TCP IP協議詳解 2 乙太網與WiFi協議

本文**：

在閱讀「tcp-ip協議詳解」系列文章之前，建議閱讀以下兩篇文章，以便對網際網路協議有個快速的全域性了解和把握！

網際網路協議入門(一)

網際網路協議入門(二)

我們在網路協議概觀中說到，乙太網和wifi是連線層的兩種協議。在連線層，資訊以幀(frame)為單位傳輸。幀像信封一樣將資料(payload)包裹起來，並註明收信位址和送信位址。連線層實現了「本地社群」的通訊。我們先來看看乙太網的幀。

幀本身是一段有限的0/1序列。它可以分為頭部、資料(payload)和尾部三部分:

幀按照上面的順序從頭到尾依次被傳送/接收。我們下面進一步解釋各個區域。

幀的最初7個byte被稱為序言(preamble)。它的每個byte都是0xaa(這裡是十六進製制，也就是二進位制的10101010)。通常，我們都會預定好以一定的頻率傳送0/1序列(比如每秒10bit)。如果接收裝置以其他頻率接收(比如每秒5bit)，那麼就會錯漏掉應該接收的0/1資訊。但是，由於網絡卡的不同，傳送方和接收方即使預訂的頻率相同，兩者也可能由於物理原因發生偏差。這就好像兩個人約好的10點見，結果乙個人表快，乙個人表慢一樣。序言是為了讓接收裝置調整接收頻率，以便與傳送裝置的頻率一致，這個過程就叫做時鐘復原(recover the clock)。

(就像在收聽廣播之前，調整轉鈕，直到聲音清晰。網絡卡會在接收序言的過程中不斷微調自己的接收頻率，直到自己「聽到」是…1010…)

時鐘調整好之後，我們等待幀的起始訊號(sfd, start frame delimiter)。sfd是固定的值0xab。這個0xab就好像「小喇叭開始廣播啦」一樣，提醒我們好節目就要上演了。

preamble和sfd

緊隨sfd之後的是6 byte的目的地(dst, destination)和6 byte的發出地(src, source)。這就是我們在郵差和郵局中的介紹一樣，為信封寫上目的地和發出地。要注意，這裡寫在信封上的是對位址的「本地描述」，也就是mac位址。mac位址是物理裝置自帶的序號，只能在同乙個乙太網中被識別 (正如郵差只熟悉自己的社群一樣)。

頭部的最後乙個區域是type，用以說明資料部分的型別。(比如0×0800為ipv4，0×0806為arp)

資料一般包含有符合更高層協議的資料，比如ip包。連線層協議本身並不在乎資料是什麼，它只負責傳輸。注意，資料尾部可能填充有一串0(pad區域)。原因是資料需要超過一定的最小長度。

跟隨在資料之後的是校驗序列(fcs, frame check sequence)。校驗序列是為了檢驗資料的傳輸是否發生錯誤。在物理層，我們通過一些物理訊號來表示0/1序列(比如高壓/低壓，高頻率/低頻率等)，但這些物理訊號可能在傳輸過程中受到影響，以致於發生錯誤。如何來發現我們的資料是正確的呢？

乙個方法是將資料傳送兩遍，然後對比一下是否一樣。但這樣就大大降低了網路的效率。fcs採用了crc(cyclic redundancy check)演算法。這就好像是一家飯店的老闆僱傭了乙個收銀員，但他又擔心收銀員黑錢。可是每天營業額很大，老闆即使坐在旁邊看，也不能用記住收到的總數。所以他採取了乙個聰明的辦法：只記住收到錢的最後一位 (比如收到19元，老闆記住9)。當有新的進賬(比如13，尾數為3)，他就將新的尾數和舊的尾數相加，再記住和的尾數(也就是2)。當收銀員交給老闆錢的時候，老闆只用看總額的最後一位是否和自己記的最後一位相同，就可以知道收銀員是否誠實了。如果說我們的資料是收銀的總額的話，我們的fcs就是老闆記錄的尾數。如果兩者不相符，我們就知道資料在傳輸的過程中出現錯誤，不能使用。

有fcs在盯著

上面的比喻實際上是用營業總額不斷的除以10，獲得最終的尾數。crc演算法也相類似。n位crc演算法取乙個n bit的因子，比如下面的1011。資料序列結尾增加n-1個0。因子與資料序列的不斷進行xor運算，直到得到n-1位的餘數，也就是100。該餘數各位取反(011)，然後儲存在fcs的位置。

11010011101100 000 

1011 
01100011101100 000 
1011 
00111011101100 000
1011
00010111101100 000
1011
00000001101100 000
1011
00000000110100 000
1011
00000000011000 000
1011
00000000001110 000
1011
00000000000101 000

上面例子用的是4位crc。在ethernet中使用的因子為32位的，以達到更好的檢測效果。

乙太網使用集線器或者交換器將幀從發出地傳送到目的地。一台集線器或交換器上有多個埠，每個埠都可以連線一台計算機(或其他裝置)。

集線器像乙個廣播電台。一台電腦將幀傳送到集線器，集線器會將幀**到所有其他的埠。每台計算機檢查自己的mac位址是不是符合dst。如果不是，則保持沉默。集線器是比較早期的乙太網裝置。它有明顯的缺陷：

1) 任意兩台電腦的通訊在同乙個乙太網上是公開的。所有連線在同乙個集線器上的裝置都能收聽到別人在傳輸什麼，這樣很不安全。可以通過對資訊加密提高安全性。

2) 不允許多路同時通訊。如果兩台電腦同時向集線器發信，集線器會向所有裝置發出「衝突」資訊，提醒發生衝突。可以在裝置上增加衝突檢測演算法(collision detection)：一旦裝置發現有衝突，則隨機等待一段時間再重新傳送。

交換器克服集線器的缺陷。交換器記錄有各個裝置的mac位址。當幀傳送到交換器時，交換器會檢查dst，然後將幀只傳送到對應埠。交換器允許多路同時通訊。由於交換器的優越性，交換器基本上取代了集線器。但比較老的乙太網還有可能在使用集線器。

wifi的工作方式與集線器連線下的乙太網類似。乙個wifi裝置會向所有的wifi裝置傳送幀，其它的wifi裝置檢查自己是否符合dst。由於wifi採取無線電訊號，所以很難像交換器一樣定向傳送，所以wifi的安全性很值得關注。wifi採用加密的方法來實現資訊的安全性。

(早期的wep加密方法非常脆弱，建議使用wpa或者wpa2加密方法。隱藏wifi裝置id的方法不是很有用。)

總結我們深入了連線層協議的一些細節。連線層是物理與邏輯的介面，它的設計兼顧了物理需求(比如時鐘復原，crc)和邏輯需求(比如位址、資料)。由於連線層處於網路邏輯的底層，有許多基於連線層的攻擊手法，這需要我們對連線層的工作方式有一定的了解，以設計出更好的網路安全策略。

文/ vamei todo…

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