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PPP 点对点协议

PPP 协议是一种点到点（一根链路两端只有两个接口）链路层协议，主要用于在全双工的同异步链路上进行点到点的数据传输。

概述​

PPP 协议（Point-to-Point Protocol，点对点协议）是一种网络协议中最为基础的协议，工作于数据链路层，它是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路而设计的，这种链路提供了全双工操作，并按照顺序传递数据包。

PPP 主要是用来通过拨号或专线方式在两个网络节点之间建立连接、发送数据。PPP 是各类型主机、网桥和路由器之间简单连接的一种解决方案。PPP 协议在 RFC1661 中有详细的描述。 PPP 协议是目前广域网上应用最广泛的协议之一，它的优点在于简单、具备用户验证能力、可以解决 IP 分配等。

PPP 协议包括以下三个部分：

  • 数据帧封装方法。
  • 链路控制协议 LCP（Link Control Protocol），用于对封装格式选项的自动协商、建立和终止连接，探测链路错误和配置错误。
  • 针对不同网络层协议的一族网络控制协议 NCP（Network Control Protocol），PPP 协议规定了针对每一种网络层协议都有相应的网络控制协议，并用他们来管理各个协议不同的需求。

PPP 协议特点​

  • PPP 既支持同步传输又支持异步传输，而 X.25、FR（Frame Relay）等数据链路层协议仅支持同步传输，SLIP 仅支持异步传输。（关于同步和异步的概念请参考 通信协议基础）
  • PPP 协议具有很好的扩展性，例如，当需要在以太网链路上承载 PPP 协议时，PPP 可以扩展为 PPPoE。
  • PPP 提供了 LCP（Link Control Protocol）协议，用于各种链路层参数的协商。
  • PPP 提供了各种 NCP（Network Control Protocol）协议（如 IPCP、IPXCP），用于各网络层参数的协商，更好地支持了网络层协议。
  • PPP 提供了认证协议 CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）、PAP（Password Authentication Protocol），更好地保证了网络的安全性。
  • 无重传机制，网络开销小，速度快。

PPP 协议报文格式​

  1. Flag 域：标识一个物理帧的起始和结束，该字节为二进制序列 01111110（0x7E）；
  2. Address 域：字节固定为 11111111 （0xFF），是一个广播地址；
  3. Control 域：默认为 00000011（0X03），表明为无序号帧；
  4. Protocol 字段：用来说明 PPP 所封装的协议报文类型；典型的字段值有：0xC021 代表 LCP 报文，0xC023 代表 PAP 报文，0xC223 代表 CHAP 报文。如果协议字段被设为 0xC021，则说明通信双方正通过 LCP 报文进行 PPP 链路的协商和建立：
  5. Information 字段：包含协议字段中指定协议的数据包。
    • Code 字段：主要是用来标识 LCP 数据报文的类型。典型的报文类型有：配置信息报文（Configure Packets: 0x01)，配置成功信息报文（Configure-Ack: 0x02），终止请求报文（Terminate-Request：0x05）。
    • Identifier 域：1个字节，用来匹配请求和响应。
    • Data 字段：的默认最大长度（不包括协议字段）称为最大接收单元 MRU（Maximum Receive Unit），MRU 的缺省值为 1500 字节。
  6. 帧校验序列（FCS）：是个16位的校验和，用于检查 PPP 帧的完整性。

PPP 链路建立状态机​

  • Dead 阶段：也称为物理层不可用阶段。当通信双方的两端检测到物理线路激活时，就会从 Dead 阶段迁移至 Establish 阶段，即链路建立阶段。
  • Establish 阶段：PPP 链路进行 LCP 参数协商。协商内容包括最大接收单元 MRU、认证方式、魔术字（Magic Number）等选项。LCP 参数协商成功后会进入 Opened 状态，表示底层链路已经建立。
  • Authenticate 阶段：多数情况下，链路两端的设备是需要经过认证阶段（Authenticate）后才能够进入到网络层协议阶段。PPP 链路在缺省情况下是不要求进行认证的。如果要求认证，则在链路建立阶段必须指定认证协议。认证方式是在链路建立阶段双方进行协商的。如果在这个阶段再次收到了 Configure-Request 报文，则又会返回到链路建立阶段。
  • Network 阶段：PPP 链路进行 NCP 协商。通过 NCP 协商来选择和配置一个网络层协议并进行网络层参数协商。只有相应的网络层协议协商成功后，该网络层协议才可以通过这条 PPP 链路发送报文。如果在这个阶段收到了 Configure-Request 报文，也会返回到链路建立阶段。NCP 协商成功后，PPP 链路将保持通信状态。
  • PPP 运行过程中，可以随时中断连接，例如物理链路断开、认证失败、超时定时器时间、管理员通过配置关闭连接等动作都可能导致链路进入 Terminate 阶段。在 Terminate 阶段，如果所有的资源都被释放，通信双方将回到 Dead 阶段，直到通信双方重新建立 PPP 连接。