从数据链路到神秘的MAC地址和ARP协议
引言
链路是指从一个结点到相邻结点的一段物理线路。数据链路是在链路的基础上增加了一些必要的硬件和软件。这些硬件包括网络适配器，而软件则包括协议的实现。在网络中，主机、路由器等设备都必须实现数据链路层。
在局域网中，主机、交换机等网络设备都必须实现数据链路层，以便实现数据的可靠传输和交换。
从层次上来看，数据在网络中的流动可以被划分为不同的层次，其中数据链路层是其中的一层。数据链路层位于网络协议栈的较低层，负责将数据包封装为帧，并通过物理介质进行传输。
仅从数据链路层的角度来观察，数据帧的流动可以被定义为在网络中不同节点之间传输的数据单元。
主机H1到主机H2所经过的网络可能涉及多种不同类型的链路层，而不同的链路层可能采用各自不同的数据链路层协议。因此，在数据在网络中流动的过程中，数据链路层起到了至关重要的作用，它负责管理和控制数据在不同链路层之间的传输，并确保数据的可靠性、完整性和有序性。
MAC地址和ARP协议
MAC 地址
MAC地址的全称是媒体访问控制地址（Media Access Control Address），它是网络上以太网或网络适配器的唯一标识符。MAC地址可以区分不同的网络接口，并且被广泛应用于各种网络技术，特别是大多数IEEE 802网络。
MAC地址也被称为物理地址、硬件地址和老化地址。
MAC地址主要用于识别数据链路中互联的节点。如下图所示
MAC 地址是一个长度为 48 位的标识符，通常在使用网络适配器（网卡）时会被存储在只读存储器（ROM）中。因此，每个网卡的 MAC 地址都是独一无二的。MAC 地址的结构如下：
在MAC地址中，3-24位表示制造商识别码，每个网络接口卡制造商都有一个唯一的识别数字。25-48位用于制造商内部识别每个网卡。因此，可以确保全球没有相同的MAC地址的网卡。
尽管如此，MAC地址也有一些例外情况，即可能会出现重复的情况。然而，只要两个MAC地址属于不同的数据链路层，就不会出现问题。
在Windows电脑上，当你查看ipconfig时，你会看到每个网络接口都有一个对应的MAC物理地址。这是因为现代计算机通常具备多个网络接口，每个网络接口都对应一个MAC物理地址。
例如，你的Windows电脑可能同时连接有以太网、Wi-Fi和蓝牙等多个网络接口。每个网络接口都有自己的MAC物理地址，用于标识该接口所属的设备。
如果你的计算机有多个网络接口（如以太网和Wi-Fi接口），你可能需要查看对应接口的MAC地址。确保你查看的是你感兴趣的网络接口的MAC地址。
ARP 是什么
ARP 协议的全称是Address Resolution Protocol（地址解析协议），它是一种用于实现从IP地址到MAC地址的映射的协议。其作用是通过查询目标IP对应的MAC地址来定位数据分包的接收主机。在IPv4中，ARP协议显得尤为重要。
需要注意的是，ARP仅用于IPv4协议，而IPv6协议使用的是邻居发现协议（Neighbor Discovery Protocol，简称NDP），它被纳入了ICMPv6中。
简而言之，ARP是一种解决地址问题的协议，以IP地址为线索，定位下一个应该接收数据分包的主机MAC地址。如果目标主机不在同一个链路上，那么会查找下一跳路由器的MAC地址。
ARP 的⼯作机制
让我们来探讨一下 Address Resolution Protocol (ARP) 的工作机制。假设主机 A 和主机 B 位于同一链路上，无需经过路由器转发。当主机 A 想要向主机 B 发送一个 IP 分组时，主机 A 的 IP 地址是 192.168.1.2，主机 B 的 IP 地址是 192.168.1.3。此时，它们都不知道对方的 MAC 地址是什么。此外，主机 C 和主机 D 是同一链路上的其他主机。
为了获取主机 B 的 MAC 地址，主机 A 将发送一个 ARP 请求包到以太网上的所有主机，该请求包包含了主机 A 想要了解的主机 B 的 IP 地址对应的 MAC 地址。这个 ARP 请求包将通过广播的方式发送。
当主机 A 发送的 ARP 请求包在同一链路上被接收并解析时，每个主机/路由器都会检查 ARP 请求包中的信息。如果 ARP 请求包中的目标 IP 地址与自己的相同，它们会将自己主机的 MAC 地址写入响应包中，并返回给主机 A。
由此，可以通过地址解析协议（ARP）从指定的IP地址获取相应的MAC地址，从而实现在同一链路上的通信。
总结
本文主要介绍了数据链路层的概念和作用，以及MAC地址和ARP协议的相关知识。
数据链路层是网络协议栈中的一层，负责将数据包封装为帧，并通过物理介质进行传输。在局域网中，主机、交换机等网络设备都必须实现数据链路层，以实现数据的可靠传输和交换。
MAC地址是网络上以太网或网络适配器的唯一标识符，用于识别数据链路中互联的节点。MAC地址的结构包括制造商识别码和制造商内部识别码，保证了全球没有相同的MAC地址的网卡。
ARP协议是一种用于实现从IP地址到MAC地址的映射的协议。它通过查询目标IP对应的MAC地址来定位数据分包的接收主机。ARP仅用于IPv4协议，IPv6协议使用邻居发现协议。
ARP的工作机制包括发送ARP请求包到当前以太网上的所有主机，其他主机/路由器通过检查ARP请求包中的信息来回复自己的MAC地址，从而实现在同一链路上的通信。
综上所述，数据链路层在网络中起到了重要作用，而MAC地址和ARP协议是实现数据链路层功能的重要组成部分。
