所谓的跨网络通信，本质上就是把多个局域网进行串联的过程。真正在网络中传输的报文，其实都是数据帧。
1. 以太网
1.1 认识以太网
"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。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。由此可知，局域网通信的标准有多套。
简单的跨网络通信模型如下图所示：
真正的跨网络通信，无论底层是以太网、令牌环网还是无线LAN，在IP层和以上各层来看是没有差别的，底层的差异被数据链路层屏蔽了。
1.2 Mac 帧格式
这里所对应的数据（帧的数据字段），一般就是IP报文。
MAC地址是不能跨网络的 ，MAC地址在路由过程中，在每一跳都会改变（源MAC变成当前发送方的MAC，目的MAC变成下一跳的MAC）。
任何一个报文都离不开回答两个问题：
- 接收方如何将报头和有效载荷分离？ MAC帧的报头是固定长度的（14字节以太网头 + 4字节尾部CRC），所以分离很简单。
- 接收方如何分用？ 报文中存在类型字段（Type），表示上层协议的类型（如0x0800表示IP，0x0806表示ARP）
MAC帧有个规定：有效载荷的长度不能超过1500，也不能小于46字节 ，范围是46~1500字节。如果IP报文的长度不足46字节，会通过**填充字段（PAD）**凑够46字节。
正因为有报文填充，IP报头中才有了16位总长度字段。因为IP报文在MAC帧中可能被填充，所以IP报头中的16位总长度字段表明了真正的IP报文有多长，从而区分哪些是填充数据。
1.3 局域网中的通信与碰撞
在以太网中，如果主机A要向主机E发送数据，必须封装成MAC帧 。主机A为什么要给主机E发送数据？这不由MAC帧决定，而是由网络层决定（路由表和用户意图）。
在局域网中发送的消息，其他主机也能收到 ，只是通过判断目的MAC地址来决定是接收还是丢弃。如果某个主机的网卡模式设置成混杂模式 ，它收到报文时不做MAC地址判断，直接向上交付，这就是**抓包（嗅探）**的原理。
数据链路层只保证数据发出不在局域网中发生碰撞，至于对方是否收到不确定，因为没有应答。
在主机A和主机E进行通信时，主机C和主机D也在进行通信，如果大家都向以太网中发送数据，就会发生数据碰撞 。因此，以太网往往也被称为碰撞域。
一旦数据发生碰撞，参与通信的主机就要进行碰撞检测和退避 。碰撞检测会让主机延迟一段时间再重发 ，错开时间，这就是一种延迟重发机制。
在以太网中，任何时刻只允许一台主机发送数据，以太网相当于一个临界资源。
延申出的两个问题：
数据帧的长度是否影响碰撞概率？
如果数据帧太长，发送碰撞时，重传的代价太大 。MAC帧是利用以太网的空闲时间在通信，因此要保证各主机发送数据帧的时间要错开。帧越短，以太网中的间隙越多 ，发生碰撞的概率越低，通信效率越高。但是数据帧太短，有效数据传输效率就降低了（因为头部开销占比变大）。因此需要在效率和碰撞风险之间寻找平衡。
数据帧在网络中是以光电信号传输的，速度非常快，发生碰撞的概率很小。
主机数增多的影响
如果局域网中通信的主机增多 ，碰撞概率增加 。用户感觉不到具体的碰撞，但可以感受到网速变慢。网速就是单位时间内上传和下载的流量。
1.4 交换机
怎么缓解主机数量增大、网速急剧下降的情况？在数据链路层存在一种设备，叫做交换机 。交换机可以将以太网划分成不同的碰撞域。
假设交换机将局域网分成左右两部分：
- 若没有交换机，主机A与主机D通信、主机C与主机E通信，只能一个一个来
- 若有交换机，主机A与主机D通信在左侧区域，主机C与主机E通信在右侧区域，可以同时进行，互不干扰
交换机的意义 ：划分碰撞域，有效减少数据碰撞问题 。划分后的每个碰撞域都可以独立对外工作，且彼此之间互不干扰，并且可以互相通信（跨区域通信时交换机会转发）。
所以，一般一个大的局域网，会使用交换机划分成一个个小的碰撞域。
交换机的原理
交换机刚开始什么都不知道，通过自学习建立MAC地址表：
- 主机A给主机E发送数据
- 交换机不知道目的主机E在哪，但它知道数据帧是从左侧来的，于是记录：主机A的MAC地址在左侧
- 交换机将数据转发到右侧区域（相当于导线）
- 主机E收到数据后，返回应答给主机A（目的MAC = macA，源MAC = macE）
- 交换机也收到这个应答，记录：主机E的MAC地址在右侧
- 经过不断学习，交换机知道了哪些MAC在左边，哪些在右边
后来，主机A要给主机D发送消息（都在左侧），交换机发现通信双方在同一个碰撞域，阻止消息扩散到右侧碰撞域，从而提高了效率。
2. ARP 协议**（地址解析协议）**
2.1 认识 ARP
如下图：
主机B的路由表中记录了下一跳路由器F的IP地址 ，但不知道它的MAC地址；路由器D知道主机C的IP地址，但不知道主机C的MAC地址。
不知道MAC地址，就无法封装MAC帧 。怎么办？在同一个网段中，必须有一项技术，能够将下一跳IP地址转化成下一跳的MAC地址 。这项技术叫做ARP（地址解析协议）。
ARP 的相关知识：
ARP协议属于局域网通信协议 ，它属于数据链路层的一种协议（与MAC帧同层），它只工作在数据链路层，不会再向上交付数据。
ARP是什么？ 能够将IP地址转化成MAC地址的一种技术。
ARP为什么要有？ 没有它，就不能将报文交给下一跳，它是局域网通信的支撑技术。
ARP 的工作原理
示例：以太网中存在四台主机A、B、C、D。主机A只知道主机D的IP地址（ipD），想知道主机D的MAC地址。
步骤1：广播ARP请求 ：主机A在以太网中广播一个ARP请求：目的MAC地址：FF:FF:FF:FF:FF:FF（广播地址），帧类型：0x0806（表示ARP协议），数据内容：who is ipD?
步骤2：所有主机接收：主机B、C、D都能收到这个广播帧，它们发现目的MAC是广播地址，全部向上交付到ARP层
步骤3：非目标主机丢弃 ：主机B、C发现询问的IP不是自己，在ARP层直接丢弃
步骤4：目标主机应答 ：主机D发现询问的IP就是自己，返回ARP应答 ：目的MAC：macA，源MAC：macD，帧类型：0x0806，数据内容：I am ipD, my MAC is macD。这次不是广播，而是单播通信
步骤5：主机A记录： 主机A收到应答，知道了主机D的MAC地址，并将其存入ARP缓存表
总结 ：ARP的过程就是一个先广播请求，再单播应答的过程。
2.2 ARP 数据报格式
ARP报头会整体作为MAC帧的有效载荷部分，所以ARP报头真正的部分是：
ARP报头固定长度为28字节。
硬件类型：链路层网络类型，1为以太网
协议类型：要转换的地址类型，0800为IP地址，0806位ARP地址
硬件地址长度：以太网地址长度为6字节
协议地址长度：IP地址长度为4字节
op字段：1表示ARP请求，2表示ARP应答
发送端以太网地址：发起APR请求/应答的mac地址
发送端ip地址：发起APR请求/应答的ip地址
目的以太网地址：接收APR请求/应答的mac地址
目的ip地址：接收APR请求/应答的ip地址
2.3 ARP请求与应答
ARP请求与应答完整流程
以太网中存在五台主机A、B、C、D、E。主机A要向主机E发送数据，但只知道主机E的IP地址（ipE）。
ARP请求阶段：主机A构建ARP请求：op：1，发送端MAC：macA，发送端IP：ipA，目的MAC：FF:FF:FF:FF:FF:FF，目的IP：ipE。封装成MAC帧：目的MAC=广播，源MAC=macA，类型=0x0806。广播发送到以太网。
各主机处理 ：主机B、C、D：发现询问的IP不是自己，在ARP层丢弃；主机E：发现询问的IP是自己，准备发送ARP应答
ARP应答阶段：主机E构建ARP应答：op：2，发送端MAC：macE，发送端IP：ipE，目的MAC：macA，目的IP：ipA。封装成MAC帧：目的MAC=macA，源MAC=macE，类型=0x0806。单播发送到以太网
主机A接收 ：主机A收到后，提取macE，存入ARP缓存表
知道对方的MAC地址后，就可以封装MAC帧，发送数据了。
任何一台主机都可能接收ARP请求和接收ARP应答，最先关注的都是op字段，因为主机并不确定自己收到的ARP是请求还是应答。
2.4 ARP 缓存
ARP工作在每个局域网之间都需要产生。如果每次通信都要广播，网络压力会比较大，效率也会变慢。因此，路由器/主机会缓存ARP映射，缓存也会过期。
使用 arp -a 命令可以查看ARP缓存表：
**为什么ARP缓存要过期？**IP地址和MAC地址都可能会变化（如DHCP重新分配IP），缓存过期机制保证了IP与MAC的映射是最新的
如何获取局域网内所有IP对应的MAC地址？ 使用 ping 命令扫描整个网段，触发ARP请求。使用ifconfig指令，查看自己的ip地址，输入指令：cnt=1; while [ cnt -le 255 \]; do ping -c1 "172.31.14.{cnt}"; echo "ping -c1"; let cnt++; sleep 1; done。
百分数显示的就是丢包率，若是丢包率为100%，说明主机内并不存在该ip地址。
知道某台主机的MAC地址，想知道它的IP地址，使用的技术是RARP（逆地址解析协议）。它是一个很古老的技术，已经被淘汰。
2.5 ARP欺骗（中间人攻击）
在以太网中，主机A ARP请求主机E，主机E ARP应答主机A。这是正常流程。
攻击场景：主机D构造一个假的ARP应答：声称：ipE对应的MAC地址是macD；或者：ipA对应的MAC地址是macD。
ARP缓存的特点：对于同一个IP，只记录最新的MAC地址。
后果：
- 主机A收到假的ARP应答后，会更新ARP缓存，认为主机E的MAC变成了macD
- 之后主机A发送给主机E的报文，实际上会被主机D收到
- 主机D可以转发给真正的主机E（让双方感知不到），同时窃听所有通信
如果主机D同时伪造主机A和主机E的ARP映射，就可以成为中间人，实现双向窃听甚至篡改数据。这就是中间人攻击。它可以用来盗取信息，甚至实现定向目标主机断网（比如发送一个错误的网关MAC映射）。
防御手段：静态ARP绑定、ARP防火墙、交换机端口安全等。