Mac地址

MAC 地址的全称是 Media Access Control Address，译为媒体访问控制地址，它是网络上以太网或网络适配器的唯一标识符。MAC 地址能够区分不同的网络接口，并用于多种网络技术，尤其是大多数 IEEE 802 网络。MAC 地址主要用于识别数据链路中互联的节点，如下图所示：
ARP协议 - 图1
MAC 地址长 48 bit，在使用网卡(NIC) 的情况下，MAC 地址一般都会烧入 ROM 中。因此，任何一个网卡的 MAC 地址都是唯一的。MAC 地址的结构如下：
ARP协议 - 图2

注意： MAC 地址中的 3 - 24 位表示厂商识别码，每个 NIC 厂商都有特定唯一的识别数字。25 - 48 位是厂商内部为识别每个网卡而用。因此，可以保证全世界不会有相同 MAC 地址的网卡。

在历史上，其实Mac地址是先比IP地址出现的，但是后面发现用IP地址来唯一标识一台主机会带来很多问题，因此采用了IP地址来逻辑标识一台主机，详细参见下面的文章：https://mp.weixin.qq.com/s/jiPMUk6zUdOY6eKxAjNDbQ

ARP协议

定义

ARP 协议的全称是 Address Resolution Protocol（地址解析协议），它是一个通过用于实现从 IP 地址到 MAC 地址的映射，即询问目标 IP 对应的 MAC 地址 的一种协议。ARP 协议在 IPv4 中极其重要。简而言之，ARP 就是一种解决地址问题的协议，它以 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。

注意： ARP 只用于 IPv4 协议中，IPv6 协议使用的是 Neighbor Discovery Protocol，译为邻居发现协议，它被纳入 ICMPv6 中。

工作原理

如下图，假设 A 和 B 位于同一链路，不需要经过路由器的转换，主机 A 向主机 B 发送一个 IP 分组，主机 A 的地址是 192.168.1.2 ，主机 B 的地址是 192.168.1.3，它们都不知道对方的 MAC 地址是啥，主机 C 和 主机 D 是同一链路的其他主机。
ARP协议 - 图3
主机 A 想要获取主机 B 的 MAC 地址，通过主机 A 会通过广播的方式向以太网上的所有主机发送一个 ARP 请求包，这个 ARP 请求包中包含了主机 A 想要知道的主机 B 的 IP 地址的 MAC 地址。
ARP协议 - 图4
主机 A 发送的 ARP 请求包会被同一链路上的所有主机/路由器接收并进行解析。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 和自己的相同，就会将自己主机的 MAC 地址写入响应包返回主机 A 。
ARP协议 - 图5
但是，如果要获取不再在同一网络的主机的Mac地址，那广播肯定获取不到，因为不在同一网段。这时候就要使用到代理 ARP了，通常 ARP 会被路由器隔离，但是采用代理 ARP 的路由器可以将 ARP 请求转发给临近的网段，使多个网段中的节点像是在同一网段内通信。

ARP缓存

ARP 高效运行的关键就是维护每个主机和路由器上的 ARP 缓存表。这个缓存维护着每个 IP 到 MAC 地址的映射关系。通过把第一次 ARP 获取到的 MAC 地址作为 IP 对 MAC 的映射关系到一个 ARP 缓存表中，下一次再向这个地址发送数据报时就不再需要重新发送 ARP 请求了，而是直接使用这个缓存表中的 MAC 地址进行数据报的发送。每发送一次 ARP 请求，缓存表中对应的映射关系都会被清除。通过 ARP 缓存，降低了网络流量的使用，在一定程度上防止了 ARP 的大量广播。
ARP协议 - 图6
一般来说，发过一次 ARP 请求后，再次发送相同请求的几率比较大，因此使用 ARP 缓存能够减少 ARP 包的发送，除此之外，不仅仅 ARP 请求的发送方能够缓存 ARP 接收方的 MAC 地址，接收方也能够缓存 ARP 请求方的 IP 和 MAC 地址，如下所示：
ARP协议 - 图7
当然，缓存都有一个期限，当缓存过期后就会被清除。下面就是一个arp缓存：
image.png

ARP报文结构

下面是在以太网中转换一个 IPv4 的地址常用的 ARP 请求或响应的报文格式：
ARP协议 - 图9
前面 14 个字节构成标准以太网的首部，前两个字段 DST 和 SRC 分别表示 以太网的目的地址 和 以太网的源地址，以太网的目的地址如果是 ff:ff:ff:ff:ff:ff 全部为 1 表示广播地址，在同一广播域中的所有以太网接口可以接收这些帧。后面紧跟着的是 ARP 请求的长度/类型，ARP 请求 和 ARP 应答这个值为 0x0806。