電腦網路-3-2-點對點協議PPP

• 2021 年 11 月 5 日
• 筆記
• 電腦網路

點對點協議PPP

在通訊鏈路較差的年代，在數據鏈路層使用可靠傳輸協議曾經是一種好方法，比較簡單的點對點PPP協議則是目前使用最廣泛的數據鏈路層協議。

PPP協議的特點

互聯網用戶通過都要連接到某個ISP才能接入到互聯網。PPP協議就是用戶電腦和ISP進行通訊時所使用的數據鏈路層協議。如圖(圖3-9)

ppp協議是IETF在1992年制定的，現在的PPP協議在1994年就已經成為了互聯網的正式標準[RFC 1661]。

PPP協議應該滿足的需求

IEFE認為，在設計PPP協議的時候就應該從以下方面考慮：

1. 簡單
   數據鏈路層沒有必要提供比IP協議更多的功能，因此，對數據鏈路層的幀，不需要糾錯，不需要排序號，也不需要流量控制。

2. 封裝成幀
   PPP協議必須規定特殊的字元作為幀定界符(即標誌一個幀的開始字元和結束字元)，以便接收端從收到的比特流中能夠準確地找出幀的開始和結束位置。

3. 透明性
   PPP協議必須保持數據傳輸的透明性，也就是說，如果數據當中出現了與幀定界符一樣的比特組合的時候，就要採取有效的措施來解決這個問題。

4. 多種網路協議
   PPP協議能夠在同一條物理鏈路上同時支援多種網路層協議的運行，當點對點鏈路所連接的是區域網或者路由器的時候，PPP協議必須同時支援在鏈路所連接的區域網或者路由器上運行的各種網路協議。

5. 多種類型鏈路
   除了要支援多種網路層協議，還要支援在多種類型上的數據鏈路上運行。

6. 差錯檢測
   PPP協議必須能夠對接收端接收到的數據幀進行幀檢測，如果出現錯誤，立即丟棄掉這個錯誤的幀，如果接收到的錯誤幀不丟棄，就會在網路上繼續向前到網路層進行轉發，這回白白丟棄掉很多的網路資源。

7. 檢測連接狀態
   PPP協議必須要有一種能夠自動檢測鏈路是否在正常工作的機制。

8. 最大傳輸單元
   PPP協議必須對每一種類型的點對點鏈路設置最大傳輸單元MTU的標準默認值(1500位元組)，這樣做是為了促進各種實現之間的可操作性。如果高層協議發送的分組超過了MTU值，PPP就會丟棄掉這樣的幀，並返回差錯，報告給上層，需要注意的是，MTU是數據鏈路層的幀可以載荷的數據部分的最大長度，而不是幀的總長度。

9. 網路層地址協商
   PPP協議必須提供一種使通訊的兩個網路層(例如：兩個IP層)的實體能夠通過協商知道或者能夠配置彼此的網路地址。協商的演算法應該儘可能的簡單，並且能夠在所有的請款下該得到結果。這對撥號連接的鏈路特別的重要，因為如果僅僅在鏈路層建立了連接而不知道對方的網路層地址，則不能夠保證早網路層傳輸分組。

10. 數據壓縮協商
    PPP協議必須能夠提供一種方法協商使用數據壓縮演算法。但是PPP協議並不要求將數據壓縮到標準化。

在TCP/IP協議族中，可靠傳輸由傳輸層的TCP協議控制，因此數據鏈裡層的PPP協議不需要進行糾錯，不需要設置序列號，也不需要進行流量控制。PPP協議不支援多點線路(即一個主站和鏈路上的多個從站i紀念性通訊，它只支援點對點的鏈路通訊。此外，PPP協議支支援全雙工鏈路)。

PPP協議的組成

PPP協議有以下三部分

1. 一個將完整的IP數據報封裝到串列鏈路上。

2. 一個用來建立，配置和測試數據鏈路層的鏈路控制協議LCP(Link Control Protocol)。通訊的雙方可以協商一些選項。

3. 一套網路控制協議NCP，其中的每一個協議支援不同的網路層協議，如IP層，DECnet等。

PPP協議的幀格式

各欄位的意義

如圖
PPP幀的首部和尾部分別為四個欄位和兩個欄位。

1. 首部的第一個欄位和尾部的第二個欄位都是標誌欄位，規定為0x7E(01111110),標誌著一個幀的開始或者結束，因此標誌欄位就是PPP幀的定界符。連續兩幀之間只需要用一個標誌欄位，如果出現連續兩個標誌欄位，則表示是一個空的PPP幀，應當丟棄。

2.首部當中的地址欄位A規定為0xFF,控制欄位C規定為0x03(00000011)。(這兩個欄位沒有實際什麼用途)

3. PPP首部的第四個欄位是2位元組的協議欄位

   • 當協議欄位為0x0021,代表的是IP數據報;
   • 當協議欄位為0xC021,代表的是鏈路控制協議LCP數據;
   • 當協議欄位為0x8021,代表的是網路層的控制數據;

4. 資訊欄位的長度是可變的，但不能超過1500位元組。

5. 尾部的第一個欄位(2位元組)是使用CRC的幀檢驗序列FCS。

位元組填充

當資訊欄位出現了0x7E這樣的比特流，就必須採取必要措施使得不會被接收端認為這是幀定界符號。

當PPP使用非同步傳輸的時候(逐個字元發送)，把每一個0x7E位元組轉變為兩個位元組序列(0x7D和0x5E),若資訊欄位中出現了0x7D或者0x5E這樣的轉義字元，則把0x7D轉變為2位元組序列(0x7D和0x5D)；如果出現了控制字元，例如0x03(在控制字元串表示傳輸結束)，就變成2位元組序列(0x7D,0x23)。由於在發送端進行了位元組填充，因此在鏈路上傳送的資訊位元組數就超過了原來的位元組數。但接收端在收到位元組後再進行與發送端位元組填充相反的交換，就可以正確的恢復出原來的資訊。

0比特填充

當PPP使用同步傳輸的時候(一連串的比特發送)，PPP協議採用的是0比特位元組填充來實現透明傳輸。

具體做法是(如上圖)：在發送端，先掃描整個資訊段(通常使用硬體掃描，也可以使用軟體，不過比較慢)，只要發現有5個連續的1，就立即填入一個0，因此經過這種0比特填充後的數據，就可以保證再資訊欄位中不會出現幀界定符號(01111110)，接收端在接收到一個幀的時候，先找到一個標誌欄位F(7E)邊界,接著再用硬體對其中的比特流進行掃描。每當發現連續的5個1的時候，就把這個連續的5個1後面的0刪除掉，以還原成原來的資訊比特流(如圖3-11)，這樣就保證了透明傳輸：在傳輸的數據比特流過程中可以傳送任意組合的比特流，而不會引起幀邊界的錯誤判斷。

PPP協議的工作狀態

剛才我們討論了PPP幀的格式和PPP幀是怎麼組成的。但是PPP鏈路到底一開始是怎麼被初始化的呢？當用戶撥號進入ISP後，就建立的一條從用戶個人電腦到ISP的ISP連接，這時，用戶個人電腦向ISP發送一系列的鏈路控制協議LCP分組(封裝成多個PPP幀)，以便建立LCP連接，這些分組及其響應選擇了將要使用的一些PPP參數。接著還要進行網路層配置，網路控制協議NCP給新接入的用戶個人電腦分配了一個臨時的IP地址，這樣，用戶個人電腦就可以成為了互聯網上一個有IP地址的主機了。

當用戶通訊完畢後，NCP就釋放網路層連接，收回原來分配出去的IP地址，接著LCP釋放數據鏈路層的連接，最後釋放的是物理層的連接。

上述過程可用圖3-12的狀態圖描述：

PPP鏈路的起始和終止狀態永遠是圖中的鏈路靜止狀態，這時候用戶電腦和ISP的路由器之間並不存在物理層的連接。

當用戶電腦通過數據機呼叫路由器的時候(螢幕上的連接按鈕)，路由器就能檢測到數據機發出的載波訊號，在雙方建立了物理層連接之後，PPP就進入了鏈路建立狀態，其目的是建立LCP連接。

這時候LCP開始協商一些配置項，即發送LCP的配置請求幀，這是個PPP幀，其協議欄位為LCP的協議程式碼(0xC021)，而資訊欄位包含特定的配置請求。鏈路的另一端可以發送以下幾種響應的一種：

1. 配置確認幀：所有選項都接受。

2. 配置否認幀：所有配置都理解但不能接受。

3. 配置拒絕幀：選項中有的無法識別或者不能接受，需要協商。

協商結束後就建立了LCP鏈路，接著就進入鑒別狀態，在這一狀態，只允許傳送LCP協議的分組，鑒別協議的分組以及監控鏈路品質的分組，如果鑒別失敗，則轉到鏈路終止狀態，若鑒別成功，則進入網路層協議狀態。

在網路層協議狀態中，PPP鏈路的兩端的網路控制協議NCP根據網路層的不同協議互相交換網路層網路層特定的網路控制分組。這個步驟很重要的，因為現在的路由器能夠同時支援網路層協議。總之，PPP協議的兩端的網路層可以運行不同的網路層協議，但仍然可以使用同一個PPP協議進行通訊。

當網路層配置完畢後，鏈路就進入可進行通訊的鏈路打開狀態，鏈路的兩個PPP端點可以彼此發送分組。兩個PPP端點還可以發送回送請求LCP分組和回送回答LCP分組，以檢查鏈路的狀態。

數據傳輸結束後，可以由鏈路的一端發送終止請求LCP分組請求終止鏈路連接，在收到對方發送過來的LCP分組後，轉到鏈路終止狀態，如果鏈路出現故障，也會從鏈路打開狀態轉到鏈路終止狀態，當數據機的載波停止後，則返回到鏈路靜止狀態。