网络之数据链路层(PPP协议）

网络之数据链路层

Author：onceday date：2022年7月20日

1.引言

数据链路层主要使用两种类型的信道：

• 点对点信道，使用1对1的通信方式。

• 广播信道，使用1对多的广播通信模式。

链路（link）是从一个结点到相邻结点之间的一段物理线路，中间没有任何其他的交换结点。

数据链路（data link），在链路通信，所需要的硬件和软件协议，总和在一起就构成了数据链路。也就是现在所属的网络适配器。

数据链路层无需考虑物理层传输的细节，直接抽象成沿水平方向传递数据就好。

数据链路层的协议必须考虑三个问题：

• 封装成帧，在一段数据前后分别添加首部和尾部，进行帧定界。当检测到帧接收不完整时，可以直接丢弃。

• 透明传输，需要对数据里可能涉及帧定界字符的字符进行转义，即字节填充或字符填充。这些数据对于数据链路层的协议来说就是透明的。

• 差错控制。通信线路并非理想，传输过程可能出现差错。数据链路层广泛使用循环冗余校验CRC来进行检错。

差错检测只是保证接受的帧几乎没有错误，但是还是会出现帧丢失、失序、重复等问题，因此是不可靠传输。

但对于通信质量较差的无线传输链路，数据链路层使用确认和重传机制。因此有线传输的通信质量已经挺好了，不确认、不重传可以提高效率。

数据链路层网络中，协议数据单元PDU的大小是有限制的，以太网中为1500，PPP协议保持兼容一般也为1500.

该限制特征被称为最大传输单元MTU，在包含所有链路的整个网络路径上，最小MTU称为路径MTU。

2.点对点协议PPP

ppp是一个协议集合，包含三部分：

• 将IP数据报封装到串行链路的方法。

• 一系列的链路控制协议(Link Control Protocol,LCP)，用来建立、配置和测试数据链路连接。

• 以及NCP（网络控制协议），每一个协议支持不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层，DECnet，以及AppleTalk等。

PPP对物理层链路有最低要求，即必须支持双向操作，以及异步或同步操作。

ppp基本帧格式借用了HDLC的格式。

1999年公布的PPP over Ethernet（PPPoe）,工作在以太网中，可以把PPP帧在封装在以太网帧中。

2.1 帧格式

• 标志字段用于帧定界，即收尾两个0x7E字符。

• 地址和控制字段来自于HDLC协议，但在PPP中由于只有一个目的地和无需提供可靠服务。因此是固定的0xFF和0x03。该字段可通过地址和控制字段压缩(ACFC)的选项来省略他们。

• 协议字段表示后面的数据类型，因为数据可能来自于网络控制协议NCP或者链路控制协议LCP以及网络层协议IP等。0x0021是IP数据报，0xC021是LCP的数据。协议字段压缩PFC可以减少长度到1字节。

• 总信息长度MRU一般不超过1500。

• FCS检验序列一般采用CRC-CCITT多项式：

  $CRC-CCITT=X^{16}+X^{12}+X^5+1$

  默认为16位FCS，但可以通过LCP选项启用32位FCS。

异步传输采用字节填充：

• 转义字符定义为0x7D(01111101)

• 把数据段中出现的每一个0x7E字节转变成（0x7D，0x5E）序列

• 把数据段中出现的每一个0x7D字节转变成（0x7D，0x5D）序列

• 数据段中小于0x20的字符c，则改变成（0x7D，0x20+c）序列

同步传输时使用位填充（零比特填充）：

• 即SONET/SDH链路，一连串的比特连续传输。

• 扫描整个字段，只要有5个连续的1，立即填入一个0。即不会出现连续六个1的序列，0x7E（01111110）。

2.2 LCP操作过程

PPP协议的LCP分组：

代码字段给出了请求或响应的操作类型：

• 配置消息（开始基本配置，建立商定的选项）

• 终止消息（清除一条链路）

• 回送请求/应答消息（验证对方的操作）

• 放弃请求消息（用于性能测试，丢弃没有响应的分组）

• 标识和剩余时间消息（用于管理目的）

标识字段是有LCP请求帧的发送方提供的序列号，并随每个后续消息进行递增。

长度字段给出LCP分组的字节长度，这不是PPP协议的一部分。

2.3 PPP协议工作状态

• 在鉴别阶段可进行用户身份认证。

• NCP将根据网络层不同的协议进行配置，如IP协议将使用IP控制协议IPCP(IP Control Protocal)。