【网络协议详解】——PPP协议（学习笔记）
目录
- 1. PPP协议
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- 1.1 概述
- 1.2 组成
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- 1.2.1 帧格式
- 1.2.2 透明传输
- 1.2.3 差错检测
- 1.3 工作流程
- 2. LCP协议
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- 2.1 概述
- 2.2 报文格式
- 2.3 报文种类
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- 2.3.1 链路配置报文
- 2.3.2 链路终止报文
- 2.3.3 链路维护报文
- 2.4 工作过程
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- 2.4.1 链路建立和配置流程
- 2.4.2 链路终止流程
- 2.4.3 链路维护流程
- 3. NCP协议
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- 3.1 概述
- 3.2 IPCP协议
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- 3.2.1 概述
- 3.2.2 报文的格式
- 3.2.3 配置选项
- 4. 认证
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- 4.1 PAP协议
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- 4.1.1 概述
- 4.1.2 认证流程
- 4.1.3 报文格式
- 4.2 CHAP协议
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- 4.2.1 概述
- 4.2.2 认证流程
- 4.2.3 报文格式
- 5. 实验
1. PPP协议
1.1 概述
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点对点协议PPP（Point-to-Point Protocol）。PPP协议是目前使用最广泛的点对点数据链路层协议，也广泛应用于广域网路由器之间的专用线路。
在1999年公布的在以太网上运行的PPPoE协议，它使得lSP可以通过ADSL、电路调制解调器、以太网等宽带接入技术以太网接口的形式为用户提供接入服务。
PPP（Point-to-Point Protocol）和PPPoE（Point-to-Point Protocol over Ethernet）是两种不同的协议。
PPP 是一种用于在两个点之间进行通信的协议，常用于 dial-up 网络和 VPN 连接。PPP 协议提供了多种功能，包括身份验证、数据压缩和加密等，但是它不提供路由功能。
PPPoE 则是一种在以太网上运行 PPP 的协议。它使用了以太网帧来封装 PPP 数据包，并使用一种特殊的服务器/客户端模型来管理 PPP 连接。PPPoE 常用于 ADSL、光纤宽带等拨号上网方式，也可以用于小区宽带网络中。
因此，PPPoE 可以看作是在以太网上运行 PPP 的一种方式，而 PPP 则是一种通用的协议，不仅可以在以太网上运行，也可以在其他类型的网络上运行。
PPP为点对点连接上传输多种协议的数据包提供了一种标准的方法，其最初的设计目的，是为两个对等结点之间的IP传输提供一种封装协议，除了IP以外，PPP还可以封装其它协议，包括Novell的IPX协议（Internetwork Packet Exchange，网间分组交换）等。
1.2 组成
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：
- 对各种协议数据报的封装方法（封装成帧）
- 链路控制协议LCP 用于建立、配置以及测试数据链路的连接
- 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
1.2.1 帧格式
- Flag字段为帧定界标志，用来标识PPP帧的开始与结束，长度为1字节，取值固定为
0x7E。 - Address字段为地址字段，用来标识接收方的地址，长度为1字节，由于点到点链路的接收方是唯一的，故此字段取值固定为
0xFF，表示只有对端才能接受到数据。 - Control字段为控制字段，长度为1字节，取值固定为
0x03，表示无序号信息（Unnumbered Information）。 - Protocol字段为协议字段，用来标识PPP帧封装的协议数据类型，长度为2字节。此字段使PPP得以封装不同的协议。
| 字段值 | 协 议 |
|---|---|
| 0x0021 | IP(Internet Protocol) |
| 0x0029 | Appletalk |
| 0x8021 | IPCP(Internet Protocol Control Protocol) |
| 0xC021 | LCP(Link Control Protocol) |
| 0xC023 | PAP(Password Authentication Protocol) |
| 0xC025 | LQR(Link Quality Report) |
| 0xC223 | CHAP(Challenge Handshake Authentication Protocol) |
- Information字段为信息字段，该字段长度不固定，最大长度等于MRU（Maximum Receive Unit）值，默认为1500字节。此字段存放承载的协议数据，包括LCP、NCP等。
- FCS（Frame Checksum）字段为帧校验和字段，用来检测PPP帧的完整性（CRC计算），长度为2字节。
1.2.2 透明传输
字节填充：面向字节的异步链路采用插入转义字符的字节填充法。
发送方：
- 如PPP帧的标志字段取值为7E（16进制），如果数据中出现7E则需要在数据前插入转义字符7D（16进制），并将原来的7E减20（16进制），所以7E在数据中最终会变成7D,5E
- 如果数据中有转义字符7D怎么办呢？可以在转义字符7D前再加一个转义字符7D，并将数据的7D减20（16进制），于是转义字符7D在数据中最终会变成7D,5D
- 数据中出现的每一个ASCII码控制字符（数值小于0x20的字符），则在该字符前面插入一个7D字节，同时将该字符的编码加上0x20。
接收方：进行反变换即可恢复出原来的帧的数据部分。
零填充：面向比特的同步链路采用插入比特0的比特填充法。
发送方：对帧的数据部分进行扫描（一般由硬件实现）。只要发现5个连续的比特1，则立即填充1个比特0。
接收方：对帧的数据部分进行扫描（一般由硬件实现）。只要发现5个连续的比特1，就把其后的1个比特0删除。
1.2.3 差错检测
接收方每收到一个PPP帧，就进行CRC检验（多项式）。若CRC检验正确，就收下这个帧；反之就丢弃这个帧（不可靠传输服务）。检验由尾部的FCS实现
用于检验的多项式为
C R C − C C I T T = x 16 + x 12 + x 5 + 1 CRC-CCITT =x^{16}+x^{12}+x^{5}+1 CRC−CCITT=x16+x12+x5+1
使用PPP的数据链路层，向上提供的是不可靠数据传输服务。
1.3 工作流程
在建立、保持和终止PPP链路的过程中，PPP链路需要经过5个阶段，除认证阶段外，其它4个阶段都是必要过程。 5个阶段如下：
- 链路不可用阶段（Dead）
- 链路建立阶段（Establish）
- 认证阶段（Authenticate）
- 网络层协议阶段（Network）
- 链路终止阶段（Terminate）
2. LCP协议
2.1 概述
LCP（Link Control Protocol，链路控制协议）：用于建立、配置、维护和终止PPP链路
LCP负责PPP的链路管理，和上层（网络层）协议无关。
2.2 报文格式
当PPP帧中Protocol字段为0xC021时，表示Information 字段数据为LCP报文。
- Code为代码字段（也称类型字段），长度为1字节，用来标识LCP中链路控制报文的类型。
- Identifier为标识符字段，长度为1字节，是报文的唯一标识。
- Identifier字段用于匹配请求和回复。
- Length为长度字段，长度为2字节，Length字段指出该报文的长度，包括Code，Identifier，Length和Data。
- Data为数据字段，长度是零或多个八位字节，由Length字段声明。
- Data字段的格式由Code字段决定。
2.3 报文种类
| 类型 | 功能 | 报文类型 | 报文代码 |
|---|---|---|---|
| 链路配置 | 建立和配置链路 | Configure-Request | 1 |
| Configure-Ack | 2 | ||
| Configure-Nak | 3 | ||
| Configure-Reject | 4 | ||
| 链路终止 | 终止链路 | Terminate-Request | 5 |
| Terminate-Ack | 6 | ||
| 链路维护 | 管理和调试链路 | Code-Reject | 7 |
| Protocol-Reject | 8 | ||
| Echo-Request | 9 | ||
| Echo-Reply | 10 | ||
| Discard-Request | 11 |
2.3.1 链路配置报文
Configure-Request（配置请求）的Code字段值为0x01，Data字段值为一到多个选项（Options）列表，选项列表中的参数可同时协商。
- Type为类型字段，用于区分协商不同参数。
| Type值 | 对应参数 | 功能 |
|---|---|---|
| 0x00 | Reserved | 保留 |
| 0x01 | Maximum Receive Unit | 最大接收单元 |
| 0x02 | Asynchronous Control Character Map | 异步控制字符映射 |
| 0x03 | Authentication Protocol | 认证协议 |
| 0x04 | Quality Protocol | 质量协议 |
| 0x05 | Magic Number | 幻数 |
| 0x07 | Protocol Field Compression | 协议域压缩 |
| 0x08 | Address and Control Field Compression | 地址及控制域压缩 |
- Length为长度字段，Length字段指出该配置选项（包括Type、Length和Data字段）的长度。
- Data为数据字段，Data字段为零或者多个字节，其中包含配置选项的特定详细信息。
Configure-Request（配置请求）报文示例：
若接收的Configure-Request中的每一个配置选项的值都可接受，则回送Configure-Ack（配置确认）报文，回送的Configure-Ack中的Identifier字段必须与最后接收的Configure-Request相匹配。此外，Configure-Ack中的配置选项必须完全匹配最后接收的Configure-Request。
若收到的每个配置选项都可以识别，但是配置选项的值不能接受，接收方必须回送Configure-Nak（配置否认）。配置选项部分仅用不能接受的配置选项进行填充，回送的Configure-Nak中的Identifier字段必须与最后接收的Configure-Request相匹配。
若收到的部分配置选项是不可识别或不能接受，则回送Configure-Reject（配置拒绝确认）。配置选项部分仅用不可识别或不能接受的配置选项进行填充，回送的Configure- Reject中的Identifier字段必须与最后接收的Configure-Request相匹配。
上述报文除Code字段值不同，配置选项的格式与Configure-Request均相同。
2.3.2 链路终止报文
2.3.3 链路维护报文
Code-Reject（代码拒绝）报文表示无法识别报文的Code字段
若收到该类错误，应立即终止链路，该报文的格式如图，其中“被拒绝的报文”字段包含了无法识别的LCP报文。
Protocol-Reject（协议拒绝）报文表示无法识别报文的Protocol字段
若收到该类错误，应停止发送该类型的协议报文，该报文的格式如图所示，其中“被拒绝的协议”字段包含了被拒绝的PPP帧的数据区。
Echo-Request（回复请求）和Echo-Reply（回复应答）用于链路质量和性能测试，其格式如图所示。
Discard-Request（丢弃请求）是一个辅助的错误调试和实验报文，无实质用途。
这种报文收到即会丢弃。
2.4 工作过程
2.4.1 链路建立和配置流程
- 当需要建立逻辑链路时，发起方发送Configure-Request（配置请求）报文，用于协商参数；
- 若接收方收到的每一个配置选项的值都可接受，则回送Configure-Ack（配置确认）报文；
- 若收到的配置选项是可以识别，但部分配置选项参数不能接受，则回送Configure-Nak（配置否认）报文，并标示出需要重新协商的配置选项；
- 若配置选项不可识别或不可接受，则回送Configure-Reject（配置拒绝）报文。
2.4.2 链路终止流程
- Terminate-Request（终止请求）报文
- Terminate-Ack（终止应答）报文
2.4.3 链路维护流程
- Code-Reject（代码拒绝）
- Protocol-Reject（协议拒绝）
- Echo-Request（回复请求）和Echo-Reply（回复应答）
- Discard-Request（丢弃请求）
3. NCP协议
3.1 概述
NCP（Network Control Protocol，网络控制协议）用于建立、配置网络层协议，进行参数协商。
不同的网络层协议会使用不同的NCP协议。
- IP协议使用IPCP（Internet Protocol Control Protocol，IP控制协议）；
- Appletalk协议使用Appletalk NCP进行协商；
- Novell的 IPX协议使用IPE（Internet Packet Exchange，互连网包交换协议）进行协商。
3.2 IPCP协议
3.2.1 概述
若PPP帧中Protocol字段取值0x8021，表示PPP帧正在使用IPCP协商相关通信参数。
IPCP会完成协商IP地址等工作，其后在该PPP链路上传送IP数据报；
若IP数据报传送完毕，若要关闭IP协议，仍需通过IPCP协商终止；
若要释放链路，则需借助LCP协议。
3.2.2 报文的格式
| 类型 | 功能 | 报文类型 | 报文代码 |
|---|---|---|---|
| 链路配置 | 建立和配置链路 | Configure-Request | 1 |
| Configure-Ack | 2 | ||
| Configure-Nak | 3 | ||
| Configure-Reject | 4 | ||
| 链路终止 | 终止链路 | Terminate-Request | 5 |
| Terminate-Ack | 6 | ||
| 链路维护 | 管理和调试链路 | Code-Reject | 7 |
与LCP报文格式几乎一样
3.2.3 配置选项
IPCP协议中，通信双方可协商的配置选项包括3个：
- 多个IP地址（IP-Addresses）
- 多个IP地址很难全部协商成功
- 本选项很少使用
- IP压缩协议（IP Compression Protocol）
- 用于协商使用的压缩协议
- IPCP中仅规定了“Van Jacobson”一个压缩协议，编号为0x002D，Type字段取值为0x02。
- 该选项默认值为不进行压缩。
- IP地址（IP Address）
- 若发起方请求对端分配一个IP地址，接收方应会返回一个合法的IP地址。此时，发起方发送configure-request，type为0x03，length为0x06，其后4字节全为0x00，指明由对端提供IP地址。
IPCP Configure-Request报文示例：
4. 认证
4.1 PAP协议
4.1.1 概述
PAP（Password Authentication Protocol，口令认证协议）
优点：PAP的整个认证流程非常简单
缺点：认证只能在链路建立阶段进行，身份和口令是以明文进行传输，安全性低
4.1.2 认证流程
4.1.3 报文格式
PAP协议的报文共有三种：
- Authenticate-Request（认证请求）
- Authenticate-Ack（认证确认）
- Authenticate-Nak（认证否认）
若PPP帧中Protocol字段取值为0xC023时，表示Information字段承载的是PAP报文。
4.2 CHAP协议
4.2.1 概述
CHAP（Challenge Handshake Authentication Protocol，基于挑战的握手认证协议）
CHAP为三次握手协议，可以在链路建立和数据通信阶段多次使用，进行认证，同时安全性较高
认证过程中需配合事先协商好的算法，确认被认证方的身份，通常使用MD5（Message Digest Algorithm 5）作为其默认算法。只在网络上传输用户名，而不传输用户口令。
目前PPP协议的认证阶段多使用CHAP认证协议。
4.2.2 认证流程
4.2.3 报文格式
CHAP协议的报文共有四种：
- Challenge
- Response
- Success
- Failure
若PPP帧中Protocol字段取值为0xC223时，表示Information字段承载的是CHAP报文。
5. 实验
题目：本实验模拟企业网络环境。R1为分支机构接入网关设备，PC-1为企业分支机构终端。R2为企业总部接入终端网关设备，PC-2为企业总部终端，网络管理员在分支机构访问总部时部署PPP认证 ，R1和R2互为认证路由器和被认证路由器。只有认证通过才能建立PPP连接进行正常访问。
步骤：开启GNS3虚拟机，新建拓扑文件，在工作区添加两台路由器（c3745）和两台PC，按下图连接路由器、PC，开启设备。并按照下图和下表，在R1和R2之间配置PPP协议，并开启CHAP认证（此时s0/0口关闭），将路由器的配置指令截图如下：
| 设备 | 接口 | IP地址 | 地址掩码 | 默认网关 |
|---|---|---|---|---|
| R1 | S0/0 | 10.1.1.1 | 255.255.255.0 | - |
| F0/1 | 192.168.3.1 | 255.255.255.0 | - | |
| R2 | S0/0 | 10.1.1.2 | 255.255.255.0 | - |
| F0/1 | 192.168.4.1 | 255.255.255.0 | - | |
| PC-1 | E0 | 192.168.3.2 | 255.255.255.0 | 192.168.3.1 |
| PC-2 | E0 | 192.168.4.2 | 255.255.255.0 | 192.168.4.1 |
配置R1：
# 进入全局模式
R1#configure terminal
# 创建本地用户名和密码，为CHAP认证做准备，用户名为对方hostname
R1#username R2 password 1234
# 进入接口模式，对f0/1口进行配置
R1(config)#interface f0/1
R1(config-if)#ip address 192.168.3.1 255.255.255.0
# 进入接口模式，对s0/0口进行配置
R1(config)#interface s0/0
# 配置s0/0口的IP地址
R1(config-if)#ip address 10.1.1.1 255.255.255.0
# 设置s0/0口作为DCE设备，为DTE设备提供时钟以便同步，时钟速率为128000（bit/s）
R1(config-if)#clock rate 128000
# 在s0/0口封装ppp协议
R1(config-if)#encapsulation ppp
# 设置ppp协议的认证方式为chap
R1(config-if)#ppp authentication chap
# 停用s0/0口
R1(config-if)shutdown
配置R2：
# 进入全局模式
R2#configure terminal
# 创建本地用户名和密码，为CHAP认证做准备，用户名为对方hostname
R2#username R1 password 1234
# 进入接口模式，对f0/1口进行配置
R2(config)#interface f0/1
R2(config-if)#ip address 192.168.4.1 255.255.255.0
# 进入接口模式，对s0/0口进行配置
R2(config)#interface s0/0
# 配置s0/0口的IP地址
R2(config-if)#ip address 10.1.1.2 255.255.255.0
# 在s0/0口封装ppp协议
R2(config-if)#encapsulation ppp
# 设置ppp协议的认证方式为chap
R2(config-if)#ppp authentication chap
# 停用s0/0口
R2(config-if)shutdown
Q：DCE设备和DTE设备是什么？为什么R1要设置时钟而R2不用？
A：DCE 和 DTE 分别代表数据通信设备和数据端点设备。
DCE (Data Circuit-terminating Equipment) 通常指在数据传输中终止数字电路的设备，负责将数字信号转换为模拟信号，以便在通信设备之间传输。例如，MODEM 设备通过电话线将数字信号转换为模拟信号，然后通过电话线进行传输，以连接到互联网。
DTE (Data Terminal Equipment)指的是终端设备，例如电脑、终端、打印机等。在通信中，DTE 既可以接收数据，也可以发送数据，但必须通过通信线路与 DCE 进行连接。
在数据通信中，DCE 和 DTE 通常通过串行通信线（例如 RS-232、V.35 或 X.21）进行连接，DCE 端常常为对方提供时钟同步信号。一些常见的 DCE 设备包括调制解调器、CSU (Channel Service Unit)、DSU (Data Service Unit) 等。
需要注意的是，相同的设备可能在不同情况下被视为 DTE 或 DCE。例如，一个串口可以连接到一个调制解调器作为 DTE，也可以连接到一个计算机作为 DCE。在本次实验中，R1为分支机构接入网关设备（DCE），R2为企业总部接入终端网关设备（DTE），clock rate 128000命令仅在 DCE 设备上使用，表示 DCE 设备要发送或接收数据的速率。在这里，另一端是一个 DTE 设备，无需使用 clock rate 命令。
配置PC-1和PC-2：
PC-1> ip 192.168.3.2/24 192.168.3.1
PC-2> ip 192.168.4.2/24 192.168.4.1
抓包分析：
在R1和R2的链路上右键start capture
# 开启R1的链路
R1(config)#interface s0/0
R1(config-if)#no shutdown
# 开启R2的链路
R2(config)#interface s0/0
R2(config-if)#no shutdown
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作者：HinsCoder
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