计算机网络——链路层-交换局域网

计算机网络系列博文——目录

交换局域网

链路层寻址和ARP

MAC地址

• 又称LAN地址，物理地址；
• 主机，路由器具有链路层地址。事实上，主机或路由器上的网络适配器具有链路层地址；
• 具有多个网卡的主机或路由器将具有多个链路层地址（同时也具有多个网络层地址，即IP）；
• 链路层交换机的接口不具有链路层地址；(网络层交换机即路由器的接口具有网络层地址即IP)

• 对大多数局域网，MAC地址长度为6字节，常用十六进制数表示,，用“-”分隔每个字节；
• MAC被设计为永久的，但用软件改变一块网络适配器的MAD地址是可能的；
• 网络适配器的MAC地址是唯一的；
• IEEE管理MAC地址空间，网络适配器厂商在生产适配器之前，需向其象征性地支付费用以获得一块地址空间，该地址空间的前24Bit固定；后24bit由厂商为自己的适配器分配；
• 适配器的MAC地址具有扁平结构而非层次结构；

• 发送帧时，网卡目的网卡的MAC地址插入帧中，并将该帧发生到局域网；

• 接收帧时，网卡检查收到的帧的目的MAC地址是否与自身匹配，若不匹配则丢弃；

• MAC广播地址 特殊目的MAC地址，表明该帧发给局域网内的所有网卡。6字节MAC局域网中，广播地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF；

主机和路由器网卡双地址
网卡同时具有IP地址和MAC地址，为什么？

1. 局域网为任意的网络层协议而设计，并非仅限于IP协议和因特网；
2. 使用可变的网络层地址会造成麻烦；
3. 若不使用任何链路层地址，而将链路层帧的数据直接交付给网络层，由网络层负责匹配，这样做会给上层带来较大负担（对每个帧都要中断网络层）；

地址解析协议(Address Resolution Protocol,ARP)

ARP服务

• 因特网通过地址解析协议实现网络层地址(IP)和链路层地址(MAC)间的转换；
• 端系统的ARP模块将其所在局域网上的任一IP地址作为输入，将相应MAC地址作为输出；
• ARP为同一个子网上的主机和路由器解析IP地址；
• ARP协议跨越网络层和链路层边界；
• ARP协议即插即用，通过ARP解析自动建立，无需管理员配置；

ARP表

• 每台主机或路由器在内存中存放一张ARP表，该表包含IP地址到MAC地址的映射；
• 表项包含IP地址，MAC地址，寿命TTL（过期时间，时长常为20分钟）三个字段；
• ARP表事实上是一个缓存，它缓存了ARP解析的数据；

ARP解析

假定要主机A要查询IP Ib 的MAC

1. 检查ARP表中有无 IP Ib 的表项，若有，返回相应地址；若无，进入2；
2. 向网卡传递一个ARP查询分组，该分组的源包括主机A的IP和MAC，该分组的目的地包括IP Ib和MAC广播地址；
3. ARP查询分组在子网中传播，被每个其它网卡接收；
4. 每个网卡接收该查询分组并将数据交付各自的ARP模块，ARP模块检查查询分组中的目标IP，若目标IP不匹配则丢弃，若匹配，则向查询主机发送一个ARP响应分组，通过自身的MAC；
5. 主机A收到ARP响应，更新ARP表；

跨子网数据报

• 当向其它子网发送数据报时，发送主机不可能知晓最终目的地的MAC地址，因为ARP协议只解析同一子网内的IP；
• 事实上，发送主机设置数据报的目标IP是最终目的主机，但目标MAC却是同一子网内的第一跳路由器在该子网一侧的网卡的MAC，该MAC也是通告ARP获得；
• 路由器接收到来自子网A的数据报后，为之设置恰当的源和目的MAC地址并转发到另一个子网中的接口；