计算机网络：数据链路层 —— PPP 点对点协议

文章目录

• • PPP 帧
  • • PPP帧的格式
    • PPP帧的透明传输
    • • 面向字节的异步链路
      • 面向比特的同步链路
    • PPP帧的差错检测
  • PPP 的工作状态

点对点协议（Point-to-Point Protocol，PPP）是目前使用最广泛的点对点数据链路层协议，用于在两个节点之间进行数据传输。它通常用于建立在串行线路上的点对点连接，例如通过电话线或光纤的连接。

PPP 将上层交付下来的协议数据单元 PDU 封装成帧，为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，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，如面向字节的异步链路，面向比特的同步链路。

PPP 帧

PPP帧的格式

PPP 帧是在 PPP 点对点协议中用于传输数据的基本单元。它由帧首部、数据载荷和帧尾部三个部分组成：

• 标志(Flag)字段：PPP帧的定界符，取值为0x7E

• 地址(Address)字段：取值为0xFF

• 控制(Control)字段：取值为0x03

• 协议(Protocol)字段：其值用来指明帧的数据载荷应向上交付给哪个协议处理。

  • P 取值为 0x0021 时，数据载荷封装的是 IP数据报
  • P 取值为 0XC021 时，数据载荷封装的是 LCP分组
  • P 取值为 0X8021 时，数据载荷封装的是 NCP分组

• 帧检验序列（Frame Check Sequence，FCS）字段：其值是使用[[数据链路层概述#循环冗余校验|循环冗余校验 CRC]] 计算出的检错码。

PPP帧的透明传输

在 PPP 帧的首部和尾部，均包含一个帧定界符，若帧的数据载荷中恰好包含有帧定界符，即 0x7E 或 0111 1110。

面向字节的异步链路

当 PPP 协议使用的是面向字节的异步链路，使用字节填充来实现透明传输，将帧定界符看作取值为0x7E的一个字符：

发送方：

1. 将数据载荷中出现的每一个 0x7E 减去 0x20(相当于异或 0x20)，然后在其前面插入转义字符 0x7D

2. 若数据载荷中原来就含有 0x7D，则把每一个 0x7D 减去 0x20，然后在其前面插入转义字符 0x7D。

3. 将数据载荷中出现的每一个 ASCII 码控制字符(即数值小于0x20的字符)加上 0x20(相当于异或 0x20，将其转换成非控制字符)，然后在其前面插入转义字符 0x7D。

接收方：进行与发送方相反的变换，就可以正确地恢复出未经过字节填充的原始数据载荷。

面向比特的同步链路

面向比特的同步链路使用零比特填充来实现透明传输，将帧定界符看作取值为0111 1110 的 8 比特定位串：

发送方：对帧的数据载荷进行扫描（一般由硬件完成），每出现 5 个连续的比特1，则在其后填充一个比特0。

接收方：对帧的数据载荷进行扫描，每出现 5 个连续的比特1时，就把其后的一个比特0删除。

PPP帧的差错检测

PPP 帧尾部的帧检验序列 FCS 字段，其值是使用[[数据链路层概述 循环冗余校验 CRC 计算出的检错码，CRC 采用的生成多项式为 CRC - CCITT = X 16 + X 12 + X 5 + 1 X^{16}+X^{12}+X^5+1 X16+X12+X5+1

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;否则，就丢弃这个帧。使用 PPP 的数据链路层，向上提供的是不可靠数据传输服务。

PPP 的工作状态

以用户主机拨号接入因特网服务提供者 ISP 的拨号服务器的过程为例：PPP 链路的开始和结束状态都是 静止 状态

PPP 的工作状态通常可以分为三个阶段：链路建立、网络层协议配置和数据传输。以下是 PPP 的工作状态：

1. 链路建立（Link Establishment）：

   • 在这个阶段，当检测到载波并建立物理层连接之后，PPP 使用链路控制协议（LCP）来建立、配置和测试数据链路连接。

   • 在通信的起始阶段，发送方发送 LCP 配置请求，接收方收到请求后发送 LCP 配置应答，进行链路参数的协商和确认。若协商成功，进入认证（鉴别）过程；若协商失败，回到静止状态。

   • 这个阶段还包括认证过程，如果配置了认证机制的话，发送方可能会要求接收方进行认证。

2. 网络层协议配置（Network Layer Protocol Configuration）：

   • 一旦链路建立完成，PPP 使用网络控制协议（NCP）来协商和配置网络层协议的选项。

   • 例如，对于 IP 协议，发送方发送 IPCP 配置请求，接收方收到请求后发送 IPCP 配置应答，协商 IP 地址、DNS 服务器等配置信息。

3. 数据传输（Data Transmission）：

   • 在链路建立和网络层协议配置完成后，PPP 进入数据传输阶段。

   • 在这个阶段，PPP 将封装好的网络层数据帧通过已建立的链路进行传输。

   • 发送方将数据封装成 PPP 帧并发送，接收方接收到帧后进行解封装并将数据交给上层网络协议进行处理。

在数据传输阶段，PPP 还会持续进行链路的检测和维护，以确保链路的稳定性和可靠性。如果链路出现故障或中断，PPP 将会尝试重新建立连接或进行相应的错误处理。