詳解PPP和PPPoE的工作原理

轉載前言

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廣工目前的校園網認證方式是基於PPPoE的(沒錯, 客戶端Dr.COM 5.2.1(p)中的p就是指的這個), PPPoE和PPP關係緊密, 但又不是簡單的包含與被包含的關係, 故而轉載一篇好文分享給同學們。(注意這裏的PPP和PPTP(Point to Point Tunneling Protocol)，即點對點隧道協議，是不同的概念，不要混淆。)

PPP協議簡介

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PPP: Point-to-Point Protocol，鏈路層協議。用戶實現點對點的通訊。

PPP協議中提供了一整套方案來解決鏈路建立、維護、拆除、上層協議協商、認證等問題。具體包含這樣幾個部分：鏈路控制協議LCP（Link Control Protocol）；網絡控制協議NCP（Network Control Protocol）；認證協議，最常用的包括口令驗證協議PAP（Password Authentication Protocol）和挑戰握手驗證協議CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）。

幀格式與HDLC相似，不同的是PPP是面向字符，HDLC是面向位的。PPP幀格式如下：

看到總共多了8個字節，其中首尾字節都是幀的起始和結束標誌位，A表示地址，C表示控制。

協議的兩個字段，表示後面信息部分的數據協議是什麼，包括：

0x0021——信息字段是IP數據報
0xC021——信息字段是鏈路控制數據LCP
0x8021——信息字段是網絡控制數據NCP
0xC023——信息字段是安全性認證PAP
0xC025——信息字段是LQR
0xC223——信息字段是安全性認證CHAP

PPP協議的工作過程

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PPP通訊是兩個端點之間的通訊，每一端必須首先發送LCP packets數據來設定和測試數據鏈路，當鏈路建立後，peer纔可以被認證，認證完成後，再通過發送NCP packets來選定網絡層協議，這些後續的通訊就可以在網絡層進行了。

具體的過程如下：

1.  鏈路靜止狀態 ：鏈路一定開始並結束於這個階段。當一個外部事件（例如載波偵聽或網絡管理員設定）指出物理層已經準備就緒時，PPP將進入鏈路建立階段。在這個階段，LCP自動機器將處於初始狀態，向鏈路建立階段的轉換將給LCP自動機器一個UP事件信號。

2.  鏈路建立狀態 ：LCP用於交換配置信息包（Configure packets），建立連接。一旦一個配置成功信息包（Configure-Ackpacket）被髮送且被接收，就完成了交換，進入了LCP開啓狀態。所有的配置選項都假定使用默認值，除非被配置交換所改變。有一點要注意：只有不依賴於特別的網絡層協議的配置選項才被LCP配置。在網絡層協議階段，個別的網絡層協議的配置由個別的網絡控制協議（NCP）來處理。在這個階段接收的任何非LCPpackets必須被silentlydiscarded（靜靜的丟棄）。收到LCPConfigure-Request（LCP配置要求）能使鏈路從網絡層協議階段或者認證階段返回到鏈路建立階段。

3.  認證階段 ：在一些鏈路上，在允許網絡層協議packets交換之前，鏈路的一端可能需要peer去認證它。認證是不需要強制執行的。如果一次執行希望peer根據某一特定的認證協議來認證，那麼它必須在鏈路建立階段要求使用那個認證協議。應該儘可能在鏈路建立後立即進行認證。鏈路質量檢查可以同時發生。在認證完成之前，禁止從認證階段前進到網絡層協議階段。如果認證失敗，認證者應該躍遷到鏈路終止階段。

在這一階段裏，只有鏈路控制協議、認證協議，和鏈路質量監視協議的packets是被允許的。在該階段裏接收到的其他的packets必須被靜靜的丟棄。

4.  網絡層協議階段 ：一旦PPP完成了前面的階段，每一個網絡層協議（例如IP，IPX，或AppleTalk）必須被適當的網絡控制協議（NCP）分別設定。比如，NCP可以給新接入的PC機分配一個臨時的IP地址，這樣PC機就成爲Internet上一個主機了。每個NCP可以隨時被打開和關閉。當一個NCP處於Opened狀態時，PPP將攜帶相應的網絡層協議packets。當相應的NCP不處於Opened狀態時，任何接收到的被支持的網絡層協議packets都將被靜靜的丟棄。

5.  鏈路終止階段 ：PPP可以在任意時間終止鏈路。引起鏈路終止的原因很多：載波丟失、認證失敗、鏈路質量失敗、空閒週期定時器期滿、或者管理員關閉鏈路。LCP用交換Terminate（終止）packets的方法終止鏈路。當鏈路正被關閉時，PPP通知網絡層協議，以便他們可以採取正確的行動。交換Terminate（終止）packets之後，執行應該通知物理層斷開，以便強制鏈路終止，尤其當認證失敗時。Terminate-Request（終止-要求）的發送者，在收到Terminate-Ack（終止-允許）後，或者在重啓計數器期滿後，應該斷開連接。收到Terminate-Request的一方，應該等待peer去切斷，在發出Terminate-Request後，至少也要經過一個Restarttime（重啓時間），才允許斷開。PPP應該前進到鏈路死亡階段。在該階段收到的任何非LCPpackets，必須被靜靜的丟棄。

PPPoE協議及其工作過程

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PPPoE: PPP over Ethernet，是經常被用在DSL鏈接上的變種協議(RFC 2516)，另外PPPoA 有時也被使用(PPP over ATM)。

PPPoE一般用在DSL接入網絡，如下圖所示：

PPPoE的報文就是在PPP的報文前面再加上以太網的報頭，使得PPPoE可以通過簡單橋接設備連入遠端接入設備。但這裏我們發現PPPoE報文中的PPP內容與原始的PPP並不相同。

也可參考整個PPPoE的報文（包括Ethernet Frame）：

詳細的說，就是下面的內容：

解釋一下上面PPPoE報文中的關鍵字段的意義。

ETHER_TYPE： 

0x8863	Discovery Stage
0x8864	PPP Session Stage

CODE： 

0x00	PPP Session Stage
0x09	PPPOE Active Discovery Initiation (PADI) packet
0x07	PPPOE Active Discovery Offer (PADO) packet
0x19	PPPOE Active Discovery Request (PADR) packet
0x65	PPPOE Active Discovery Session-confirmation (PADS) packet
0xa7	PPPOE Active Discovery Terminate (PADT) packet

 

TAG_TYPES：（用於Discovery Stage中的協商參數）
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

PPPoE的工作過程分成兩個階段，即發現階段(Discorvery)和PPP會話階段。

發現階段(Discovery Stage)的具體過程如下：

1. 用戶主機用廣播的方式發出PADI (PPPOE Active Discovery Initiatio) 包，準備去獲得所有可連接的接入設備（獲得其MAC地址）；

2. 接入設備收到PADI包後，返回PADO (PPPOE Active Discovery Offer) 作爲迴應；

3. 用戶主機從收到的多個PADO包中，根據其名稱類型名或者服務名，選擇一個合適的接入設備，然後發送PADR (PPPOE Active Discovery Request) 包，另外如果一個用戶主機在發出PADI後在規定時間內沒有收到PADO，則會重發PADI；

4. 接入設備收到PADR包後，返回PAS (PPPOE Active Discovery Session-confirmation) 包，其中包含了一個唯一session ID，雙方進入PPP會話階段。

PPP會話階段，即在session建立後的通訊階段。

另外，無論是用戶主機還是接入設備可隨時發起PADT包，中止通訊。

使用PPPoE進行通訊的整個過程如下圖所示：

原文鏈接:  PPP和PPPoE的工作原理