嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks下PPPoE的實(shí)現(xiàn)

1 前言
在目前的通信市場，寬帶逐漸增溫，接入方式呈現(xiàn)多樣性：LAN、ADSL、HFC Cable Modem、WLAN各有一定的市場份額，而ADSL是全球范圍內(nèi)占據(jù)主流地位的寬帶接入方式，它能夠提供最低512 kHz，最高8 MHz的帶寬。用戶可以獨(dú)享帶寬，不會因為上網(wǎng)人數(shù)的增加而導(dǎo)致上網(wǎng)速率的降低。更為重要的是ADSL價格低廉，能為普通消費(fèi)者所接受。目前國內(nèi)的各大運(yùn)營商和寬帶接入提供商正在如火如荼地進(jìn)行寬帶革命。中國電信推出“ADSL網(wǎng)絡(luò)快車”，并且已經(jīng)圈定了大規(guī)模的用戶群；中國網(wǎng)通也有類似的市場規(guī)模。另一方面，VoIP語音業(yè)務(wù)也飛速發(fā)展。目前國內(nèi)大多數(shù)VoIP語音接入終端多為LAN方式。主要用戶對象集中于智能化小區(qū)、校園、話吧等。由于大多數(shù)家庭用戶的寬帶接入為ADSL方式，運(yùn)營商不得不考慮到目前的ADSL用戶對VoIP語音業(yè)務(wù)的需求。所以，如果VoIP的終端設(shè)備支持PP-PoE的接入方式，只要將VoIP的終端設(shè)備掛到AD-SLMODEM下就可以提供VoIP語音業(yè)務(wù)。VoIP終端設(shè)備的軟件大多都基于嵌入式操作系統(tǒng)。VxWorks是WRS(Wind River Systems Inc.)推出的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。VxWorks以無可比擬的高效能、高可靠性、高效的調(diào)試工具和穩(wěn)定、高效的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)在高端通信市場占據(jù)了優(yōu)勢地位，太多數(shù)通訊設(shè)備都采用VxWorks作為操作系統(tǒng)。本文詳細(xì)介紹PPP、PPPoE協(xié)議在VxWorks下的具體實(shí)現(xiàn)。

2 PPP和PPPOE協(xié)議
IP接入的功能包括動態(tài)IP地址分配、AAA和ISP動態(tài)選擇，實(shí)現(xiàn)這些功能通常需要用到一個著名的接入?yún)f(xié)議即PPP協(xié)議，PPP協(xié)議是一成熟的IP接入?yún)f(xié)議，支持多種協(xié)議封裝，實(shí)現(xiàn)簡單，易于與現(xiàn)有的ISP配合。它具有鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層配置和協(xié)商功能，可方便地自動分配TP。PPP本身也是一個數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，它可采用不同的傳輸機(jī)制傳送。常用的有HDLC、ATM和以太網(wǎng)。承載在以太網(wǎng)上的稱為PPPoE(PPP over Ethernet)。

2.1 PPPoE協(xié)議
RFC2516定義了一種在以太網(wǎng)上傳送PPP的方法即PPPoE。PPPoE分為二個階段，即Discovery(地址發(fā)現(xiàn))階段和PPP會話階段。當(dāng)某個主機(jī)希望發(fā)起一個PPPoE會話時，它必須首先執(zhí)行Discovery來確定對方的以太網(wǎng)MAC地址并建立起一個PP-PoE會話標(biāo)識符SESSION_ID。雖然PPP定義的是端到端的對等關(guān)系，Discovery卻是天生的一種客戶端-服務(wù)器關(guān)系。在Discovery的過程中，主機(jī)(作為客戶端)發(fā)現(xiàn)某個訪問集中器(Access Concentrator，作為服務(wù)器)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主機(jī)能夠與不只一個的訪問集中器通信。Discovery階段允許主機(jī)發(fā)現(xiàn)所有的訪問集中器并從中選擇一個。當(dāng)Discovery階段成功完成后，主機(jī)和訪問集中器二者都具備了用于在以太網(wǎng)上建立點(diǎn)到點(diǎn)連接所需的所有信息。
(1)PPPoE的幀格式和種類
Discovery階段所有的以太網(wǎng)幀的ETHER_TYPE域都設(shè)置為0x8863。PPP會話階段以太網(wǎng)幀的ETHER_TYPE域都設(shè)置為0x8864。PPPoE的payload部分包含O個或多個TAG。一個TAG是一個TLV(type-length-value)結(jié)構(gòu)，TAG_TYPE域為16位值(網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序)，RFC2516標(biāo)準(zhǔn)附錄A列出了各種TAG_TYPE和TAG_VALUE。PPPoE的幀格式如圖l所示。

PPPoE discovery階段有5種基本的幀，分別為PPPoE Active Discovery Initiation (PADI)、PPPoE Active Discovery Offer(PADO)、PPPoE Active Discovery Request (PADR)、PPPoE Active Discovery Sessionconfirmation (PADS)、PPPoE Active Discovery Terminate(PADT)。
(2)PPPoE的工作流程
PPPoE包含二個階段：Discovery搜索階段和Session會話階段。PPPoE Discovery的主要步驟為：
●主機(jī)發(fā)送PADl分組，其目的地址為廣播地址，會話IAD為0(未分配)；
●任一接入服務(wù)器收到PADI并任提供所需的服務(wù)時，就回送PADO分組，會話IAD為O；
●主機(jī)可能收到多個PADO，根據(jù)服務(wù)及其提供的服務(wù)選定一個服務(wù)器，然后向該服務(wù)器發(fā)送PADR分組，其目的地址為該服務(wù)器的單播地址。會話ID為0(未分配)；
●該服務(wù)器收到PADR后生成一個唯一的會話ID，向主機(jī)回送PADS分組，準(zhǔn)備啟動PPP。
當(dāng)搜索階段完成后，PPPoE的Host主機(jī)從接入服務(wù)器AC獲取一個Session ID。搜索成功后主機(jī)和接入服務(wù)器之間就可以建立Ethernet的PPP連接,進(jìn)入PPP會話階段。

2.2 PPP協(xié)議
(1)PPP協(xié)議組成
PPP協(xié)議由IETF RFCl661定義,主要包含4個部分：
●幀封裝的方法；
●鏈路控制協(xié)議(LCP-Link Control Protocol),完成線路的啟動、測試、任選參數(shù)的協(xié)商和最終線路斷開功能；
●網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議(NCP)，最常用的NCP協(xié)議為IP控制協(xié)議IPCP。它的一個重要功能就是動態(tài)分配IP地址；
●用戶認(rèn)證，主要通過LCP協(xié)商采用何種認(rèn)證協(xié)議，但認(rèn)證協(xié)議本身不是PPP協(xié)議的范圍。
PPP可分為三個階段：LCP協(xié)商、認(rèn)證和NCP協(xié)商。從協(xié)議上來說可以分為三個子層,每層可向相鄰的子層發(fā)送“Up”或“Down”事件。“Up”表示該層已激活，“Down”表示該層已終結(jié)。就整個接入過程而言，還可以認(rèn)為LCP之下還有一個物理層,在每個NCP之上還有一個網(wǎng)絡(luò)接口。
一個子層的激活(Up)需具有三個事件：上層發(fā)出“打開”(Open)請求,下層收到“Up”事件；本層協(xié)商成功。
協(xié)議的基本過程為：用戶通過某個接口請求建立鏈路，此時Open事件發(fā)送到PPP的LCP子層,當(dāng)LCP啟動后，即請求建立物理鏈路，開始PPPoE協(xié)商，當(dāng)PPPoE協(xié)商成功后，就向LCP層發(fā)送Up事件。然后LCP向?qū)Χ税l(fā)送協(xié)商請求，雙方確定鏈路的配置參數(shù)后，LCP向認(rèn)證層發(fā)送Up事件。認(rèn)證成功后，在向NCP層發(fā)Up事件。如不需要認(rèn)證，則可直接向NCP層發(fā)送up事件。NCP協(xié)議收到Up事件后開始NCP處理。例如IPCP協(xié)議將開始協(xié)商IP地址等。PPP正常終結(jié)過程是，每個NCP分別終結(jié)，然后LCP終結(jié)，最后物理層終結(jié)。但PPP實(shí)現(xiàn)必須能夠處理物理鏈路自行斷開、NCP尚未終結(jié)時LCP先行終結(jié)的異常情況。
(2)PPP的封裝格式
PPPP的封裝格式如下:

發(fā)送的順序是從左到右。Protocol定義被封裝的數(shù)據(jù)報的協(xié)議類型，最常用的幾種定義為：

3 在VxWorks下的實(shí)現(xiàn)
3.1 PPP和PPPoE數(shù)據(jù)包收發(fā)處理流程
為了更清楚地介紹VxWorks下的PPP和PPPoE數(shù)據(jù)包收發(fā)處理流程，先介紹一下Vx-Works下的TCP/IP協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)。
PPP和PPPoE在VxWorks TCP/IP協(xié)議棧中的位置如下：

VxWorks的TCP/IP協(xié)議棧與標(biāo)準(zhǔn)的BSD的TCP/IP協(xié)議的最大不同在于加入了MUX層。MUX層的作用是負(fù)責(zé)管理協(xié)議層和驅(qū)動層之間的相互作用，使協(xié)議層和驅(qū)動層相互透明。從而使一個VxWorks操作系統(tǒng)可以同時支持多個協(xié)議和驅(qū)動。PPP和PPPoE都屬于鏈路層的協(xié)議，所以介于MUX和IP層之間。
PPPoE層主要實(shí)現(xiàn)PPPoE撥號過程和對上層PPP的數(shù)據(jù)包進(jìn)行PPPoE封裝。PPPoE通過MUX層的接口發(fā)送方向采用以太網(wǎng)發(fā)送函數(shù)ehterOutput發(fā)送數(shù)據(jù)包，接收方向主要是調(diào)用VxWorks提供的增加鉤子函數(shù)etherInputHookAdd添加自己的以太網(wǎng)鉤子函數(shù)對以太網(wǎng)幀類型為0x8863和0x8864的包進(jìn)行處理。如幀類型為0x8863，則為PPPoE Dis-covery包，如為0x8864，則為PPPoE Session階段的包經(jīng)拆封處理后送到PPP層處理。
PPP層軟件主要實(shí)現(xiàn)LCP鏈路建立、PPP認(rèn)證、IPCP協(xié)商IP地址和對IP數(shù)據(jù)包的PPP封裝等功能。
PPP層與IP層的接口主要通過再添加一個if_PPP的網(wǎng)絡(luò)接口。從IP層看來if_PPP接口和普通的網(wǎng)口設(shè)備沒什么不同。if_ppp作為VxWorks TCP/IP協(xié)議棧中的一個網(wǎng)絡(luò)接口，可以封裝IP數(shù)據(jù)包，并且在PPP的鏈路上收發(fā)IP包。PPP和PPPoE層也有相應(yīng)接口函數(shù)。發(fā)送方向PPP的數(shù)據(jù)包(無論是IP還是LCP、IPCP)都通過PPPoE層封裝后發(fā)送出去；接收方向，PPPoE層收到包先進(jìn)行判斷，如是PPF包，就交PPP層處理。PPP層根據(jù)協(xié)議類型分發(fā)到LCP、IPCF、IP等相關(guān)模塊進(jìn)行處理。整個PPP和PPPoE的收發(fā)包處理流程如圖2所示。

3.2 PPP和PPPoE軟件模塊設(shè)計
整個PPPoE、PPP軟件由PPP、PPP Adapter、PP-
PoE Discovery、PPPoE Session、PPPoE Timer、PPPoE Adpater、PPPoE Config模塊組成，如圖3所示。

1)PPP模塊主要實(shí)現(xiàn)LCP、IPCP和認(rèn)讓協(xié)議(chap、pap)等，PPP還實(shí)現(xiàn)一個虛擬的ifnet接口，實(shí)現(xiàn)對上層IP報的封裝和分發(fā)處理。
2)PPP Adpater模塊主要實(shí)現(xiàn)PPP和PPPoE模塊之間的接口適配。
3)PPPoE Discoverv模塊實(shí)現(xiàn)PPPoE的Discov-ely階段的處理。
4)PPPoE Session模塊實(shí)現(xiàn)PPPoE的Session階段的處理，主要是PPPoE封裝和解包處理。
5)PPPoE Timer模塊主要實(shí)現(xiàn)PPPoE模塊的定時處理功能，用于PPPoE Discovery階段的狀態(tài)機(jī)切換處理。
6)PPPoE Adapater模塊主要實(shí)現(xiàn)PPPoE的包的收發(fā)處理。
7)PPPoE Config模塊主要實(shí)現(xiàn)PPP和PPPoE的相關(guān)配置功能。如配置用戶名密碼等。

4 結(jié)束語
本文介紹應(yīng)用PPP和PPPoE協(xié)議實(shí)現(xiàn)VoIP的語音接人方法,詳細(xì)介紹了PPP、PPPoE協(xié)議的原理,討論了PPP和PPPoE協(xié)議在VxWorks操作系統(tǒng)下的具體實(shí)現(xiàn),具有一定的工程應(yīng)用價值。