怎样设计并实现一个基于Linux的PPPoE内核模式拨号？
pppoe（point．to．point protoeol over ethernet）是将ppp协议封装在以太网帧上进行传输，它的通信过程分为探测（discovery）和ppp会话（session）2个阶段。pppoe discovery阶段主要是客户机确定ac（access concentrator）以及客户机与ac协商session id。而pppoe sess-ion用于完成数据包的接收与发送，同时它也用于完成ppp链路的协商（lcp），以及网络层的控制协商（ipcp）等。
传统的pppoe先会用raw socket读取数据，然后采用用户态程序对其封包解包，然后再发送给内核。但是这种方法会引起大量的内核空间与用户空间的上下文切换，从而带来不必要的开销。而对于实现于内核态的pppoe，它会把所有的封包以及解包实现于内核，这样就大大提高pppoe的效率。
1 pppoe协议概述 1. 1 pppoe discovery阶段 在pppoe discovery阶段，客户机首先广播一个padi（0x09）帧。收到padi帧的一个或多个服务器会发送pado（0x07）帧，这个包中包含了服务器的各种标识。然后，客户机会选择其中一个服务器发送padr（0x19），表明主机选择了这个服务器。最终，收到padr（0x65）帧的服务器会为新的会话分配资源并向客户机发送pads（0x65）。当此阶段完成，这两次的对话完成了session_id以及双方物理地址，为后续数据会话打好基础。
同时ppp协议还提供了一个padt请求，该请求用于结束这次pppoe会话。这个请求可以由任何一方发出，同时代表这次回话的结束，图1描述整个discovery过程。
1．2 pppoe session阶段 pppoe discovery阶段是为整个pppoe会话获取双方物理地址以及session_id，这个session_id就成为了双方的通信凭证，在整个会话过程中保持不变。ppp帧数据被封在以太帧中，它在以太帧的标识为0x8864，当碰到0x8864时，就认为是一个pppoe包。
在pppoe session阶段，pppoe除数据传输以外，还提供了链路的协商（lcp），以及网络层的控制协商（ipcp）等其他服务。对于lcp，它主要用于配置和测试数据通信链路，用来协商ppp协议的一些配置参数选项；处理不同大小的数据帧：检测链路环路和一些链路的错误；终止一条链路，其作用类似于ip层的icmp协议。而对于ipcp，它主要用于动态地协商客户机与服务器双方ip，实际的数据报文交换过程中主要涉及config-request、config-ack、config-nak和config-re-ject。图2描述ipcp协商ip的过程。
2 pppoe设计实现 从上述pppoe协议描述中，了解到整个pppoe会话包括discovery、链路协商和数据传输3种交互。这3种数据中，数据传输最重要，数据量最大。对于用户空间模式的pppoe，数据包收发需要通过pty，由用户空间的pppoe进程处理pppoe包头后通过raw socket收发。也就是说所有的pppoe数据封包结果都在用户空间执行，这样就大大增加了内核空间与用户空间数据切换的次数。为了减少这种开销。这里采用一个内核模块来处理数据的封包解包，这样就大大减少了内核空间与用户空间数据切换的次数，提高效率。所以对内核空间模式的pppoe的处理策略是：discovery以及链路协商交互全部在用户空间完成，而数据的封解包则通过一个内核模块在内核空间完成。
2．1 pppoe会话初始化 pppoe的初始化包括整个discovery阶段以及session阶段的ipcp和lcp等其他链路协商过程，所有的工作都在用户空间完成，图3描述了整个初始化的流程。
首先通过raw socket发送pads、padr、pado、padi，当这个请求完成后，得到远端服务器的mac地址以及双方建立起来的session_id。由于后面的内核封包需要用到这些数据，所以需要将这些数据切换到内核空间去。由于数据量较小，则采用proc文件系统完成内核空间与用户空间的数据切换。
对于proc中的数据，设计以下数据格式：接口名词smac dmac session_id rx tx。
其中“接口名词”为接口名称，设计中不再用虚拟ppp接口传输数据，而是将数据迁移到物理网卡上，这样在某种程度上减轻了路由模块的负担，但需要去proc文件读取接口名称以此判断该物理接口是否启用pppoe拨号。“smac”和“dmac”参数为双方的mac地址，在内核封包中用到。“session_id”双方建立起来的session_id，也用于内核封包。而“rx”和“tx”是用于记录最后一次解包与封包的时间点，该数据用于按需拨号。
在建立好ppp连接后就进行ipcp协商，这个过程将为协商到双方的ip的地址，并将这个ip地址配置到物理口上，而这些数据将通过ppp口通信。除此之外，还需要为pppoe链路配置相应的路由、更新arp列表以及获取相应的dns服务器地址。
2．2 pppoe数据接收 pppoe数据接收主要是对数据进行解包，其全部动作在内核空间完成。当一个pppoe数据包从网卡驱动里面读出来时，是一个完整的pppoe包。而上层模块无法识别这样的包，所以需要将中间的那些ppp协议数据从包中剥离出来，使其变成一个普通的ip数据包，图4描述了pppoe接收数据的整体流程。
当从网卡驱动上读取数据时，也就是获取数据的skb，首先需要判断这个skb是否有效，然后再判断该网卡是否起动了pppoe服务，很显然这里需要读取proc的接口信息。如果已经pppoe拨号服务，还需要判断该包是不是一个lcp或者ipcp等其他协商数据，也就是判断协议域的数据是不是0x0021。因为如果是协商数据，则不需要解包，而直接将其转发到ppp虚拟接口上。对于具体的解包过程将进行代码分析。解完包以后该数据包就属于普通的ip包，后续流程与普通的ip包处理相同。
2．3 pppoe数据发送 pppoe数据发送流程基本上是数据接收的逆过程，图5描述整个数据发送过程。首先从用户空间或者forwarding模块获取一个数据包，这个数据包属于正常的ip包。很显然这个包是无法发送到ppp链路上的，因为pppoe服务器并不识别这样的数据包。所以需要利用proc文件中的session_id、远端mac和本地mac数据来封装ip包，使其成为一个标准的ppp包。
2．4 核心代码实现 整个pppoe内核模式拨号的核心代码主要集中在内核模块上，该模块主要功能有proc文件读写、数据包的封装、解包等操作，下面是这个内核模块的包封装的部分程序。
以上只是部分代码，由于代码太多，而且很多代码和项目的硬件抽象层模块（hal）息息相关，所以在此不再详细阐述。具体可以参考lin-ux内核中pppoe模块里面的代码，虽然工作的层次有点不一样，但是总体的思路是一样的，本文的实现代码基本上也是参考的linux内核中pp-poe的代码。
3 结束语 本文主要描述了pppoe内核模式拨号的设计与实现，该模式将封包动作从用户空间转移到内核空间，从而大大降低了内核空间与用户空间切换的次数，目前这种内核模式下的拨号已经大量地应用于各种网关产品中。虽然pppoe是一种非常成熟的技术，linux内核也已开始支持pp-poe内核态拨号，同时由卡耐基梅隆大学开发的pppd开源项目已经广泛应用于各种网关产品中，但是熟悉整个内核态拨号的流程是非常重要的，同时pppd目前还存在一些bug，在项目开发的过程中还需做大量修改。本文提供解决方案有别于传统的通过ppp虚拟接口来传输数据的方案，在某种程度上也降低了路由模块的工作任务，尤其是需要实现多路pppoe的时候。另外该设计方案在linux2．6．18上已经成功通过测试，并投入使用。
新型射频前端解决方案(TriQuint)
智能物联网有哪些应用场景？SKYLAB无线模块带您了解
适用于任何预算的前7款USB示波器
大数据告诉你，那些相机、镜头才是最好的！
三极管是什么意思 三极管的分类 三极管的主要参数
怎样设计并实现一个基于Linux的PPPoE内核模式拨号？
SKY65366-21：400 MHz发送/接收前端模块,大功率射频模块在SUB-1G方案
冯军称将以LED灯切入新能源 四处鞠躬被指炒作
电位器选用与代换经验,how to Selection Potentiometer
基于Android开发的ADT获取内存中的敏感信息
静态断路器的电路图
介绍差分信号的优势
最大功率传输分析
浅谈瑞萨电子无线传感器网络解决方案
电动车换电池小心容量缩水
SMT贴片回流焊的温度控制有哪些要求呢？
基于M-LVDS的数据通信架构介绍
磨工实习教案
在高速网卡中实现可编程传输协议
水痕去除的有效方法有哪些
传统的pppoe先会用raw socket读取数据，然后采用用户态程序对其封包解包，然后再发送给内核。但是这种方法会引起大量的内核空间与用户空间的上下文切换，从而带来不必要的开销。而对于实现于内核态的pppoe，它会把所有的封包以及解包实现于内核，这样就大大提高pppoe的效率。
1 pppoe协议概述 1. 1 pppoe discovery阶段 在pppoe discovery阶段，客户机首先广播一个padi（0x09）帧。收到padi帧的一个或多个服务器会发送pado（0x07）帧，这个包中包含了服务器的各种标识。然后，客户机会选择其中一个服务器发送padr（0x19），表明主机选择了这个服务器。最终，收到padr（0x65）帧的服务器会为新的会话分配资源并向客户机发送pads（0x65）。当此阶段完成，这两次的对话完成了session_id以及双方物理地址，为后续数据会话打好基础。
同时ppp协议还提供了一个padt请求，该请求用于结束这次pppoe会话。这个请求可以由任何一方发出，同时代表这次回话的结束，图1描述整个discovery过程。
1．2 pppoe session阶段 pppoe discovery阶段是为整个pppoe会话获取双方物理地址以及session_id，这个session_id就成为了双方的通信凭证，在整个会话过程中保持不变。ppp帧数据被封在以太帧中，它在以太帧的标识为0x8864，当碰到0x8864时，就认为是一个pppoe包。
在pppoe session阶段，pppoe除数据传输以外，还提供了链路的协商（lcp），以及网络层的控制协商（ipcp）等其他服务。对于lcp，它主要用于配置和测试数据通信链路，用来协商ppp协议的一些配置参数选项；处理不同大小的数据帧：检测链路环路和一些链路的错误；终止一条链路，其作用类似于ip层的icmp协议。而对于ipcp，它主要用于动态地协商客户机与服务器双方ip，实际的数据报文交换过程中主要涉及config-request、config-ack、config-nak和config-re-ject。图2描述ipcp协商ip的过程。
2 pppoe设计实现 从上述pppoe协议描述中，了解到整个pppoe会话包括discovery、链路协商和数据传输3种交互。这3种数据中，数据传输最重要，数据量最大。对于用户空间模式的pppoe，数据包收发需要通过pty，由用户空间的pppoe进程处理pppoe包头后通过raw socket收发。也就是说所有的pppoe数据封包结果都在用户空间执行，这样就大大增加了内核空间与用户空间数据切换的次数。为了减少这种开销。这里采用一个内核模块来处理数据的封包解包，这样就大大减少了内核空间与用户空间数据切换的次数，提高效率。所以对内核空间模式的pppoe的处理策略是：discovery以及链路协商交互全部在用户空间完成，而数据的封解包则通过一个内核模块在内核空间完成。
2．1 pppoe会话初始化 pppoe的初始化包括整个discovery阶段以及session阶段的ipcp和lcp等其他链路协商过程，所有的工作都在用户空间完成，图3描述了整个初始化的流程。
首先通过raw socket发送pads、padr、pado、padi，当这个请求完成后，得到远端服务器的mac地址以及双方建立起来的session_id。由于后面的内核封包需要用到这些数据，所以需要将这些数据切换到内核空间去。由于数据量较小，则采用proc文件系统完成内核空间与用户空间的数据切换。
对于proc中的数据，设计以下数据格式：接口名词smac dmac session_id rx tx。
其中“接口名词”为接口名称，设计中不再用虚拟ppp接口传输数据，而是将数据迁移到物理网卡上，这样在某种程度上减轻了路由模块的负担，但需要去proc文件读取接口名称以此判断该物理接口是否启用pppoe拨号。“smac”和“dmac”参数为双方的mac地址，在内核封包中用到。“session_id”双方建立起来的session_id，也用于内核封包。而“rx”和“tx”是用于记录最后一次解包与封包的时间点，该数据用于按需拨号。
在建立好ppp连接后就进行ipcp协商，这个过程将为协商到双方的ip的地址，并将这个ip地址配置到物理口上，而这些数据将通过ppp口通信。除此之外，还需要为pppoe链路配置相应的路由、更新arp列表以及获取相应的dns服务器地址。
2．2 pppoe数据接收 pppoe数据接收主要是对数据进行解包，其全部动作在内核空间完成。当一个pppoe数据包从网卡驱动里面读出来时，是一个完整的pppoe包。而上层模块无法识别这样的包，所以需要将中间的那些ppp协议数据从包中剥离出来，使其变成一个普通的ip数据包，图4描述了pppoe接收数据的整体流程。
当从网卡驱动上读取数据时，也就是获取数据的skb，首先需要判断这个skb是否有效，然后再判断该网卡是否起动了pppoe服务，很显然这里需要读取proc的接口信息。如果已经pppoe拨号服务，还需要判断该包是不是一个lcp或者ipcp等其他协商数据，也就是判断协议域的数据是不是0x0021。因为如果是协商数据，则不需要解包，而直接将其转发到ppp虚拟接口上。对于具体的解包过程将进行代码分析。解完包以后该数据包就属于普通的ip包，后续流程与普通的ip包处理相同。
2．3 pppoe数据发送 pppoe数据发送流程基本上是数据接收的逆过程，图5描述整个数据发送过程。首先从用户空间或者forwarding模块获取一个数据包，这个数据包属于正常的ip包。很显然这个包是无法发送到ppp链路上的，因为pppoe服务器并不识别这样的数据包。所以需要利用proc文件中的session_id、远端mac和本地mac数据来封装ip包，使其成为一个标准的ppp包。
2．4 核心代码实现 整个pppoe内核模式拨号的核心代码主要集中在内核模块上，该模块主要功能有proc文件读写、数据包的封装、解包等操作，下面是这个内核模块的包封装的部分程序。
以上只是部分代码，由于代码太多，而且很多代码和项目的硬件抽象层模块（hal）息息相关，所以在此不再详细阐述。具体可以参考lin-ux内核中pppoe模块里面的代码，虽然工作的层次有点不一样，但是总体的思路是一样的，本文的实现代码基本上也是参考的linux内核中pp-poe的代码。
3 结束语 本文主要描述了pppoe内核模式拨号的设计与实现，该模式将封包动作从用户空间转移到内核空间，从而大大降低了内核空间与用户空间切换的次数，目前这种内核模式下的拨号已经大量地应用于各种网关产品中。虽然pppoe是一种非常成熟的技术，linux内核也已开始支持pp-poe内核态拨号，同时由卡耐基梅隆大学开发的pppd开源项目已经广泛应用于各种网关产品中，但是熟悉整个内核态拨号的流程是非常重要的，同时pppd目前还存在一些bug，在项目开发的过程中还需做大量修改。本文提供解决方案有别于传统的通过ppp虚拟接口来传输数据的方案，在某种程度上也降低了路由模块的工作任务，尤其是需要实现多路pppoe的时候。另外该设计方案在linux2．6．18上已经成功通过测试，并投入使用。
新型射频前端解决方案(TriQuint)
智能物联网有哪些应用场景？SKYLAB无线模块带您了解
适用于任何预算的前7款USB示波器
大数据告诉你，那些相机、镜头才是最好的！
三极管是什么意思 三极管的分类 三极管的主要参数
怎样设计并实现一个基于Linux的PPPoE内核模式拨号？
SKY65366-21：400 MHz发送/接收前端模块,大功率射频模块在SUB-1G方案
冯军称将以LED灯切入新能源 四处鞠躬被指炒作
电位器选用与代换经验,how to Selection Potentiometer
基于Android开发的ADT获取内存中的敏感信息
静态断路器的电路图
介绍差分信号的优势
最大功率传输分析
浅谈瑞萨电子无线传感器网络解决方案
电动车换电池小心容量缩水
SMT贴片回流焊的温度控制有哪些要求呢？
基于M-LVDS的数据通信架构介绍
磨工实习教案
在高速网卡中实现可编程传输协议
水痕去除的有效方法有哪些