MAC地址和ARP协议
前言
在最初接触链路层寻址的时候，对于 MAC 地址还是有些疑惑，关于它和上层协议（网络层）的 IP 地址之间的关系和作用不甚了解，文本意欲理清它们的概念。
MAC 地址
有了 IP 地址后，为什么网络节点还需要 MAC 地址，其实最好的一个比喻就是人的身份证号和收件地址。
网络层的 IP 地址其实相当于一个人的收件地址，主机在接入不同的网络的时候 IP 地址会随之变化，就好比人的收件地址会随着工作单位，家庭地址的变化而变化一样。
而 MAC 地址类似人的身份证号，是永远不变的，不管你到哪里，身份证号都是一样的，同样的，当我们在说 MAC 地址的时候，其实指的是主机的网络适配器（网卡）的地址，如果一个主机有多个适配器，则存在多个 MAC 地址。
MAC 地址（Media Access Control Address），也可以称为 LAN 地址或物理地址，与 IP 地址拥有层次性的概念不同，MAC 地址的结构是扁平化的，它的地址长度是 48 位（6 字节）。并且它是不变的，即在网卡生产时，网络设备制造商会将一个唯一的 MAC 地址烧录到网卡的 EPROM （一种闪存芯片）中。
MAC 地址的前三个字节，由 IEEE 分配给不同的网络设备制造商（当然，厂商申请需要付费），而后三个字节，则由制造商自己生成一个唯一的组合。
不可修改和唯一性
从概念上来说，MAC 地址是不可修改且全球唯一的，但是它本质上也是厂商烧录到硬件的一串比特，所以通过一些方式也是可以修改的，只不过没有 IP 地址修改来得那么容易。
现在的手机连接 Wifi 往往会使用随机 MAC 接入局域网，避免被获取到真实的 MAC 地址，防止个人信息泄露。
另外，如果 MAC 地址重复了，只要不是在同一个局域网内重复，关系也不大。如果真的在一个局域网内存在重复的 MAC 地址，只需要把其中一个改成不同的就行了。
为什么需要 MAC
局域网是为任何网络层协议而设计的，这就意味着它并不仅仅支持 IP 协议，所以为了解耦分层，我们需要一个中立的物理地址，也就是 MAC 地址，这样就能够方便的支持不同的上层协议。
IP 地址是逻辑地址，MAC 地址是物理地址，不同的层次需要不同的寻址方案，另外在应用层还有主机名作为一种地址。
地址解析协议
既然存在网络层的 IP 地址以及链路层的 MAC 地址，那么就存在它们之间的一种转换方式，类似于 DNS 用来转换主机名和 IP 地址，对于因特网而言，这是地址解析协议（ARP，Address Resolution Protocol）的任务。
子网内的解析原理
为了说明子网内，不同主机是如何利用 ARP 来完成 IP 地址到 MAC 地址转换的，用以下的网络结构说明：
假如 IP 地址为192.168.0.111 的 Client-1 要向 IP 地址为 192.168.0.113 的 Client-3 发送 IP 数据报，两台主机位于同一子网内。
为了发送数据包，源主机（Client-1）需要向它自己的网络适配器提供目标主机（Client-3）的 IP 地址以及 MAC 地址。
适配器一旦有了目标主机的这两个地址，就会生成链路层帧，发送到局域网中。
核心的问题就是，Client-1 如何拿到 IP 为 192.168.0.113 的 MAC 地址。
主机中有一个 ARP 模块，输入参数是相同局域网内的任何 IP 地址，返回结果是 MAC 地址。这也是 ARP 和 DNS 的一个不同点，DNS 是为整个因特网的任何地方解析主机名，而 ARP 仅仅限制在同一个局域网内解析 IP 地址。
每台主机和路由器在内存中都维护着一个 ARP 表，这张表是一个缓存，缓存了 IP 地址到 MAC 地址的映射关系。
| IP 地址 | MAC 地址 |
|---|---|
| 192.168.0.112 | 22-22-22-22-22-22 |
| 192.168.0.113 | 33-33-33-33-33-33 |
在 Windows 和 Linux 下，都可以使用命令查看 ARP 表：
# 查看所有 ARP 缓存项
arp -a
# 查看某个缓存项
arp -a 192.168.0.112
# 删除某个缓存项
arp -d 192.168.0.112
# 设置某个缓存项
arp -s 192.168.0.112 22-22-22-22-22-22
ARP 表的缓存项是有生存时间的，一般从 30 秒到 20 分钟不等。
所以 ARP 将 IP 转换成 MAC 的第一步自然是从缓存表中寻找，如果找到了，就返回 MAC 地址。
如果源主机没有在在缓存表中找到目标主机的记录，源主机则需要发起一次 ARP 查询。
Client-1 发现缓存项中并没有 192.168.0.113 的记录，所以它向适配器发送了 ARP 查询分组，并且目标 MAC 地址是使用以太网的广播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF），这样在整个子网的其他主机，都会收到这个包。
每个主机的适配器都会收到该 ARP 查询包，并且该帧的 ARP 分组向上传递给 ARP 模块，ARP 模块检查其中的目标 IP 地址是否与本机 IP 地址匹配，不匹配的会丢弃帧，而 IP 地址匹配的主机则会向查询主机返回一个 ARP 响应分组。
Client-1 一旦收到了来自 Client-3 的 ARP 响应分组后，就会更新自己的 ARP 缓存表，接着就可以发送 IP 数据包了，该 IP 数据包的目标 MAC 地址，正是来自于之前的 Client-3 的 ARP 响应中的 MAC 地址。
ARP 帧格式
在转换 IP 地址到 MAC 地址的 ARP 查询/响应的帧中，前 14 个字节是标准的以太网首部。
如果是 ARP 查询帧，以太网首部的目标地址就是 FF-FF-FF-FF-FF-FF，源地址就是查询主机的 MAC 地址。
如果是 ARP 响应帧，以太网首部的目标地址就是查询主机的 MAC 地址，源地址就是响应主机的 MAC 地址。
后 28 字节则是 ARP 查询或响应的帧内容。
需要注意的是，如果是 ARP 查询帧，由于此时目标的 MAC 地址未知，所以帧内容的目标 MAC 地址为 00-00-00-00-00-00。
以上是一个 wireshark 中的 ARP 查询抓包分析，ARP 的响应类似，不过以太网首部目标地址不再是广播地址，而是单独发送给查询主机。