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世界上如果只有IP地址没有MAC地址,那就有趣了​

更新时间:2022年11月09日   作者:spoto   标签(Tag):

不知道初学网络的人会不会都有相同的困惑,比如:每个主机都有一个唯一的IP地址,也有一个MAC地址,但为什么要有俩地址?

思博老杨10多年前刚接触网络的时候,真的是算认真思考过这个问题。

今天正好遇到了一位粉丝咨询了同样一个问题,顿时回想起来10多年前摸黑学习网络的日子。

今天的文章,我们就这一点展开来聊,也给小白科普一下。

 

世界上如果只有IP地址没有MAC地址,那就有趣了​

 

一、如何形象生动的理解 IP地址和MAC地址?

IP地址和MAC地址可以类比生活中寄快递的过程。

在整个网络中数据被封装成数据报文进行发送,就像我们生活中寄快递时将物品放进包裹中。

而数据在路由器之间的跳转也可以看作是不同地区快递小哥对物流的交接。

IP地址和MAC地址可以类比生活中寄快递的过程

 

01 IP地址

IP地址等价于快递包裹上的收件人地址。

快递员通过收件人地址将包裹在出发地到目的地之间连出一条线,然后通过不同地区之间的物流中转最后将包裹送到收件人的手中。

IP地址等价于快递包裹上的收件人地址

 

从上图的粗箭头所描述的路径便可达到目的地址,陕西省-西安市-xx-xx街道。

同理,IP地址也具备此功能,通过IP地址的网络位可以确定某个主机所在网络的位置,从而明确一条数据传送的路径。例如目的地址为192.168.10.110/26,则该地址所在的网络为192.168.10.64

 

网络和IP地址计算器

 

用之前图示地址的寻址方式,我们可以模拟这一过程:

地址的寻址方式

那么,还是那个问题,为什么还要MAC地址?

 

02 MAC地址

MAC地址等价于快递包裹上的收件人姓名。

MAC地址更多是用于确认对方信息而存在的。就如同快递跨越几个城市来到你面前,快递员需要和你确认以下收件人是否正确,才会把包裹交给你一样。

这里模拟一个场景,比如在学校里,同一个班级的学生大家互相都认识,互相交流就不需要借助学号(这里抽象成IP地址),直接喊名字即可:

喂,那个谁,把你作业让我抄一下

 

MAC地址等价于快递包裹上的收件人姓名

 

这个过程可对应网络中同一个交换机或集线器连接的局域网通信。

在局域网中通信需要通过MAC地址进行通信,将数据封装成帧时会插入源MAC地址和目的MAC地址。

当然,如果不知道对方MAC地址会发送ARP广播报文获取对方MAC地址。

MAC传输方式过程

 

而后,帧结构再次添加IP头部信息。

PDU Formats

 

虽然这里有IP地址,但是它在局域网中不起作用,因为ARP是用于网络中寻址的,而在局域网中所有主机互相可见。

除此之外,局域网中IP地址最多是在ARP广播时,作为收到包的主机解包时判定的依据,判定自己是否为目的主机,从而选择是否回应ARP应答。

局域网中IP地址在ARP广播

 

IP地址的使用条件,是在跨网络之后。

两个网络之间想要进行通信需要通过一个媒介,因为在网络内部的主机定位不到网络外的某个主机,即使他们只隔了一个网段也是一样。

而跨网段的媒介就是路由器,只要把IP地址告诉它,他就能找到对方所在的网络。

这就像是我是2020届计算机科学专业1班学生xx(学号20201516215代指专业计算机科学专业,62代指在本班的学号),我现在想找2022届学弟yy(学号2022…)。我们之间不认识,但是我可以找一个中间人,帮我送信。

 

地址的使用条件,是在跨网络之后

这个中间人是局域网网关,是路由器。他们的功能是,转述我的消息,并且按照目的IP地址将它发给下一个中间人,最后送到“yy”手中。

 

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二、二者共存 深入结合案例来看

上面还看不懂的话,我接下来继续举例和你详细科普以及说明。

首先我们需要明确的是,MAC地址的诞生早于IP地址。

在计算机设计之初,设备之间使用MAC地址互相确认身份,因为当时的网络拓扑并不大,我们完全可以让两台计算机之间两两互相发送数据。

如果有5个主机需要互通的话,那么它的拓扑结构可能是这样:

5个主机互通

 

如果是这样的话,我们其实无需MAC地址,因为每个网卡明确对应一台主机。

而实际是,一台计算机要配置这么多网卡的需要耗费更多的资金,你也不想买一台计算机后还需要额外再买十几个网卡吧?

因此,可以采用集线器的方式,将所有计算机通过网线聚集在一起,会更加方便。

计算机通过网线聚集

 

每台主机发送数据前需要携带自己和对方的目的MAC地址,因为HUB集线器只是将所有数据从其他接口发送出去,它将数据的是否接收留给了主机自己判断。

 

 

集线器只是无脑的做数据发送,因此我们认为它是数据链路层的设备。

集线器太笨了,它将每一通信都发给所有主机,在各主机之间交流频繁时会造成网络的拥堵乃至瘫痪,因此我们进行了升级,使用交换机设备。

交换机内部维护一张 MAC 地址表,记录MAC地址与交换机各端口之间的关系,这样就无需将所有数据发送的局域网中。

通过思科的Cisco packet tracer仿真软件可以看到交换机的MAC地址表。 

 

Cisco packet tracer仿真软件可以看到交换机的MAC地址表

 

这样,当pc0192.168.1ping pc3192.168.4)时,交换机查自己的MAC表,发现自己的以太网fa0/4接口的出口对应的就是目的主机MAC地址,则交换机将自己该数据报文转发从fa0/4接口转发出去。

同时pc3收到了来自pc0的数据报文。

交换机相对集线器,拥有决定数据从交换机的哪个端口转发出去的功能,因此我们认为交换机在数据链路层(决定数据转发至哪一条链路上)。

以上集线器和交换机都是局域网的通行,无需IP地址参与。

而随着网络的扩大,局域网规则已经不再适合了。

许多个类似上述的局域网组成一个大的互联网。它们彼此相连互相通信。

局域网组成一个大的互联网

 

如果在学校网络内部向访问某个研究机构共享的资料,这就是跨网络访问了。

此时IP地址才派上用场。IP地址给出一段段具备层级关系的数字地址,它就像思维导图一样可以通过给定地址高效的找出我们想要的那一项。

当有网络连接上互联网时,给它分配一个IP地址,这样就能通过这些IP地址确定对方网络(或设备)在互联网络中的位置,从而进行访问。

 

学校网络内部向访问某个研究机构共享的资料

 

连接在互联网上的具有IP的可以是一个单个的设备,比如某个服务器、某个网络摄像头等,也可以是某个局域网,如学校的校园网,公司内部网络等(局域网与公网通信使用NATPAT等方式,或内网穿透等技术)。

为了实现在网络中,跨网段的访问,因此诞生出新的设备叫路由器。

它可以根据内置的路由条目决定将数据包转发到哪个网络中,最终可以到达目的网络。

 

路由器 实现在网络中,跨网段的访问

 

需要注意的是,路由器是多个网络的中间人,它有很多端口分别处于不同的网络中(路由器的每一个端口,都有独立的 MAC 地址和IP地址),这样它就可以把来自A网络的信息转发至B网络,因为路由器的接口同时连接这这几个网络

路由器的每一个端口,都有独立的 MAC 地址和IP地址

 

路由器可以让数据在网络中跨网络的通信,因此我们认为路由器是网络层的设备。

终于,我们理清楚了整个IPMAC的关系。总结一下:

1. 各个设备之间传递数据时,需要使用到MAC地址以确定对方的身份。场景:两个路由器之间跳转,局域网内主机通信。

2. 各个网路之间通行需要使用到IP地址,主要是为了定位目的地址所在的位置,通过IP的分段机制推演出从源IP到目的IP的一条路径,而后数据包通过这条路径将数据送达。

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