Linux PPP 数据收发流程

PPP（Point-to-Point）提供了一种标准的方法在点对点的连接上传输多种协议数据包，它最常见的用途可能是传统的拨号上网了(据说现在的宽带接入也有采用PPPOE方式的)。在Linux Mobile Phone上，网络应用程序使用PPP作为与GSM模组之间的通信协议，最近遇到了一点关于PPP的麻烦，所以花了点时间去研究它。

 

PPP协议肯定不是最复杂的网络协议，不过pppd、chat、tty、socket、ccp、chap、pap、eap、ecp、ipcp和很多其它概念搅在一起之后，谁都会被搞得晕头转向。我关心的其实是PPP协议中各个实体之间的协作关系，而不是协议的状态转换或者服务的配置，由于没有找到这方面的资料，只好去读RFC，内核、pppd和一些网络工具的代码。

 

PPP协议提供两个实体之间的数据链路连接的建立、维持和释放，负责流量和差错控制等等功能，所以它应该是属于数据链路层协议的。

 

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。

 

网络协议是分层实现的，上层一般只需要知道其直接下层，只有在极少数据情况才使用间接下层的接口。比如，彩信、浏览器和邮件等应用程序使用socket接口编程，它们只需要知道TCP/IP协议，而无需要知道PPP协议的存在。这种分层设计简化了协议的实现和应用程序的开发。

 

问题来了：PPP协议不只是提供了简单的数据链路层功能，它还提供了诸如鉴权(如PAP/CHAP)，数据压缩/解压(如CCP)和数据加密/解密（如ECP）等扩展功能。应用程序要求使用透明化，不关心这些扩展功能的存在，而反过来，PPP协议处理模块本身又无法处理这些策略性的东西，因为它不知道用户名/密码，不知道是否要进行压缩，不知道是否要进行加密。

 

怎么办？如何在对应用程序透明的情况下使用扩展功能呢？上帝说，这个问题必须解决！于是pppd就出现了。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。

 

pppd只是一个普通的用户进程，它如何扩展PPP协议呢？这就是pppd与内核中的PPP协议处理模块之间约定了，它们之间采用了最传统的内核空间与用户空间之间通信方式：设备文件。

 

设备文件名是/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。

 

chat是pppd所带一个辅助工具。呵，它和xchat不是一个类型的，xchat用来与人聊天，而chat用来与GSM模组建立会话。它的实现比较简单，它向串口发送AT命令，建立与GSM模组的会话，以便让PPP协议可以在串口上传输数据包。

 

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函数中调用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。

 

pppd的控制协议数据发送过程如下图所示：

 

反过来，接收数据的情形又是如何的？ppp_async.c在初始化时(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。

数据接收过程如下图所示：