计算机网络（三）—— 数据链路层（7）：MAC地址、IP地址以及数据链路层使用的ARP协议

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7. MAC地址、IP地址以及数据链路层使用的ARP协议

  数据链路层
  ■ MAC地址是以太网的MAC子层所使用的地址；

  网际层
  ■ IP地址是TCP/IP体系结构网际层所使用的地址；
  ■ ARP协议属于TCP/IP体系结构的网际层，其作用是已知设备所分配到的IP地址，使用ARP协议可以通过该IP地址获取到设备的MAC地址；

  ■ 尽管IP地址和ARP协议属于TCP/IP体系结构的网际层 (而不属于数据链路层)，但是它们与MAC地址存在一定的关系，并且我们日常的网络应用都离不开MAC地址、IP地址以及ARP协议。
   因此，我们将这三者放在一起讨论。

7.1 MAC地址

  ■ 当多个主机连接在同一个广播信道上，要想实现两个主机之间的通信，则每个主机都必须有一个唯一的标识，即一个数据链路层地址；
  ■ 在每个主机发送的帧中必须携带标识发送主机和接收主机的地址。 由于这类地址是用于媒体接入控制MAC(Media Access Contro)，因此这类地址被称为MAC地址；
    $\diamond$ MAC地址一般被固化在网卡(网络适配器)的电可擦可编程只读存储器EEPROM中，因此MAC地址也被称为硬件地址；
    $\diamond$ MAC地址有时也被称为物理地址。请注意：这并不意味着MAC地址属于网络体系结构中的物理层！

  例： 下列选项中，不属于物理层接口规范定义范畴的是( C )
      A. 接口形状  B. 引脚功能  C. 物理地址  D. 信号电平
     分析： MAC地址有时也被称为物理地址，但这并不意味着MAC地址属于网络体系结构中的物理层！

  ■ 一般情况下， 用户主机会包含两个网络适配器：有线局域网适配器(有线网卡)和无线局域网适配器(无线网卡)。每个网络适配器都有一个全球唯一的MAC地址。而交换机和路由器往往拥有更多的网络接口，所以会拥有更多的MAC地址。综上所述，严格来说，MAC地址是对网络上各接口的唯一标识，而不是对网络上各设备的唯一标识。

  IEEE 802局域网的MAC地址格式：

  广播MAC地址举例：

  多播MAC地址举例：

7.1.1 课后练习

  1. 以下哪个地址是广播MAC地址( C )
    A. 00-00-00-00-00-00
    B. AB-CD-EF-11-22-33
    C. FF-FF-FF-FF-FF-FF
    D. 29-29-29-29-29-29
   分析： FF-FF-FF-FF-FF-FF是广播MAC地址。

  2. 以下哪个地址是多播MAC地址( B )
    A. 00-00-00-00-00-00
    B. A9-8B-7C-6D-5E-4F
    C. FF-FF-FF-FF-FF-FF
    D. 0A-1B-2C-3D-4E-5F
   分析：

7.2 IP地址

  ■ IP地址是因特网 (Internet) 上的主机和路由器所使用的地址，用于标识两部分信息：
    $\diamond$ 网络编号：标识因特网上数以百万计的网络
    $\diamond$ 主机编号：标识同一网络上不同主机(或路由器各接口)
  ■ 很显然， 之前介绍的MAC地址不具备区分不同网络的功能。
    $\diamond$ 如果只是一个单独的网络，不接入因特网，可以只使用MAC地址(这不是一般用户的应用方式)。
    $\diamond$ 如果主机所在的网络要接入因特网，则IP地址和MAC地址都需要使用。

  从网络体系结构看IP地址与MAC地址：
  从网络体系结构的角度看看IP地址与MAC地址的封装位置。如下图所示，以五层原理体系结构为例。

  应用层封装好的应用层报文将其向下交付给运输层，运输层看不懂也无需看懂应用层报文的结构与内容，用黑色表示，仅仅给其添加一个运输层首部。运输层将封装好的协议数据单元向下交付给网络层，网络层看不懂也无需看懂运输层协议数据单元的结构与内容，仅仅给其添加一个网络层首部。网络层将封装好的协议数据单元向下交付给数据链路层，数据链路层看不懂也无需看懂网络层协议数据单元的结构与内容，仅仅给其添加一个数据链路层首部和一个数据链路层尾部。数据链路层将封装好的协议数据单元向下交付给物理层，物理层看不懂也无需看懂数据链路层协议数据单元的结构与内容，仅仅将它们看作是比特流，以便将它们转换为相应的电信号发送到传输媒体。
  由于IP地址属于网络体系结构中网络层的范畴，因此在网络层首部中应该封装有源IP地址和目的IP地址。相应的，由于MAC地址属于网络体系结构中数据链路层的范畴，因此在数据链路层首部中应该封装有源MAC地址和目的MAC地址。

  数据包转发过程中IP地址与MAC地址的变化情况：

  ■ 数据包转发过程中源IP地址和目的IP地址保持不变；
  ■ 数据包转发过程中源MAC地址和目的MAC地址逐个链路(或逐个网络)改变。

  例： 路由器R通过以太网交换机S1和S2连接两个网络，R的接口、主机H1和H2的IP地址与MAC地址如下图所示。若H1向H2发送一个IP分组P，则H1发出的封装P的以太网帧的目的MAC地址、H2收到的封装P的以太网帧的源MAC地址分别是( D )

     A. 00-a1-b2-c3-d4-62  00-1a-2b-3c-4d-52   B. 00-a1-b2-C3-d4-62  00-1a-2b-3C-4d-61
     C. 00-1a-2b-3c-4d-51  00-12-2b-3C-4d-52  D. 00-1a-2b-3C-4d-51  00-a1-b2-c3-d4-61

    分析：

7.2.1 课后练习

  1. 下图中各主机和路由器各接口的MAC地址和所配置的IP地址都已标注在它们的旁边，假设主机H1要给H2发送一个IP数据报，该IP数据报会被封装成以太网帧进行发送，则当H2收到该帧时，其首部中的源MAC地址以及所封装的IP数据报首部中的源IP地址分别是( B )

    A. 00-a1-b2-c3-d4-61  192.168.1.254  B. 00-a1-b2-c3-d4-61  192.168.0.1
    C. 00-1a-2b-3c-4d-51  192.168.0.1   D. 00-1a-2b-3c-4d-51  192.168.1.254

   分析： 在数据包的转发过程中，源IP地址和目的IP地址始终保持不变；而源MAC地址和目的MAC地址逐段链路(或逐个网络)改变。

7.3 ARP协议

  MAC地址属于数据链路层范畴，IP地址属于网络层范畴。
  问题： 如何通过IP地址找到其相应的MAC地址？
      这就是地址解析协议ARP所要实现的主要功能。

  网络层以上的协议用IP地址来标识网络接口，但以太数据帧传输时，以物理地址来标识网络接口。因此我们需要进行IP地址与物理地址之间的转化。对于IPv4来说，我们使用ARP地址解析协议来完成IP地址与物理地址的转化（IPv6使用邻居发现协议进行IP地址与物理地址的转化，它包含在ICMPv6中）。
  ARP协议提供了网络层地址（IP地址）到物理地址（mac地址）之间的动态映射，ARP协议是地址解析的通用协议。

  ARP协议只能在一段链路或一个网络上使用，而不能跨网络使用。

  ARP协议工作原理：
   1. 每个主机都会在自己的 ARP 缓冲区中建立一个 ARP 列表，以表示 IP 地址和 MAC 地址之间的对应关系。
   2. 主机（网络接口）新加入网络时（也可能只是MAC地址发生变化，接口重启等）， 会发送免费ARP报文把自己IP地址与MAC地址的映射关系广播给其他主机。
   3. 网络上的主机接收到免费ARP报文时，会更新自己的ARP缓冲区。将新的映射关系更新到自己的ARP表中。
   4. 某个主机需要发送报文时，首先检查 ARP 列表中是否有对应 IP 地址的目的主机的 MAC 地址，如果有，则直接发送数据；如果没有，就向本网段的所有主机发送 ARP 数据包，该数据包包括的内容有：源主机 IP 地址，源主机 MAC 地址，目的主机的 IP 地址等。
   5. 当本网络的所有主机收到该 ARP 数据包时：
   （1）首先检查数据包中的 IP 地址是否是自己的 IP 地址，如果不是，则忽略该数据包。
   （2）如果是，则首先从数据包中取出源主机的 IP 和 MAC 地址写入到 ARP 列表中，如果已经存在，则覆盖。
   （3）然后将自己的 MAC 地址写入 ARP 响应包中，告诉源主机自己是它想要找的 MAC 地址。
   6. 源主机收到 ARP 响应包后。将目的主机的 IP 和 MAC 地址写入 ARP 列表，并利用此信息发送数据。如果源主机一直没有收到 ARP 响应数据包，表示 ARP 查询失败。

  总结：

7.3.1 课后练习

  1. 下列情况需要发送ARP请求的是( C )
    A. 主机需要接收信息，但ARP高速缓存表中没有源IP地址与MAC地址的映射关系
    B. 主机需要接收信息，但ARP高速缓存表中已有源IP地址与MAC地址的映射关系
    C. 主机需要发送信息，但ARP高速缓存表中没有目的IP地址与MAC地址的映射关系
    D. 主机需要发送信息，但ARP高速缓存表中已有目的IP地址与MAC地址的映射关系
  分析： 主机需要发送信息，但ARP高速缓存表中没有目的IP地址与MAC地址的映射关系时，需要发送ARP请求。

  2. 主机A发送IP数据报给主机B，途中经过了8个路由器，则在此过程中使用ARP的次数为( B )
    A. 8  B. 9   C. 10  D. 11
  分析： 主机用1次，其余路由器各1次。
      途经8个路由器，那么在发送过程中开始发送，原主机会用1次ARP地址解析协议找到第1个路由器的物理地址，每经历1个路由器就会使用1次ARP地址解析协议，故总共会用到8次。