以太网协议

在 数据链路层 一节，我们虚构了一个网络协议，用于解决多服务器通讯的主要问题。接下来，介绍一个真实的数据链路层协议—— 以太网协议 。

使用以太网协议进行通信的实体间，必须通过某种介质直接相连。通信介质可以是真实的物理设备，如网线、 网卡 等；也可以是通过虚拟化实现的虚拟设备。

以太网协议在这类通信中，主要解决 寻址 以及 复用/分用 两大问题。

以太网帧

以太网协议 与 数据链路层 中虚构出来的协议几乎一摸一样。

在以太网中，数据通信的基本单位是 以太网帧 ( Frame )。协议规定以太网帧的数据格式如下(注意这里的单位为字节而不是比特了)：

../_images/97c13f044de260baf0ed8051091dd251.png以太网帧：目的地址、源地址、类型、数据、校验和

是不是有种似曾相识的感觉！

以太网帧，分为 头部 ( Header )、 数据 ( Data )以及 校验和 ( Checksum )总共 3 大部分。

其中，头部依次是一个 6 字节长的 目的地址 ，用于标记数据由哪台机器接收；一个 6 字节长的 源地址 ，用于标记数据由哪台机器发送；一个 2 字节长的 类型 ，用于标记数据包该如何处理， 0x0800 表示承载的是一个 IP 包(后续介绍)。

除了长度有所拓展之外，跟我们虚构出来的协议并无二致。对了，有一点差异——真实的协议中， 目的地址 放在最前面。这其中有什么特殊考虑吗？

确实是有的。 接收方收到数据最先处理 目的地址 ，如果发现数据不是自己的，后面的字段以及数据就无需处理了。基础网络协议影响方方面面，设计时处理效率也是一个非常重要的考量。

数据 可以是任何需要发送的信息，长度可变， 46 至 1500 个字节。数据还有另一个更形象的称谓， 负荷 ( Payload )。自己脑补数据 搭载 交通工具旅行的画面。

哈哈，跟我们假设的套路一模一样！

网卡

现实世界中，计算机通过 网线 连接到一起：

../_images/3026a7ee9579986199ce1c6971fb02ae.png以太网网络

每台通过网线通讯的计算机都需要安装一个硬件设备—— 网卡 ( NIC )， NIC 是 Network Interface Controller 的缩写。

从物理的层面看，网卡负责将比特流转换成电信号发送出去；反过来，也负责将检测到的电信号转换成比特流并接收。

从软件的层面看，发送数据时，内核协议栈负责封装以太网帧(填充 目的地址 ， 源地址 ， 类型 和 数据 并计算 校验和)，并调用网卡驱动发送；接收数据时，负责验证 目的地址 、 校验和 并取出数据部分，交由上层协议栈处理。

../_images/825d32a1e84c6f1ba1c6970fd677e56a.jpg网卡

每块网卡出厂时，预先分配了一个全球唯一的 MAC地址 ，并烧进硬件。不管后来网卡身处何处，接入哪个网络， MAC 地址均不变。当然，某些操作系统也允许修改网卡的 MAC 地址。

混杂模式

正常情况下，网卡忽略目的地址与自己不符的数据帧。如果想要网卡接收所有数据帧，可以开启 混杂模式 ：

  1. fasion@ubuntu:~$ sudo ip link set enp0s8 promisc on
  2. fasion@ubuntu:~$ ip link show enp0s8
  3. 3: enp0s8: <BROADCAST,MULTICAST,PROMISC,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
  4.     link/ether 08:00:27:0e:18:e5 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

设置完成之后，网卡 enp0s8 带上 PROMISC 标志，代表混杂模式已经开启。

混杂模式开启后，网卡接收到的数据，不管目的地址是否是自己，都会提交驱动程序处理。这在使用 tcpdump 等工具抓包分析网络数据时特别有用。

MAC地址

MAC 地址由 6 个字节组成( 48 位)，可以支持 2 的 48 次方，也就是 281474976710656 个网络设备(比如网卡)。

全球唯一

../_images/aedd5053f3b00748b3fae089741d3b5d.jpgMAC地址

如图， MAC 地址 6 个字节可以划分成两半部分：

  • 3 字节长的 厂商代码 ( OUI )，由国际组织分配给不同的网络设备商；
  • 3 字节长的 序列号 ( SN )，由厂商分配给其生产的网络设备；

以此保证全球唯一性。

冒分十六进制

MAC 地址 6 个字节如何展示呢？能不能当做 ASCII 来解读并显示？

恐怕不能。一个字节总共有 8 个位，而 ASCII 只定义了其中的 7 位。而且， ASCII 也定义了很多控制字符，能显示的也只有字母、数字以及一些常用符号。以上述地址为例，只有 0x5B 这个字节是可以显示的，对应着 [ 。

好在，我们可以用多个可读字符表示一个原始字节。我们将一个字节分成两部分，高 4 位以及低 4 位，每部分可以用一个十六进制字符来表示。

以 0x00 这个字节为例，可以用两个字符 00 表示。这样一来，整个地址可以用一个 12 字节长的字符串表示： 0010A4BA875B 。为了进一步提高可读性，可以在中间插入冒号 : ： 00:10:A4:BA:87:5B 。

这就是冒分十六进制( Colon Hexadecimal Notation )。

注意到，冒分十六进制总共需要 17 个字节。如果算上结尾处的 \0 ，那么将是 18 个字节，原来的整整 3 倍！

实验

../_images/7315024ce1bc2ba86f9419e24f1fb27b.png实验网络

如图，我们用 Virtualbox 创建 3 台虚拟机，依次是 ant 、 bee 以及 cicada 。3 台虚拟机均安装 Linux 操作系统，这里我们选择 Ubuntu 16.04 。

../_images/96ea51c90a1bd203d59bc8d247e38204.pngVirtualbox虚拟机

每台虚拟机均配置两块网卡：网卡一用于从宿主 SSH 登录服务器(虚拟机)；网卡二则连接到同一个以太网络 insect ：

../_images/4f8f9e4be6c4202234738affb2b19778.png网卡配置

注意

这里混杂模式选择 全部允许 ，即对应网卡开启 混杂模式 。

实验环境搭建完毕，接下来登录服务器做实验！登录 ant ，查看网卡信息：

  1. fasion@ant:~$ ip link
  2. 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1
  3.     link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
  4. 2: enp0s3: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
  5.     link/ether 08:00:27:15:e4:94 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  6. 3: enp0s8: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
  7.     link/ether 08:00:27:99:7e:e8 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

总共有 3 个网络设备：lo 是环回设备，从这个设备发送出去的数据帧最终还是送回本机；enp0s3 是第一块网卡，用于与宿主机通讯；enp0s8 是第二块网卡，连接到我们的实验以太网络 insect 。

其他机器的设备结构也是一样的，下面列一下每台机器 enp0s8 网卡绑定的地址：

表格-1 enp0s8网卡物理地址
机器物理地址
ant08:00:27:99:7e:e8
bee08:00:27:58:d6:61
cicada08:00:27:0e:18:e5

接下来，我们通过以太网数据帧从 ant 往 bee 发送一个数据。为了观察数据，我们先在 bee 以及 cicada 上运行 tcpdump 命令，嗅探网络数据包：

  1. fasion@bee:~$ sudo tcpdump -eni enp0s8
  2. [sudo] password for fasion:
  3. tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
  4. listening on enp0s8, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes

接着，使用 send_ether 命令发送数据帧：

  1. fasion@ant:~$ sudo send_ether -i enp0s8 -t 08:00:27:58:d6:61 -T 0x1024 -d 'Hello, world!'

send_ether 命令 -i 选项指定发送网卡名；-t 选项是目的 MAC 地址，即 bee 服务器 enp0s8 网卡的地址；-T 选项指定类型，这里我们随便取了一个 0x1024 ；-d 选项指定数据，这里是最经典的 Hello, world!

注解

send_ether 是一个为演示以太网编程而开发的示例程序，提供多种语言版本：

在 bee 上，我们看到了 ant 发送过来的数据包：

  1. fasion@bee:~$ sudo tcpdump -eni enp0s8
  2. [sudo] password for fasion:
  3. tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
  4. listening on enp0s8, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
  5. 18:26:12.203490 08:00:27:99:7e:e8 > 08:00:27:58:d6:61, ethertype Unknown (0x1024), length 60:
  6.     0x0000:  4865 6c6c 6f2c 2077 6f72 6c64 2100 0000  Hello,.world!...
  7.     0x0010:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................
  8.     0x0020:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000       ..............

注意到，由于数据至少是 46 字节，系统自动在 Hello, world! 后面填充 \0 字节。

另外，服务器 cicada 也收到这个数据了：

  1. fasion@cicada:~$ sudo tcpdump -eni enp0s8
  2. [sudo] password for fasion:
  3. tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
  4. listening on enp0s8, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
  5. 18:26:12.498898 08:00:27:99:7e:e8 > 08:00:27:58:d6:61, ethertype Unknown (0x1024), length 60:
  6.     0x0000:  4865 6c6c 6f2c 2077 6f72 6c64 2100 0000  Hello,.world!...
  7.     0x0010:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................
  8.     0x0020:  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000       ..............

但是， cicada 检查数据帧目的地址是 08:00:27:58:d6:61 ，而自己网卡地址是 08:00:27:0e:18:e5 并不匹配，便知道这个数据不是自己的。

如果关闭 混杂模式 ， cicada 服务器网卡将忽略这个数据。

总结

本节，我们学习了一个真实的数据链路层协议—— 以太网协议 ，以太网协议的通信单位为 以太网帧 ( Frame )。一个 以太网帧 由 头部 、 数据 以及 检验和 3 部分组成，而头部又由 目的地址 、 源地址 以及 类型 3 个字段组成。

计算机通过以太网进行通讯，需要安装 网卡 ，并用网线连接起来。每块网卡出厂前，都预先分配一个 全球唯一 的 MAC地址 并烧进硬件。MAC 地址由 6 个字节组成，在以太网协议中用于 寻址 。

一般情况下，网卡忽略目的地址与自己不符的数据帧。开启 混杂模式 后，网卡将接收所有数据，不管目的地址是什么。

进度

../_images/fb28fd42d6a7e8d61ebfab093e8e906d.png新技能Get✔️

下一步

如果你对如何编写程序发送以太网数据帧感兴趣，那么可以看看 编程实践 相关章节。根据喜欢的编程语言，按需取用：

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参考文献