MAC寻址与ARP

MAC协议

MAC协议规定了帧在链路上的传输规则，MAC层负责传输介质的流控制和多路复用，其中MAC 地址主要用于识别数据链路中互联的节点。

MAC地址通常表示为12个十六进制数，每两个十六进制数之间用冒号隔开，如08:00:20:0A:8C:6D。MAC地址中的前6位十六进制数代表网络硬件制造商的编号，由IEEE分配，后6位十六进制数代表该制造商的某个网络产品的系列号。

MAC地址的结构

MAC地址长48位。严格地说，拥有MAC地址的并不是主机或路由器，而是它们的网络适配器（接口）：一台有多个接口的路由器就有多个MAC地址。MAC地址在适配器出厂时写入，通常不会改变；而且它是“平面”的，不含任何位置信息。无论笔记本电脑接入哪个网络，它的MAC地址都一样，而IP地址会随所在子网而变化。这就像一个人的身份证号码与邮寄地址：前者跟着人走，后者取决于住在哪里。

MAC地址前24位的厂商编号称为OUI（Organizationally Unique Identifier）。IEEE保证不同厂商的OUI不同，厂商保证自己生产的适配器序列号不重复，于是每个适配器的MAC地址全球唯一。第一个字节最低的两位还有特殊含义：

48位全为1的地址FF:FF:FF:FF:FF:FF是广播地址，局域网上的每个适配器都会接收目的地址为广播地址的帧。适配器收到一个帧时，会检查目的MAC地址：与自己的地址相同、是广播地址或是自己加入的组播地址，就把数据交给上层；否则直接丢弃，不会打扰主机的CPU。

地址解析协议（ARP）

主机发送IP数据报时知道目的IP地址，但适配器要把数据报封装成帧，还必须填写目的MAC地址。地址解析协议（ARP, Address Resolution Protocol）负责在同一个子网内把IP地址翻译成MAC地址。

每台主机和路由器都维护一张ARP表，记录IP地址到MAC地址的映射以及该表项的生存时间（TTL），表项通常在20分钟左右后过期。当主机要发送的目的IP地址不在ARP表中时：

1. 发送方构造一个ARP查询分组，其中包含自己的IP地址和MAC地址，以及要查询的目标IP地址。
2. 这个分组被封装在目的地址为FF:FF:FF:FF:FF:FF、类型为0x0806的广播帧中发送，子网上的每个适配器都会把它交给自己的ARP模块。
3. 只有IP地址与目标相同的结点用一个单播帧发回ARP响应，告诉查询方自己的MAC地址；它也可以顺便记下查询方的映射。
4. 查询方把收到的映射存入ARP表，然后发送原来的数据报。

ARP是即插即用的：表是自动建立的，不需要管理员配置。ARP分组封装在链路层帧中，却又包含IP地址，所以它可以看作一个跨越链路层和网络层边界的协议。

发送到子网之外

ARP只在同一个子网内工作。如果目的IP地址不在本子网中，发送方要先把数据报交给默认网关（第一跳路由器）：它用ARP解析的是网关接口的MAC地址，帧的目的MAC地址是网关的MAC地址，而数据报中的目的IP地址仍然是最终的目的主机。路由器收到帧后取出数据报，查转发表决定输出接口，再在下一个子网中用ARP解析下一跳的MAC地址，封装成新的帧发送出去。