数据链路层-第七节：MAC地址IP地址和ARP协议

Posted 2023-02-27 快乐江湖

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文章目录

• 一：MAC地址
• • （1）概述
  • （2）IEEE 802局域网的MAC地址
  • • A：地址格式
    • B：地址表示方法
    • C：查询MAC地址
    • D：MAC地址分类
    • E：地址数量
    • F：MAC地址发送顺序
    • G：单播、多播、广播MAC地址举例
• 二：IP地址
• • （1）概述
  • （2）从网络体系结构看IP地址和MAC地址
• 三：ARP协议

本节对应视频如下

• 【计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）：3.7 MAC地址、IP地址以及ARP协议（1） — MAC地址】：对应“一：MAC地址”
• 【计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）：3.7 MAC地址、IP地址以及ARP协议（2） — IP地址】：对应“二：IP地址”
• 【计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）：3.7 MAC地址、IP地址以及ARP协议（2） — ARP协议】：对应“三：ARP协议”

虽然IP地址和ARP协议属于TCP/IP体系结构中的网际层，但它们与MAC地址存在一定的关系，所以放在一起讨论比较合适

• MAC地址：是以太网的MAC子层所使用的地址
• 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协议的网际层，其作用是通过设备所分配到的IP地址获取MAC地址

一：MAC地址

（1）概述

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 Control),因此这类地址被称为MAC地址

• 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
• MAC地址有时也被称为物理地址（注意:这并不意味着MAC地址属于网络体系结构中的物理层）

如下图所示，主机C给主机D发送的帧中，在帧首部中的目的地址字段会填入主机D的MAC地址，而在源地址字段会填入主机C自己的MAC地址。这样，总线上其他各主机收到该帧之后，就可以根据帧首部中的目的地址字段的值是否与自己的MAC地址匹配进而选择丢弃或接受该帧

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

（2）IEEE 802局域网的MAC地址

A：地址格式

IEEE 802局域网的MAC地址格式：由48个比特构成，每8个比特为1个字节（从左至右依次为第一、第二、第三、第四、第五和第六字节）

• 组织唯一标识符OUI（前三个字节）： 生产网络设备的厂商需要向IEEE的注册管理机构申请一个或多个OUI
• 网络接口标识符（后三个字节）： 由获得OUI的厂商随意分配

这种地址标识符称之为扩展的唯一标识符EUI，对于48比特的MAC地址，可称为EUI-48

B：地址表示方法

地址表示方法：

• 标准表示法： 每4个比特写成1个十六进制的字符，共12个字符，再将2个字符分为1组，共6组，组与组之间使用短横线连接，也即XX-XX-XX-XX-XX-XX ，例如00-0C-CF-93-8C-92（Windows）
• 冒号表示法：和标准表示法，只不过使用冒号代替短横线，也即XX:XX:XX:XX:XX:XX，例如00:0C:CF:93:8C:92（Linux、android、Apple）

C：查询MAC地址

查询MAC地址：

• 在 Windows 操作系统上查询 MAC 地址：
  1. 打开命令提示符
  2. 输入 “ipconfig /all” 并回车
  3. 在输出中寻找 “物理地址” 对应的值，该值即为 MAC 地址
• 在Linux操作系统上查询 MAC 地址：
  1. 打开终端
  2. 输入 “ifconfig” 并回车
  3. 在输出中寻找 “HWaddr” 对应的值，该值即为 MAC 地址
• 在Mac操作系统上查询 MAC 地址：
  1. 打开终端
  2. 输入 “ifconfig” 并回车
  3. 在输出中寻找 “ether” 对应的值，该值即为 MAC 地址

查找到地址后，到这个网站可以查找该MAC地址对应的信息

D：MAC地址分类

MAC地址分类：MAC地址第一字节的b0位和b1位的不同取值对应了不同类型的MAC地址

• 第一字节b0位
  • 0：单播地址
  • 1：多播地址
• 第一字节b1位
  • 0：全球管理
  • 1：本地管理

**很显然共有四种类型的MAC地址：

• 全球管理的单播地址：在厂商生产网络设备（网卡、交换机、路由器）已固化
• 全球管理的多播地址：标准网络设备所支持的多播地址，用于特定功能
• 本地管理的单播地址：由网络管理员分配，覆盖网络接口的全球管理单播地址
• 本地管理的多播地址：由用户对主机进行软件配置，以表明其属于哪些多播组

需要注意的是，当48个比特全为1时就是广播地址，也即FF-FF-FF-FF-FF-FF

E：地址数量

地址数量：由于MAC地址由48个比特构成，所以总地址数量为$2^{48}=281,474,976,710,656$个，也即二百八十多万亿，四类MAC地址各占总地址空间的$\frac{1}{4}$

对于使用EUI-48空间的应用程序，IEEE目标寿命为100年，直到2080，但是鼓励采用EUI-64作为替代

F：MAC地址发送顺序

MAC地址发送顺序：

• 字节发送顺序：第一字节$\to$第六字节
• 字节内比特发送顺序：$b_0\to b_7$

G：单播、多播、广播MAC地址举例

单播MAC地址：

• 假设主机B要给主机C发送单播帧，所以先构建单播帧

  • 在帧首部中的目的地址字段填入主机C的MAC地址、源地址字段填入自己的MAC地址
  • 再加上帧首部中的其他字段、数据载荷以及帧尾部

• 主机B将该单播帧发送出去
  

• 主机A和C都会收到该单播帧
  

• 主机A发现该单播帧的目的MAC地址和自己的MAC地址不匹配，于是丢弃该帧

• 主机C发现该单播帧的目的MAC地址和自己的MAC地址相匹配，于是接受该帧
  

广播MAC地址：基本过程与单播相似

• 主机A和C都会收到该广播帧，发现该帧目的地址字段内容是广播地址，所以接受
  

多播MAC地址：

• 主机A发送多播帧给多播地址
• 主机B、C、D都会收到该多播帧
• 主机B和C发现该多播帧目的MAC地址在自己的多播组列表中，所以接受该帧
• 主机D发现该多播帧目的MAC地址不在自己的多播组列表中。所以丢弃该帧
  

二：IP地址

（1）概述

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

• 网络编号：标识因特网上数以百万计的网络
• 主机编号：表示同一网络上的不同主机（或路由器各接口）

如下图

• 对于网络N8：给其两台主机各分配了一个IP地址，给路由器R4连接该网络的接口也分配了一个IP地址
  • 这个三个IP地址前三个十进制数是相同的，它是网络N8的编号
  • 最后一个十进制数各不相同，
• 对于网络N9：给其两台主机各分配了一个IP地址，给路由器R1连接该网络的接口也分配了一个IP地址
  • 这个三个IP地址前三个十进制数是相同的，它是网络N9的编号
  • 最后一个十进制数各不相同，是网络N9上各主机和路由器接口的编号

很显然， 之前介绍的MAC地址不具备区分不同网络的功能

• 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)
• 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

（2）从网络体系结构看IP地址和MAC地址

如下图

• 由于IP地址属于网络体系结构中网络层的范畴，因此在网络层首部应该封装有源IP地址和目的IP地址
• 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应该封装有源MAC地址和目的MAC地址

如下图，假设主机H1要给主机H2发送一个数据包，我们从网络体系结构的角度来看看数据包在传输过程中，IP地址和MAC地址变化情况

• 主机H1将数据包发送给路由器R1

• 在网络层封装的IP数据报首部中，源IP地址应填写主机H1的IP地址IP1、目的IP地址应填写主机H2的IP地址 IP2

• 在数据链路层封装的帧首部中，源MAC地址应填写主机H1的MAC地址MAC1，目的MAC地址应填写路由器R1的MAC地址MAC3
  

• 路由器R1将收到的数据包转发给路由器R2

• 在网络层封装的IP数据报首部中，源IP地址仍然填写主机H1的IP地址IP1、目的IP地址仍然填写主机H2的IP地址 IP2

• 在数据链路层封装的帧首部中，源MAC地址应填写路由器R1的MAC地址MAC4，目的MAC地址应填写路由器R2的MAC地址MAC5
  

• 路由器R2将收到的数据包转发给主机H2

• 在网络层封装的IP数据报首部中，源IP地址仍然填写主机H1的IP地址IP1、目的IP地址仍然填写主机H2的IP地址 IP2

• 在数据链路层封装的帧首部中，源MAC地址应填写路由器R2的MAC地址MAC6，目的MAC地址应填写主机H2的MAC地址MAC2
  

通过上面的例子可以看到

• 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

三：ARP协议

ARP协议（Address Resolution Protocol）：中文名为地址解析协议，其主要功能是获取到IP地址对应的物理地址。每台主机都会有一个ARP高速缓存表（如下图），它记录了IP地址和MAC地址之间的对应关系。其中类型分为

• 动态：自动获取，生命周期默认为2min
• 静态：手工设置，不同操作系统下的生命周期不同，例如系统重启后不存在或系统重启后依然有效

如下，使用一个例子来说明ARP协议工作原理

• 主机B要给主机C发送数据包，在自己的ARP高速缓存表中查找主机C的IP地址所对应的MAC地址，但是没有找到
  

• 因此主机B需要发送ARP请求报文来获取主机C的MAC地址，其内容如下图

• ARP请求报文被封装在MAC帧中发送，目的地址为广播地址
  

• 总线上的其他主机都能收到该广播帧

• 主机A网卡收到该广播帧后交付上层处理，上层ARP进程解析ARP请求报文，发现所询问的IP地址不是自己的IP地址，所以不予理会

• 主机A网卡收到该广播帧后交付上层处理，上层ARP进程解析ARP请求报文，发现所询问的IP地址正是自己的IP地址，所以进行响应
  

• 主机C将主机B的IP地址与MAC地址记录到自己的ARP告诉缓存表中

• 然后给主机B发送ARP响应报文，告知自己的MAC地址，其内容如下图

• ARP响应报文被封装在MAC帧中发送，目的地址为单播地址
  

• 总线上的其他主机都能收到该单播帧

• 主机A的网卡收到该单播帧后，发现其目的MAC地址与自己的MAC地址不匹配，于是丢弃该帧

• 主机B的网卡收到该单播帧后，发现其目的MAC地址与自己的MAC地址相匹配，于是交付上层处理
  

• 上层的ARP进程解析ARP响应报文，将其所包含的主机C的IP地址与MAC地址记录到自己的ARP高速缓存表中
  

• 现在，主机B就可以给主机C发送之前想要发送的数据包了
  

最后特别注意的是，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