“小喇叭開始廣播啦”垢袱，如果你知道這個蝇恶，你一定是老一輩的人』掏“小喇叭”是五十年代到八十年代的兒童廣播節(jié)目撮弧。在節(jié)目一開始潘懊，都會有一段這樣的播音：“小朋友，小喇叭開始廣播了贿衍！” 聽到這里授舟，收音機前的小朋友就興奮起來，準備好聽節(jié)目了：這一期的內容是以太網(Ethernet)協(xié)議與WiFi贸辈。
我們在網絡協(xié)議概觀中說到释树，以太網和WiFi是連接層的兩種協(xié)議。在連接層擎淤，信息以幀(frame)為單位傳輸奢啥。幀像信封一樣將數(shù)據(jù)(payload)包裹起來，并注明收信地址和送信地址嘴拢。連接層實現(xiàn)了“本地社區(qū)”的通信桩盲。我們先來看看以太網的幀。
以太網的幀格式
幀本身是一段有限的0/1序列席吴。它可以分為頭部赌结、數(shù)據(jù)(Payload)和尾部三部分:
幀按照上面的順序從頭到尾依次被發(fā)送/接收。我們下面進一步解釋各個區(qū)域孝冒。
頭部
幀的最初7個byte被稱為序言(preamble)柬姚。它的每個byte都是0xAA(這里是十六進制，也就是二進制的10101010)庄涡。通常量承，我們都會預定好以一定的頻率發(fā)送0/1序列(比如每秒10bit)。如果接收設備以其他頻率接收(比如每秒5bit)穴店，那么就會錯漏掉應該接收的0/1信息宴合。但是，由于網卡的不同迹鹅，發(fā)送方和接收方即使預訂的頻率相同卦洽，兩者也可能由于物理原因發(fā)生偏差。這就好像兩個人約好的10點見斜棚，結果一個人表快阀蒂，一個人表慢一樣。序言是為了讓接收設備調整接收頻率弟蚀，以便與發(fā)送設備的頻率一致蚤霞，這個過程就叫做時鐘復原(recover the clock)。
(就像在收聽廣播之前义钉，調整轉鈕昧绣，直到聲音清晰。網卡會在接收序言的過程中不斷微調自己的接收頻率捶闸，直到自己“聽到”是…1010…)
時鐘調整好之后夜畴，我們等待幀的起始信號(SFD, start frame delimiter)拖刃。SFD是固定的值0xAB。這個0xAB就好像“小喇叭開始廣播啦”一樣贪绘，提醒我們好節(jié)目就要上演了兑牡。
Preamble和SFD
緊隨SFD之后的是6 byte的目的地(DST, destination)和6 byte的發(fā)出地(SRC, source)。這就是我們在郵差和郵局中的介紹一樣税灌，為信封寫上目的地和發(fā)出地均函。要注意，這里寫在信封上的是對地址的“本地描述”菱涤，也就是MAC地址苞也。MAC地址是物理設備自帶的序號，只能在同一個以太網中被識別 (正如郵差只熟悉自己的社區(qū)一樣)粘秆。
頭部的最后一個區(qū)域是Type如迟，用以說明數(shù)據(jù)部分的類型。(比如0×0800為IPv4翻擒，0×0806為ARP)
數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)一般包含有符合更高層協(xié)議的數(shù)據(jù)氓涣，比如IP包牛哺。連接層協(xié)議本身并不在乎數(shù)據(jù)是什么陋气，它只負責傳輸。注意引润，數(shù)據(jù)尾部可能填充有一串0(PAD區(qū)域)巩趁。原因是數(shù)據(jù)需要超過一定的最小長度。
尾部
跟隨在數(shù)據(jù)之后的是校驗序列(FCS, Frame Check Sequence)淳附。校驗序列是為了檢驗數(shù)據(jù)的傳輸是否發(fā)生錯誤议慰。在物理層，我們通過一些物理信號來表示0/1序列(比如高壓/低壓奴曙，高頻率/低頻率等)别凹，但這些物理信號可能在傳輸過程中受到影響，以致于發(fā)生錯誤洽糟。如何來發(fā)現(xiàn)我們的數(shù)據(jù)是正確的呢炉菲？
一個方法是將數(shù)據(jù)發(fā)送兩遍，然后對比一下是否一樣坤溃。但這樣就大大降低了網絡的效率拍霜。FCS采用了CRC(Cyclic Redundancy Check)算法。這就好像是一家飯店的老板雇傭了一個收銀員薪介，但他又擔心收銀員黑錢祠饺。可是每天營業(yè)額很大汁政，老板即使坐在旁邊看道偷，也不能用記住收到的總數(shù)缀旁。所以他采取了一個聰明的辦法：只記住收到錢的最后一位?(比如收到19元，老板記住9)。當有新的進賬(比如13疮绷，尾數(shù)為3)两蟀，他就將新的尾數(shù)和舊的尾數(shù)相加，再記住和的尾數(shù)(也就是2)履澳。當收銀員交給老板錢的時候，老板只用看總額的最后一位是否和自己記的最后一位相同怀跛，就可以知道收銀員是否誠實了距贷。如果說我們的數(shù)據(jù)是收銀的總額的話，我們的FCS就是老板記錄的尾數(shù)吻谋。如果兩者不相符忠蝗，我們就知道數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)錯誤，不能使用漓拾。
有FCS在盯著
上面的比喻實際上是用營業(yè)總額不斷的除以10阁最，獲得最終的尾數(shù)。CRC算法也相類似骇两。n位CRC算法取一個n bit的因子速种，比如下面的1011。數(shù)據(jù)序列結尾增加n-1個0低千。因子與數(shù)據(jù)序列的不斷進行XOR運算配阵，直到得到n-1位的余數(shù)，也就是100示血。該余數(shù)各位取反(011)棋傍，然后存儲在FCS的位置。
```
11010011101100 000 <--- 數(shù)據(jù)序列末尾增加3位0
1011?????????????? <--- 因子
01100011101100 000 <--- XOR結果
1011??????????????<--- 因子
00111011101100 000
??1011
00010111101100 000
?? 1011
00000001101100 000
?????? 1011
00000000110100 000
????????1011
00000000011000 000
???????? 1011
00000000001110 000
??????????1011
00000000000101 000
?????????? 101 1
-----------------
00000000000000 100 <--- 3位余數(shù)
```
上面例子用的是4位CRC难审。在Ethernet中使用的因子為32位的瘫拣，以達到更好的檢測效果。
集線器(Hub) vs. 交換器(Switch)
以太網使用集線器或者交換器將幀從發(fā)出地傳送到目的地告喊。一臺集線器或交換器上有多個端口麸拄，每個端口都可以連接一臺計算機(或其他設備)。
集線器像一個廣播電臺葱绒。一臺電腦將幀發(fā)送到集線器感帅，集線器會將幀轉發(fā)到所有其他的端口。每臺計算機檢查自己的MAC地址是不是符合DST地淀。如果不是失球，則保持沉默。集線器是比較早期的以太網設備。它有明顯的缺陷：
1) 任意兩臺電腦的通信在同一個以太網上是公開的实苞。所有連接在同一個集線器上的設備都能收聽到別人在傳輸什么豺撑，這樣很不安全∏＃可以通過對信息加密提高安全性聪轿。
2)?不允許多路同時通信。如果兩臺電腦同時向集線器發(fā)信猾浦，集線器會向所有設備發(fā)出“沖突”信息陆错，提醒發(fā)生沖突〗鹕猓可以在設備上增加沖突檢測算法(collision detection)：一旦設備發(fā)現(xiàn)有沖突音瓷，則隨機等待一段時間再重新發(fā)送。
交換器克服集線器的缺陷夹抗。交換器記錄有各個設備的MAC地址绳慎。當幀發(fā)送到交換器時，交換器會檢查DST漠烧，然后將幀只發(fā)送到對應端口杏愤。交換器允許多路同時通信。由于交換器的優(yōu)越性已脓，交換器基本上取代了集線器珊楼。但比較老的以太網還有可能在使用集線器。
WiFi
WiFi的工作方式與集線器連接下的以太網類似摆舟。一個WiFi設備會向所有的WiFi設備發(fā)送幀亥曹，其它的WiFi設備檢查自己是否符合DST邓了。由于WiFi采取無線電信號恨诱，所以很難像交換器一樣定向發(fā)送，所以WiFi的安全性很值得關注骗炉。WiFi采用加密的方法來實現(xiàn)信息的安全性照宝。
(早期的WEP加密方法非常脆弱，建議使用WPA或者WPA2加密方法句葵。隱藏WiFi設備ID的方法不是很有用厕鹃。)
總結
我們深入了連接層協(xié)議的一些細節(jié)。連接層是物理與邏輯的接口乍丈，它的設計兼顧了物理需求(比如時鐘復原剂碴，CRC)和邏輯需求(比如地址、數(shù)據(jù))轻专。由于連接層處于網絡邏輯的底層忆矛，有許多基于連接層的攻擊手法，這需要我們對連接層的工作方式有一定的了解，以設計出更好的網絡安全策略催训。
【TCP/IP詳解】系列教程
TCP-IP協(xié)議詳解(2) 以太網與WiFi協(xié)議
TCP-IP協(xié)議詳解(3) IP/ARP/RIP/BGP協(xié)議
TCP-IP協(xié)議詳解(6) ICMP協(xié)議
TCP-IP協(xié)議詳解(8) TCP協(xié)議與流通信
TCP-IP協(xié)議詳解(13) DNS協(xié)議
