PPPOE(Point．to．Point Protoeol over Ethernet)是將PPP協(xié)議封裝在以太網(wǎng)幀上進行傳輸,，它的通信過程分為探測(Discovery)和PPP會話(Session)2個階段。PPPoE Discovery階段主要是客戶機確定AC(Access Concentrator)以及客戶機與AC協(xié)商Session ID,。而PPPoE Sess-ion用于完成數(shù)據(jù)包的接收與發(fā)送,，同時它也用于完成PPP鏈路的協(xié)商(LCP)，以及網(wǎng)絡層的控制協(xié)商(IPCP)等,。
傳統(tǒng)的PPPoE先會用Raw socket讀取數(shù)據(jù),，然后采用用戶態(tài)程序對其封包解包，然后再發(fā)送給內核,。但是這種方法會引起大量的內核空間與用戶空間的上下文切換,，從而帶來不必要的開銷。而對于實現(xiàn)于內核態(tài)的PPPoE,，它會把所有的封包以及解包實現(xiàn)于內核,，這樣就大大提高PPPoE的效率。
1 PPPoE協(xié)議概述
1. 1 PPPoE Discovery階段
在PPPoE Discovery階段,，客戶機首先廣播一個PADI(0x09)幀,。收到PADI幀的一個或多個服務器會發(fā)送PADO(0x07)幀，這個包中包含了服務器的各種標識,。然后,，客戶機會選擇其中一個服務器發(fā)送PADR(0x19)，表明主機選擇了這個服務器,。最終,，收到PADR(0x65)幀的服務器會為新的會話分配資源并向客戶機發(fā)送PADS(0x65)。當此階段完成,，這兩次的對話完成了SESSION_ID以及雙方物理地址,，為后續(xù)數(shù)據(jù)會話打好基礎。
同時PPP協(xié)議還提供了一個PADT請求,，該請求用于結束這次PPPoE會話,。這個請求可以由任何一方發(fā)出，同時代表這次回話的結束,，圖1描述整個discovery過程,。
1．2 PPPoE Session階段
PPPoE Discovery階段是為整個PPPoE會話獲取雙方物理地址以及Session_ID，這個Session_ID就成為了雙方的通信憑證,，在整個會話過程中保持不變,。PPP幀數(shù)據(jù)被封在以太幀中，它在以太幀的標識為0x8864,，當碰到0x8864時,，就認為是一個PPPoE包,。
在PPPoE Session階段，PPPoE除數(shù)據(jù)傳輸以外,，還提供了鏈路的協(xié)商(LCP),，以及網(wǎng)絡層的控制協(xié)商(IPCP)等其他服務。對于LCP,，它主要用于配置和測試數(shù)據(jù)通信鏈路,，用來協(xié)商PPP協(xié)議的一些配置參數(shù)選項；處理不同大小的數(shù)據(jù)幀：檢測鏈路環(huán)路和一些鏈路的錯誤,；終止一條鏈路,，其作用類似于IP層的ICMP協(xié)議。而對于IPCP,，它主要用于動態(tài)地協(xié)商客戶機與服務器雙方IP,，實際的數(shù)據(jù)報文交換過程中主要涉及Config-Request、Config-Ack,、Config-Nak和Config-Re-ject,。圖2描述IPCP協(xié)商IP的過程。
2 PPPOE設計實現(xiàn)
從上述PPPoE協(xié)議描述中,，了解到整個PPPoE會話包括Discovery,、鏈路協(xié)商和數(shù)據(jù)傳輸3種交互。這3種數(shù)據(jù)中,，數(shù)據(jù)傳輸最重要,，數(shù)據(jù)量最大。對于用戶空間模式的PPPoE,，數(shù)據(jù)包收發(fā)需要通過pty,，由用戶空間的PPPoE進程處理PPPoE包頭后通過Raw socket收發(fā)。也就是說所有的PPPoE數(shù)據(jù)封包結果都在用戶空間執(zhí)行,，這樣就大大增加了內核空間與用戶空間數(shù)據(jù)切換的次數(shù),。為了減少這種開銷。這里采用一個內核模塊來處理數(shù)據(jù)的封包解包,，這樣就大大減少了內核空間與用戶空間數(shù)據(jù)切換的次數(shù),，提高效率。所以對內核空間模式的PPPoE的處理策略是：Discovery以及鏈路協(xié)商交互全部在用戶空間完成,，而數(shù)據(jù)的封解包則通過一個內核模塊在內核空間完成,。
2．1 PPPoE會話初始化
PPPoE的初始化包括整個Discovery階段以及Session階段的IPCP和LCP等其他鏈路協(xié)商過程，所有的工作都在用戶空間完成,，圖3描述了整個初始化的流程。
首先通過Raw socket發(fā)送PADS,、PADR,、PADO,、PADI，當這個請求完成后,，得到遠端服務器的MAC地址以及雙方建立起來的Session_ID,。由于后面的內核封包需要用到這些數(shù)據(jù)，所以需要將這些數(shù)據(jù)切換到內核空間去,。由于數(shù)據(jù)量較小,，則采用proc文件系統(tǒng)完成內核空間與用戶空間的數(shù)據(jù)切換。
對于proc中的數(shù)據(jù),，設計以下數(shù)據(jù)格式：接口名詞SMAC DMAC SESSION_ID RX TX,。
其中“接口名詞”為接口名稱，設計中不再用虛擬PPP接口傳輸數(shù)據(jù),，而是將數(shù)據(jù)遷移到物理網(wǎng)卡上,，這樣在某種程度上減輕了路由模塊的負擔，但需要去proc文件讀取接口名稱以此判斷該物理接口是否啟用PPPoE撥號,。“SMAC”和“DMAC”參數(shù)為雙方的MAC地址,，在內核封包中用到。“SESSION_ID”雙方建立起來的Session_ID,，也用于內核封包,。而“RX”和“TX”是用于記錄最后一次解包與封包的時間點，該數(shù)據(jù)用于按需撥號,。
在建立好PPP連接后就進行IPCP協(xié)商,，這個過程將為協(xié)商到雙方的IP的地址，并將這個IP地址配置到物理口上,，而這些數(shù)據(jù)將通過PPP口通信,。除此之外，還需要為PPPoE鏈路配置相應的路由,、更新ARP列表以及獲取相應的DNS服務器地址,。
2．2 PPPoE數(shù)據(jù)接收
PPPoE數(shù)據(jù)接收主要是對數(shù)據(jù)進行解包，其全部動作在內核空間完成,。當一個PPPoE數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡驅動里面讀出來時,，是一個完整的PPPoE包。而上層模塊無法識別這樣的包,，所以需要將中間的那些PPP協(xié)議數(shù)據(jù)從包中剝離出來,，使其變成一個普通的IP數(shù)據(jù)包，圖4描述了PPPoE接收數(shù)據(jù)的整體流程,。
當從網(wǎng)卡驅動上讀取數(shù)據(jù)時,，也就是獲取數(shù)據(jù)的SKB，首先需要判斷這個SKB是否有效,，然后再判斷該網(wǎng)卡是否起動了PPPoE服務,，很顯然這里需要讀取proc的接口信息,。如果已經PPPoE撥號服務，還需要判斷該包是不是一個LCP或者IPCP等其他協(xié)商數(shù)據(jù),，也就是判斷協(xié)議域的數(shù)據(jù)是不是0X0021,。因為如果是協(xié)商數(shù)據(jù)，則不需要解包,，而直接將其轉發(fā)到PPP虛擬接口上,。對于具體的解包過程將進行代碼分析。解完包以后該數(shù)據(jù)包就屬于普通的IP包,，后續(xù)流程與普通的IP包處理相同,。
2．3 PPPoE數(shù)據(jù)發(fā)送
PPPoE數(shù)據(jù)發(fā)送流程基本上是數(shù)據(jù)接收的逆過程，圖5描述整個數(shù)據(jù)發(fā)送過程,。首先從用戶空間或者FORWARDING模塊獲取一個數(shù)據(jù)包,，這個數(shù)據(jù)包屬于正常的IP包。很顯然這個包是無法發(fā)送到PPP鏈路上的,，因為PPPoE服務器并不識別這樣的數(shù)據(jù)包,。所以需要利用proc文件中的Session_ID、遠端MAC和本地MAC數(shù)據(jù)來封裝IP包,，使其成為一個標準的PPP包,。
2．4 核心代碼實現(xiàn)
整個PPPoE內核模式撥號的核心代碼主要集中在內核模塊上，該模塊主要功能有proc文件讀寫,、數(shù)據(jù)包的封裝,、解包等操作，下面是這個內核模塊的包封裝的部分程序,。
以上只是部分代碼,，由于代碼太多，而且很多代碼和項目的硬件抽象層模塊(HAL)息息相關,，所以在此不再詳細闡述,。具體可以參考Lin-ux內核中pppoe模塊里面的代碼，雖然工作的層次有點不一樣,，但是總體的思路是一樣的,，本文的實現(xiàn)代碼基本上也是參考的Linux內核中PP-PoE的代碼。
3 結束語
本文主要描述了PPPoE內核模式撥號的設計與實現(xiàn),，該模式將封包動作從用戶空間轉移到內核空間,，從而大大降低了內核空間與用戶空間切換的次數(shù)，目前這種內核模式下的撥號已經大量地應用于各種網(wǎng)關產品中,。雖然PPPoE是一種非常成熟的技術,，Linux內核也已開始支持PP-PoE內核態(tài)撥號，同時由卡耐基梅隆大學開發(fā)的PPPD開源項目已經廣泛應用于各種網(wǎng)關產品中，但是熟悉整個內核態(tài)撥號的流程是非常重要的,，同時PPPD目前還存在一些BUG,，在項目開發(fā)的過程中還需做大量修改。本文提供解決方案有別于傳統(tǒng)的通過PPP虛擬接口來傳輸數(shù)據(jù)的方案,，在某種程度上也降低了路由模塊的工作任務，尤其是需要實現(xiàn)多路PPPoE的時候,。另外該設計方案在Linux2．6．18上已經成功通過測試,，并投入使用。