【小菜學網絡】MAC地址詳解

上一小節介紹了以太網幀的結構，以及幀中各個字段的做用。參與以太網通信的實體，由以太網地址惟一標識。以太網地址也叫作 MAC 地址，咱們對它仍知之甚少。

以太網地址在不一樣場景，稱謂也不同，經常使用叫法包括這些：

• 以太網地址
• MAC 地址
• 硬件地址
• 物理地址
• 網卡地址

網卡

在以太網中，每臺主機都須要安裝一個物理設備並經過網線鏈接到一塊兒：

這個設備就是 網卡 ( NIC )，網絡接口卡 ( network interface card )的簡稱。有些文獻也將網卡稱爲 網絡接口控制器 ( network interface controller )。

從物理的層面看，網卡負責將比特流轉換成電信號發送出去； 反過來，也負責將檢測到的電信號轉換成比特流並接收。

從軟件的層面看，發送數據時，內核協議棧負責封裝以太網幀(填充 目的地址 ， 源地址 ， 類型 和 數據 並計算 校驗和)，並調用網卡驅動發送； 接收數據時，負責驗證 目的地址 、 校驗和 並取出數據部分，交由上層協議棧處理。

每塊網卡出廠時，都預先分配了一個全球惟一的 MAC地址 ，並燒進硬件。 無論後來網卡身處何處，接入哪一個網絡，_MAC_ 地址均不變。 固然，某些操做系統也容許修改網卡的 MAC 地址。

MAC地址

MAC 地址由 6 個字節組成( _48_ 位)，能夠惟一標識 $2^{48}$ ，即 281474976710656 個網絡設備(好比網卡)。

MAC 地址 _6_ 個字節能夠劃分紅兩部分，以下圖：

• 3 字節長的 廠商代碼 ( OUI )，由國際組織分配給不一樣的網絡設備商；
• 3 字節長的 序列號 ( SN )，由廠商分配給它生產的網絡設備；

廠商代碼和序列號都是惟一分配，所以 MAC 地址是 全球惟一 的。

冒分十六進制表示法

MAC 地址 6 個字節如何展現呢？ 是否可以做爲 ASCII 來解讀並顯示？

恐怕不能。一個字節總共有 8 個位，而 ASCII 只定義了其中的 7 位。何況 ASCII 中定義了不少控制字符，能顯示的也只有字母、數字以及一些經常使用符號。以上述地址爲例，只有 0x5B 這個字節是能夠顯示的，對應着字符 [ 。

好在，咱們能夠用多個可讀字符來表示一個原始字節。咱們將一個字節分紅兩部分，高 4 位以及低 4 位，每部分能夠用一個十六進制字符來表示。以 0x00 這個字節爲例，能夠用兩個字符 00 表示：

這樣一來，整個地址能夠用一個 12 字節長的字符串表示： 0010A4BA875B 。 爲了進一步提升可讀性，能夠在中間插入冒號 : ： 00:10:A4:BA:87:5B 。

這就是 冒分十六進制表示法 ( colon hexadecimal notation )。

注意到，冒分十六進制總共須要 17 個字節。 若是算上字符串結尾處的 \0 ，將達到 18 個字節，原始 MAC 地址的整整 3 倍！順便提一下，十六進制字母字符用大小寫均可以。

網卡管理

Linux 上有很多工具命令能夠查看系統當前接入的網卡以及每張網卡的詳細信息。

首先是 ifconfig 命令，他默認顯示已啓用的網卡，詳情中能夠看到每張網卡的物理地址：

fasion@u2004 [ ~ ]  ➜ ifconfig
enp0s3: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 10.0.2.15  netmask 255.255.255.0  broadcast 10.0.2.255
        inet6 fe80::a00:27ff:fe49:50dd  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 08:00:27:49:50:dd  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 3702  bytes 4881568 (4.8 MB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 538  bytes 42999 (42.9 KB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

enp0s8: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.56.2  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.56.255
        inet6 fe80::a00:27ff:fe56:831c  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 08:00:27:56:83:1c  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 4183  bytes 1809871 (1.8 MB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 2674  bytes 350013 (350.0 KB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10<host>
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
        RX packets 679  bytes 1510416 (1.5 MB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 679  bytes 1510416 (1.5 MB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

例子中，系統總共有 3 塊已啓用網卡，名字分別是 enp0s3 、 enp0s8 以及 lo 。其中 lo 是環回網卡，用於本機通信。ether 08:00:27:49:50:dd 代表，網卡 enp0s3 的物理地址是 08:00:27:49:50:dd 。

請注意，_ifconfig_ 是一個比較老舊的命令，正在慢慢淡出歷史舞臺。

ip 命令也能夠查看系統網卡信息，默認顯示全部網卡：

fasion@u2004 [ ~ ]  ➜ ip link
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: enp0s3: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 08:00:27:49:50:dd brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
3: enp0s8: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 08:00:27:56:83:1c brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

ip 命令輸出信息比較緊湊， link/ether 08:00:27:49:50:dd 這行展現網卡的物理地址。

ip 命令是一個比較新的命令，功能很是強大。它除了能夠用於管理網絡設備，還能夠用於管理路由表，策略路由以及各類隧道。所以，推薦重點學習掌握 ip 命令的用法。

編程獲取網卡地址

若是程序中須要用到網卡地址，如何獲取呢？

有個方法是執行 ip 命令輸出網卡詳情，而後從輸出信息中截取網卡地址。例如：

fasion@u2004 [ ~ ]  ➜ ip link show dev enp0s3 | grep 'link/ether' | awk '{print $2}'
08:00:27:49:50:dd

這種方法多用於 Shell 編程中。

更優雅的辦法是經過套接字編程，直接向操做系統獲取。_Linux_ 套接字支持經過 ioctl 系統調用獲取網絡設備信息，大體步驟以下：

1. 建立一個套接字，任意類型都可；
2. 準備 ifreq 結構體，用於保存網卡設備信息；
3. 將待查詢網卡名填充到 ifreq 結構體；
4. 調用 ioctl 系統調用，向套接字發起 SIOCGIFHWADDR 請求，獲取物理地址；
5. 如無錯漏，內核將被查詢網卡的物理地址填充在 ifreq 結構體 ifr_hwaddr 字段中；

最後，附上一個完整的例子：

#include <net/if.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/socket.h>

/**
 *  Convert binary MAC address to readable format.
 *
 *  Arguments
 *      n: binary format, must be 6 bytes.
 *
 *      a: buffer for readable format, 18 bytes at least(`\0` included).
 **/
void mac_ntoa(unsigned char *n, char *a) {
    // traverse 6 bytes one by one
    sprintf(a, "%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x", n[0], n[1], n[2], n[3], n[4], n[5]);
}


int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc < 2) {
        fprintf(stderr, "no iface given\n");
        return 1;
    }

    // create a socket, any type is ok
    int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (-1 == s) {
        perror("Fail to create socket");
        return 2;
    }

    // fill iface name to struct ifreq
    struct ifreq ifr;
    strncpy(ifr.ifr_name, argv[1], 15);

    // call ioctl to get hardware address
    int ret = ioctl(s, SIOCGIFHWADDR, &ifr);
    if (-1 == ret) {
        perror("Fail to get mac address");
        return 3;
    }

    // convert to readable format
    char mac[18];
    mac_ntoa((unsigned char *)ifr.ifr_hwaddr.sa_data, mac);

    // output result
    printf("IFace: %s\n", ifr.ifr_name);
    printf("MAC: %s\n", mac);

    return 0;
}

其中，_mac_ntoa_ 函數調用字符串格式化函數 sprintf 將原始 MAC 地址轉換成冒分十六進制形式。

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