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。

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