20、PPP协议

前面我们分了五节的内容，用了很大的篇幅介绍了局域网的数据链路层的知识，在这其中主要是以太网的相关内容。本节开始我们学习广域网的数据链路层协议，主要学习两种，PPP和HDLC。

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PPP协议的特点

PPP全称“Point-to-Point Protocol”，也就是点对点协议，应用在广域网的数据链路层上。我们知道，一般的互联网用户通常都要连接到某个ISP才能接入到互联网，例如一般的家庭用户要首先向当地的某个ISP（移动、电信、联通等）申请宽带入网。

PPP协议就是用户的计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。谢希仁教授的教材上的示意图很完美的展现出了这一点：

 了解了PPP协议应用的位置之后，我们介绍一下它的特点：

①PPP协议是点对点的协议，只支持点对点的全双工链路通信，不支持多点线路。

②PPP协议能在同一条物理链路上支持多种网络层的协议（例如 IP、IPX）。

③PPP协议能够支持多种类型的链路，例如能支持串行的或并行的、同步的或异步的。

④当PPP运行在异步链路的时候，使用字节填充法来保证透明传输，如果PPP运行在同步链路的环境下，那么使用零比特填充法保证透明传输。

⑤在TCP/IP协议簇中，可靠传输由传输层的TCP协议来负责，因此位于数据链路层的PPP协议不需要进行数据纠错，不需进行流量控制等机制。

上面关于PPP协议的五条特点，全部标了红色，意味着考试的重点，尤其是对于网络工程师的考试，这是历年来必考的内容。

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PPP帧格式

PPP帧和以太帧的格式有所不同，PPP的帧首部有四个字段，尾部有两个字段。对于各类的考试来讲，以太帧格式每个字段的顺序，以及每个字段所占的字节数都是要记住的，但是PPP帧就不要求了，我们只需知道每个字段的含义即可，其它的在考试中不重要。

PPP帧格式如下图所示：

 标志字段，首部和尾部各有一个，标志着帧的开始和结束，也就是起到了帧定界的作用。

地址、控制，这两个字段没什么实际意义，忽略不计。

协议字段说明了上层网络层使用的是什么协议，比如IP或IPX等。这个地方值得注意的是，PPP链路的两端可以使用不同的网络层协议，但在链路层仍然使用同一个PPP链路进行通信。

信息部分就是网络层交付下来的数据包了，和以太帧一样，MTU值也是1500字节。

FCS代表帧校验，和以太帧一样。

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PPP协议的三大组件

支持PPP协议运行的，一共有三大组件，也就是三个组成部分，可以说，这三大组件组成了整个的PPP协议。

①LCP（链路控制协议），这一部分负责建立、拆除和监控PPP链路，以及进行参数的协商。

②NCP（网络控制协议），它负责的是对不同的网络层协议进行连接建立。

③认证协议，主要用于ISP端对用户身份的认证，有两种认证协议：PAP和CHAP，下面会详细介绍。

由上可知，LCP的其中一个功能是进行链路两端参数的协商，那么具体会协商哪些参数呢？

主要有：

①协商MRU的大小，MRU指的是“最大接收单元”，默认值是1500字节，也就是PPP链路的两端可以对最大能够接收的字节数做限制。

②协商认证方式，PPP的双方进行通信时，PAP和CHAP两种认证方式都可以使用，但双方必须要协商一致，双方都使用PAP或都使用CHAP方式才行。不能一端是PAP，另一端是CHAP。

③协商魔术字，魔术字是一个随机产生的数字，它的作用是检测链路是否存在环路，双方互相交换魔术字，如果其中一方收到的魔术字和它自己产生的魔术字相同，则认为此链路有环路。

两种认证方式，PAP和CHAP的区别：

PAP（密码认证协议）：在进行认证协商阶段，由被认证方（通常是用户端）明文发送用户名和密码给认证方（认证方一般是运营商端），认证方验证成功就回复ACK，如果验证不成功就回复NAK。一次验证不成功的话，被认证方可以再发起一次，两次不成功，再发起一次，这个过程可以进行无限次的尝试。

正是因为可以进行无限次的尝试，那么就给了黑客有机可乘，黑客可以用暴力破解的方法破译出用户的密码，从而进行一些破坏。所以后来，为了改善安全性，CHAP就应运而生，CHAP和PAP相比有很大的差别：

CHAP（挑战握手认证协议）：在进行认证协商阶段，由认证方（运营商端）主动向用户端发起认证，并以MD5加密的方式对密码进行加密传输，有效的避免了被暴力破解。

此外，PAP和CHAP还有一个明显的区别，那就是如果PPP链路双方选择了PAP的认证方式，那么只在链路建立的阶段会进行认证，一旦链路建立成功将不在认证；而CHAP在这方面有新的改善，选择CHAP方式，在链路建立成功后具有再次验证检测机制。

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PPP链路建立过程

当要通信的两端进行点对点的通信时，数据链路层使用PPP协议。一开始，通信双方均处于Dead状态，也叫链路静止状态，意思是链路此时不可用。

当两端检测到物理线路被激活时（一般是用户个人电脑通过Modem设备呼叫远端的ISP路由器，路由器就能够检测到Modem发出的载波信号），PPP就进入了Establish阶段，即链路建立阶段。

之后就开始LCP的参数协商，包括协商MRU、魔术字等参数，这些都协商成功后就进入到Opened状态，表示底层链路已建立成功。

然后进入到认证阶段，进行PAP或CHAP的认证。在这需要指出的是，认证这一步，不是必经的过程，而是可跳过的，也就是说可以认证，也可以不认证，选择不认证或者认证成功就可以进入下一步，但如果选择了认证，却又认证失败就不能进入下一步了。

LCP阶段协商好之后，下一阶段是进行NCP的协商，双方协商一致的网络层协议，只有这一步完成之后，双方这才可以通信。

在整个的过程中，如果出现连接中断、物理链路中断、认证失败或网络管理员手动强制配置关闭等情况之一，那么PPP链路将会自动进入到“链路终止”状态，等待所有的资源都被释放，通信双方将会回到Dead状态，直到双方重新建立起PPP连接。

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PPPoE

PPPoE全称“PPP over Ethernet”，意思是在以太网上的PPP协议，也就是在以太网上承载PPP协议。这个技术出现的背景是：由于以太网是局域网中比较成熟的技术，那么我们是不是可以考虑利用以太网将大量主机组成局域网（例如居民小区组网），然后通过一个远端接入设备连入ISP，由ISP对接入的每一个主机实现账户认证、计费等功能。

但是，要使用以太网方式接入到互联网，是做不到的，因为以太帧当中并没有包含可以进行身份认证的字段，于是就提出把以太网和PPP结合，就形成了PPPoE。

在前些年的时候，家庭WiFi还没有普及，大多数家庭都是拨号入网的方式，在运营商办理了宽带业务，获得用户名和密码，每当要用电脑上网的时候，双击电脑桌面上的“宽带连接”，在弹出的对话框中输入用户名和密码，点击连接，经过一系列认证，成功之后，就会在桌面任务栏右下角显示一个“PPPoE”已连接，这就是我们见到过的PPPoE方式接入到互联网。

最后，需要说明一点的是，刚才上面说了PPPoE是拨号入网，这个不要和我们前面学过的ADSL拨号入网混淆了，虽然它们很相似，但是不一样。它们的区别是：ADSL拨号，它使用的是电话线入网，当用户电脑发送出来的以太帧到达家里的ADSL Modem之后，就转换成为了PPP的帧，所以这种方式不能称为以太网方式入网。

讲完了PPPoE，那么我们关于PPP协议的内容就介绍完了，内容很多，重点很多，要深入理解，尤其是要理解PPP链路建立的过程。下一讲，我们将学习第二种广域网的数据链路层协议HDLC。

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参考教材：谢希仁《计算机网络》第八版