PPP协议(详解)

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PPP协议概述

点对点协议(Point-to-Point Protocol, PPP):PPP协议是点对点访问应用最多的协议。PPP协议其实是一个协议族包含多个协议(LCP,NCP等)。

PPP协议的组成

PPP协议有三个组成部分
(1) 一种将封装了多种协议的数据报传输到串行链路的方法。
(2)链路控制协议(Link Control Protocol, LCP)LCP协议是PPP协议的一部分。它用于建立、配置、测试数据链路的连接。
(3)一套网络控制协议(Network Control Protocol, NCP)NCPs是一系列协议用于建立和配置不同的网络层协议。每个NCP协议都支持不同的网络层协议比如IP协议OSI的网络层苹果的Appple Talk等。

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PPP协议的帧格式

下图展示了PPP帧的各个字段

标志字段

标志(flag)首部的第一个字段和尾部的最后一个字段都是标志字段F(flag)规定的值用十六进制表示为0x7E = 01111110。标志字段是PPP帧的定界符。连续两帧之间只有一个标志字段。如果数据字段碰巧出现了标志字段的值则需要在数据字段进行字节填充来消除这种歧义。

PPP协议可以应用在异步传输或者同步传输中异步传输以字节为单位传输同步传输以比特为单位传输。所以填充方式也分为字节填充和比特填充。

字节填充

字节填充(byte stuffing)当PPP使用异步传输时如果信息字段出现了和标志字段一样的字节(0x7E)就需要进行字节填充核心思路是通过在该字节前面填充转义字符(escape character, ESC)。

PPP协议字节填充的规则如下图所示

规则如下

1. 当信息字段出现标志字段的0x7E这个字节时PPP协议会把0x7E改为0x5E并且在前面加上规定好的转义字符0x7D也就是把0x7E变成0x7D5E。
2. 如果转移字符0x7D本身出现在帧中就用2字节序列0x7D5D替换把0x7D变成0x7D5E。也就是先把0x7D变成0x5D,再在前面加上一个0x7D。
3. 如果信息字段出现ASCII码的控制字符(即数值小于0x20 = 小于十进制32的字符)则将该字节加上0x20比如0x03(ASCII码的传输结束控制字符ETX)就变成0x23。然后再在前面加上转义字符0x7D。拿0x03举例就变成字符序列0x7D23。

当接收点接收到填充后的帧后就采取相反的变换恢复填充前的数据信息。

比特填充

比特填充PPP协议在用在同步光纤网络等链路时会使用同步传输(将一连串的比特连续传送而不是按字节为单位传送)。这时候PPP协议采用比特填充。

PPP协议比特填充的规则如下图所示

规则如下

1. 发送端会扫描整个数据字段(用硬件实现)只要发现5个连续的1就立即填入一个0。这就保证数据字段不会出现6个连续的1也就不会出现和标志字段0111 1110相同的比特组合。
2. 接收方在接受到帧之后先找到首部的标志字段然后也用硬件对之后的比特流进行扫描每当发现5个连续1时就把5个1之后的0删除也就逆向操作还原了数据字段。等再次遇到0111 1110的标志字段后就说明整个帧结束了。
   
   

透明传输

不管是字节填充(也叫字符填充)还是比特填充目标都是实现透明传输。

透明传输(Transparent transmission)在传输过程中不管所传数据是什么样的比特组合都能够在链路上正常传送。对于数据而言传输的链路仿佛透明不存在一样它只是一个通道能够将数据传过去不会对数据本身有任何影响和限制。

比如寄信就是透明传输你只需要把信件放到邮箱至于信怎么到你收信的地址你不需要了解。

而PPP协议正是利用了字节填充或者比特填充消除了数据字段的某个字节碰巧和特殊的标志字段比特组合相同的情况让上层协议的数据字段可以用任意的比特组合。PPP协议也是一种透明传输。

地址字段和控制字段

地址字段(address)和控制字段(control)都是借鉴了HDLC协议的地址和控制字段的格式。但是在PPP中这2个字段目前还没有参与使用。
地址字段原本指示哪个站正在处理但是PPP只有一个目的地所以地址字段被设置为固定值0xFF(表示所有站)。
而控制字段用于指示帧序列和重传行为(应用于可靠传输)但是链路层的可靠性不依靠简单的PPP协议实现。所以控制字段设置为固定值0x03。
实际传输中经常使用一个称为地址和控制字段压缩(ACFC)的选项来省略它们也就是发送方和接收方会约定好消除这2个字节。

协议字段

协议字段(protocol)协议字段表明PPP携带的数据字段的协议类型。PPP协议可以携带多种协议所以需要协议字段确定数据字段使用的协议类型。包括各种网络层协议NCP协议和LCP协议。

该字段默认为2个字节但是可以通过一个叫协议字段压缩(PFC)的选项双方在链路建立时协商将协议字段压缩为1个字节。

当协议字段值为0x0021时PPP的信息字段就是IP数据报。
当协议字段值为0xC021时信息字段就是LCP分组。
当协议字段值为0x8021时信息字段就是NCP的IPCP协议分组。
当协议字段值为0xC023时信息字段就是PAP鉴别协议。
当协议字段值为0xC223时信息字段就是CHAP鉴别协议。

有效数据部分

数据字段是PPP协议的有效载荷信息它的长度是可变的最多不超过1500字节。

帧检验序列FCS字段

帧检验序列(Frame Check Sequence, FCS)FCS字段是用于差错检测的让接收方可以知晓收到的帧是否出了差错。它只能检错不能纠错。

PPP的差错检测使用的是循环冗余校验CRC算法。想了解CRC算法可以阅读我的这篇博文循环冗余校验CRC

PPP帧的FCS一般是16位的生成多项式(叫做CRC-16为$x^{16}$+$x^{12}$+$x^5$+1 = 1 0001 0000 0010 0001)。而通过协商LCP选项可将FCS扩展为32位使用32位的生成多项式CRC-32。

所以PPP帧的FCS字段为2或者4个字节。

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PPP协议的工作状态

链路的连接是需要分阶段完成的包括闲置、建立、鉴别、联网、打开、终止再到再一次闲置。
在每个阶段PPP协议数据字段的协议都不同理解链路连接的各个阶段才能完全理解PPP的工作模式。

1. 闲置此时链路没有被使用。发送方和接收方之间并不存在物理层和链路层的连接(比如个人用户刚开始还没有连接上本地ISP)。
2. 建立如果双方想进行链路的连接首选需要进入建立阶段。此阶段LCP协议会起作用(也就是PPP帧会封装LCP协议双方通过交换包含LCP协议的PPP帧来完成建立工作)。发送方会和接收方交换LCP分组用于协商一些选项的配置(比如帧的有效载荷大小是否压缩PPP的协议字段等)。(其实严格说建立阶段需要物理层和数据链路层两层同时起作用发送方一开始是先发送物理层的载波信号等建立物理层连接后再协商链路层连接需要的选项配置)。
3. 鉴别鉴别阶段是可选的。主要目的是鉴别发送方的身份根据鉴别报文的ID和口令等身份信息接收方来决定是否要和发送方通信。如果发送方身份被接收方认可就进入联网阶段否则直接进入终止阶段。常用的鉴别协议是PAP协议和CHAP协议。
4. 联网联网阶段是对网络层协议的协商。通过对应的网络控制协议NCP来完成。因为PPP协议支持多种网络层协议双方必须在进行数据报传输前确定到底交换哪种网络层协议对应网络层协议的相关规定也要达成一致。比如如果PPP协议要封装IP数据报那就需要在双方配置交换IP数据报需要的模块。双方会交换IP控制协议IPCP来完成配置工作。
5. 打开到打开阶段连接的相关配置才算完成双方才能正式进行数据分组的交换。直到连接终止前双方都可以进行数据的传输。在打开阶段双方也可以交换回声请求和回声应答LCP分组来检查链路的连接状态。
6. 终止如果双方不需要交换数据分组则可以利用LCP协议完成终止连接的操作。双方会交换相关用于终止连接的LCP分组来关闭链路。

PPP协议每个阶段如何相互转换可以参考下图

LCP协议

链路控制协议LCP(Link Control Protocol)LCP协议是用来建立、测试、监控、终止链路的连接。在PPP工作的建立阶段和终止阶段必须通过交换LCP分组控制链路的建立和终止。在PPP工作的打开阶段不仅可以发送网络层的报文也可以发送LCP的回声请求和回声应答分组测试链路是否正常连接。

LCP协议的报文格式如下图所示

编码

编码编码字段为1个字节用于确定LCP分组的类型不同类型的LCP分组在链路连接的不同阶段发挥不同的作用。

编码	分组类型	说明
0x01	配置请求	包含建议选项及其值的列表
0x02	配置确认	接受所有建议的选项
0x03	配置不确认	告知某些选项不能被接受
0x04	配置拒绝	告知某些选项不可识别
0x05	终止请求	请求关闭线路
0x06	终止确认	接受关闭请求
0x07	编码拒绝	告知一个未知编码
0x08	协议拒绝	告知一个未知协议
0x09	回声请求	检测另一端是否活动的一种呼叫报文
0x0A	回声应答	对回声请求报文的响应
0x0B	丢弃请求	丢弃分组的请求

如上表所示LCP分组类型可以分为3类

1. 在建立阶段双方对选项配置的协商(前4种)。
2. 在终止阶段用于链路终止(第5,6种)。
3. 在打开阶段用于链路的测试和调试。
   
   

标识

标识(identificationID)因为LCP分组经常是成对出现的。比如发送方发送配置请求LCP分组接收方可能会回复对应的配置确认LCP分组。标识就用于将请求和应答分组匹配在一起。
首先发送方会提供序列号每发送一个消息进行递增(这样发送方的LCP报文的ID就不一样了)接收方在生成对应的应答报文时该报文的ID字段会复制请求报文的ID。这样请求方收到应答报文后可以通过看标识字段是否相同来匹配报文。

长度

长度长度字段给出了LCP分组的字节长度它不能超过链路的最大接受单元(MRU)。

选项

LCP协议常用于链路建立连接的阶段它会让双方协商选项的配置。选项并不在LCP的首部而是LCP的数据部分。LCP的数据字段分为三段选项类型、选项长度和选项值。下面是最常见的一些选项

选项	默认值
最大接受单位	1500
鉴别协议	无
协议字段压缩	关闭
地址和控制字段压缩	关闭

鉴别协议

PPP协议在鉴别阶段会封装鉴别协议(Authentication protocol, AP)。鉴别的作用是让接受方识别发送方的身份。PPP有两种鉴别协议口令鉴别协议和查询握手鉴别协议。

口令鉴别协议PAP

口令鉴别协议(Password Authentication Protocol, PAP)这是一种非常简单的鉴别协议。它在PPP的协议字段的值为:0xC023。发送方需要提供鉴别身份(通常是用户名)和口令(俗称的密码)接收方会检测身份和口令的合法性决定是否接受连接。

查询握手鉴别协议CHAP

查询握手鉴别协议(Challenge Handshake Authentication Protocol, CHAP)CHAP使用一个三步握手的鉴别方式它不需要传输口令。口令一开始发送方和接收方都是已知的。它在PPP的协议字段的值为:0xC223。
1.接收方会给发送方一个包含查询值的查询分组。
2.发送方根据该查询分组结合口令生成一个结果并把该结果作为响应分组发送给接收方。
3.接收方也用同样的方式生成一个结果如果和发送方的结果一致就允许访问否则访问被拒绝。
这其实是很简单的密码学的原理这比PAP协议安全很多。因为口令始终没有在链路上传输。

网络控制协议NCP

网络控制协议(Network Control Protocol, NCP)这实际是一个协议组合有多个NCP协议。因为PPP协议支持多种网络层协议比如IP协议Xerox协议等每一种网络层协议在发送数据报之前都需要对应的网络控制协议为其配置相关信息。比如IP数据报在链路层传输前就需要IPCP协议配置好用来承载IP数据报的链路。
由于IP数据报非常重要所以我着重介绍为其配置网络信息的IPCP协议。

IPCP协议

互联网络协议控制协议(Internet Protocol Control Protocol, IPCP)IPCP协议在PPP的协议字段的值为0x8021。
它的首部和LCP分组类似也有编码字段标识字段长度字段。它的数据字段也包含可变的IPCP信息。
它的编码字段有7种编码从0x01到0x07每种编码对应不同的作用。
链路层需要传输IP数据报必须用IPCP协议进行网络层信息的配置双方达成一致之后才可以进入打开状态才能正常传输IP数据报。