點對點通信協(xié)議PPPoE模塊的設(shè)計

　　目前，實現(xiàn)PPPoE協(xié)議的軟件有多種，且多數(shù)都是應(yīng)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(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)。而本考到嵌入式系統(tǒng)的特點，直接在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層實現(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

　　PPPoE協(xié)議共包括兩個階段，即PPPoE的媽現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)的封裝上還是有區(qū)別的。PPPoE并不需要PPP協(xié)議中的起始位標志、地址位、控制位和結(jié)束標志，也不需要PPP協(xié)議中規(guī)定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯和CRC校驗，但要在PPP的數(shù)據(jù)報文前封裝PPPoE的報文頭。無論是哪一個階段的數(shù)據(jù)報文最終會被封裝成以太網(wǎng)幀傳送。

　　如果主機要開始一個PPPoE會話，它首先會在網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)上存在多個訪問集中器時，主機根據(jù)訪問集中器所能提供的服務(wù)或用戶預(yù)先配置的信息進行相應(yīng)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(shù)據(jù)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(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)報文。PPPoE的兩大階段，也正是通過以太網(wǎng)的類型域進行區(qū)分的。這個域的值，在發(fā)現(xiàn)階段為0x8863，而在會話階段為0x8864。

　　PPPoE幀的載荷字承載PPPoE數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)，在發(fā)現(xiàn)階段承載零個或多個TAG結(jié)構(gòu)，在會話階段承載PPP協(xié)議數(shù)據(jù)。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(jié)束標志，也不需要PPP協(xié)議中規(guī)定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯和CRC校驗。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)階段和會話(Session)階段。發(fā)現(xiàn)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(xiàn)階段

　　一個典型的發(fā)現(xiàn)階段分為四個步驟，當整個發(fā)現(xiàn)階段結(jié)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(shù)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(jié)構(gòu)中，編碼域的值為0x09，會話ID域的值設(shè)為0x0000。在這個步驟中，以太網(wǎng)目的地址為廣播并且在包中必須包含一個確切的服務(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。

　　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(yīng)幀。主機在可能收到的多個PADO幀中根據(jù)訪問集中器的名稱標簽或能提供的服務(wù)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(xiàn)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(wù)名稱類型標簽，確定向接入服務(wù)請求的服務(wù)種類。