计算机网络笔记(十五)——3.2点对点协议PPP
3.2.1PPP协议的特点
PPP协议（Point-to-Point Protocol）是广泛使用的点对点数据链路层协议，其核心特点如下：
一、PPP协议的核心特性
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 简单性 | 无流量控制、无序号机制，仅进行CRC校验并丢弃错误帧 |
| 封装成帧 | 使用特殊标记（0x7E）定义帧边界 |
| 透明传输 | 通过字节填充或零比特填充避免特殊字符干扰 |
| 支持多网络层协议 | 可通过NCP协商支持IP、IPX等多种协议 |
| 多链路类型兼容 | 适用于串行/并行、同步/异步、铜缆/光纤等多种物理链路 |
| 差错检测 | 使用CRC校验检测错误帧并直接丢弃 |
| 动态MTU协商 | 默认MTU为1500字节，协商失败则拒绝传输 |
| 身份验证支持 | 支持PAP（明文）和CHAP（加密）两种验证机制 |
| 无可靠传输机制 | 依赖上层协议（如TCP）处理重传和纠错 |
二、协议组成
PPP协议由三个核心组件构成：
三、帧格式分析
PPP帧结构如下图所示：
- 关键字段：
- 标志字段：固定0x7E（二进制01111110）作为帧边界
- 协议字段：0x0021表示IPv4，0xC021表示LCP数据
- 数据部分：最大传输单元（MTU）默认1500字节
四、透明传输实现
| 类型 | 原理 | 示例 |
|---|---|---|
| 字节填充 | 转义字符0x7D前导特殊字符 | 原数据7E → 编码为7D 5E |
| 零比特填充 | 发送端每5个连续1后插入0，接收端删除 | 原比特流01111101 → 填充为011111001 |
五、典型工作流程
PPP链路建立过程的状态转移图：
详细步骤：
- LCP协商：协商MTU、认证方式（PAP/CHAP）
- 身份认证：
- PAP：明文传输用户名/密码（易被窃听）
- CHAP：通过哈希挑战应答实现安全验证
- NCP配置：分配IP地址（如使用IPCP），启用TCP首部压缩
六、与传统协议的对比
| 对比项 | PPP | HDLC |
|---|---|---|
| 可靠性 | 无纠错和重传机制 | 支持可靠传输（已逐渐被淘汰） |
| 灵活性 | 支持多种网络层协议 | 仅支持固定网络层格式 |
| 验证机制 | 支持PAP和CHAP | 无内置验证 |
| 应用场景 | 拨号接入、PPPoE宽带 | 路由器间专用线路 |
七、实际应用场景
-
拨号上网：用户通过调制解调器建立PPP连接
-
PPPoE（PPP over Ethernet）：
- 将PPP帧封装在以太网帧中
- 用于ADSL宽带接入，通过
pppoe-discovery发现BAS
- VPN隧道：通过GRE/L2TP封装PPP实现远程安全接入
总结：PPP协议以其简单、灵活和兼容性强的特点，成为点对点通信的核心协议。结合LCP/NCP的动态协商能力，既能适应不同链路环境，又能支持多种网络层协议，但需注意其在可靠性和安全性上对上层协议的依赖。
3.2.2PPP协议的帧格式
3.2.2 PPP协议的帧格式
PPP（Point-to-Point Protocol）协议的帧格式设计目标是简单、高效且支持透明传输。其标准帧结构如下：
PPP帧完整结构图（mermaid）：
各字段详细说明：
1. 标志字段（Flag）
- 固定值
0x7E（二进制01111110） - 标识帧的开始和结束
- 连续两个Flag表示空帧（丢弃处理）
2. 地址字段（Address）
- 固定值
0xFF（广播地址） - 所有PPP节点必须接受该地址（实际无实际寻址功能）
3. 控制字段（Control）
固定值 0x03（无编号帧UI - Unnumbered Information）
保留HDLC兼容设计，无流量控制功能
4. 协议字段（Protocol）
- 2字节，标识数据域的协议类型：
┌──────────┬─────────────────────────┐
│ 协议值 │ 描述 │
├──────────┼─────────────────────────┤
│ 0x0021 │ IPv4数据包 │
│ 0xC021 │ LCP控制协议 │
│ 0x8021 │ IPCP控制协议 │
│ 0x8035 │ NCP协商 │
└──────────┴─────────────────────────┘
5. 信息域（Information）
- 长度可变（默认MTU为1500字节）
- 包含上层数据载荷（IP/NCP/LCP等）
6. 帧校验序列（FCS）
- 使用 CRC循环冗余校验（通常为2字节的CRC-16）
- 可扩展为4字节的CRC-32（用于高速链路）
透明传输实现机制
当数据中出现 0x7E、0x7D 等特殊字符时，PPP采用 字节填充(Byte Stuffing)：
转义规则：
| 原字符 | 转义后序列 | 说明 |
|---|---|---|
| 0x7E | 0x7D 0x5E | 标志字符转义 |
| 0x7D | 0x7D 0x5D | 转义字符自身转义 |
| ASCII控制符（≤0x20） | 0x7D (ch XOR 0x20) | 控制字符转义 |
PPP帧示例
假设发送数据 HelloPPP（协议类型为IPv4）：
关键特点总结
- 极简设计：去除了传统HDLC的复杂控制功能（如窗口、确认机制）
- 协议协商：通过LCP进行链路参数协商（如MRU、认证方式）
- 多协议支持：通过Protocol字段区分不同上层协议
- 错误检测：CRC校验保障帧完整性，错误帧直接丢弃（无重传机制）
实际应用中，PPP广泛用于拨号连接、PPPoE（ADSL宽带接入）等场景。
3.2.3PPP协议的工作状态
PPP（Point-to-Point Protocol）协议的工作状态是整个PPP链路建立过程的核心
一、PPP协议工作状态详解
1. 链路静止（Link Dead）
表示物理线路未接通或已断开，PPP协议无法进行任何通信。
- 触发离开条件：检测到物理链路可用（如调制解调器拨号成功）。
2. 链路建立（Link Establish）
双方通过LCP协议（链路控制协议）协商链路参数：
- 协商最大传输单元（MTU）
- 认证协议（PAP/CHAP）
- 是否禁用地址字段和控制字段
- 状态转换条件：
- 成功：LCP协商参数达成一致 → 进入认证阶段；
- 失败：超时或协商不一致 → 返回链路静止。
3. 认证阶段（Authenticate）
通过预设协议验证对方身份：
- PAP（Password Authentication Protocol）：
明文传输用户名和密码，存在安全风险。 - CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）：
使用挑战哈希加密，更安全。 - 状态转换条件：
- 成功：身份验证通过 → 进入网络层协商；
- 失败：验证错误或超时 → 进入链路终止。
4. 网络层协议（Network）
使用NCP协议（网络控制协议）配置网络层参数：
- 对于IP协议（IPCP）：
- 协商IP地址（静态分配或动态获取）
- 启用IPv4报头压缩
- 状态转换条件：
- 成功：网络层配置完成 → 进入链路打开；
- 失败：配置参数不一致 → 进入链路终止。
5. 链路打开（Link Open）
数据传输阶段：
- 可传输IP数据包、网络层控制信号（如ICMP）。
- 周期性发送LCP Echo Request检测链路存活。
6. 链路终止（Link Terminate）
任何一方发起终止请求后：
- 交换LCP终止分组（Terminate-Request/Ack）。
- 关闭物理连接 → 回到链路静止状态。
二、工作状态流程图
三、关键子协议
- LCP（链路控制协议）：
- 负责链路参数协商，包括最大帧长度、认证协议选择。
- NCP（网络控制协议）：
- 针对不同网络层协议（如IP/IPv6）进行配置；
- IPCP（IP控制协议）是最常用的NCP。
四、典型应用场景
- 用户拨号上网：
- 用户拨号 → Modem建立物理连接；
- 发起LCP协商 → 通过PAP/CHAP验证；
- 分配IP地址 → 进入网络数据传输。
通过上述流程，PPP协议能够逐步建立连接、验证安全参数、配置网络选项，最终实现端到端的可靠数据传输。