【网络】7.数据链路层：MAC 帧与 ARP 协议详解

[一、MAC 帧协议](#一、MAC 帧协议)

[1. 网络通信的三层结构](#1. 网络通信的三层结构)

[2. 以太网](#2. 以太网)

[3. MAC 帧报头结构](#3. MAC 帧报头结构)

[4. MTU 与 MSS](#4. MTU 与 MSS)

[二、ARP 协议（地址解析协议）](#二、ARP 协议（地址解析协议）)

[1. 局域网内通信](#1. 局域网内通信)

[2. 数据碰撞](#2. 数据碰撞)

[3. ARP 协议的作用](#3. ARP 协议的作用)

[4. ARP 协议报头结构](#4. ARP 协议报头结构)

[5. ARP 请求的发送过程](#5. ARP 请求的发送过程)

[6. ARP 应答的返回过程](#6. ARP 应答的返回过程)

[7. ARP 缓存](#7. ARP 缓存)

[8. 通信过程中的 ARP](#8. 通信过程中的 ARP)

一、MAC 帧协议

1. 网络通信的三层结构

把数据从不同公网的主机 A 传到主机 B，本质是由不同局域网间的主机通信构成的。

层级	协议	作用
传输层	TCP	确保可靠性，处理丢包问题
网络层	IP	长距离传输，指明大概方向
数据链路层	MAC 帧	每个局域网内具体怎么传

2. 以太网

以太网不是具体的某个网络，而是一种标准（IEEE 802.3 系列）。

数据链路层的两个基本功能：

分离：通过固定长度的协议头，将报头和有效载荷分离
分用：通过帧类型字段，将数据交给上层对应的协议

3. MAC 帧报头结构

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[ 目的MAC地址 ][ 源MAC地址 ][ 类型 ][ 数据 ][ CRC ]
   6字节         6字节       2字节  46-1500字节 4字节

字段说明：

目的 MAC 地址（6 字节）：接收方的物理地址
源 MAC 地址（6 字节）：发送方的物理地址
类型（2 字节）：上层协议类型
- 0x0800：IP 协议
- 0x0806：ARP 协议
数据（46-1500 字节）：上层传下来的有效载荷
CRC（4 字节）：循环冗余校验，检测数据是否损坏

MAC 地址：

用于数据链路层的节点识别
出厂时设定，全球唯一（理论上）

4. MTU 与 MSS

MTU（最大传输单元）：

以太网规定数据帧的大小范围：46 ~ 1500 字节
小于 46 字节需要填充
大于 1500 字节需要分片

为什么要有下限 46 字节？

以太网是共享介质，存在数据碰撞
为了检测碰撞，帧需要足够长
太短的帧可能无法检测到碰撞

MSS（最大分段大小）：

MSS = MTU - IP 报头 - TCP 报头
典型值：1500 - 20 - 20 = 1460 字节
对于 UDP：1500 - 20 - 8 = 1472 字节

分片位置：

分片不一定只发生在主机中
MTU 较小的路由器也可能对数据报进行分片
由于 IP 报头中有偏移量和标志位，无论怎么分片，最终都可以重组

TCP 的优化：

TCP 三次握手时，双方会在选项字段中携带自己的 MSS 大小
双方取较小的 MSS 作为发送上限
这样 TCP 层就能控制向下传递的数据大小，减少 IP 层分片
注意：IP 层不知道 MSS，它只是被动地执行分片任务；MSS 是 TCP 层的概念

二、ARP 协议（地址解析协议）

1. 局域网内通信

当局域网内的主机 A 要发送数据到主机 E 时：

A 将数据发送给路由器
路由器向局域网广播
B、C、D 等主机收到后自动丢弃
E 主机接收并处理

2. 数据碰撞

局域网是一个碰撞域，同一时刻只能有一个设备发送数据
多个设备同时发送，会产生数据碰撞
碰撞发生后，需要采用**重发、退避（休眠）**等机制恢复

帧大小的限制：

从碰撞角度考虑，单个主机占用网络的时间越短越好
但帧太短可能无法检测到碰撞
因此以太网规定了帧的上下限：46 ~ 1500 字节

3. ARP 协议的作用

问题：MAC 帧通信需要目标 MAC 地址，但第一次通信时不知道对方的 MAC 地址。

解决方案：ARP 协议

ARP 的作用：通过 IP 地址获取 MAC 地址

工作过程：

主机知道目标 IP，但不知道目标 MAC
在局域网内广播一个 ARP 请求："谁的 IP 是 x.x.x.x？请告诉我你的 MAC 地址"
目标主机收到后，单播回复 ARP 应答，告知自己的 MAC 地址

协议层次：

ARP 协议和 MAC 帧协议都在数据链路层
但 ARP 是 MAC 的上层协议
ARP 报文需要先被 MAC 帧封装，然后发送

4. ARP 协议报头结构

ARP 报头固定 28 字节：

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[ 硬件类型 ][ 协议类型 ][ 硬件地址长度 ][ 协议地址长度 ][ OP ][ 发送方MAC ][ 发送方IP ][ 目标MAC ][ 目标IP ]
   2字节      2字节        1字节           1字节        2字节    6字节       4字节      6字节      4字节

字段说明：

字段	长度	说明
硬件类型	2 字节	链路层网络类型，以太网为 1
协议类型	2 字节	上层协议类型，IP 协议为 0x0800
硬件地址长度	1 字节	MAC 地址长度，一般为 6
协议地址长度	1 字节	IP 地址长度，一般为 4
OP	2 字节	操作类型：1=ARP 请求，2=ARP 应答
发送方 MAC	6 字节	发送方的物理地址
发送方 IP	4 字节	发送方的 IP 地址
目标 MAC	6 字节	目标物理地址（请求时填 0）
目标 IP	4 字节	目标的 IP 地址

填充问题：

MAC 帧协议 14 字节 + ARP 协议 28 字节 = 42 字节
小于以太网规定的 46 字节下限
因此会在数据后面补足随机数据，凑够 46 字节

5. ARP 请求的发送过程

发送 ARP 请求：

OP 字段 = 1（请求）
目标 MAC 地址填 FF:FF:FF:FF:FF:FF（广播地址）
被 MAC 帧封装时，MAC 报头的目标地址也是 FF:FF:FF:FF:FF:FF

接收处理：

局域网内所有主机都会收到这个 MAC 帧
网卡发现目标 MAC 是广播地址，向上传递给 ARP 协议
ARP 协议解析报文：
- 如果 OP = 1 且目标 IP 是自己 → 发送 ARP 应答
- 如果目标 IP 不是自己 → 直接丢弃

6. ARP 应答的返回过程

发送 ARP 应答：

OP 字段 = 2（应答）
目标 MAC 地址填写请求方的 MAC（已经从请求报文中获得）
被 MAC 帧封装时，MAC 报头的目标地址就是请求方的 MAC

接收处理：

只有请求方主机会收到这个 MAC 帧（其他主机在 MAC 层就会丢弃）
请求方解析 ARP 报文，获得目标主机的 MAC 地址

广播与应答的区别：

请求时：MAC 层广播，所有主机都收到，ARP 层判断是否是自己
应答时：MAC 层单播，只有目标主机收到，ARP 层直接处理

7. ARP 缓存

为了提高效率，主机会维护一个 ARP 缓存表，记录最近通信过的 IP 地址与 MAC 地址的映射关系。

为什么不永久保存？

MAC 设备可能更换（网卡坏了换新网卡）
IP 地址是动态分配的（DHCP），可能变化
因此缓存会设置过期时间（通常是几分钟到几十分钟）

查看 ARP 缓存：

复制代码

arp -a

8. 通信过程中的 ARP

ARP 不仅发生在主机和路由器之间，在路由器与路由器之间也会触发。

在整个通信过程中，ARP 会一直触发：

每经过一个路由器，都需要知道下一跳的 MAC 地址
因此 ARP 是网络通信的基础机制