数据链路层：以太网、MAC 地址及 ARP 协议详解

数据链路层

"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

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;

帧格式

以太帧起始部分由前同步码和帧开始定界符组成，后面紧跟着一个以太网报头，以 MAC 地址说明目的地址和源地址。以太帧的中部是该帧负载的包含其他协议报头的数据包，如 IP 协议。

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;

地址一般是唯一的，一个网卡一个MAC地址

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

对比IP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;

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制。这个限制是不同的数据链路对应的物理层，产生的限制

以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位；

最大值1500称为以太网的最大传输单元(MTU)，不同的网络类型有不同的MTU;

如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对数据包进行分片(fragmentation);

不同的数据链路层标准的MTU是不同的；

需要强调，ARP(地址解析协议 )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**;

准确的说，在 TCP/IP 模式中 ARP 协议属于网络层 ，在 OSI 参考模型中 ARP 协议属于数据链路层。

在以太网环境中，数据的传输所依懒的是MAC地址而非IP地址，而将已知IP地址(逻辑地址)转换为MAC地址(物理地址)的工作是由ARP协议来完成的。

ARP协议仅存在于IPv4，IPv6中没有ARP协议 。其原因是因为IPv6采用了邻居发现协议（Neighbor Discovery Protocol，NDP）来处理地址解析和邻居发现，以取代IPv4中的ARP。

ARP协议的作用：

ARP协议通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行，将 IP 地址转换为 MAC 地址，建立了主机IP地址和MAC地址的映射关系。

广播请求、点对点响应 ：在同一条链路，主机 A 想要获取主机 B 的 MAC 地址，通过主机 A 会通过广播的方式向以太网上的所有主机发送一个 ARP 请求包，这个 ARP 请求包中包含了主机 A 想要知道的主机 B 的 IP 地址的 MAC 地址，只有主机B会响应。
缓存：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)，如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效；如果主机A在ARP表中找不到对应的MAC地址，则将缓存该数据报文。

如果在不同链路，就要使用到 代理 ARP 了，通常 ARP 会被路由器隔离，但是采用代理 ARP (ARP Proxy) 的路由器可以将 ARP 请求转发给临近的网段。

ARP 协议用于将 IP 地址解析为 MAC 地址(IP------》MAC )，而 RARP 协议则是将 MAC 地址解析为 IP 地址(MAC------》IP)，二者都是为了实现网络中不同地址格式之间的转换，以确保数据在不同层次的网络设备之间能够正确传输。

然而，由于RARP它只能处理静态映射，缺乏灵活性，现在RARP在现代网络中已经被DHCP、 BOOTP等更为先进的协议所取代 ；而ARP协议则仍被广泛使用。

ARP 协议的工作过程是主机通过广播发送 ARP 请求，询问目标 IP 地址对应的 MAC 地址，拥有该 IP 地址的主机收到请求后会发送 ARP 响应，告知自己的 MAC 地址。

而 RARP 协议的工作过程是主机发送 RARP 请求，其中包含自己的 MAC 地址，请求网络中的 RARP 服务器为其分配对应的 IP 地址，RARP 服务器收到请求后，根据 MAC 地址查找对应的 IP 地址，并通过 RARP 响应发送给请求主机。

可以说，RARP 协议是 ARP 协议的逆向过程。