嵌入式操作系統VxWorks下PPPoE的實(shí)現

1 前言
在目前的通信市場(chǎng)，寬帶逐漸增溫，接入方式呈現多樣性：LAN、ADSL、HFC Cable Modem、WLAN各有一定的市場(chǎng)份額，而ADSL是全球范圍內占據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(hù)可以獨享帶寬，不會(huì )因為上網(wǎng)人數的增加而導致上網(wǎng)速率的降低。更為重要的是ADSL價(jià)格低廉，能為普通消費者所接受。目前國內的各大運營(yíng)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(chē)”，并且已經(jīng)圈定了大規模的用戶(hù)群；中國網(wǎng)通也有類(lèi)似的市場(chǎng)規模。另一方面，VoIP語(yǔ)音業(yè)務(wù)也飛速發(fā)展。目前國內大多數VoIP語(yǔ)音接入終端多為L(cháng)AN方式。主要用戶(hù)對象集中于智能化小區、校園、話(huà)吧等。由于大多數家庭用戶(hù)的寬帶接入為ADSL方式，運營(yíng)商不得不考慮到目前的ADSL用戶(hù)對VoIP語(yǔ)音業(yè)務(wù)的需求。所以，如果VoIP的終端設備支持PP-PoE的接入方式，只要將VoIP的終端設備掛到AD-SLMODEM下就可以提供VoIP語(yǔ)音業(yè)務(wù)。VoIP終端設備的軟件大多都基于嵌入式操作系統。VxWorks是WRS(Wind River Systems Inc.)推出的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。VxWorks以無(wú)可比擬的高效能、高可靠性、高效的調試工具和穩定、高效的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)在高端通信市場(chǎng)占據了優(yōu)勢地位，太多數通訊設備都采用VxWorks作為操作系統。本文詳細介紹PPP、PPPoE協(xié)議在VxWorks下的具體實(shí)現。

2 PPP和PPPOE協(xié)議
IP接入的功能包括動(dòng)態(tài)IP地址分配、AAA和ISP動(dòng)態(tài)選擇，實(shí)現這些功能通常需要用到一個(gè)著(zhù)名的接入協(xié)議即PPP協(xié)議，PPP協(xié)議是一成熟的IP接入協(xié)議，支持多種協(xié)議封裝，實(shí)現簡(jiǎn)單，易于與現有的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(dòng)分配TP。PPP本身也是一個(gè)數據鏈路層協(xié)議，它可采用不同的傳輸機制傳送。常用的有HDLC、ATM和以太網(wǎng)。承載在以太網(wǎng)上的稱(chēng)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(gè)階段，即Discovery(地址發(fā)現)階段和PPP會(huì )話(huà)階段。當某個(gè)主機希望發(fā)起一個(gè)PPPoE會(huì )話(huà)時(shí)，它必須首先執行Discovery來(lái)確定對方的以太網(wǎng)MAC地址并建立起一個(gè)PP-PoE會(huì )話(huà)標識符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(hù)端-服務(wù)器關(guān)系。在Discovery的過(guò)程中，主機(作為客戶(hù)端)發(fā)現某個(gè)訪(fǎng)問(wèn)集中器(Access Concentrator，作為服務(wù)器)，根據網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構，主機能夠與不只一個(gè)的訪(fǎng)問(wèn)集中器通信。Discovery階段允許主機發(fā)現所有的訪(fǎng)問(wèn)集中器并從中選擇一個(gè)。當Discovery階段成功完成后，主機和訪(fǎng)問(wèn)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(lèi)
Discovery階段所有的以太網(wǎng)幀的ETHER_TYPE域都設置為0x8863。PPP會(huì )話(huà)階段以太網(wǎng)幀的ETHER_TYPE域都設置為0x8864。PPPoE的payload部分包含O個(gè)或多個(gè)TAG。一個(gè)TAG是一個(gè)TLV(type-length-value)結構，TAG_TYPE域為16位值(網(wǎng)絡(luò )字節序)，RFC2516標準附錄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(gè)階段：Discovery搜索階段和Session會(huì )話(huà)階段。PPPoE Discovery的主要步驟為：
●主機發(fā)送PADl分組，其目的地址為廣播地址，會(huì )話(huà)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(shí)，就回送PADO分組，會(huì )話(huà)IAD為O；
●主機可能收到多個(gè)PADO，根據服務(wù)及其提供的服務(wù)選定一個(gè)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(huì )話(huà)ID為0(未分配)；
●該服務(wù)器收到PADR后生成一個(gè)唯一的會(huì )話(huà)ID，向主機回送PADS分組，準備啟動(dòng)PPP。
當搜索階段完成后，PPPoE的Host主機從接入服務(wù)器AC獲取一個(gè)Session ID。搜索成功后主機和接入服務(wù)器之間就可以建立Ethernet的PPP連接,進(jìn)入PPP會(huì )話(huà)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(gè)部分：
●幀封裝的方法；
●鏈路控制協(xié)議(LCP-Link Control Protocol),完成線(xiàn)路的啟動(dòng)、測試、任選參數的協(xié)商和最終線(xiàn)路斷開(kāi)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(gè)重要功能就是動(dòng)態(tài)分配IP地址；
●用戶(hù)認證，主要通過(guò)LCP協(xié)商采用何種認證協(xié)議，但認證協(xié)議本身不是PPP協(xié)議的范圍。
PPP可分為三個(gè)階段：LCP協(xié)商、認證和NCP協(xié)商。從協(xié)議上來(lái)說(shuō)可以分為三個(gè)子層,每層可向相鄰的子層發(fā)送“Up”或“Down”事件?！癠p”表示該層已激活，“Down”表示該層已終結。就整個(gè)接入過(guò)程而言，還可以認為L(cháng)CP之下還有一個(gè)物理層,在每個(gè)NCP之上還有一個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口。
一個(gè)子層的激活(Up)需具有三個(gè)事件：上層發(fā)出“打開(kāi)”(Open)請求,下層收到“Up”事件；本層協(xié)商成功。
協(xié)議的基本過(guò)程為：用戶(hù)通過(guò)某個(gè)接口請求建立鏈路，此時(shí)Open事件發(fā)送到PPP的LCP子層,當LCP啟動(dòng)后，即請求建立物理鏈路，開(kāi)始PPPoE協(xié)商，當PPPoE協(xié)商成功后，就向LCP層發(fā)送Up事件。然后LCP向對端發(fā)送協(xié)商請求，雙方確定鏈路的配置參數后，LCP向認證層發(fā)送Up事件。認證成功后，在向NCP層發(fā)Up事件。如不需要認證，則可直接向NCP層發(fā)送up事件。NCP協(xié)議收到Up事件后開(kāi)始NCP處理。例如IPCP協(xié)議將開(kāi)始協(xié)商IP地址等。PPP正常終結過(guò)程是，每個(gè)NCP分別終結，然后LCP終結，最后物理層終結。但PPP實(shí)現必須能夠處理物理鏈路自行斷開(kāi)、NCP尚未終結時(shí)LCP先行終結的異常情況。
(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定義被封裝的數據報的協(xié)議類(lèi)型，最常用的幾種定義為：

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

VxWorks的TCP/IP協(xié)議棧與標準的BSD的TCP/IP協(xié)議的最大不同在于加入了MUX層。MUX層的作用是負責管理協(xié)議層和驅動(dòng)層之間的相互作用，使協(xié)議層和驅動(dòng)層相互透明。從而使一個(gè)VxWorks操作系統可以同時(shí)支持多個(gè)協(xié)議和驅動(dòng)。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PPPoE撥號過(guò)程和對上層PPP的數據包進(jìn)行PPPoE封裝。PPPoE通過(guò)MUX層的接口發(fā)送方向采用以太網(wǎng)發(fā)送函數ehterOutput發(fā)送數據包，接收方向主要是調用VxWorks提供的增加鉤子函數etherInputHookAdd添加自己的以太網(wǎng)鉤子函數對以太網(wǎng)幀類(lèi)型為0x8863和0x8864的包進(jìn)行處理。如幀類(lèi)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LCP鏈路建立、PPP認證、IPCP協(xié)商IP地址和對IP數據包的PPP封裝等功能。
PPP層與IP層的接口主要通過(guò)再添加一個(gè)if_PPP的網(wǎng)絡(luò )接口。從IP層看來(lái)if_PPP接口和普通的網(wǎng)口設備沒(méi)什么不同。if_ppp作為VxWorks TCP/IP協(xié)議棧中的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口，可以封裝IP數據包，并且在PPP的鏈路上收發(fā)IP包。PPP和PPPoE層也有相應接口函數。發(fā)送方向PPP的數據包(無(wú)論是IP還是LCP、IPCP)都通過(guò)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層根據協(xié)議類(lèi)型分發(fā)到LCP、IPCF、IP等相關(guān)模塊進(jìn)行處理。整個(gè)PPP和PPPoE的收發(fā)包處理流程如圖2所示。

3.2 PPP和PPPoE軟件模塊設計
整個(gè)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LCP、IPCP和認讓協(xié)議(chap、pap)等，PPP還實(shí)現一個(gè)虛擬的ifnet接口，實(shí)現對上層IP報的封裝和分發(fā)處理。
2)PPP Adpater模塊主要實(shí)現PPP和PPPoE模塊之間的接口適配。
3)PPPoE Discoverv模塊實(shí)現PPPoE的Discov-ely階段的處理。
4)PPPoE Session模塊實(shí)現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PPPoE模塊的定時(shí)處理功能，用于PPPoE Discovery階段的狀態(tài)機切換處理。
6)PPPoE Adapater模塊主要實(shí)現PPPoE的包的收發(fā)處理。
7)PPPoE Config模塊主要實(shí)現PPP和PPPoE的相關(guān)配置功能。如配置用戶(hù)名密碼等。

4 結束語(yǔ)
本文介紹應用PPP和PPPoE協(xié)議實(shí)現VoIP的語(yǔ)音接人方法,詳細介紹了PPP、PPPoE協(xié)議的原理,討論了PPP和PPPoE協(xié)議在VxWorks操作系統下的具體實(shí)現,具有一定的工程應用價(jià)值。