PPPoE协议分析与实践

PPPoE（Point-to-Point Protocol over Ethernet）可以称作为以太网上的PPP协议，应用在链路层。PPP（Point-to-Point Protocol）即点对点协议，通常是直连的物理链路网络上，点对点通信。而以太网是互联互通的，所以在以太网上就使用PPPoE协议来实现点对点协议。

PPPoE剖析

1. PPPoE数据包封装格式
   如下为PPP数据包的封装格式（以Telenet数据包为例）：
   

   在以太网上的格式：
   

   通过数据包封装格式就很清楚理解，PPPoE建立在PPP协议之上。

2. PPPoE建立连接
   PPPoE建立连接包括发现阶段与会话阶段

   • PPPoE发现阶段

     • 客户端到服务器
       PADI（PPPoE Active Discovery Initiation）。广播PADI报文，该报文中包含发送者MAC地址，查找DSL-AC（集中器）。
     • 服务器到客户端
       PADO（PPPoE Active Discovery Offer）。服务器DSL-AC使用PADI中提供的MAC地址回复PADO报文。PADO报文中包含DSL-AC的MAC地址、名称以及服务名。
     • 客户端到服务器
       PADR（PPPoE Active Discovery Request）。当客户端收到PADO报文，根据报文中提供的名称和服务，从中选择一个，发送PADR报文给DSL-AC，确认PADO报文。
     • 服务器到客户端
       PADS（PPPoE Active Discovery Session-confirmation）。确认PADR报文，并在其中携带一个会话ID。后续报文交换时使用。
     • 任何一方
       PADT（PPPoE Active Discovery Termination）。终结发现流程。

     总结：发现阶段四次握手

   • PPPoE会话阶段
     会话阶段包括LCP协商、PAP/CHAP认证、NCP协商等阶段。

     • LCP协商
       PPPoE客户端与服务端互相发送LCP Configure-Request报文进行协商，对端需响应Configure-ACK报文，否则会继续发送Configure-Request报文直到超过最大次数。LCP协商成功后建立LCP链路。
       链路建立成功后，PPPoE服务端会周期性向客户端发送LCP Echo-Request报文，客户端需响应Echo-Reply报文，作用是探测链路是否正常。
     • PAP/CHAP认证
       LCP协商完成后，进入认证阶段。
       PAP认证：两次握手，通过用户名和密码对用户认证，PPPoE服务端根据本段的用户表查询用户名密码是否正确。特别注意是：用户名和密码是明文传递的。
       CHAP认证：三次握手，先由服务端给客户端发送一个随机口令，客户端对口令进行加密后发送用户名和加密口令给服务端，服务端根据用户名查找用户表并校验加密口令。
     • NCP协商
       NCP协商用于给客户端分配网络参数，如IP地址。

     总结：会话阶段，客户端进行认证处理并与服务端协商获取网络参数。客户端机器之后就可通过创建虚拟网口如ppp0，配置默认路由规则，将本机网络请求都通过ppp0转发到服务端，通过服务端进行网络连接。

PPPoE编译

需要下载rp-pppoe的源码，然后自行编译安装。

1. 下载rp-pppoe包网站： https://dianne.skoll.ca/projects/rp-pppoe/download/
2. 解压代码之后，直接root权限执行go脚本：./go
3. 执行./go编译后会运行pppoe-setup命令直接设置pppoe客户端配置，也可单独执行这个命令设置

PPPoE验证

1. 配置信息
   配置文件所在路径：/etc/ppp。总结配置信息如下：

   • 服务端配置
     服务端配置包括options,pppoe-server-options,chap-secrets，而options和pppoe-server-options中配置可以重复，无论配置写在哪个文件中，都能够起作用。
     pppoe-server-options配置如下：

     # PPP options for the PPPoE server
     # LIC: GPL
     #require-pap
     require-chap
     #login
     lcp-echo-interval 10
     lcp-echo-failure 2
     logfile /var/log/pppoe.log
     
     auth
     mtu 1482
     mru 1482
     ms-dns 8.8.8.8
     ms-dns 114.114.114.114
     netmask 255.255.255.0
     defaultroute
     noipdefault
     usepeerdns
     

     options中去除#号开启配置，配置信息如下：

     ms-dns 114.114.114.114
     noauth
     crtscts
     local
     lock
     hide-password
     modem
     -pap
     +chap
     proxyarp
     lcp-echo-interval 30
     lcp-echo-failure 4
     noipx
     

     配置中-pap,+chap表示采用chap认证方式，所以在chap-secrets文件中添加用户名密码信息，这里特别有个坑就是默认的chap-secrets文件中一行只有3个数据，ip地址数据没有，需要加上。
     chap-secrets配置例子如下：

     # Secrets for authentication using CHAP
     # client        server  secret                  IP addresses
     
     
     guest  *       123456  *
     

   • 客户端配置
     客户端使用pppoe-connect,pppoe-stop等脚本启动pppoe程序，脚本依赖pppoe.conf，这个配置文件通过pppoe-setup生成配置即可。
     客户端中options文件也打开 -pap, +chap选项。
     同理客户端chap-secrets配置中也要加上ip address参数

     # Secrets for authentication using CHAP
     # client        server  secret                  IP addresses
     
     
     guest  *       123456  *
     

2. 服务端
   在A机器上作为服务端（网口需要有硬件地址），运行pppoe-server程序。
   pppoe-server -I eth0 -L 192.168.1.1 -R 192.168.1.2 -N 20 表示在eth0网口上运行，并给客户端分配192.168.1.2开始的ip地址，最多20个连接
   当有客户端连接请求建立时，查询ps -ef | grep -i ppp进程发现pppoe-server拉起了pppd,pppoe进程

   # ps -ef | grep -i ppp
   root     12304     1  0 20:27 ?        00:00:00 pppoe-server -I eth0-L 192.168.1.1 -R 192.168.1.2 -N 20
   root     12426 12304  0 20:46 ?        00:00:00 pppd pty /usr/sbin/pppoe -n -I eth0 -e 2:00:0c:29:b0:fd:3a -S '' file /etc/ppp/pppoe-server-options 192.168.1.1:192.168.1.3 nodetach noaccomp nopcomp default-asyncmap mru 1492 mtu 1492
   root     12427 12426  0 20:46 ?        00:00:00 sh -c /usr/sbin/pppoe -n -I eth0 -e 2:00:0c:29:b0:fd:3a -S ''
   nobody   12429 12427  0 20:46 ?        00:00:00 /usr/sbin/pppoe -n -I eth0 -e 2:00:0c:29:b0:fd:3a -S
   

   根据进程链分析： pppoe-server为服务端程序，当有连接过来时，拉起pppd程序。pppd进程处理ppp协议，拉起pppoe程序用来基于ppp协议处理pppoe协议，包括发现和会话建立过程。
   连接建立过程中会由pppd程序创建ppp0虚拟网口。

   # ifconfig
   ppp0      Link encap:Point-to-Point Protocol
             inet addr:192.168.1.1  P-t-P:192.168.1.3  Mask:255.255.255.255
             UP POINTOPOINT RUNNING NOARP MULTICAST  MTU:1492  Metric:1
             RX packets:7 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
             TX packets:7 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
             collisions:0 txqueuelen:3
             RX bytes:78 (78.0 B)  TX bytes:87 (87.0 B)
   

   使用killall pppoe-server命令结束程序。

3. 客户端
   客户端执行编译后生成pppoe-connect脚本程序进行连接，同样在客户端查询ps -ef | grep -i ppp进程，结果如下：

   # ps -ef | grep ppp
   root      54175      1  0 20:46 ?        00:00:00 /usr/sbin/pppd pty /usr/sbin/pppoe -p /var/run/pppoe.conf-pppoe.pid.pppoe -I eth0 -T 80 -U  -m 1412    noipdefault noauth default-asyncmap defaultroute hide-password nodetach mtu 1492 mru 1492 noaccomp nodeflate nopcomp novj novjccomp user guest lcp-echo-interval 20 lcp-echo-failure 3
   root      54176  54175  0 20:46 ?        00:00:00 sh -c /usr/sbin/pppoe -p /var/run/pppoe.conf-pppoe.pid.pppoe -I eth0 -T 80 -U  -m 1412
   nobody    54177  54176  0 20:46 ?        00:00:00 /usr/sbin/pppoe -p /var/run/pppoe.conf-pppoe.pid.pppoe -I eth0 -T 80 -U -m 1412
   

   根据进程链分析：pppoe-connect脚本中启动pppd程序，而pppd程序有pty和/usr/sbin/pppoe 及启动参数等启动参数。由pppd拉起pppoe程序处理发现和会话建立过程。
   连接建立过程中会由pppd程序创建ppp0虚拟网口。

   # ifconfig
   ppp0: flags=4305<UP,POINTOPOINT,RUNNING,NOARP,MULTICAST>  mtu 1492
           inet 192.168.1.3  netmask 255.255.255.255  destination 192.168.1.1
           ppp  txqueuelen 3  (点对点协议)
           RX packets 7  bytes 87 (87.0 B)
           RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
           TX packets 7  bytes 78 (78.0 B)
           TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
   

   使用pppoe-stop脚本命令结束ppp连接。