嵌入式單片機(jī)PPP協(xié)議的應(yīng)用
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嵌入式單片機(jī)PPP協(xié)議是在單片機(jī)中嵌入PPP協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的PPP數(shù)據(jù)傳輸，使它既可以作為PPP連接的客戶端，也可以作為獨(dú)立的PPP服務(wù)器端來(lái)使用。它在家電控制和小型數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中具有非常廣闊的應(yīng)用前景，并且具有成本低、傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn)，是當(dāng)前單片機(jī)研究的熱門話題之一。
1 PPP的工作原理
PPP采用高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)協(xié)議作為在對(duì)點(diǎn)鏈路上分裝數(shù)據(jù)報(bào)的基本方法。使用可擴(kuò)展的鏈路控制協(xié)議(LCP)來(lái)建立、配置和測(cè)試數(shù)據(jù)鏈路。用網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議簇(NCP)來(lái)建立和配置不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，PPP允許同時(shí)采用多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。
為了建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路上的通信連接，發(fā)送端PPP首先發(fā)送LCP幀，以配置和測(cè)試數(shù)據(jù)鏈路。在LCP建立好數(shù)據(jù)鏈路并協(xié)調(diào)好所選設(shè)備后，發(fā)送端PPP發(fā)送NCP幀，以選擇和配置一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。當(dāng)所選的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議配置好后，便可以將各網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的數(shù)據(jù)包發(fā)送到數(shù)據(jù)鏈路上。配置好的鏈路將一直處于通信狀態(tài)，直到LCP幀或NCP幀明確提示關(guān)閉鏈路，或有其它的外部事件發(fā)生。PPP連接狀態(tài)圖如圖1所示。
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1.1 連接死亡階段
一個(gè)連接的開(kāi)始和結(jié)束都要經(jīng)歷這個(gè)階段。當(dāng)一個(gè)外部事件指示物理層已準(zhǔn)備好并可使用時(shí)，PPP進(jìn)入建立連接階段。此時(shí)，LCP自動(dòng)機(jī)處于初始階段。當(dāng)它向鏈路建立階段轉(zhuǎn)換時(shí)將給LCP自動(dòng)機(jī)發(fā)送一個(gè)UP事件信號(hào)。
1.2 連接建立階段
LCP用于交換配置信息包、建立連接。一旦一個(gè)配置成功的信息包發(fā)送且被接收，就完成了交換，進(jìn)入LCP開(kāi)啟狀態(tài)。所有的配置選項(xiàng)都假定使用默認(rèn)值，除非在配置交換過(guò)程中被改變。只有那些與特定的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議無(wú)關(guān)的選項(xiàng)才會(huì)被LCP配置。收到LCP配置數(shù)據(jù)包將使鏈路從網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議階段或者認(rèn)證階段返回到鏈路建立階段。
1.3 認(rèn)證階段
在某些連接情況下，希望在允許網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議交換數(shù)據(jù)前對(duì)等實(shí)行認(rèn)證。默認(rèn)情況下，是不要求認(rèn)證的。認(rèn)證要求必須在建立連接階段提出，然后進(jìn)入認(rèn)證階段。如果認(rèn)證失敗，將進(jìn)入連接終止階段。在此階段只對(duì)連接協(xié)議、認(rèn)證協(xié)議、連接質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。
1.4 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議階段
一旦PPP完成上述階段，便進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議階段。每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 (例如IP、IPX、AppleTalk等)必須有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議(NCP)單獨(dú)配置，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議都可以隨時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉。此階段，LCP協(xié)議自動(dòng)狀態(tài)機(jī)處于打開(kāi)狀態(tài)，接收到的任何不支持的協(xié)議數(shù)據(jù)包都會(huì)被返回一個(gè)協(xié)議拒絕包，而接收到的所有支持的數(shù)據(jù)包都將被丟棄。此時(shí)，鏈路上流通的是LCP數(shù)據(jù)包、NCP數(shù)據(jù)包以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)包。
1.5 終止連接階段
PPP連接可以隨時(shí)被終止。LCP通過(guò)交換連接終止包來(lái)終止連接。當(dāng)連接被終止時(shí)，PPP會(huì)通知物理層采取相應(yīng)的動(dòng)作。只有當(dāng)物理層斷開(kāi)，連接才會(huì)真正被終止。此階段，接收到的所有非LCP數(shù)據(jù)包都將被丟棄。
2 PPP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
PPP數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如表1所示，PPP協(xié)議標(biāo)志如表2所示。
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每個(gè)PPP數(shù)據(jù)包的開(kāi)始和結(jié)束都有一個(gè)0x7E的數(shù)據(jù)標(biāo)志。在開(kāi)始標(biāo)志后，緊跟2個(gè)HDLC常量：地址常量0xFF和控制常量0x03。協(xié)議域長(zhǎng)度通常為2字節(jié)，表示信息域里包含的是哪種協(xié)議以及它的處理信息。隨后是代碼(Code)、標(biāo)識(shí)符(ID)和長(zhǎng)度域(Length)。事實(shí)上它們都是信息域(Payload)的一部分。信息域長(zhǎng)度最多為1500字節(jié)。代碼部分用來(lái)指示LCP、PAP、IPCP或者CHAP協(xié)議數(shù)據(jù)包中的某種類型。通常情況下，用來(lái)表示IP自尋址信息數(shù)據(jù)包的標(biāo)識(shí)是0x45。ID對(duì)于每一幀來(lái)說(shuō)都是唯一的，所有協(xié)議間的商談和響應(yīng)都通過(guò)ID聯(lián)系在一起。只有當(dāng)PPP協(xié)議幀被壓縮成IP尋址信息包時(shí)例外。這個(gè)時(shí)候ID表示的是一種服務(wù)類型。有效載荷部分是可變的，并能隨著請(qǐng)求和響應(yīng)的變化作相應(yīng)的改變。在IP自尋址情況下，IP數(shù)據(jù)包的大小與PPP協(xié)議幀的大小是兼容的，有效載荷包含有關(guān)協(xié)議的商談和數(shù)據(jù)包的保持。然后是一個(gè)長(zhǎng)度為2字節(jié)循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼，以檢測(cè)數(shù)據(jù)幀中的錯(cuò)誤。由于標(biāo)志字符的值是0x7E，因此當(dāng)該字符出現(xiàn)在信息字段中時(shí)， PPP需要對(duì)它進(jìn)行轉(zhuǎn)義。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：
(1)當(dāng)遇到字符0x7E時(shí)，需連續(xù)傳送2個(gè)字符：0x7D和0x5E，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)志字符的轉(zhuǎn)義。
(2)當(dāng)遇到轉(zhuǎn)義字符0x7D時(shí)，需連續(xù)傳送2個(gè)字符：0x7D和0x5D，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)義字符的轉(zhuǎn)義。
(3)默認(rèn)情況下，如果字符的值小于0x20（例如ASCII控制字符），一般都要進(jìn)行轉(zhuǎn)義。例如，遇到字符0x01時(shí)需連續(xù)傳送0x7D和0x21兩個(gè)字符(這時(shí)，第6個(gè)比特取補(bǔ)碼后變?yōu)?，而前面兩種情況均把它變?yōu)?)。這樣做是防止它們出現(xiàn)在雙方主機(jī)的串行接口驅(qū)動(dòng)程序或調(diào)制解調(diào)器中，因?yàn)樗鼈冇袝r(shí)會(huì)把這些控制字符解釋成特殊的含義。另一種可能是用鏈路控制協(xié)議來(lái)指定是否需要對(duì)這32個(gè)字符中的某些值進(jìn)行轉(zhuǎn)義。默認(rèn)情況下是對(duì)所有的32個(gè)字符都進(jìn)行轉(zhuǎn)義。
關(guān)于PPP協(xié)議的詳盡描述可以參閱RFC1661文檔。
3 單片機(jī)PPP協(xié)議
單片機(jī)PPP協(xié)議是PPP協(xié)議在單片機(jī)中的應(yīng)用，有其特點(diǎn)。單片機(jī)的存儲(chǔ)空間只有64KB，而PPP協(xié)議包括LCP、PAP、IPCP以及NCP等協(xié)議，并且在連接建立后還要用到數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(TCP/IP、UDP等)、各種壓縮協(xié)議等。要把這些協(xié)議完全嵌入單片機(jī)是不可能的，所以只能根據(jù)實(shí)際需要選擇其中的一部分。
例如采用UDP協(xié)議而不是功能相對(duì)齊全但協(xié)議內(nèi)容過(guò)于龐大的TCP/IP協(xié)議來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，傳輸中基本上不使用數(shù)據(jù)壓縮協(xié)議，跳過(guò)單片機(jī)作為服務(wù)器端時(shí)的密碼驗(yàn)證過(guò)程，省略IPX、AppleTalk等網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議等。也就是說(shuō)，本文的單片機(jī)PPP協(xié)議，事實(shí)上只包含了從PPP連接的建立到實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸所必需的協(xié)議，而不包括PPP協(xié)議的所有功能。這種協(xié)議的取舍是由硬件的客觀限制以及實(shí)際的應(yīng)用需要共同決定的。
4 單片機(jī)PPP協(xié)議PPP連接的建立
建立后的單片機(jī)PPP連接狀態(tài)如圖2所示。
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其中，C51系統(tǒng)是已經(jīng)植入PPP協(xié)議的51系列單片機(jī)，電話線部分也可以是某個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一部分，甚至是Internet。
單片機(jī)PPP協(xié)議流程圖如圖3所示。
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PPP連接的建立主要經(jīng)過(guò)三個(gè)階段，分別是LCP協(xié)商、密碼認(rèn)證以及網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議配置。
4.1 LCP處理階段
首先，第一個(gè)LCP數(shù)據(jù)包被服務(wù)器端發(fā)送后，從服務(wù)器端返回一個(gè)PPP拒絕包給除密碼認(rèn)證外的所有選項(xiàng)，接著服務(wù)器端強(qiáng)制認(rèn)證協(xié)議進(jìn)行協(xié)商(先前來(lái)自否定幀的PAP和CHAP都被發(fā)送)。隨后服務(wù)器端返回一個(gè)拒絕包給CHAP，本文用PAP來(lái)代替。然后服務(wù)器端認(rèn)同并返回一個(gè)新的請(qǐng)求，這時(shí)候需要進(jìn)行PAP。接下去對(duì)PAP進(jìn)行確認(rèn)，系統(tǒng)對(duì)字符映射的丟棄進(jìn)行協(xié)商。最后所有控制特性被服務(wù)器端同意丟棄。
下面是由服務(wù)器發(fā)送的一段LCP建立連接的字符串：
0000：7E FF 03 C0 21 01 71 00 2B 01 04 06 40 05 06 3A 5D 8B B4 02 06 00
0016：00 00 00 11 04 06 40 17 04 00 64 00 02 03 04 C0 23 13 09 03 08 00
002C：03 0A 2C 2C 95 7F 7E
對(duì)它進(jìn)行分析如表3。
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4.2 PAP處理階段
首先，系統(tǒng)發(fā)送PAP數(shù)據(jù)包給服務(wù)器端，然后服務(wù)器端通過(guò)用戶ID和密碼驗(yàn)證。
PAP密碼驗(yàn)證協(xié)議在RFC1334中有詳細(xì)定義，主要是為撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)中提供密碼保護(hù)。這個(gè)選項(xiàng)是可選的。在本應(yīng)用軟件中，強(qiáng)制單片機(jī)和PC協(xié)商的選項(xiàng)中，PC要求密碼驗(yàn)證，單片機(jī)端不要求。所以如果PC機(jī)作為服務(wù)器，單片機(jī)需要發(fā)送用戶名和密碼；如果單片機(jī)作服務(wù)器，則沒(méi)有密碼驗(yàn)證的要求。
PAP的格式如圖4所示。
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下面是單片機(jī)發(fā)送PAP的數(shù)據(jù)包：
7E FF 03 C0 23 01 06 00 0C 03 7A 77 6D 03 7A 77 6D…
解析如表4所示。
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單片機(jī)向PC機(jī)發(fā)送PAP數(shù)據(jù)包是在PC機(jī)發(fā)送對(duì)單片機(jī)LCP選項(xiàng)的確認(rèn)之后、PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送IPCP請(qǐng)求之前。
4.3 IPCP處理階段
IPCP是用來(lái)設(shè)置PPP連接中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包括IP地址、IP壓縮協(xié)議、DNS服務(wù)器地址等都是通過(guò)IPCP來(lái)協(xié)商的。首先服務(wù)器端發(fā)送請(qǐng)求進(jìn)行IPCP協(xié)商，然后系統(tǒng)返回一個(gè)拒絕包給除IP地址外的所有操作。由于先前的發(fā)送被拒絕，服務(wù)器端發(fā)送一個(gè)回復(fù)，只包含IP地址。此時(shí)，系統(tǒng)相當(dāng)于服務(wù)器端的IP地址認(rèn)證，然后由請(qǐng)求信息和IP地址來(lái)完成三路握手協(xié)議。接著服務(wù)器端返回一個(gè)包含預(yù)先指派IP地址的拒絕包。此時(shí)連接建立并擁有一個(gè)指定的IP地址。IPCP幀的格式與LCP也是類似的：一字節(jié)的代碼，然后是標(biāo)志，長(zhǎng)度，選項(xiàng)。當(dāng)IP協(xié)議的選項(xiàng)配置完，就可以開(kāi)始通訊了。IPCP的詳細(xì)描述在RFC1332中。
連接建立后，PPP將在原有協(xié)議的基礎(chǔ)上調(diào)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議UDP(User Datagram Protocol)和ICMP(Internet Control Messages Protocol)等。有關(guān)用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議UDP的詳細(xì)資料可參看RFC882、RFC883文檔；Internet信息控制協(xié)議ICMP的詳細(xì)資料可參看文檔RFC792。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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