计算机网络（三）—— 数据链路层（5）：点对点协议PPP

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5. 点对点协议PPP

  ■ 点对点协议PPP(Point-to-Point Protocol)是目前使用最广泛的点对点数据链路层协议。
  一般的英特网用户是如何接入到英特网的呢?

  通常都是要通过连接到某个英特网服务提供者ISP，例如中国电信、中国联通、中国移动这三大运营商才能接入因特网。这些ISP已经从因特网管理机构申请到了一批IP地址，用户计算机只有获取到ISP所分配的合法IP地址后，才能成为因特网上的主机。用户计算机与ISP进行通信时，所使用的数据链路层协议，通常就是PPP协议。

  PPPoE使得ISP可以通过DSL、电路调制解调器、以太网等宽带接入技术，以以太网接口的形式为用户提供接入服务。
  另外点对点协议PPP也广泛应用于广域网路由器之间的专用线路。
  ■ PPP协议是因特网工程任务组IETF在1992年制定的。经过1993年和1994年的修订，现在的PPP协议已成为因特网的正式标准。
  ■ PPP协议为在点对点链路传输各种协议数据报提供了一个标准方法，主要由以下三部分构成：
   $\diamond$ 1. 对各种协议数据报的封装方法（封装成帧）
   $\diamond$ 2. 链路控制协议LCP：用于建立、配置以及测试数据链路的连接
   $\diamond$ 3. 一套网络控制协议NCPs：其中的每一个协议支持不同的网络层协议

  如上图所示，从网络体系结构的角度看，PPP是数据链路层的协议，将上层交付下来的协议数据单元封装成PPP帧。为了支持不同的网络层协议，PPP协议包含了一套网络控制协议NCP ，其中的每一个协议支持不同的网络层协议。例如，TCP/IP中的IP、Novell NetWare网络操作系统中的IPX、Apple公司的Apple Talk等。链路控制协议LCP用于建立、配置以及测试数据链路的连接。PPP协议能够在多种类型的点对点链路上运行，例如面向字节的异步链路、面向比特的同步链路。

  上图所示的是PPP协议的帧格式，帧首部由4个字段构成，帧尾部由2个字段构成。各字段的长度以及帧的数据部分的最大长度如下图所示，帧首和帧尾部中的标志字段是PPP帧的定界符，取值为16进制的7E。帧首部中的地址字段取值为16进制的FF，控制字段取值为16进制的03。帧首部中的协议字段指明了帧的数据部分应送交哪个协议处理，当协议字段取值为16进制的0021时，PPP帧的数据部分就是IP数据；当协议字段取值为16进制的C021时，PPP帧的数据部分就是链路控制办议LCP的分组；当协议字段取值为16进制的8021时，PPP帧的数据部分就是网络控制协议NCP的分组。帧尾部中的帧检验序列FCS字段，其值是使用循环冗余校验CRC计算出的校验位，用于检查PPP帧是否存在误码。

5.1 透明传输

  PPP协议是如何解决透明传输问题的？
  当PPP帧的数据部分出现帧首和帧尾中的标志字段时，如果不采取措施，则会造成接收方对PPP帧是否结束的误判。因为标志字段是PPP帧的定界符，取值为16进制的7E，也就是二进制的01111110。
  PPP协议实现透明传输的方法取决于所使用的链路类型。如果是面向字节的异步链路，则采用字节填充法，也就是插入转义字符；如果是面向比特的同步链路，则采用比特填充法，也就是插入比特0。

  透明传输 —— 面向字节的异步链路采用插入转义字符的字节填充法。

  透明传输 —— 面向比特的同步链路采用插入比特0的比特填充法。

5.2 差错检测

  PPP协议是如何进行差错检测的？
  PPP帧的尾部包含有1个两字节的帧检验序列FCS字段，使用循环冗余校验CRC来计算该字段的取值。采用的生成多项式如下图中所示。RFC1662文档的附录部分给出了FCS的计算方法的C语言实现。为了减少对CPU的占用，采用查表法来实现。

  接收方每收到一个PPP帧，就要进行CRC检验。若CRC检验正确，就收下这个帧，反之就丢弃这个帧。使用PPP的数据链入层向上不提供可靠传输服务。

5.3 PPP协议的工作状态

  PPP链路的开始和结束状态都是“静止”状态，这时并不存在物理层的连接。当检测到调制解调器的载波信号，并建立物理层连接后，PPP就进入链路的“建立”状态。这时链路控制协议LCP开始协商一些配置选项，若协商成功，则进入“鉴别”状态；若协商失败，则退回到“静止”状态。所协商的配置选项包括最大侦长、鉴别协议等。可以不使用鉴别，也可以使用口令鉴别协议PAP或挑战握手鉴别协议CHAP。若通信双方无需鉴别或鉴别身份成功，则进入网络状态；若鉴别失败，则进入终止状态。进入网络状态后，进行NCP配置，配置完成后就要进入“打开”状态。PPP链路的两端通过相互交换网络层特定的NCP分组来进行NCP配置。如果在PPP链路上运行的是IP协议，则使用IP控制协议IPCP来PPP链路的每一端配置IP模块，例如分配IP地址。只要链路处于“打开”状态，就可以进行数据通信。当出现故障或链路的一端发出终止请求时，就进入“终止”状态。当载波停止后，则回到“静止”状态。

5.4 总结

5.5 课后练习

  1. PPP提供的功能有( D )
    A. 一种成帧方法  B. 链路控制协议LCP  C. 网络控制协议NCP   D. 选项A，B和C都是
   分析： PPP提供的功能有一种成帧方法、链路控制协议LCP和网络控制协议NCP。

  2. PPP中的LCP帧起到的作用是( A )
    A. 在“建立”状态阶段协商数据链路协议的配置选项  B. 配置网络层协议
    C. 检查数据链路层的错误，并通知错误信息   D. 安全控制，保护通信双方的数据安全
   分析： 链路控制协议LCP：用于建立、配置以及测试数据链路的连接。

  3. 为实现透明传输（注：默认为异步线路），PPP使用的填充方法是( B )
    A. 比特填充  B. 字符填充
    C. 对字符数据使用字符填充，对非字符数据使用比特填充
    D. 对字符数据使用比特填充，对非字符数据使用字符填充
   分析： PPP协议实现透明传输的方法取决于所使用的链路类型。如果是面向字节的异步链路，则采用字节填充法，也就是插入转义字符；如果是面向比特的同步链路，则采用比特填充法，也就是插入比特0。