计算机网络：数据链路层 —— 网络适配器与 MAC 地址

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和接收帧。

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的以太网卡
• 一块是用于接入无线局域网的 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。