IP 地址和 MAC 地址可以類比生活中寄快遞的過程。

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在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)被封裝成數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行發(fā)送，就像我們生活中寄快遞時(shí)將物品放進(jìn)包裹中。而數(shù)據(jù)在路由器之間的跳轉(zhuǎn)也可以看作是不同地區(qū)快遞小哥對(duì)物流的交接。

IP 地址

ip 地址等價(jià)于快遞包裹上的收件人地址。

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快遞員通過收件人地址將包裹在出發(fā)地到目的地之間連出一條線，然后通過不同地區(qū)之間的物流中轉(zhuǎn)最后將包裹送到收件人的手中。

從上圖的粗箭頭所描述的路徑便可達(dá)到目的地址，陜西省 - 西安市 - xx 縣 - xx 街道 -…。

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同理，ip 地址也具備此功能，通過 IP 地址的網(wǎng)絡(luò)位可以確定某個(gè)主機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)的位置，從而明確一條數(shù)據(jù)傳送的路徑。例如目的地址為 192.168.10.110/26，則該地址所在的網(wǎng)絡(luò)為 192.168.10.64

用之前圖示地址的尋址方式，我們可以模擬這一過程

那么，還是那個(gè)問題，為什么還要 MAC 地址呢？

MAC 地址

MAC 地址等價(jià)于快遞包裹上的收件人姓名。

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MAC 地址更多是用于確認(rèn)對(duì)方信息而存在的。就如同快遞跨越幾個(gè)城市來到你面前，快遞員需要和你確認(rèn)以下收件人是否正確，才會(huì)把包裹交給你一樣。

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這里我們模擬一個(gè)場(chǎng)景，比如在學(xué)校里同一個(gè)班級(jí)的學(xué)生大家互相都認(rèn)識(shí)，互相交流就不需要借助學(xué)號(hào)（這里抽象成 ip 地址），直接喊名字即可?！拔梗莻€(gè)誰，把你作業(yè)讓我抄一下”。

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這個(gè)過程可對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中同一個(gè)交換機(jī)或集線器連接的局域網(wǎng)通信。在局域網(wǎng)中通信需要通過 MAC 地址進(jìn)行通信。將數(shù)據(jù)封裝成幀時(shí)會(huì)插入源 mac 地址和目的 mac 地址（如果不知到對(duì)方 mac 地址會(huì)發(fā)送 arp 廣播報(bào)文獲取對(duì)方 mac 地址）。以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)：

而后，幀結(jié)構(gòu)再次添加 IP 頭部信息。

雖然這里有 ip 地址，但是它在局域網(wǎng)中不起作用，因?yàn)?arp 是用于網(wǎng)絡(luò)中尋址的，而在局域網(wǎng)中所有主機(jī)互相可見。（除此之外，局域網(wǎng)中 ip 地址最多是在 arp 廣播時(shí)，作為收到包的主機(jī)解包時(shí)判定的依據(jù)，判定自己是否為目的主機(jī)，從而選擇是否回應(yīng) arp 應(yīng)答）。

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而 IP 地址的使用條件，是在跨網(wǎng)絡(luò)之后。兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間想要進(jìn)行通信需要通過一個(gè)媒介，因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的主機(jī)定位不到網(wǎng)絡(luò)外的某個(gè)主機(jī)，即使他們只隔了一個(gè)網(wǎng)段也是一樣。而跨網(wǎng)段的媒介就是路由器，只要把 ip 地址告訴它，他就能找到對(duì)方所在的網(wǎng)絡(luò)。

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這就像是我是 2020 屆計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè) 1 班學(xué)生 xx（學(xué)號(hào) 202015162，15 代指專業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)，62 代指 “我” 在本班的學(xué)號(hào)），我現(xiàn)在想找 2022 屆學(xué)弟 yy（學(xué)號(hào) 2022…）。我們之間不認(rèn)識(shí)，但是我可以找一個(gè)中間人，幫我送信。

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這個(gè)中間人是局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，是路由器。他們的功能是，轉(zhuǎn)述我的消息，并且按照目的 ip 地址將它發(fā)給下一個(gè) “中間人”，最后送到“yy” 手中。

以下是關(guān)于 mac 地址與 ip 地址的愛恨糾纏… 以下內(nèi)容有借鑒到文章：《閃客 sun（低并發(fā)編程）：如果讓你來設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)》

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首先我們需要明確的是，MAC 地址的誕生早于 IP 地址。在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)之初，設(shè)備之間使用 MAC 地址互相確認(rèn)身份，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⒉淮?，我們完全可以讓兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間兩兩互相發(fā)送數(shù)據(jù)。如果有 5 個(gè)主機(jī)需要互通的話，那么它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能是這樣：

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如果是這樣的話，我們其實(shí)無需 MAC 地址，因?yàn)槊總€(gè)網(wǎng)卡明確對(duì)應(yīng)一臺(tái)主機(jī)。而實(shí)際是，一臺(tái)計(jì)算機(jī)要配置這么多網(wǎng)卡的需要耗費(fèi)更多的 money，你也不想買一臺(tái)計(jì)算機(jī)后還需要額外再買十幾個(gè)網(wǎng)卡把。

因此我們可以采用集線器的方式將所有計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線聚集在一起會(huì)更加方便。

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每臺(tái)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)前需要攜帶自己和對(duì)方的目的 MAC 地址，因?yàn)?hub 集線器只是將所有數(shù)據(jù)從其他接口發(fā)送出去，它將數(shù)據(jù)的是否接收留給了主機(jī)自己判斷。

集線器只是無腦的做數(shù)據(jù)發(fā)送，因此我們認(rèn)為它是數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備。

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集線器太笨了，它將每一通信都發(fā)給所有主機(jī)，在各主機(jī)之間交流頻繁時(shí)會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的擁堵乃至癱瘓，因此我們進(jìn)行了升級(jí)，使用交換機(jī)設(shè)備。

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交換機(jī)內(nèi)部維護(hù)一張 MAC 地址表，記錄 MAC 地址與交換機(jī)各端口之間的關(guān)系，這樣就無需將所有數(shù)據(jù)發(fā)送的局域網(wǎng)中。通過思科的 Cisco packet tracer 仿真軟件可以看到交換機(jī)的 MAC 地址表。

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這樣，當(dāng) pc0（192.168.1）ping pc3（192.168.4）時(shí)，交換機(jī)查自己的 mac 表，發(fā)現(xiàn)自己的以太網(wǎng) fa0/4 接口的出口對(duì)應(yīng)的就是目的主機(jī) mac 地址，則交換機(jī)將自己該數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)從 fa0/4 接口轉(zhuǎn)發(fā)出去。同時(shí) pc3 收到了來自 pc0 的數(shù)據(jù)報(bào)文。

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交換機(jī)相對(duì)集線器，擁有決定數(shù)據(jù)從交換機(jī)的哪個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)出去的功能，因此我們認(rèn)為交換機(jī)在數(shù)據(jù)鏈路層（決定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至哪一條鏈路上）。

以上集線器和交換機(jī)都是局域網(wǎng)的通行，無需 IP 地址參與。而隨著網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大，局域網(wǎng)規(guī)則已經(jīng)不再適合了。

許多個(gè)類似上述的局域網(wǎng)組成一個(gè)大的互聯(lián)網(wǎng)。它們彼此相連互相通信。

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如果在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部向訪問某個(gè)研究機(jī)構(gòu)共享的資料，這就是跨網(wǎng)絡(luò)訪問了。此時(shí) IP 地址才派上用場(chǎng)。ip 地址給出一段段具備層級(jí)關(guān)系的數(shù)字地址，它就像思維導(dǎo)圖一樣可以通過給定地址高效的找出我們想要的那一項(xiàng)。

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當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)連接上互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，給它分配一個(gè) ip 地址，這樣就能通過這些 ip 地址確定對(duì)方網(wǎng)絡(luò)（或設(shè)備）在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的位置，從而進(jìn)行訪問。

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連接在互聯(lián)網(wǎng)上的具有 ip 的可以是一個(gè)單個(gè)的設(shè)備，比如某個(gè)服務(wù)器、某個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭等，也可以是某個(gè)局域網(wǎng)，如學(xué)校的校園網(wǎng)，公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)等（局域網(wǎng)與公網(wǎng)通信使用 NAT、PAT 等方式，或內(nèi)網(wǎng)穿透等技術(shù)）。

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為了實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中，跨網(wǎng)段的訪問，因此誕生出新的設(shè)備叫路由器。它可以根據(jù)內(nèi)置的路由條目決定將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，最終可以到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)。

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需要注意的是，路由器是多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中間人，它有很多端口分別處于不同的網(wǎng)絡(luò)中（路由器的每一個(gè)端口，都有獨(dú)立的 MAC 地址和 IP 地址），這樣它就可以把 “來自 A 網(wǎng)絡(luò)的信息轉(zhuǎn)發(fā)至 B 網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槁酚善鞯慕涌谕瑫r(shí)連接這這幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)”。

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路由器可以讓數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中跨網(wǎng)絡(luò)的通信，因此我們認(rèn)為路由器是網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)備。

終于，我們理清楚了整個(gè) IP 與 MAC 的關(guān)系?？偨Y(jié)一下：

• 各個(gè)設(shè)備之間傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，需要使用到 MAC 地址以確定對(duì)方的身份（場(chǎng)景：兩個(gè)路由器之間跳轉(zhuǎn)，局域網(wǎng)內(nèi)主機(jī)通信）。

• 各個(gè)網(wǎng)路之間通行需要使用到 IP 地址，主要是為了定位目的地址所在的位置，通過 IP 的分段機(jī)制推演出從源 IP 到目的 IP 的一條路徑，而后數(shù)據(jù)包通過這條路徑將數(shù)據(jù)送達(dá)。