计算机网络必考之PPP协议和LCP协议运作解读
计算机网络必考之PPP协议和LCP协议运作解读
PPP协议（点对点协议）是计算机网络中用于在点对点链路上封装网络层协议的数据包的协议。本文将详细介绍PPP协议的工作状态及其关键组成部分LCP协议的运作机制。
PPP协议工作状态
工欲善其事必先利其器，前天的文章，介绍了PPP协议组成与特点，（没有印象或忘记的朋友可以关注本号去历史文章看看），下面解读一下PPP协议的具体实现：
如上图所示：
首先是物理层连接的建立，当用户通过调制解调器呼叫路由器时，路由器检测到调制解调器发出的载波信号，由此双方建立了物理连接，即用户端到ISP（Internet server provider互联网服务提供者）建立了物理连接。
LCP（link control protocol）链路控制协议，是专门用来建立、配置和测试数据链路链接的；
接下来进入链路建立状态，建立链路层的LCP连接，如何建立连接呢？用户端向ISP发送LCP分组（封装成PPP帧），向其发送LCP的配置请求帧（configure-request），链路另一端发送的回应有以下几种帧：
- 配置确认帧（configure-ack）：所有选项都接受。
- 配置否认帧(configure-nak)：所有选项都理解但不接受。
- 配置拒绝帧(configure-nak)：选项有的无法识别需要协商。
这里提到的配置选项包括链路上的最大帧长，如果需要鉴别的话，还包括所使用的鉴别协议（authenticate protocol）的规约， 还有不使用PPP帧的地址和控制字段，因为该字段是固定的，可以省略。
- 接下来进入鉴别状态：
该状态下只允许传送LCP协议的分组，鉴别协议的分组和监测链路质量的分组通过。如果使用口令鉴别协议，需要用户端的口令(即密码)和身份标识符（类似账号），核实身份成功后则鉴别成功，鉴别失败进入链路终止状态。
接下来进入网络层协议状态，PPP链路两端的网络控制协议NCP根据网络层的不同协议互相网络控制分组，因为PPP协议两端的网络层可以运行不同的网络协议，依然使用同一个PPP协议通信。如果PPP链路运行的是IP协议，那么对链路的每一端配置IP协议模块时使用到NCP中支持IP的协议-IP控制协议IPCP（IP control protocol）;
网络层配置好后进入链路打开（link open）状态,链路的两个PPP端点可以向彼此发送分组了。还可以互相发送回送请求(echo-request)分组和回送回答分组(echo-reply),用来检查链路状态。
数据链路层与局域网技术
数据链路层使用广播信道，即所有计算机都可以检测到发送的数据。
局域网按拓扑结构分类：
- 星形网
- 环形网
- 总线网：各主机直接相连在一条总线上，总线两端的匹配电阻吸收总线上传播的电磁波信号的能量，避免产生有害的电磁波辐射。
共享信道技术
静态划分信道：之前提到过的频分复用，时分复用，波分复用，码分复用等。
动态媒体接入控制：又叫做多点接入（multiple access），信道并不是在用户通信时固定分配给用户，而是不固定的，分为下列两类：
- 随机接入：所有用户可以随机发送信息；但当发生同一时刻不止一个用户发送消息时，就会发生碰撞。
- 受控接入：用户不能随机发送信息，必须受到一定的控制，比如在令牌环局域网中使用轮询的方式，即每间隔一段时间用户才有机会发送消息。
适配器的介绍
适配器的作用：又叫网络接口卡NIC（Network interface card），简称网卡，实现了物理层和网络层这两层的功能。
适配器和计算机之间通信是并行方式进行，适配器和局域网之间通信是串行方式进行。因此适配器最重要的一项功能是数据串行传输和并行传输的转换。
并且由于适配器两端通信链路介质不同，数据传输速率不同，因此网卡要有一个缓存，以临时存放等待发送的数据。
每个适配器工作是双向的，既可以发送消息又可以接收消息。每个适配器都有自己特定的地址，且该地址存放在适配器的RPM存储器中，适配器也有RAM存储器，只有当数据帧的目的地址与适配器ROM的硬件地址一致时，适配器才接收这个帧，否则丢弃。
CSMA/CD协议
CSMA/CD协议即载波监听多点接入碰撞检测（csrrier sense multiple access with collision detection）就是为了解决前面提到的碰撞问题而产生的。
- 多点接入：总线型网络，计算机以多点接入的方式相连。
- 载波监听：每个站在发送数据前或者在发送数据中，都要不停的检测信道，看是否有其它数据正在发送。发送之前检测是为了避免冲突。发送中检测是为了碰撞检测。检测到有其他数据正在发送时，就中断本站数据发送。
- 碰撞检测，也叫冲突检测，实际上在检测信道上的信号电压变化情况。当两个及以上站发送数据，总线上信号电压变化幅度会很大。
既然一开始都是检测到信道空闲再发送，为啥还会有碰撞产生，因为发送过程中存在时延。电磁波再1KM电缆上传播时延大约是5us,因此假设a和b相距1KM,a一端发送到的数据要经过5us才能传到b.假设a向b发送帧后，在该帧到达b之前，b又发送自己的帧（因为发送时b的载波监听检测不到a发送的帧），则之后某个时刻必然发生碰撞。
发送帧以后最多经过2倍的端到端时延就可以得知是否发生碰撞。
该协议用于半双工通信（双向交替通信，即某时刻只能有一个发送或接收方占用）就是极限情况，假设a发出的信号几乎快碰到b瞬间，b此时恰好发出来信号，那么b很快检测到碰撞，停止发送后续信号，而a检测到碰撞需要等到b发出的信号几乎接近a时才行。当a送到b的信号与a发送信号时刻间隔接近0，则认为a发出信号后经过端到端往返时延才能检测到碰撞。
将端到端往返时延定义为争用期（contention period）,又叫做碰撞窗口期（collision window）,一个站发送完数据后，只有在争用期没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会再有碰撞。
对于碰撞发生之后，该过多久重传呢？
采用截断二进制指数退避（truncated binary exponential backof）算法确认。即停止发送数据后，不是等信道后再立即重传，而是退避一个随机时间。
基本退避时间为争用期2a;