Funcionamiento de Protocolo Punto a Punto (PPP)

Se describe los beneficios de usar PPP a través de HDLC en una WAN. También se explica la arquitectura en capas de PPP, las funciones de LCP y NCP; y la forma en que se establece una sesión PPP.

Recuerde que HDLC es el método de encapsulación serial predeterminado al conectar dos routers Cisco. Con un campo agregado de tipo de protocolo, la versión de HDLC de Cisco es exclusiva. Por eso, HDLC de Cisco solo puede funcionar con otros dispositivos de Cisco. Sin embargo, cuando existe la necesidad de conectarse a un router que no es de Cisco, se debe usar la encapsulación PPP, como se muestra en la ilustración.

1. ¿Qué es PPP?

La encapsulación PPP (Protocolo Punto a Punto) se diseñó cuidadosamente para conservar la compatibilidad con el hardware más usado que la admite.

PPP encapsula tramas de datos para transmitirlas a través de enlaces físicos de capa 2. PPP establece una conexión directa mediante cables seriales, líneas telefónicas, líneas troncales, teléfonos celulares, enlaces de radio especializados o enlaces de fibra óptica.

El Protocolo Punto a Punto contiene tres componentes principales:

• Entramado del estilo de HDLC para transportar paquetes multiprotocolo a través de enlaces punto a punto.
• Protocolo de control de enlace (LCP) extensible para establecer, configurar y probar la conexión de enlace de datos.
• Familia de protocolos de control de red (NCP) para establecer y configurar distintos protocolos de capa de red. PPP permite el uso simultáneo de varios protocolos de capa de red.

Algunos de los NCP más comunes son el protocolo de control del protocolo de Internet (IPv4), el protocolo de control de IPv6, el protocolo de control AppleTalk, Novell IPX, el protocolo de control de Cisco Systems, el protocolo de control SNA y el protocolo de control de compresión.

2. Ventajas de PPP

PPP surgió originalmente como protocolo de encapsulación para transportar tráfico IPv4 a través de enlaces punto a punto. PPP proporciona un método estándar para transportar paquetes multiprotocolo a través de enlaces punto a punto.

El uso de PPP presenta muchas ventajas, incluido el hecho de que no es exclusivo. PPP incluye muchas funciones que no están disponibles en HDLC:

• La característica de administración de calidad del enlace, la cual se muestra en la ilustración, controla la calidad del enlace. Si se detectan demasiados errores, PPP desactiva el enlace.
• PPP admite la autenticación PAP y CHAP. Esta característica se explica y se práctica más adelante en otra sección.

3. Arquitectura de capas PPP

Una arquitectura en capas es un modelo, un diseño, o un plano lógico que ayuda en la comunicación de las capas que se interconectan.

En la ilustración, se compara la arquitectura en capas de PPP con el modelo de interconexión de sistema abierto (OSI).

PPP y OSI comparten la misma capa física, pero PPP distribuye las funciones de LCP y NCP de manera diferente.

En la capa física, puede configurar PPP en un rango de interfaces, incluidas las siguientes:

• Serial asíncrona
• Serial síncrona
• HSSI
• ISDN

PPP opera a través de cualquier interfaz DTE/DCE (RS-232-C, RS-422, RS-423 o V.35). El único requisito absoluto impuesto por PPP es un circuito full-duplex, ya sea dedicado o conmutado, que pueda funcionar en modo de bits seriales síncrono o asíncrono, transparente para las tramas de capa de enlace PPP.

PPP no impone ninguna restricción con respecto a la velocidad de transmisión además de los impuestos por la interfaz DTE/DCE específica que se utiliza.

La mayor parte del trabajo que realiza PPP lo llevan a cabo LCP y los NCP en las capas de enlace de datos y de red. LCP configura la conexión PPP y sus parámetros, los NCP manejan las configuraciones de protocolo de capa superior, y LCP finaliza la conexión PPP.

3.1. PPP: protocolo de control de enlace (LCP)

LCP funciona dentro de la capa de enlace de datos y cumple una función en el establecimiento, la configuración y la prueba de la conexión de enlace de datos. Además, establece el enlace punto a punto.

LCP también negocia y configura las opciones de control en el enlace de datos WAN, administradas por los NCP.

LCP proporciona la configuración automática de las interfaces en cada extremo, incluido lo siguiente:

• Manejo de distintos límites en el tamaño de paquete
• Detección de errores comunes de configuración
• Finalización del enlace
• Determinación de cuándo un enlace funciona correctamente o cuándo falla

Una vez establecido el enlace, PPP también usa LCP para acordar automáticamente los formatos de encapsulación, como la autenticación, la compresión y la detección de errores.

3.2. PPP: protocolo de control de red (NCP)

PPP permite que varios protocolos de capa de red funcionen en el mismo enlace de comunicación. Para cada protocolo de capa de red que se usa, PPP utiliza un NCP separado. Por ejemplo, IPv4 utiliza el protocolo de control de IP (IPCP) e IPv6 utiliza el protocolo de control de IPv6 (IPv6CP).

Los protocolos NCP incluyen campos funcionales que contienen códigos estandarizados para indicar el protocolo de capa de red que PPP encapsula.

En la Imagen 3, se indican los números de los campos de protocolo PPP. Cada NCP administra las necesidades específicas requeridas por sus respectivos protocolos de capa de red. Los distintos componentes NCP encapsulan y negocian las opciones para varios protocolos de capa de red.

4. Estructura de la trama PPP

Las tramas PPP constan de seis campos.

Las siguientes descripciones resumen los campos de las tramas PPP, que se muestran en la ilustración:

• Indicador: un único byte que indica el inicio y el final de una trama. El campo Señalización está formado por la secuencia binaria 01111110. En tramas PPP sucesivas sólo se usa un caracter de señalador único.
• Dirección: un único byte que contiene la secuencia binaria 11111111, la dirección de difusión estándar. PPP no asigna direcciones a estaciones individuales.
• Control: un único byte formado por la secuencia binaria 00000011, que requiere la transmisión de datos de usuario en una trama no secuencial.
• Protocolo: dos bytes que identifican el protocolo encapsulado en el campo de información de la trama. El campo Protocolo de 2 bytes identifica al protocolo del contenido PPP.
• Datos: cero o más bytes que contienen el datagrama para el protocolo especificado en el campo Protocolo. Para encontrar el fin del campo de información, se debe buscar la secuencia del indicador de finalización y dejar 2 bytes para el campo FCS.
• Secuencia de verificación de trama (FCS): normalmente de 16 bits (2 bytes). Mediante un acuerdo previo, con la aceptación de las implementaciones PPP se puede utilizar una FCS de 32 bits (4 bytes) para una mayor detección de errores.

Los protocolos LCP pueden negociar modificaciones a la estructura de la trama PPP estándar. No obstante, las tramas modificadas siempre se distinguen de las tramas estándar.

5. Sesiones para PPP

Hay tres fases de establecimiento de una sesión PPP, como se muestra en la ilustración:

• Fase 1, establecimiento del enlace y negociación de la configuración: antes de que PPP intercambie cualquier datagrama de capa de red (como IP) LCP primero debe abrir la conexión y negociar las opciones de configuración. Esta fase se completa cuando el router receptor envía una trama de acuse de recibo de configuración de vuelta al router que inicia la conexión.
• Fase 2, determinación de la calidad del enlace (optativa): LCP prueba el enlace para determinar si la calidad de este es suficiente para activar protocolos de capa de red. LCP puede retrasar la transmisión de la información del protocolo de capa de red hasta que se complete esta fase.
• Fase 3, negociación de la configuración del protocolo de capa de red: una vez que LCP terminó la fase de determinación de la calidad del enlace, el protocolo NCP correspondiente puede configurar por separado los protocolos de capa de red, activarlos y desactivarlos en cualquier momento. Si LCP cierra el enlace, informa a los protocolos de capa de red para que puedan tomar las medidas adecuadas.

El enlace permanece configurado para las comunicaciones hasta que las tramas LCP o NCP explícitas cierren el enlace, o hasta que ocurra algún evento externo, por ejemplo, que caduque un temporizador de inactividad o que intervenga un administrador.

LCP puede finalizar el enlace en cualquier momento. Por lo general, esto se realiza cuando uno de los routers solicita la finalización, pero puede suceder debido a un evento físico, como la pérdida de una portadora o el vencimiento de un temporizador de período inactivo.

6. Funcionamiento de LCP

El funcionamiento de LCP incluye las disposiciones para el establecimiento, el mantenimiento y la finalización de enlaces. El funcionamiento de LCP utiliza tres clases de tramas LCP para lograr el trabajo de cada una de las fases de LCP:

• Las tramas de establecimiento de enlace establecen y configuran un enlace (solicitud de configuración, acuse de recibo de configuración, acuse de recibo negativo [NAK] de configuración y rechazo de configuración).
• Las tramas de mantenimiento de enlace administran y depuran un enlace (rechazo de código, rechazo de protocolo, solicitud de eco, respuesta de eco y solicitud de descarte).
• Las tramas de terminación de enlace terminan un enlace (solicitud de terminación y acuse de recibo de terminación).

6.1. Establecimiento del enlace

El establecimiento del enlace es la primera fase de una operación LCP. Esta fase se debe completar correctamente antes de que se intercambie cualquier paquete de capa de red. Durante el establecimiento del enlace, LCP abre una conexión y negocia los parámetros de configuración.

El proceso de establecimiento del enlace comienza cuando el dispositivo de inicio envía una trama de solicitud de configuración al respondedor. La trama de solicitud de configuración incluye una cantidad variable de opciones de configuración necesarias para configurar en el enlace.

El iniciador incluye las opciones para la forma en que desea que se cree el enlace, incluidos los parámetros de protocolo o de autenticación. El respondedor procesa la solicitud:

• Si las opciones no son aceptables o no se reconocen, el respondedor envía un mensaje de NAK de configuración o de rechazo de configuración. Si esto sucede y la negociación falla, el iniciador debe reiniciar el proceso con nuevas opciones.
• Si las opciones son aceptables, el respondedor responde con un mensaje de acuse de recibo de configuración, y el proceso pasa a la fase de autenticación. La operación del enlace se entrega a NCP.

Una vez que NCP completó todas las configuraciones necesarias, incluida la validación de la autenticación si se configuró, la línea está disponible para la transferencia de datos. Durante el intercambio de datos, LCP pasa al mantenimiento del enlace.

6.2. Mantenimiento del enlace

Durante el mantenimiento del enlace, LCP puede utilizar mensajes para proporcionar comentarios y probar el enlace.

• Solicitud de eco, respuesta de eco y solicitud de descarte: estas tramas se pueden utilizar para probar el enlace.
• Rechazo de código y rechazo de protocolo: estos tipos de tramas proporcionan comentarios cuando un dispositivo recibe una trama no válida debido a un código LCP desconocido (tipo de trama LCP) o a un identificador de protocolo defectuoso. Por ejemplo, si se recibe un paquete interpretable del peer, se envía un paquete rechazo de código en respuesta. El dispositivo emisor vuelve a enviar el paquete.

6.3. Terminación del enlace

Una vez finalizada la transferencia de datos en la capa de red, LCP termina el enlace. NCP solo termina el enlace NCP y de capa de red. El enlace permanece abierto hasta que LCP lo termina. Si LCP termina el enlace antes que NCP, también se termina la sesión NCP.

PPP puede terminar el enlace en cualquier momento. Esto podría suceder debido a la pérdida de la portadora, a un error de autenticación, a una falla de la calidad del enlace, al vencimiento de un temporizador de período inactivo o al cierre administrativo del enlace.

LCP cierra el enlace mediante el intercambio de paquetes de terminación. El dispositivo que inicia la desactivación envía un mensaje de solicitud de terminación. El otro dispositivo responde con un mensaje de acuse de recibo de terminación.

Una solicitud de terminación indica que el dispositivo que la envía necesita cerrar el enlace. Cuando se cierra el enlace, PPP informa a los protocolos de capa de red para que puedan tomar las medidas adecuadas.

6.4. Paquete LCP

En la Imagen 7, se muestran los campos en un paquete LCP:

• Código: el campo Código tiene una longitud de 1 byte e identifica el tipo de paquete LCP.
• Identificador: el campo Identificador tiene una longitud de 1 byte y se usa para establecer coincidencias entre solicitudes y respuestas de paquetes.
• Longitud: el campo Longitud tiene una longitud de 2 bytes e indica la longitud total (incluidos todos los campos) del paquete LCP.
• Datos: el campo de datos consta de 0 o más bytes, según lo que indique el campo Longitud. El formato de este campo es determinado por el código.

Cada paquete LCP es un único mensaje LCP que consta de un campo Código que identifica el tipo de paquete LCP, un campo Identificador para establecer coincidencias entre solicitudes y respuestas, y un campo Longitud que indica el tamaño del paquete LCP y los datos específicos del tipo de paquete LCP.

7. Opciones de configuración del PPP

PPP se puede configurar para admitir diversas funciones optativas, como se muestra en la Imagen 8.

Estas funciones optativas incluyen lo siguiente:

• Autenticación mediante PAP o CHAP
• Compresión mediante Stacker o Predictor
• Multienlace que combina dos o más canales para aumentar el ancho de banda WAN

Para negociar el uso de estas opciones de PPP, las tramas de establecimiento de enlace LCP incluyen información de la opción en el campo de datos de la trama LCP, como se muestra en la Imagen 9.

Si no se incluye una opción de configuración en una trama LCP, se supone el valor predeterminado para esa opción de configuración.

Esta fase se completa cuando se envía y se recibe una trama de acuse de recibo de la configuración.

8. Funcionamiento de NCP

Una vez que se inició el enlace, LCP entrega el control al protocolo NCP correspondiente.

Si bien en los inicios se diseñó para los paquetes IP, PPP puede transportar datos de varios protocolos de capa de red mediante un enfoque modular en su implementación.

El modelo modular de PPP permite que LCP configure el enlace y transfiera los detalles de un protocolo de red a un protocolo NCP específico. Cada protocolo de red tiene un NCP correspondiente, y cada NCP tiene un RFC correspondiente.

Una vez que LCP configuró y autenticó el enlace básico, se invoca el protocolo NCP correspondiente para completar la configuración específica del protocolo de capa de red que se usa. Cuando NCP configuró correctamente el protocolo de capa de red, este se encuentra en estado abierto en el enlace LCP establecido. En este momento, PPP puede transportar los paquetes correspondientes del protocolo de capa de red.

8.1. Ejemplo de IPCP

Como ejemplo de cómo funciona la capa NCP, en la Imagen 10 se muestra la configuración NCP de IPv4, que es el protocolo de capa 3 más común.

Una vez que LCP estableció el enlace, los routers intercambian mensajes IPCP para negociar opciones específicas del protocolo IPv4. IPCP es responsable de la configuración, la habilitación y la deshabilitación de los módulos IPv4 en ambos extremos del enlace. IPV6CP es un protocolo NCP con las mismas responsabilidades para IPv6.

IPCP negocia dos opciones:

• Compresión: permite que los dispositivos negocien un algoritmo para comprimir encabezados TCP e IP, y ahorrar ancho de banda. La compresión de encabezados TCP/IP de Van Jacobson reduce los encabezados TCP/IP a un tamaño de hasta 3 bytes.

Esto puede ser una mejora considerable en las líneas seriales lentas, en particular para el tráfico interactivo.

• Dirección IPv4: permite que el dispositivo de inicio especifique una dirección IPv4 para utilizar en el routing IP a través del enlace PPP, o para solicitar una dirección IPv4 para el respondedor. Antes de la llegada de las tecnologías de banda ancha como los servicios de DSL y de cable módem, los enlaces de red de dial-up normalmente usaban la opción de dirección IPv4.

Una vez que se completa el proceso NCP, el enlace pasa al estado abierto, y LCP vuelve a tomar el control en la fase de mantenimiento del enlace. El tráfico del enlace consta de cualquier combinación posible de paquetes LCP, NCP y de protocolo de capa de red. Cuando se completa la transferencia de datos, NCP termina el enlace del protocolo; LCP finaliza la conexión PPP.