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(mǎn)足越來(lái)越多的寬帶上網(wǎng)設(shè)備(如ADSL,、無(wú)線、有線電視等)和越來(lái)越快的網(wǎng)絡(luò)之間的通信而指定開(kāi)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" title="鏈路">鏈路,。對(duì)用戶(hù)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(lèi)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(guò)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(guò)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(wú)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(kāi)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(guò)廣播尋找一個(gè)訪問(wèn)集中器" title="集中器">集中器AC(Access Concentration),。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上存在多個(gè)訪問(wèn)集中器時(shí),，主機(jī)根據(jù)訪問(wèn)集中器所能提供的服務(wù)或用戶(hù)預(yù)先配置的信息進(jìn)行相應(yīng)的選擇。訪問(wèn)集中器選定后,，主機(jī)開(kāi)始與所選擇的訪問(wèn)集中器建立一個(gè)PPPoE會(huì)話進(jìn)程,。在這一過(guò)程中，訪問(wèn)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(kāi)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(guò)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(guò)類(lèi)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(guò)以太網(wǎng)的類(lèi)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(lèi)型字段(type),，4bits,，標(biāo)志類(lèi)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(guò)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(wú)狀態(tài)的階段，該階段主要選擇訪問(wèn)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(guò)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(guò)程就是當(dāng)ISP的PPPoE訪問(wèn)集中器收到PADI幀后，若能夠滿(mǎn)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(hù)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(wèn)集中器的名稱(chēng)標(biāo)簽或能提供的服務(wù)標(biāo)簽選擇一個(gè)合適的訪問(wèn)集中器，然后向所選擇的訪問(wèn)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(chēng)類(lèi)型標(biāo)簽,，確定向接入服務(wù)器請(qǐng)求的服務(wù)種類(lèi),。
　　第四步，接收PADS(PPPoE Active Discovery Session-confirmation ) 幀,。訪問(wèn)集中器收到PADR幀后開(kāi)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(wèn)集中器名稱(chēng)類(lèi)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(wèn)集中器不能提供PADR中的服務(wù)名稱(chēng)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(lèi)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(guò)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(lèi)型字段還是0x8863,。發(fā)送PADT后則該次PPPoE過(guò)程結(jié)束,。
　　(2)會(huì)話階段
　　當(dāng)PPPoE會(huì)話開(kāi)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(lèi)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(guò)程中不能改變。PPPoE凈載荷是PPP幀,，會(huì)話過(guò)程實(shí)際上也就是實(shí)現(xiàn)PPP協(xié)議的過(guò)程,，PPP分為三個(gè)階段。首先通過(guò)LCP完成相關(guān)鏈路控制協(xié)商過(guò)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(guò)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(guò)系統(tǒng)中的以太網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)在鏈路層與訪問(wèn)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(wèn)集中器建立通信鏈路的過(guò)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(guò)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(méi)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(méi)有相應(yīng)，說(shuō)明此時(shí)網(wǎng)絡(luò)故障或者網(wǎng)絡(luò)上沒(méi)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(guò)程,。整個(gè)協(xié)商過(guò)程分為三部分：LCP Negotiation、PAP Negotiation,、IPCP Negotiation,。
　　LCP階段^[2]主要通過(guò)交換數(shù)據(jù)包與訪問(wèn)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" title="認(rèn)證協(xié)議">認(rèn)證協(xié)議(Authentication Protocol),。實(shí)踐中根據(jù)與ISP的PPPoE過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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,。