【计算机网络】详解数据链路层数据帧Mac地址ARP协议

一、以太网帧

"以太网" 不是一种具体的网络，而是一种技术标准；既包含了数据链路层的内容，也包含了一些物理层的内容 。例如：规定了网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等；例如以太网中的网线必须使用双绞线，传输速率有 10M、100M、1000M等。以太网是当前应用最广泛的局域网技术；和以太网并列的还有令牌环网，无线LAN等。

源地址和目的地址是指网卡的硬件地址(也叫 MAC 地址) ，长度是48位，是在网卡出厂时固化的，帧协议类型字段有三种值，分别对应 IP、ARP、RARP；帧末尾是 CRC 校验码。

二、Mac地址

MAC 地址用来识别数据链路层中相连的节点；长度为48位，及6个字节。一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如：08:00:27:03:fb:19)。在网卡出厂时就确定了，不能修改。 mac 地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址，可能会冲突；也有些网卡支持用户配置 mac 地址)。 IP 地址描述的是路途总体的起点和终点，MAC 地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点 。 IP地址的主要作用是用于网络层寻址，它允许数据包在互联网上从一个网络传输到另一个网络。它是全球唯一的，能够在全球范围内进行通信。MAC地址的主要作用是用于链路层寻址，即在同一网络内部进行通信。它是局域网内设备的唯一标识，确保数据包能够准确地发送到目标设备。

MAC地址的前24位（即前三个字节）通常代表组织唯一标识符（OUI），它是由IEEE（电气和电子工程师协会）分配给制造商的。OUI用于标识生产网络设备的制造商。MAC地址的后24位（即后三个字节）是由制造商为其生产的每个设备分配的，以确保每个设备的MAC地址在全球范围内都是唯一的。

三、ARP协议

ARP不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议。ARP 协议建立了主机IP地址和MAC地址的映射关系。在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址；数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符则直接丢弃。因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。

3.1、ARP协议的工作流程

下面举一个例子：源主机发出 ARP 请求，询问“IP 地址是 192.168.0.1 的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段(以太网帧首部的硬件地址填 FF:FF:FF:FF:FF:FF 表示广播)；目的主机接收到广播的 ARP 请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个 ARP 应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中；每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间(一般为 20 分钟)，如果 20 分钟内没有再次使用某个表项,则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址。arp先广播，再单发。

3.2、ARP数据报格式

注意到源 MAC 地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次，对于链路层为以太网的情况是多余的，但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。以太网帧需要源MAC地址和目的MAC地址来确保数据包能够正确地被发送和接收。这两个地址在以太网帧的头部被明确指定。ARP报文本身也需要包含源主机的MAC地址和目的主机的MAC地址（或未知时的全F填充）。这是为了在网络层建立IP地址和MAC地址的映射关系。由于ARP报文通常被封装在以太网帧中发送，因此源MAC地址和目的MAC地址在以太网帧的头部和ARP报文的相应字段中都会出现。这种设计既满足了链路层的需求，也符合ARP协议的工作原理。