广域网与点对点链路

广域网 WAN（Wide Area Network）覆盖范围大，常用于连接相距较远的局域网、园区网、数据中心或运营商网络。

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局域网与广域网的差异：

对比项 局域网 LAN 广域网 WAN
覆盖范围 房间、楼宇、园区 城市、地区、国家甚至全球
常见管理者 单位、学校、企业内部 运营商、专线服务商、大型机构
典型拓扑 现代局域网多采用以交换机为中心的星形拓扑；早期也有总线形、环形 由路由器和交换节点通过多条链路互连，整体可形成网状、树形或星形结构
传输方式 可使用共享广播信道，也可在交换式局域网中通过点对点链路传输帧 分组通常在交换节点之间逐跳转发；专线也可直接连接两个节点
典型链路形态 广播链路或交换式点对点链路 点对点链路、交换网络、运营商承载网络
涉及层次 物理层和数据链路层 单条接入或中继链路涉及物理层、数据链路层，跨节点通信还依靠网络层路由
数据链路层重点 MAC、局域网帧、交换机、VLAN 点对点封装、链路建立、链路配置
典型协议 Ethernet、802.11 PPP、HDLC 等

广域网描述的是一张跨地域的网络，PPP 只负责其中的一段点对点链路。例如两台路由器之间使用专线连接时，PPP 规定这条链路怎样建立、配置、成帧和检错；分组离开这条链路后，后续各跳可以使用其他数据链路层协议。因此，下面从广域网的链路形态缩小到其中常见的点对点链路，再讨论 PPP。

PPP 讨论的点对点链路是全双工链路：链路两端都可以发送和接收。它不用于单工链路，也不用于半双工的多站点共享链路。

PPP 协议

PPP（Point-to-Point Protocol，点对点协议）是常用的点对点数据链路层协议。它比早期 HDLC 更简单，适用于现代误码率较低的点对点链路。

PPP 的典型场景有：

  • 用户计算机通过点对点链路接入 ISP。
  • 广域网中两个路由器通过专用线路互连。
  • PPPoE 把 PPP 运行在以太网上，使运营商可以用以太网接口提供宽带接入服务。

PPP 的主要特点：

特点 含义
点对点 链路两端明确，不需要解决多站点共享信道的争用问题
全双工 链路两端都能发送和接收，PPP 不支持单工或半双工链路
面向连接 传输网络层数据前，先建立并配置 PPP 链路
简单 不把可靠传输、流量控制、复杂编号等机制放进 PPP 本身
封装多种网络层协议 通过 Protocol 字段标明信息字段承载的是 IP、LCP、NCP 或其他协议
支持多种物理链路 既支持面向字节的异步链路，也支持面向比特的同步链路
MTU 约束 网络层 PDU 装入 PPP 帧的信息字段，长度受最大传送单元 MTU 限制
透明传输 信息字段中即使出现帧定界符，也能被正确传输
差错检测 用 FCS 检测帧是否出错，错帧直接丢弃
链路状态检测 能检测链路是否正常工作，并通过 LCP 建立、测试、终止链路
参数协商 可协商最大帧长、鉴别方式等链路参数，也可通过 NCP 协商网络层地址和协议参数
不可靠传输 通常不确认、不重传、不编号、不做流量控制
不支持多点线路 PPP 面向一条点对点链路，不用于多个站点共享同一条链路的场景

PPP 的连接过程

PPP 是面向连接的。这里的连接指数据链路层连接。物理层连接可用之后，PPP 还要通过 LCP、可选鉴别、NCP 等步骤，把这条链路配置成能承载网络层数据的数据链路。

PPP 链路状态可以按“先建立、再传输、最后释放”理解：

状态 含义
静止 物理层连接还不存在，或链路已经结束
建立 物理层连接可用，LCP 开始协商链路参数
鉴别 如果配置要求身份鉴别，则使用 PAP、CHAP 等进行鉴别
网络 NCP 为具体网络层协议进行配置，例如使用 IPCP 配置 IP
打开 PPP 链路可传输网络层数据
终止 出现故障或一端请求结束，释放链路并回到静止

“建立”状态解决的是 PPP 链路本身怎么工作，例如最大帧长、是否需要鉴别、采用什么鉴别协议。“网络”状态解决的是网络层协议怎么在这条链路上运行，例如使用 IP 时由 IPCP 配置 IP 模块。二者都发生在真正传输网络层数据之前。

Note

面向连接和可靠传输不是一回事。PPP 面向连接，因为它传数据前要建立和配置链路；但 PPP 通常不提供可靠传输，因为出错帧只丢弃，不确认、不重传。

PPP 的组成

PPP 的组成正好对应它的连接和传输过程。

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组成部分 作用 对应阶段
LCP 建立、配置、测试、终止 PPP 链路 建立、终止
NCP 为不同网络层协议分别进行配置 网络
网络层 PDU 封装方法 把网络层 PDU 封装进 PPP 帧的信息字段 打开

LCP 先把点对点物理链路变成可用的 PPP 链路。若链路需要鉴别，LCP 协商出的鉴别协议会参与后续鉴别过程。NCP 再针对上层网络协议进行配置。配置完成后，PPP 才把网络层 PDU 封装到 PPP 帧中发送。

PPP 帧格式

PPP 链路进入打开状态后，网络层 PDU、LCP 分组或 NCP 分组都要装入 PPP 帧传输。

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字段 长度 含义
Flag 1 B 帧定界符，固定为 0x7E
Address 1 B 地址字段，固定为 0xFF
Control 1 B 控制字段，固定为 0x03
Protocol 2 B 指明信息字段中承载的协议
Information 可变 承载网络层 PDU 或 LCP/NCP 等控制数据
FCS 2 B 或 4 B 帧检验序列，用于差错检测
Flag 1 B 下一帧或本帧的结束定界符

Address 和 Control 字段在 PPP 中没有像局域网 MAC 地址那样的寻址意义。PPP 是点对点链路，两端明确，不需要在帧内标识多个站点的 MAC 地址。

Protocol 字段决定 Information 字段的解释方式：

Protocol 字段含义 Information 字段可能承载
LCP PPP 链路建立、配置、测试、终止相关控制分组
NCP 某个网络层协议的配置分组，例如 IPCP
IP 等网络层协议 真正要传输的网络层数据

PPP 的透明传输

PPP 用 0x7E 作为 Flag 字段来标识帧边界。如果 Information 字段中本来就出现 0x7E，接收方可能误以为帧结束。因此 PPP 必须实现透明传输：数据载荷中即使出现与定界符相同的内容，也不能破坏帧边界识别。

PPP 既支持面向字节的异步链路，也支持面向比特的同步链路，所以透明传输有两种做法。

链路类型 填充方法 核心规则
面向字节的异步链路 字节填充 遇到特殊字节就插入转义字节 0x7D
面向比特的同步链路 零比特填充 数据中每出现 5 个连续 1，发送方插入 1 个 0

字节填充

面向字节的异步链路使用 0x7D 作为转义字节。发送方遇到需要转义的字节 时，发送：

因此：

原始字节 线上发送的字节序列
0x7E 0x7D 0x5E
0x7D 0x7D 0x5D
0x11 0x7D 0x31，前提是协商要求转义该控制字符

哪些 0x00～0x1F 控制字符需要转义，由异步控制字符映射 ACCM 指定，并非任何链路都固定转义全部控制字符。接收方读到 0x7D 后，将紧随其后的字节与 0x20 异或，便可恢复原字节。例如 0x31 XOR 0x20 = 0x11。

零比特填充

面向比特的同步链路按比特流处理数据。PPP 的 Flag 是：

为了避免数据中出现与 Flag 相同的比特串，发送方扫描数据部分：每遇到 5 个连续的 1，就在后面插入一个 0。接收方在接收时执行逆操作：看到 5 个连续的 1 后，若下一个比特是填充的 0，就删除它。

这与 数据链路层功能 中的透明传输思想一致：让载荷中的特殊模式不再具有定界含义。

PPP 的差错处理

PPP 帧中的 FCS 用于差错检测。接收方发现帧出错后会丢弃该帧，但 PPP 本身通常不确认、不重传、不编号、不做流量控制。

原因在于：

  • 现代点对点有线链路误码率较低。
  • PPP 主要承担链路建立、链路配置、封装和检错。
  • 可靠传输通常交给更高层协议处理，例如 TCP。
  • 如果数据链路层也复杂重传，可能和高层可靠机制重复。

因此，PPP 与 802.11 的处理方式不同。802.11 无线链路误码率高，并且需要配合 CSMA/CA 判断帧是否成功，所以数据链路层使用 ACK；PPP 面向较可靠的点对点链路，协议设计更简单。

PPPoE

PPPoE 是 PPP over Ethernet，即把 PPP 帧封装到以太网上运行。

它出现的背景是：运营商希望继续使用 PPP 的用户鉴别、计费和链路管理能力，同时又希望用户侧使用常见的以太网接口接入。PPPoE 因此把以太网作为承载环境，在以太网之上运行 PPP。

PPPoE 不是把以太网变成点对点物理线路，而是在以太网环境中建立 PPP 会话。理解 PPPoE 时要分清两层：

层次 作用
以太网 提供接入侧二层承载和以太网帧传输
PPP 提供用户会话、鉴别、配置和网络层 PDU 封装