计网第三章.数据链路层—MAC地址与ARP协议_arp计网

以下是来自湖科大计算机网络公开课的笔记

一、MAC地址

1. 背景

当多个主机连接在同一个广播信道上，每个主机都必须有一个唯一的标识，即一个数据链路层地址。（点对点的信道就不需要了，一个信道上只有两个主机）

每个主机发送的帧中必须携带表示发送主机和接收主机的地址。由于这类地址是用于媒体接入控制MAC（Media Acess Control），因此这类地址被称为MAC地址。

媒体接入控制基本概念： 多个主机连在一根同轴电缆上，它们共享这根传输媒体，形成了一个总线型的局域网，如下图，显然共享信道需要解决，如何协调多个发送和接收站点对一个共享传输媒体的占用，即媒体接入控制MAC(Medium
Access Control)：

可以静态划分信道（把这根物理电缆划分成不同的信道，频分多址，时分多址，码分多址——这些前面物理层也有讲）

也可以动态接入控制（受控接入弃用了，主要是随机接入——有线局域网的CSMA/CD协议，无线局域网的CSMA/CA协议，主要是解决碰撞冲突问题）

主机收到帧后，将帧首部的MAC地址和自己的MAC地址匹配，就知道是不是发给自己的。不是自己的就丢弃，是自己的就接受。

MAC地址一般固化在网卡（网络适配器）的电可擦可编程只读存储器EEPROM中，因此MAC地址也被称为硬件地址。如图：

2. 两个需要注意的点

（1）虽然MAC地址有时会被称为物理地址，但这并不意味着MAC地址属于网络体系结构中的物理层！

（2）严格来说，MAC地址是对网络上各接口的唯一标识，而不是对网络上各设备的唯一标识：

一般情况下，用户主机会包含两个网络适配器：有线局域网适配器（有线网卡）和无线局域网适配器（无线网卡）。每个网路适配器都有一个全球唯一的MAC地址。而交换机和路由器往往拥有更多的网络接口，所以会拥有更多的MAC地址。

3.地址格式

总共6个字节，48个比特，所以也叫扩展的唯一标识符EUI-48——MAC地址共有2的48次方个，二百八十多万亿，现在鼓励用EUI64替代，怕用完

MAC的标准标识方法是将每4个比特写成一个十六进制的字符，这样就一共有12个字符，每两个字符分成一组，共6组

在Windows系统中组与组之间用短线连接(也是标准表示)，如上图，00-0C-CF-93-8C-92

在Linux、IOS、安卓系统中用冒号连接，如 00:0C:CF:93:8C:92

还可以每四个字符之间用.连接，如：000C.CF93.8C92

4.MAC地址上的信息

回到6字节48位的MAC地址。

MAC地址第一字节的b0位取0时，表示该地址是单播地址，取1时，表示该地址是多播地址；

第一字节的b1位取0时，表示该地址是全球管理的，即全球唯一的，取1时表示是本地管理的；

b0、b1两位就能分成四种MAC地址：

本地管理的单播地址由网络管理员分配，优先级高，会覆盖网路接口的全球管理单播地址。

注意，在b0、b1也是1，即本地管理的多播地址时，如果剩下的那46位（总共6字节，48位）也全为1，此时48位全为1，那MAC地址就是广播地址

16进制表示是FF-FF-FF-FF-FF-FF;

单播：某主机发送数据，数据帧的前面是目的MAC地址，然后是发送源地址（下面也是一样），各主机收到帧后发现目的地址不是自己就丢弃，是就接收数据。

广播：如果某主机发送的帧的目的地址字段是广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF，那总线上其它主机匹配时发现是广播帧，就都会接收该数据帧。

**多播：**从标准MAC地址快速判断是否是多播帧的方法就是，查看第一个十六进制数能不能整除2，如07就不能：

假设主机BCD支持多播，那各用户给自己主机就配置了多播组列表，各主机收到数据会查看自己的多播组列表中有没有这个目标地址，有就接收数据，没有就丢弃：

注意，给自己主机配置多播组列表进行私有应用时，不得使用公有的标准多播地址，可以在IEEE标准网查询

5.MAC地址的发送顺序

字节发送顺序：第一字节、第二字节…第六字节

字节内的比特发送顺序：b0、b1、b2…b7

补充：现在的很多设备，IOS系列，Windows10，安卓6.0，Linux3.18等都有随机MAC地址技术，防止被追踪MAC地址追踪技术跟踪

二、地址解析协议ARP

1.先简介下IP地址

在数据链路层这里介绍网络层的IP地址主要是MAC地址和IP地址有一定关系，这里主要是介绍IP地址作用，后面在网路层会更详细的介绍

IP地址是英特网上的主机和路由器所用的地址，用于标识两部分信息：

①网络编号：区分英特网是哪个数以百万计的网络

②主机编号：标识同一个网络上不同主机（或路由器各接口）

显然，MAC地址不具备区分不同网络的功能，他只能区分同一个子网下的不同主机。所以主机只要想接入英特网，则IP地址和MAC地址都需要使用。

2.从网络体系结构看IP地址和MAC地址

看以下数据传输过程中，IP地址和MAC地址的区别，可以看到，源IP地址和目的地IP地址一直没变，都是IP1和IP2（因为用户只需要知道目的IP地址是谁，具体怎么传应该由下层负责），而MAC地址却是阶段性的，中间是填路由器的MAC地址，发送源和目的地的MAC地址随路由器而变。

因为实际上，主机H1知道要把数据包传给路由器R1，他也知道路由器R1相应接口的的IP地址，但是不知道R1的MAC地址，所以需要在链路层的数据帧中写上对方的MAC地址，同样的，R1也知道R2的IP地址而不知道MAC地址，R2对主机H2也是。

而如何从IP地址解析出MAC地址，需要用到地址解析协议ARP

3.地址解析协议ARP

（一）局域网内

要知道，在上面情况中，如果不知道对方的MAC地址，那数据链路层无法构建MAC帧，数据也就不能进一步封装了！

每台主机都有一个ARP高速缓存表，这个缓存表记录之前通信过的设备的IP地址和MAC地址的对应关系

B的ARP高速缓存表中，有A的IP地址和MAC地址对应关系（第一行），但是没有C的，而我们的B要将数据发给C。

B会发送广播，来请求到C的MAC地址：

当然具体格式不是这样的。而且，ARP请求报文被封装在MAC帧中发送，目的地址？——就是广播地址！

总线上其它主机收到广播帧后，比如主机A的网卡收到，它交给上层处理，上层专门的ARP解析进程解析后发现，该报文中请求的IP地址不是自己的，就不予理会。

主机C收到，解析，发现要找的就是自己：

首先将B的地址和MAC地址记录到自己的ARP高速缓存表中；——先收藏进ARP缓存表再说哈哈哈——因为发送的时候是先查主机的ARP缓存表找到对方的MAC地址再发送

然后给主机B发送ARP响应，并告知自己的MAC地址。——目的地址是主机B的MAC地址，单播帧

响应报文如下：

虽然是单播帧，总线上的主机都能收到（毕竟是总线，没有经过路由器），A收到发现目的地址不是自己，就丢弃该帧。B收到后则是将其放入ARP高速缓存表中，

然后B就能给C发送数据了。

ARP高速缓存表中的记录分动态和静态两种类型（上面有图）。

动态：是主机自动获取到的，生命周期默认为2分钟——比如B获取到C的IP和MAC记录就是。过了两分钟就删除缓存了。因为IP地址和MAC地址的对应关系不 是固定的，主机网卡坏了，更换后MAC地址也变了而IP地址没变

静态：是网络维护人员或者有用户手工设置，不同操作系统下生命周期不同，比如有的系统重启后不存在了，有的重启依然有效

ARP协议过程总结：

1. 先查ARP高速缓存表

2. 没有就发送请求报文，广播

（主机先看这个目的IP地址和自己是不是一个网络号，是的话说明在一个局域网内，先查自己的ARP高速缓存表，查不到就广播；如果不是一个局域网内，那查自己的高速缓存表，一般会有下一个路由器的MAC地址，这样路由器就发送广播）

（二）互联网中

要注意的点

ARP只能在一个链路或一个局域网络上使用，上面的例子中就是总线连接各主机之间可以通过广播获取MAC地址

下图就不行了：

那为啥第二部分说有IP地址就可以从主机H1送到主机H2？
因为是一段一段链路上使用的ARP呀！

所以第二部分的例子就是H1知道R1的IP地址（因为主机本身就是由路由器对外连接的，一个主机连一个路由器）然后通过ARP协议获取到R1的MAC地址，然后发给R1（主机H1和R1是在同一个网络上的），而路由器和路由器之间也有一个ARP高速缓存表，就这样一段一段找到了主机H2！

补充：