计算机网络:数据链路层 —— 网络适配器与 MAC 地址

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网络适配器

要将计算机连接到以太网,需要使用相应的网络适配器 (Adapter),网络适配器一般简称为"网卡 "。在计算机内部,网卡与 CPU 之间的通信,一般是通过计算机主板上的 I/O 总线以并行传输方式 进行,网卡与外部以太网 (局域网)之间的通信,一般是通过传输媒体(同轴电缆、双绞线电缆、光纤)以串行方式进行的。

使用网络适配器

网卡(网络适配器)除了要实现物理层和数据链路层功能 ,其另外一个重要功能就是要进行并行传输和串行传输的转换 。由于网络的传输速率和计算机内部总线上的传输速率并不相同,因此在网卡的核心芯片中都会包含用于缓存数据的存储器

在确保网卡硬件正确的情况下,为了使网卡正常工作,还必须要在计算机的操作系统中为网卡安装相应的设备驱动程序 。驱动程序负责驱动网卡发送接收帧

一般情况下,普通用户计算机中往往会包含两块网卡:

  • 一块是用于接入有线局域网以太网卡
  • 一块是用于接入无线局域网Wi-Fi网卡

每块网卡都有一个全球唯一的 MAC 地址 。交换机和路由器往往具有更多的网络接口,所以会拥有更多的 MAC 地址。

网络适配器类型

  • 有线网络适配器:通过物理连接(如以太网电缆)连接到网络,常用于固定位置的设备如台式机和服务器。

  • 无线网络适配器:通过无线电波与无线接入点(AP)通信,适用于便携式设备如笔记本电脑和平板电脑。

  • 集成网络适配器:许多现代计算机已经将网络适配器集成在主板上,无需额外的硬件。

  • 外部网络适配器:如USB网络适配器,可以为不具备内置网络连接能力的设备提供网络接入功能。

MAC 地址

数据链路层必须使用地址来区分各主机,当多个主机连接在同一个广播信道上,要想实现两个主机之间的通信,则每个主机都必须有一个唯一的标识,即一个数据链路层地址 。在每个主机发送的帧的首部 中,都携带有发送主机(源主机)和接收主机(目的主机)的数据链路层地址 。由于这类地址是用于媒体接入控制 (Medium Access Control,MAC )的,因此被称为 MAC 地址

MAC 地址(Media Access Control Address),也称为物理地址 ,由于一般被固化在网卡的电可擦可编程只读存储器 EEPROM 中,因此 MAC 地址也被称为硬件地址

MAC 地址在数据链路层上使用,用于在局域网中唯一标识和寻址设备。在数据帧中,源地址字段和目标地址字段分别用于指示发送者和接收者的 MAC 地址。交换机和网桥等网络设备使用 MAC 地址来转发数据帧,将数据帧从一个端口转发到另一个端口,以实现设备间的通信。

虽然 MAC 地址在局域网中是唯一的,但在全球范围内并不一定唯一 ,因此在互联网上,通常使用 IP 地址来唯一标识设备。然而,在局域网内,MAC 地址在数据链路层上仍然扮演着重要的角色。

MAC 地址格式

MAC 地址是网络设备(如计算机、路由器、交换机等)在以太网或其他数据链路层上的唯一标识符 。每个网络设备都有一个独特的 MAC 地址,由48位二进制数表示 ,通常以十六进制数的形式表示,例如:00:1A:2B:3C:4D:5E

MAC 地址由厂商全球唯一地分配给设备,前24位(6个十六进制数)标识厂商,后 24 位则是厂商内部分配给设备的唯一标识。因此,MAC 地址既可以用于识别设备的制造商,也可以用于唯一地识别设备本身。

严格来说,MAC 地址是对网络上各接口的唯一标识,而不是对网络上各设备的唯一标识。

MAC 地址类型

MAC 地址发送顺序

字节发送顺序:第 1 字节 ------> 第 6 字节

字节内比特发送顺序:b0 ------> b7

数据接收

网卡从网络上每收到一个无误码的帧,就检查帧首部中的目的 MAC 地址,按以下情况处理:

  1. 如果目的 MAC 地址是广播地址(FF-FF-FF-FF-FF-FF),则接受该帧。

  2. 如果目的 MAC 地址与网卡上固化的全球单播 MAC 地址相同,则接受该帧。

  3. 如果目的 MAC 地址是网卡支持的多播地址,则接受该帧。

  4. 除上述1、2和3情况外,丢弃该帧。

网卡还可被设置为一种特殊的工作方式,混杂方式(Promiscuous Mode)。工作在混杂方式的网卡,只要收到共享媒体上传来的帧就会收下而不管帧的目的 MAC 地址是什么。

  • 对于网络维护和管理人员,这种方式可以监视和分析局域网上的流量,以便找出提高网络性能的具体措施。

  • 嗅探器(Sniffer)就是一种工作在混杂方式的网卡,再配合相应的工具软件(WireShark),就可以作为一种非常有用的网络工具来学习和分析网络。

  • 混杂方式就像一把"双刃剑",黑客常利用这种方式非法获取网络用户的口令。

MAC 地址泄露问题

全球单播 MAC 地址就如同身份证上的身份证号码,具有唯一性,它往往与用户个人信息绑定在一起。因此,用户应尽量确保自己拥有的全球单播 MAC 地址不被泄露 。为了避免用户设备连接 Wi-Fi 热点时 MAC 地址泄露的安全问题,目前大多数移动设备都已经采用了随机 MAC 地址技术

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