【1.1.7】以太网

一、以太网是什么？

以太网是现有局域网最常用的通信协议标准，其网络结构通常为星型结构。

在网络中，计算机使用传输介质（例如网线）进行连接，网络数据通过传输介质进行传输来完成整个通信。

以太网是目前最为广泛的局域网技术，下面具体讲解网络设备之间连接和数据传输的方法，以及以太网中的两个网络设备进行连接的方法。

二、以太网拓扑结构

计算机网络的拓扑结构是引用拓扑学中研究与大小、形状无关的点、线关系的方法。它把网络中的计算机和通信设备抽象为一个点，把传输介质抽象为一条线，而由点和线组成的几何图形就是计算机网络的拓扑结构。

以太网结构主要分为总线型和星型两种。

• 总线型：是指所有计算机通过一条同轴电缆进行连接。
• 星型：是指所有计算机都连接到一个中央网络设备上（如交换机）。

三、以太网传输介质

不论是总线型还是星型，计算机和通信设备之间进行数据传输都需要有传输介质。以太网采用了多种连接介质，如同轴缆、双绞线和光纤等，其中：

• 双绞线多用于从主机到集线器或交换机的连接；
• 光纤则主要用于交换机间的级联和交换机到路由器间的点到点链路上；
• 同轴缆作为早期的主要连接介质，现在已经逐渐被淘汰。

四、以太网工作机制

有了传输介质以后，以太网中的数据就可以借助传输介质进行传输了。以太网采用附加冲突检测的载波帧听多路访问（CSMA/CD）机制，以太网中所有节点都可以看到在网络中发送的所有信息。因此，以太网是一种广播网络。

以太网需要判断计算机何时可以把数据发送到访问介质。通过使用 CSMA/CD，所有计算机都可以监视传输介质的状态，在传输之前等待线路空闲。如果两台计算机尝试同时发送数据，就会发生冲突，计算机会停止发送，等待一个随机的时间间隔，然后再次尝试发送。

当以太网中的一台主机要传输数据时，工作过程如下：

• 监听信道上是否有信号在传输。如果有，表示信道处于忙状态，则继续帧听，直到信道空闲为止。
• 若没有监听到任何信号，就传输数据。
• 传输数据的时候继续监听。如果发现冲突，则执行退避算法。随机等待一段时间后，重新执行步骤（1）。当冲突发生时，涉及冲突的计算机会返回监听信道状态。若未发现冲突，则表示发送成功。

五、以太网数据帧格式

以太网链路传输的数据包称做以太帧，或者以太网数据帧。在以太网中，网络访问层的软件必须把数据转换成能够通过网络适配器硬件进行传输的格式。

5.1 以太帧的工作机制

当以太网软件从网络层接收到数据报之后，需要完成如下操作：

1. 根据需要把网际层的数据分解为较小的块，以符合以太网帧数据段的要求。以太网帧的整体大小必须在 64～1518 字节之间（不包含前导码）。有些系统支持更大的帧，最大可以支持 9000 字节。有些系统支持更大的帧，最大可以支持 9000 字节。

2. 把数据块打包成帧。每一帧都包含数据及其他信息，这些信息是以太网网络适配器处理帧所需要的。

3. 把数据帧传递给对应于 OSI 模型物理层的底层组件，后者把帧转换为比特流，并且通过传输介质发送出去。

4. 以太网上的其他网络适配器接收到这个帧，检查其中的目的地址。如果目的地址与网络适配器的地址相匹配，适配器软件就会处理接收到的帧，把数据传递给协议栈中较高的层。

5.2 以太帧的结构

以太帧起始部分由前同步码和帧开始定界符组成，后面紧跟着一个以太网报头，以 MAC 地址说明目的地址和源地址。以太帧的中部是该帧负载的包含其他协议报头的数据包，如 IP 协议。

以太帧由一个 32 位冗余校验码结尾，用于检验数据传输是否出现损坏。以太帧结构如图所示。

以太帧结构（格式）

上图中每个字段的含义如下表所示：

5.3 构建以太帧

通过上面的学习了解了以太帧的结构。用户可以根据需要设置以太帧的字段值，从而构建以太帧。netwox 工具中编号为 32 的模块提供了以太帧构建功能。

【示例】构建以太网数据帧。

1. 查看以太网数据帧，执行命令如下：

   root@daxueba:~# netwox 32

输出信息如下：

Ethernet________________________________________________________.
| 00:0C:29:CA:E4:66->00:08:09:0A:0B:0C type:0x0000           |
|____________________________________________________________   |

上述输出信息中的 00:0C:29:CA:E4:66 为源 MAC 地址，是当前主机的 MAC 地址；00:08:09:0A:0B:0C 为目标 MAC 地址，0x0000 为以太网类型。

2. 构建以太帧，设置源 MAC 地址为 00:0c:29:c4:8a:de，目标 MAC 地址为 01:02:03:04:05:06，执行命令如下：

   root@daxueba:~# netwox 32 -a 00:0c:29:c4:8a:de -b 01:02:03:04:05:06

输出信息如下：

Ethernet________________________________________________________.
| 00:0C:29:C4:8A:DE->01:02:03:04:05:06 type:0x0000              |
|_____________________________________________________________    |

3. 为了验证构建的以太帧，通过 Wireshark 工具进行抓包。在链路层中可以看到伪造的源 MAC 地址和目标 MAC 地址，信息如下：

   Ethernet II, Src: Vmware_c4:8a:de (00:0c:29:c4:8a:de), Dst: Woonsang_04:05:06(01:02:03:04:05:06)

4. 为了不被其他主机发现，在构造数据包时，可以指定假的源MAC地址。但是，每构造一次只能发送一个数据包。如果需要发送多个数据包，就需要构造多次。

为了方便，可以使用 macchanger 工具临时修改 MAC 地址，这样就不需要每次构造假的源 MAC 地址了。例如，将当前主机的 MAC 地址修改为 00:0c:29:aa:e0:28，执行命令如下：

Current MAC:         00:0c:29:ca:e4:66 (VMware, Inc.)
Permanent MAC:    00:0c:29:ca:e4:66 (VMware, Inc.)
New MAC:              00:0c:29:aa:e0:28 (VMware, Inc.)

以上输出信息表示当前主机原来的 MAC 地址为 00:0c:29:ca:e4:66，修改后的 MAC 地址为 00:0c:29:aa:e0:28。

5. 再次使用 netwox 工具进行发包，默认使用修改后的 MAC 地址作为源 MAC 地址，如下：

   root@daxueba:~# netwox 32

输出信息如下：

Ethernet_________________________________________________
| 00:0C:29:AA:E0:28->00:08:09:0A:0B:0C type:0x0000    |
|_______________________________________________________    |

5.4 以太帧洪水攻击

交换机为了方便数据传输，通常会存储每个端口所对应的 MAC 地址，形成一张表。当交换机收到计算机发来的以太帧时，就会查看帧中的源 MAC 地址，并查找存储的表： 如果表中存在该 MAC 地址，就直接转发数据； 如果没有，则将该 MAC 地址存入该表中。

当其他计算机向这个 MAC 地址发送数据时，可以快速决定向哪个端口发送数据。由于该表不可能是无穷大的，所以当达到一定数量时，将不会储存其他新的 MAC 地址。再有新的主机发来数据帧时，部分交换机将不再查找对应的端口，而是以广播的形式转发给所有的端口。这样，就使其他主机可以接收到该数据帧了。

netwox 工具提供编号为 75 的模块，用来实现以太帧洪水攻击功能。它可以伪造大量的以太网数据包，填满交换机的存储表，使交换机失去正确的转发功能。

实施以太帧洪水攻击，执行命令如下：

root@daxueba:~# netwox 75

执行命令后没有任何输出信息，但是会发送大量的以太网数据包。

使用 Wireshark 工具进行抓包，如图所示。图中捕获的数据包为以太帧洪水攻击产生的数据包。

参考资料

• http://c.biancheng.net/view/6383.html