PPP 和PPPOE协议介绍

PPP 和PPPOE协议介绍
一．PPP 协议
　 　PPP（Point-to-Point Protocol点到点协议）是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计的链路层协议。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包。设计目的主 要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。
　PPP链路建立过程
　 　PPP协议中提供了一整套方案来解决链路建立、维护、拆除、上层协议协商、认证等问题。PPP协议包含这样几个部分：链路控制协议LCP（Link Control Protocol）；网络控制协议NCP（Network Control Protocol）；认证协议，最常用的包括口令验证协议PAP（Password Authentication Protocol）和挑战握手验证协议CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）。
　　LCP负责创建，维护或终止一次物理连接。NCP是一族协议，负责解决物理连接上运行什么网络协议，以及解决上层网络协议发生的问题。下面介绍PPP链路建立的过程：


　　
　　PPP链路状态机如图1所示。一个典型的链路建立过程分为三个阶段：创建阶段、认证阶段和网络协商阶段。
　　阶段1：创建PPP链路
　 　LCP负责创建链路。在这个阶段，将对基本的通讯方式进行选择。链路两端设备通过LCP向对方发送配置信息报文（Configure Packets）。一旦一个配置成功信息包（Configure-Ack packet）被发送且被接收，就完成了交换，进入了LCP开启状态。 应当注意，在链路创建阶段，只是对验证协议进行选择，用户验证将在第2阶段实现。
　　阶段2：用户验证
　　在这个阶段，客户端会将自己的身份发送给远端的接入服务器。该阶段使用一种安全验证方式避免第三方窃取数据或冒充远程客户接管与客户端的连接。在认证完成之前，禁止从认证阶段前进到网络层协议阶段。如果认证失败，认证者应该跃迁到链路终止阶段。在这一阶段里，只有链路控制协议、认证协议，和链路质量监视协议的packets是被允许的。在该阶段里接收到的其他的packets必须被静静的丢弃。 最常用的认证协议有口令验证协议（PAP）和挑战握手验证协议（CHAP）。 认证方式介绍在第三部分中介绍。
　　阶段3：调用网络层协议
　　认证阶段完成之后，PPP将调用在链路创建阶段（阶段1）选定的各种网络控制协议（NCP）。选定的NCP解决PPP链路之上的高层协议问题，例如，在该阶段IP控制协议（IPCP）可以向拨入用户分配动态地址。 这样，经过三个阶段以后，一条完整的PPP链路就建立起来了。
认证方式
　　1 口令验证协议（PAP）
　　PAP 是一种简单的明文验证方式。NAS（网络接入服务器，Network Access Server）要求用户提供用户名和口令，PAP以明文方式返回用户信息。很明显，这种验证方式的安全性较差，第三方可以很容易的获取被传送的用户名和口 令，并利用这些信息与NAS建立连接获取NAS提供的所有资源。所以，一旦用户密码被第三方窃取，PAP无法提供避免受到第三方攻击的保障措施。
　　2 挑战-握手验证协议（CHAP）
　 　CHAP是一种加密的验证方式，能够避免建立连接时传送用户的真实密码。NAS向远程用户发送一个挑战口令（challenge），其中包括会话ID和 一个任意生成的挑战字串（arbitrary challenge string）。远程客户必须使用MD5单向哈希算法（one-way hashing algorithm）返回用户名和加密的挑战口令，会话ID以及用户口令，其中用户名以非哈希方式发送。
　　CHAP对PAP进 行了改进，不再直接通过链路发送明文口令，而是使用挑战口令以哈希算法对口令进行加密。因为服务器端存有客户的明文口令，所以服务器可以重复客户端进行的 操作，并将结果与用户返回的口令进行对照。CHAP为每一次验证任意生成一个挑战字串来防止受到再现攻击（replay attack）。在整个连接过程中，CHAP将不定时的向客户端重复发送挑战口令，从而避免第3方冒充远程客户（remote client impersonation）进行攻击。
　　PPP协议的应用
　　PPP协议是目前广域网上应用最广泛的协议之一，它的优点在于简单、具备用户验证能力、可以解决IP分配等。
　 　家庭拨号上网就是通过PPP在用户端和运营商的接入服务器之间建立通信链路。 目前，宽带接入正在成为取代拨号上网的趋势，在宽带接入技术日新月异的今天，PPP也衍生出新的应用。典型的应用是在ADSL（非对称数据用户环线， Asymmetrical Digital Subscriber Loop）接入方式当中，PPP与其他的协议共同派生出了符合宽带接入要求的新的协议，如PPPoE（PPP over Ethernet），PPPoA（PPP over ATM）。
　　利用以太网（Ethernet）资源，在以太网上运行PPP来进行用户认证接入的方式称为PPPoE。PPPoE即保护了用户方的以太网资源，又完成了ADSL的接入要求，是目前ADSL接入方式中应用最广泛的技术标准。
　 　同样，在ATM（异步传输模式，Asynchronous Transfer Mode）网络上运行PPP协议来管理用户认证的方式称为PPPoA。它与PPPoE的原理相同，作用相同；不同的是它是在ATM网络上，而PPPoE是 在以太网网络上运行，所以要分别适应ATM标准和以太网标准。
　　PPP协议的简单完整使它得到了广泛的应用，相信在未来的网络技术发展中，它还可以发挥更大的作用。
二．PPPOE协议
　　广域网的modem接入技术面临一些相互矛盾的目标，既要通过同一个用户前置接入设备连接远程的多个用户主机，又要提供类似拨号一样的接入控制，计费等功能，而且要尽可能地减少用户的配置操作。
　　PPPOE的目标就是解决上述问题，1998年后期问世的以太网上点对点协议（PPPoverEthernet）技术是由Redback网络公司、客户端软件开发商RouterWare公司以及Worldcom子公司UUNET Technologies公司在IETFRFC的基础上联合开发的。通过把最经济的局域网技术－以太网和点对点协议的可扩展性及管理控制功能结合在一起，网络服务提供商和电信运营商便可利用可靠和熟悉的技术来加速部署高速互联网业务。它使服务提供商在通过数字用户线、电缆调制解调器或无线连接等方式，提供支持多用户的宽带接入服务时更加简便易行。同时该技术亦简化了最终用户在选择这些服务时的配置操作。
PPPOE特点
　　PPPOE在标准PPP报文的前面加上以太网的报头，使得PPPOE提供通过简单桥接接入设备连接远端接入设备，并可以利用以太网的共享性连接多个用户主机，在这个模型下，每个用户主机利用自身的PPP堆栈，用户使用熟悉的界面。接入控制，计费等都可以针对每个用户来进行。
PPPOE的优点：
.安裝与操作方式类似于以往的拨号网络模式，方便用戶使用。
.用户处的XDSL调制解调器无须任何配置。
.允许多个用户共享一个高速数据接入链路。
.适应小型企业和远程办公的要求。
.终端用户可同时接入多个ISP，这种动态服务选择的功能可以使　ISP容易创建和提供新的业务。
.兼容现有所有的XDSLModem和DSLAM。
.可与ISP有接入结构相融合。
PPPOE的帧格式



参数取值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：
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
协议基本框架
　　PPPOE协议参照RFC2516。PPPOE实现PPP帧在Ethernet上的适配，并提供Ethernet上的PPP连接。图1和图2分别是以太网上的PPPOE协议栈和AAL5上的PPPOE协议栈。如图



PPPOE连接示意图
图3显示了典型的PPPOE的连接方式



PPPOE通信流程
　


PPPOE的LCP配置选项
PPPoverEthernet （RFC2516）建议进行魔数选项协商，不建议进行协议域压缩选项（PFC）协商。实现中必须不请求进行任何下面的选项协商，并且必须拒绝这样选项协商 的请求：FieldCheckSequence(FCS)Alternatives,Address-and-Control-Field-Compression(ACFC),Asynchronous-Control-Character-Map(ACCM) MRU必须不能大于1492。
　　建议接入集中器偶尔向主机发送Echo_Request报文，来决定会话的状态。否则，如果主机没有发送Terminate_Request报文就终止了会话，接入集中器将会不能决定会话已经终止了。
　　当LCP终止，主机和接入集中器必须停止使用这个PPPOE会话。如果主机希望开始另一个PPP会话，它必须返回到PPPOE的发现阶段。



PPPOE的实现过程　
建立一个以太网上点对点协议会话包括两个阶段：
1. 发现（Discovery）阶段
　　在Discovery过程中用户主机以广播方式寻找可以连接的所有接入设备，获得其以太网MAC地址。然后选择需要连接的用户主机并最后获得所要建立的 PPP会话的SESSION_ID。在Discovery过程中节点间是客户端－服务器关系，一个用户主机（客户端）最终要发现一个接入设备（服务器）。在网络拓朴中，一般有不止一个的接入设备可以通信，Discovery阶段允许用户主机发现所有的接入设备，并从中选择一个。当Discovery阶段结束时，用户主机和接入设备之间都获得了可供以太网上建立PPP连接的全部信息。Discovery阶段保持无连接状态直到一个PPP会话的建立。一旦PPP连接建立，则用户主机和接入设备都必须为PPP虚拟端口分配资源。
PPP 会话阶段
　　用户主机与在发现阶段确定的接入设备进行PPP协商。这个协商过程与标准的PPP协商并没有任何区别。在PPP会话阶段节点间是对等关系。
发现（Discovery）阶段详述
典型的发现（Discovery）阶段共包括4个步骤：
　　1. 用户主机发出PPPOE有效发现初始（PADI）包。以太网目的地址为广播地址0xffffffff， CODE 字段为0x09， SESSION_ID为0x0000。PADI包必须至少包含一个服务名称类型（Service-Name）的标签（标签类型字段为0x0101），向接入设备提出所要求提供的服务。一个完整的PADI（包括PPPOE头）不能超过1484字节，以留下充足的预留给agent设备增加Relay- Session-Id标识。
　　2. 接入设备收到在服务范围内的PADI包后，发送PPPOE有效发现提供（PADO）包以响应请求。其CODE字段为0x07 ，SESSION_ID仍为0x0000。PADO包必须包含一个接入设备名称类型（AC-Name）的标签（标签类型字段为0x0102）以及一个或多个服务名称类型标签，表明可向用户主机提供的服务种类。
　　3.用户主机在可能收到的多个PADO包中选择一个合适的接入设备，选择的原则是根据 PADO中接入设备名称类型标签和服务名称类型标签的内容。然后向所选择的接入设备发送PPPOE有效发现请求（PADR）包。其CODE 字段为0x19，SESSION_ID仍为0x0000。PADR包必须包一个服务名称类型标签，确定向接入设备请求的服务种类。当一个用户主机在确定时间没有收到PADO，他会重发一个PADI，同时等待两倍的时间。这种过程可以根据需要重复多次。
　　4.接入设备收到PADR包后准备开始 PPP会话，它发送一个PPPOE 有效发现会话确认（ PADS）包。其CODE 字段为0x65 ， SESSION_ID为接入设备所产生的一个唯一的PPPOE会话标识号码。0xffff作为预留资源，目前不能被使用作SESSION_ID。PADS 包也必须包含一个服务名称类型的标签确认向用户主机提供的服务。当用户主机收到PADS包确认后，双方就进入PPP会话阶段。如果接入设备不能识别 PADR中的服务名称类型的标签，则会回一个包含服务名称错误（ Service-Name-Error ） 标签的PADS ，其SESSION_ID仍然是0x0000。如果用户主机在确定时间没收到PADS包，与没收到PADO作同样处理。
　　还有一种PPPOE有效发现终止（PADT）包，在一个PPP会话建立后它随时可由用户主机或接入设备中任何一方发送，指示PPP会话已终止。PADT包不需要任何标签，其CODE字段为0xa7 ， SESSION_ID 为需要终止的PPP会话的会话标识号码。
安全性
　　为防止DOS（Denial of Service）攻击，接入设备应该可以使用AC-Cookie属性，接入设备应可以根据PADR中的源地址唯一再生成一个值，这样就而已保证PADI的源地址是真正可达，同时限制与这个地址同时连接数量。这个算法细节并没有在RFC2516中具体描述。虽然AC-Cookie在反DOS攻击方面很有效，但它并不能防止所有DOS攻击，在接入设备上也可以采用其他方法来对抗DOS。
常用PPPOE软件
　　PPPOE软件的作用就是连接操作系统的PPP协议和Ethernet协议，并通过PPPOE协议连接。
ISPEnterNet: 由NTS.COM 开发（现在已经并入Efficient Networks这个有名的设备开发制造公司），自己具备独立的PPP协议，可以不依赖操作系统的拨号网络来提供PPP协议，具有直接通过网卡和ISP连接的能力，目前是最通用和流行的PPPOE 软件，并且支持多种操作系统，目前已经提供有Windows，Linux，MacOS的版本,并且根据功能的多少又分为100、300、500等多个系列。该软件的300系列最流行，已经被多家特大型的ISP采用，例如法国电信，中国电信，在其网站提供有30天试用版。
WinPoET: 由iVasion.com 开发（现在已经改为WindRiver 公司）, 它是PPPOE 协议起草者之一，它在PPPOE软件中也占有极大的份额，许多特大型ISP也采用它。它通过操作系统的拨号网络来提供PPP协议，所以在使用上和我们使用普通56K拨号上网非常相似，它只是在后台悄悄地进行着PPPOE服务。它的网站目前停止了该软件的下载评估，软件只批量卖给ISP
RASPPPOE:个人开发的PPPOE驱动软件，小巧精干，没有自己的界面面板完全只是一个驱动程序，也是依靠操作系统拨号网络来提供PPP协议，由于它是以网络协议组件的形式来工作，所以在使用上，完全和使用老式的Modem一样简单。
Access Manager/IHS:实质就是EnterNet 300 ，只是打上了BELL的ISP接入服务部门Sympatico的商标。