**3. 差错检测**
由于现实环境中的通信链路都是不理想的，因此比特在传输过程中可能会产生差错：1 可能会变成 0，而 0 也可能变成 1，这称为比特差错。在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率。为了解决这个问题，数据链路层将待发送的数据分为多组，并采用循环冗余校验（CRC，Cyclic Redundancy Check）技术为每组数据生成冗余校验码，之后将每组数据和其校验码共同构成一帧后再发送出去。
### 3.2 PPP 协议
点到点协议（PPP，Point to Point Protocol）是目前使用最为广泛的数据链路层协议，主要用于建立点对点的连接来传输数据单元。它由以下三部分组成：
+ 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法；
+ **链路控制协议 (LCP)** ：一种扩展链路控制协议，用于建立、配置、测试和管理数据链路连接。
+ **网络控制协议 (NCP)** ：协商该链路上所传输的数据包格式与类型，建立、配置不同的网络层协议。
### 3.3 Mac 地址
MAC 地址（Media Access Control Address），直译为媒体存取控制地址，也称为局域网地址（LAN Address）或物理地址（Physical Address）。MAC 地址用于在网络中唯一标识一个网卡，一台设备若有多个网卡，则每个网卡都会有一个唯一的 MAC 地址。链路层通过 Mac 地址来识别需要发送数据的目标节点。
MAC地址为 48 位的（6 个字节），通常表示为 12 个 16 进制数，每两个 16 进制数之间用冒号隔开，如 `08：00：20：0A：8C：6D`，前 3 字节为组织机构唯一标识（OUI，Organizationally Unique Identifier），由 IEEE 的注册管理机构统一分配给硬件生产厂家，以确保在全球范围内的唯一；后 3 字节由厂家自行分配。
### 3.4 局域网
局域网（LAN，Local Area Network）是连接住宅、学校、实验室、大学校园或办公大楼等有限区域内计算机的网络。 按照 IEEE802 标准，局域网体系结构分为三层，即物理层，媒体链路控制层（MAC），逻辑链路控制层（LLC）。实际上是两层，该标准将数据链路层拆分为更具体的媒体链路控制层和逻辑链路控制层。
### 3.5 以太网
以太网（Ethernet）是目前使用范围最广的局域网，以常用的以太网 v2 标准为例，其帧格式如下：
其中 Mac Header 分别记录了目的地的 Mac 地址和来源地的 Mac 地址。
## 四、网络层
### 4.1 网际协议 IP
网际协议（Internet Protocol）是网络层中最重要的协议，也是 TCP\IP 两大核心协议之一，所有需要互联的计算机网络都需要遵循该协议，以便能够将不同网络在全世界范围内连接起来。该层传输的基本数据单元是 IP 数据报，其格式如下：
各字段的含义如下：
+ **版本**：占 4 位，指 IP 协议的版本（IPv4 或 IPv6）。
+ **首部长度**：占 4 位，可表示的最大十进制数是 15 。
+ **区分服务**：只有在使用区分服务时，该字段才有用，一般情况下不会用到。
+ **总长度**：指首部长度和数据长度之和，单位为字节。该字段为 16 位，因此数据报最大长度为 65535 个字节，由于数据链路层规定了一个帧中数据字段的最大长度 MTU（Maximum Transfer Unit，最大传送单元），以以太网为例，该值为 1500，所以当数据报长度超过 MTU 时，需要对数据进行分片。
+ **标识**：占 16 位，由 IP 软件内部的计数器维护，每产生一个数据报，计数器就加 1，用于发生分片时，将相同数据报标识的分片重组为原数据报。
+ **标志**：占 3 位，目前只有两位有意义：
+ 最低位 MF（More Fragment）：为 1 时表示后面还有分片，为 0 时表示该数据报分片已经是最后一个；
+ 中间位 DF（Don't Fragment）：代表不能分片，只有将其设为 1 时，才允许分片。
+ **片偏移**：占 13 位，标识该片在原数据报中的偏移位置。
+ **生存时间**：TTL，每经过一个路由器，其值就会减 1，当值为 0 时，就将该数据报丢弃。这样做是为了避免数据报目的地址不存在时，数据报一直在网络中无限制转发。
+ **协议**：占 8 位，指明数据报携带的数据所使用的协议。
+ **首部校验和**：占 16 位，其只校验数据报的首部，不包括数据部分。
+ **源地址**：占 32 位，数据来源的 IP 地址；
+ **目的地址**：占 32 位，目的地的 IP 地址。
### 4.2 ARP 协议
IP 数据报中的源地址和目标地址均是 IP 地址，而数据链路层的帧中的源地址和目标地址均是 Mac 地址，那么怎样根据 IP 地址获得 Mac 地址？这就需要使用到 ARP 协议。互联网络中的每台主机都有一个 ARP 缓存表，存储了本局域网内各主机和路由器的 IP 地址与 Mac 地址的映射关系，示例如下：
| 主机名称 | IP地址 | MAC地址 |
| :------: | :-----------: | :---------------: |
| A | 192.168.38.10 | 00-AA-00-62-D2-02 |
| B | 192.168.38.11 | 00-BB-00-62-C2-02 |
| C | 192.168.38.12 | 00-CC-00-62-C2-02 |
| D | 192.168.38.13 | 00-DD-00-62-C2-02 |
| E | 192.168.38.14 | 00-EE-00-62-C2-02 |
> 你也可以使用 `arp -a` 来查看你本机的 ARP 缓存表 。
拥有 ARP 表后，数据链路层中帧的发送过程如下：
+ 主机 A 发送数据前， 会先查看自己的 ARP 表中是否有目标 IP 对应的 Mac 地址，如果有则将其封装到帧里，然后发送；
+ 如果没有找到，主机 A 则会以广播的方式向同一网段内的所有主机发出对该 IP 地址的询问；
+ 对应 IP 地址的主机接收到这个消息后以单播的方式将对应的 Mac 地址回复给主机 A 。
### 4.3 IP 地址分类
IP 地址由 ICANN（The Internet Corporation for Assigned Names and Numbers，互联网名称与数字地址分配机构）进行分配，它是一个在全世界范围内唯一的 32 位标识符，最早的 IP 地址采用两级分类，只由 `网络号 + 主机号` 组成，分为以下五类：
A，B，C 三类是最常使用的类型，其类别位分别为 0，10，110 。需要注意的是另外并非所有 IP 地址都可用来分配，限制如下：
**网络号限制**：
+ 网络号全为 0 的 IP 地址是保留地址，代表 “本网络”（B，C 两类地址的网络号开头都是 1，所以不存在全 0 的情况）；
+ 网络号为 127（即 01111111）也是保留地址，作为回环测试使用（同上，B 和 C 两类地址也不存在该情况）；
+ B 类地址 128.0.0.0 （网络号为 10000000 00000000）不能用于分配；
+ C 类地址 192.0.0.0 （网络号为 11000000 00000000）不能用于分配；
**主机号限制**：
+ 全 0 主机号表示该 IP 地址是本主机所连接到的单个网络地址，如 IP 地址为 5.6.7.8 的主机所在的网络地址就是 5.0.0.0，该地址不能用于分配；
+ 全 1 主机号表示该网络上的所有主机，因此也不能被分配。
综上所述，每种网络类型所能分配到 IP 地址的情况如下：
| 网络类别 | 最大可分配的网络数 | 第一个可分配的网络号 | 最后一个可分配的网络号 | 每个网络的最大主机数 |
| -------- | -------------------------- | -------------------- | ---------------------- | ---------------------- |
| A | 126（27-2） | 1 | 126 | 16 777 215（224-2） |
| B | 16 383（214-1） | 128.1 | 191.255 | 65 534（216-2） |
| C | 2 097 151（221-1） | 192.0.1 | 223.255.255 | 254（28-2） |
从该表我们可以看出来，两级 IP 地址灵活性不足，且利用率较低，假设你现在的公司有 4 个机房（每个机房 20 台主机），出于信息安全的考虑，每个机房的网络需要彼此隔离，在两级 IP 的架构下你就只能申请 4 个 C 类地址，此时你浪费的 IP 数量为 `(254-20)*4` ，为解决两级 IP 地址灵活性不足问题，就产生了三级 IP 地址，即划分子网。此时你只需要申请一个 C 类地址，然后将其划分为 4 个子网。
### 4.4 划分子网
划分子网方案诞生与 1985 年，它从主机号借用若干位作为子网号，从而将 IP 地址划分为三级：网络号 + 子网号 + 主机号。假设网络地址为 192.168.10.0，利用子网掩码 255.255.255.224 对其进行划分子网，此时可以划分为四个子网：
由于子网对外是不可见的，所以需要使用子网掩码来辅助路由，假设目标 IP 地址为 192.168.10.198，想要正确到达该地址，必须先正确到达网络地址 192.168.10.192 。网络地址，子网掩码和主机 IP 之间的关系如下：
```
IP 地址：192.168.10.198 二进制IP地址：11000000.10101000.00001010.11000110
子网掩码：255.255.255.224 二进制掩码：11111111.11111111.11111111.11100000
网络地址：192.168.10.192 按位逻辑与运算结果为：11000000.10101000.00001010.11000000
```
现代互联网标准规定：所有网络都必须使用子网掩码，同时路由器的路由表中也必须包含子网掩码这一项。因为路由表包含了 IP 地址和子网掩码，所以通过位运算就能很快计算出网络地址。
最后，如果一个网络不划分子网掩码，则其子网掩码取默认值，各类 IP 地址默认的掩码如下：
| 类别 | 子网掩码的二进制数值 | 子网掩码的十进制数值 |
| ---- | ----------------------------------- | -------------------- |
| A | 11111111 00000000 00000000 00000000 | 255.0.0.0 |
| B | 11111111 11111111 00000000 00000000 | 255.255.0.0 |
| C | 11111111 11111111 11111111 00000000 | 255.255.255.0 |
### 4.5 构成超网
无类别域间路由（CIDR，Classless Inter-Domain Routing）是一个给用户分配 IP 地址以及在互联网上有效地路由 IP 数据报的地址归类方法。它消除了传统的 A 类，B 类 和 C 类地址以及划分子网的概念，采用无分类的两级编址：
```
IP地址 ::= {<网络前缀>,<主机号>}
```
并使用斜线记法进行表示：
1. 服务器进程 B 首先创建传输控制模块 TCB，然后进入 LISTEN（收听）状态，准备接受客户端的连接请求；
2. 客户端进程 A 首先创建传输控制模块 TCB，然后发出连接请求报文段，此时同步位 `SYN = 1` ，同时选择一个初始序号 `seq = x` ，之后进入 SYN-SENT（同步已发送）状态；
3. B 收到连接请求报文段后，如果同意建立连接，则发送确认报文段，此时 SYN 和 ACK 都置为 1，确认号 `ack = x + 1` ，并为自己选择一个初始序号 `seq =y` ，之后进入 SYN-RCVD（同步收到）状态；
4. A 收到来自 B 的确认后，发出最后的确认，确认报文段的 ACK 为 1，确认号 `ack = y + 1`，序号 `seq = x + 1`。TCP 标准规定，ACK 报文段可以携带数据也可以不携带，如果不携带则该序号不被消耗，下一个数据报文段的序号仍然是 `seq = x + 1`。之后 A 进入 ESTABLISHED（已连接）状态；
5. 当 B 收到 A 的确认后，也进入 ESTABLISHED 状态。
### 5.5 四次挥手
数据传输结束后，通信的双方都可以释放连接，具体过程如下：
1. 假设应用进程 A 先主动关闭连接，此时需要发送连接释放报文段：首部终止控制位 FIN 为 1，序号 `seq = u`，其中 u 等于前面传送过的数据的最后一个字节的序号加 1 。之后 A 进入 FIN-WAIT-1（终止等待 1）状态；
2. 应用进程 B 收到连接释放报文段后立即发出确认，确认号 `ack = u + 1`，序号 `seq = v` ，其中 v 等于前面传送过的数据的最后一个字节的序号加 1 。之后 B 进入 CLOSE-WAIT（关闭等待）状态，并通知高层应用进程。此时 TCP 连接处于半关闭状态，即 A 已经没有数据需要发送，但如果 B 发送数据，A 仍要接收；
3. A 收到来自 B 的确认后就进入 FIN-WAIT-2（终止等待 2）状态，等待 B 发出连接释放报文段；
4. 若高层应用进程已经没有数据要发送，则通知 B 释放 TCP 连接。此时 B 发出释放连接报文段：首部终止控制位 FIN 为 1，序号 `seq = w`（在半关闭状态下 B 可能又发送了一些数据），另外还需要重复上次已经发送过的确认号 `ack = u + 1`。之后 B 进入 LAST-ACK（最后确认）状态；
5. A 收到 B 的连接释放报文段后，发出最后确认：ACK 为 1，确认号 `ack = w + 1`，序号 `seq = u + 1`，然后进入 TIME-WAIT（有时间限制的等待）状态；
6. B 收到来自 A 的最后确认后进入 CLOSED（关闭）状态；
7. A 经过 2 倍的 MSL（Maximum Segment Lifetime，最长报文段寿命）后，才进入 CLOSED 状态。
RFC 793 建议 MSL 设置为 2 分钟，现在的网络环境已经有了质的提升，该值可以按需缩短。A 之所以要等待两倍的 MSL 时间后才进入 CLOSED 状态，主要基于以下两个原因：
+ 为了保证 A 发送的最后一个 ACK 报文段能够到达 B。如果 B 没有收到该最后确认，则会进行超时重发 FIN+ACK 报文段，A 在 2MSL 等待时间内会响应该报文段并重发最后确认；
+ 确保本次连接内产生的所有报文段都从网络消失，进而确保下一个新的连接中不会出现旧的连接请求报文段。
### 5.6 可靠传输的原理
**1. 停止等待协议**
想要实现可靠性传输，最基本的可以使用停止等待协议：每发送完一个数据单元就停止发送，并等待对方的确认。
此时面临两个问题：
+ 如果 A 给 B 发送数据的过程中出现了丢失，此时 B 无法收到数据，自然也不会返回确认，那么程序就会一直等待；
+ 如果 B 给 A 发送确认的过程中出现了丢失或经过很长时间才到达 A，那么程序也会持续等待。
针对第一个问题，解决方案是如果在给定的时间内没有收到确认，则进行超时重传：
针对第二个问题，其解决方案依然是超时重传，具体细分为以下两种情况：
+ 如果 B 收到了 M1，只是返回的确认丢失了，当超时重传后，B 需要丢弃重复收到的 M1；
+ 如果 B 的返回确认没有丢失，只是超过了重传时间后才到达 A，此时 A 可能会收到两次确认，一次是补传得到确认，一次是原有的延迟到达的确认，A 需要丢弃延时到达的确认，不做任何处理：
