简单说IP地址和MAC地址

Epsilon_11x-me

1. 物理层一台计算机与另一台计算机要进行通信，第一件要做的事是什么？当然是要把这台计算机与另外的其他计算机连起来啊，这样，我们才能把数据传输过去。例如可以通过光纤啊，电缆啊，双绞线啊等介质把他们连接起来，然后才能进行通信。


也就是说，物理层负责把两台计算机连起来，然后在计算机之间通过高低电频来传送0,1这样的电信号。
2. 数据链路层前面说了，物理层它只是单纯着负责把计算机连接起来，并且在计算机之间传输0，1这样的电信号。如果这些0，1组合的传送毫无规则的话，计算机是解读不了的。一大堆0，1谁知道是什么鬼啊。


因此，我们需要制定一套规则来进行0，1的传送。例如多少个电信号为一组啊，每一组信号应该如何标识才能让计算机读懂啊等等。
于是，有了以太网协议。
1. 以太网协议
以太网协议规定，一组电信号构成一个数据包，我们把这个数据包称之为帧。每一个桢由标头(Head)和数据(Data)两部分组成。


帧的大小一般为 64 – 1518 个字节。假如需要传送的数据很大的话，就分成多个桢来进行传送。
对于表头和数据这两个部分，他们存放的都是一些什么数据呢？我猜你眯着眼睛都能想到他们应该放什么数据。 毫无疑问，我们至少得知道这个桢是谁发送，发送给谁的等这些信息吧？所以标头部分主要是一些说明数据，例如发送者，接收者等信息。而数据部分则是这个数据包具体的，想给接收者的内容。
大家想一个问题，一个桢的长度是 64~1518 个字节，也就是说桢的长度不是固定的，那你觉得标头部分的字节长度是固定的吗？它当然是固定的啊，假如不是固定的，每个桢都是单独发的，那计算机怎么知道标头是几个字节，数据是几个字节呢。所以标头部分的字节是固定的，并且固定为18个字节。
把一台计算的的数据通过物理层和链路层发送给另一台计算机，究竟是谁发给谁的，计算机与计算机之间如何区分，，你总得给他们一个唯一的标识吧？
于是，MAC 地址出现了。
2. MAC 地址
连入网络的每一个计算机都会有网卡接口，每一个网卡都会有一个唯一的地址，这个地址就叫做 MAC 地址。计算机之间的数据传送，就是通过 MAC 地址来唯一寻找、传送的。


MAC地址 由 48 位二进制数所构成，在网卡生产时就被唯一标识了。
3. 广播与ARP协议
(1). 广播


如图，假如计算机 A 知道了计算机 B 的 MAC 地址，然后计算机 A 想要给计算机 B 传送数据，虽然计算机 A 知道了计算机 B 的 MAC 地址，可是它要怎么给它传送数据呢？计算机 A 不仅连着计算机 B，而且计算机 A 也还连着其他的计算机。 虽然计算机 A 知道计算机 B 的 MAC 地址，可是计算机 A 却不知道计算机 B 是分布在哪边路线上，为了解决这个问题，于是，有了广播的出现。
在同一个子网中，计算机 A 要向计算机 B 发送一个数据包，这个数据包会包含接收者的 MAC 地址。当发送时，计算机 A 是通过广播的方式发送的，这时同一个子网中的计算机 C, D 也会收到这个数据包的，然后收到这个数据包的计算机，会把数据包的 MAC 地址取出来，与自身的 MAC 地址对比，如果两者相同，则接受这个数据包，否则就丢弃这个数据包。这种发送方式我们称之为广播,就像我们平时在广场上通过广播的形式呼叫某个人一样，如果这个名字是你，你就理会一下，如果不是你，你就当作听不见。
(2). ARP 协议。
那么问题来了，计算机 A 是如何知道计算机 B 的 MAC 地址的呢？这个时候就得由 ARP 协议这个家伙来解决了，不过 ARP 协议会涉及到IP地址，我们下面才会扯到IP地址。因此我们先放着，就当作是有这么一个 ARP 协议，通过它我们可以知道子网中其他计算机的 MAC 地址。
3. 网络层上面我们有说到子网这个关键词，实际上我们所处的网络，是由无数个子网络构成的。广播的时候，也只有同一个子网里面的计算机能够收到。
假如没有子网这种划分的话，计算机 A 通过广播的方式发一个数据包给计算机 B , 其他所有计算机也都能收到这个数据包，然后进行对比再舍弃。世界上有那么多台计算机，每一台计算机都能收到其他所有计算机的数据包，那就不得了了。那还不得奔溃。 因此产生了子网这么一个东西。
那么问题来了，我们如何区分哪些 MAC 地址是属于同一个子网的呢？假如是同一个子网，那我们就用广播的形式把数据传送给对方，如果不是同一个子网的，我们就会把数据发给网关，让网关进行转发。
为了解决这个问题，于是，有了 IP 协议。
1. IP协议
IP协议，它所定义的地址，我们称之为IP地址。IP协议有两种版本，一种是 IPv4,另一种是 IPv6。不过我们目前大多数用的还是 IPv4，我们现在也只讨论 IPv4 这个版本的协议。
这个 IP 地址由 32 位的二进制数组成，我们一般把它分成4段的十进制表示，地址范围为0.0.0.0~255.255.255.255。
每一台想要联网的计算机都会有一个IP地址。这个IP地址被分为两部分，前面一部分代表网络部分，后面一部分代表主机部分。并且网络部分和主机部分所占用的二进制位数是不固定的。
假如两台计算机的网络部分是一模一样的，我们就说这两台计算机是处于同一个子网中。例如 192.168.43.1 和 192.168.43.2, 假如这两个 IP 地址的网络部分为 24 位，主机部分为 8 位。那么他们的网络部分都为 192.168.43，所以他们处于同一个子网中。
可是问题来了，你怎么知道网络部分是占几位，主机部分又是占几位呢？也就是说，单单从两台计算机的IP地址，我们是无法判断他们的是否处于同一个子网中的。
这就引申出了另一个关键词————子网掩码。子网掩码和IP地址一样也是 32 位二进制数，不过它的网络部分规定全部为 1，主机部分规定全部为 0.也就是说，假如上面那两个IP地址的网络部分为 24 位，主机部分为 8 位的话，那他们的子网掩码都为 11111111.11111111.11111111.00000000，即255.255.255.0。


那有了子网掩码，如何来判端IP地址是否处于同一个子网中呢。显然，知道了子网掩码，相当于我们知道了网络部分是几位，主机部分是几位。我们只需要把 IP 地址与它的子网掩码做与(and)运算，然后把各自的结果进行比较就行了，如果比较的结果相同，则代表是同一个子网，否则不是同一个子网。
例如，192.168.43.1和192.168.43.2的子码掩码都为255.255.255.0，把IP与子码掩码相与，可以得到他们都为192.168.43.0，进而他们处于同一个子网中。
2. ARP协议
有了上面IP协议的知识，我们回来讲一下ARP协议。
有了两台计算机的IP地址与子网掩码，我们就可以判断出它们是否处于同一个子网之中了。
假如他们处于同一个子网之中，计算机A要给计算机B发送数据时。我们可以通过ARP协议来得到计算机B的MAC地址。
ARP协议也是通过广播的形式给同一个子网中的每台电脑发送一个数据包(当然，这个数据包会包含接收方的IP地址)。对方收到这个数据包之后，会取出IP地址与自身的对比，如果相同，则把自己的MAC地址回复给对方，否则就丢弃这个数据包。这样，计算机A就能知道计算机B的MAC地址了。


可能有人会问，知道了MAC地址之后，发送数据是通过广播的形式发送，询问对方的MAC地址也是通过广播的形式来发送，那其他计算机怎么知道你是要传送数据还是要询问MAC地址呢？其实在询问MAC地址的数据包中，在对方的MAC地址这一栏中，填的是一个特殊的MAC地址，其他计算机看到这个特殊的MAC地址之后，就能知道广播想干嘛了。
假如两台计算机的IP不是处于同一个子网之中，这个时候，我们就会把数据包发送给网关，然后让网关让我们进行转发传送
3. DNS服务器
这里再说一个问题，我们是如何知道对方计算机的IP地址的呢？这个问题可能有人会觉得很白痴，心想，当然是计算机的操作者来进行输入了。这没错，当我们想要访问某个网站的时候，我们可以输入IP来进行访问，但是我相信绝大多数人是输入一个网址域名的，例如访问百度是输入 http://www.baidu.com 这个域名。其实当我们输入这个域名时，会有一个叫做DNS服务器的家伙来帮我们解析这个域名，然后返回这个域名对应的IP给我们的。
因此，网络层的功能就是让我们在茫茫人海中，能够找到另一台计算机在哪里，是否属于同一个子网等。
4. 传输层通过物理层、数据链路层以及网络层的互相帮助，我们已经把数据成功从计算机A传送到计算机B了，可是，计算机B里面有各种各样的应用程序，计算机该如何知道这些数据是给谁的呢？
这个时候，端口(Port)这个家伙就上场了，也就是说，我们在从计算机A传数据给计算表B的时候，还得指定一个端口，以供特定的应用程序来接受处理。
也就是说，传输层的功能就是建立端口到端口的通信。相比网络层的功能是建立主机到主机的通信。
也就是说，只有有了IP和端口，我们才能进行准确着通信。这个时候可能有人会说，我输入IP地址的时候并没有指定一个端口啊。其实呢，对于有些传输协议，已经有设定了一些默认端口了。例如http的传输默认端口是80，这些端口信息也会包含在数据包里的。
传输层最常见的两大协议是 TCP 协议和 UDP 协议，其中 TCP 协议与 UDP 最大的不同就是 TCP 提供可靠的传输，而 UDP 提供的是不可靠传输。
5. 应用层终于说到应用层了，应用层这一层最接近我们用户了。
虽然我们收到了传输层传来的数据，可是这些传过来的数据五花八门，有html格式的，有mp4格式的，各种各样。你确定你能看的懂？
因此我们需要指定这些数据的格式规则，收到后才好解读渲染。例如我们最常见的 Http 数据包中，就会指定该数据包是 什么格式的文件了。
总结五层模型至此讲到这里。对于有些层讲的比较简洁，就随便概况了一下。

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通俗解释有了 IP 地址，为什么还要用 MAC 地址？
一开始时，网络中的机器并不多。大家都连到同一个集线器就可以了，就可以实现互通。这时，机器 A 发消息到机器 B ，消息头里附上机器 B 的MAC，集线器收到消息后就广播给所有连到集线器的机器。
机器 C 收到消息，发现消息里的 MAC 地址和自己的不一样，就丢弃。机器B发现消息里的 MAC 地址和自己一样，就收到下并解析。

这样机制带来问题很明显：首先每次广播，给所在网络带来不必要的浪费。所以，就出现了交换机。它能识别消息里的目标 MAC 地址后，直接就消息丢到机器 B 所连接的端口中。另一个角度，交换机必须记住所有的 MAC 地址和端口之间的关系。
这样的机制在网络规规模小的时候是高效的。但是当网络规模扩大到全球的时候，不可能让一台交换机记录下全球这么多的网络设备，也不可能让全球的机器连接到一台交换机上。
那如果是多台交换机呢？
想像一下，你是斯坦福的学生，你的电脑 x 的网络直连的是学校的交换机，而学校的交换机又连美国国家网络交换机。而美国国家网络交换机又直接的是中国国家网络交换机，中国服务器 y 直连的是中国国家交换机。
你想访问中国的服务器 y 中的资源。你了解到服务器 y 的 MAC 地址是00:0C:29:01:00:12，所以你在消息里附上这个 MAC 地址。
学校交换机收到消息后，拿到 MAC 地址后就愣了，这是要发给谁啊？因为中国服务器 y 并不是直连学校交换机的。这时，学校交换机有一个选择，就是收到不明的 MAC 地址时，一律转发给默认端口。斯坦福交换机就将消息转给美国国家交换机。
美国国家交换机同样发愣了，因为没有这条 MAC 地址对应的端口。它又直接向默认端口：中国国家网络交换机。
中国国家网络交换机收到消息，发现自己记录了 MAC 地址 对应的是服务器 y。就直接将你这位斯坦福学生的消息转发到服务器 y 所连接的端口。
最终，我们的服务器 y 终于收到来自美国斯坦福学生的资源访问请求。

那么，我们的服务器 y 如何将相应的资源返回给学生呢？将消息中的源MAC 地址作为响应消息的目标 MAC 地址发送给中国国家交换机不就可以了？同样的机制，只不过是把源地址和目标地址反一下。
这下，我们是不是完美实现使用交换机组建美国网络和中国网络的互通？
但是美国和中国并不能代表全世界。其他国家也需要加入这个大网络。当日本国家交换机也接入美国国家交换机后，斯坦福学生的消息从学校到达美国国家交换机后就需要进行广播所有直连自己的端口了，因为这时，它没有对外的所谓默认端口了。这里有点烧脑，容各位同学一点时间思考。
也就是说，当两个网络互接时，MAC 地址 交换机还能解决问题广播问题，但是两个以上的网络互连时，MAC 地址 交换机就没有办法解决广播问题了。
这时，我们面临的问题就是无法使用现有的技术—— MAC 地址 交换机——解决多网络互连的问题了。所以，需要发明一种新的技术。
而 IP 协议就是就是解决此问题的一项技术。
事实上，IP协议的产生并不只是为解决上述的“广播问题”。还解决了很多其他网络传输过程会遇到的问题，比如一次传输的消息过大时，如何对消息进行分组等问题。
小结由于历史原因，MAC 地址及相关技术先出现，但是后来发现它并不能解决所有（已知）的问题，所以，先驱们发明了 IP 地址及相关技术来解决。
另一个角度，个人认为，由于 MAC 地址没有办法表达网络中的子网的概念，而 IP 地址可以。如果网络互换设备（比如路由器）能从目标 MAC 地址中分析出目标网络，而不是只是目标主机，IP 地址还会出现吗？
有另一个有趣的问题：如果历史反过来，一开始就使用的是 IP 地址，而不是 MAC 地址，我们现在的网络世界会怎么样？

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1 明明IP地址可以唯一的标识主机，为什么还需要MAC地址？
先有数据链路层然后再有网络层，这两者的出现跟网络发展的历史是有关系的。按照先后逻辑，你应该困惑的是已经有了MAC地址，为什么还需要IP地址？
计算机网络最开始的形态肯定是点对点信道和广播信道（Hub连接的局域网），在这个前提下提出了数据链路层的相关协议（不止是以太网标准），功能是屏蔽物理层的相关细节，解决广播信道的碰撞问题，为上层协议提供组帧、透明传输、差错控制甚至是可靠传输等服务。在同一个广播域（局域网）中，完全不需要网络层就可以实现通信。只是后来多个异构网络（采用不同数据链路层协议的局域网或广域网）互连时，为了解决路由选择和分组转发的问题，引入了网络层和IP地址。
2 如果你非要开脑洞，可不可以去掉数据链路层，换一种说法，可不可以合并数据链路层和网络层，直接用网络层在物理层的基础上为上层协议提供服务？
首先网络层提出的时候，已经存在各种各样的数据链路层协议和网络，统一标准已经是不可能的事情，而且也不可能有一种数据链路层协议可以满足所有建网需求。那么只能在客观事实上引入一种兼容异构网络的网络层，解决分组转发和路由选择的问题。这就好比，你不可能要求所有人用同一种物理层标准去传输物理信号，因为有不同的信道需要不同的传输技术来满足不同的需求。数据链路层的概念可以删除，但是数据链路层的功能必须要实现，不要站在现在的视角去看历史，要站在当时标准制定者的角度去看待问题。科学家面临的是各种各样的局域网，如何实现异构网络的互连，去构建一个全球化的互联网？选择用一种协议在已有的数据链路层上实现路由选择和分组转发，还是重复造轮子重新从物理层开始设计？后者技术上没必要，市场上也不可行，你不可能让各大商业公司放弃自己的标准。
3 仅仅开个脑洞，可不可以用IP地址代替MAC地址，保留数据链路层？
这个上面的答案都大开脑洞说过这个问题。主机的网络适配器用MAC地址来甄别帧，交换机用MAC地址进行端口映射（我觉得更应该称为接口映射，port有歧义）。如果用IP地址代替MAC地址进行甄别和端口映射，那么会导致主机CPU频繁被数据链路层中断，交换机也成了一个三层设备。你说把IP地址固化到适配器ROM中，这样不会中断CPU了，可是网卡厂商怎么知道你要配什么IP地址，而且IP地址会变的。你说那另外编一个地址固化到ROM中，你说对了，那就是MAC地址。