乙太網和wifi協議

前言

如果你知道”小喇叭開始廣播了”,估計你得有一定的年紀了,開玩笑,小喇叭是很久以前的一個兒童廣播節目.在節目一開始,都是有這樣一段播音:”小朋友,小喇叭廣播開始了!”,聽到這裡,收音機前的小朋友就興奮了起來,準備好聽節目了:本次的內容是乙太網協議與wifi協議.

乙太網和wifi是連結層的兩種協議.在連結層,資訊以幀為單位傳輸.幀就像信封一樣將資料包裹起來,並註明收信地址和送信地址.連結層實現了”本地社群”的通訊.

乙太網的幀格式

幀本事是一段有限的0/1序列.它可以分為頭部,資料和尾部三部分:

幀按照上面的順序從頭到尾依次被髮送/接受.我們下面進一步解釋各個區域.

頭部

幀的最初7個byte被稱為序言(preamble).它的每個byte都是0xAA(這裡是十六進位制,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受(比如每秒5bit),那麼就會錯漏掉應該接受的0/1資訊.但是,由於網絡卡的不同,傳送方和接收方即使預定的頻率相同,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點見面,結構一個人的錶快了

就像在聽收音機之前,調整轉鈕,知道聲音清晰.網絡卡會在接受序言的過程中不斷微調自己的接收頻率,知道自己聽到的是...1010...

時鐘調整好以後,我們等待幀的起始訊號(SFD).SFD是固定的值0xAB.這個0xAB就好像”小喇叭開始廣播了”一樣,提醒我們節目馬上上演.

緊隨SFD之後的是6 byte的目的地(DST)和6byte的發出地(SRC),這就是我們開始說的目的地和出發地.要注意,這裡寫在信封上的是對地址的”本地描述”,也就是MAC地址.MAC地址是物理裝置自帶的序號,只能在同一個乙太網中被識別

頭部的最後一個區域是Type,用以說明資料部分的型別.比如0x0800位IPV4,0x0806為ARP

資料

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.

尾部

跟隨在資料之後的是校驗序列(FCS).檢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/低頻等),但這寫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?

一個方法是將資料傳送兩次,然後對比一下是否一樣.但是這樣的話,網路的效率就降低了.FCS採用了CRC演算法.這就好像是一家飯店的老闆僱傭了一個收銀員,但是這個老闆擔心收銀員黑錢.老闆就想了一個好方法: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,老闆只用看看總額的最後一位是否和自己記住的最後一位相同,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,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過程中出現了錯誤,不能使用.

上面的比喻實際上是用營業額總額不斷的除以10,獲得最終的尾數.CRC演算法也相類似.n位的CRC演算法取一個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執行,直到得到n-1位的餘數,也就是100.該餘數個位取反(011),然後儲存在FCS的位置.

000 <--- 資料序列末尾增加3位0
              <--- 因子
000 <--- XOR結果
             <--- 因子
000
 
000
 
000
 
000
 
000
 
000
 
000 
1
-----------------
100 <--- 3位餘數

上面的案例用的是4位CRC.在Ethernet中使用的因子為32位,以達到更好的檢測效果.

集線器(HUB) VS 交換器(Switch)

乙太網使用集線器或者交換器將幀從出發地傳送到目的地.一臺集線器或交換器上有多個埠,每個埠都可以連線一臺計算機(或其他裝置).

集線器像一個廣播電臺.一臺電腦將幀傳送到集線器,集線器會將幀發到所有的其他的埠.每臺計算機檢查自己的MAC地址是不是符合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.任意兩臺電腦的通訊在同一個乙太網上是公開的.所有連線在同一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.如果兩臺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:一旦裝置發現有衝突,則隨機等待一段時間再重新發出.

交換器克服了集線器的缺點.交換器記錄有各個裝置的MAC地址.當幀傳送到交換器時,交換器會檢查DST,然後將幀只發送給對應埠.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.但比較陳舊的乙太網還有可能在使用集線器.

這段視訊很形象的解釋了這兩種裝置

WiFi

WiFi的工作方式與集線器連線下的乙太網類似.一個Wifi裝置會向所有的WiFi裝置傳送幀,其他的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時傳送,所以WiFi的安全性很值得關注,WiFi採用的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

我們深入了連結層協議的一些細節.連結層是物理與邏輯的介面,我的設計兼顧了物理需求(比如時鐘復原,CRC)和邏輯需要(比如地址,資料).由於連結層處於網路邏輯的底層,有許多基於連結層的攻擊手段,著需要我們對連結層的工作方式有一定的的瞭解,以設計出更好的網路安全策略.