點對點通信協(xié)議PPPoE模塊的設計

目前，實現PPPoE協(xié)議的軟件有多種，且多數都是應用于PC機。該類軟件的作用主要是操作系統(tǒng)的撥號(PPP)協(xié)議與以太網協(xié)議建立連接，通過PPPoE協(xié)議與ISP連接，獲得Internet連接服務。而本考到嵌入式系統(tǒng)的特點，直接在網絡協(xié)議數據鏈路層實現PPPoE協(xié)議。這樣做省去了鏈路層的PPP包到PPPoE包的轉換，提高了效率，并且具有良好的可移植性。
1 PPPoE協(xié)議框架
    PPPoE協(xié)議共包括兩個階段，即PPPoE的媽現階段(PPPoE Discovery Stage)和PPPoE的會話階段(PPPoE Session Stage)。本文著重介紹PPPoE發(fā)現階段。對于PPPoE會話階段，可以看成與PPP的會話過程基本一樣，當然兩者在數據的封裝上還是有區(qū)別的。PPPoE并不需要PPP協(xié)議中的起始位標志、地址位、控制位和結束標志，也不需要PPP協(xié)議中規(guī)定的數據轉譯和CRC校驗，但要在PPP的數據報文前封裝PPPoE的報文頭。無論是哪一個階段的數據報文最終會被封裝成以太網幀傳送。
    如果主機要開始一個PPPoE會話，它首先會在網絡上發(fā)送一個廣播，通過廣播尋找一個訪問集中器AC(Access Concentration)。當網絡上存在多個訪問集中器時，主機根據訪問集中器所能提供的服務或用戶預先配置的信息進行相應的選擇。訪問集中器選定后，主機開始與所選擇的訪問集中器建立一個PPPoE會話進程。在這一過程中，訪問集中器會為每一個PPPoE會話分配一個惟一的進程ID，會話建立后就開始了PPPoE的會話階段。在這個階段，已建立好點對點(邏輯點對點)連接的雙方采用PPP協(xié)議交換數據報文，從而完成一系列PPP的過程，最終將在這個點對點的邏輯通道上進行網絡層數據包的傳送。
    PPPoE可以理解為在以太網上跑PPP數據，因此，其幀格式與以太幀格式一致，如圖1所示。通過類型域字段的內容，數據包的接收方可以識別以太網的數據域中承載的是什么協(xié)議的數據報文。PPPoE的兩大階段，也正是通過以太網的類型域進行區(qū)分的。這個域的值，在發(fā)現階段為0x8863，而在會話階段為0x8864。
 
    PPPoE幀的載荷字承載PPPoE數據報文，報文格式如圖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，標志類型信息，值為0x1。
3)編碼字段(code)，單個字節(jié)，在不同階段具有不同取值，本文稍候詳細分析。
4)會話ID字段(session id)由兩個字節(jié)組成，在發(fā)現階段，取值為0x0000，在后續(xù)的整個PPPoE會話過程中取值為發(fā)現階段所獲得的由AC分配的惟一值。
5)長度字段(length)由兩個字節(jié)組成，指示payload字段的長度，取值可以是0～1500。
6)凈載荷字荷(payload)，該字段存放PPPoE協(xié)議幀所承載的數據，在發(fā)現階段承載零個或多個TAG結構，在會話階段承載PPP協(xié)議數據。但不是簡單的PPP封裝，因為并不需要PPP協(xié)議中的起始位標志、地址位、控制位和結束標志，也不需要PPP協(xié)議中規(guī)定的數據轉譯和CRC校驗。TAG結構如圖3所示。
 
 
2 PPPoE協(xié)議分析
    PPPoE協(xié)議分為發(fā)現(Discovery)階段和會話(Session)階段。發(fā)現階段是一個無狀態(tài)的階段，該階段主要選擇訪問集中器，確定所要建立的PPP會話標識符Session ID，同時獲得對方點到點的連接信息;PPP會話階段執(zhí)行標準的PPP過程。
1)發(fā)現階段
    一個典型的發(fā)現階段分為四個步驟，當整個發(fā)現階段結束后，通信雙方分別獲取對方的MAC地址，并且共用一個Session ID，這兩個參數共同確定一個PPPoE會話。
    第一步，發(fā)送PADI(PPPoE Active Discovery Initiation)幀。在PPPoE的以太幀結構中，編碼域的值為0x09，會話ID域的值設為0x0000。在這個步驟中，以太網目的地址為廣播并且在包中必須包含一個確切的服務名。
    第二步，接收PADO(PPPoE Active Discovery Offer)幀。這一過程就是當ISP的PPPoE訪問集中器收到PADI幀后，若能夠滿足PADI提出的服務請求，可以發(fā)送PADO幀回應。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PADO幀的服務器地址。編碼域的值為0x07，會話ID域的值也設為0x0000。PADO幀還要包括PADI幀所提出的服務項。
    第三步，發(fā)送PADR(PPPoE Active Discovery Request)幀。由于PADI包是廣播式的，故主機可能收到多個PADO響應幀。主機在可能收到的多個PADO幀中根據訪問集中器的名稱標簽或能提供的服務標簽選擇一個合適的訪問集中器，然后向所選擇的訪問集中器發(fā)送PPPoE有效發(fā)現請求(PADR)幀。其編碼域為0x19,Session ID域仍為0x0000,PADR幀必須包含一個服務名稱類型標簽，確定向接入服務請求的服務種類。
    第四步，接收PADS(PPPoE Active Discovery Sessionconfirmation)幀。訪問集中器收到PADR幀后開始PPP會話，它發(fā)送一個PPPoE有效發(fā)現會話確認(PADS)幀。其編碼域為0x65，會話ID域此時為接入服務器所產生的惟一PPPoE會話標識號碼。PADS幀也必須包含一個訪問集中器名稱類型的標簽，確認向主機提供的服務。當主機收到PADS幀確認后，雙方進入PPP會話階段。若訪問集中器不能提供PADR中的服務名稱標簽所定義的服務，它必須回復PADS幀，此幀必須包含標簽類型Sevice-Name-Error的標簽，此時SESSION_ID必須為0x0000。
    在完成上述步驟后，雙方進入會話階段。會話建立后，會話雙方任何一方都可以通過發(fā)送PADT(PPPoE active discover terminate)幀終止會話。PADT幀中的編碼字段值為0xA7,SEEION_ID字幀為在發(fā)現階段結束之后得到的會話ID值，以太幀類型字段還是0x8863。發(fā)送PADT后則該次PPPoE過程結束。
2)會話階段
    當PPPoE會話開始后，PPP數據就像普通的PPP數據被傳送，這時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)現階段建立的SESSION_ID，且在會話過程中不能改變。PPPoE凈載荷是PPP幀，會話過程實際上也就是實現PPP協(xié)議的過程，PPP分為三個階段。首先通過LCP完成相關鏈路控制協(xié)商過程，主要是建立、配置、測試數據鏈路，根據雙方的需求，進行鏈路的協(xié)商和配置。PAP密碼認證后，通過NCP，針對不同的網絡層協(xié)議的網絡控制階段。最后就是IP數據的傳輸階段。
3 PPPoE模塊軟件設計
    應用于嵌入式系統(tǒng)的PPPoE軟件模塊主要通過系統(tǒng)中的以太網絡驅動在鏈路層與訪問集中器建立一個邏輯上點對點的通信鏈路，為上層TCP/IP協(xié)議棧服務。發(fā)送數據時，將上層IP分組封裝成PPPoE協(xié)議幀發(fā)送出去。在接收數據時，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計的核心部分。
    PPPoE發(fā)現階段流程如圖5所示。發(fā)現階段分為四個過程完成：發(fā)送PADI、接收PADO、發(fā)送PADR和接收PADS。在發(fā)送PADI和PADR時要分別定時和計數，在有限的時間內沒有收到響應，就應重新發(fā)送;如果在重復發(fā)送若干次之后還沒有相應，說明此時網絡故障或者網絡上沒有能夠響應請示的服務器。
 
    PPPoE會話階段是一個標準的PPP協(xié)商過程。整個協(xié)商過程為三部分：LCP Negotiation、PAP Negotiation、IPCP Negotiation。 LCP階段主要通過交換數據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提供商可能會不同，所接收到的LCP_REQ中包含的選項也可能不同，但其中必然包括OPTION3，表示鏈路所用的認證協(xié)議(Authentication Protocol)。實踐中根據與ISP的PPPoE過程的數據包分析，多數ISP采用PAP(Password Authentication Protocol)認證協(xié)議。也有的ISP采用CHAP(Challenge Handshake Authentication Protocol)認證協(xié)議，雙方可以通過協(xié)商采用合適的認證協(xié)議，本文采用PAP。
    PAP協(xié)商過程比較簡單，發(fā)送PAP請求數據包，其中包括幀號和密碼，ISP返回確認數據包，PAP協(xié)商過程結束。
    IPCP階段的目的是獲取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OPTION3進行。PPPoE模塊首先接收服務器端一個IPCP_REQ，這個IPCP_REQ包括OPTION3(其IP地址值通常無效);接著PPPoE模塊發(fā)送一個IPCP_ACK,ISP方會響應一個帶有有效地址的IPCP_NAK;然后PPPoE模塊就以這個地址再發(fā)一個IPCP_REQ，ISP服務器回應IPCP_ACK，IPCP結束。此時PPPoE模塊得到限服務器分配的有效I守址，隨后就可以在PPPoE協(xié)議之上傳送IP數據包。需要注意的是，在PPP協(xié)商過程結束后，服務器為了檢驗接入方鏈路的活動狀態(tài)，會定期發(fā)出LCP EchoRequest請求，此時PPPoE模塊需要發(fā)送LCP Echo-ACK作為應答。
 
    嵌入式系統(tǒng)程序設計的特點是面向特定應用，由于資源有限，軟件必須去除冗余。本PPPoE模塊應用在以太電話中，在程序模塊設計中針對性地實現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)現階段網絡上有多個AC的情況，還省略了在會話階段對于LCP OPTION3(認證協(xié)議)以外選項的協(xié)商和IPCP PTION3(IP地址)以外的選項的協(xié)商等情況。它些情況，PPPoE模塊需要更多的代碼來處理，而對于以太話機這種特定的應用，有些選項是不必要的。另外，在軟件結構設計中，采用“超循環(huán)”結構來解決無操作系統(tǒng)問題，可以很好地實現以太話機中的任務調度功能。在代碼編寫上，采用C和匯編相結合的方法提高程序效率，同時采用流水操作、Inline、全局變量和共享內存等技術實現代碼長度和數據空間的優(yōu)化。測試表明，實現PPPoE軟件所需的代碼空間和數據空間都比PC機環(huán)境下PPPoE軟件代碼要小得多。
    PPPoE協(xié)議是當今ADSL寬帶接入Internet的主要技術之一，而嵌入式技術是如今IT技術發(fā)展的熱點，廣泛應用于信息家電和各種媒體通信終端設備。本文在對PPPoE協(xié)議深入分析的基礎上，結合嵌入式系統(tǒng)的特點，提出了PPPoE在嵌入式系統(tǒng)上的具體實現方法，通過運用這些優(yōu)化方法，使軟件代碼空間和數據空間大大減少。目前該軟件模塊已成功應用在筆者自己開發(fā)的以太話機中。實際運行表明，軟件運行穩(wěn)定、互通性好，所實現的PPPoE協(xié)議軟件具有良好的應用價值。

STM32/STM8

意法半導體/ST/STM