数据链路层基础

1. 帧（Frame）结构

1）什么是帧

在以太网里，主机之间真正传输的不是"裸数据"，而是：

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帧（Frame）

可以理解成：

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链路层的数据包

如果说：

应用层传的是消息
传输层传的是报文段
网络层传的是 IP 数据报

那么链路层传的就是：

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帧

2）为什么需要帧

因为在局域网里，数据不能直接"散着发"，必须封装好，告诉网卡和交换机：

这是从谁来的
要发给谁
里面装的是什么类型的数据
数据有没有损坏

所以帧就是：

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给链路层设备看的"包装"

3）以太网帧典型结构

一个典型以太网帧可以粗略记成：

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目的MAC | 源MAC | 类型 | 数据 | 校验

更完整一点可写成：

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前导码 | 目的MAC | 源MAC | EtherType/Length | Payload | FCS

4）每部分什么意思

① 目的 MAC 地址

告诉链路层：

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这个帧是发给谁的

② 源 MAC 地址

告诉链路层：

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这个帧是谁发出来的

③ 类型字段

说明帧里装的上层内容是什么，比如：

IPv4
ARP
IPv6

也就是说交换机主要看 MAC，而操作系统还要看类型字段，决定把数据交给哪个协议处理。

④ 数据部分（Payload）

这里面装的通常就是网络层的数据，比如：

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IP 数据报

⑤ FCS / 校验

用于检错，看看帧在传输过程中有没有损坏。

2. MAC 地址

1）什么是 MAC 地址

MAC 地址是：

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网卡在局域网中的硬件地址

可以理解成：

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局域网里的"物理门牌号"

常见格式像这样：

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00:1A:2B:3C:4D:5E

一共 48 位，通常写成 6 组十六进制数。

2）MAC 地址的作用

MAC 地址主要用于：

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同一局域网内的二层转发

也就是说，在一个交换网络里，交换机不看 IP 也能转发帧，因为它主要看的是：

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目标 MAC 地址

3）MAC 和 IP 的区别

IP 地址

表示：

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逻辑地址

它解决的是：

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"这个主机在网络体系中的哪儿"

MAC 地址

表示：

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局域网二层地址

它解决的是：

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"在当前链路里，这个帧该送到哪块网卡"

4）为什么同时需要 IP 和 MAC

因为网络通信分层了：

IP 负责跨网络寻路
MAC 负责当前这一跳的实际交付

你可以这样记：

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IP 决定"去哪台机器"
MAC 决定"这一跳交给哪块网卡"

3. ARP（IP → MAC）

1）ARP 是干什么的

ARP 的作用就是：

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已知对方 IP，查询对方 MAC

因为主机发数据时，上层通常知道的是目标 IP，但真正封装以太网帧时必须填写：

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目标 MAC

这时就需要 ARP。

2）ARP 的工作过程

假设主机 A 想给主机 B 发数据：

A 的 IP：192.168.1.10
B 的 IP：192.168.1.20

A 已经知道目标 IP 是 192.168.1.20，但不知道它的 MAC。

于是：

第一步：查 ARP 缓存

A 先看自己本地有没有记录：

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192.168.1.20 → 某个 MAC

如果有，就直接用。

第二步：没有就广播询问

A 发一个 ARP 广播，大意是：

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谁是 192.168.1.20？
请告诉我你的 MAC 地址

这个广播会发给局域网里的所有设备。

第三步：目标主机响应

B 发现"问的是我"，就回复：

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192.168.1.20 的 MAC 是 aa:bb:cc:dd:ee:ff

第四步：A 记入 ARP 表

A 把这条映射缓存起来，后续就不用再问了。

3）ARP 表是什么

ARP 表就是：

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IP 地址 和 MAC 地址 的对应关系表

Windows：

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arp -a

Linux：

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ip neigh

示例：

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192.168.1.1    aa-bb-cc-dd-ee-01
192.168.1.20   aa-bb-cc-dd-ee-20
192.168.1.30   aa-bb-cc-dd-ee-30

含义就是：

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这个 IP 对应这个 MAC

4）ARP 表重点看什么

1. IP

表示局域网中的某个设备。

2. MAC

表示这个设备网卡的物理地址。

3. 状态

有时会看到：

dynamic：动态学习到的
static：手动配置的
stale / reachable / delay：Linux 下常见状态

5）常见问题

情况一：ARP 表里有记录

说明：

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本机最近和这个 IP 通信过
或者已经解析过它的 MAC

情况二：ARP 表里没有记录

说明：

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还没解析
或者缓存过期

情况三：ARP 表异常

比如：

同一个 IP 对应的 MAC 频繁变化
某个 IP 一直解析不到 MAC
出现不合理的重复映射

这可能意味着：

目标主机不在线
网络不通
ARP 欺骗
交换机/链路异常

4. 交换机工作原理

1）交换机是干什么的

交换机的作用是：

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在局域网中按 MAC 地址转发帧

2）交换机和集线器的区别

集线器

收到数据后：

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所有端口都发一遍

相当于"无脑广播"。

交换机

收到帧后：

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只转发到目标 MAC 所在的端口

所以交换机效率高得多。

3）交换机怎么知道 MAC 在哪个端口

交换机内部有一张表：

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MAC 地址表 / 转发表

表项类似：

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MAC A → 端口1
MAC B → 端口3
MAC C → 端口5

4）交换机如何学习这张表

交换机不是一开始就知道所有 MAC 在哪里，它是"边收边学"的。

例如：

第一步

某个帧从端口 2 进来，源 MAC 是 AA

交换机就学到：

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AA 在端口 2

第二步

以后如果看到目标 MAC 是 AA，它就知道该往端口 2 发。

所以交换机的核心机制叫：

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基于源 MAC 学习
基于目标 MAC 转发

5）交换机转发的三种典型情况

情况一：知道目标 MAC 在哪

如果交换机表里有：

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BB → 端口 4

那交换机就只把帧发到端口 4。

情况二：不知道目标 MAC

如果没查到目标 MAC，交换机会：

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泛洪

也就是除了入端口外，其余端口都发一遍。

情况三：目标是广播地址

如果是广播帧，比如 ARP 请求，交换机会把它发到所有端口。

5. 同一局域网通信过程

1）通信过程

假设：

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A 主机：192.168.1.10
B 主机：192.168.1.20
子网掩码：255.255.255.0

A 要给 B 发数据。

第一步：A 先判断 B 是不是和自己在同一个局域网

A 会根据 IP 和子网掩码计算网段。

比如：

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192.168.1.10/24
192.168.1.20/24

都属于：

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192.168.1.0/24

所以 A 判断：B 和我在同一局域网。

于是 A 不需要找路由器转发，而是准备直接发给 B。

第二步：A 需要知道 B 的 MAC 地址

因为在以太网里，真正发帧时靠的是：

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目标 MAC 地址

不是目标 IP 地址。

所以 A 会查自己的 ARP 缓存表：

如果已经知道 192.168.1.20 对应的 MAC，就直接发
如果不知道，就发 ARP 广播

第三步：ARP 广播

A 会发一个广播帧，大意是：

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谁是 192.168.1.20？
请把你的 MAC 地址告诉我

广播的特点是：

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局域网里所有主机都能收到

第四步：B 回复 ARP

只有 B 发现"问的是我"，于是回复：

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192.168.1.20 的 MAC 是 aa:bb:cc:dd:ee:ff

这个回复通常是单播，不再广播。

第五步：A 正式发数据

A 拿到 B 的 MAC 后，就会封装以太网帧：

源 MAC：A 的 MAC
目标 MAC：B 的 MAC
上层内容：IP 数据报

然后把帧交给交换机，交换机再转发给 B。

2）常见问题

你要能回答：

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为什么同一局域网通信不能只靠 IP？

答案是：

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IP 负责逻辑寻址
MAC 负责局域网内实际交付

也就是说：

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先靠 IP 判断"该不该直发"
再靠 ARP 找到 MAC
最后靠交换机送达