3 点对点协议

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2025-06-08

PPP 协议由因特网工程任务组 (Internet Engineering Task Force, IETF) 于 1992 年制定，目前已成为因特网的正式标准 (RFC1661, RFC1662)。

PPP 协议主要应用于以下两个方面：

因特网用户通过点对点链路连接到因特网服务提供商 (Internet Service Provider, ISP)，进而接入因特网。用户计算机与 ISP 通信时通常采用 PPP 协议。
广域网路由器之间的专用线路。此外，1999 年还公布了可以在以太网上运行的 PPP 协议 (PPP over Ethernet, PPPoE)，它使得 ISP 可以通过数字用户线路 (Digital Subscriber Line, DSL)、电路调制解调器以及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。

3.3.1 PPP 协议的组成

PPP 协议由以下三部分组成：

链路控制协议 (Link Control Protocol, LCP)：LCP 用于建立、配置、测试数据链路的连接以及协商一些选项。
网络层协议数据单元 (Protocol Data Unit, PDU) 封装到串行链路的方法：网络层 PDU 作为 PPP 帧的数据载荷被封装在 PPP 帧中传输。其长度受 PPP 协议的最大传送单元 (Maximum Transmission Unit, MTU) 的限制。PPP 协议既支持面向字节的异步链路，也支持面向比特的同步链路。
网络控制协议 (Network Control Protocol, NCP)：NCP 包含多个协议，每个协议分别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 以及 Apple 公司的 AppleTalk。

PPP 帧由首部、数据载荷和尾部组成。

首部： 包括标志字段 (Flag, F)、地址字段 (Address, A)、控制字段 (Control, C) 和协议字段 (Protocol, P)。
数据载荷： 即信息字段 (Information, I)，可以是网络层 PDU、LCP 分组或 NCP 分组。
尾部： 包括帧检验序列 (Frame Check Sequence, FCS) 字段和标志字段 (F)。

标志字段 (F)： 长度为 1 字节，固定取值为 0x7E。位于 PPP 帧的首部和尾部，作为帧的定界符。连续两个标志字段表示一个空帧，应丢弃。
地址字段 (A)： 长度为 1 字节，固定取值为 0xFF。
控制字段 (C)： 长度为 1 字节，固定取值为 0x03。地址字段 A 和控制字段 C 目前对 PPP 帧没有实际意义。
协议字段 (P)： 长度为 2 字节，用于指示信息字段 I (数据载荷) 的类型：
- 0x0021：信息字段 I 是 IP 数据报。
- 0xC021：信息字段 I 是 PPP 链路控制协议的分组。
- 0x8021：信息字段 I 是 PPP 网络控制协议的分组。

信息字段 I 就是 PPP 帧的数据载荷，其长度可变，最大不能超过 1500 字节，即 PPP 帧的最大传送单元为 1500 字节。

帧检验序列 (FCS)： 长度为 2 字节，采用循环冗余校验 (Cyclic Redundancy Check, CRC) 计算冗余码，用于 PPP 帧的差错检测。CRC 使用的生成多项式为 CRC-CCITT = $X^{16} + X^{12} + X^{5} + 1$ 。
标志字段 (F)： 与 PPP 帧首部的标志字段 F 相同，作为帧的定界符。

当 PPP 帧的信息字段的内容中出现了和标志字段相同的内容 0x7E，需要采用相应的措施来实现透明传输，以避免数据被错误地识别为帧的边界。

当 PPP 协议采用的是面向字节的异步链路时，使用字节填充来实现透明传输 (RFC 1662)。

具体方法如下：

将原信息字段中出现的每一个 0x7E 减去 0x20 (相当于异或 0x20)，然后在其前面插入转义字符 0x7D。这相当于将原信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转换成了 2 字节 (0x7D、0x5E)。
如果原信息字段中本身就含有转义字符 0x7D，则把每一个 0x7D 减去 0x20，然后在其前面插入转义字符 0x7D。这相当于将原信息字段中出现的每一个 0x7D 字节转换成了 2 字节 (0x7D、0x5D)。
如果原信息字段中出现 ASCII 码的控制字符 (即数值小于 0x20 的字符)，则将该字符的数值加上 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。例如，出现 0x03 (这是控制字符 ETX，即传输结束)，就要将其加上 0x20，然后在其前面插入转义字符 0x7D，也就是将 0x03 转换成了 2 字节 (0x7D、0x23)。

接收方收到 PPP 帧后，进行与发送方字节填充相反的变换，就可以正确地恢复出未经过字节填充的原始 PPP 帧。

当 PPP 协议采用的是面向比特的同步链路 (例如 SONET/SDH) 时，使用零比特填充来实现透明传输。

具体方法如下：

发送方的数据链路层扫描数据载荷，只要出现 5 个连续的比特 1，就在其后填入一个比特 0。经过这种零比特填充后的数据载荷，就可以确保其不会包含帧定界符 (01111110)。
接收方的数据链路层在把数据载荷向上交付网络层之前，对数据载荷进行扫描，每发现 5 个连续的比特 1 时，就把其后的一个比特 0 删除，这样就可以还原出原始的数据载荷。

PPP 协议的工作状态可以用有限状态机来表示，下面以用户 PC 拨号接入 ISP 的拨号服务器这个过程为例，简要介绍 PPP 协议的工作状态。

各状态的解释如下：

静止 (Dead)： PPP 链路的开始和结束状态。用户 PC 与 ISP 的拨号服务器之间不存在物理层连接。
建立 (Establish)： 检测到调制解调器的载波信号并建立物理层连接后，PPP 进入此状态。
鉴别 (Authenticate)： 在“建立”状态下，链路控制协议 LCP 开始协商一些配置选项，如最大帧长、鉴别协议等。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。可以使用口令鉴别协议 (Password Authentication Protocol, PAP) 或挑战握手鉴别协议 (Challenge-Handshake Authentication Protocol, CHAP)。
网络 (Network)： 若通信双方无须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。
打开 (Open)： 进入“网络”状态后，PPP 链路的两端通过互相交换网络层特定的 NCP 分组来进行 NCP 配置。如果 PPP 链路的上层使用的是 IP 协议，则使用 IP 控制协议 (IP Control Protocol, IPCP) 来对 PPP 链路的每一端配置 IP 模块，例如分配 IP 地址。NCP 配置完成后，就进入“打开”状态。
数据通信： 只要链路处于“打开”状态，双方就可以进行数据通信。
终止 (Terminate)： 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。
静止 (Dead)： 当载波停止后就回到“静止”状态。