网络唤醒(WOL)全解指南:原理篇

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什么是网络唤醒

网络唤醒(Wake-on-LAN,WOL)是一种计算机局域网唤醒技术,使局域网内处于关机或休眠状态的计算机,将状态转换成引导(Boot Loader)或运行状态。无线唤醒(Wake-on-Wireless-LAN,WoWLAN)作为 WOL 的补充技术,使用无线网卡去唤醒计算机。网络唤醒在一般的局域网环境里使用有限广播地址(255.255.255.255)即可,由于路由器都不转发目的地址为有限广播地址的数据报,因此在复杂网络情况下通常使用子网定向广播地址。在局域网外唤醒局域网内特定计算机,可以使用路由器的 DDNS 与端口转发。

在1996年10月,英特尔和 IBM 成立了 Advanced Manageability Alliance。1997年4月,联盟提出了 WOL 技术。这是 WOL 技术的起源,随后各大厂商纷纷推出了自己的 WOL 技术标准。本文所讨论的 WOL 技术是由 AMD 公司提出的 Magic Packet(幻数据包,魔术包)唤醒方式,这里给出 AMD 关于此技术的白皮书

幻数据包(Magic Packet)

幻数据包是一个广播帧,包含目标计算机的MAC地址。由于 MAC 地址的唯一性,使数据包可以在网络中被唯一的识别。幻数据包发送通常使用无连接的传输协议,如 UDP ,发送端口为 7 或 9 ,这只是通常做法,没有限制。

WOL 技术被提出了将近20年,绝大多数的现代网卡都支持在超低功耗下监听特定的报文,如 ARP。如果设备网卡接收到一个与自己 MAC 地址相同的幻数据包,则网卡会向计算机的电源或主板发出信号以唤醒计算机。大部分的幻数据包在数据链路层(OSI模型第2层)上发送,当发送时,使用广播地址广播到给定的网络上,不使用IP地址(OSI模型第3层)。当然这是绝大部分情况,幻数据包也可以使用特定的 IP 地址进行发送。

幻数据包最简单的构成是6字节的255(FF FF FF FF FF FF FF),紧接着为目标计算机的48位MAC地址,重复16次,数据包共计102字节。有时数据包内还会紧接着4-6字节的密码信息。这个帧片段可以包含在任何协议中,最常见的是包含在 UDP 中。

FF FF FF FF FF FF FF MAC 地址 × 16 4-6字节的密码(可空)

例如 MAC 地址为 11 22 33 44 55 66 的目标计算机,幻数据包的格式为:

FFFFFFFFFFFF 112233445566 112233445566 112233445566 112233445566 112233445566 112233445566 112233445566 112233445566 112233445566 112233445566 112233445566 112233445566 112233445566 112233445566 112233445566 112233445566 [ABABABABABAB(这里为6个字节的密码)]

幻数据包还有一些基本限制条件:

  1. 需要知道目标计算机 MAC 地址
  2. 不提供送达确认
  3. 可能无法在局域网之外工作
  4. 需要硬件进行支持

创建幻数据包

项目地址:https://github.com/ZhangGaoxing/wake-on-lan

该项目为 Xamarin 跨平台项目,包含 Xamarin.Android 与 UWP 。支持自动扫描添加局域网设备。

关于 MAC 地址的扫描获取,这里只说一下思路,详细请查阅代码。第一种方式,也是我最开始想到的方式,使用 Ping 来 Ping 整个网段。开了四个线程,1-255大概需要30多秒,稍微有点慢,而且 .NET 的 Ping 类在 Android 上无法限制秒数。第二种方式,百度到的,直接向整个网段发送 UDP 消息,2秒解决战斗。扫描完成后获取 ARP 表就行。

下面给出的是发送幻数据包的方法:

public static async void Wake(string broadcast, int port, byte[] mac)
{
    using (UdpClient udp = new UdpClient())
    {
        udp.EnableBroadcast = true;

        byte[] packet = new byte[6 + 16 * 6];

        for (int i = 0; i < 6; i++)
        {
            packet[i] = 0xFF;
        }

        for (int i = 0; i < 16; i++)
        {
            for (int j = 0; j < 6; j++)
            {
                packet[6 + i * 6 + j] = mac[j];
            }
        }

        await udp.SendAsync(packet, packet.Length, broadcast, port);
    }
}