pppd源代码分析.doc

（一）PPP驱动程序的基本原理PPP 协议之下是以太网和串口等物理层，之上是IP协议等网络层。这里，对于下层，我们只讨论串口的情况，对于上层，我们只讨论TCP/IP的情况。发送时， TCP/IP数据包经过PPP打包之后经过串口发送。接收时，从串口上来的数据经PPP解包之后上报给TCP/IP协议层。pppd是一个后台服务进程(daemon)，是一个用户空间的进程，所以把策略性的内容从内核的PPP协议处理模块移到pppd中是很自然的事了。pppd实现了所有鉴权、压缩/解压和加密/解密等扩展功能的控制协议。在移动终端向监控中心发送定位信息的过程中，移动终端上的 GPRS 通信程序通过 socket 接口发送 TCP/IP 数据包，内核根据 IP 地址和路由表，找到 PPP 网络接口，然后调用函数 ppp_start_xmit( )，此时控制权就转移到了 PPP 协议模块。函数 ppp_start_xmit( ) 调用函数 ppp_xmit_process( ) 去发送队列中的所有数据包，而函数 ppp_xmit_process( ) 会进一步调用函数 ppp_send_frame( ) 去发送单个数据包。函数 ppp_send_frame( ) 根据前面 pppd 对 PPP 协议模块的设置调用压缩等扩展功能之后，又经函数 ppp_push( ) 调用函数 pch-chan-ops-start_xmit( ) 发送数据包。函数 pch-chan-ops-start_xmit( ) 是具体的传输方式，对于串口发送方式，则是 ppp_async.c:ppp_asynctty_open 中注册的函数 ppp_async_send( )，函数 ppp_async_send( ) 经函数 ppp_async_push( ) 调用函数 tty-driver-write( )（定义在低层驱动程序中）把数据发送到串口 2（GPRS 通信模块接在串口 2 上）。ppp_async.c 在初始化时（ppp_async_init），调用函数 tty_register_ldisc( ) 向 tty 注册了行规程 N_PPP 的处理接口，也就是一组回调函数。在移动终端接收监控中心指令的过程中，当 GPRS 通信模块收到数据时，就会回调 N_PPP 行规程中的函数 ppp_asynctty_receive( ) 来接收数据。函数 ppp_asynctty_receive( ) 调用函数 ppp_async_input( ) 把数据 buffer 转换成 sk_buff，并放入接收队列 ap-rqueue 中。ppp_async 另外有一个 tasklet（ppp_async_process）专门处理接收队列 ap-rqueue 中的数据包，ppp_async_process 一直挂在接收队列 ap-rqueue 上，一旦被唤醒，它就调用函数 ppp_input( ) 让 PPP 协议模块处理该数据包。在函数 ppp_input( ) 中，数据被分成两路，一路是协议控制数据包，放入队列 pch-file.rqb 中，交给 pppd 处理。另外一路是用户数据包，经函数 ppp_do_recv( )、ppp_receive_frame( ) 进行 PPP 协议相关的处理后，再由函数 netif_rx( ) 提交给上层的 TCP/IP 协议模块进行处理，最后经 socket 接口传递给应用层的 GPRS 通信程序。=1) ppp设备是指在点对点的物理链路之间使用PPP帧进行分组交换的内核网络接口设备,由于Linux内核将串行设备作为终端设备来驱动,于是引入PPP终端规程来实现终端设备与PPP设备的接口. 根据终端设备的物理传输特性的不同,PPP规程分为异步规程(N_PPP)和同步规程(N_SYNC_PPP)两种, 对于普通串口设备使用异步PPP规程.2) 在PPP驱动程序中, 每一tty终端设备对应于一条PPP传输通道(chanell),每一ppp网络设备对应于一个PPP接口单元(unit).从终端设备上接收到的数据流通过PPP传输通道解码后转换成PPP帧传递到PPP网络接口单元,PPP接口单元再将PPP帧转换为PPP设备的接收帧. 反之, 当PPP设备发射数据帧时,发射帧通过PPP接口单元转换成PPP帧传递给PPP通道, PPP通道负责将PPP帧编码后写入终端设备.在配置了多链路PPP时(CONFIG_PPP_MULTILINK), 多个PPP传输通道可连接到同一PPP接口单元.PPP接口单元将PPP帧分割成若干个片段传递给不同的PPP传输通道, 反之,PPP传输通道接收到的PPP帧片段被PPP接口单元重组成完整的PPP帧.3) 在Linux-2.4中, 应用程序可通过字符设备/dev/ppp监控内核PPP驱动程序.用户可以用ioctl(PPPIOCATTACH)将文件绑定到PPP接口单元上, 来读写PPP接口单元的输出帧,也可以用ioctl(PPPIOCATTCHAN)将文件绑定到PPP传输通道上, 来读写PPP传输通道的输入帧.4) PPP传输通道用channel结构描述, 系统中所有打开的传输通道在all_channels链表中.PPP接口单元用ppp结构描述, 系统中所有建立的接口单元在all_ppp_units链表中.当终端设备的物理链路连接成功后, 用户使用ioctl(TIOCSETD)将终端切换到PPP规程.PPP规程初始化时, 将建立终端设备的传输通道和通道驱动结构. 对于异步PPP规程来说,通道驱动结构为asyncppp, 它包含通道操作表async_ops.传输通道和接口单元各自包含自已的设备文件(/dev/ppp)参数结构(ppp_file)./dev/ppp设备文件/dev/ppp。通过read系统调用，pppd可以读取PPP协议处理模块的数据包，当然，PPP协议处理模块只会把应该由pppd处理的数据包发给pppd。通过write系统调用，pppd可以把要发送的数据包传递给PPP协议处理模块。通过ioctrl系统调用，pppd可以设置PPP协议的参数，可以建立/关闭连接。在pppd里，每种协议实现都在独立的C文件中，它们通常要实现protent接口，该接口主要用于处理数据包，和fsm_callbacks接口，该接口主要用于状态机的状态切换。数据包的接收是由main.c: get_input统一处理的，然后根据协议类型分发到具体的协议实现上。而数据包的发送则是协议实现者根据需要调用output函数完成的。static const struct file_operations ppp_device_fops = .owner= THIS_MODULE,.read= ppp_read,.write= ppp_write,.poll= ppp_poll,.unlocked_ioctl= ppp_ioctl,.open= ppp_open,.release= ppp_release;（）ppp_init(void)err = register_chrdev(PPP_MAJOR, ppp, &ppp_device_fops);（）ppp_async_init(void)tty_register_ldisc(N_PPP, &ppp_ldisc);（二）ppp相关数据结构struct ppp struct ppp_filefile;/* stuff for read/write/poll 0 */struct file*owner;/* file that owns this unit 48 */struct list_head channels;/* list of attached channels 4c */intn_channels;/* how many channels are attached 54 */spinlock_trlock;/* lock for receive side 58 */spinlock_twlock;/* lock for transmit side 5c */intmru;/* max receive unit 60 */unsigned intflags;/* control bits 64 */unsigned intxstate;/* transmit state bits 68 */unsigned intrstate;/* receive state bits 6c */intdebug;/* debug flags 70 */struct slcompress *vj;/* state for VJ header compression */enum NPmodenpmodeNUM_NP;/* what to do with each net proto 78 */struct sk_buff*xmit_pending;/* a packet ready to go out 88 */struct compressor *xcomp;/* transmit packet compressor 8c */void*xc_state;/* its internal state 90 */struct compressor *rcomp;/* receive decompressor 94 */void*rc_state;/* its internal state 98 */unsigned longlast_xmit;/* jiffies when last pkt sent 9c */unsigned longlast_recv;/* jiffies when last pkt rcvd a0 */struct net_device *dev;/* network interface device a4 */intclosing;/* is device closing down? a8 */#ifdef CONFIG_PPP_MULTILINKintnxchan;/* next channel to send something on */u32nxseq;/* next sequence number to send */intmrru;/* MP: max reconst. receive unit */u32nextseq;/* MP: seq no of next packet */u32minseq;/* MP: min of most recent seqnos */struct sk_buff_head mrq;/* MP: receive reconstruction queue */#endif /* CONFIG_PPP_MULTILINK */#ifdef CONFIG_PPP_FILTERstruct sock_filter *pass_filter;/* filter for packets to pass */struct sock_filter *active_filter;/* filter for pkts to reset idle */unsigned pass_len, active_len;#endif /* CONFIG_PPP_FILTER */struct net*ppp_net;/* the net we belong to */;struct channel struct ppp_filefile;/* stuff for read/write/poll */struct list_head list;/* link in all/new_channels list */struct ppp_channel *chan;/* public channel data structure */struct rw_semaphore chan_sem;/* protects chan during chan ioctl */spinlock_tdownl;/* protects chan, file.xq dequeue */struct ppp*ppp;/* ppp unit were connected to */struct net*chan_net;/* the net channel belongs to */struct list_head clist;/* link in list of channels per unit */rwlock_tupl;/* protects ppp */#ifdef CONFIG_PPP_MULTILINKu8avail;/* flag used in multilink stuff */u8had_frag;/* = 1 fragments have been sent */u32lastseq;/* MP: last sequence # received */int speed;/* speed of the corresponding ppp channel*/#endif /* CONFIG_PPP_MULTILINK */;struct ppp_file enum INTERFACE=1, CHANNELkind;struct sk_buff_head xq;/* pppd transmit queue */ /*传输队列*/struct sk_buff_head rq;/* receive queue for pppd */ /*发送队列*/wait_queue_head_t rwait;/* for poll on reading /dev/ppp */atomic_trefcnt;/* # refs (incl /dev/ppp attached) */inthdrlen;/* space to leave for headers */intindex;/* interface unit / channel number */intdead;/* unit/channel has been shut down */;struct ppp_channel void*private;/* channel private data */struct ppp_channel_ops *ops;/* operations for this channel */intmtu;/* max transmit packet size */inthdrlen;/* amount of headroom channel needs */void*ppp;/* opaque to channel */intspeed;/* transfer rate (bytes/second) */* the following is not used at present */intlatency;/* overhead time in milliseconds */;struct ppp_channel_ops /* Send a packet (or multilink fragment) on this channel. Returns 1 if it was accepted, 0 if not. */int(*start_xmit)(struct ppp_channel *, struct sk_buff *);/* Handle an ioctl call that has come in via /dev/ppp. */int(*ioctl)(struct ppp_channel *, unsigned int, unsigned long);static struct ppp_channel_ops async_ops = ppp_async_send,ppp_async_ioctl;（三）ppp内核发送数据过程应用程序通过socket 接口发送TCP/IP数据包，这些TCP/IP数据包如何流经PPP协议处理模块，然后通过串口发送出去呢？pppd在make_ppp_unit函数调用ioctrl(PPPIOCNEWUNIT)创建一个网络接口（如ppp0），内核中的PPP协议模块在处理PPPIOCNEWUNIT时，调用register_netdev向内核注册ppp的网络接口，该网络接口的传输函数指向ppp_start_xmit。当应用程序发送数据时，内核根据IP地址和路由表，找到ppp网络接口，然后调用ppp_start_xmit函数，此时控制就转移到PPP协议处理模块了。ppp_start_xmit调用函数ppp_xmit_process去发送队列中的所有数据包，ppp_xmit_process又调用ppp_send_frame去发送单个数据包,ppp_send_frame根据设置，调用压缩等扩展处理之后，又经ppp_push调用pch-chan-ops-start_xmit发送数据包。pch-chan-ops-start_xmit是什么？它就是具体的传输方式了，比如说对于串口发送方式，则是ppp_async.c: ppp_asynctty_open中注册的ppp_async_send函数，ppp_async_send经ppp_async_push函数调用tty-driver-write把数据发送串口。ppp_start_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)ppp_xmit_process(struct ppp *ppp)ppp_push(struct ppp *ppp)pch-chan-ops-start_xmit(pch-chan, skb)ppp_async_send(struct ppp_channel *chan, struct sk_buff *skb)ppp_async_push(struct asyncppp *ap)tty-ops-write(tty, ap-optr, avail)（四）ppp内核接受数据过程接收数据的情形又是如何的？ppp_async.c在初始化(ppp_async_init)，调用tty_register_ldisc向tty注册了行规程处理接口，也就是一组回调函数，当串口tty收到数据时，它就会回调ppp_ldisc的 ppp_asynctty_receive函数接收数据。ppp_asynctty_receive调用ppp_async_input把数据buffer转换成sk_buff，并放入接收队列ap-rqueue中。ppp_async另外有一个tasklet(ppp_async_process)专门处理接收队列ap-rqueue中的数据包，ppp_async_process一直挂在接收队列ap-rqueue上，一旦被唤醒，它就调用ppp_input函数让PPP协议处理模块处理该数据包。 在ppp_input函数中，数据被分成两路，一路是控制协议数据包，放入pch-file.rqb队列，交给pppd处理。另外一路是用户数据包，经ppp_do_recv/ppp_receive_frame进行PPP处理之后，再由netif_rx提交给上层协议处理，最后经 socket传递到应用程序。ppp_asynctty_receive(struct tty_struct *tty, const unsigned char *buf, char *cflags, int count)ppp_async_input(ap, buf, cflags, count);ppp_async_process(unsigned long arg)ppp_input(struct ppp_channel *chan, struct sk_buff *skb)if (!pch-ppp | proto = 0xc000 | proto = PPP_CCPFRAG) /* put it on the channel queue */skb_queue_tail(&pch-file.rq, skb); /是控制协议数据包，放入pch-file.rqb队列，交给pppd处理。/* drop old frames if queue too long */while (pch-file.rq.qlen PPP_MAX_RQLEN & (skb = skb_dequeue(&pch-file.rq)kfree_skb(skb);wake_up_interruptible(&pch-file.rwait); else ppp_do_recv(pch-ppp, skb, pch); /进行PPP处理之后，再由netif_rx提交给上层协议处理（五）pppd代码整体框架流程整个程序的主体实现是从主函数的LCP_OPEN()开始的，在这个函数里，调用了有限状态机FSM_OPEN(),而在FSM_OPEN()中，callback指针指向了starting，于是就到了LCP_STARTING()函数来实现一个OPEN事件从而使得PPP状态准备从DEAD到ESTABLISHED的转变。接下来，回到主函数，下面一步是调用START_LINK()，在此函数中会把一个串口设备作为PPP的接口，并把状态转变为ESTABLISHED，然后调用lcp_lowerup()来告诉上层底层已经UP，lcp_lowerup()中调用FSM_LOWERUP()来发送一个configure-request请求，再把当前状态设置为REQSENT状态，至此，第一个LCP协商的报文已经发送出去。接下来的流程实现主要就是在这个while循环中实现了。之前说过了我们已经发送了第一个配置协商报文，所以handle_events()主要就是做等待接收数据包的时间处理了，在handle_events()里主要调用了两个函数一个是wait_input()，他的任务是等待并判断是否超时。还有一个是calltimeout()他主要是做超时的处理。当等待并未超时而且有数据包过来，则调用整个PPPD中最重要的函数get_input()函数。他主要接收过来的数据包并做出相应的动作。接下来就get_input()函数进行详细的说明,首先对包进行判断，丢弃所有不在LCP阶段和没有OPENED状态的包，然后protop指针指向当前协议的input函数。于是就进入了LCP_INPUT()，同理LCP_INPUT()调用了FSM_INPUT()对收到的包进行代码域的判断，判断收到的是什么包。假设比较顺利，我们收到的是CONFACK的包，于是调用fsm_rconack()函数，在此函数中根据当前自身的状态来决定下一步的状态如何改变，这里我们假设也很顺利，已经发送完了configure-ack,因此我们把FSM当前状态变成了OPENED状态，并把callback指针指向UP.所以我们马上就调用LCP_UP()在那里我们又调用了link_established()函数来进入认证的协商，或者如果没有认证则直接进入网络层协议。当然这里我们还是要认证的所有在LINK_ESTABLISHED()里我们选择是利用何种认证方式是PAP,还是EAP，还是CHAP.假设我们这里采用CHAP而且是选择CHAP WITH PEER，意思是等待对端先发送CHALLENGE挑战报文。于是我们又调用了chap_auth_peer()函数，并等待接收挑战报文。于是从新又来到handle_events()等待接收。再利用get_input()来接收包，在get_input()里这次调用chap_input()，再调用FSM_INPUT()，在那里我们再对包的代码域进行判断，这次判断出是CHAP_CHALLENGE包，则我们要调用chap_respond()函数来回应对端，继续等待对方的报文，再次利用CHAP_INPUT()，FSM_INPUT()来判断，如果是SUCCESS，则调用chap_handle_status()，在这个函数里调用auth_withpeer_success函数，从而进入网络层阶段，调用network_phase()函数。网络层的互动是从start_networks()开始的，如果在网络层阶段同时有CCP协议(压缩控制协议)则进行压缩控制协议的协商，然后再进入正式的IPCP的协商，而IPCP的协商主要也是通过protop指针指向IPCP_OPEN()开始的。而IPCP_OPEN()则是调用了FSM_OPEN()，在这里，首先发送一个configure-request包，然后和之前一样等待接收。经过几个交互后最后调用NP_UP()完成网络层的协商，至此PPP链路可以承载网络层的数据包了。（六）pppd程序接受数据过程Example:get_input()read_packet (unsigned char *buf) /get a PPP packet from the serial deviceread(ppp_fd, buf, len);(*protp-input)(0, p, len);-lcp_input(unit, p, len)fsm_input(f, inpacket, l)（七）pppd程序发送数据过程Example:start_link(unit)lcp_lowerup(0);fsm_lowerup(f)fsm_sdata(f, code, id, data, datalen)output (int unit, unsigned char *p, int len)write(fd, p, len)（八）pppoe内核接受数据过程（九）pppoe内核发送数据过程（十）pppoe程序接受数据过程（十一）pppoe程序发送数据过程discovery(conn);sendPADI(conn);waitForPADO(conn, timeout);parsePacket(&packet, parsePADOTags, &pc);sendPADR(conn);waitForPADS(conn, timeout);recei