计算机网络——数据链路层-点对点协议（组成部分、PPP帧格式、透明传输、差错检测、工作状态）
目录
介绍
组成部分
PPP帧格式
透明传输
字节填充法
比特填充法
差错检测
工作状态
本篇我们介绍点对点协议PPP
介绍
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。
请大家想想看：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）才能接入英特网。这些ISP已经从英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，才能成为英特网上的主机。
用户计算机与SP进行通信时所使用的数据链路层协议，通常就是PPP协议 。
这里需要说明的是：
在1999年公布的在以太网上运行的PPP协议，即PPP over Ethernet。简称为PPPoE。
它使得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[RFC161，RFC1662]。
我们可以在ITF官方网站的相关页面，搜索并查看PPP协议的相关RFC文档。
小结
- 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。
- 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[RFC161，RFC1662]。
组成部分
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，也就是之前文章中介绍的封装成帧
- 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
从网络体系结构的角度看，PPP是数据链路层的协议；它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NCPs，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AppleTalk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）。
PPP帧格式
接下来我们来看看PPP协议的帧格式：
帧首部由四个字段构成，帧尾部由两个字段构成 ，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（F，Flag）是PPP帧的定界符，取值为16进制的7E；
帧首部中的地址字段（A，Address）取值为十六进制的FF；
控制字段（C，Control）取值为十六进制的03（最初曾考虑以后再对A和C这两个字段的值进行其他定义，但至今也没有给出，可见这两个字段实际上并没有携带PPP针的信息）；
帧首部中的协议字段（P，Protocol）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数据报、当协议字段取值为十六进制的C021时，PPP帧的数据部分就是链路控制协议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（Frame Check Sequence），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。
透明传输
接下来我们来看看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，取值为十六进制的7E，也就是二进制的0111 1110。
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电路，则采用比特填充法，也就是插入‘比特0’。
字节填充法
举例说明字节填充法，也就是以字节7E作为PPP帧的定界符，以字节为单位来讨论问题。
发送方对PPP帧数据部分的处理应为：
将出现的每一个7E字节转变成两字节序列7D、5E。如图所示：
这相当于在7E字节前插入了转义字节7D，并将7E字节减去16进制的20；
将出现的每一个7D字节转变成两字节序列7D、5D。如图所示：
在出现的每一个ASCII码控制字符前插入一个7D字节，同时将该字符的编码加上16进制的20。例如图中所示：
对于PPT帧的接收方，只要进行反变化即可恢复出原来的PPT帧的数据部分。
比特填充法
再来举例说明比特填充法，也就是以0111 1110作为PPP帧的定界符，以比特为单位来讨论问题。
假设PPP帧的数据部分如下图所示：
其中包含了两个帧定界符。
来看发送方对PPP帧数据部分的处理：
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，则立即填充一个比特0，如下图所示：
再来看接收方对PPP帧数据部分的处理：
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，就把其后的一个比特0删除。
差错检测
接下来我们来看看PPP协议是如何进行差错检测的。
PPP帧的尾部包含有一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。
FCS的计算范围如下图所示：
接收方每收到一个PPP帧，就进行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的数据链路层向上不提供可靠传输服务。
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，这时列入控制协议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帧长、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。
- 若通讯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，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来对PPP链路的每一端配置IP模块（例如分配IP地址）。
- 配置完成后就进入打开状态，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。
END
学习自：湖科大——计算机网络微课堂