HDLC与PPP（串行链路协议）

时间：2024-03-10 13:10:13

广域网中经常会使用串行链路来提供远距离的数据传输，串行链路普遍用于广域网中。典型的串口封装协议有以下两种：

　　高级数据链路控制HDLC（ High-Level Data Link Control ）

　　点对点协议PPP（ Point to Point Protocol）

串行链路的数据通信方式

　　

 

 

 

 

串行链路中定义了两种数据传输方式：异步和同步。
异步传输是以字节为单位来传输数据，并且需要采用额外的起始位和停止位来标记每个字节的开始和结束。起始位为二进制值0，停止位为二进制值1。在这种传输方式下，开始和停止位占据发送数据的相当大的比例，每个字节的发送都需要额外的开销。
同步传输是以帧为单位来传输数据，在通信时需要使用时钟来同步本端和对端的设备通信。DCE即数据通信设备，它提供了一个用于同步DCE设备和DTE设备之间数据传输的时钟信号。DTE即数据终端设备，它通常使用DCE产生的时钟信号。

时钟同步具体描述：https://zhidao.baidu.com/question/214609545.html

DTE与DCE：https://zhidao.baidu.com/question/173232881.html

HDLC协议

　　High-level Data Link Control，高级数据链路控制，简称HDLC，是一种面向比特的链路层协议。

 

 

 

　　HDLC是一种面向比特的通信规则。HDLC传送的信息单位为帧。作为面向比特的同步数据控制协议的典型，HDLC具有如下特点：

  1. 协议不依赖于任何一种字符编码集；
  2. 数据报文可透明传输，用于透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现；
  3. 全双工通信，不必等待确认可连续发送数据，有较高的数据链路传输效率；
  4. 所有帧均采用CRC校验，并对信息帧进行编号，可防止漏收或重收，传输可靠性高；
  5. 传输控制功能与处理功能分离，具有较大的灵活性和较完善的控制功能。

　　0比特插入法：https://baike.so.com/doc/24788927-25712150.html

　　CRC：https://baike.baidu.com/item/CRC/1453359?fr=aladdin

HDLC帧结构

　　

 HDLC有三种类型的帧：信息帧 I、监控帧 S 、无编号帧 U 。

 

  • 信息帧（I帧）用于传送有效信息或数据，通常简称为I帧。
  • 监控帧（S帧）用于差错控制和流量控制，通常称为S帧。S帧的标志是控制字段的前两个比特位为“10”。S帧不带信息字段，只有6个字节即48个比特。
  • 无编号帧（U帧）简称U帧。U帧用于提供对链路的建立、拆除以及多种控制功能。

 

完整的HDLC帧由标志字段（F）、地址字段（A）、控制字段（C）、信息字段（I）、帧校验序列字段（FCS）等组成。

  • 标志字段为01111110，用以标志帧的开始与结束，也可以作为帧与帧之间的填充字符。
  • 地址字段携带的是地址信息。
  • 控制字段用于构成各种命令及响应，以便对链路进行监视与控制。发送方利用控制字段来通知接收方来执行约定的操作；相反，接收方用该字段作为对命令的响应，报告已经完成的操作或状态的变化。
  • 信息字段可以包含任意长度的二进制数，其上限由FCS字段或通讯节点的缓存容量来决定，目前用得较多的是1000-2000比特，而下限可以是0，即无信息字段。监控帧中不能有信息字段。
  • 帧检验序列字段可以使用16位CRC对两个标志字段之间的内容进行校验。

HDLC配置

[RTA]interface Serial 1/0/0 
[RTA-Serial1/0/0]link-protocol hdlc 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　// 接口下使能HDLC协议
Warning: The encapsulation protocol of the link will be changed. Continue? [Y/N]:y 
[RTA-Serial1/0/0]ip address 10.0.1.1 30
[RTA-Serial1/0/0]ip address unnumbered interface loopBack 0    　　　　　　　　　　　　　　　//  IP地址借用：从其它接口借用IP地址，一般建议借用loopback接口的IP地址

 PPP协议

 

 

 

  • PPP协议是一种点到点链路层协议，主要用于在全双工的同异步链路上进行点到点的数据传输。

PPP协议有如下优点：

  • PPP既支持同步传输又支持异步传输，而X.25、FR（Frame Relay）等数据链路层协议仅支持同步传输，SLIP仅支持异步传输。
  • PPP协议具有很好的扩展性，例如，当需要在以太网链路上承载PPP协议时，PPP可以扩展为PPPoE。
  • PPP提供了LCP（Link Control Protocol）协议，用于各种链路层参数的协商。
  • PPP提供了各种NCP（Network Control Protocol）协议（如IPCP、IPXCP），用于各网络层参数的协商，更好地支持了网络层协议。
  • PPP提供了认证协议：CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）、PAP（Password Authentication Protocol），更好的保证了网络的安全性。
  • 无重传机制，网络开销小，速度快。

PPP组件

　　

 

 

 

  • 链路控制协议LCP：LCP可以自动检测链路环境，如是否存在环路；协商链路参数，如最大数据包长度，使用何种认证协议等等。与其他数据链路层协议相比，PPP协议的一个重要特点是可以提供认证功能，链路两端可以协商使用何种认证协议来实施认证过程，只有认证成功之后才会建立连接。
  • 网络层控制协议NCP：每一个NCP对应了一种网络层协议，用于协商网络层地址等参数，例如 IPCP用于协商控制IP协议，IPXCP用于协商控制IPX协议等。

　　IPCP：https://wenku.baidu.com/view/545316f4700abb68a982fb5c.html

　　IPX：https://baike.baidu.com/item/IPX/609379?fr=aladdin

PPP建立过程

　　

  • 协商内容包括最大接收单元MRU、认证方式、魔术字（Magic Number）等选项。
  • LCP参数协商成功后会进入Opened状态，表示底层链路已经建立。
  • Authenticate阶段 和 Network阶段 再次收到了Configure-Request报文，则又会返回到链路Establish阶段。
  • 协商成功后（Network阶段），如果物理链路断开、认证失败、超时定时器时间、管理员通过配置关闭连接等动作都可能导致链路进入Terminate阶段。
  • 在Terminate阶段，如果所有的资源都被释放，通信双方将回到Dead阶段。

PPP帧格式

　　

 

 

 

  • PPP采用了与HDLC协议类似的帧格式：
  • Flag域标识一个物理帧的起始和结束，该字节为二进制序列01111110（0X7E）。
  • PPP帧的地址域跟HDLC帧的地址域有差异，PPP帧的地址域字节固定为11111111 （0XFF），是一个广播地址。
  • PPP数据帧的控制域默认为00000011(0X03)，表明为无序号帧。
  • 帧校验序列（FCS）是个16位的校验和，用于检查PPP帧的完整性。
  • 协议字段用来说明PPP所封装的协议报文类型，典型的字段值有：0XC021代表LCP报文，0XC023代表PAP报文，0XC223代表CHAP报文。
  • 信息字段包含协议字段中指定协议的数据包。数据字段的默认最大长度（不包括协议字段）称为最大接收单元MRU（Maximum Receive Unit），MRU的缺省值为1500字节。
  • 如果协议字段被设为0XC021，则说明通信双方正通过LCP报文进行PPP链路的协商和建立：
    • Code字段，主要是用来标识LCP数据报文的类型。典型的报文类型有：配置信息报文（Configure Packets: 0x01)，配置成功信息报文(Configure-Ack: 0X02)，终止请求报文(Terminate-Request：0X05)。
    • Identifier域为1个字节，用来匹配请求和响应。
    • Length域的值就是该LCP报文的总字节数据。
    • 数据字段则承载各种TLV（Type/Length/Value）参数用于协商配置选项，包括最大接收单元，认证协议等等。

LCP报文格式

　　

  • Configure-Request（配置请求）：链路层协商过程中发送的第一个报文，该报文表明点对点双方开始进行链路层参数的协商。
  • Configure-Ack（配置响应）：收到对端发来的Configure-Request报文，如果参数取值完全接受，则以此报文响应。
  • Configure-Nak（配置不响应）：收到对端发来的Configure-Request报文，如果参数取值不被本端认可，则发送此报文并且携带本端可接受的配置参数。
  • Configure-Reject（配置拒绝）：收到对端发来的Configure-Request报文，如果本端不能识别对端发送的Configure-Request中的某些参数，则发送此报文并且携带那些本端不能认别的配置参数。

LCP链路协商参数

　　

Configure-Nak报文中，只包含不能接受的链路层参数，并且此报文所包含的链路层参数均被修改为RTB上可以接受的取值（或取值范围）。
Configure-Reject报文中，只包含不能被识别的链路层参数。RTA需要重新发送一个Configure-Request报文，不再包含不被对端（RTB）识别的参数，也就是所有都要被识别。

PPP认证模式

　　PAP认证

　　

  •  PAP认证的工作原理较为简单。PAP认证协议为两次握手认证协议，密码以明文方式在链路上发送。

　　CHAP认证

　　

CHAP认证 过程需要三次报文的交互。为了匹配请求报文和回应报文，报文中含有Identifier字段，一次认证过程所使用的报文均使用相同的Identifier信息。

  • LCP协商完成后，认证方发送一个Challenge报文给被认证方，报文中含有Identifier信息和一个随机产生的Challenge字符串，此Identifier即为后续报文所使用的Identifier。
  • 被认证方收到此Challenge报文之后，进行一次加密运算，运算公式为MD5{ Identifier＋密码＋Challenge }，意思是将Identifier、密码和Challenge三部分连成一个字符串，然后对此字符串做MD5运算，得到一个16字节长的摘要信息，然后将此摘要信息和端口上配置的CHAP用户名一起封装在Response报文中发回认证方。
  • 认证方接收到被认证方发送的Response报文之后，按照其中的用户名在本地查找相应的密码信息，得到密码信息之后，进行一次加密运算，运算方式和被认证方的加密运算方式相同，然后将加密运算得到的摘要信息和Response报文中封装的摘要信息做比较，相同则认证成功，不相同则认证失败。
  • 使用CHAP认证方式时，被认证方的密码是被加密后才进行传输的，这样就极大的提高了安全性。

IPCP地址协商

　　IP地址协商包括两种方式：静态配置协商和动态配置协商。

　　静态配置协商

　　

 

 

　　1. 每一端都要发送Configure-Request报文，在此报文中包含本地配置的IP地址；
　　2. 每一端接收到此Configure-Request报文之后，检查其中的IP地址，如果IP地址是一个合法的单播IP地址，而且和本地配置的IP地址不同（没有IP冲突），则认为对端可以使用该地址，回应一个Configure-Ack报文。

　　动态配置协商

　　

 

  •  动态IP协商是双向都要确认的，也就是双方都要收到Configure-Ack报文才算成功。

 PPP认证配置实现

 

　　

 

 

 

[RTA]aaa 
[RTA-aaa]local-user huawei password cipher huawei123
[RTA-aaa]local-user huawei service-type ppp 　　　　　　　　　　　　　　
[RTA]interface Serial 1/0/0  
[RTA-Serial1/0/0]link-protocol ppp
[RTA-Serial1/0/0]ppp authentication-mode pap
[RTA-Serial1/0/0]ip address 10.1.1.1 30
[RTB]interface Serial 1/0/0  
[RTB-Serial1/0/0]link-protocol ppp
[RTB-Serial1/0/0]ppp pap local-user huawei password cipher huawei123 
[RTB-Serial1/0/0]ip address 10.1.1.2 30

 

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