ADSL中的PPPOE协议.docx

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ADSL中的PPPOE协议

摘要

Internet的快速发展，致使宽带接入成为广大互联网用户最为迫切的需求，ADSL宽带接入技术在众多宽带接入技术中因而能脱颖而出。

ADSL宽带接入技术，即通过PPPOE虚拟拨号连接互联网技术势必成为现代人们分享资源，进行信息交流的主要方式。

本文从介绍ADSL宽带接入技术的特点、系统结构和网络结构，以及几种常用的ADSL应用方式和接入方式入手。

通过对ADSL三种编码调制技术的对比分析，解读ADSL实现用户高速接入Internet网络，实现高速率传递的本质。

重点阐述PPPOE协议，介绍PPPOE协议的特点、工作原理、协议框架与帧结构，并对PPPOE在BAS上的几种实现方式进行了对比分析。

从设计的角度分析PPPOE协议的发送与接收机制，提出了PPPOE协议在Windows系统下实现虚拟拨号连接互联网具体实现方法。

另外对于PPPOE协议应用的一个重要阶段——PPPOE发现，文中详细地介绍了其相关算法流程。

关键词：

ADSL；编码调制；PPPOE协议；PPP会话

Abstract

ThefastdevelopmentofInternet,causebroadbandaccessbecomeintothemosturgentdemandofgeneralInternetuser,TheADSLbroadbandaccesstechnologythuscanfullyexposetalentfrommultitudinousbroadbandaccesstechnology.TheADSLbroadbandaccesstechnology,namelyitwillbecomethefundamentalmodethatthemodernpeoplethroughthehypothesizeddigitdialingofPPPOEconnectionInternettosharetheresources,andcarryonthecommunication.ThisarticlefromintroducesthecharacteristicofADSLbroadbandaccesstechnology,thesystemstructureandthenetworkarchitecture,aswellasseveralcommonlyusedADSLapplicationwayandturningonwayobtaining.ThroughcontrastanalysistheADSLthreekindofcodedmodulationtechnology,recognitiontheADSLrealizeusertoturnontheInternetnetworkwithhighspeed,realizesthehighspeedtransmissionessence.InthistextalsowillelaboratethePPPOEagreement,introducedthecharacteristicofPPPOEagreement,theworkprinciple,theframeworkagreementandtheframestructure,andcontrastanalysiseveralrealizationwaysthathascarriedonthetoPPPOEontheBAS.AnalyzethePPPOEagreement’stransmissionandthereceivemechanismfromthedesignangle,ProposedtheconcreterealizationmethodofPPPOEagreementrealizesthehypothesizeddigitdialingtoconnectionInternetundertheWindowssystem.Moreover,RegardingaimportantstageofPPPOEagreementapplication——PPPOEdiscover,inthearticleintroduceditsrelatedalgorithmflowindetail.

Keywords：

ADSL；Codedmodulate；PPPOEagreement；PPPsession

目录

1引言1

2ADSL技术2

2.1ADSL简介2

2.2ADSL的结构3

2.2.1ADSL网络结构3

2.2.2ADSL系统结构4

2.3ADSL系统的接入模型4

2.4ADSL技术的应用5

3ADSL编码调制技术7

3.1单载波调制编码技术7

3.2多载波调制编码技术8

4PPPOE11

4.1PPPOE协议简介11

4.1.1PPPOE的特点11

4.1.2PPPOE的工作原理12

4.2PPPOE协议框架13

4.3PPP会话14

4.3.1PPP会话终结14

4.3.2PPP会话续传（L2TPVPN）15

4.4PPPOE在BAS上的实现16

4.4.1PPPOE与VLAN的结合16

4.4.2PPPOE对多业务选择的支持17

4.4.3PPPOE对组播的支持17

5WINXP下ADSL中的PPPOE实现19

5.1NDIS体系19

5.2PPPOE的发送/接收机制20

5.2.1发送数据20

4.2.2接收数据21

5.3WINXP下PPPOE配置24

5.4PPPOE协议及其在校园网络中的应用25

6PPPOE发现的算法流程27

6结束语30

致谢31

参考文献32

附页33

1引言

随着互联网技术的飞速发展，上网已经逐渐成为人们日常生活中的重要组成部分。

互联网以其广泛的共享资源、快捷的浏览方式、多姿多彩的相互交流，吸引着越来越多的人投入到广大的互联网空间中来。

而要实现网上的相互交流，拨号网络就成为了我们跨入互联网世界的一条必经之路。

从拨号网络发展至今，人们经过了56kbit/s的调制解调器（Modem）、ISDN，一直到现在的ADSL软件拨号程序。

XDSL[4]是DSL（DigitalSubscriberLine）的统称，意即数字用户线路，是以铜质电话线为传输介质的传输技术的组合。

其中“X”代表着不同种类的数字用户线路技术，包括ADSL、HDSL、VDSL、SDSL等。

各种数字用户线路技术的不同之处主要表现在信号的传输速率和距离，还有对称和非对称（即上行速率和下行速率是否一致）的区别上。

ADSL（AsymmetricalDigitalSubscriberLine）是一种高速数字接入技术，又称为非对称式数字用户线路，是xDSL的一种。

作为非对称传输技术，ADSL在一对铜线上支持上行速率640k～1Mb/s，下行速率l～8Mb/s，有效传输距离在3～5km范围以内。

ADSL的特点是可利用现有的电话线路，通过数字技术进行高速大容量的信息传播，利用ADSL线路向用户提供多路电视广播和Internet的接入业务。

虽然利用ADSL上网速度较以前有了很大的改善，并且便捷了不少，但是仍存在一些问题。

下面，本文将就ADSL技术的发展以及其核心技术的PPPOE是如何在Windows系统下实现宽带拨号、发送数据、接收数据的一系列相关问题进行说明和探讨。

2ADSL技术

近年来随着Internet的迅速发展，对固定连接的高速用户线需求日益高涨，基于双绞铜线的XDSL技术因其以低成本实现用户线高速化而重新崛起，打破了高速通信由光纤独揽的局面。

1994年TIE1.4工作组通过了第一个ADSL草案标准，决定采用DMT作为标准接口，关键是支持6.144Mbit/s甚至更高的速率并能传较远的距离。

ANSI标准将包含一个附录具体规定欧洲制式ADSL标准。

因而ANSI制定的ADSL标准实际上已经是一个准国际标准，CAP码也在争取成为事实标准。

这就意味着ADSL技术将成为人们实现宽带上网的主导。

从国内外市场调查的结果显示，ADSL在未来十几年甚至几十年都会长期存在。

从这个结果，我们可以认为在未来十几甚至几十年里利用ADSL技术仍然是实现宽带上网的主要手段之一。

因而我们在这一章主要介绍一下ADSL技术。

2.1ADSL简介

ADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine），中文名字叫非对称数字用户线路，这对于大多数人来说是个新名词，这并不重要，关键是，当在你身边的电话线两端分别放置ADSLModem时，在这段电话线上便产生了三个信息通道：

一个速率为1.5Mbps-9Mbps的高速下行通道，用于用户下载信息；一个速率为16Kbps-1Mbps的中速双工通道；一个普通的老式电话服务通道；且这三个通道可以同时工作。

当然，具体的通信速率还依赖环路的质量和长度而定。

这就意味着你可以在下载文件的同时在网上观赏你点播的大片，并且通过电话和你的朋友对大片进行一番评论。

注意，最诱人的是这一切都是在一根电话线上，同时进行的。

ADSL是怎么样来实现这一切呢？

在信号处理与编码方式上ADSL采用了高级的数字信号处理技术和新的算法压缩数据，使大量的信息得以在网上高速传输。

我们知道，在现有的较长的铜制双绞线（普通电话线）上传送数据，其对信号的衰减是十分严重的，ADSL在如此恶劣的环境下实现了大的动态范围，分离的通道，以及保持低噪声干扰，其难度可想而知，难怪有人说，ADSL技术是调制解调技术的一个奇迹。

下面我们介绍一下ADSL技术特点。

ADSL接入技术在众多宽带接入中之所以能脱颖而出，成为现代宽带上网的主导，我认为是因为ADSL接入技术本身的特点[4]：

（1）具有很高的传输频率。

速率高是ADSL的最大特点，下行速率可达8Mbit/s，上行速率640Kbit/s，为普通拨号Modem的百倍以上，与普通拨号Modem的最高56K速率，以及N-ISDN128K的速率相比，ADSL的速率优势是不言而喻的。

（2）利用现有电话线投资省。

不需要更改和添加线路，直接使用原有的双绞线。

ADSL作为一种高速传输技术，最大的优点在于先进的调制解调技术，充分利用现有的铜线资源进行传输扩容，无需进行电缆改造和大规模的工程设计。

（3）并行的语音信号与数字信号传输。

可同时“上网”和“通话”与普通电话Modem或ISDN相比,ADSL更为吸引人的地方是：

它在同一铜线上分别传ADSL数据信号和电话音频信号，ADSL数据信号和电话音频信号以频分复用原理调制，与各自频段互不干扰,数据信号并不通过电话交换机设备，减轻了电话交换机的负载，并且不需要拨号。

上网的同时可以使用电话,避免了拨号上网而不能使用电话机的烦恼。

（4）独享带宽安全可靠。

ADSL利用中国电信深入千家万户的电话网络，先天形成星型结构的网络拓扑构造，骨干网络采用中国电信遍布全国的光纤传输，各接点采用ATM宽带交换机处理交换信息，信息传递快速可靠安全。

充足的带宽为以后的VOD服务提供了传输的基础。

ADSL技术标准规范最早是由ANSI提出的速率可达6.144Mbit/s的ADSL标准T1.413，欧洲技术标准协会（ETSI）根据T1.413标准增加了附件，以适应欧洲的需求，称为T1E1.4标准，标准的附件包含了用户端的复用接口、网络配置和管理协议以及其他的改进。

国际电信联盟ITU-T根据以上标准规范，制定了ADSL国际通用标准[1]，主要包括：

（1）G.992.1建议，定义ADSL收发器（G.dmte）规范。

（2）G.992.2建议，定义无分离器ADSL收发器（G.lite）规范。

信息产业部相应制定了我国的相关行业标准：

（1）YDN078-1998接入网技术要求—非对称数字用户线（ADSL）。

（2）YD/T1055-2000接入网设备测试方法—带话音分离器的不对称数字用户线。

2.2ADSL的结构

为了全面了解ADSL工作的结构和原理，我们下面从网络结构，系统结构两个方面来对ADSL进行剖析。

2.2.1ADSL网络结构

以端到端的基于ADSL的网络为例，一般来说，它可以分为如下四个子网[10]部分：

（1）用户前端网络。

用户前端网络（CPN：

CustomerPremiseNetwork）包括用户家庭、办公室和小型企业，每一种类型的CPN都可包括一台或多台PC机。

当有多台PC机时，它们连接在一个局域网上，利用路由器或者代理服务器作为网关与外部网络相连。

（2）接入网络。

ADSL接入网络包括中心机房中的ATU-C和接入复用器，以及在客户端与本地回环网路相连的ATU-R。

（3）本地宽带网络。

本地宽带网络通常是建立在光同步数字传输网SDH结构上的，连接一个区域内的中心机房。

ATM技术应用在SDH网络基础上为中心机房之间提供宽带连接。

（4）服务提供商网络。

服务提供商网络包括ISP的接入点（POP）、信息提供商网络、企业网络以及地区操作中心（ROC：

RegionalOperationCenter）。

2.2.2ADSL系统结构

ADSL使用普通电话线，在用户线两端各安装一个ADSL调制解调器该调制解调器采用了频分复用（FDM）技术，将带宽分为3个频段部分，如图2-1所示，最低频段部分为0～4kHz，用于传送传统电话信号；中间频段部分为20～50kHz，用于速率为16k～1Mb/s的中速全双工通道，主要是ADSL控制信息和上行数据信息的传递；最高频段部分为150～550kHz或140 k～1.1MHz，用于1.5Mb/s或9Mb/s的高速下行数字信息的传送。

图2-1ADSL调制解调器频谱利用的划分

ADSL技术能同时提供电话和高速数据业务，为此应在现有的双绞线的两端接入分离器，电话分离器通常是无源的，这样在停电时不会影响传统电话的使用。

他利用低通滤波器将电话信号和数字信号分开，即分离出承载音频信号的4kHz以下的低频带和ADSLModem调制用的高频带。

用户端连接图如图2-2所示。

其工作流程是：

经ADSLmodem编码后的信号通过电话线传到电信局后，再通过一个信号识别/分离器，如果是语音信号就传到交换机上，如果是数字信号就接入Internet。

图2-2用户端连接图

2.3ADSL系统的接入模型

ADSL宽带接入通信网络系统不需要修改任何现有协议和网络结构，实际上要做的就是在电信公司的线路出口和用户的电话线路入口各加一台ADSLModem，即可在互联网与用户间架起一座高速通道。

最关键的是，它可以使用最常见的铜线双绞线，非常灵活地根据用户配置ADSL设备，为用户提供更多的网上服务。

下面我从接入模型图2-3来理解其实际结构。

数字信号

模拟信号

    图2-3ADSL的接入模型[1]

中央交换局端模块包括在中心位置的ADSLModem和接入多路复合系统，处于中心位置的ADSLModem被称为ATU－C（ADSLTransmissionUnit－Central）。

接入多路复合系统中心Modem通常被组合成一个被称作接入节点，也被作"DSLAM"（DSLAccessMultiplexer）。

远端模块由用户ADSLModem和滤波器组成，用户端ADSLModem通常被称为ATU－R（ADSLTransmissionUnit－Remote）。

2.4ADSL技术的应用

通过PPPoE虚拟拨号连接互联网是近几十年来个人用户连接互联网的主要方式。

ADSL技术的全面发展和普及给PPPoE的深入发展和研究提供了新的领地，也更好地实现了快捷、安全的上网方式。

ADSL的宗旨是通过普通电话提供高速数据通信和交互视频功能。

ADSL宽带不仅是目前家庭用户高速接入的最佳方法，而且在局域网高速接入方面，也显示了其潜力。

它提供了灵活的接入方式，即专线方式与虚拟拨号方式。

专线方式即用户24小时在线，用户具有静态IP地址，可将用户局域网接入，主要面对的是中小型公司用户。

采用专线接入的用户只要开机即可接入Internet。

虚拟拨号方式主要面对上网时间短、数据量不大的用户，如个人用户及中小型公司等。

这里的“虚拟拨号”是指根据用户名与口令认证（比较类似Modem和ISDN的拨号程序），接入相应的网络，并没有真正的拨电话号码，费用也与电话服务无关。

应用ADSL，可实现家庭用户宽带接入、单位局域网接入以及网络互联。

ADSL能很好的支持范围广阔的高带宽应用，例如高速互联网接入、远程通信、虚拟专用网（VPN）和稳定的多媒体内容。

传统的拨号数据网技术对于以上这些业务的支持要么不能支持，要么支持得不够。

通常的ADSL接入有如下几种方式：

（1）单机接入。

如果用户家中只有一台计算机可以向电信部门申请ADSL线路，其结构如图2-4所示

图2-4ADSL用户在用户端的设备连接图

（2）家庭双机共享。

现在越来越多的家庭有2台以上计算机，如果仅有2台计算机想通过一部电话上网，可选择一台性能较好，并且固定使用的计算机做代理服务器，为其安装双网卡，一块网卡与ADSLModem的LAN接口连接，另一块网卡使用交叉的网线与另一台计算机相连接。

然后将配置较好的计算机通过网络管理软件设置成代理服务器，另一台计算机设置成共享模式，这样这台计算机就可以通过“代理服务器”宽带上网了。

当然那台作为“代理服务器”的计算机要一直开机。

（3）局域网共享接入。

局域网共享接入大致有两种方法，即用HUB构造小型局域网和采用专线方式，下面就这两种方式作具体实现。

方法一、用HUB构造小型局域网，将一台性能较好的计算机配置成代理服务器，安装双网卡，将一块网卡与ADSLModem的LAN口连好，另一块网卡使用直连线与HUB相连。

本地局域网上的客户机通过该服务器访问外部信息资源。

这样只需申请一个IP地址，其他本地客户机可采用保留IP地址。

方法二、采用专线方式，为局域网上的每台计算机向电话局申请一个IP地址，这样无需设置代理服务器便可实现资源的共享。

只是目前电话局所能提供的IP地址数是有限。

3ADSL编码调制技术

ADSL技术之所以能够实现用户高速接入Internet网络，实现很高的传递速率，一个很重要的原因是采用先进的编/解码技术。

主要有两种：

单载波调制技术[1]、多载波调制技术[1]。

下面我对这两种技术做对比性的介绍。

3.1单载波调制编码技术

在双绞线传输研究中，传统的方法是采用单载波串行方式，即利用自适应均衡及格状预编码等技术对信道进行自适应修正。

单载波的含义是指信号频率独占信道所有带宽，2B1Q、QPSK、QAM和CAP均属于此类技术，而ADSL中使用了QAM和CAP两种单载波技术。

（1）QAM调制技术。

QAM即正交振幅调制，是两个独立的基带波形对两个本相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种一条信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。

QAM调制器的原理图[3]是发送数据在比特／符号编码器内被分成两路（速率各为原来的1／2），分别与一对正交调制分量相乘，求和后输出。

与其它调制技术相比，QAM编码具有能充分利用带宽、抗噪声能力强等优点。

图3-1QAM调制原理图

如图3-1示。

在16-QAM的QAM调制中，2bits被编码表示相位的变化，另外2bits被用来表示幅度的变化，所以用了4bits来表示。

QAM用于ADSL的主要问题是如何适应不同电话线路之间性能较大的差异性。

要取得较为理想的工作特性，QAM接收器需要一个和发送端具有相同的频谱和相位特性的输入信号用于解码，QAM接收器利用自适应均衡器来补偿传输过程中信号产生的失真，因此采用QAM的ADSL系统的复杂性主要来自于它的自适应均衡器。

（2）CAP调制技术。

CAP调制技术是以QAM调制技术为基础发展而来的,可以说它是QAM技术的一个变种。

输入数据被送入编码器，在编码器内，m位输入比特被映射为k＝2m个不同的复数符号An＝an＋jbn由K个不同的复数符号构成k-CAP线路编码。

编码后an和bn被分别送入同相和正交数字整形滤波器，求和后送入D/A转换器，最后经低通滤波器信号发送出去。

CAP技术用于ADSL的主要技术难点是要克服近端串音对信号的干扰。

一般可通过使用近端音串音抵消器或近端串音均衡器来解决这一问题。

CAP的系统组成与QAM类似，在接收端采用线性自适应均衡器或自适应判决反馈均衡器进行均衡。

3.2多载波调制编码技术

近年来，多载波技术越来越受到人们的关注，这是因为只要满足各子信道互相正交的条件，就可以大大提高频谱利用率。

同时，因为数据流被分配到互相独立的子信道中，信号码元宽度也随之增大，这就大大降低了噪声及码间干扰以传输的影响。

更为有利的一点是由于调制解调过程中可以利用FFT算法，使得运算复杂性大为降低。

而ADSL技术在多载波这一块主要采用DMT调制技术。

DMT调制技术是多载波调制技术之一，理论上接近香农极限的性能：

将频带（0-1.104MHZ）分割为256个由频率指示的正交子信道（每个子信道占用4KHZ带宽），输入信号经过比特分配和缓存，将输入数据划分为比特块，经TCM编码后再进行512点离散傅利叶反变换（IDFT）将信号变换到时域，这时比特块将转换成256个QAM子字符。

随后对每个比特块加上循环前缀（用于消除码间干扰），经数据模变换（DA）和发送滤波器将信号送上信道，在接收端则按相反的次序进行接收解码。

    图3-4DMT调制技术的实例[4]

上图中，1MHz的带宽被分段为256个4KHz的子频带。

每个子频带在发送端用single-carrier调制技术调制，在接收端则接收各子频带并将其256路载波整合解调制。

由于美国的ADSL国家标准（T1.413）推荐使用DMT技术，所以在今后几年中，将会有越越多ADSL调制解调器采用DMT技术。

由于铜线双绞线的衰减特性，使得近端噪声、远端噪声以及脉冲噪声都与频率有关，DMT根据线路特性，利用数字处理技术中的自适应算法来调整数字滤波器的参数，使误码和串音减小，使用任何子回路的通信容量最大；同时，它对发送器进行自适应初始化，使发送数据动态分配到由频率指示的子信道上，还自适应地跟踪信道变化并更新发送器的相关参数，DMT根据各子信道的中心频率，选取相应载波频率，独立而并行地传输。

在分析DMT系统性能时，为了简单起见，通常要使用一个被称作“SNR差额”（SNRgap）的参数Γ，它可以衡量香农信道容量和信道实际传输能力之间的差距。

如果用C表示理论上每个二维符号代表的比特数，用R表示实际每个二维符号能够传输的比特数，两者的关系可以由下式表示：

（3-1）

也就是说输入功率为P时系统实际可实现的最大速率R等于输入功率为P/г时同一信道的信道容量C。

上述定义成立的前提是噪声分量具有高斯分布，但并不一定是白噪声。

对于许多实际应用，例如包含串话干扰的ADSL系统，这一假定是合理的。

一般来说，Γ是所用编码方案的增益γcs、误码率（BER）Pe和系统性能容限γm的函数。

对于传统的QAM系统有：