嵌入式PPPoE軟件模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于以太網(wǎng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議PPPoE(Point to Point Protocol over Ethenet)是為了滿足越來越多的寬帶上網(wǎng)設(shè)備(如ADSL、無線、有線電視等)和越來越快的網(wǎng)絡(luò)之間的通信而指定開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，它給出了兩個(gè)廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)：以太網(wǎng)和PPP撥號(hào)協(xié)議。不難看出，PPPoE就是將PPP數(shù)據(jù)承載到以太網(wǎng)上，實(shí)質(zhì)是在共享介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)中提供一條邏輯上的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路。對(duì)用戶而言，在DSLAM(DSL匯聚設(shè)備)與ADSL Modem之間的ATM傳輸是透明的，如果將中間的DSLAM和ADSL Modem換成有線電視的接入設(shè)備，就是典型的HFC接入。BAS(寬帶接入服務(wù)器)對(duì)PPPoE包的處理方式不變。而對(duì)于服務(wù)商，在現(xiàn)有局域網(wǎng)基礎(chǔ)上不需要花費(fèi)巨資做大面積改造。

目前，實(shí)現(xiàn)PPPoE協(xié)議的軟件有多種，且多數(shù)都是應(yīng)用于PC機(jī)。該類軟件的作用主要是在操作系統(tǒng)的撥號(hào)(PPP)協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議建立連接，通過PPPoE協(xié)議與ISP連接，獲得Internet連接服務(wù)。而本文考慮到嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，直接在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)PPPoE協(xié)議。這樣做省去了鏈路層的PPP包到PPPoE包的轉(zhuǎn)換，提高了效率，并且具有良好的可移植性。

1 PPPoE協(xié)議框架[1]

PPPoE協(xié)議共包括兩個(gè)階段[1]，即PPPoE的發(fā)現(xiàn)階段(PPPoE Discovery Stage)和PPPoE的會(huì)話階段(PPPoE Session Stage)。本文著重介紹PPPoE發(fā)現(xiàn)階段。對(duì)于PPPoE會(huì)話階段，可以看成與PPP的會(huì)話過程基本一樣，當(dāng)然兩者在數(shù)據(jù)的封裝上還是有區(qū)別的。PPPoE并不需要PPP協(xié)議中的起始位標(biāo)志、地址位、控制位和結(jié)束標(biāo)志，也不需要PPP協(xié)議中規(guī)定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯和CRC校驗(yàn)，但要在PPP的數(shù)據(jù)報(bào)文前封裝PPPoE的報(bào)文頭。無論是哪一個(gè)階段的數(shù)據(jù)報(bào)文最終會(huì)被封裝成以太網(wǎng)幀傳送。

如果主機(jī)要開始一個(gè)PPPoE會(huì)話，它首先會(huì)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送一個(gè)廣播，通過廣播尋找一個(gè)訪問集中器AC(Access Concentration)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上存在多個(gè)訪問集中器時(shí)，主機(jī)根據(jù)訪問集中器所能提供的服務(wù)或用戶預(yù)先配置的信息進(jìn)行相應(yīng)的選擇。訪問集中器選定后，主機(jī)開始與所選擇的訪問集中器建立一個(gè)PPPoE會(huì)話進(jìn)程。在這一過程中，訪問集中器會(huì)為每一個(gè)PPPoE會(huì)話分配一個(gè)惟一的進(jìn)程ID，會(huì)話建立后就開始了PPPoE的會(huì)話階段。在這個(gè)階段，已建立好點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(邏輯點(diǎn)對(duì)點(diǎn))連接的雙方采用PPP協(xié)議交換數(shù)據(jù)報(bào)文，從而完成一系列PPP的過程，最終將在這個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的邏輯通道上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包的傳送。

PPPoE可以理解為在以太網(wǎng)上跑PPP數(shù)據(jù)，因此，其幀格式[1]與以太幀格式一致，如圖1所示。通過類型域字段的內(nèi)容，數(shù)據(jù)包的接收方可以識(shí)別以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)域中承載的是什么協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)文。PPPoE的兩大階段，也正是通過以太網(wǎng)的類型域進(jìn)行區(qū)分的。這個(gè)域的值，在發(fā)現(xiàn)階段為0x8863，而在會(huì)話階段為0x8864。

PPPoE幀的載荷字段承載PPPoE數(shù)據(jù)報(bào)文[1]，報(bào)文格式如圖2所示，其中各字段的含義如下：

(1)版本字段(ver)標(biāo)志著協(xié)議版本信息，為4bits，目前協(xié)議規(guī)定其值為0x1。

(2)類型字段(type)，4bits，標(biāo)志類型信息，值為0x1。

(3)編碼字段(code)，單個(gè)字節(jié)，在不同階段具有不同取值，本文稍候詳細(xì)分析。

　　(4)會(huì)話ID字段(session id)由兩個(gè)字節(jié)組成，在發(fā)現(xiàn)階段，取值為0x0000，在后續(xù)的整個(gè)PPPoE會(huì)話過程中取值為發(fā)現(xiàn)階段所獲得的由AC分配的惟一值。

(5)長(zhǎng)度字段(length)由兩個(gè)字節(jié)組成，指示payload字段的長(zhǎng)度，取值可以是0～1500。

(6)凈載荷字段(payload)，該字段存放PPPoE協(xié)議幀所承載的數(shù)據(jù)，在發(fā)現(xiàn)階段承載零個(gè)或多個(gè)TAG結(jié)構(gòu)[1]，在會(huì)話階段承載PPP協(xié)議數(shù)據(jù)。但不是簡(jiǎn)單的PPP封裝，因?yàn)椴⒉恍枰狿PP協(xié)議中的起始位標(biāo)志、地址位、控制位和結(jié)束標(biāo)志，也不需要PPP協(xié)議中規(guī)定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯和CRC校驗(yàn)。TAG結(jié)構(gòu)如圖3所示。


2 PPPoE協(xié)議分析

PPPoE協(xié)議分為發(fā)現(xiàn)(Discovery)階段和會(huì)話(Session)階段。發(fā)現(xiàn)階段是一個(gè)無狀態(tài)的階段，該階段主要選擇訪問集中器，確定所要建立的PPP會(huì)話標(biāo)識(shí)符Session ID，同時(shí)獲得對(duì)方點(diǎn)到點(diǎn)的連接信息；PPP會(huì)話階段執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的PPP過程。

(1) 發(fā)現(xiàn)階段

一個(gè)典型的發(fā)現(xiàn)階段分為四個(gè)步驟，當(dāng)整個(gè)發(fā)現(xiàn)階段結(jié)束后，通信雙方分別獲得對(duì)方的MAC地址，并且共用一個(gè)Session ID，這兩個(gè)參數(shù)共同確定一個(gè)PPPoE會(huì)話。

第一步，發(fā)送PADI(PPPoE Active Discovery Initiation)幀。在PPPoE的以太幀結(jié)構(gòu)中，編碼域的值為0x09，會(huì)話ID域的值設(shè)為0x0000。在這個(gè)步驟中，以太幀目的地址為廣播并且在包中必須包含一個(gè)確切的服務(wù)名。

第二步,接收PADO(PPPoE Active Discovery Offer) 幀。這一過程就是當(dāng)ISP的PPPoE訪問集中器收到PADI幀后，若能夠滿足PADI提出的服務(wù)請(qǐng)求，可以發(fā)送PADO幀回應(yīng)。PADO幀中的目的地址為發(fā)送PADI幀的客戶端的MAC地址，源地址為響應(yīng)PADO幀的服務(wù)器地址。編碼域的值為0x07，會(huì)話ID域的值也設(shè)為0x0000。PADO幀還要包括PADI幀所提出的服務(wù)項(xiàng)。

第三步，發(fā)送PADR(PPPoE Active Discovery Request) 幀。由于PADI包是廣播式的，故主機(jī)可能收到多個(gè)PADO響應(yīng)幀。主機(jī)在可能收到的多個(gè)PADO幀中根據(jù)訪問集中器的名稱標(biāo)簽或能提供的服務(wù)標(biāo)簽選擇一個(gè)合適的訪問集中器，然后向所選擇的訪問集中器發(fā)送PPPoE有效發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求(PADR) 幀。其編碼域?yàn)?x19，Session ID域仍為0x0000，PADR幀必須包含一個(gè)服務(wù)名稱類型標(biāo)簽，確定向接入服務(wù)器請(qǐng)求的服務(wù)種類。

第四步，接收PADS(PPPoE Active Discovery Session-confirmation ) 幀。訪問集中器收到PADR幀后開始PPP會(huì)話，它發(fā)送一個(gè)PPPoE有效發(fā)現(xiàn)會(huì)話確認(rèn)(PADS) 幀。其編碼域?yàn)?x65，會(huì)話 ID域此時(shí)為接入服務(wù)器所產(chǎn)生的惟一PPPoE會(huì)話標(biāo)識(shí)號(hào)碼。PADS幀也必須包含一個(gè)訪問集中器名稱類型的標(biāo)簽，確認(rèn)向主機(jī)提供的服務(wù)。當(dāng)主機(jī)收到PADS幀確認(rèn)后，雙方進(jìn)入PPP會(huì)話階段。若訪問集中器不能提供PADR中的服務(wù)名稱標(biāo)簽所定義的服務(wù)，它必須回復(fù)PADS幀，此幀必須包含標(biāo)簽類型Sevice-Name-Error的標(biāo)簽，此時(shí)SESSION_ID必須為0x0000。

在完成上述步驟后，雙方進(jìn)入會(huì)話階段。會(huì)話建立后，會(huì)話雙方任何一方都可以通過發(fā)送PADT(PPPoE active discover terminate)幀終止會(huì)話。PADT幀中的編碼字段值為0xA7，SESSION_ID字段為在發(fā)現(xiàn)階段結(jié)束之后得到的會(huì)話ID值，以太幀類型字段還是0x8863。發(fā)送PADT后則該次PPPoE過程結(jié)束。

(2)會(huì)話階段

當(dāng)PPPoE會(huì)話開始后，PPP數(shù)據(jù)就像普通的PPP數(shù)據(jù)被傳送，這時(shí)以太幀的目的地址是單播地址，類型為0x8864，編碼域必須是0x00，SESSION_ID必須是發(fā)現(xiàn)階段建立的SESSION_ID，且在會(huì)話過程中不能改變。PPPoE凈載荷是PPP幀，會(huì)話過程實(shí)際上也就是實(shí)現(xiàn)PPP協(xié)議的過程，PPP分為三個(gè)階段。首先通過LCP完成相關(guān)鏈路控制協(xié)商過程，主要是建立、配置、測(cè)試數(shù)據(jù)鏈路，根據(jù)雙方的需求，進(jìn)行鏈路的協(xié)商和配置。PAP密碼認(rèn)證后，通過NCP，針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)控制階段。最后就是IP數(shù)據(jù)的傳輸階段。

3 PPPoE模塊軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的PPPoE軟件模塊主要通過系統(tǒng)中的以太網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)在鏈路層與訪問集中器建立一個(gè)邏輯上點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信鏈路，為上層TCP/IP協(xié)議棧服務(wù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將上層IP分組封裝成PPPoE協(xié)議幀發(fā)送出去。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，將接收到的PPPoE協(xié)議幀解析后，交由上層模塊處理，如圖4所示。與訪問集中器建立通信鏈路的過程是軟件設(shè)計(jì)的核心部分。

PPPoE發(fā)現(xiàn)階段流程如圖5所示。發(fā)現(xiàn)階段分為四個(gè)過程完成：發(fā)送PADI、接收PADO、發(fā)送PADR和接收PADS。在發(fā)送PADI和PADR時(shí)要分別定時(shí)和計(jì)數(shù)，在有限的時(shí)間內(nèi)沒有收到響應(yīng)，就應(yīng)重新發(fā)送；如果在重復(fù)發(fā)送若干次之后還沒有相應(yīng)，說明此時(shí)網(wǎng)絡(luò)故障或者網(wǎng)絡(luò)上沒有能夠響應(yīng)請(qǐng)求的服務(wù)器。

PPPoE會(huì)話階段是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PPP協(xié)商過程。整個(gè)協(xié)商過程分為三部分：LCP Negotiation、PAP Negotiation、IPCP Negotiation。

LCP階段[2]主要通過交換數(shù)據(jù)包與訪問集中器建立和配置鏈路，LCP流程如圖6所示。由于ISP提供商可能會(huì)不同，所接收到的LCP_REQ中包含的選項(xiàng)也可能不同，但其中必然包括OPTION3，表示鏈路所用的認(rèn)證協(xié)議(Authentication Protocol)。實(shí)踐中根據(jù)與ISP的PPPoE過程的數(shù)據(jù)包分析，多數(shù)ISP采用PAP(Password Authentication Protocol)認(rèn)證協(xié)議。也有的ISP采用CHAP(Challenge Handshake Authentication Protocol)認(rèn)證協(xié)議，雙方可以通過協(xié)商采用合適的認(rèn)證協(xié)議，本文采用PAP。

PAP協(xié)商[3]過程比較簡(jiǎn)單，發(fā)送PAP請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，其中包括賬號(hào)和密碼，ISP返回確認(rèn)數(shù)據(jù)包，PAP協(xié)商過程結(jié)束。

IPCP階段[4]的目的是獲取ISP方提供的IP地址，流程如圖7所示。所以在IPCP階段的協(xié)商主要針對(duì)OPTION3進(jìn)行。PPPoE模塊首先接收服務(wù)器端一個(gè)IPCP_REQ，這個(gè)IPCP_REQ包括OPTION3(其IP地址值通常無效)；接著PPPoE模塊發(fā)送一個(gè)IPCP_ACK，ISP方會(huì)響應(yīng)一個(gè)帶有有效地址的IPCP_NAK；然后PPPoE模塊就以這個(gè)地址再發(fā)一個(gè)IPCP_REQ，ISP服務(wù)器回應(yīng)IPCP_ACK，IPCP結(jié)束。此時(shí)PPPoE模塊得到了服務(wù)器分配的有效IP地址，隨后就可以在PPPoE協(xié)議之上傳送IP數(shù)據(jù)包。需要注意的是，在PPP協(xié)商過程結(jié)束后，服務(wù)器為了檢驗(yàn)接入方鏈路的活動(dòng)狀態(tài)，會(huì)定期發(fā)出LCP Echo-Request請(qǐng)求，此時(shí)PPPoE模塊需要發(fā)送LCP Echo-ACK作為應(yīng)答。

嵌入式系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是面向特定應(yīng)用，由于資源有限，軟件必須去除冗余。本PPPoE模塊應(yīng)用在以太電話中，在程序模塊設(shè)計(jì)中針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)PPPoE協(xié)議的主要功能，盡量使代碼短小精悍，如省略掉了PPPoE發(fā)現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)上有多個(gè)AC的情況，還省略了在會(huì)話階段對(duì)于LCP OPTION3(認(rèn)證協(xié)議)以外選項(xiàng)的協(xié)商和IPCP PTION3(IP地址)以外的選項(xiàng)的協(xié)商等情況。這些情況，PPPoE模塊需要更多的代碼來處理，而對(duì)于以太話機(jī)這種特定的應(yīng)用，有些選項(xiàng)是不必要的。另外，在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用“超循環(huán)”結(jié)構(gòu)來解決無操作系統(tǒng)問題，可以很好地實(shí)現(xiàn)以太話機(jī)中的任務(wù)調(diào)度功能。在代碼編寫上，采用C與匯編相結(jié)合的方法提高程序效率，同時(shí)采用流水操作、Inline、全局變量和共享內(nèi)存等技術(shù)實(shí)現(xiàn)代碼長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)空間的優(yōu)化。測(cè)試表明，實(shí)現(xiàn)PPPoE軟件所需的代碼空間和數(shù)據(jù)空間都比PC機(jī)環(huán)境下PPPoE軟件代碼要小得多。

PPPoE協(xié)議是當(dāng)今ADSL寬帶接入Internet的主要技術(shù)之一，而嵌入式技術(shù)是如今IT技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于信息家電和各種媒體通信終端設(shè)備。本文在對(duì)PPPoE協(xié)議深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了PPPoE在嵌入式系統(tǒng)上的具體實(shí)現(xiàn)方法，通過運(yùn)用這些優(yōu)化方法，使軟件代碼空間和數(shù)據(jù)空間大大減少。目前該軟件模塊已成功應(yīng)用在筆者自己開發(fā)的以太話機(jī)中。實(shí)際運(yùn)行表明，軟件運(yùn)行穩(wěn)定、互通性好，所實(shí)現(xiàn)的PPPoE協(xié)議軟件具有良好的應(yīng)用價(jià)值。