TCP/IP協議棧之乙太網協議

在數據鏈路層一節，我們虛構了一個網路協議，用於解決多伺服器通訊的主要問題。 接下來，介紹一個真實的數據鏈路層協議——乙太網協議。

使用乙太網協議進行通信的實體間，必須通過某種介質直接相連。 通信介質可以是真實的物理設備，如網線、 網卡 等； 也可以是通過虛擬化實現的虛擬設備。

乙太網協議在這類通信中，主要解決定址以及復用/分用兩大問題。

乙太網幀

乙太網協議與數據鏈路層中虛構出來的協議幾乎一摸一樣。

在乙太網中，數據通信的基本單位是乙太網幀( )。協議規定乙太網幀的數據格式如下(注意這裡的單位為位元組而不是比特了)：

乙太網幀：目的地址、源地址、類型、數據、校驗和

是不是有種似曾相識的感覺！

乙太網幀，分為頭部( )、數據( )以及校驗和( )總共 大部分。

其中，頭部依次是一個 位元組長的目的地址，用於標記數據由哪台機器接收； 一個 位元組長的源地址，用於標記數據由哪台機器發送； 一個 位元組長的類型，用於標記數據包該如何處理， 表示承載的是一個 包(後續介紹)。

除了長度有所拓展之外，跟我們虛構出來的協議並無二致。 對了，有一點差異——真實的協議中，目的地址放在最前面。 這其中有什麼特殊考慮嗎？

確實是有的。 接收方收到數據最先處理目的地址，如果發現數據不是自己的，後面的欄位以及數據就無需處理了。 基礎網路協議影響方方面面，設計時處理效率也是一個非常重要的考量。

數據可以是任何需要發送的信息，長度可變， 至 個位元組。 數據還有另一個更形象的稱謂，負荷( )。 自己腦補數據搭載交通工具旅行的畫面。

哈哈，跟我們假設的套路一模一樣！

網卡

現實世界中，計算機通過網線連接到一起：

乙太網網路

每台通過網線通訊的計算機都需要安裝一個硬體設備——網卡( )， 是 的縮寫。

從物理的層面看，網卡負責將比特流轉換成電信號發送出去； 反過來，也負責將檢測到的電信號轉換成比特流並接收。

從軟體的層面看，發送數據時，內核協議棧負責封裝乙太網幀(填充目的地址，源地址，類型和數據並計算校驗和)，並調用網卡驅動發送； 接收數據時，負責驗證目的地址、校驗和並取出數據部分，交由上層協議棧處理。

網卡

每塊網卡出廠時，預先分配了一個全球唯一的 MAC地址 ，並燒進硬體。 不管後來網卡身處何處，接入哪個網路， 地址均不變。 當然，某些操作系統也允許修改網卡的 地址。

混雜模式

正常情況下，網卡忽略目的地址與自己不符的數據幀。 如果想要網卡接收所有數據幀，可以開啟混雜模式：

設置完成之後，網卡 帶上 標誌，代表混雜模式已經開啟。

混雜模式開啟後，網卡接收到的數據，不管目的地址是否是自己，都會提交驅動程序處理。 這在使用 等工具抓包分析網路數據時特別有用。

MAC地址

地址由 個位元組組成( 位)，可以支持 的 次方，也就是 個網路設備(比如網卡)。

全球唯一MAC地址

如圖， 地址 個位元組可以劃分成兩半部分：

位元組長的廠商代碼( )，由國際組織分配給不同的網路設備商；

位元組長的序列號( )，由廠商分配給其生產的網路設備；

以此保證全球唯一性。

冒分十六進位

地址 個位元組如何展示呢？ 能不能當做 ASCII 來解讀並顯示？

恐怕不能。 一個位元組總共有 個位，而 ASCII 只定義了其中的 位。 而且， ASCII 也定義了很多控制字元，能顯示的也只有字母、數字以及一些常用符號。 以上述地址為例，只有 這個位元組是可以顯示的，對應著 。

好在，我們可以用多個可讀字元表示一個原始位元組。 我們將一個位元組分成兩部分，高 位以及低 位，每部分可以用一個十六進位字元來表示。

以 這個位元組為例，可以用兩個字元 表示。 這樣一來，整個地址可以用一個 位元組長的字元串表示： 。 為了進一步提高可讀性，可以在中間插入冒號 ： 。

這就是冒分十六進位( )。

注意到，冒分十六進位總共需要 個位元組。 如果算上結尾處的 ，那麼將是 個位元組，原來的整整 倍！

實驗

實驗網路

如圖，我們用 創建 台虛擬機，依次是 、 以及 。 台虛擬機均安裝 操作系統，這裡我們選擇 。

Virtualbox虛擬機

每台虛擬機均配置兩塊網卡：網卡一用於從宿主 登錄伺服器(虛擬機)； 網卡二則連接到同一個乙太網絡 ：

網卡配置

注意

這裡混雜模式選擇全部允許，即對應網卡開啟混雜模式。

實驗環境搭建完畢，接下來登錄伺服器做實驗！登錄 ，查看網卡信息：

總共有 個網路設備： 是環回設備，從這個設備發送出去的數據幀最終還是送回本機； 是第一塊網卡，用於與宿主機通訊； 是第二塊網卡，連接到我們的實驗乙太網絡 。

其他機器的設備結構也是一樣的，下面列一下每台機器 網卡綁定的地址：

表格-1 enp0s8網卡物理地址

接下來，我們通過乙太網數據幀從 往 發送一個數據。 為了觀察數據，我們先在 以及 上運行 命令，嗅探網路數據包：

接著，使用 命令發送數據幀：

命令 選項指定發送網卡名； 選項是目的 地址，即 伺服器 網卡的地址； 選項指定類型，這裡我們隨便取了一個 ； 選項指定數據，這裡是最經典的

在 上，我們看到了 發送過來的數據包：

注意到，由於數據至少是 位元組，系統自動在 後面填充 位元組。

另外，伺服器 也收到這個數據了：

但是， 檢查數據幀目的地址是 ， 而自己網卡地址是 並不匹配， 便知道這個數據不是自己的。

如果關閉 混雜模式 ， 伺服器網卡將忽略這個數據。

總結

本節，我們學習了一個真實的數據鏈路層協議——乙太網協議，乙太網協議的通信單位為 乙太網幀 ( )。 一個乙太網幀由頭部、數據以及檢驗和部分組成，而頭部又由目的地址、源地址以及類型個欄位組成。

計算機通過乙太網進行通訊，需要安裝 網卡 ，並用網線連接起來。 每塊網卡出廠前，都預先分配一個 全球唯一 的 MAC地址 並燒進硬體。 地址由 個位元組組成，在乙太網協議中用於 定址 。

一般情況下，網卡忽略目的地址與自己不符的數據幀。 開啟 混雜模式 後，網卡將接收所有數據，不管目的地址是什麼。

進度

新技能Get??

下一步

如果你對如何編寫程序發送乙太網數據幀感興趣，那麼可以看看 編程實踐 相關章節。 根據喜歡的編程語言，按需取用：

乙太網編程實踐(C語言)

乙太網編程實踐(Python語言)

訂閱更新，獲取更多學習資料，請關注我們的 微信公眾號 ：

小菜學編程

參考文獻

RFC 894

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！