MAC 地址與IP地址

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在教計算機網路課程中，經常會碰到這樣的問題，為什麼需要兩個地址：一個是MAC(實體地址)，另一個是IP地址。各種解釋都有，基本上一個觀點就是一個是實體地址，一個是邏輯地址。然而，這樣的解釋太抽象，什麼是物理，什麼是邏輯。這些抽象的表述會讓人無法理解到其本質。下面我就談談這個問題。

要想說明這個問題，首先得說說計算機網路的目標是什麼。計算機網路的根本目標就是將資料從一點傳送到另外一點。聽起來很簡單，但是裡面包含的意思很多。例如，兩個點之間是在同一個網路還是跨網路連線的，如何才能將資料正確的傳送到對方，如果出現錯誤怎麼辦等等。

為了說明問題的本質，我們首先將問題簡化：假設兩點在一個網路內。在這種情況下，只需要MAC地址就可以了。例如透過交換機將多臺電腦組成一個網路，為了找到對方，必須透過一個地址來標識。就像寄快遞一樣，如果沒有地址，快遞員是無法將快遞送到對方的所在地的。這就是我們所說的MAC地址。當A點要將資料傳遞給B點時，會在資料的首部新增B的MAC地址，即目標地址。當然在首部中也有源地址，即傳送方的MAC地址，還有其它一些資訊，例如用於校驗的等等。組裝好的這個資料稱為幀。然後A點就將幀透過網路卡傳送出去。

此時交換機收到這個幀後，查詢自己的轉發表。轉發表主要有兩列，一列是MAC地址，另外一列是該MAC地址對應的埠。查詢的結果只有兩種情況：找到或沒找到。如果找到就將資料從該MAC對應的埠轉發出去。如果沒找到，很簡單，交換機會把幀向所有埠廣播（除了該幀進入的埠），因此肯定會有一個合適的埠收到的。這個廣播的方法很粗暴，也很奏效。

這就是MAC地址的作用。MAC地址是燒錄在網路卡這個物理裝置上的，一般是無法改變的。

然而，如果兩點不在一個網路內。這時就需要IP地址了。因為IP地址含有兩個部分，一個是網路地址，一個是主機地址。因此，透過對方的IP地址，是可以判斷出對方是否和本機在一個網路內。如果在一個網路內，如上所述，只需要知道對方的MAC地址即可通訊。

如果不在一個網路內，本機的網路層就認為資料應該傳送給閘道器。道理是顯然的，如果不在一個網路內，首先得把資料傳送出網路才可以。如何發出網路，當然是發給閘道器，因為閘道器就相當於網路的門衛。要想把資料發給閘道器，同樣需要知道閘道器的MAC地址，如何知道閘道器的MAC地址呢？這就涉及到ARP協議。

電腦快取裡有一張ARP表，該表主要有兩列：一列是IP地址，另外一列是MAC地址。這張表不是天生就有的，是隨著網路卡收到網路中的各種通訊資料，不斷學習增加的。

話說回來，如果ARP表中有閘道器IP地址對應的MAC地址，則問題就轉化為網內資料傳送，上面已經講的很清楚了。如果ARP表中沒有閘道器IP地址對應的MAC地址，則啟動ARP協議，即向網內廣播，詢問該IP地址的MAC地址。廣播詢問的結果是閘道器收到廣播後，發現是問自己的MAC地址，所以就回復詢問方自己的MAC地址。然後資料發給閘道器的問題，也轉化為網內資料傳送，上面已經講的很清楚了。

大家發現沒有，在跨網通訊時是需要IP地址的。因為需要透過IP地址來判斷是網內通訊還是網外通訊。有人可能會說，讓MAC地址也具有能夠區分網路的特徵不就可以不需要IP了麼。事實上這樣做是不實際的。每個網路卡出廠時就有一個獨一無二的MAC地址，出場時是不可能知道你用它時是在哪一個網路裡，也就是天生它就不具有能夠區分網路的特性。而且也不需要它具有這種特性。因為MAC只負責裝置到裝置的通訊就夠了。這層通訊是真正的通訊，所以稱為物理通訊。

而跨網路傳輸資料時，需要考慮傳輸的路徑，即為了到達目的地，下一跳應該去哪兒，從而一跳一跳的傳輸到目的地。而網內傳輸，不需要考慮傳輸路徑，只要發出去一定可以到達。最壞情況下就是透過廣播傳輸也能到達。而跨網路傳輸時，這一招不靈了。因此，跨網傳輸時需要考慮網路之間的傳輸，需要使用能夠表示網路特徵的地址，即IP地址。所以IP地址是負責網路到網路傳輸的。

至於發給閘道器後，下一步發給誰，本機就管不著了。本機只能保證在網路內傳輸，即下一跳的概念。下下一跳，只能由閘道器來負責了。其實閘道器就是路由器的一個介面。閘道器透過IP地址來確定路由，透過find路由表來 確定下一跳應該去往哪個網路，然後就將資料從連線那個網路的路由器的介面傳送出去。傳送出去同樣要判斷目標IP是和當前路由介面的網路是否同一網路。問題又回到上面講的過程了。所以週而復始。

可見IP地址和MAC地址的概念並不矛盾。他們之間是不同層次的，就像有了領導還必須有群眾才可以，誰也離不開誰。資料從一點傳到另外一點，要經過幾個網路，網路路線是怎樣的，需要使用IP地址來解決。而網內傳輸需要使用MAC地址來傳輸。可見沒有網內真正的通訊傳輸，何以實現網路之間的通訊。而如果沒有網路路由的路徑的話，資料是不可能到達目的地的，因為方向都沒有。

如果再往深裡挖掘，地址的概念還可以包括網址。就像百度的網址，我們為什麼有了IP還需要網址呢？這超過了我們的題目範圍，下次再說。