网络知识总结三：链路层相关协议补充之PPP协议

转载自文章：http://blog.csdn.net/windeal3203/article/details/51066331

PPP协议概述

PPP（Point-to-Point Protocol点到点协议）是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计的链路层协议。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包。 
PPP协议支持以下功能：
IP地址的动态分配和管理
同步或异步的物理层通信
链路的配置、质量检测和纠错
多种配置参数选项的协商

PPP是目前使用最广泛的数据链路层协议，不管是低速的拨号猫连接还是高速的光纤链路，都适用PPP协议。因特网用户通常都要连接到某个ISP 才能接入到因特网。 PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。 ISP使用PPP协议为计算机分配一些网络参数（如IP地址、域名等）。

PPP协议是一个协议集，主要包含下面三部分
LCP（ Link Control Protocol）链路控制协议
NCP（ Network Control Protocol）
PPP的扩展协议（如Multilink Protocol，

后面我们会提到PPP链路建立过程中涉及到了 认证， 但认证阶段使用到的CHAP/PAP等协议本身不属于PPP协议的范畴。（其实默认情况下“认证阶段”是缺省的，即PPP链路默认是不进行认证的）

PPP协议的六个阶段

1. 链路不可用阶段： 初始阶段 
2. 链路建立阶段： LCP协商，（协商认证方式等） 
3. 验证阶段： PAP/CHAP验证 

**4. 网络层协议阶段：**NCP协商 
5. PPP会话维持阶段： 维持PPP会话， 定时发送Echo Request报文，并等待Echo Reply报文 
6. 网络终止阶段： 终止PPP会话，回到链路不可用阶段。

（一）PPP 帧

　　PPP帧从HDLC（High-level link Control）。 



Flag：标志位、用于标识帧的开始和结束
Addr：地址位，用于标识Station地址。PPP帧发源自HDLC帧，保留了此字段。对于PPP帧来说，由于是点对点协议，不需要地址位。PPP帧的地址位恒为0xFF。（PPP协议被运用在点对点链路上，不需要知道对端的链路地址，因为点对点链路，如PPPoE帧头中，已经确定了对端的地址）。
Control：在DHLC帧中，Control位用来标识帧的顺序和重传行为，但由于该功能在PPP协议中并没有普遍实现，因此PPP帧中，Control值固定为）0x03.
Protocol：协议字段，标识所携带报文的类型。如0x0021时，表示PPP帧的信息字段是IP数据报文。不同的Protocol标识Data字段的不同含义。 

ISO标准下 的协议域类型：

Protocol	对应的Data域的含义
0x0***-0x3***	网络层的数据报文
0x4***-0x7***	与NCP无关的第整流量
0x8***-0xb***	网络控制协议（NCP）的数据报文
0xc***-0xf***	链路控制协议(LCP)的数据报文

常用的几种Protocol取值：

Protocol	信息字段
0x0021	IP数据报
0x8021	网络控制数据NCP
0xC021	链路控制数据LCP
0xC023	安全性认证PAP
0xC223	安全性认证CHAP

+ Data： 信息字段，即PPP帧的负载(如LCP帧、NCP帧）.信息域缺省时最大长度不能超过1500字节，其中包括填充域的内容 

+ Pad: 填充字段 

+ FCS：循环冗余码。 覆盖了两个Flag（不包括）之间的字段。
注： 

　　由于Addr和Control字段在PPP帧中是固定值，在传输过程中经常使用Address and Control Field Compression (ACFC)选项省略掉这两个字段。 

PPP工作流程

a） LCP协商阶段：创建链路完成链路的启动、测试、任选参数的协商和最终链路的断开 
b）认证阶段： LCP向对端发送协商请求， 双方确定链路的配置参数后，LCP向认证层发送Up事件。常用的认证协议有PAP（口令验证协议）和CHAP（挑战握手验证协议）。 
c） NCP协商阶段（IPCP等协议）：调用链路层创建阶段选定的网络控制层协议。主要包括动态分配IP地址功能等。常用的NCP协议有IPCP协议。 
d）会话维持阶段：进行PPPoE心跳保活 

**d）PPP正常终结：**NCP分别终结，然后LCP终结，最后物理层终结

一、 LCP 协商

　　LCP（Link Control Protocol）用来创建链路完成链路的启动、测试、任选参数的协商和最终链路的断开 

　　LCP的操作只关注连接的两端，而不在乎Mac层协议（如以太网协议、WIFI），也就是不需要考虑具体的传输媒介是什么。

LCP帧

　　LCP帧以PPP帧为基础。格式如下： 



LCP帧有自己特有的四个字段：Code、Ident、Length、LCP Data。 

另外，（PPP帧的）字段Protocol的值应为0xC021，标识该PPP帧为LCP帧。 

+ Code： 表示LCP数据报文（Request或Reply）类型。 值如下：

Code	Description		Code	Description
0x01	configure-request		0x08	Protocol-REJECT
0x02	configure-ACK		0x09	echo-request
0x03	configure-NACK		0x0A	echo-reply
0x04	configure-REJECT		0x0B	discard-request
0x05	teminate-request		0x0C	identification
0x06	terminate-ACK		0x0D	Time-Remaining
0x07	code-REJECT

+ Ident：标识域。LCP报文的序列号，用于匹配Request和Reply报文。 由Request帧的发送者生成，在之后的序列帧中递增。对于应答报文（如ACK，NACK，REJECT应答报文， Ident帧的值是从Request报文中copy过来的。（由此，Request方可以通过Ident字段识别Rely的对应关系）。 

+ Length: LCP报文的长度，以字节为单位。 Code+Ident+Length+LCP Data 

+ LCP Data： LCP数据报文。

不同类型的LCP帧的作用：

帧 类型	用途
configure 帧	对链路两端进行最基本的配置
Terminate帧	链路通信完成时，对链路连接进行清理操作
echo 帧	用来确认一些操作， 一个活动的链路随时会发送echo帧
discard-request 帧	用于测量链路的性能
identification 帧 Time-Remaining帧	用于一些管理操作

总的来说，LCP帧根据用途可以分为三大类， 链路配置报文，链路终止报文，链路维护报文：

(1). 链路配置报文： 

　　包含Config-Request、Config-Ack、Config-Nak和Config-Reject四种报文。 

　　当通信双方需要建立链路时，双方都需要发送Config-Request报文并携带自已所希望协商的配置参数选项。当接收方收到Config-Request报文时，会根据是否识别、认可Configure-Request报文中的配置参数来在剩下的三种配置报文中选择一种应答。 如果识别且认可全部参数，则应答Configure-ACK报文（携带全部配置参数）； 如果识别，但只认可部分配置参数，则应答configure-NACK报文（携带不认可的配置参数）； 如果不能识别所有的配置，则应答configure-Reject报文（携带全部报文）。 

LCP的配置选项（配置报文的数据域），是一些TLV（Type、Length、Value）组。

(2). 链路终止报文： 

　　包含Terminate-Request和Terminate-Reply两种报文。 

　　LCP报文中提供了一种机制来关闭一个点对点的连接，想要关断链路的一端会持续发送Terminate-Request报文，直到收到一个 Terminate-Reply为止。接收端一旦收到了一个Terminate-Request报文后，必须回应一个Terminate-Reply报 文，同时等待对端先将链路断开后，再完成本端的所有断开的操作。 

(3). 链路维护报文： 

　　链路维护报文中比较杂。比如，我们需要定时进行PPP保活（确认当前PPP链路是否仍在活跃状态），则PPP链路双方分别发送Echo Request报文，如果对方回复了Echo Reply报文，则表示PPP链路仍在活跃状态。

LCP协商过程

ClientClientServerServerConfig-RequestConfig-AckConfig-RequestConfig-Ack

LCP 两端通过发送LCP Config-Request和Config-Ack交互协商选项。 LCP一方通过发送LCP Config-Request来向另一方请求自己需要的LCP协商选项。如果Config-Request报文的接收方支持并接受这些选项则回复LCP Config-Ack报文。如果Config-Request部分（或者全部）不支持所有的LCP选项则回复其他报文。 
（1）Config-ACK：若完全支持对端的LCP选项，则回应Config-ACK报文，报文中必须完全协带对端Request报文中的选项。 
（2）Config-NAK：若支持对端的协商选项，但不认可该项协商的内容，则回应Config-NAK报文，在Config-NAK的选项中填上自己期望的内容，如:对端MRU值为1500，而自己期望MRU值为1492，则在Config-NAK报文中埴上自己的期望值1492。 
（3）Config-Reject：若不能支持对端的协商选项，则回应Config-Reject报文，报文中带上不能支持的选项，如Windows拨号器会协商CBCP（被叫回呼），而ME60不支持CBCP功能，则回将此选项拒绝掉。

—-Config-request报文——— 


 
—-Config-Ack报文——— 

二. 认证阶段

　　PPP认证，常用认证协议有PAP（口令验证协议）和CHAP（挑战握手验证协议） 

　　会话双方通过LCP协商好的认证方法进行认证，如果认证通过了，才可以进行下面的网络层的协商。认证过程在链路协商结束后就进行。 

+ PAP验证： 两次握手，明文传输口令，安全性低 

+ CHAP验证： 三次握手， 密文传输口令。 

PAP验证过程

ClientClientServerServerRadiusRadiusAuth-ReqAuth-ReqAuth-AckAuth-ACK

CHAP验证过程：

ClientClientServerServerRadiusRadiusWaitChallenge（CHAP）ResponseResponseSuccessSuccess

三. NCP协商协议

　　NCP有很多种，如IPCP、BCP、IPv6CP，最为常用的是IPCP（Internet Protocol Control Protocol）协议。NCP的主要功能是协商PPP报文的网络层参数，如IP地址，DNS Server IP地址，WINS Server IP地址等。PPPoE用户主要通过IPCP来获取访问网络的IP地址或IP地址段。 

　　NCP流程与LCP流程类似，用户与ME设备之间互相发送NCP Config-Request报文并且互相回应NCP Config-Ack报文后，标志NCP己协商完，用户上线成功，可以正常访问网络了。 

　　NCP协商协议的基本流程如下：

ClientClientServerServerConfiguration-RequestConfiguration-ACKConfiguration-RequestConfiguration-ACK

用户和接入设备对IP服务阶段的一些要求进行多次协商，以决定双方都能够接收的约定。 

　　通LCP类似，当Request中的一些选项不被接收方接受时， 接收方不会回复Configuration-ACK报文，而是回复其他如Configuration-NACK报文。

NCP Configuration-Request报文



NCP Configuration-NAK报文 

四. 会话维持（Session Keep-alive）

设备主动发送Echo Request进行PPPoE心跳保活，若3次未得到服务器的响应，则设备主动释放地址。发LCP Echo Request 的时候，魔术字字段要和之前通信的Configure_Request使用的魔术字字段保持一致。 

有些设备或终端不支持主动发送 Echo-Request 报文, 只能支持回应Echo-Reply报文。

五. 会话结束（Session Termination）

PPPoE 还有一个PADT（PPPOE Active Discovery Terminate）分组，它可以在会话建立后的任何时候发送，来终止PPPoE会话，也就是会话释放。它可以由主机或者接入集中器发送，目的地址填充为对端的以太网的MAC地址。 

当对方接收到一个 PADT（PPPOE Active Discovery Terminate）分组，就不再允许使用这个会话来发送PPP业务。PADT分组不需要任何标签，其CODE字段值为0xa7（PADT Code），SESSION-ID字段值为需要终止的PPP会话的会话标识号码。在发送或接收PADT后，即使正常的PPP终止分组也不必发送。PPP对端应该使用PPP协议自身来终止PPPoE会话，但是当PPP不能使用时，可以使用PADT。