数据链路层-PPP协议

用途

广域网路由器之间的专用线路,使用的是PPP协议。

用户计算机与ISP进行通信时，所使用的数据链路层协议通常是点对点协议PPP（Point-to-Point Protocol）或PPPOE）。

PPPOE既有Ethernet灵活组网的优势，又可以通过PPP做认证、计费等，也能发挥PPP点对点的优势，把宽带用户相互隔离（互相不能访问）。由于PPP点对点的特性，宽带用户之间不能相互访问，宽带用户能够与运营商的路由器相互访 问。

 

 组成

1. 将上层数据包封装为数据帧的方法

2. 一个LCP（Link Control Protocol），用于管理数据链路（创建、配置、测试、终止链路）

3. 一套NCP（Network Control Protocol），用于支撑不同的上层协议

ppp链路的工作流程：

1. 建立和配置链路 

2. 链路认证

3. 协议协商

4. 使用链路

5. 终止链路

 

封装成帧

PPP报文可由Protocal字段标识不同类型的PPP报文。例如，当Protocol为0xC021时，代表LCP报文，此时又由Information中的Code标识不同的LCP报文类型。

 1.Flag标志字段，为帧定界符，标识帧的起始和结束位置，为固定值0x7E

 2. Address标识接收方端口地址，PPP协议目前仅用于点到点的链路通讯，因此接收方是唯一的 ，故取固定值0xFF

 3. Control为控制字段，取固定值0x03，表示无序号信息（Unnumbered Information）

 4. Protocol字段为协议字段，用来标识PPP帧封装的协议数据类型，长度为2字节。此字段使PPP得以封装不同的协议。

 5. Information字段为信息字段，，该字段长度不固定，最大长度等于MRU（Maximum Receive Unit）值(1500字节)。此字段存放上层交付的数据，例如LCP、NCP，IP等。

 6. FCS（Frame Check Sequence）字段为帧校验和字段，用来检测PPP帧的完整性（CRC计算），长度为2字节。

透明传输

如果信息字段中出现帧定界符，就会导致接收端误以为帧结束了，因此必须对信息字段中出现的0x7E进行转义。

字节填充

当PPP使用异步传输时（以字节为单位），则使用字节填充方式，规定转义符为0x7D。具体填充方式：

　　1. 将每一个x07E转义为 0x7D5E

　　2. 将每一个0x7D转义为 0x7D5D

　　3. 如信息字段中出现ASCII控制字符，则将控制字符也转义。例如当出现0x03转义为 0x7D03

零比特填充

当PPP使用同步传输时（以bit为单位），则使用零比特填充方式：

在发送端由硬件或软件扫描信息字段，如果出现连续的5个1则立即填入一个0。

 在接收端，也会扫描信息字段，如果出现连续的5个1，则将后面的0丢弃。

 

数据链路管理

PPP使用LCP进行数据链路管理。首先讨论LCP的协议格式：

• Code为代码字段（也称类型字段），长度为1字节，用来标识LCP中链路控制报文的类型。
• Identifier为标识符字段，长度为1字节，是报文的唯一标识，用于匹配请求和回复。
• Length为长度字段，长度为2字节，Length字段指出该报文的长度，报文长度包括Code，Identifier，Length和Data。
• Data为数据字段，长度是零或多个八位字节，由Length字段声明。

报文类型和格式

 当LCP报文的Code字段为0x01时，表示为Configure-Request报文。Configure-Request报文的Data字段有多个Options(选项)构成。每个Option的形式为TLV(Type,Length，Value)

• Type为类型字段，用于区分协商的参数。
• Length为长度字段，Length字段指出该配置选项（包括Type、Length和Data字段）的长度。
• Data为数据字段，Data字段为零或者多个字节，其中包含配置选项的特定详细信息。

链路建立和配置

•  当需要建立逻辑链路时，发起方发送Configure-Request（配置请求）报文，用于协商参数；
• 若接收方收到的每一个配置选项的值都可接受，则回送Configure-Ack（配置确认）报文；
• 若收到的配置选项是可以识别，但部分配置选项参数不能接受，则回送Configure-Nak（配置否认）报文，并标示出需要重新协商的配置选项；
• 若配置选项不可识别或不可接受，则回送Configure-Reject（配置拒绝）报文。

Configure-Request（配置请求）报文示例：

 链路终止

 

链路测试和维护

 

链路认证

PPP建立和配置数据链路后，紧接着要进行认证。PPP有PAP核CHAP两种认证方式，具体使用哪一种由PPP在配置链路时的协商结果决定。

PAP认证

PAP（Password Authentication Protocol，口令认证协议）,使用密码口令进行链路认证。

优点：认证流程简单

缺点：认证只能在链路建立阶段进行，身份和口令是以明文进行传输，安全性低

认证流程

 若PPP帧中Protocol字段取值为0xc023时，表示Information字段承载的是PAP报文。报文格式如下：

 

CHAP认证

CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol，口令握手认证协议）。CHAP为三次握手协议，可以在链路建立和数据通信阶段多次使用，进行认证，同时安全性较高。

认证过程中需配合事先协商好的算法，确认被认证方的身份，通常使用MD5（Message Digest Algorithm 5）作为其默认算法。只在网络上传输用户名，而不传输用户口令。

认证流程

  若PPP帧中Protocol字段取值为0xc223时，表示Information字段承载的是CHAP报文。报文格式如下：

 

链路网络层协议协商

链路认证完成后，需要进行网络层协议及相关参数的协商。PPP有一组NCP(Network Control Protocol)，用于建立、配置网络层协议。

NCP为一组协议的总称，对于不同的网络层协议，使用不同的NCP子协议进行协商。在网络上流行的IP协议使用IPCP（Internet Protocol Control Protocol，IP控制协议）协议进行协商。

IPCP会完成协商IP地址等工作，其后在该PPP链路上传送IP数据报；若IP数据报传送完毕，若要关闭IP协议，仍需通过IPCP协商终止；

若PPP帧中Protocol字段取值为0x8021时，表示ppp正在使用IPCP报文进行网络层协议协商。报文格式如下：

IPCP Configure-Request报文示例：

 IPCP协议中，通信双方可协商的配置选项包括3个：

• 多个IP地址协商（很难全部协商成功，因此该选项很少使用）
• IP压缩协议（IP Compression Protocol），用于协商压缩协议，默认为不压缩
• IP地址协商，若发起方请求对端分配一个IP地址，接收方应会返回一个合法的IP地址。

整个过程与LCP类似：

 参考：https://blog.csdn.net/HinsCoder/article/details/130454920