在IEEE 802网络上传送IP数据报

介绍

本文的目的是允许IP数据包传送和ARP请求与响应的兼容实现。为了达到这个目的，有些时候应该限制IP和ARP使用某一特定的IEEE 802标准。IEEE 802是LAN的协议族，处理物理层与数据链路层的问题，它定义了物理层标准（如802.3，802.4和802.5）以及数据链路层标准（802.2）。IEEE物理层标准说明ISO/OSI物理层和数据链路层的媒介访问（MAC）子层。802.2数据链路层标准说明数据链路层的逻辑链路控制子层。本文说明了IP和ARP在三种类型网络上的应用。本文的目的是提供足够的材料确定IP和ARP在这些网络上达到以下功能：

(1) 所有在802.3网络上的IP和ARP设备能够互操作；

(2) 所有在802.4网络上的IP和ARP设备能够互操作；

(3) 所有在802.5网络上的IP和ARP设备能够互操作；

描述

IEEE 802网络可用于各级（A，B或C）IP网络。这些系统使用LLC头中两个链接服务访问点（LSAP）域，而且还有对LLC头扩充称为子网访问协议（SNAP）的一个协议。IP包在802网络上传送时，会在802.2 LLC和SNAP数据链路层和802.3，802.4，802.5物理层上打包。SNAP用和一个组织代码（Organization Code）一起使用。通常所有通信使用802.2的1类通信，当两个网络都使用IEEE 802网络时，可以使用2类通信，这由802.2 XID机制完成。但是1类通信是推荐的方法，所以实现必须支持。IEEE 802网络可以使用16位或48位物理地址，本文中所指地址不区别是具体是哪一种。802.3标准规定的网络传输速率从1Mbps到20Mbps，802.4规定的传输速率为1Mbps，5Mbps和10Mbps，而802.5规定的传输速率为1Mbps和4Mbps，通常情况下，802.3和802.4的传输速率为10Mbps，802.5的传输速率为4Mbps，但是本文的IP数据报传输与具体传输速率无关。

LCC头和SNAP头的总长为8个字节。K1=170，K2=0，控制值=3。

地址映射

将32位IP地址映射到IEEE 802地址必须使用ARP协议的动态发现过程。ARP有几个参数域：

IEEE 802网络的硬件类型码是6，IP的协议类型码为2048，IP的协议地址长度为4，硬件地址长度为2（对16位802地址）或6（对48位802地址），操作码是1时代表请求，是2时代表应答。

广播地址

IP广播地址映射到IEEE 802的广播地址（全1地址）。

尾部格式

有些版本的Unix 4.x bsd使用不同的打包格式，为了利用VAX虚拟内存体系提高网络性能，这些系统之间可以使用这种打包格式进行通信，但是所有实现必须支持标准的（无尾部）方法。

字节顺序

IP数据报在IEEE 802网络上传送时是以8位字节串的形式传送，传送顺序称为"big-endian"。

最大传输单元（MTU）

不同的802网络的MTU不同，下面会列出所有网络的MTU。在同一个网络内的所有主机必须使用相同的MTU，下文中最大包大小和MTU等效。

帧格式与MAC层

对于所有硬件类型，IP数据报和ARP请求与应答以标准802.2 LLC类型一无序号信息格式传送，控制码为3，DSAP和SSAP域为170，为SNAP指定全局SAP值。24位的组织码为0，其余的16是EtherType，如果是IP则为2048，如果是ARP则为2054。IEEE 802有最小包大小限制，因此过小的包必须加以填充，而填充不记入IP包头内。为了兼容性，最小包大小为28字节，因为IP头的最小大小为20字节，LCC和SNAP头加起来有8字节，所以是28字节，其中不包括MAC头。而ARP的最小包大小为20字节。通常情况下，ARP包大小为32字节。因为IEEE 802包有最大包限制，实现中推荐使用最大包长度。而在网关中，则要准备对最大包长度的支持和对大包的分段。主机的实现应该准备接收最大长度的包，但是不推荐发送大于576字节的包，除非明确知道对方能够接收。IEEE 802网络上的包可能大于576字节，因此主机必须注意在向非本网络主机发送消息时要使用尽量小的包，减少网关对包的分段操作。

因为没有必要支持IP和ARP，但是必须支持IEEE 802.2标准I类服务，要支持无序号信息（UI）命令，XID命令，TEST命令和响应。对于XID或TEST必须返回应答。当poll位关闭时XID命令或应答的LCC控制域为175，如果打开则为191，而对于TEST命令来说，关闭时为227，打开时为243。SSAP地址的最高位为0时，这是一个命令帧，如果为1则为应答帧。XID应答帧应该包括802.2 XID信息域129.1.0，指明是I类服务。

IEEE 802.3

IEEE 802.3物理层定义的特殊点在于它定义了三个域，速率，介质类型和最大段长度（百米为单位）。我们可以看一下10BASE5，10Mbps，基带传输，最大长度为500米。这符合标准以太网标准。MAC头包括6（或2）字节的源地址和目的地址，2字节的长度。MAC尾包括4字节的帧校验序列(FCS)。IEEE 802.3网络拥有最小包长度，这和传输速率有关，对于10BASE5 802.3网络来说，最小包大小为64字节，而最大包长度也和传输速率有关，对于10BASE5 802.3网络来说，最大包大小为1518字节，包括所有在目的地址和FCS之间的字节数。对于IP数据来说，包括包头的大小不得大于1518-18（MAC头和尾）-8（LCC和SNAP头）=1492字节。

IEEE 802.4

MAC头包括1字节帧控制，包括6（或2）字节的源地址和目的地址，MAC尾包括4字节的帧校验序列(FCS)。IEEE 802.4网络没有最小包大小。最大包长度为8191字节。因为IP数据报的最大长度为8191-17（MAC头和尾）-8（LLC和SNAP头）= 8166。

IEEE 802.5

这个标准就是我们所熟悉的令牌环网，它是一个单环，但现在的实现已经把它扩展为多环了。MAC头包括1字节的访问控制，1字节的帧控制，包括6（或2）字节的源地址和目的地址，对于多环来说，还有0到18字节的路由信息域（RIF）, MAC尾包括4字节的帧校验序列(FCS)。在FCS后还有附加的帧状态字节。

IEEE 802.5多环

源地址最高位（MSB）称为路由信息标记（RII）用来指示是否有路由信息域。如果RII=0，没有RIF；如果RII=1，有RIF。虽然RII在源地址中，但它不是MAC地址的一部分，而且目的地址的MSB也是一个标记，个体/组标记，如果设置此标记，此帧用于广播。因此在实现的时候要注意这两位的表示。

RIF包括两位路由控制（RC）域，后面是0到8个双字节RD域。全路由（all-route）广播帧的格式如下：

B - 广播标记：3位

LTH - 长度：5位

用于表示长度或RI域，只有2到30之间的偶数可以使用。

D - 方向域：1位

D位指定RD域的顺序，如果D=1，RD域以反序排列。

LF - 最大帧：3位

LF位指定在指定路由上所有网桥支持的MTU。所有多环广播帧应该至少以支持的MTU大小广播，LF的具体含义如下（其它值保留）：

接收方比较LT和MTU，如果LF>=MTU，不进行任何操作，否则拒绝此帧。在LF<MTU时实际上有三种操作，第一种是拒绝，第二种是减少MTU使之和LF相等，第三种是基于接收的LF对每个通信主机保持独立的MTU。

r - 保留：4位

保留位设置为0。

IEEE 802.5网络没有最小包大小限制，最大包限制基于令牌在一个节点能够呆的时间。这个时间取决于许多因素，数据信号速率，结点数等。在多环带网桥的情况下，判断这个时间是十分复杂的。如果时间为9毫秒，4Mbps，最大包大小=4508。对于IP数据的大小最大可以达到4508-36（MAC头和尾及18字节的RIF）-8（LCC和SNAP头）=4464。但就现在的实现来说，一般规定最大包大小为2046，对于IP数据报就只有2002了，对于所有支持IP包的实现来说，至少要支持接收2002字节的数据报。一般来说，使用多环802.5网络中使用源路由网桥的情况下，最大包不会超过8232字节。那么IP数据报的最大大小也就是8188字节了。

两接两个环的源路由网桥会限制转发包的大小为552字节，去掉MAC头和尾的36字节和LCC和SNAP的8字节，IP数据的最大大小也就是508字节。这小于默认的IP MTU 576字节，因此会因为分段造成效率的下降。IEEE 802.5网络支持三种类型的广播。全基站（all-stations）广播发送时没有RIF，或广播标记设备为0，所有在本地网的基站复制一次。全路由广播和相应的广播标记一起广播，可能会产生多个复本，而单路由广播在多环网络上对每个基站点产生一个广播帧。因此在进行ARP动态查找过程时，要尽量减少广播就要先采取全基站广播，然后再视情况进行全路由或单路由广播。全路由广播比较好，因为它有容错性。在多冗余网桥中，全路由广播即使在扩展树桥失败的情况下也可以使用。但是，如果IP和ARP必须使用相同的广播方法，还是使用单路由广播比较好。

当ARP请求或应答接收到以后，所有实现必须能够识别无RIF和空RIF的帧。如果支持多环源路由，需要保存非空RIF用于对发起ARP请求或应答的主机进行响应。如果源路由没有实现，所有带有非空RIF的包被忽略。在使用全路由广播时，可以会因为多个网桥的传送接收到多个广播帧，但是因为经过不同的路由，所以RIF的内容不同。具体实现中必须决定使用哪一个，而把其它的帧作废。具体实现方法有三种：(1)先到的留下，其它作废；(2)最后到的留下，其它作废；(3)留下最短路由的。因为没有兼容性的问题，用什么方法实现者自己看着办。但ARP请求的接收者必须以点对点消息的形式使用RIF消息返回ARP应答。

RIF消息与ARP表不同，前者是对IP地址和802的48位地址进行映射，而后者是对IP地址和802.5源路由进行映射。如果可以实现者可以将ARP和RIF一起保存。IP广播必须必须以802.5单路由广播形式广播。如果IP广播产生多个副本会对使用IP协议的协议产生不可预知的错误。因为当前的接口硬件地址只允许一个组地址，而功能地址又不是全局唯一的，因此IP和ARP不使用这些特点。IP优先级不应该被映射到802.5优先级上，所有IP和ARP包应该以默认的802.5优先级（3级）发送。在包传输中，802.5提供帧未复制或未识别标记，具体实现者可以使用这些标记提供一些容错功能。如果设置了帧复制位而未设置地址不可识别位，接收方接收拥塞。发送方可以再次发送，重复几次（通常是4次），或者一直发送一直等到接收方可以接收为止。如果设置了地址不可识别位，实现者有三种选择：(1)忽略错误并丢弃包；(2)返回ICMP目的不可达信息到源地址或者(3)删除用于发送此包的ARP入口，发送新的ARP请求到目的地址。后面的方法是比较可取的。

与Ethernet互操作