计算机网络•自顶向下方法：链路层编址、ARP协议、以太网

链路层编址

MAC地址（Media Access Control Address）：

• MAC地址是链路层编址的标准，广泛应用于以太网、Wi-Fi等网络技术。

• 它是一个48位的地址，通常用12个十六进制数字表示，格式如下：

  00:1A:2B:3C:4D:5E

• MAC地址分为两部分：

  • 前24位（前6个十六进制字符）：表示制造商识别码（OUI，Organizationally Unique Identifier），由IEEE分配给设备制造商
  • 后24位（后6个十六进制字符）：表示该设备在其制造商分配的MAC地址池中的唯一序号

每个适配器有一个MAC地址

MAC地址类型

帧的目的MAC地址有三种类型：

• 单播地址：适配器的MAC地址，地址最高比特为0
• 多播地址：标识一个多播组的逻辑地址，地址最高比特为1
• 广播地址：ff:ff:ff:ff:ff:ff

网络适配器仅将发送给本节点的帧交给主机：

• 目的地址为适配器MAC地址的单播帧
• 所有广播帧
• 指定接收的多播帧

若将适配器设置成混收模式，适配器将收到的所有帧交给主机

MAC地址和IP地址

世界上先有MAC地址，后有IP地址

在TCP/IP（互联网）出现之前，只使用MAC地址在单个的物理网络中寻址

为什么有了MAC地址，还需要IP地址？

• MAC地址是扁平结构的，无法在因特网范围内快速确定接口的位置
• IP地址是有结构的，可以在因特网范围内快速确定网络接口的位置

IP地址与MAC地址没有固定的关联关系：

• MAC地址与网卡绑定，与节点在哪个子网无关
• IP地址与所在子网有关，与网卡没有关系

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

为什么需要ARP协议

在计算机网络中，尤其是在以太网（Ethernet）或其他局域网中，通信需要依赖两种地址类型：

• IP地址：用于网络层的通信，帮助设备跨越不同的网络进行定位（如192.168.1.1）。
• MAC地址：用于数据链路层的通信，帮助设备在本地网络内唯一标识，并决定数据帧的目标（如00:1A:2B:3C:4D:5E）。

这两种地址是不同层次的地址，IP地址工作在网络层，而MAC地址则工作在数据链路层。虽然在网络中，设备通常知道目标设备的IP地址，但当设备需要通过数据链路层进行通信时，它需要知道目标设备的MAC地址。ARP协议正是为了解决这种IP地址与MAC地址之间的映射问题。

ARP报文格式

• 硬件类型：硬件接口类型。对于以太网，该值为“1”
• 协议类型：高层协议地址类型。对于IP地址，该值为$(0800{)}_{16}$
• 操作：ARP请求为1，ARP响应为2
• 在以太网上，ARP报文封装在以太帧中传输

地址解析的过程

A想知道B的MAC地址：

• A构造一个ARP请求，在发送方字段填入自己的MAC地址和IP地址，在目标字段填入B的IP地址

• A将ARP请求封装在广播帧中发送

• 每个收到ARP请求的节点用目标IP地址与自己的IP地址比较，地址相符的节点进行响应（B响应）

• B构造一个ARP响应，交换发送方与目标字段内容，在发送方硬件地址字段填入自己的MAC地址，修改操作字段为2

• B将ARP响应封装在单播帧（目的地址为A的MAC地址）中发送

ARP缓存（ARP Cache）

ARP缓存是网络设备（如路由器、计算机等）用来存储已解析的IP地址与MAC地址映射的临时表。缓存存储着设备最近查询到的IP地址和相应的MAC地址，从而避免频繁地发送ARP请求，减少网络负载和延迟。

• 每个节点在内存中维护一个地址映射（绑定）表，称ARP缓存
• 每次发送数据报前先查询ARP缓存，若找不到则发送ARP请求，并在收到ARP响应后将地址映射缓存起来
• ARP缓存中的信息，在超时（一般为15～20分钟）后删除

主动学习（Proactive Learning）

主动学习是一种提高ARP效率的策略，指的是设备通过主动查询网络中其他设备的ARP信息，而不是被动等待ARP请求的回复。这种方法在交换机和路由器等设备中尤其常见，它有助于减少ARP请求和响应的数量。

从ARP请求中获取地址绑定信息：

• 每个节点可以收到全部的ARP请求报文，可将发送节点的地址映射缓存到自己的ARP表中

节点在启动时自动广播自己的地址映射：

• 节点A在启动时主动广播一个ARP请求，在目标字段内填入自己的IP地址
• 收到ARP请求的节点将A的地址映射缓存起来
• 若A收到ARP响应，报告IP地址重复错误

以太网

以太帧结构

• Preamble（前导码）:
  • 7个10101010字节，后跟一个10101011字节，用于在发送方和接收方之间建立时钟同步
  • 一般不计入以太帧的长度
• Dest Address/Src Address：目的/源MAC地址
• Type（2字节）: 指出Data所属的高层协议（如IP、ARP等），每个协议有一个编号
• Data：46～1500字节，不足46字节填充至46字节
• CRC（4字节）: 对dest addr.、src addr.、type和data四个字段计算得到的CRC码

无连接、不可靠的数据传输

无连接:

• 发送方网卡与接收方网卡之间没有握手

不可靠:

• 接收方网卡不发送确认
• 接收方网卡丢弃CRC错误的帧
• 依靠上层协议（TCP或应用）进行错误恢复