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1 点对点协议PPP（Point-to-Point Protocol）


PPP(Point-to-Point Protocol)，链路层协议。PPP是为了在点对点物理链路(例如RS232串口链路、电话ISDN线路等)上传输OSI模型中的网络层报文而设计的，它改进了之前的一个点对点协议-SLIP协议–只能同时运行一个网络协议、无容错控制、无授权等许多缺陷，PPP是现在最流行的点对点链路控制协议。这种连接提供了同时的双向的全双工操作，并且假定数据包是按顺序投递的。PPP连接提供了一种广泛的解决办法，方便地将多种多样不同的值作为最大接收单元的值。

帧格式与HDLC相似，不同的是PPP是面向字符，HDLC是面向位的。PPP属于广域网范畴，MAC是局域网范畴，按实际情况和环境就选用不同的协议，PPP支持的网络结构只能是点对点，MAC支持多点对多点。 这类广域网协议，其帧的结构与以太网的完全不同，当然，PPPOE除外，因为PPPOE是基于以太网上的，而其它的如PPP，FR，X.25等却并不是。 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。

1.1 PPP协议功能

(1) 简单：在同一条物理链路上进行点对点的数据传输，对数据链路层的帧不进行纠错，不需要序号，不需要流量控制。


(2) 封装成帧：加入帧界定符。


(3) 透明性：字节填充法。


(4) 多种网络层协议：在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议（如IP和IPX等）的运行。


(5) 多种链路类型：PPP必须能够在多种类型的链路上运行，例如串行或并行链路。


(6) 差错检测：接收方收到一个帧后进行CRC检验，若正确就收下这个帧，反之则丢弃。


(7) 检测连接状态：自动检测链路是否处于正常工作状态。

1.2 PPP协议组成

(1) 提供一个将IP数据报封装到串行链路的方法。IP数据报在PPP帧中就是信息部分，长度受最大传送单元MTU的限制。PPP支持异步链路（无奇偶校验的8比特数据）和面向比特的同步链路。


(2) 链路控制协议LCP（Link Control Protocol）


当线路不再需要时，挑出这些线路，测试它们，商议选择，并仔细地再次释放链路控制协议。


(3) 一套网络控制协议NCP（Network Control Protocol）


其中每一个协议支持不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层等。


(4) 认证协议


最常用的包括口令验证协议PAP（Password Authentication Protocol）和挑战握手验证协议CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）。

1.3 PPP帧格式

(1) 首部



字段
长度
说明
F
1字节
标志字段F，固定为0x7E，标志一个帧的开始或结束。连续2个帧之间只需要一个标志字段，如果出现连续两个标志字段，表示这是一个空帧。
A
1字节
地址字段A是固定不变的，为0xFF。
C
1字节
控制字段C是固定不变的，为 0x03。
协议
2字节
协议字段不同，后面信息部分表示的数据类型不同。
 
0x0021——信息字段是IP数据报
0xC021——信息字段是链路控制数据LCP
0x8021——信息字段是网络控制数据NCP
0xC023——信息字段是安全性认证PAP
0xC025——信息字段是LQR
0xC223——信息字段是安全性认证CHAP



(2) 信息部分


长度不超过1500字节 。



(3) 字节填充法


(a) 当信息字段中出现0x7E时，将每一个0x7E字节转变成2字节序列（0x7D，0x5E）。


(b) 若信息字段中出现一个0x7D的字节，则将其转变成2字节序列（0x7D，0x5D）。


(c) 若信息字段中出现ASCII码的控制字符(即数值小于0X20的字符)，则该字符前面需要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变(+20)。例如，出现0x03，就要把它转为2字节序列(0x7D，0x23)


(4) 0比特填充法


PPP协议用在SONET/SDH链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送），此时使用0比特填充法。


(a) 在发送端扫描整个信息字段，当有5个1连续出现时，立即填入一个0，保证信息字段中不会出现6个连续1。


(b) 在接收端删除连续5个1后面的0。

(5) 尾部


FCS：使用CRC的帧校验序列。



2 PPP协议的工作状态

PPP通讯是两个端点之间的通讯，每一端必须首先发送LCP packets数据来设定和测试数据链路，当链路建立后，peer才可以被认证，认证完成后，再通过发送NCP packets来选定网络层协议，这些后续的通讯就可以在网络层进行了。


具体的过程如下：


序号
状态
说明

1
链路静止状态
链路一定开始并结束于这个阶段。当一个外部事件（例如载波侦听或网络管理员设定）指出物理层已经准备就绪时，PPP将进入链路建立阶段。在这个阶段，LCP自动机器将处于初始状态，向链路建立阶段的转换将给LCP自动机器一个UP事件信号。

2
链路建立状态
LCP用于交换配置信息包（Configure packets），建立连接。一旦一个配置成功信息包（Configure-Ackpacket）被发送且被接收，就完成了交换，进入了LCP开启状态。所有的配置选项都假定使用默认值，除非被配置交换所改变。有一点要注意：只有不依赖于特别的网络层协议的配置选项才被LCP配置。在网络层协议阶段，个别的网络层协议的配置由个别的网络控制协议（NCP）来处理。在这个阶段接收的任何非LCPpackets必须被silentlydiscarded（静静的丢弃）。收到LCPConfigure-Request（LCP配置要求）能使链路从网络层协议阶段或者认证阶段返回到链路建立阶段。

3
认证阶段
在一些链路上，在允许网络层协议packets交换之前，链路的一端可能需要peer去认证它。认证是不需要强制执行的。如果一次执行希望peer根据某一特定的认证协议来认证，那么它必须在链路建立阶段要求使用那个认证协议。应该尽可能在链路建立后立即进行认证。链路质量检查可以同时发生。在认证完成之前，禁止从认证阶段前进到网络层协议阶段。如果认证失败，认证者应该跃迁到链路终止阶段。
 
在这一阶段里，只有链路控制协议、认证协议，和链路质量监视协议的packets是被允许的。在该阶段里接收到的其他的packets必须被静静的丢弃。

4
网络层协议阶段
一旦PPP完成了前面的阶段，每一个网络层协议（例如IP，IPX，或AppleTalk）必须被适当的网络控制协议（NCP）分别设定。比如，NCP可以给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，这样PC机就成为Internet上一个主机了。每个NCP可以随时被打开和关闭。当一个NCP处于Opened状态时，PPP将携带相应的网络层协议packets。当相应的NCP不处于Opened状态时，任何接收到的被支持的网络层协议packets都将被静静的丢弃。

5
链路终止阶段
PPP可以在任意时间终止链路。引起链路终止的原因很多：载波丢失、认证失败、链路质量失败、空闲周期定时器期满、或者管理员关闭链路。LCP用交换Terminate（终止）packets的方法终止链路。当链路正被关闭时，PPP通知网络层协议，以便他们可以采取正确的行动。交换Terminate（终止）packets之后，执行应该通知物理层断开，以便强制链路终止，尤其当认证失败时。Terminate-Request（终止-要求）的发送者，在收到Terminate-Ack（终止-允许）后，或者在重启计数器期满后，应该断开连接。收到Terminate-Request的一方，应该等待peer去切断，在发出Terminate-Request后，至少也要经过一个Restarttime（重启时间），才允许断开。PPP应该前进到链路死亡阶段。在该阶段收到的任何非LCPpackets，必须被静静的丢弃。