技術情報｜PPPoE(PPP over Ethernet)

PPPoEの基本
2019-02-07

接続構成

図1 ISP接続例 ISDNを利用したPPP

図2 ISP接続例 ADSLを利用したPPPoE

PPPoE（PPP over Ethernet）は、ADSLやFTTH環境等に使用されるネットワーク接続用プロトコルである。従来のPPPは、アナログ回線やISDN等のWAN環境で使用され、通常のEthernet環境では使用できなかった（図1）。そこで、PPPをEthernet上で使用可能にしたものが、PPPoE（PPPパケットをPPPoEヘッダで包み、ネットワーク機器が、PPPパケットをEthernetパケットして取り扱うことができるようにする）である（図2）。PPPoEを使用するには専用のクライアント（ソフトウェア）が必要で、使用するパソコンにインストールしなければならない（Windows XPではPPPoEクライアントが標準で装備）。

図3 Broadband Routerを使用したISP接続例

そこで、図3のようなBroadband Router（PPPoEクライアント機能およびIPマスカレード機能を装備）使用すると、複数台のPCを同時にInternetへ接続することが可能になる。

図4Broadband Routerを使用したISP接続例

また、NTT東西のフレッツサービスでは複数のISPに接続先を切り替えられることができる。この切り替えはプロバイダから与えられるユーザIDの｢@｣以降の文字を利用してプロバイダの切り替えを行う。
ISPから与えられたユーザ名が"abcde@isp1"の場合、電話局のPPPoEアクセスサーバは｢@｣以降の文字を確認し、ISP1のユーザと判断できる。その後、｢@｣の前の部分をISP１の認証サーバに送信し、通信の確立を行う。

PPPoEの手順

図5PPPoEの手順

PPPoEは、PPPをEthernet上で使用可能にしたもので、大きく分けてPPPoE Discovery StageとPPP Session Stage の2つのステージがある（図5参照）。PPPoE Discovery Stageは、PPPをEthernet上で使用するために、「PPPoEアクセスサーバ」のMACアドレスおよびセッションIDを取得する（下記(1)～(4)、(9)参照）。PPP Session Stageは、実際にPPPをEthernet上で使用し、認証、データ通信を行う（下記(5)～(8)参照）。以下にPPPoEを使用して通信を行う手順を説明する。

(1) 「PPPoEアクセスサーバ」の MAC アドレスを探索 
PPPoE Active Discovery Initiation (PADI)パケットにて、「PPPoEアクセスサーバ」の存在を確認するために、ネットワーク全体に対してブロードキャストする。

(2) Broadband Routerへ応答 
PPPoEアクセスサーバ」がBroadband RouterからPADI パケットを受信後、PPPoE Active Discovery Offer (PADO) パケットを、Broadband Routerへ送信する。これは、「PPPoEアクセスサーバ」のMAC AddressをBroadband Routerに対して通知するものである。

(3) セッションの開始を要求 
Broadband Routerが「PPPoEアクセスサーバ」のPADOパケットを受信後、PPPoE Active Discovery Request (PADR) パケットを「PPPoEアクセスサーバ」へ送信する。これは、Broadband Routerから「PPPoEアクセスサーバ」に対して、PPPoEのセッションIDを要求するものである。

(4) セッションIDを通知 
「PPPoEアクセスサーバ」がPADRパケットを受信後、PPPoE Active Discovery Session-confirmation (PADS) パケットを送信する。これは、「PPPoEアクセスサーバ」からBroadband Routerに対して、セッションID（ユニークな値）を通知するためである。これ以降は、ここで取得したセッションIDを使用し通信を行う。

(5) ～(8) 
(5)～(8)はPPP Session Stageとなり、LCPネゴシエーション、認証、IPCPネゴシエーション、PPP通信（実際のデータ）を行う（用語：LCP、IPCPは図5中にて説明）。

(9) 通信終了要求 
PPPoEセッションの終了を要求するPPPoE Active Discovery Terminate (PADT) パケットを送信する。PPPoEセッション終了要求（PADTパケット）は、Broadband Routerまたは「PPPoEアクセスサーバ」どちらからでも要求できる。

PPPoEパケット
2019-02-07

PPPoEはEthernet上でも通信可能であるため、通常のEthernetパケットを使用する。そのフォーマットを下記に以降に示す。

Ethernetパケット

PPPoE Discovery Stage及びPPP Session Stageで使用する、Ethernet パケットのフォーマットを図6に示す。

図6 Ethernet パケット

  1. Destination Address：宛先MACアドレス。PPPoE Active Discovery Initiation（PADI）では、ブロードキャスト（FF-FF-FF-FF-FF-FF）となる。
  2. Source Address：発信元MACアドレス。
  3. Ether Type：PPPoE Discovery StageとPPP Session Stageを識別するための値。
    0x8863 ：PPPoE Discovery Stage
    0x8864 ：PPP Session Stage
  4. Ethernet Payload：PPPoEヘッダ、PPPoE Payload（データ）、PPPプロトコル識別、PPP Payload（データ）等が入る（2-2項参照）。
  5. Checksum：EthernetパケットのFCS。

Ethernet Payload

thernet Payloadのフォーマットを図7に示す。図7のVer、Type Code、Session ID、LengthがPPPoEヘッダとなる。

図7 Ethernet Payload

  1. Ver：Ver（PPPoEバージョン）フィールドは4ビット長で、0x1に設定される。
  2. Type：Typeフィールドは4ビット長で、0x1に設定される。
  3. Code：CODEフィールドは8ビット長で、PPPoE Discovery Stage及びPPP Session Stageのパケットを識別する。0x09：PPPoE Active Discovery Initiation (PADI)
    0x07：PPPoE Active Discovery Offer (PADO)
    0x19：PPPoE Active Discovery Request (PADR)
    0x65：PPPoE Active Discovery Session-confirmation (PADS)
    0xa7：PPPoE Active Discovery Terminate (PADT)
    0x00：PPP Session Stage
  4. Session ID：Session IDフィールドは16ビット長で、PPPoE Sessionの識別子として、ユニークな値を設定する。但し、PADI、PADO及びPADRパケットの場合は0x0000が設定される。また、0xffffは未定義で使用することはできない。
  5. Length：Lengthフィールドは16ビット長で、PPPoEのPayload長をOctetで設定し、Ethernetヘッダ及びPPPoEヘッダ長は含まない。
  6. PPPoE Payload：PPPoE Payloadは可変長で、PPPoE Discovery StageのTAGタイプ（2-3-1項参照）及びPPP Session Stage（2-3-2項参照）を設定する。

PPPoE Payload

PPPoE Discovery Stage（図6 Ether Typeが0x8863に設定された場合）とPPPoE Session Stage（図6 のEther Typeが0x8864に設定された場合）では、PPPoE Payloadの内容が下記のように変わる。

2.3.1.PPPoE Discovery Stage

Ether Type が0x8863に設定された場合、図8のTAGタイプが設定される。なお、TAGは、PPPoE Payloadに複数設定可能。

図8 Ethernet Payload

  1. TAG Type：TAG タイプフィールドは16ビット長で、TAG VALUEの種別を設定する。
    • 0x0000：End of List
      このパケットにこれ以上のTAGが存在しないことを表す。このフィールドに0x0000が設定された場合は、TAG Lengthの値が0x0000となるが、現在は未使用。
    • 0x0101：Service Name
      次に続くサービス名を表し、TAG_VALUEは、NULLで終了しないUTF-8のキャ ラクターセットを用いる。TAG_LENGTHがゼロの場合、このTAGは全てのサービスを受け入れられることを示す。Service-Name TAGの使用例として、ISP名、サービスのクラスもしくは質の表示がある。
    • 0x0102：AC Name
      特定のPPPoE アクセスサーバを、識別する文字列が次に続くことを示す。トレードマーク、モデル名、シリアル番号情報などの組み合わせ、もしくはMACアドレスのUTF-8表記で表される場合があり、NULLで区切られることはない。
    • 0x0103：Host Uniq
      特定のホスト（例：Broadband Router）からのリクエストに対して応答（PADOもしくはPADS）を行うユニークな値。TAG_VALUEはバイナリーデータで データ長はホストが選択する。PPPoE アクセスサーバがこのTAGを受け取った場合、関連するPADOもしくはPADSレスポンスパケットに このTAGを変更することなく含めなければならない。
    • 0x0104：AC Cookie
      外部からのアタックに対してPPPoEアクセスサーバを防御するために使用される。
    • 0x0105：Vender Specific
      ベンダー固有の情報を伝える場合に使用される。
    • 0x0110：Relay Session ID
      PPPoEパケットの中継を行う場合に使用する。
    • 0x0201：Service Name Error
      要求されたService-Name リクエストが受け入れられなかったことを表す。
    • 0x0202：AC System Error
      PPPoEアクセスサーバがホストのリクエストを実行する際にエラーを検出したことを表す。
    • 0x0203：Generic Error
      致命的なエラーを表す。
  2. TAG Length：TAG Lengthは16ビット長のフィールドで、TAG VALUEの長さをOctetで示す。
  3. TAG VALUＥ：TAG Typeの実際の値を設定する（可変長）。

2.3.2.PPPoE Session Stage

Ether Type が0x8864に設定された場合、PPP Session Stageが開始される。図9にそのフレームフォーマットを示す。

図9 PPP Session フレームフォーマット

PPP Protocol：PPPプロトコルの識別子

0xc021：LCP（Link Control Protocol）
Link制御プロトコル。通信設定要求、通信設定肯定応答、通信設定否定応答、通信設定拒否等をコントロールする。

0xc023：PAP（Password Authentication Protocol）
パスワード認証用プロトコル。

0xc223：CHAP（Challenge Handshake Authentication Protocol）
パスワード認証用プロトコル。

0xc8021：IPCP（Internet Protocol Control Protocol）
接続を行う双方が互いに使用するIPアドレスと、TCPのヘッダ圧縮(Van jakobson圧縮RFC1144）を行うかどうかを決める。

0x0021：Internet Protocol（IP）
PPPにおいて、IPパケットを取り扱うことを表す。

PPPoEパケットのキャプチャ結果
2019-02-07

PPPoEの動作を確認するために、図10の環境を構築し、実際のPPPoEパケットをキャプチャして、各Session開始から終了までを確認する。

図10 接続図

PADIパケットのキャプチャ結果（Broadband Router → PPPoEアクセスサーバ）

図11 PADIのパケットキャプチャ結果

「PPPoEアクセスサーバ」の存在を確認するために（「PPPoEアクセスサーバ」のMACアドレスを知るため」、Broadband Routerからネットワーク全体に対してブロードキャストする。

  • Session IDは、PADIパケットであるため0x0000となる。
  • Host-Uniqは、他のPPPoEホストと識別するために、ユニークなバイナリデータが設定される。
  • Service-NameはLengthが0bytesであるため、設定されていない。

PADOパケットのキャプチャ結果（Broadband Router ← PPPoEアクセスサーバ）

図12 PADOのパケットキャプチャ結果

「PPPoEアクセスサーバ」のMAC AddressをBroadband Routerに対して通知する。

  • 「PPPoEアクセスサーバ」のMAC AddressをSource Addressに設定する。
  • Session IDは、PADOパケットであるため0x0000となる。
  • AC-Nameは「PPPoEアクセスサーバ」のホスト名「flets」が設定される。
  • Service-NameはLengthが0bytesであるため、設定されていない。
    AC-Cookieは、PPPoEホストのセッションを識別するために、ユニー
  • クなバイナリデータが設定される。
  • Host-Uniqは、他のPPPoEホストと識別するために、ユニークなバイナリデータが設定される。

PADRパケットのキャプチャ結果（Broadband Router → PPPoEアクセスサーバ）

図13 PADRのパケットキャプチャ結果

Broadband Routerから「PPPoEアクセスサーバ」に対して、PPPoEのセッションIDを要求する。

  • Session IDは、PADRパケットであるため0x0000となる。
  • Host-Uniqは、他のPPPoEホストと識別するために、ユニークなバイナリデータが設定される。
  • Service-NameはLengthが0bytesであるため、設定されていない。
  • AC-Cookieは、PPPoEホストのセッションを識別するために、ユニークなバイナリデータが設定される。

PADSパケットのキャプチャ結果（Broadband Router ← PPPoEアクセスサーバ）

図14 PADSのパケットキャプチャ結果

「PPPoEアクセスサーバ」からBroadband Routerに対して、セッションID（ユニークな値）を通知する。

  • Session IDを0x0001に設定する。
  • Service-NameはLengthが0bytesであるため、設定されていない。
  • Host-Uniqは、他のPPPoEホストと識別するために、ユニークなバイナリデータが設定される。

LCPネゴシエーションパケットのキャプチャ結果 （Broadband Router ⇔ PPPoEアクセスサーバ）

図15 LCPネゴシエーションのパケットキャプチャ結果

  • Broadband Router、PPPoEアクセスサーバ間で、LCPネゴシエーションを行う。右図はLCP Configure-Request。

PAPネゴシエーションパケットのキャプチャ結果（Broadband Router ⇔ PPPoEアクセスサーバ）

図16 PAPネゴシエーションのパケットキャプチャ結果

  • Broadband Router、PPPoEアクセスサーバ間で、PAP認証を行う。右図はPAP認証のパケット。

IPCPネゴシエーションパケットのキャプチャ結果 （Broadband Router ⇔ PPPoEアクセスサーバ）

図17 IPCPネゴシエーションのパケットキャプチャ結果

  • Broadband Router、PPPoEアクセスサーバ間で、IPCPネゴシエーションを行う。右図はIPCP Configure-Request。

PADTパケットのキャプチャ結果 （Broadband Router ⇔ PPPoEアクセスサーバ）

図18 IPCPネゴシエーションのパケットキャプチャ結果

PPPoEアクセスサーバ」からBroadband Routerに対して、セッション（ID=1）を終了するためにPADTを通知する。

  • Session IDを0x0001に設定する。