Day 03：Ethernet Broadcast & Unicast —— 建立接收過濾器（Receive Filter）

昨天我們已經成功解析 Ethernet Header，能夠讀取：

• Destination MAC
• Source MAC
• EtherType

然而，真實網卡並不會接收所有經過網路的封包。

今天我們要讓自製的網路堆疊具備真正網卡的第一項核心能力：

Receive Filter

也就是：

• 接受（ACCEPT）廣播封包（Broadcast）
• 接受（ACCEPT）發送給自己的單播封包（Unicast to Me）
• 丟棄（DROP）發送給其他設備的單播封包（Unicast to Other）

今日學習目標

完成以下內容：

• [x] 理解 Ethernet 接收過濾機制
• [x] 建立本機虛擬網卡 MAC Address
• [x] 實作 Broadcast 判斷
• [x] 實作 Unicast to Me 判斷
• [x] 建立 Ethernet Receive Filter
• [x] 驗證 ACCEPT 與 DROP 行為

1. 核心概念：為什麼需要 Receive Filter？

在真實區域網路中，每秒可能有大量封包在網路上流動。

例如：

PC-A
PC-B
PC-C
PC-D

如果所有封包都交給作業系統處理：

Ethernet Frame
      ↓
Linux Kernel
      ↓
CPU 解析

即使封包根本不是發送給自己，也會浪費大量 CPU 資源。

因此網卡會先在 Layer 2 建立第一道防線：

Ethernet Frame
      ↓
Receive Filter
      ↓
決定要不要往上層送

1.1 網卡接收決策流程

真實網卡在收到 Ethernet Frame 時，並不會無條件把所有封包都交給上層處理，而是會先根據目的 MAC 做一次接收判斷。

這張流程圖對應到本日程式中的核心邏輯：Broadcast 會被接受，目的 MAC 等於本機 MAC 的 Unicast 也會被接受，其餘封包則會被丟棄。

1.2 Broadcast 與 Unicast

Broadcast（廣播）

廣播 MAC：

ff:ff:ff:ff:ff:ff

代表：

網段內所有設備都必須接收這個封包。

例如：

ARP Request

就是典型的 Broadcast。

Unicast（單播）

單播代表封包只發送給某一台設備。

例如：

02:00:00:00:00:01

若目的 MAC 與本機一致：

Destination MAC
        ==
Local MAC

則接受。

否則直接丟棄。

2. 開始實作

今天新增一個設定檔：

Networking_Fundamentals
│
├── include
│   ├── config.h
│   └── ethernet.h
│
└── src
    ├── ethernet.c
    └── tap.c

3. 建立本機 MAC 設定

檔案：

include/config.h

今天先將我們的虛擬網卡 MAC 固定設定為：

02:00:00:00:00:01

完整程式碼

#ifndef CONFIG_H
#define CONFIG_H

#include <stdint.h>

static const uint8_t LOCAL_MAC[6] = {
    0x02,
    0x00,
    0x00,
    0x00,
    0x00,
    0x01
};

#endif

為什麼使用 02 開頭？

MAC Address 第一個位元組的第二低位元（Locally Administered Bit）為 1 時：

02:xx:xx:xx:xx:xx

代表：

Locally Administered Address

也就是軟體自行指定的 MAC。

非常適合作為實驗用途。

4. 更新 Ethernet Header

檔案：

include/ethernet.h

新增接收過濾器相關函式：

int ethernet_is_broadcast(const uint8_t *mac);
int ethernet_is_for_me(const uint8_t *mac);
int ethernet_accept_frame(const struct ethernet_hdr *hdr);

函式職責

5. 實作 Ethernet Receive Filter

檔案：

src/ethernet.c

判斷 Broadcast

int ethernet_is_broadcast(const uint8_t *mac)
{
    for (int i = 0; i < ETH_ADDR_LEN; i++) {

        if (mac[i] != 0xff)
            return 0;
    }

    return 1;
}

邏輯：

ff ff ff ff ff ff

全部都是：

0xff

才算廣播。

判斷是否送給自己

int ethernet_is_for_me(const uint8_t *mac)
{
    return memcmp(
        mac,
        LOCAL_MAC,
        ETH_ADDR_LEN
    ) == 0;
}

邏輯：

Destination MAC
        ==
LOCAL_MAC

則接受。

接收過濾器總入口

int ethernet_accept_frame(
    const struct ethernet_hdr *hdr)
{
    if (ethernet_is_broadcast(hdr->dst)) {
        return 1;
    }

    if (ethernet_is_for_me(hdr->dst)) {
        return 1;
    }

    return 0;
}

流程：

Broadcast ?
     │
     ├─ YES → ACCEPT
     │
     ▼
For Me ?
     │
     ├─ YES → ACCEPT
     │
     ▼
DROP

6. 整合到接收流程

檔案：

src/tap.c

在解析 Ethernet Header 後：

struct ethernet_hdr *eth =
    (struct ethernet_hdr *)buffer;

加入：

if (!ethernet_accept_frame(eth)) {

    printf("[DROP] Not for me\n");

    continue;
}

printf("[ACCEPT]\n");

ethernet_print_header(eth);

此時資料流變成：

Ethernet Frame
        ↓
Ethernet Parser
        ↓
Receive Filter
        ↓
ACCEPT / DROP

7. 編譯與執行

編譯

gcc src/tap.c src/ethernet.c \
    -Iinclude \
    -o ethernet_receiver

執行

sudo ./ethernet_receiver

8. 三大測試情境

前面已經完成接收判斷邏輯，接下來用三種典型封包情境來驗證程式是否能正確接受或丟棄 Frame。

這三個測試會分別覆蓋 Broadcast、目的 MAC 是自己的 Unicast，以及目的 MAC 不是自己的 Unicast，剛好對應到網卡接收決策的三種結果。

測試一：Broadcast

執行：

ping -I tap0 10.0.0.99

Linux 會先送出：

ARP Request

其目的 MAC 為：

ff:ff:ff:ff:ff:ff

程式輸出：

[ACCEPT]

Ethernet Frame
-------------------------
Destination : ff:ff:ff:ff:ff:ff
Source      : c6:bf:60:33:9d:73
EtherType   : 0x0806
Frame length: 42 bytes

結果：

Broadcast
     ↓
ACCEPT

測試二：Unicast to Self

建立靜態 ARP：

sudo ip neigh add \
10.0.0.2 \
lladdr 02:00:00:00:00:01 \
dev tap0

測試：

ping -I tap0 10.0.0.2

程式輸出：

[ACCEPT]

Ethernet Frame
-------------------------
Destination : 02:00:00:00:00:01
Source      : c6:bf:60:33:9d:73
EtherType   : 0x0800
Frame length: 98 bytes

結果：

Destination MAC
      ==
LOCAL_MAC

成功接受。

測試三：Unicast to Other

建立另一個 MAC：

sudo ip neigh add \
10.0.0.3 \
lladdr 02:00:00:00:00:99 \
dev tap0

測試：

ping -I tap0 10.0.0.3

程式輸出：

[DROP] Not for me

結果：

Destination MAC
      !=
LOCAL_MAC

因此直接丟棄。

9. 常見問題（Q&A）

Q1：為什麼要先檢查 Broadcast？

因為許多重要協定都依賴 Broadcast。

例如：

ARP Request
DHCP Discover

若把 Broadcast 全部丟掉：

找不到 MAC
拿不到 IP

後續網路功能都無法運作。

Q2：為什麼不用 Source MAC 判斷？

因為接收端關心的是：

這個封包是不是送給我？

因此必須檢查：

Destination MAC

而不是 Source MAC。

今日總結

今天我們讓自製網路堆疊具備了真正網卡的重要能力：

Receive Filter

資料流正式進化為：

Ethernet Frame
        ↓
Ethernet Parser
        ↓
Receive Filter
        ↓
ACCEPT / DROP

目前網路堆疊進度：

Ethernet Frame
      ↓
Ethernet Parser
      ↓
Receive Filter   ← 今天完成
      ↓
ACCEPT / DROP

我們已經能夠像真實網卡一樣，決定哪些封包應該被處理，哪些封包應該被直接忽略。

下一堂課預告（Day 04）

明天將正式進入：

ARP Protocol
(Address Resolution Protocol)

我們會第一次主動構造並發送網路協定封包：

Who has 10.0.0.1 ?
Tell 10.0.0.2

也就是詢問：

誰的 IP 是 10.0.0.1？
請告訴 10.0.0.2。

Day 04 會完成：

• 定義 ARP Header
• 建立本機 IP 設定
• 實作 ARP Request Builder
• 將 ARP 封包封裝進 Ethernet Frame
• 使用 write() 從 TAP Device 發送出去
• 使用 tcpdump / Wireshark 驗證封包內容

屆時我們的處理流程將從：

Ethernet Frame
      ↓
Ethernet Parser
      ↓
Receive Filter
      ↓
ACCEPT / DROP

進一步發展為：

Ethernet Frame
      ↓
Ethernet Parser
      ↓
Receive Filter
      ↓
EtherType = 0x0806
      ↓
ARP Request

這代表我們不只會被動接收 Ethernet Frame，也會開始主動產生並送出第一個真正的網路協定封包。