前幾天整理工作室的舊設(shè)備登進路由器后臺看在線設(shè)備列表IP地址倒是排得整整齊齊——192.168.1.1、192.168.1.2、192.168.1.3一路順下去旁邊對應(yīng)的MAC地址卻像一鍋粥有的以A4:5D:36開頭有的以00:1E:65開頭還有一串看不出任何規(guī)律的亂碼。那一刻我突然愣住IP能連續(xù)憑什么物理地址就不能連續(xù)順著這個問題查了幾天資料把思路捋清楚之后決定整理成這篇筆記。不管你是剛接觸網(wǎng)絡(luò)的初學(xué)者還是被家里設(shè)備折騰過的普通用戶看完應(yīng)該都能明白物理地址的不連續(xù)不是設(shè)計疏漏而是它本來就不需要、也沒辦法連續(xù)。1. 先把物理地址這個說法掰扯清楚1.1 教程里的物理地址其實是指MAC日常聊天時經(jīng)常有人把物理地址和IP地址混著說其實在網(wǎng)絡(luò)語境下物理地址就是MAC地址Media Access Control Address全稱叫介質(zhì)訪問控制地址。之所以叫物理是因為它在網(wǎng)卡出廠時被燒錄在硬件芯片里不像IP那樣是靠軟件配置、隨時能改的。正是這個燒錄在硬件里的特性給了很多人一個直觀想象既然網(wǎng)卡是從生產(chǎn)線上一個個做出來的MAC地址為什么不像產(chǎn)品序列號那樣按1、2、3、4順序往下排而是全世界東一個西一個要回答這個問題得先明確一件事在計算機領(lǐng)域物理地址這個詞還有另一個含義——操作系統(tǒng)內(nèi)存管理里的Physical Address物理地址簡稱PA那是CPU訪問內(nèi)存時用的地址跟網(wǎng)卡的MAC是兩個體系。日常討論家庭網(wǎng)絡(luò)、路由器、抓包時提到物理地址九成九都是在說MAC。這篇筆記里說的也是MAC。1.2 拆開看一個MAC六組十六進制里藏著身份先把MAC地址的格式講清楚。常見的MAC是48位的也就是6個字節(jié)用十六進制表示成6組每組兩位中間用冒號或短橫線隔開。比如4C:EA:C3:17:2F:9A共12個十六進制字符。前6個字符3個字節(jié)也就是這里的4C:EA:C3叫OUI全稱Organizationally Unique Identifier翻譯過來是組織唯一標識符。它由電氣和電子工程師協(xié)會IEEE分配給各個硬件廠商相當(dāng)于一個廠家的身份證號段。后面的17:2F:9A是擴展標識符由廠商自己在內(nèi)部編號用來區(qū)分同一廠商生產(chǎn)的不同網(wǎng)卡。所以一個MAC地址本質(zhì)上可以拆成兩段看MAC段位長度含義誰分配前3字節(jié)OUI24位廠商身份標識IEEE按廠商分配后3字節(jié)24位廠商內(nèi)部產(chǎn)品編號廠商自行處理再深挖一層第一個字節(jié)里還藏著兩個標志位。以4C為例4C轉(zhuǎn)成二進制是01001100從右往左數(shù)最低位bit0是單播/組播標志0代表單播1代表組播倒數(shù)第二位bit1是全球/本地管理標志0代表全球唯一1代表本地管理地址。這個細節(jié)后面講為什么MAC能改時還會用到先在這里留個印象。1.3 連續(xù)這個疑問到底在問什么弄明白格式再回頭看物理地址為什么不能連續(xù)這個問題。我發(fā)現(xiàn)很多人產(chǎn)生這個疑問都是因為先看到了IP地址的連續(xù)再對比MAC的亂序才產(chǎn)生了認知落差。比如你家里路由器是192.168.1.1DHCP一開設(shè)備接入后拿到的就是192.168.1.2、192.168.1.3、192.168.1.4……從小到大排得清清楚楚。再看這些設(shè)備對應(yīng)的MAC完全沒有規(guī)律。這種落差讓我意識到問題的本質(zhì)不是MAC能不能設(shè)計成連續(xù)的而是誰需要連續(xù)連續(xù)能給誰帶來好處。IP地址的連續(xù)是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的人為結(jié)果方便路由表聚合。MAC地址的連續(xù)沒有任何實際收益反而會帶來安全隱患。為了把這件事徹底講透我從MAC的出生流程、二層網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)原理、系統(tǒng)隱私策略三個角度一層層拆開看。2. MAC地址的出廠設(shè)定連續(xù)性在源頭就被掐斷了2.1 沒有全球統(tǒng)一的發(fā)號機關(guān)怎么連你可能會想身份證號不也是某個發(fā)號機關(guān)統(tǒng)一發(fā)的嗎全國幾億人也能做到不亂、能區(qū)分地域。為什么全世界幾十億網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就不能由一個全球MAC發(fā)號中心統(tǒng)一發(fā)號讓它們連續(xù)下去關(guān)鍵在于身份證號的連續(xù)性建立在發(fā)號機關(guān)在每個人出生時才登記這個前提上。MAC地址不行——網(wǎng)卡是在世界各地?zé)o數(shù)工廠流水線上生產(chǎn)的時間、地點、品牌完全不同。要讓所有MAC連續(xù)需要滿足兩個條件第一全世界所有網(wǎng)卡生產(chǎn)商必須在同一套號段體系里協(xié)作。某廠商今天生產(chǎn)的100萬片網(wǎng)卡用了號段A明天另一個規(guī)模小得多的廠商也在這個號段附近生產(chǎn)兩家必須同步協(xié)調(diào)出廠的先后順序。第二這個發(fā)號機關(guān)必須在每一塊網(wǎng)卡出廠那一瞬間就知道它是全球第幾塊并把對應(yīng)號碼寫進硬件。稍有延遲或偏差后面所有號都會錯位?，F(xiàn)實是IEEE只負責(zé)給廠商統(tǒng)一分配前24位的OUI后24位完全放權(quán)給廠商自己處理。全球幾百上千家網(wǎng)卡廠商各自手里握著若干OUI號段各燒各的號這就像每個省份各自發(fā)各自的身份證號段但省與省之間從不約定號碼先后順序?？鐝S商之間根本不存在建立全局連續(xù)序號的機制。2.2 廠商拿到號段后按批次和產(chǎn)品線亂用就算不考慮全局連續(xù)單看一家廠商內(nèi)部的MAC也很難連起來。廠商從IEEE手里申請到OUI之后后24位并不是簡單地從0開始數(shù)到1600萬。廠商要同時做有線網(wǎng)卡、無線網(wǎng)卡、藍牙模塊、物聯(lián)網(wǎng)芯片不同的產(chǎn)品線、不同的代工廠、不同的出貨批次都在各自的流程里燒錄MAC。同一批燒錄的MAC地址可能一部分裝進了某品牌筆記本一部分發(fā)往東南亞的模組廠還有一部分直接嵌進智能家居芯片。物理位置上完全天南海北。更現(xiàn)實的還有代工問題。A品牌的網(wǎng)卡可能是B代工廠產(chǎn)線上做的B代工廠同時也在給C、D品牌代工。代工廠從不同廠商的OUI池里拿號段燒錄時按物料批次管理拿到哪段燒哪段。這么一圈下來OUI相同的前24位對應(yīng)的后24位完全是離散的。2.3 網(wǎng)卡和電腦不是綁定生產(chǎn)的連續(xù)沒有載體還有一個更直白的原因網(wǎng)卡和電腦根本不是一一綁定出廠的。臺式機的獨立網(wǎng)卡是單獨生產(chǎn)的裝機的時候抽哪塊插哪塊。筆記本的板載網(wǎng)卡雖然焊在主板上但主板也不是按全世界第幾臺筆記本來生產(chǎn)的。網(wǎng)卡廠商只知道這批貨發(fā)走了不知道它最后會裝進誰家的電腦更不知道這臺電腦在用戶手里會配什么路由器、連什么網(wǎng)。所以連續(xù)這個概念根本就沒有載體。我們之所以覺得應(yīng)該連續(xù)是因為潛意識里把MAC當(dāng)成了一串給電腦編號的流水號。但實際上MAC只是硬件自己在制造時獲得的一個身份標識它不登記、不備案、不跟著電腦走。一臺電腦換塊網(wǎng)卡MAC就變了跟這臺電腦排行第幾毫無關(guān)系。3. 二層網(wǎng)絡(luò)靠查表干活連續(xù)對MAC本來就沒什么用3.1 交換機眼里的MAC端口和地址的一一對應(yīng)表如果說以上是從生產(chǎn)端解釋MAC為什么連續(xù)不了那接下來從使用端解釋就算能連也沒必要。交換機工作在二層它的核心任務(wù)是在局域網(wǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。交換機內(nèi)部維護一張MAC地址表記錄的是某個MAC地址對應(yīng)哪個端口、屬于哪個VLAN。當(dāng)一臺設(shè)備接入交換機交換機收到它的第一個數(shù)據(jù)幀時會把源MAC記下來綁定到對應(yīng)端口。以后所有發(fā)往這個MAC的數(shù)據(jù)幀交換機只需要查這張表從對應(yīng)端口送出去就行。這里的關(guān)鍵是交換機查詢MAC地址表用的是精確匹配。也就是說給出一串48位的MAC能查到就轉(zhuǎn)發(fā)查不到就泛洪廣播到除了入口外的所有端口。這個查找過程不看地址范圍、不做連續(xù)段判斷地址是00:00:00:00:00:01還是00:50:56:C0:00:08對交換機來說沒有任何差別——都是一串需要精確索引的鍵值。有人可能會問路由器查路由表不是可以按前綴匹配嗎比如192.168.1.0/24這樣一個網(wǎng)段代表從192.168.1.1到192.168.1.254的所有地址沒錯但那是三層的路由聚合用的是IP地址的網(wǎng)絡(luò)前綴。二層交換機面對的是MAC地址它沒有任何網(wǎng)段前綴的概念。既然轉(zhuǎn)發(fā)不靠范圍MAC連續(xù)不連續(xù)就毫無意義。3.2 IP能連續(xù)是因為路由需要聚合現(xiàn)在反過來看IP地址為什么會被設(shè)計成看起來連續(xù)。IPv4地址由網(wǎng)絡(luò)號和主機號兩部分組成路由器在轉(zhuǎn)發(fā)時記住的是網(wǎng)段而不是每一臺設(shè)備。一個數(shù)據(jù)包要發(fā)往192.168.1.57路由器看到目的地屬于192.168.1.0/24這個網(wǎng)段直接查一條下一跳記錄就完事了。如果IP地址不連續(xù)、東一個西一個路由器就沒法做前綴聚合只能給每臺設(shè)備分別記一條路由。那全球幾百億終端設(shè)備每條路由都單獨記賬路由器內(nèi)存再大也不夠用。所以IP的連續(xù)本質(zhì)上是可聚合、可路由的代價和好處。你可以這樣體會IP地址的連續(xù)是一種邏輯規(guī)劃它建立在網(wǎng)絡(luò)按拓撲分層的基礎(chǔ)上。一個家庭局域網(wǎng)用192.168.1.0/24另一個辦公室用10.10.0.0/16規(guī)劃者可以自由決定哪段網(wǎng)給哪片區(qū)域再由DHCP或者人工配置實現(xiàn)地址的有序發(fā)放。這種連續(xù)是可以事后調(diào)整、可以做聚合的。MAC地址則完全相反。它跟網(wǎng)絡(luò)拓撲沒有任何關(guān)系路由器不會因為這兩臺設(shè)備MAC挨得近就讓它們走同一條路。既然路由和轉(zhuǎn)發(fā)邏輯都不需要連續(xù)的MAC段那MAC就沒有任何理由追求連續(xù)。3.3 平面地址和層次地址兩種截然不同的設(shè)計哲學(xué)往深了說這其實是兩種地址設(shè)計哲學(xué)的對立層次地址和平面地址。IP地址是層次地址結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)號主機號。它描述的是這臺設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)拓撲中的位置所以需要按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來規(guī)劃分配分配得越有層次路由器表項越精簡。城市里的門牌號也是這個邏輯先說明哪條街再說明幾號找起來快。MAC地址是平面地址結(jié)構(gòu)是廠商號產(chǎn)品號。它描述的是這塊硬件是誰做的不關(guān)心這個設(shè)備在哪里、屬于哪個網(wǎng)絡(luò)。就像人的指紋指紋能唯一確認一個人但指紋上沒有任何信息能告訴你這個人住在哪個城市。同理MAC能唯一標識一臺設(shè)備的網(wǎng)卡但它本身不代表任何網(wǎng)絡(luò)位置信息。平面地址和層次地址沒有誰優(yōu)誰劣。MAC的平面特性讓它在二層轉(zhuǎn)發(fā)時無需任何網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃就能工作——插上電、連上線交換機自動學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)就通了。為了連續(xù)而給MAC引入層次結(jié)構(gòu)反而會讓它失去這種即插即用的靈活性。所以從設(shè)計角度來說MAC不連續(xù)不僅不是缺陷反而是它最大的優(yōu)點。4. 現(xiàn)實中MAC又像流水號又亂序還不止是出廠一個原因4.1 同品牌扎堆號段但后24位互相不認識你在局域網(wǎng)里觀察一圈其實會發(fā)現(xiàn)MAC地址并不是完全亂它有自己的一套局部規(guī)律同品牌的設(shè)備前24位往往一致不同品牌的設(shè)備前24位截然不同。這個規(guī)律在路由器管理界面里非常明顯。比如家里有一臺某品牌手機、一臺該公司的手環(huán)兩臺設(shè)備的前6位十六進制字符可能完全相同后面那6位則是八竿子打不著——一個像A3:F2:11另一個像08:77:66。這是因為手機和手環(huán)雖然都是同一家公司生產(chǎn)但屬于不同的產(chǎn)品線后24位的擴展標識符按不同產(chǎn)品序列燒錄互不關(guān)聯(lián)。這種前段有規(guī)律、后段無規(guī)律的結(jié)構(gòu)給了很多人一種好像有點連續(xù)又怎么也連不上的錯覺。如果你去查一下OUI數(shù)據(jù)庫IEEE官網(wǎng)和各廠商的OUI查詢工具都能查會發(fā)現(xiàn)一屋子的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來自幾十個不同的OUI號段有的號段代表無線路由器廠商有的號段代表網(wǎng)卡芯片廠商有的號段是某些物聯(lián)網(wǎng)方案商獨占的。整個局域網(wǎng)里的MAC地址就像幾十個廠商各自保留的私密檔案在開會誰也接不上誰的號。4.2 系統(tǒng)自帶的隨機MAC親手打碎了連續(xù)感除了出廠的號段分散近幾年還有一個重要的推手讓MAC地址看起來更加不連續(xù)隱私保護下的MAC隨機化。過去智能手機連接Wi-Fi時用的是網(wǎng)卡硬件里那個真實的MAC也就是全球唯一物理地址。這就帶來一個隱私問題——你走到商場的任何一個角落商場Wi-Fi探針都能通過唯一的MAC識別出是你這個特定的人。為了解決這個問題2017年之后主流操作系統(tǒng)陸續(xù)默認開啟了隨機MAC功能。操作系統(tǒng)機制效果Android 10及以上默認對每個新連接的Wi-Fi隨機生成一個MAC同一手機連不同Wi-Fi顯示不同MACiOS 14及以上私有無線局域網(wǎng)地址默認開啟同一手機在不同AP顯示不同MACWindows 10/11可在Wi-Fi屬性中開啟隨機硬件地址每次連接可隨機或按網(wǎng)絡(luò)固定隨機這個隨機MAC是怎么生成的不同系統(tǒng)策略不一樣有的保持OUI不變、只隨機后面24位有的連OUI也一起偽造。但不管哪種策略結(jié)果都是同一個設(shè)備的MAC今天可能是A4:5D:36:xx:xx:xx明天換一個網(wǎng)絡(luò)就變成12:34:56:xx:xx:xx了。從連續(xù)的角度看這無疑是釜底抽薪。本來廠商出廠時的MAC就夠亂了現(xiàn)在系統(tǒng)還在網(wǎng)絡(luò)層上面疊加一層隨機化把本來就不存在的連續(xù)感進一步打碎。現(xiàn)在你去路由器后臺看設(shè)備列表那一堆MAC地址的來源可能包括真實物理MAC、系統(tǒng)隨機生成的MAC、廠商出廠前測試用的遺留號碼。你看到的亂是多方因素疊加的結(jié)果。4.3 廠商故意不連續(xù)燒錄防的是克隆和預(yù)測還有一個很多人不知道的原因廠商是故意不讓MAC有規(guī)律的。早些年有些網(wǎng)卡廠商圖省事后24位直接按生產(chǎn)順序遞增燒錄。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這樣燒出來的MAC太容易被預(yù)測了。攻擊者只要拿到一塊同品牌網(wǎng)卡的MAC順著號段往后猜就能推測出同一批次其他網(wǎng)卡的MAC。在某些需要MAC白名單鑒權(quán)的網(wǎng)絡(luò)里這種可預(yù)測性等于給攻擊者發(fā)了一張通行證——猜出MAC就能偽造。所以現(xiàn)在稍微講究一點的廠商燒錄MAC時都有意打亂順序再輔以隨機化手段讓后24位看不出生成規(guī)律。有些無線模塊甚至直接用硬件隨機數(shù)生成器來產(chǎn)生擴展標識符讓每一塊網(wǎng)卡的MAC在出廠那一刻都是天注定而不是順序排的。這里就形成了一個很有意思的結(jié)論如果要求MAC連續(xù)等于要求它可預(yù)測要求它可預(yù)測就等于給偽造MAC開了一扇大門。所以不只是沒必要連續(xù)而是為了安全必須不連續(xù)。5. 既然出廠固定改物理地址又是怎么實現(xiàn)的5.1 MAC能改的底層原因本地管理地址的覆蓋機制講到這很多人自然會聯(lián)想到那個網(wǎng)絡(luò)熱詞——電腦改物理地址。不是說MAC是燒死在硬件里的嗎為什么還能改這個問題的答案藏在前面提到的那個標志位里。MAC地址第一個字節(jié)的bit1叫本地管理位Locally Administered Address簡稱LAA。當(dāng)這個位為0表示這個MAC是全球統(tǒng)一管理的也就是廠商燒錄的全球唯一UAA當(dāng)這個位為1表示這是一個本地管理地址由軟件臨時指定的不保證全球唯一。操作系統(tǒng)和網(wǎng)卡驅(qū)動提供了這樣一個覆蓋機制網(wǎng)卡硬件里確實燒錄了一個出廠MAC但在初始化時驅(qū)動允許協(xié)議棧指定一個用戶自定義MAC來替代硬件里的原始值。只要這個替代值滿足48位格式、且本地管理位被置1網(wǎng)卡就會以這個自定義MAC工作。所以改物理地址并不是真的改寫芯片里的原始數(shù)據(jù)而是軟件在驅(qū)動層面戴了一張面具。這在技術(shù)上是很常規(guī)的操作廠商自己也在用——很多路由器、軟路由的克隆MAC功能原理就是這個。5.2 三個系統(tǒng)里改物理地址的實操路徑各操作系統(tǒng)都提供了改MAC的入口挑最常見的三個平臺說一下Windows系統(tǒng)最簡單。打開設(shè)備管理器找到網(wǎng)絡(luò)適配器右鍵網(wǎng)卡選屬性切到高級選項卡在屬性列表里找到網(wǎng)絡(luò)地址或者Network Address、有的顯示Locally Administered Address。把右側(cè)的值改成不存在或空白之外的任意12位十六進制數(shù)比如001122334455確定后禁用再啟用網(wǎng)卡或者重啟一下ipconfig /all里就能看到新地址了。macOS稍微繞一點需要在終端里操作。先執(zhí)行ifconfig en0 | grep ether看一眼現(xiàn)有MAC然后執(zhí)行sudo ifconfig en0 ether aa:bb:cc:dd:ee:ff改完把Wi-Fi關(guān)了重開或重啟網(wǎng)卡即可。Linux用ip命令就能搞定。先ip link show找到網(wǎng)卡名再執(zhí)行sudo ip link set dev eth0 address aa:bb:cc:dd:ee:ff注意改完要把網(wǎng)卡重新加載一下通常執(zhí)行sudo ip link set dev eth0 down和up各一遍就生效。這三種路徑有個共同的要點你填寫的地址必須以偶數(shù)開頭也就是說第一個字節(jié)的bit0要置0表示單播地址否則網(wǎng)卡可能不認。很多教程沒說這一點實際改的時候容易踩坑。5.3 改MAC的典型場景與合規(guī)邊界改MAC最典型的場景是這幾個換了新路由器原來網(wǎng)關(guān)綁定了舊網(wǎng)卡的MAC做白名單過濾不想改路由器配置就直接把新網(wǎng)卡的MAC臨時改成舊的一些軟件的授權(quán)和設(shè)備型號綁定在一起換網(wǎng)卡后授權(quán)失效臨時改MAC能解決激活問題還有些人做網(wǎng)絡(luò)調(diào)試需要讓測試設(shè)備看起來像另一個設(shè)備通過改MAC來模擬端到端行為。改動物理地址是一項中性且常見的技術(shù)能力。不過這里必須提醒一句修改MAC的技術(shù)本身沒問題但使用場景要有邊界。如果是你自己管理的設(shè)備、自己的網(wǎng)絡(luò)改MAC解決兼容性或調(diào)試問題完全合理合法。但不要拿它去繞過別人網(wǎng)絡(luò)的訪問控制更不要用于偽造身份、惡意偽裝這類行為違反網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)規(guī)定。我個人的建議是改MAC只用來解決自己可控環(huán)境里的問題別把思路往鉆空子上引。還有一個衍生的實用技巧既然本地管理位是判斷這個MAC是不是被改過的關(guān)鍵你只需要看MAC的第一個字節(jié)。如果這個字節(jié)化成二進制后bit1為1基本可以判定這不是原生全球唯一地址而是軟件覆蓋出來的。這個判斷在排查網(wǎng)絡(luò)安全問題時很好用——某臺設(shè)備顯示了一串很可疑的MAC先看它是否以02、06、0A、0E這類偶數(shù)開頭的本地管理地址如果是那它的真實身份就值得進一步確認。搞清楚這幾個層次之后我自己對物理地址為什么不能連續(xù)這件事總算放下了。它燒錄在芯片里卻沒有全局發(fā)號機關(guān)按順序發(fā)號它工作在二層網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)發(fā)時精確定位、不需要地址段聚合它還要面對隱私隨機化、防克隆這樣的現(xiàn)實壓力。綜合來看MAC地址的意義從來就不是連續(xù)而是唯一、獨立、不可預(yù)測。下次再看到路由器后臺那堆亂糟糟的MAC你知道該怎么跟別人解釋它們?yōu)槭裁撮L這樣了。