基于Linux內核模式的PPPoE優(yōu)化與實現

PPPOE(Point．to．Point Protoeol over Ethernet)是將PPP協議封裝在以太網幀上進行傳輸，它的通信過程分為探測(Discovery)和PPP會話(Session)2個階段。PPPoE Discovery階段主要是客戶機確定AC(Access Concentrator)以及客戶機與AC協商Session ID。而PPPoE Sess-ion用于完成數據包的接收與發(fā)送，同時它也用于完成PPP鏈路的協商(LCP)，以及網絡層的控制協商(IPCP)等。
傳統的PPPoE先會用Raw socket讀取數據，然后采用用戶態(tài)程序對其封包解包，然后再發(fā)送給內核。但是這種方法會引起大量的內核空間與用戶空間的上下文切換，從而帶來不必要的開銷。而對于實現于內核態(tài)的PPPoE，它會把所有的封包以及解包實現于內核，這樣就大大提高PPPoE的效率。

1 PPPoE協議概述
1. 1 PPPoE Discovery階段
在PPPoE Discovery階段，客戶機首先廣播一個PADI(0x09)幀。收到PADI幀的一個或多個服務器會發(fā)送PADO(0x07)幀，這個包中包含了服務器的各種標識。然后，客戶機會選擇其中一個服務器發(fā)送PADR(0x19)，表明主機選擇了這個服務器。最終，收到PADR(0x65)幀的服務器會為新的會話分配資源并向客戶機發(fā)送PADS(0x65)。當此階段完成，這兩次的對話完成了SESSION_ID以及雙方物理地址，為后續(xù)數據會話打好基礎。
同時PPP協議還提供了一個PADT請求，該請求用于結束這次PPPoE會話。這個請求可以由任何一方發(fā)出，同時代表這次回話的結束，圖1描述整個discovery過程。

1．2 PPPoE Session階段
PPPoE Discovery階段是為整個PPPoE會話獲取雙方物理地址以及Session_ID，這個Session_ID就成為了雙方的通信憑證，在整個會話過程中保持不變。PPP幀數據被封在以太幀中，它在以太幀的標識為0x8864，當碰到0x8864時，就認為是一個PPPoE包。
在PPPoE Session階段，PPPoE除數據傳輸以外，還提供了鏈路的協商(LCP)，以及網絡層的控制協商(IPCP)等其他服務。對于LCP，它主要用于配置和測試數據通信鏈路，用來協商PPP協議的一些配置參數選項；處理不同大小的數據幀：檢測鏈路環(huán)路和一些鏈路的錯誤；終止一條鏈路，其作用類似于IP層的ICMP協議。而對于IPCP，它主要用于動態(tài)地協商客戶機與服務器雙方IP，實際的數據報文交換過程中主要涉及Config-Request、Config-Ack、Config-Nak和Config-Re-ject。圖2描述IPCP協商IP的過程。

2 PPPOE設計實現
從上述PPPoE協議描述中，了解到整個PPPoE會話包括Discovery、鏈路協商和數據傳輸3種交互。這3種數據中，數據傳輸最重要，數據量最大。對于用戶空間模式的PPPoE，數據包收發(fā)需要通過pty，由用戶空間的PPPoE進程處理PPPoE包頭后通過Raw socket收發(fā)。也就是說所有的PPPoE數據封包結果都在用戶空間執(zhí)行，這樣就大大增加了內核空間與用戶空間數據切換的次數。為了減少這種開銷。這里采用一個內核模塊來處理數據的封包解包，這樣就大大減少了內核空間與用戶空間數據切換的次數，提高效率。所以對內核空間模式的PPPoE的處理策略是：Discovery以及鏈路協商交互全部在用戶空間完成，而數據的封解包則通過一個內核模塊在內核空間完成。