点对点通信协议PPPoE模块的设计

目前，实现PPPoE协议的软件有多种，且多数都是应用于PC机。该类软件的作用主要是操作系统的拨号(PPP)协议与以太网协议建立连接，通过PPPoE协议与ISP连接，获得Internet连接服务。而本考到嵌入式系统的特点，直接在网络协议数据链路层实现PPPoE协议。这样做省去了链路层的PPP包到PPPoE包的转换，提高了效率，并且具有良好的可移植性。
1 PPPoE协议框架
    PPPoE协议共包括两个阶段，即PPPoE的妈现阶段(PPPoE Discovery Stage)和PPPoE的会话阶段(PPPoE Session Stage)。本文着重介绍PPPoE发现阶段。对于PPPoE会话阶段，可以看成与PPP的会话过程基本一样，当然两者在数据的封装上还是有区别的。PPPoE并不需要PPP协议中的起始位标志、地址位、控制位和结束标志，也不需要PPP协议中规定的数据转译和CRC校验，但要在PPP的数据报文前封装PPPoE的报文头。无论是哪一个阶段的数据报文最终会被封装成以太网帧传送。
    如果主机要开始一个PPPoE会话，它首先会在网络上发送一个广播，通过广播寻找一个访问集中器AC(Access Concentration)。当网络上存在多个访问集中器时，主机根据访问集中器所能提供的服务或用户预先配置的信息进行相应的选择。访问集中器选定后，主机开始与所选择的访问集中器建立一个PPPoE会话进程。在这一过程中，访问集中器会为每一个PPPoE会话分配一个惟一的进程ID，会话建立后就开始了PPPoE的会话阶段。在这个阶段，已建立好点对点(逻辑点对点)连接的双方采用PPP协议交换数据报文，从而完成一系列PPP的过程，最终将在这个点对点的逻辑通道上进行网络层数据包的传送。
    PPPoE可以理解为在以太网上跑PPP数据，因此，其帧格式与以太帧格式一致，如图1所示。通过类型域字段的内容，数据包的接收方可以识别以太网的数据域中承载的是什么协议的数据报文。PPPoE的两大阶段，也正是通过以太网的类型域进行区分的。这个域的值，在发现阶段为0x8863，而在会话阶段为0x8864。
 
    PPPoE帧的载荷字承载PPPoE数据报文，报文格式如图2所示，其中各字段的含义如下：
1)版本字段(ver)标志着协议版本信息，为4bits，目前协议规定其值为0x1。
2)类型字段(type),4bits，标志类型信息，值为0x1。
3)编码字段(code)，单个字节，在不同阶段具有不同取值，本文稍候详细分析。
4)会话ID字段(session id)由两个字节组成，在发现阶段，取值为0x0000，在后续的整个PPPoE会话过程中取值为发现阶段所获得的由AC分配的惟一值。
5)长度字段(length)由两个字节组成，指示payload字段的长度，取值可以是0～1500。
6)净载荷字荷(payload)，该字段存放PPPoE协议帧所承载的数据，在发现阶段承载零个或多个TAG结构，在会话阶段承载PPP协议数据。但不是简单的PPP封装，因为并不需要PPP协议中的起始位标志、地址位、控制位和结束标志，也不需要PPP协议中规定的数据转译和CRC校验。TAG结构如图3所示。
 
 
2 PPPoE协议分析
    PPPoE协议分为发现(Discovery)阶段和会话(Session)阶段。发现阶段是一个无状态的阶段，该阶段主要选择访问集中器，确定所要建立的PPP会话标识符Session ID，同时获得对方点到点的连接信息;PPP会话阶段执行标准的PPP过程。
1)发现阶段
    一个典型的发现阶段分为四个步骤，当整个发现阶段结束后，通信双方分别获取对方的MAC地址，并且共用一个Session ID，这两个参数共同确定一个PPPoE会话。
    第一步，发送PADI(PPPoE Active Discovery Initiation)帧。在PPPoE的以太帧结构中，编码域的值为0x09，会话ID域的值设为0x0000。在这个步骤中，以太网目的地址为广播并且在包中必须包含一个确切的服务名。
    第二步，接收PADO(PPPoE Active Discovery Offer)帧。这一过程就是当ISP的PPPoE访问集中器收到PADI帧后，若能够满足PADI提出的服务请求，可以发送PADO帧回应。PADO帧中的目的地址为发送PADI帧的客户端的MAC地址，源地址为响应PADO帧的服务器地址。编码域的值为0x07，会话ID域的值也设为0x0000。PADO帧还要包括PADI帧所提出的服务项。
    第三步，发送PADR(PPPoE Active Discovery Request)帧。由于PADI包是广播式的，故主机可能收到多个PADO响应帧。主机在可能收到的多个PADO帧中根据访问集中器的名称标签或能提供的服务标签选择一个合适的访问集中器，然后向所选择的访问集中器发送PPPoE有效发现请求(PADR)帧。其编码域为0x19,Session ID域仍为0x0000,PADR帧必须包含一个服务名称类型标签，确定向接入服务请求的服务种类。
    第四步，接收PADS(PPPoE Active Discovery Sessionconfirmation)帧。访问集中器收到PADR帧后开始PPP会话，它发送一个PPPoE有效发现会话确认(PADS)帧。其编码域为0x65，会话ID域此时为接入服务器所产生的惟一PPPoE会话标识号码。PADS帧也必须包含一个访问集中器名称类型的标签，确认向主机提供的服务。当主机收到PADS帧确认后，双方进入PPP会话阶段。若访问集中器不能提供PADR中的服务名称标签所定义的服务，它必须回复PADS帧，此帧必须包含标签类型Sevice-Name-Error的标签，此时SESSION_ID必须为0x0000。
    在完成上述步骤后，双方进入会话阶段。会话建立后，会话双方任何一方都可以通过发送PADT(PPPoE active discover terminate)帧终止会话。PADT帧中的编码字段值为0xA7,SEEION_ID字帧为在发现阶段结束之后得到的会话ID值，以太帧类型字段还是0x8863。发送PADT后则该次PPPoE过程结束。
2)会话阶段
    当PPPoE会话开始后，PPP数据就像普通的PPP数据被传送，这时以太帧的目的地址是单播地址，类型为0x8864，编码域必须是0x00，SESSION_ID必须是发现阶段建立的SESSION_ID，且在会话过程中不能改变。PPPoE净载荷是PPP帧，会话过程实际上也就是实现PPP协议的过程，PPP分为三个阶段。首先通过LCP完成相关链路控制协商过程，主要是建立、配置、测试数据链路，根据双方的需求，进行链路的协商和配置。PAP密码认证后，通过NCP，针对不同的网络层协议的网络控制阶段。最后就是IP数据的传输阶段。
3 PPPoE模块软件设计
    应用于嵌入式系统的PPPoE软件模块主要通过系统中的以太网络驱动在链路层与访问集中器建立一个逻辑上点对点的通信链路，为上层TCP/IP协议栈服务。发送数据时，将上层IP分组封装成PPPoE协议帧发送出去。在接收数据时，将接收到的PPPoE协议帧解析后，交由上层模块处理，如图4所示。与访问集中器建立通信链路的过程是软件设计的核心部分。
    PPPoE发现阶段流程如图5所示。发现阶段分为四个过程完成：发送PADI、接收PADO、发送PADR和接收PADS。在发送PADI和PADR时要分别定时和计数，在有限的时间内没有收到响应，就应重新发送;如果在重复发送若干次之后还没有相应，说明此时网络故障或者网络上没有能够响应请示的服务器。
 
    PPPoE会话阶段是一个标准的PPP协商过程。整个协商过程为三部分：LCP Negotiation、PAP Negotiation、IPCP Negotiation。 LCP阶段主要通过交换数据包与访问集中器建立和配置链路，LCP流程如图6所示。由于ISP提供商可能会不同，所接收到的LCP_REQ中包含的选项也可能不同，但其中必然包括OPTION3，表示链路所用的认证协议(Authentication Protocol)。实践中根据与ISP的PPPoE过程的数据包分析，多数ISP采用PAP(Password Authentication Protocol)认证协议。也有的ISP采用CHAP(Challenge Handshake Authentication Protocol)认证协议，双方可以通过协商采用合适的认证协议，本文采用PAP。
    PAP协商过程比较简单，发送PAP请求数据包，其中包括帧号和密码，ISP返回确认数据包，PAP协商过程结束。
    IPCP阶段的目的是获取ISP方提供的IP地址，流程如图7所示。所以在IPCP阶段的协商主要针对OPTION3进行。PPPoE模块首先接收服务器端一个IPCP_REQ，这个IPCP_REQ包括OPTION3(其IP地址值通常无效);接着PPPoE模块发送一个IPCP_ACK,ISP方会响应一个带有有效地址的IPCP_NAK;然后PPPoE模块就以这个地址再发一个IPCP_REQ，ISP服务器回应IPCP_ACK，IPCP结束。此时PPPoE模块得到限服务器分配的有效I守址，随后就可以在PPPoE协议之上传送IP数据包。需要注意的是，在PPP协商过程结束后，服务器为了检验接入方链路的活动状态，会定期发出LCP EchoRequest请求，此时PPPoE模块需要发送LCP Echo-ACK作为应答。
 
    嵌入式系统程序设计的特点是面向特定应用，由于资源有限，软件必须去除冗余。本PPPoE模块应用在以太电话中，在程序模块设计中针对性地实现PPPoE协议的主要功能，尽量使代码短小精悍，如省略掉了PPPoE发现阶段网络上有多个AC的情况，还省略了在会话阶段对于LCP OPTION3(认证协议)以外选项的协商和IPCP PTION3(IP地址)以外的选项的协商等情况。它些情况，PPPoE模块需要更多的代码来处理，而对于以太话机这种特定的应用，有些选项是不必要的。另外，在软件结构设计中，采用“超循环”结构来解决无操作系统问题，可以很好地实现以太话机中的任务调度功能。在代码编写上，采用C和汇编相结合的方法提高程序效率，同时采用流水操作、Inline、全局变量和共享内存等技术实现代码长度和数据空间的优化。测试表明，实现PPPoE软件所需的代码空间和数据空间都比PC机环境下PPPoE软件代码要小得多。
    PPPoE协议是当今ADSL宽带接入Internet的主要技术之一，而嵌入式技术是如今IT技术发展的热点，广泛应用于信息家电和各种媒体通信终端设备。本文在对PPPoE协议深入分析的基础上，结合嵌入式系统的特点，提出了PPPoE在嵌入式系统上的具体实现方法，通过运用这些优化方法，使软件代码空间和数据空间大大减少。目前该软件模块已成功应用在笔者自己开发的以太话机中。实际运行表明，软件运行稳定、互通性好，所实现的PPPoE协议软件具有良好的应用价值。

STM32/STM8

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