华为路由与交换之PPPoE原理

PPPoE,(Point-to-Point Protocol over Ethernet)承载在以太网上的点到点协议，换句话说就是把PPP的帧通过以太的方式去进行传输。PPP协议的帧是在广域网中传输的，那么现在通过PPPoE协议，也可以让PPP的帧在以太网中进行传输。
相对于以太协议来说，PPPoE具有适用范围广、安全性高、计费方便等特点，可以进行认证和计费，被广大运营商所喜欢。

在早期电话比较普及的时候，运营商会采用电话线去传输网络信号，实际上电话线不能直接传输数字信号,因为它传输的是语音的模拟信号），如果使用电话线来传输数字信号的时候，则会使用一个调制解调器（一般被称之为猫），那么在之前电话座机比较普及的时候，会使用电话线来达到上网的目的，如下图所示是用电话线上网的方式。

由于电话线传输的距离并不是特别远，so对于非运营商用户来说最后一公里采用的是电话线，电话线的一端会连上运营商的DSLAM设备，另一端会连上用户侧的分线器设备，从分线器又分出来两根线，一根用作电话机，另外一根分出来用作调制解调器（猫），从调制解调器中出来用网线连接pc，(在PC上需要设置PPPoE)从pc上发出来的信号是数字信号，通过网线经过调制解调器（猫），这个调制解调器起到一个转换的作用，把数字信号转换成模拟信号，然后通过电话线的方式传到DSLAM中，DSLAM这个设备可以区分出来这个流量是语音流量还是一个上网的流量，如果是上网的流量，再通过以太网传到BRAS设备，在BRAS设备上做一些认证（从BRAS的数据库中匹配用户名，密码等信息），认证通过之后，用户才可以访问运营商的因特网。
数字用户线路DSL(Digital Subscriber Line)是以电话线为传输介质的传输技术，目前比较流行的宽带接入方式为ADSL，ADSL是非对称DSL技术，使用的就是PPPoE协议。DSL是一种利用现有电话网络实现数据通信的宽带技术。在使用DSL接入网络时，用户侧会安装调制解调器，然后通过现有的电话线与数字用户线路接入复用器（DSLAM）相连。DSLAM是各种DSL系统的局端设备，属于最后一公里接入设备。
然后，DSLAM通过高速ATM网络或者以太网将用户的数据流量转发给宽带远程接入服务器（BRAS）。BRAS是面向宽带网络应用的接入网关，位于骨干网的边缘层。

PPPoE在DSL中的应用

如下图所示，在运营商侧配置了PPPoE服务器，在客户端侧配置了PPPoE客户端，主机A往外发送的是以太数据，到达PPPoE客户端之后，发送出去的就是PPPoE的帧了，从Modem（调制解调器）出来之后，传输介质就是电话线了，那么传输的信号就是模拟信号，到达DSLAM之后，会通过网线将PPPoE的帧传送到PPPoE的服务器。

PPPoE报文的格式

PPPoE报文是使用Ethernet格式来进行封装的。如下图所示，PPPoE是封装在DMAC,SMAC,Type后面的，

Ethernet中各字段解释如下表所示：

名称	作用/含义
DMAC	目的设备的MAC地址
SMAC	源设备的以太网MAC地址
Type	协议类型字段，当值为0x8863时表示承载的是PPPoE发现阶段的报文。当值为0x8864时表示承载的是PPPoE会话阶段的报文

PPPoE字段中的各个字段解释如下表所示：

名称	作用/含义
VER	PPPoE版本号，值为0x01
Type	表示类型，值为0x01
Code	表示PPPoE报文类型，不同取值标识不同的PPPoE报文类型
Session ID(PPPoE会话ID)	与以太网SMAC和DMAC一起定义了一个PPPoE会话
Length	表示PPPoE报文的Payload长度，不包括以太网头部和PPPoE头部的长度

PPPoE建立会话过程

PPPoE可分为三个阶段，即发现阶段、会话阶段和会话终结阶段，如下表所示：

阶段	描述
发现阶段	获取对方以太网地址，以及确定唯一的PPPoE会话
会话阶段	包含两部分：PPP协商阶段和PPP报文传输阶段
会话终结阶段	会话建立以后的任意时刻，发送报文结束PPPoE会话

在发现阶段，会获取以太网地址，一个PPPoE服务器下面可能会有很多PPPoe客户端，那么这个服务器需要通过mac地址和pppoe报文里面的session id去区分每一个客户端所对应的PPPoE会话。
会话阶段就是之前博客里提到的PPP协商阶段（LCP的参数协商，认证阶段，NCP的网络协议协商）和PPPoE报文传输阶段，
如果现在要断开PPPoE拨号，就会进入会话终结阶段，断开PPPoE会话。在PPPoE建立会话的过程中会涉及到很多的消息，这些消息会承载在PPPoE协议的报文中。

PPPoE协议报文

PPPoE通过五种类型的报文来建立和终结PPPoE会话,如下表所示

类型	描述	作用
PADI（PPPoE Active Discovery Initiation）	PPPoE发现初始报文	用户主机发起的PPPoE服务器探测报文，目的MAC地址为广播地址。
PADO（PPPoE Active Discovery Offer）	PPPoE发现提供报文	PPPoE服务器收到PADI报文之后的回应报文，目的MAC地址为客户端主机的MAC地址。
PADR（PPPoE Active Discovery Request）	PPPoE发现请求报文	用户主机收到PPPoE服务器回应的PADO报文后，单播发起的请求报文，目的地址为此用户选定的那个PPPoE服务器的MAC地址。
PADS（PPPoE Active Discovery Session Configuration）	PPPoE发现会话确认报文	PPPoE服务器分配一个唯一的会话进程ID，并通过PADS报文发送给主机。
PADT（PPPoE Active Discovery Terminate）	PPPoE发现终止报文	当用户或者服务器需要终止会话时，可以发送这种PADT报文。

PPPoE发现阶段

如下图所示，在这一个网络中有3个PPPoE服务器（一个运营商可能会在网络中部署多个PPPoE服务器，用于冗余备份），首先PPPoE客户端（RTA）并不了解网络中哪里有PPPoE服务器，所以会通过广播发送一个PADI报文，用于发现网络中的PPPoE服务器，这个报文中包含了客户端需要的服务信息。

服务器收到PADI报文之后，会对比自己能够提供的服务，如果能够提供服务，就会通过单播回复一个PADO报文，如下图所示，PPPoE服务器A和服务器B是可以提供客户端（RTA）所需要的服务的，而服务器C提供不了，就会保持沉默，不回复报文。

当PPPoE客户端收到多个PADO报文，会采用最先收到的PADO报文，并通过单播的方式给对应的PPPoE服务器回复PADR报文，告诉对方，我选择了你，如下图所示，PPPoE客户端在三个服务器之间选择了服务器A，就给PPPoE服务器A发送了PADR报文。

当PPPoE服务器收到了客户端发送的PADR之后，会生成唯一的PPPoE Session ID，并发送PADS报文给客户端，会话建立成功，如下图所示。

会话建立成功之后，PPPoE服务器和客户端会进入PPPOE会话阶段。

PPPoE会话阶段

PPPoE会话上的PPP协商和普通的PPP协商方式一致，分为LCP、认证、NCP三个阶段。LCP阶段主要完成建立、配置和检测数据链路连接。LCP协商成功后，开始进行认证，认证协议类型由LCP协商结果决定。认证成功后，PPP进入NCP阶段，NCP是一个协议族，用于配置不同的网络层协议，常用的是IP控制协议（IPCP），它负责配置用户的IP地址和DNS服务器地址等。PPPoE会话的PPP协商成功后，就可以传输PPP数据。
注：PPPoE Session的PPP协商成功后，就可以承载PPP数据报文。在这一阶段传输的数据包中必须包含在发现阶段确定的Session ID并保持不变。

PPPOE会话终结

当PPPoE客户端希望关闭连接时，可以向PPPoE服务器端发送一个PADT报文。同样，如果PPPoE服务器端希望关闭连接时，也可以向PPPoE客户端发送一个PADT报文，此报文用于关闭连接。
在PADT报文中，目的MAC地址为单播地址，Session ID是希望关闭的连接的Session ID。一旦收到一个PADT报文之后，连接随即关闭。
总的来说，PPPoE会话建立过程，如下图所示，PPPoE用户客户端向服务器发送一个PADI报文，开始PPPoE接入,服务器向客户端发送PADO报文,客户端根据自身的情况去回应，发起PADR请求给服务器。可以提供相应要求的服务器会产生一个Session ID，通过PADS发给客户端。客户端和服务器之间进行PPP的LCP协商，建立链路层通信。同时，协商使用认证方式，下图使用的是CHAP认证，服务器通过Challenge报文发送给认证客户端，客户端收到Challenge报文后，并将密码和Challenge做运算后，在Response回应报文中把结果发送给服务器。服务器根据用户发送的信息判断用户是否合法，然后回应认证成功/失败报文，将认证结果返回给客户端。认证成功之后，进行NCP（如IPCP）协商，通过服务器获取到规划的IP地址等参数。

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