2011年10月19日 星期三

Introduction PPPoE protocol

1. 前言

PPPOE(PPP over Ethernet, RFC2516,值得注意的是此RFC不是Standard而是Information類型的)定義了如何在乙太網上傳輸PPP資料包的方法,目前流行的寬頻類型
ADSL就是通過PPPoE實現的。

2. 通信過程概述

建立PPPOE通道(ADSL撥號)分兩個階段:發現階段和PPP會話階段。

在發現階段,乙太網上的客戶機要找到一個訪問集中器(ACAccess Concentrator),就是ADSL MODEM,一般家用時一般就只有一個AC;但如果是一個乙太網內可能會有多條ADSL,就會有多個AC,這時客戶機就從中選擇一個。發現階段完成後,客戶機和AC都得到要在乙太網上建立PPP通道的相關資訊。

發現階段是無狀態的,也就是兩邊都不用保存以前的狀態資訊;只有PPP會話開始後,雙方就要建立一個虛擬的PPP通信介面,具體在Linux下會有ppp0網卡,在windows下網路連接中增加ADSL的介面。

3. 協議頭格式

3.1 協議值

PPPOE資料是直接在乙太頭資料之上的,其等級和ARPIP等是相同的,在乙太頭的類型欄位中,用0x8863 表示是PPPOE發現階段資料,用0x8864表示PPP會話階段資料,如下所示。(類比:0x0800表示IP資料,0x0806表示ARP資料)

                   0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
                  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
                  |       DESTINATION_ADDR        |
                  |          (6 octets)           |
                  |                               |
                  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
                  |         SOURCE_ADDR           |
                  |          (6 octets)           |
                  |                               |
                  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
                  |    ETHER_TYPE  (2 octets)     |
                  |     0x8863 or 0x8864          |
                  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
                  |                               |
                  |       PPPOE Header            |
                  |          (6 octets)           |
                  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
                  ~                               ~
                  ~           payload             ~
                  ~                               ~
                  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
                  |           CHECKSUM            |
                  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

3.2 PPPOE協議頭
                        1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  VER  | TYPE  |      CODE     |          SESSION_ID           |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |            LENGTH             |           payload             ~
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

PPPOE協定頭有6個位元組,正好和14位元組的乙太頭實現了4位元組對齊,包括以下欄位:
VER:版本號,4位,必須為0x01
TYPE:類型,4位,必須是0x01
CODE8位,在發現階段和PPP會話階段有不同的定義,表示PPPOE資料類型
SESSION_ID16位,用來定義一個PPP會話,在發現過程中定義。
LENGTH16位元,表示負載長度,不包括乙太頭和PPPOE頭。

4. 發現階段

PPPOE發現階段資料的乙太類型是0x8863

4.1 TAG

在發現階段用於交換客戶機和AC的資訊,建立PPPOE通道,負載資訊都是PPPOE資訊,並沒有上層協定資料。
發現階段的負載稱為TAG,一個TAG資訊格式如下,負載資訊中可能會包含多個TAG
                        1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |          TAG_TYPE             |        TAG_LENGTH             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |          TAG_VALUE ...                                        ~
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

TAG_TYPE16位,TAG類型
TAG_LENGTH16位元,表示TAG_VALUE部分的長度
TAG_VALUETAG
TAG_TYPE可取以下值(注意第一位元組為2表示是錯誤資訊)
   0x0000 End-Of-List
   0x0101 Service-Name
   0x0102 AC-Name
   0x0103 Host-Uniq
   0x0104 AC-Cookie
   0x0105 Vendor-Specific
   0x0110 Relay-Session-Id
   0x0201 Service-Name-Error
   0x0202 AC-System-Error
   0x0203 Generic-Error

4.2 PPPOE主動發現初始包

PPPOE主動發現初始包(PPPoE Active Discovery Initiation, PADI)由客戶機發出,乙太頭中的目的地址是乙太廣播位址FF:FF:FF:FF:FF:FFPPPOE頭中的CODE 0x09SESSION_ID值必須為0,負載部分必須只包含一個Service-Name類型的TAG表示請求的服務類型,另外可以包含其他TAG,整個PPPOE包不能超過1484位元組,這樣省出的16位元組可以由ADSL中繼設備添加中繼TAG
一個PADI包的例子為:
                     1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         0xffffffff                            |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           0xffff              |        Host_mac_addr          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Host_mac_addr (cont)                       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|    ETHER_TYPE = 0x8863        | v = 1 | t = 1 |  CODE = 0x09  |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     SESSION_ID = 0x0000       |      LENGTH = 0x0004          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|      TAG_TYPE = 0x0101        |    TAG_LENGTH = 0x0000        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

4.3 PPPOE主動發現提議包

PPPOE主動發現提議包(PPPoE Active Discovery Offer, PADO)AC發出,用來回應客戶機的PADI包,乙太頭中的目的地址是客戶機的MAC地址,PPPOE頭中的CODE 0x07SESSION_ID值必須為0,負載部分必須包含一個AC-Name類型的TAG,用來指示本AC的名稱,一個在PADI包中指定的 Service-NameTAG,另外可以包含其他Service-NameTAG。如果AC不對該客戶機提供服務,AC就不回應PADO包。

一個PADO包的例子為:
                     1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         Host_mac_addr                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|      Host_mac_addr (cont)     | Access_Concentrator_mac_addr  |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|             Access_Concentrator_mac_addr (cont)               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|    ETHER_TYPE = 0x8863        | v = 1 | t = 1 |  CODE = 0x07  |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     SESSION_ID = 0x0000       |      LENGTH = 0x0020          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|      TAG_TYPE = 0x0101        |    TAG_LENGTH = 0x0000        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|      TAG_TYPE = 0x0102        |    TAG_LENGTH = 0x0018        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     0x47      |     0x6f      |     0x20      |     0x52      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     0x65      |     0x64      |     0x42      |     0x61      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     0x63      |     0x6b      |     0x20      |     0x2d      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     0x20      |     0x65      |     0x73      |     0x68      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     0x73      |     0x68      |     0x65      |     0x73      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     0x68      |     0x6f      |     0x6f      |     0x74      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

4.4 PPPOE主動發現請求包

PPPOE主動發現請求包(PPPoE Active Discovery Request, PADR)由客戶機發出,因為可能會有多個AC對客戶機發出的PADI包回應了PADO包,客戶機從回應的PADO包中選擇一個AC發送PADR包,乙太頭中的目的地址是該ACMAC地址,PPPOE頭中的CODE0x19SESSION_ID值必須為0,負載部分必須只包含一個Service- Name類型的TAG表示請求的服務類型,另外可以包含其他TAG

4.5 PPPOE主動發現會話確認包

PPPOE主動發現會話確認包(PPPoE Active Discovery Session-confirmation, PADS)AC發出,收到客戶機的PADR包後,AC將產生一個SEESSION_ID值用來標誌本次PPP會話,以PADR包方式發送給客戶機。乙太頭中的目的地址是客戶機的MAC地址,PPPOE頭中的CODE0x65SESSION_ID值必須為所生成的那個SESSION_ID,負載部分必須只包含一個Service-Name類型的TAG,表示該服務類型被AC接受,另外可以包含其他TAG。如果AC不接受PADR中的Server- NamePADS中則包含一個Service-Name-Error類型的TAG,這時SESSION_ID設置為0

4.6 PPPOE主動發現停止包

PPPOE主動發現停止包(PPPoE Active Discovery Terminate, PADT)表示PPPOE會話過程的結束,AC和客戶機都可以主動發出。乙太頭中的目的地址是對方的MAC地址,PPPOE頭中的CODE 0xa7SESSION_ID值必須為PPPOE會話過程的SESSION_ID,不需要TAG

5. PPP會話階段

PPP會話階段,PPP包被封裝在PPPOE乙太幀中,乙太包目的地址都是單一的,乙太協定為0x8864PPPOE頭的CODE必須為 0SESSION_ID必須一直為發現階段協商出的SEESION_ID值,PPPOE的負載是整個PPP包,PPP包前是兩位元組的PPP協定ID值。
一個PPPOE會話過程包的例子為:
                     1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                  Access_Concentrator_mac_addr                 |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|Access_Concentrator_mac_addr(c)|        Host_mac_addr          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                     Host_mac_addr (cont)                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|    ETHER_TYPE = 0x8864        | v = 1 | t = 1 |  CODE = 0x00  |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     SESSION_ID = 0x1234       |      LENGTH = 0x????          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|    PPP PROTOCOL = 0xc021      |        PPP payload            ~
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

注意:由於PPPOE頭是6位元組,PPP協定ID號兩個位元組,一共要佔用8個位元組,而乙太網的MTU值為1500,所以上層PPP負載資料不能超過1492位元組,所以PPP協商時協商的最大接收單元值不能超過1492位元組,也就是相當於在PPPOE環境下的MTU1492位元組。

6. ADSL撥號過程簡述

客戶機啟動撥號程式,發送PADI包,ADSL MODEM回應PADO包,客戶機再發送PADR包,ADSL MODEM回應PADS包後建立PPPOE通道,隨後客戶機進行普通的PPP協議撥號過程,不過PPP資料包都是包裝進乙太幀中的,撥號成功後客戶機和伺服器之間建立了PPP通道,ADSL MODEM起到將乙太幀轉換為PPP包的作用。ADSL雖然是用電話線,但所用頻率不是通話用的頻率,所以ADSL撥號不影響打電話。通信結束後,會發送 PADT斷開PPPOE通道。

7. 結論

由於ADSL的大面積使用,PPPOE也隨之應用,瞭解其通信協定和資料格式對於底層驅動的開發、協定分析、存取控制等是必要的,現在不論在windows還是linux下都可以很好地支援PPPOE

1 則留言:

  1. 我目前在翻譯跟PPPoE有關的軟體翻譯,感謝您的文章

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