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Protocol多链路协议PPP协议允许将多个物理链路捆绑成一个逻辑链路以提高带宽和连接的可靠性。PPP协议与PPP帧格式PPP协议的诞生在PPP协议出现之前SLIPSerial Line Internet Protocol串列线路互联网协议是常用的点对点协议。SLIP简单但功能有限不支持动态IP地址分配、身份验证等功能。PPP协议最初由互联网工程任务组IETF在1980年代末期开发旨在解决SLIP的不足。1990年IETF发布了PPP的第一个标准RFC 1171。后面随着PPP协议的标准化工作持续进行多个RFC文档对其进行了详细定义和扩展例如RFC 1661定义了PPP的基本框架和LCPRFC 1332定义了IPCPInternet Protocol Control Protocol网际协议控制协议RFC 1994定义了CHAPChallenge-Handshake Authentication Protocol询问握手认证协议。PPP协议基本架构PPP协议处于TCP/IP协议栈的数据链路层如下图所示。PPP在协议栈中的位置PPP协议主要由三类协议组成LCP即链路控制协议主要用来建立、拆除和监控PPP数据链路。NCP即网络层控制协议主要用来协商在该数据链路上所传输的数据包的类型和格式。扩展协议CHAP和PAP主要用来实现网络安全方面的验证。PPP帧PPP报文的封装格式如下图所示。PPP报文的封装格式各字段的含义如下Flag域Flag域标识一个物理帧的起始和结束该字节为0x7E。Address域Address域可以唯一标识对端。PPP协议被运用在点对点的链路上因此使用PPP协议互连的两个通信设备无须知道对方的数据链路层地址。对于PPP协议来说该字段无实际意义按照协议的规定将该字节填充为全1的广播地址。Control域该字段默认值为0x03表明为无序号帧PPP协议默认没有采用序列号和确认机制来实现可靠传输。Address和Control域一起标识此报文为PPP报文即PPP报文头为FF03。Protocol域Protocol域可用来区分PPP数据帧中信息域所承载的数据包类型。Protocol域的内容必须依据ISO 3309的地址扩展机制所给出的规定进行填充。该机制规定Protocol域所填充的内容必须为奇数即要求最低有效字节的最低有效位为“1”最高有效字节的最低有效位为“0”。如果发送端发送的PPP数据帧的Protocol域字段不符合上述规定接收端则会认为此数据帧不可识别。接收端向发送端发送一个Protocol-Reject报文在该报文尾部将填充被拒绝报文的协议号。Information域Information域最大长度是1500字节其中包括填充域的内容。Information域的最大长度称为最大接收单元MRUMaximum Receive Unit。MRU的缺省值为1500字节在实际应用当中可根据实际需要进行MRU的协商。如果Information域长度不足可被填充但不是必须被填充。如果填充则需要通信双方的两端能辨认出填充信息和真正需要传送的信息方可正常通信。FCS域FCS域主要对PPP数据帧传输的正确性进行检测。该域在数据帧中引入了一些传输的保证机制但会引入更多的开销可能会增加应用层交互的延迟。PPP协议工作机制如下图所示PPP协议包含Dead、Establish、Authenticate、Network、Terminate五个阶段。PPP协议工作阶段Dead阶段链路不可用阶段Dead阶段也称为物理层不可用阶段。PPP链路都需从这个阶段开始和结束。当通信双方的两端检测到物理线路激活通常为检测到链路上有载波信号时就会从Dead阶段跃迁至Establish阶段。链路被断开后同样会返回到Dead阶段。Establish阶段链路建立阶段在Establish阶段PPP链路进行LCP协商。LCP的状态发生如下改变当链路处于不可用阶段时此时LCP的状态机处于初始化Initial状态或准备启动Starting状态。当检测到链路可用时则物理层会向链路层发送一个Up事件。链路层收到该事件后会将LCP的状态机从当前状态改变为Request-Sent请求发送状态根据此时的状态机LCP会进行相应的动作也就是开始发送Configure-Request报文来配置数据链路。如果本端设备先收到Configure-Ack报文则LCP的状态机从Request-Sent状态改变为Ack-Received状态本端向对端发送Configure-Ack报文以后LCP的状态机从Ack-Received状态改变为Open状态。如果本端设备先向对端发送Configure-Ack报文则LCP的状态机从Request-Sent状态改变为Ack-Sent状态本端收到对端发送的Configure-Ack报文以后LCP的状态机从Ack-Sent状态改变为Open状态。LCP状态机变为Open状态后完成当前阶段的协商并向下一个阶段跃迁。下一个阶段既可能是Authenticate阶段也可能是Network阶段。下一阶段的选择依据链路两端的设备配置通常由用户来配置。Authenticate阶段认证阶段缺省情况下PPP链路不进行认证。如果要求认证在链路建立阶段必须指定认证协议。PPP协议提供密码认证PAP和质询握手认证CHAP两种认证方式。无论哪种认证方式都存在单向认证和双向认证。单向认证是指一端作为认证方另一端作为被认证方。双向认证是单向认证的简单叠加即两端都是既作为认证方又作为被认证方。在实际应用中一般只采用单向认证。PAP认证过程PAP认证协议为两次握手认证密码为明文。认证过程如下图所示PAP认证过程被认证方把本地用户名和密码发送到认证方。认证方根据本地用户表查看是否有被认证方的用户名。若有则查看密码是否正确若密码正确则认证通过。若密码不正确则认证失败。若没有本地用户表没有被认证方的用户名则同样认证失败。CHAP认证过程CHAP认证协议为三次握手认证。它只在网络上传输用户名而并不传输用户密码因此安全性比PAP高。CHAP的认证过程如图3所示。CHAP认证过程认证方主动发起认证请求认证方向被认证方发送一些包含随机数的报文Challenge并同时将本端的用户名附带上一起发送给被认证方。被认证方接到认证方的认证请求后先检查本端接口上是否配置了CHAP密码。若已配置CHAP密码则被认证方通过哈希算法对报文ID、配置的密码和报文中的随机数计算哈希值将该哈希值和自己的用户名发回认证方Response。若未配置CHAP密码则根据此报文中认证方的用户名在本端的用户表查找该用户对应的密码通过哈希算法对报文ID、此用户的密码和报文中的随机数计算哈希值将生成的哈希值和被认证方自己的用户名发回认证方Response。认证方通过哈希算法对报文ID、自己保存的被认证方密码和Challenge报文中的随机数计算哈希值并与Response报文中的哈希值进行比较若比较结果一致认证通过若比较结果不一致则认证失败。CHAP与PAP认证比较PAP认证中密码以明文方式在链路上发送完成PPP链路建立后被认证方会不停地在链路上反复发送用户名和密码直到身份认证过程结束安全性不高。实际应用过程中对安全性要求不高时可以采用PAP认证建立PPP连接。CHAP认证协议为三次握手认证协议。它只在网络上传输用户名而并不传输用户密码因此安全性比PAP认证高。实际应用过程中对安全性要求较高时可以采用CHAP认证建立PPP连接。Network阶段网络层协商阶段PPP协议完成前面几个阶段后通过NCP协商来选择和配置一个网络层协议并进行网络层参数协商。无论配置哪一个NCP协议NCP协议都可在任何时间打开和关闭当一个NCP协议的状态变为Open时表明PPP可以开始在链路上承载网络层数据传输。Terminate阶段网络终止阶段PPP协议能在任何时候终止链路。载波丢失、认证失败或管理员人为关闭链路等情况均会导致链路终止。PPP协议有什么作用PPP协议在生产、生活中有着广泛的应用从家庭宽带接入到企业网络连接再到移动通信和物联网IoT应用PPP协议都发挥着重要作用。它不仅能够提供稳定、高效的数据传输服务还能通过多种认证方式保障网络连接的安全性。家庭宽带接入在家庭宽带接入中PPP协议的一个常见应用形式是PPPoEPoint-to-Point Protocol over Ethernet以太网上的点对点协议。当用户通过VDSL、光纤等宽带技术上网时PPPoE协议允许用户的计算机或路由器与ISP互联网服务提供商的服务器之间建立一个点对点的连接。这种连接方式不仅能够提供稳定的网络连接还能实现用户身份验证确保网络资源的安全使用。企业网络连接在企业环境中PPP协议同样扮演着重要角色。例如企业可能需要通过专线或虚拟专用网络VPN与远程分支机构建立连接。在这种情况下PPP协议可以用于建立安全、可靠的点对点连接确保数据传输的效率和安全性。此外PPP协议还支持多种认证方式如PAPPassword Authentication Protocol密码认证协议和CHAPChallenge-Handshake Authentication Protocol挑战握手认证协议这些认证方式可以有效防止未经授权的访问保护企业网络的安全。移动通信在移动通信领域PPP协议也有所应用。例如在早期的GSM网络中PPP协议被用于实现移动设备与网络之间的数据传输。虽然随着3G、4G乃至5G技术的发展移动通信的数据传输方式已经发生了很大变化但在某些特定场景下如通过卫星通信实现远程数据传输时PPP协议仍然是一种有效的解决方案。物联网应用在物联网领域PPP协议可以用于连接远程传感器或设备与中央服务器。例如在农业监测系统中安装在田间的传感器可以通过PPP协议与远程服务器建立连接定期发送土壤湿度、温度等数据。这种方式不仅能够实现数据的远程传输还能通过PPP协议提供的认证机制确保数据的安全性。PPP协议的衍生协议MP协议多链路PPPMultilink Protocol简称MP是PPP协议的一个扩展用于将多个物理链路合并为一个逻辑链路以提高带宽和可靠性。MP协议的主要特点包括带宽聚合将多个物理链路的带宽合并提供更高的总带宽。负载均衡在多个链路上分担数据传输提高传输效率。冗余和容错即使某个链路故障其他链路仍能继续工作提高连接的可靠性。与标准PPP协议相比MP协议增加了多链路管理功能但基本的帧结构和工作机制仍然基于PPP协议。PPTP与PPP协议相比PPTP 在PPP的基础上增加了隧道功能适用于通过公共网络建立安全连接的场景。PPTPPoint-to-Point Tunneling Protocol点对点隧道协议是一种用于实现虚拟专用网络VPN的技术。它允许通过公共网络如互联网建立安全的点对点连接。PPTP通过在两个点之间创建一个隧道来传输数据这个隧道可以用来传输加密的数据包从而实现数据的安全传输。L2TPL2TPLayer 2 Tunneling Protocol第二层隧道协议是一种用于通过互联网或其他网络传输数据的隧道协议。它通过将PPP数据包封装在UDP数据包中实现虚拟私有拨号网络VPDN允许远程用户通过公共网络如互联网安全地连接到企业网络。L2TP本身并不提供加密功能通常与IPsecInternet Protocol Security结合使用以确保数据传输的安全性。PPPoEPPPoEPoint-to-Point Protocol over Ethernet以太网上的PPP协议应用在链路层。它通过在以太网上提供点到点的连接建立PPP会话封装PPP报文为PPPoE报文。PPPoE技术可以将用户连接到远程接入设备上并提供良好访问控制功能提供了一种经济的用户接入技术。