目錄

• PPP協(xié)議概述
• • PPP協(xié)議的組成
• PPP協(xié)議的幀格式
• • 標志字段
  • • 字節(jié)填充
    • 比特填充
    • 透明傳輸
  • 地址字段和控制字段
  • 協(xié)議字段
  • 有效數(shù)據(jù)部分
  • 幀檢驗序列FCS字段
• PPP協(xié)議的工作狀態(tài)
• • LCP協(xié)議
  • • 編碼
    • 標識
    • 長度
    • 選項
  • 鑒別協(xié)議
  • • 口令鑒別協(xié)議PAP
    • 查詢握手鑒別協(xié)議CHAP
  • 網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP
  • • IPCP協(xié)議

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PPP協(xié)議概述

點對點協(xié)議(Point-to-Point Protocol, PPP):PPP協(xié)議是點對點訪問應(yīng)用最多的協(xié)議。PPP協(xié)議其實是一個協(xié)議族，包含多個協(xié)議(LCP,NCP等)。

PPP協(xié)議的組成

PPP協(xié)議有三個組成部分：
(1) 一種將封裝了多種協(xié)議的數(shù)據(jù)報傳輸?shù)?strong>串行鏈路的方法。
(2)鏈路控制協(xié)議(Link Control Protocol, LCP)，LCP協(xié)議是PPP協(xié)議的一部分。它用于建立、配置、測試數(shù)據(jù)鏈路的連接。
(3)一套網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議(Network Control Protocol, NCP)，NCPs是一系列協(xié)議，用于建立和配置不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。每個NCP協(xié)議都支持不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，比如IP協(xié)議，OSI的網(wǎng)絡(luò)層，蘋果的Appple Talk等。

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PPP協(xié)議的幀格式

下圖展示了PPP幀的各個字段：

標志字段

標志(flag)：首部的第一個字段和尾部的最后一個字段都是標志字段F(flag)，規(guī)定的值用十六進制表示為：0x7E = 01111110。標志字段是PPP幀的定界符。連續(xù)兩幀之間只有一個標志字段。如果數(shù)據(jù)字段碰巧出現(xiàn)了標志字段的值，則需要在數(shù)據(jù)字段進行字節(jié)填充，來消除這種歧義。

PPP協(xié)議可以應(yīng)用在異步傳輸或者同步傳輸中，異步傳輸以字節(jié)為單位傳輸，同步傳輸以比特為單位傳輸。所以填充方式也分為字節(jié)填充和比特填充。

字節(jié)填充

字節(jié)填充(byte stuffing)：當PPP使用異步傳輸時，如果信息字段出現(xiàn)了和標志字段一樣的字節(jié)(0x7E)，就需要進行字節(jié)填充，核心思路是通過在該字節(jié)前面填充轉(zhuǎn)義字符(escape character, ESC)。

PPP協(xié)議字節(jié)填充的規(guī)則如下圖所示：

規(guī)則如下：

1. 當信息字段出現(xiàn)標志字段的0x7E這個字節(jié)時，PPP協(xié)議會把0x7E改為0x5E，并且在前面加上規(guī)定好的轉(zhuǎn)義字符0x7D，也就是把0x7E變成0x7D5E。
2. 如果轉(zhuǎn)移字符0x7D本身出現(xiàn)在幀中，就用2字節(jié)序列0x7D5D替換，把0x7D變成0x7D5E。也就是先把0x7D變成0x5D,再在前面加上一個0x7D。
3. 如果信息字段出現(xiàn)ASCII碼的控制字符(即數(shù)值小于0x20 = 小于十進制32的字符)，則將該字節(jié)加上0x20，比如0x03(ASCII碼的傳輸結(jié)束控制字符ETX)就變成0x23。然后再在前面加上轉(zhuǎn)義字符0x7D。拿0x03舉例，就變成字符序列0x7D23。

當接收點接收到填充后的幀后，就采取相反的變換，恢復(fù)填充前的數(shù)據(jù)信息。

比特填充

比特填充：PPP協(xié)議在用在同步光纖網(wǎng)絡(luò)等鏈路時，會使用同步傳輸(將一連串的比特連續(xù)傳送，而不是按字節(jié)為單位傳送)。這時候PPP協(xié)議采用比特填充。

PPP協(xié)議比特填充的規(guī)則如下圖所示：

規(guī)則如下：

1. 發(fā)送端會掃描整個數(shù)據(jù)字段(用硬件實現(xiàn))，只要發(fā)現(xiàn)5個連續(xù)的1，就立即填入一個0。這就保證數(shù)據(jù)字段不會出現(xiàn)6個連續(xù)的1，也就不會出現(xiàn)和標志字段0111 1110相同的比特組合。
2. 接收方在接受到幀之后，先找到首部的標志字段，然后也用硬件對之后的比特流進行掃描，每當發(fā)現(xiàn)5個連續(xù)1時，就把5個1之后的0刪除，也就逆向操作還原了數(shù)據(jù)字段。等再次遇到0111 1110的標志字段后，就說明整個幀結(jié)束了。

透明傳輸

不管是字節(jié)填充(也叫字符填充)還是比特填充，目標都是實現(xiàn)透明傳輸。

透明傳輸(Transparent transmission)：在傳輸過程中，不管所傳數(shù)據(jù)是什么樣的比特組合，都能夠在鏈路上正常傳送。對于數(shù)據(jù)而言，傳輸?shù)逆溌贩路鹜该鞑淮嬖谝粯?#xff0c;它只是一個通道，能夠?qū)?shù)據(jù)傳過去，不會對數(shù)據(jù)本身有任何影響和限制。

比如寄信就是透明傳輸，你只需要把信件放到郵箱，至于信怎么到你收信的地址，你不需要了解。

而PPP協(xié)議正是利用了字節(jié)填充或者比特填充，消除了數(shù)據(jù)字段的某個字節(jié)碰巧和特殊的標志字段比特組合相同的情況，讓上層協(xié)議的數(shù)據(jù)字段可以用任意的比特組合。PPP協(xié)議也是一種透明傳輸。

地址字段和控制字段

地址字段(address)和控制字段(control)：都是借鑒了HDLC協(xié)議的地址和控制字段的格式。但是，在PPP中這2個字段目前還沒有參與使用。
地址字段原本指示哪個站正在處理，但是PPP只有一個目的地，所以地址字段被設(shè)置為固定值0xFF(表示所有站)。
而控制字段用于指示幀序列和重傳行為(應(yīng)用于可靠傳輸)，但是鏈路層的可靠性不依靠簡單的PPP協(xié)議實現(xiàn)。所以控制字段設(shè)置為固定值0x03。
實際傳輸中，經(jīng)常使用一個稱為地址和控制字段壓縮(ACFC)的選項來省略它們，也就是發(fā)送方和接收方會約定好消除這2個字節(jié)。

協(xié)議字段

協(xié)議字段(protocol)：協(xié)議字段表明PPP攜帶的數(shù)據(jù)字段的協(xié)議類型。PPP協(xié)議可以攜帶多種協(xié)議，所以需要協(xié)議字段確定數(shù)據(jù)字段使用的協(xié)議類型。包括各種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，NCP協(xié)議和LCP協(xié)議。

該字段默認為2個字節(jié)，但是可以通過一個叫協(xié)議字段壓縮(PFC)的選項，雙方在鏈路建立時協(xié)商，將協(xié)議字段壓縮為1個字節(jié)。

當協(xié)議字段值為0x0021時，PPP的信息字段就是IP數(shù)據(jù)報。
當協(xié)議字段值為0xC021時，信息字段就是LCP分組。
當協(xié)議字段值為0x8021時，信息字段就是NCP的IPCP協(xié)議分組。
當協(xié)議字段值為0xC023時，信息字段就是PAP鑒別協(xié)議。
當協(xié)議字段值為0xC223時，信息字段就是CHAP鑒別協(xié)議。

有效數(shù)據(jù)部分

數(shù)據(jù)字段是PPP協(xié)議的有效載荷信息，它的長度是可變的，最多不超過1500字節(jié)。

幀檢驗序列FCS字段

幀檢驗序列(Frame Check Sequence, FCS)：FCS字段是用于差錯檢測的，讓接收方可以知曉收到的幀是否出了差錯。它只能檢錯，不能糾錯。

PPP的差錯檢測使用的是循環(huán)冗余校驗CRC算法。想了解CRC算法可以閱讀我的這篇博文：循環(huán)冗余校驗CRC

PPP幀的FCS一般是16位的生成多項式(叫做CRC-16，為x16x^{16}x16+x12x^{12}x12+x5x^{5}x5+1 = 1 0001 0000 0010 0001)。而通過協(xié)商，LCP選項可將FCS擴展為32位，使用32位的生成多項式CRC-32。

所以，PPP幀的FCS字段為2或者4個字節(jié)。

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PPP協(xié)議的工作狀態(tài)

鏈路的連接是需要分階段完成的，包括：閑置、建立、鑒別、聯(lián)網(wǎng)、打開、終止再到再一次閑置。
在每個階段PPP協(xié)議數(shù)據(jù)字段的協(xié)議都不同，理解鏈路連接的各個階段才能完全理解PPP的工作模式。

1. 閑置：此時鏈路沒有被使用。發(fā)送方和接收方之間并不存在物理層和鏈路層的連接(比如個人用戶剛開始還沒有連接上本地ISP)。
2. 建立：如果雙方想進行鏈路的連接，首選需要進入建立階段。此階段LCP協(xié)議會起作用(也就是PPP幀會封裝LCP協(xié)議，雙方通過交換包含LCP協(xié)議的PPP幀來完成建立工作)。發(fā)送方會和接收方交換LCP分組，用于協(xié)商一些選項的配置(比如幀的有效載荷大小，是否壓縮PPP的協(xié)議字段等)。(其實嚴格說，建立階段需要物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩層同時起作用，發(fā)送方一開始是先發(fā)送物理層的載波信號，等建立物理層連接后，再協(xié)商鏈路層連接需要的選項配置)。
3. 鑒別：鑒別階段是可選的。主要目的是鑒別發(fā)送方的身份，根據(jù)鑒別報文的ID和口令等身份信息，接收方來決定是否要和發(fā)送方通信。如果發(fā)送方身份被接收方認可，就進入聯(lián)網(wǎng)階段，否則直接進入終止階段。常用的鑒別協(xié)議是PAP協(xié)議和CHAP協(xié)議。
4. 聯(lián)網(wǎng)：聯(lián)網(wǎng)階段是對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的協(xié)商。通過對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP來完成。因為PPP協(xié)議支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，雙方必須在進行數(shù)據(jù)報傳輸前，確定到底交換哪種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的相關(guān)規(guī)定也要達成一致。比如，如果PPP協(xié)議要封裝IP數(shù)據(jù)報，那就需要在雙方配置交換IP數(shù)據(jù)報需要的模塊。雙方會交換IP控制協(xié)議IPCP來完成配置工作。
5. 打開：到打開階段，連接的相關(guān)配置才算完成，雙方才能正式進行數(shù)據(jù)分組的交換。直到連接終止前，雙方都可以進行數(shù)據(jù)的傳輸。在打開階段，雙方也可以交換回聲請求和回聲應(yīng)答LCP分組來檢查鏈路的連接狀態(tài)。
6. 終止：如果雙方不需要交換數(shù)據(jù)分組，則可以利用LCP協(xié)議完成終止連接的操作。雙方會交換相關(guān)用于終止連接的LCP分組，來關(guān)閉鏈路。

PPP協(xié)議每個階段如何相互轉(zhuǎn)換可以參考下圖：

LCP協(xié)議

鏈路控制協(xié)議LCP(Link Control Protocol)：LCP協(xié)議是用來建立、測試、監(jiān)控、終止鏈路的連接。在PPP工作的建立階段和終止階段，必須通過交換LCP分組控制鏈路的建立和終止。在PPP工作的打開階段，不僅可以發(fā)送網(wǎng)絡(luò)層的報文，也可以發(fā)送LCP的回聲請求和回聲應(yīng)答分組，測試鏈路是否正常連接。

LCP協(xié)議的報文格式如下圖所示：

編碼

編碼：編碼字段為1個字節(jié)，用于確定LCP分組的類型，不同類型的LCP分組在鏈路連接的不同階段發(fā)揮不同的作用。

編碼	分組類型	說明
0x01	配置請求	包含建議選項及其值的列表
0x02	配置確認	接受所有建議的選項
0x03	配置不確認	告知某些選項不能被接受
0x04	配置拒絕	告知某些選項不可識別
0x05	終止請求	請求關(guān)閉線路
0x06	終止確認	接受關(guān)閉請求
0x07	編碼拒絕	告知一個未知編碼
0x08	協(xié)議拒絕	告知一個未知協(xié)議
0x09	回聲請求	檢測另一端是否活動的一種呼叫報文
0x0A	回聲應(yīng)答	對回聲請求報文的響應(yīng)
0x0B	丟棄請求	丟棄分組的請求

如上表所示，LCP分組類型可以分為3類：

1. 在建立階段，雙方對選項配置的協(xié)商(前4種)。
2. 在終止階段，用于鏈路終止(第5,6種)。
3. 在打開階段，用于鏈路的測試和調(diào)試。

標識

標識(identification，ID)：因為LCP分組經(jīng)常是成對出現(xiàn)的。比如發(fā)送方發(fā)送配置請求LCP分組，接收方可能會回復(fù)對應(yīng)的配置確認LCP分組。標識就用于將請求和應(yīng)答分組匹配在一起。
首先，發(fā)送方會提供序列號，每發(fā)送一個消息進行遞增(這樣發(fā)送方的LCP報文的ID就不一樣了)，接收方在生成對應(yīng)的應(yīng)答報文時，該報文的ID字段會復(fù)制請求報文的ID。這樣請求方收到應(yīng)答報文后，可以通過看標識字段是否相同來匹配報文。

長度

長度：長度字段給出了LCP分組的字節(jié)長度，它不能超過鏈路的最大接受單元(MRU)。

選項

LCP協(xié)議常用于鏈路建立連接的階段，它會讓雙方協(xié)商選項的配置。選項并不在LCP的首部，而是LCP的數(shù)據(jù)部分。LCP的數(shù)據(jù)字段分為三段：選項類型、選項長度和選項值。下面是最常見的一些選項：

選項	默認值
最大接受單位	1500
鑒別協(xié)議	無
協(xié)議字段壓縮	關(guān)閉
地址和控制字段壓縮	關(guān)閉

鑒別協(xié)議

PPP協(xié)議在鑒別階段會封裝鑒別協(xié)議(Authentication protocol, AP)。鑒別的作用是讓接受方識別發(fā)送方的身份。PPP有兩種鑒別協(xié)議：口令鑒別協(xié)議和查詢握手鑒別協(xié)議。

口令鑒別協(xié)議PAP

口令鑒別協(xié)議(Password Authentication Protocol, PAP)：這是一種非常簡單的鑒別協(xié)議。它在PPP的協(xié)議字段的值為:0xC023。發(fā)送方需要提供鑒別身份(通常是用戶名)和口令(俗稱的密碼)，接收方會檢測身份和口令的合法性，決定是否接受連接。

查詢握手鑒別協(xié)議CHAP

查詢握手鑒別協(xié)議(Challenge Handshake Authentication Protocol, CHAP)：CHAP使用一個三步握手的鑒別方式，它不需要傳輸口令。口令一開始發(fā)送方和接收方都是已知的。它在PPP的協(xié)議字段的值為:0xC223。
1.接收方會給發(fā)送方一個包含查詢值的查詢分組。
2.發(fā)送方根據(jù)該查詢分組結(jié)合口令生成一個結(jié)果，并把該結(jié)果作為響應(yīng)分組發(fā)送給接收方。
3.接收方也用同樣的方式生成一個結(jié)果，如果和發(fā)送方的結(jié)果一致，就允許訪問；否則訪問被拒絕。
這其實是很簡單的密碼學(xué)的原理，這比PAP協(xié)議安全很多。因為口令始終沒有在鏈路上傳輸。

網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP

網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議(Network Control Protocol, NCP)：這實際是一個協(xié)議組合，有多個NCP協(xié)議。因為PPP協(xié)議支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，比如IP協(xié)議，Xerox協(xié)議等，每一種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)報之前，都需要對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議為其配置相關(guān)信息。比如IP數(shù)據(jù)報在鏈路層傳輸前，就需要IPCP協(xié)議配置好用來承載IP數(shù)據(jù)報的鏈路。
由于IP數(shù)據(jù)報非常重要，所以我著重介紹為其配置網(wǎng)絡(luò)信息的IPCP協(xié)議。

IPCP協(xié)議

互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制協(xié)議(Internet Protocol Control Protocol, IPCP)：IPCP協(xié)議在PPP的協(xié)議字段的值為0x8021。
它的首部和LCP分組類似，也有編碼字段，標識字段，長度字段。它的數(shù)據(jù)字段也包含可變的IPCP信息。
它的編碼字段有7種，編碼從0x01到0x07，每種編碼對應(yīng)不同的作用。
鏈路層需要傳輸IP數(shù)據(jù)報，必須用IPCP協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)層信息的配置，雙方達成一致之后，才可以進入打開狀態(tài)，才能正常傳輸IP數(shù)據(jù)報。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的PPP协议(详解)的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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