的传输时延进行了计算。
本章内容只覆盖了当今TCP/IP所采用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。
习题
2.1 如果你的系统支持netstat(1)命令（参见3.9小节），那么请用它确定系统上的接口及其MTU。
2－1
3 IP：网际协议
3.1 引言
IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。所有的TCP，UDP，ICMP，及IGMP数据都以IP数据报格式传输（图1.4）。许多刚开始接触TCP/IP的人对IP提供不可靠、无连接的数据报传送服务感到很奇怪，特别是那些具有X.25或SNA背景知识的人。
不可靠（unreliable）的意思是它不能保证IP数据报能成功地到达目的地。IP仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区，IP有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送ICMP消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如TCP）。
无连接（connectionless）这个术语的意思是IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明，IP数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报（先是A，然后是B），每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达。
在本章，我们将简要介绍IP首部中的各个字段，讨论IP路由选择和子网的有关内容。我们还要介绍两个有用的命令：ifconfig和netstat。关于IP首部中一些字段的细节，我们将留在以后使用这些字段的时候再进行讨论。RFC 791[Postel
3.2 IP首部
IP数据报的格式如图3.1所示。普通的IP首部长为20个字节，除非含有选项字段。
图3.1 IP数据报格式及首部中的各字段
我们来分析图3.1中的首部。最高位在左边，记为0 bit，最低位在右边，记为31 bit。
4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0-7 bit，其次8-15 bit，然后16-23 bit，最后是24-31 bit。这种传输次序称作big endian字节次序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节次序。以其他形式存储二进制整数的机器，如little endian格式，则必须在传输数据之前把首部转换成网络字节次序。
目前的协议版本号是4，因此IP有时也称作IPv4。3.10节将对一种新版的IP协议进行讨论。
首部长度指的是首部占32 bit字的数目，包括任何先期选项。由于它是一个4比特字段，因此首部最长为60个字节。在第8章中，我们将看到这种限制使某些选项如路由记录选项在当今已没有什么用处。普通IP数据报（没有任何选择项）该字段的值是5。
服务类型（TOS）字段包括一个3 bit的优先权子字段（现在已被忽略），4 bit的TOS子字段，和1 bit未用位但必须置0。4 bit的TOS分别代表：最小时延，最大吞吐量，最高可靠性，最小费用。4 bit中只能置其中1 bit。如果所有4 bit均为0，那么就意味着是普遍服务。RFC 1340 [Reynolds and Postel 1992]描述了所有的标准应用如何设置这些服务类型。RFC 1349 [Almquist 1992]对该RFC进行了修正，更为详细地描述了TOS的特性。
图3.2列出了对不同应用建议的TOS值。在最后一列中，我们给出的是十六进制值，因为这就是在后面我们将要看到的tcpdump命令输出。
图3.2 服务类型字段推荐值
Telnet和Rlogin这两个交互应用要求最小的传输时延，因为人们主要用它们来传输少量的交互数据。另一方面，FTP文件传输则要求有最大的吞吐量。最高可靠性被指明给网络管理（SNMP）和路由选择协议。用户网络新闻（Usenet news, NNTP）是唯一要求最小费用的应用。
现在大多数的TCP/IP实现都不支持TOS特性，但是自4.3BSD Reno以后的新版系统都对它进行了设置。另外，新的路由协议如OSPF和IS-IS都能根据这些字段的值进行路由决策。
（下面是原书p.35①的译文）
在2.10节中，我们提到SLIP一般提供基于服务类型的排队方法，允许对交互通信数据在处理大块数据之前进行处理。由于大多数的实现都不使用TOS字段，因此这种排队机制由SLIP自己来判断和处理，驱动程序先查看协议字段（确定是否是一个TCP段），然后检查TCP信源和信宿的端口号，以判断是否是一个交互服务。一个驱动程序的注释这样认为，这种“令人厌恶的处理方法”是必需的，因为大多数实现都不允许应用程序设置TOS字段。
总长度字段是指整个IP数据报的长度，以字节为单位。利用首部长度字段和总长度字段，我们就可以知道IP数据报中数据内容的起始位置和长度。由于该字段长16比特，所以IP数据报最长可达65535字节。（回忆图2.5，超级通道的MTU为65535。它的意思其实不是一个真正的MTU－—它使用了最长的IP数据报。）当数据报被分片时，该字段的值也随着变化，这一点我们将在11.5节中进一步描述。
尽管可以传送一个长达65535字节的IP数据报，但是大多数的链路层都会对它进行分片。而且，主机也要求不能接收超过576字节的数据报。由于TCP把用户数据分成若干片，因此一般来说这个限制不会影响TCP。我们在后面的章节中将遇到大量使用UDP的应用（RIP，TFTP，BOOTP，DNS，以及SNMP），它们都限制用户数据报长度为512字节，小于576字节。但是，事实上现在大多数的实现（特别是那些支持网络文件系统，NFS的实现）允许超过8192字节的IP数据报。
总长度字段是IP首部中必要的内容，因为一些数据链路（如以太网）需要填充一些数据以达到最小长度。尽管以太网的最小帧长为46字节（图2.1），但是IP数据可能会更短。如果没有总长度字段，那么IP层就不知道46字节中有多少是IP数据报的内容。
标识字段唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发送一份报文它的值就会加1。我们在11.5节介绍分片和重组时再详细讨论它。同样，在讨论分片时我们再来分析标志字段和片偏移字段。
（下面是原书p.36①的译文）
RFC 791 [Postel
生存时间字段（time-to-live）TTL设置了数据报可以经过的最多路由器数。它指定了数据报的生存时间。TTL的初始值由源主机设置（通常为32或64），一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去1。当该字段的值为0时，数据报就被丢弃，并发送ICMP报文通知源主机。第8章我们讨论Traceroute程序时将再回来讨论该字段。
我们已经在第1章讨论了协议字段，并在图1.8中示出了它如何被IP用来对数据报进行分用。根据它可以识别是哪个协议向IP传送数据。
首部检验和字段是根据IP首部计算的检验和码。它不对首部后面的数据进行计算。ICMP，IGMP，UDP和TCP在它们各自的首部中均含有同时覆盖首部和数据检验和码。
为了计算一份数据报的IP检验和，首先把检验和字段置为0。然后，对首部中每个16 bit的二进制反码进行求和（整个首部看成是由一串16 bit的字组成），结果存在检验和字段中。当收到一份IP数据报后，同样对首部中每个16 bit的二进制反码进行求和。由于收方在计算过程中包含了发方存在首部中的检验和，因此首部在传输过程中没有发生任何差错时，收方计算的结果应该为全1。如果结果不是全1（即检验和错误），那么IP就丢弃收到的数据报。但是不生成差错报文，由上层去发现丢失的数据报并进行重传。
ICMP，IGMP，UDP和TCP都采用相同的检验和算法，尽管TCP和UDP除了本身的首部和数据外，在IP首部中还包含不同的字段。在RFC 1071[Braden,Borman and Patridge 1988]中有关于如何计算Internet检验和的实现技术。由于路由器经常只修改TTL字段（减1），因此当路由器转发一份报文时可以增加它的检验和，而不需要对IP整个首部进行重新计算。RFC 1141[Mallory and Kullberg 1990]为此给出了一个很有效的方法。
（下面是原书p.37①的译文）
但是，标准的BSD实现在转发数据报时并不是采用这种增加的办法。
每一份IP数据报都包含源IP地址和目的IP地址。我们在1.4节中说过，它们都是32 bit的值。
最后一个字段是任选项，是数据报中的一个可变长的可选信息。目前，这些任选项定义如下：
·安全和处理限制（用于军事领域，详细内容参见RFC 1108[Kent 1991]）
·记录路径（让每个路由器都记下它的IP地址，见7.3节）
·时间戳（让每个路由器都记下它的IP地址和时间，见7.4节）
·宽松的源站选路（为数据报指定一系列必须经过的IP地址，见8.5节）
·严格的源站选路（与宽松的源站选路类似，但是它要求只能经过指定的这些地址，不能经过其它的地址）。
这些选项很少被使用，并非所有的主机和路由器都支持这些选项。
选项字段一直都是以32 bit作为界限，在必要的时候插入值为0的填充字节。这样就保证IP首部始终是32 bit的整数倍（这是首部长度字段所要求的）。
3.3 IP路由选择
从概念上说，IP路由选择是简单的，特别对于主机来说。如果目的主机与源主机直接相连（如点对点链路）或都在一个共享网络上（以太网或令牌环网），那么IP数据报就直接送到目的主机上。否则，主机把数据报发往一默认的路由器上，由路由器来转发该数据报。大多数的主机都是采用这种简单机制。
在本节和第9章中，我们将讨论更一般的情况，即IP层既可以配置成路由器的功能，也可以配置成主机的功能。当今的大多数多用户系统，包括几乎所有的Unix系统，都可以配置成一个路由器。我们可以为它指定主机和路由器都可以使用的简单路由算法。根本上的区别在于主机从不把数据报从一个接口转发到另一个接口，而路由器则要转发数据报。内含路由器功能的主机应该从不转发数据报，除非它被设置成那样。在9.4小节中，我们将进一步讨论配置的有关问题。
在一般的体制中，IP可以从TCP，UDP，ICMP，IGMP接收数据报（即在本地生成的数据报）并进行发送，或者从一个网络接口接收数据报（待转发的数据报）进行发送。IP层在内层中有一个路由表。当收到一份数据报进行发送时，它都要对该表搜索一次。当数据报来自某个网络接口时，IP首先检查目的IP地址是否为本机的IP地址之一或者IP广播地址。如果确实是这样，数据报就被送到由IP首部协议字段所指定的协议模块进行处理。如果数据报的目的不是这些地址，那么（1）如果IP层被设置为路由器的功能，那么就对数据报进行转发（也就是说，像下面对待发出的数据报一样处理），否则（2）数据报被丢弃。
路由表中的每一项都包含下面这些信息：
·目的IP地址。它既可以是一个完整的主机地址，也可以是一个网络地址，由该表目中的标志字段来指定（如下所述）。主机地址有一个非0的主机号（图1.5），以指定某一特定的主机，而网络地址中的主机号为0，以指定网络中的所有主机（如以太网，令牌环网）。
·下一站（或下一跳）路由器（next-hop router）的IP地址，或者有直接连接的网络IP地址。下一站路由器是指一个在直接相连网络上的路由器，通过它可以转发数据报。下一站路由器不是最终的目的，但是它可以把我们传送给它的数据报转发到最终目的。
·标志。其中一个标志指明目的IP地址是网络地址还是主机地址，另一个标志指明下一站路由器是否为真正的下一站路由器，还是一个直接相连的接口。（我们将在9.2节中详细介绍这些标志。）
·为数据报的传输指定一个网络接口。
IP路由选择是逐跳地（hop-by-hop）进行的。从这个路由表信息可以看出，IP并不知道到达任何目的的完整路径（当然，除了那些与主机直接相连的目的）。所有的IP路由选择只为数据报传输提供下一站路由器的IP地址。它假定下一站路由器比发送数据报的主机更接近目的，而且下一站路由器与该主机是直接相连的。
IP路由选择主要完成以下这些功能：
1. 搜索路由表，寻找能与目的IP地址完全匹配的表目（网络号和主机号都要匹配）。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口（取决于标志字段的值）。
2. 搜索路由表，寻找能与目的网络号相匹配的表目。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口（取决于标志字段的值）。目的网络上的所有主机都可以能过这个表目来处置。例如，一个以太网上的所有主机都是通过这种表目进行寻径的。
这种搜索网络的匹配方法必须考虑可能的子网掩码。关于这一点我们在下一节中进行讨论。
3.搜索路由表，寻找标为“默认”（default）的表目。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器。
如果上面这些步骤都没有成功，那么该数据报就不能被传送。如果不能传送的数据报来自本机，那么一般会向生成数据报的应用程序返回一个“主机不可达”或“网络不可达”的错误。
完整主机地址匹配在网络号匹配之前执行。只有当它们都失败后才选择默认路由。默认路由，以及下一站路由器发送的ICMP间接报文（如果我们为数据报选择了错误的默认路由），是IP路由选择机制中功能强大的特性。我们在第9章对它们进行讨论。
为一个网络指定一个路由器，而不必为每个主机指定一个路由器，这是IP路由选择机制的另一个基本特性。这样做可以极大地缩小路由表的规模，比如Internet上的路由器有只有几千个表目，而不会是超过100万个表目。
