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MAC 地址与广播域

概述

MAC（Media Access Control）地址是数据链路层的物理地址，为全球每台联网设备的每个网络接口分配一个唯一标识。理解 MAC 地址的范围边界——广播域——是网络规划的基础。

MAC 地址结构

OUI + NIC Serial

┌───────────────┬───────────────┐
│   OUI (3B)    │   NIC Serial  │
│  IEEE 分配     │   厂商自定     │
│              │              │
│ AA:BB:CC      │  DD:EE:FF     │
└───────────────┴───────────────┘

OUI (Organizationally Unique Identifier): 前 3 字节由 IEEE 分配给厂商
NIC Serial: 后 3 字节由厂商自行分配给具体网卡

寻址类型位

第一个字节的最低比特位（LSB）决定类型：

位模式	类型	示例
`xx:xx:xx:xx:xx:xx` — LSB=0	单播 (Unicast)	`a0:88:b4:12:34:56`
`01:00:5e:xx:xx:xx` — LSB=1	IPv4 组播	特定多播组
`ff:ff:ff:ff:ff:ff`	广播 (Broadcast)	全网段广播

广播域（Broadcast Domain）

定义

广播域是指广播帧能到达的所有设备的集合。在一个广播域内，一个设备发出的 ARP 请求或 DHCP Discover 能被该域内所有其他设备收到。

哪些网络设备处理/转发广播？

设备	是否转发广播帧？	说明
Hub（集线器）	✅ 复制转发到所有端口	相当于延长网线，扩大冲突域也扩大广播域
Switch（交换机）	✅ 转发到除接收口外的所有端口	同一 VLAN 内广播不隔离
Router（路由器）	❌ 不转发	天然隔离广播域，每个接口独立广播域
Firewall（防火墙）	⚙️ 可配置	默认通常丢弃

flowchart LR
    A["PC-A<br/>IP:192.168.1.10"] -->|"ARP广播"| B[Switch<br/>VLAN 10]
    B -->|"ARP广播"| C["PC-B<br/>192.168.1.20"]
    B -->|"ARP广播"| D["PC-C<br/>192.168.1.30"]
    
    B --"不转发"--> E[Router<br/>VLAN 20]
    E --> F["PC-D<br/>192.168.2.10"]
    
    style A fill:#DDA0DD,color:#000
    style E fill:#FF6B6B,color:#fff

结论： Switch 内部不隔离广播域，只有 Router（或三层交换机）的 VLAN 接口才能隔离广播。这就是为什么大型网络需要划分 VLAN。

二层转发 vs 三层转发

ARP 解析流程（跨网段的情况）

sequenceDiagram
    participant Src as PC-A<br/>192.168.1.10
    participant GW as 网关 Router<br/>eth0: 192.168.1.1<br/>eth1: 192.168.2.1
    participant Dst as PC-D<br/>192.168.2.10

    Src->>Dst: IP包 → 但目的MAC设为谁的？
    Note over Src: 发现 dst不在同一子网,<br/>交给默认网关
    
    Src->>GW: ARP "192.168.1.1是谁？"<br/>(局域网内广播)
    GW-->>Src: ARP回复 "我是! eth0 MAC=aa:bb:cc:dd:ee:01"
    Note over Src,Dst: 源MAC=Src MAC<br/>目的MAC=Gateway MAC<br/>目标IP=Remote IP
    
    Src->>GW: Frame[EthHdr(Dst=GW_mac)|IP(src_ip,dst_ip)]
    Note over GW: Strip Ethernet → 查路由表 → 重封帧
    GW->>Dst: Frame[EthHdr(Dst=Dst_mac)|IP(src_ip,dst_ip)]
    Note over GW: src MAC 变成了 Gateway MAC!<br/>MAC 逐跳改写，IP 不变

关键规律总结

层级	地址变化	跨越范围
IP 地址（第3层）	保持不变（除非 NAT）	端到端，从源到终点
MAC 地址（第2层）	每跳改写	只服务于当前链路（两台相邻设备之间）

MAC 地址表（Switch CAM 表）

Switch 如何学习 MAC？

flowchart TD
    S["Switch 启动"] --> L["清空 MAC 表"]
    L --> R["收到帧 Port1"]
    R --> Learn["提取 Src MAC → 记录: mac→port1"]
    Learn --> Fwd{"已知目的 MAC?"}
    Fwd -->|"是"| Forward["仅转发到对应端口"]
    Fwd -->|"否"| Flood["泛洪到所有其他端口"]

查看 MAC 表

# Linux Bridge / 大多数交换机等价命令
$ bridge fdb show
aa:bb:cc:dd:ee:01 dev eth0 master br0 permanent
aa:bb:cc:dd:ee:ff dev eth1 vlan 10 self permanent

# 传统命令
$ arp -a          # 查看 ARP 缓存（IP → MAC 映射）
$ ip neigh        # 等价于 arp，更现代

MAC 表老化

MAC 表条目有超时时间（通常 300 秒），超时后自动删除，等待下一帧到来重新学习。这防止了表中堆积无效条目。

广播风暴与防范

什么是广播风暴？

当广播帧在网络中无限循环（如物理环路未启用 STP）时，每个交换机会不断泛洪，最终耗尽带宽。

防范措施

措施	说明
STP/RSTP/MSTP	生成树协议，自动阻断环路端口
VLAN 划分	缩小广播域规模
BPDU Guard	在接入端口禁用 STP 协议包
广播速率限制	Switch 端口限速广播流量
IP 亚网划分	减少每个广播域内的主机数

[!tip] 最佳实践生产网络的广播域规模建议不超过 /23（510 台主机）。超过就应考虑划分 VLAN，用三层路由互联。

关联笔记

hhs/NETWORK/Ethernet帧结构 — 以太网帧的目的/源 MAC 字段
hhs/NETWORK/VLAN与Trunk — VLAN 如何进一步隔离广播域
hhs/NETWORK/ARP协议完整流程 — MAC 地址的动态解析过程

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