数据链路层为什么需要Mac地址

以太网帧传输过程

• 以太网帧由源IP所在网关发出，发送给下一跳
• 设备A接收到以太网帧，查看自己的路由表找下一跳（ARP缓存/ARP寻址）
• …
• 到达目标所在位置，访问NAT表找到映射到的局域网IP
• 将消息转发给目标设备

自顶向下看的话Mac地址好像并不是必须的，但是这其实是一种错误的思维方式，网络的分层可以没有上层但是绝对不能没有下层，下面简单的梳理下。

物理层

在未深入学习网络通信前，人们可能会认为互联网主要依赖于电磁波进行通信，但这并不完全正确。想象一下，什么样的电磁波可以覆盖全球范围呢？实际上，电磁波在局域网通信中发挥重要作用，比如 Wi-Fi 等，但在上层数据传输中，我们更多地依赖光缆传输。你可能经常听到新闻报道说工地挖到了国防光缆，其实这种光缆是城市通信网络的一部分。里面可能包含了全国各地的数据。如果挖断光缆，每秒钟可能丢失大量数据，尤其是如果挖断的是主干光缆，可能会导致严重的网络问题，甚至导致一个城市短暂的断网。

物理层数据传输借助集线器也就是Hub，连接两台以上的电脑。但是，和交换机不同，集线器没有大脑，它完全在物理层工作。它会将自己收到的每一个字节，都复制到其他端口上去。这是第一层物理层联通的方案。

数据链路层

hub采用的是广播方式，每个人都可以收到，所以就存在问题了：如何确定消息是不是传给自己的又是由谁传给自己的？
思考一下解决方案，选择一个设备一开始就有的东西作为唯一标识，这个东西想必大家已经想到了，没错就是Mac地址。
想到这里我也是恍然大悟，在数据链路层谁认识什么IP呢？甚至IP都要借助数据链路层传输（当然说的是IPV4，IPV6的话大可像Mac一样静态绑定），如果舍弃掉Mac地址为设备分配IP的时候你怎么寻址呢?
这时候你可能还有疑问：借助Mac分配完IP，之后数据链路层借助IP为数据定向不久好了吗？
首先Mac是物理地址，IP是逻辑地址，由于IPV4需要子网划分和无分类地址等一系列技术，所以造成了在同一局域网下可能有多个相同的IP，比如
192.168.1.23/8
192.168.1.23/16
192.168.1.23/24
现在接收消息的是192.168.1.23的时候你不借助Mac如何定向呢？

公网传输需要Mac地址吗？
许多人可能还有这样的问题，因为注意到对ARP寻址技术的叙述中往往有一句话在同一局域网下，实际上还是需要的，因为站在硬件层面它会管你是公网还是私网吗？它认识的只有Mac地址，既然不认识又要同一规范那么干脆都需要得了，还有一点，数据链路层的链路选择是借助Mac地址进行的对任意一个交换机它需要靠Mac地址明确数据传输的方向，不然在公网上进行广播那不崩溃了吗？

除此之外数据链路层还需要解决其它问题

• 大家都发的时候会不会产生紊乱，有没有谁先发谁后发的规则

这个是通过多路访问进行解决。还有其他算法来解决这个问题，分多个车道，叫做信道划分；单双号限行较轮流协议；遇见堵车便折返，叫随机接入协议，以太网就是使用这个方式。

• 发送的时候出现错误如何解决

通过第二层最后的CRC，也就是循环冗余检测，通过异或来计算整个包是否在发送中出现了错误。

交换机

hub采用广播不管对方要不要都会传过去，这种机制明显存在问题，因为上层网络更多需要的是单播，因为hub它本身不具备验证功能，所以就需要借助数据链路层的交换机进行接口选择。

通过交换机会学习，一台 MAC1 电脑将一个包发送给另一台 MAC2 电脑，当这个包到达交换机的时候，一开始交换机也不知道 MAC2 的电脑在哪个口，会发送给其他所有口，但这个时候交换机会记住MAC1是明确的口以及它的MAC地址，以后就会方便很多。
然后通过不断转发，就会形成网络结构，以及转发表，然而这个需要在一段时间后进行更新。

完整的以太网帧接收过程

• 网卡接收到以太网帧，发现目的IP是自己的，对照NAT表找到对应的私网IP
• 借助交换机发送广播给它连接的子网网关，IP是xxx的兄弟，你的Mac地址是什么？（新的交换机）
• 子网网关A一看这个网络号和自己的一样，于是在子网内进行广播，XXX你的Mac是什么?
• 设备进行响应，数据通过交换机的时候交换机存储端口和Mac的映射关系
• 数据经交换机的手成功传递给了目标设备

参考文章：
网络协议复习笔记（五）从物理层到MAC层
网络协议复习笔记（六）从MAC层继续出发：IP层（网络层）