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【网络协议详解】——PPP协议（学习笔记）

目录

🕒 1. PPP协议

🕘 1.1 概述

用户计算机与ISP进行通信时，所使用的数据链路层协议通常就是点对点协议PPP（Point-to-Point Protocol）。PPP协议是目前使用最广泛的点对点数据链路层协议，也广泛应用于广域网路由器之间的专用线路。

在1999年公布的在以太网上运行的PPPoE协议，它使得lSP可以通过ADSL、电路调制解调器、以太网等宽带接入技术以太网接口的形式为用户提供接入服务。

在这里插入图片描述

PPP（Point-to-Point Protocol）和PPPoE（Point-to-Point Protocol over Ethernet）是两种不同的协议。
PPP 是一种用于在两个点之间进行通信的协议，常用于 dial-up 网络和 VPN 连接。PPP 协议提供了多种功能，包括身份验证、数据压缩和加密等，但是它不提供路由功能。
PPPoE 则是一种在以太网上运行 PPP 的协议。它使用了以太网帧来封装 PPP 数据包，并使用一种特殊的服务器/客户端模型来管理 PPP 连接。PPPoE 常用于 ADSL、光纤宽带等拨号上网方式，也可以用于小区宽带网络中。
因此，PPPoE 可以看作是在以太网上运行 PPP 的一种方式，而 PPP 则是一种通用的协议，不仅可以在以太网上运行，也可以在其他类型的网络上运行。

PPP为点对点连接上传输多种协议的数据包提供了一种标准的方法，其最初的设计目的，是为两个对等结点之间的IP传输提供一种封装协议，除了IP以外，PPP还可以封装其它协议，包括Novell的IPX协议（Internetwork Packet Exchange，网间分组交换）等。

🕘 1.2 组成

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（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

在这里插入图片描述

🕤 1.2.1 帧格式

在这里插入图片描述

  • Flag字段为帧定界标志，用来标识PPP帧的开始与结束，长度为1字节，取值固定为0x7E。

  • Address字段为地址字段，用来标识接收方的地址，长度为1字节，由于点到点链路的接收方是唯一的，故此字段取值固定为0xFF，表示只有对端才能接受到数据。

  • Control字段为控制字段，长度为1字节，取值固定为0x03，表示无序号信息（Unnumbered Information）。

  • Protocol字段为协议字段，用来标识PPP帧封装的协议数据类型，长度为2字节。此字段使PPP得以封装不同的协议。
    字段值协 议0x0021IP(Internet Protocol)0x0029Appletalk0x8021 IPCP(Internet Protocol Control Protocol)0xC021LCP(Link Control Protocol)0xC023PAP(Password Authentication Protocol)0xC025LQR(Link Quality Report)0xC223CHAP(Challenge Handshake Authentication Protocol)

  • Information字段为信息字段，该字段长度不固定，最大长度等于MRU（Maximum Receive Unit）值，默认为1500字节。此字段存放承载的协议数据，包括LCP、NCP等。

  • FCS（Frame Checksum）字段为帧校验和字段，用来检测PPP帧的完整性（CRC计算），长度为2字节。

🕤 1.2.2 透明传输

在这里插入图片描述

字节填充：面向字节的异步链路采用插入转义字符的字节填充法。

在这里插入图片描述

发送方：

  • 如PPP帧的标志字段取值为7E（16进制），如果数据中出现7E则需要在数据前插入转义字符7D（16进制），并将原来的7E减20（16进制），所以7E在数据中最终会变成7D,5E
  • 如果数据中有转义字符7D怎么办呢？可以在转义字符7D前再加一个转义字符7D，并将数据的7D减20（16进制），于是转义字符7D在数据中最终会变成7D,5D
  • 数据中出现的每一个ASCII码控制字符（数值小于0x20的字符），则在该字符前面插入一个7D字节，同时将该字符的编码加上0x20。

接收方：进行反变换即可恢复出原来的帧的数据部分。

零填充：面向比特的同步链路采用插入比特0的比特填充法。
在这里插入图片描述

发送方：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1个比特0。

接收方：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1个比特0删除。

🕤 1.2.3 差错检测

在这里插入图片描述

接收方每收到一个

PPP

帧，就进行

CRC

检验（多项式）。若CRC检验正确，就收下这个帧；反之就丢弃这个帧（不可靠传输服务）。检验由尾部的FCS实现

用于检验的多项式为

     C 
    
   
     R 
    
   
     C 
    
   
     − 
    
   
     C 
    
   
     C 
    
   
     I 
    
   
     T 
    
   
     T 
    
   
     = 
    
    
    
      x 
     
    
      16 
     
    
   
     + 
    
    
    
      x 
     
    
      12 
     
    
   
     + 
    
    
    
      x 
     
    
      5 
     
    
   
     + 
    
   
     1 
    
   
  
    CRC-CCITT =x^{16}+x^{12}+x^{5}+1 
   
  
CRC−CCITT=x16+x12+x5+1

使用PPP的数据链路层，向上提供的是不可靠数据传输服务。

🕘 1.3 工作流程

在建立、保持和终止PPP链路的过程中，PPP链路需要经过5个阶段，除认证阶段外，其它4个阶段都是必要过程。 5个阶段如下：

  1. 链路不可用阶段（Dead）
  2. 链路建立阶段（Establish）
  3. 认证阶段（Authenticate）
  4. 网络层协议阶段（Network）
  5. 链路终止阶段（Terminate）

在这里插入图片描述

🕒 2. LCP协议

🕘 2.1 概述

LCP（Link Control Protocol，链路控制协议）：用于建立、配置、维护和终止PPP链路

LCP负责PPP的链路管理，和上层（网络层）协议无关。

🕘 2.2 报文格式

当PPP帧中Protocol字段为

0xC021

时，表示Information 字段数据为LCP报文。

在这里插入图片描述

  • Code为代码字段（也称类型字段），长度为1字节，用来标识LCP中链路控制报文的类型。
  • Identifier为标识符字段，长度为1字节，是报文的唯一标识。 - Identifier字段用于匹配请求和回复。
  • Length为长度字段，长度为2字节，Length字段指出该报文的长度，包括Code，Identifier，Length和Data。
  • Data为数据字段，长度是零或多个八位字节，由Length字段声明。 - Data字段的格式由Code字段决定。

🕘 2.3 报文种类

类型功能报文类型报文代码链路配置建立和配置链路Configure-Request1Configure-Ack2Configure-Nak3Configure-Reject4链路终止终止链路Terminate-Request5Terminate-Ack6链路维护管理和调试链路Code-Reject7Protocol-Reject8Echo-Request9Echo-Reply10Discard-Request11

🕤 2.3.1 链路配置报文

Configure-Request（配置请求）的Code字段值为0x01，Data字段值为一到多个选项（Options）列表，选项列表中的参数可同时协商。

在这里插入图片描述

  • Type为类型字段，用于区分协商不同参数。
    Type值对应参数功能0x00Reserved保留0x01Maximum Receive Unit最大接收单元0x02Asynchronous Control Character Map异步控制字符映射0x03Authentication Protocol认证协议0x04Quality Protocol质量协议0x05Magic Number幻数0x07Protocol Field Compression协议域压缩0x08Address and Control Field Compression地址及控制域压缩

  • Length为长度字段，Length字段指出该配置选项（包括Type、Length和Data字段）的长度。

  • Data为数据字段，Data字段为零或者多个字节，其中包含配置选项的特定详细信息。

Configure-Request（配置请求）报文示例：

在这里插入图片描述

若接收的Configure-Request中的每一个配置选项的值都可接受，则回送

Configure-Ack

（配置确认）报文，回送的Configure-Ack中的Identifier字段必须与最后接收的Configure-Request相匹配。此外，Configure-Ack中的配置选项必须完全匹配最后接收的Configure-Request。

若收到的每个配置选项都可以识别，但是配置选项的值不能接受，接收方必须回送

Configure-Nak

（配置否认）。配置选项部分仅用不能接受的配置选项进行填充，回送的Configure-Nak中的Identifier字段必须与最后接收的Configure-Request相匹配。

若收到的部分配置选项是不可识别或不能接受，则回送

Configure-Reject

（配置拒绝确认）。配置选项部分仅用不可识别或不能接受的配置选项进行填充，回送的Configure- Reject中的Identifier字段必须与最后接收的Configure-Request相匹配。

上述报文除Code字段值不同，配置选项的格式与

Configure-Request

均相同。

🕤 2.3.2 链路终止报文

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🕤 2.3.3 链路维护报文

Code-Reject（代码拒绝）报文表示无法识别报文的Code字段

若收到该类错误，应立即终止链路，该报文的格式如图，其中“被拒绝的报文”字段包含了无法识别的LCP报文。

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Protocol-Reject（协议拒绝）报文表示无法识别报文的Protocol字段

若收到该类错误，应停止发送该类型的协议报文，该报文的格式如图所示，其中“被拒绝的协议”字段包含了被拒绝的PPP帧的数据区。

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Echo-Request（回复请求）和Echo-Reply（回复应答）用于链路质量和性能测试，其格式如图所示。

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Discard-Request（丢弃请求）是一个辅助的错误调试和实验报文，无实质用途。

这种报文收到即会丢弃。

🕘 2.4 工作过程

🕤 2.4.1 链路建立和配置流程

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  • 当需要建立逻辑链路时，发起方发送Configure-Request（配置请求）报文，用于协商参数；
  • 若接收方收到的每一个配置选项的值都可接受，则回送Configure-Ack（配置确认）报文；
  • 若收到的配置选项是可以识别，但部分配置选项参数不能接受，则回送Configure-Nak（配置否认）报文，并标示出需要重新协商的配置选项；
  • 若配置选项不可识别或不可接受，则回送Configure-Reject（配置拒绝）报文。

🕤 2.4.2 链路终止流程

在这里插入图片描述

  • Terminate-Request（终止请求）报文
  • Terminate-Ack（终止应答）报文

🕤 2.4.3 链路维护流程

在这里插入图片描述

  • Code-Reject（代码拒绝）
  • Protocol-Reject（协议拒绝）
  • Echo-Request（回复请求）和Echo-Reply（回复应答）
  • Discard-Request（丢弃请求）

🕒 3. NCP协议

🕘 3.1 概述

NCP（Network Control Protocol，网络控制协议）用于建立、配置网络层协议，进行参数协商。

不同的网络层协议会使用不同的NCP协议。

  • IP协议使用IPCP（Internet Protocol Control Protocol，IP控制协议）；
  • Appletalk协议使用Appletalk NCP进行协商；
  • Novell的 IPX协议使用IPE（Internet Packet Exchange，互连网包交换协议）进行协商。

🕘 3.2 IPCP协议

🕤 3.2.1 概述

若PPP帧中Protocol字段取值

0x8021

，表示PPP帧正在使用IPCP协商相关通信参数。

IPCP会完成协商IP地址等工作，其后在该PPP链路上传送IP数据报；

若IP数据报传送完毕，若要关闭IP协议，仍需通过IPCP协商终止；

若要释放链路，则需借助LCP协议。

🕤 3.2.2 报文的格式

在这里插入图片描述
类型功能报文类型报文代码链路配置建立和配置链路Configure-Request1Configure-Ack2Configure-Nak3Configure-Reject4链路终止终止链路Terminate-Request5Terminate-Ack6链路维护管理和调试链路Code-Reject7
与LCP报文格式几乎一样

🕤 3.2.3 配置选项

IPCP协议中，通信双方可协商的配置选项包括3个：

  • 多个IP地址（IP-Addresses） - 多个IP地址很难全部协商成功- 本选项很少使用
  • IP压缩协议（IP Compression Protocol） - 用于协商使用的压缩协议- IPCP中仅规定了“Van Jacobson”一个压缩协议，编号为0x002D，Type字段取值为0x02。- 该选项默认值为不进行压缩。
  • IP地址（IP Address） - 若发起方请求对端分配一个IP地址，接收方应会返回一个合法的IP地址。此时，发起方发送configure-request，type为0x03，length为0x06，其后4字节全为0x00，指明由对端提供IP地址。

在这里插入图片描述

IPCP Configure-Request报文示例：
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🕒 4. 认证

🕘 4.1 PAP协议

🕤 4.1.1 概述

PAP（Password Authentication Protocol，口令认证协议）

优点：PAP的整个认证流程非常简单

缺点：认证只能在链路建立阶段进行，身份和口令是以明文进行传输，安全性低

🕤 4.1.2 认证流程

在这里插入图片描述

🕤 4.1.3 报文格式

PAP协议的报文共有三种：

  • Authenticate-Request（认证请求）
  • Authenticate-Ack（认证确认）
  • Authenticate-Nak（认证否认）

若PPP帧中Protocol字段取值为

0xC023

时，表示Information字段承载的是PAP报文。

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🕘 4.2 CHAP协议

🕤 4.2.1 概述

CHAP（Challenge Handshake Authentication Protocol，基于挑战的握手认证协议）

CHAP为三次握手协议，可以在链路建立和数据通信阶段多次使用，进行认证，同时安全性较高

认证过程中需配合事先协商好的算法，确认被认证方的身份，通常使用MD5（Message Digest Algorithm 5）作为其默认算法。只在网络上传输用户名，而不传输用户口令。

目前PPP协议的认证阶段多使用CHAP认证协议。

🕤 4.2.2 认证流程

在这里插入图片描述

🕤 4.2.3 报文格式

CHAP协议的报文共有四种：

  • Challenge
  • Response
  • Success
  • Failure

若PPP帧中Protocol字段取值为

0xC223

时，表示Information字段承载的是CHAP报文。

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🕒 5. 实验

题目：本实验模拟企业网络环境。R1为分支机构接入网关设备，PC-1为企业分支机构终端。R2为企业总部接入终端网关设备，PC-2为企业总部终端，网络管理员在分支机构访问总部时部署PPP认证 ，R1和R2互为认证路由器和被认证路由器。只有认证通过才能建立PPP连接进行正常访问。

步骤：开启GNS3虚拟机，新建拓扑文件，在工作区添加两台路由器（c3745）和两台PC，按下图连接路由器、PC，开启设备。并按照下图和下表，在R1和R2之间配置PPP协议，并开启CHAP认证（此时s0/0口关闭），将路由器的配置指令截图如下：
在这里插入图片描述
设备接口IP地址地址掩码默认网关R1S0/010.1.1.1255.255.255.0-F0/1192.168.3.1255.255.255.0-R2S0/010.1.1.2255.255.255.0-F0/1192.168.4.1255.255.255.0-PC-1E0192.168.3.2255.255.255.0192.168.3.1PC-2E0192.168.4.2255.255.255.0192.168.4.1
配置R1：

# 进入全局模式
R1#configure terminal# 创建本地用户名和密码，为CHAP认证做准备，用户名为对方hostname
R1#username R2 password 1234# 进入接口模式，对f0/1口进行配置
R1(config)#interface f0/1
R1(config-if)#ip address 192.168.3.1 255.255.255.0# 进入接口模式，对s0/0口进行配置
R1(config)#interface s0/0# 配置s0/0口的IP地址
R1(config-if)#ip address 10.1.1.1 255.255.255.0# 设置s0/0口作为DCE设备，为DTE设备提供时钟以便同步，时钟速率为128000（bit/s）
R1(config-if)#clock rate 128000# 在s0/0口封装ppp协议
R1(config-if)#encapsulation ppp# 设置ppp协议的认证方式为chap
R1(config-if)#ppp authentication chap# 停用s0/0口
R1(config-if)shutdown

配置R2：

# 进入全局模式
R2#configure terminal# 创建本地用户名和密码，为CHAP认证做准备，用户名为对方hostname
R2#username R1 password 1234# 进入接口模式，对f0/1口进行配置
R2(config)#interface f0/1
R2(config-if)#ip address 192.168.4.1 255.255.255.0# 进入接口模式，对s0/0口进行配置
R2(config)#interface s0/0# 配置s0/0口的IP地址
R2(config-if)#ip address 10.1.1.2 255.255.255.0# 在s0/0口封装ppp协议
R2(config-if)#encapsulation ppp# 设置ppp协议的认证方式为chap
R2(config-if)#ppp authentication chap# 停用s0/0口
R2(config-if)shutdown

Q：DCE设备和DTE设备是什么？为什么R1要设置时钟而R2不用？
A：DCE 和 DTE 分别代表数据通信设备和数据端点设备。
DCE (Data Circuit-terminating Equipment) 通常指在数据传输中终止数字电路的设备，负责将数字信号转换为模拟信号，以便在通信设备之间传输。例如，MODEM 设备通过电话线将数字信号转换为模拟信号，然后通过电话线进行传输，以连接到互联网。
DTE (Data Terminal Equipment)指的是终端设备，例如电脑、终端、打印机等。在通信中，DTE 既可以接收数据，也可以发送数据，但必须通过通信线路与 DCE 进行连接。
在数据通信中，DCE 和 DTE 通常通过串行通信线（例如 RS-232、V.35 或 X.21）进行连接，DCE 端常常为对方提供时钟同步信号。一些常见的 DCE 设备包括调制解调器、CSU (Channel Service Unit)、DSU (Data Service Unit) 等。
需要注意的是，相同的设备可能在不同情况下被视为 DTE 或 DCE。例如，一个串口可以连接到一个调制解调器作为 DTE，也可以连接到一个计算机作为 DCE。在本次实验中，R1为分支机构接入网关设备（DCE），R2为企业总部接入终端网关设备（DTE），

clock rate 128000

命令仅在 DCE 设备上使用，表示 DCE 设备要发送或接收数据的速率。在这里，另一端是一个 DTE 设备，无需使用 clock rate 命令。

配置PC-1和PC-2：

PC-1> ip 192.168.3.2/24 192.168.3.1
PC-2> ip 192.168.4.2/24 192.168.4.1

抓包分析：
在R1和R2的链路上右键

start capture

在这里插入图片描述

# 开启R1的链路
R1(config)#interface s0/0
R1(config-if)#no shutdown# 开启R2的链路
R2(config)#interface s0/0
R2(config-if)#no shutdown

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标签： 网络协议 学习 笔记
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