1、前言

標(biāo)題雖然是為了解釋有了 IP 地址，為什么還要用 MAC 地址，但是本文的重點(diǎn)在于理解為什么要有 IP 這樣的東西。本文對讀者的定位是知道 MAC 地址是什么，IP 地址是什么。

（本文同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-2067-1-1.html）

2、關(guān)于作者

翟志軍，個(gè)人博客地址：https://showme.codes/，Github：https://github.com/zacker330。感謝作者的原創(chuàng)分享。

作者的另一篇《即時(shí)通訊安全篇（七）：如果這樣來理解HTTPS，一篇就夠了》也寫的非常好，有興趣的讀者可以深讀之。

3、系列文章

本文是系列文章中的第9篇，本系列文章的大綱如下：

《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(一)：快速理解網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（上篇）》

《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(二)：快速理解網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（下篇）》

《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(三)：快速理解TCP協(xié)議一篇就夠》

《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(四)：快速理解TCP和UDP的差異》

《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(五)：快速理解為什么說UDP有時(shí)比TCP更有優(yōu)勢》

《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(六)：史上最通俗的集線器、交換機(jī)、路由器功能原理入門》

《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(七)：深入淺出，全面理解HTTP協(xié)議》

《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(八)：手把手教你寫基于TCP的Socket長連接》

《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(九)：通俗講解，有了IP地址，為何還要用MAC地址？》（本文）

本站的《腦殘式網(wǎng)絡(luò)編程入門》也適合入門學(xué)習(xí)，本系列大綱如下：

《腦殘式網(wǎng)絡(luò)編程入門(一)：跟著動(dòng)畫來學(xué)TCP三次握手和四次揮手》

《腦殘式網(wǎng)絡(luò)編程入門(二)：我們在讀寫Socket時(shí)，究竟在讀寫什么？》

《腦殘式網(wǎng)絡(luò)編程入門(三)：HTTP協(xié)議必知必會(huì)的一些知識》

《腦殘式網(wǎng)絡(luò)編程入門(四)：快速理解HTTP/2的服務(wù)器推送(Server Push)》

如果您覺得本系列文章過于基礎(chǔ)，您可直接閱讀《不為人知的網(wǎng)絡(luò)編程》系列文章，該系列目錄如下：

《不為人知的網(wǎng)絡(luò)編程(一)：淺析TCP協(xié)議中的疑難雜癥(上篇)》

《不為人知的網(wǎng)絡(luò)編程(二)：淺析TCP協(xié)議中的疑難雜癥(下篇)》

《不為人知的網(wǎng)絡(luò)編程(三)：關(guān)閉TCP連接時(shí)為什么會(huì)TIME_WAIT、CLOSE_WAIT》

《不為人知的網(wǎng)絡(luò)編程(四)：深入研究分析TCP的異常關(guān)閉》

《不為人知的網(wǎng)絡(luò)編程(五)：UDP的連接性和負(fù)載均衡》

《不為人知的網(wǎng)絡(luò)編程(六)：深入地理解UDP協(xié)議并用好它》

關(guān)于移動(dòng)端網(wǎng)絡(luò)特性及優(yōu)化手段的總結(jié)性文章請見：

《現(xiàn)代移動(dòng)端網(wǎng)絡(luò)短連接的優(yōu)化手段總結(jié)：請求速度、弱網(wǎng)適應(yīng)、安全保障》

《移動(dòng)端IM開發(fā)者必讀(一)：通俗易懂，理解移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的“弱”和“慢”》

《移動(dòng)端IM開發(fā)者必讀(二)：史上最全移動(dòng)弱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法總結(jié)》

4、書上說的

基本概念：

如今的網(wǎng)絡(luò)是分層來實(shí)現(xiàn)的，就像是搭積木一樣，先設(shè)計(jì)某個(gè)特定功能的模塊，然后把模塊拼起來組成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)也不例外，一般來說，在組網(wǎng)上我們使用的是IEEE802參考模型，從下至上分為：物理層、媒體接入控制層（MAC），邏輯鏈路控制層（LLC）。 

標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中的一臺計(jì)算機(jī)，一般至少有三種方法，最常用的是域名地址、IP地址和MAC地址，分別對應(yīng)應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層。網(wǎng)絡(luò)管理一般就是在網(wǎng)絡(luò)層針對IP地址進(jìn)行管理，但由于一臺計(jì)算機(jī)的IP地址可以由用戶自行設(shè)定，管理起來相對困難，MAC地址一般不可更改，所以把IP地址同MAC地址組合到一起管理就成為常見的管理方式。 

什么是MAC地址?

MAC地址就是在媒體接入層上使用的地址，也叫物理地址、硬件地址或鏈路地址，由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商生產(chǎn)時(shí)寫在硬件內(nèi)部。MAC地址與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，也即無論將帶有這個(gè)地址的硬件（如網(wǎng)卡、集線器、路由器等）接入到網(wǎng)絡(luò)的何處，都有相同的MAC地址，它由廠商寫在網(wǎng)卡的BIOS里。MAC地址可采用6字節(jié)（48比特）或2字節(jié)（16比特）這兩種中的任意一種。但隨著局域網(wǎng)規(guī)模越來越大，一般都采用6字節(jié)的MAC地址。這個(gè)48比特都有其規(guī)定的意義，前24位是由生產(chǎn)網(wǎng)卡的廠商向IEEE申請的廠商地址，目前的價(jià)格是1000美元買一個(gè)地址塊，后24位由廠商自行分配，這樣的分配使得世界上任意一個(gè)擁有48位MAC 地址的網(wǎng)卡都有唯一的標(biāo)識。另外，2字節(jié)的MAC地址不用網(wǎng)卡廠商申請。 

MAC地址通常表示為12個(gè)16進(jìn)制數(shù)，每2個(gè)16進(jìn)制數(shù)之間用冒號隔開，如：08:00:20:0A:8C:6D就是一個(gè)MAC地址，其中前6位16進(jìn)制數(shù)08:00:20代表網(wǎng)絡(luò)硬件制造商的編號，它由IEEE分配，而后6位16進(jìn)制數(shù)0A:8C:6D代表該制造商所制造的某個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品（如網(wǎng)卡）的系列號。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)制造商必須確保它所制造的每個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備都具有相同的前三字節(jié)以及不同的后三個(gè)字節(jié)。這樣就可保證世界上每個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備都具有唯一的MAC 地址。

什么是IP地址？

IP地址是指互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址（英語：Internet Protocol Address，又譯為網(wǎng)際協(xié)議地址），是IP Address的縮寫。IP地址是IP協(xié)議提供的一種統(tǒng)一的地址格式，它為互聯(lián)網(wǎng)上的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和每一臺主機(jī)分配一個(gè)邏輯地址，以此來屏蔽物理地址的差異。

為什么要用到MAC地址？

這是由組網(wǎng)方式?jīng)Q定的，如今比較流行的接入Internet的方式（也是未來發(fā)展的方向）是把主機(jī)通過局域網(wǎng)組織在一起，然后再通過交換機(jī)和 Internet相連接。這樣一來就出現(xiàn)了如何區(qū)分具體用戶，防止盜用的問題。由于IP只是邏輯上標(biāo)識，任何人都隨意修改，因此不能用來標(biāo)識用戶；而 MAC地址則不然，它是固化在網(wǎng)卡里面的。從理論上講，除非盜來硬件（網(wǎng)卡），否則是沒有辦法冒名頂替的（注意：其實(shí)也可以盜用，后面將介紹）。 

基于MAC地址的這種特點(diǎn)，局域網(wǎng)采用了用MAC地址來標(biāo)識具體用戶的方法。注意：具體實(shí)現(xiàn)：在交換機(jī)內(nèi)部通過“表”的方式把MAC地址和IP地址一一對應(yīng)，也就是所說的IP、MAC綁定。 

具體的通信方式：接收過程，當(dāng)有發(fā)給本地局域網(wǎng)內(nèi)一臺主機(jī)的數(shù)據(jù)包時(shí)，交換機(jī)接收下來，然后把數(shù)據(jù)包中的IP地址按照“表”中的對應(yīng)關(guān)系映射成MAC地址，轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的MAC地址的主機(jī)上，這樣一來，即使某臺主機(jī)盜用了這個(gè)IP地址，但由于他沒有這個(gè)MAC地址，因此也不會(huì)收到數(shù)據(jù)包。發(fā)送過程和接收過程類似，限于篇幅不敘述。 

綜上可知，只有IP而沒有對應(yīng)的MAC地址在這種局域網(wǎng)內(nèi)是不能上網(wǎng)的，于是解決了IP盜用問題。

IP地址與MAC地址的區(qū)別是什么？

IP地址基于邏輯，比較靈活，不受硬件限制，也容易記憶。MAC地址在一定程度上與硬件一致，基于物理，能夠標(biāo)識具體。這兩種地址各有好處，使用時(shí)也因條件而采取不同的地址。 

MAC地址涉及到的安全問題：

從上面的介紹可以知道，這種標(biāo)識方式只是MAC地址基于的，如果有人能夠更改MAC地址，就可以盜用IP免費(fèi)上網(wǎng)了，目前網(wǎng)上針對小區(qū)寬帶的盜用MAC地址免費(fèi)上網(wǎng)方式就是基于此這種思路。如果想盜用別人的IP地址，除了IP地址還要知道對應(yīng)的MAC地址。舉個(gè)例子，獲得局域網(wǎng)內(nèi)某臺主機(jī)的MAC地址，比如想得到局域網(wǎng)內(nèi)名為TARGET主機(jī)的MAC地址，先用PING命令：PING TARGET，這樣在我們主機(jī)上面的ARP表的緩存中就會(huì)留下目標(biāo)地址和MAC映射的記錄，然后通過ARP A命令來查詢ARP表，這樣就得到了指定主機(jī)的MAC地址。最后用ARP -s IP 網(wǎng)卡MAC地址，命令把網(wǎng)關(guān)的IP地址和它的MAC地址映射起來就可以了。

如果要得到其它網(wǎng)段內(nèi)的MAC地址，那么可以用工具軟件來實(shí)現(xiàn)，我覺得Windows優(yōu)化大 

師中自帶的工具不錯(cuò)，點(diǎn)擊“系統(tǒng)性能優(yōu)化”→“系統(tǒng)安全優(yōu)化”→“附加工具”→“集群Ping”，可以成批的掃出MAC地址并可以保存到文件。

小知識：ARP(Address Resolution Protocol)是地址解析協(xié)議，ARP是一種將IP地址轉(zhuǎn)化成物理地址的協(xié)議。從IP地址到物理地址的映射有兩種方式：表格方式和非表格方式。ARP 具體說來就是將網(wǎng)絡(luò)層（IP層，也就是相當(dāng)于OSI的第三層）地址解析為數(shù)據(jù)連接層（MAC層，也就是相當(dāng)于OSI的第二層）的MAC地址。ARP協(xié)議是通過IP地址來獲得MAC地址的。

ARP原理：郴鰽要向主機(jī)B發(fā)送報(bào)文，會(huì)查詢本地的ARP緩存表，找到B的IP地址對應(yīng)的MAC地址后就會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果未找到，則廣播A一個(gè) ARP請求報(bào)文（攜帶主機(jī)A的IP地址Ia——物理地址Pa），請求IP地址為Ib的主機(jī)B回答物理地址Pb。網(wǎng)上所有主機(jī)包括B都收到ARP請求，但只有主機(jī)B識別自己的IP地址，于是向A主機(jī)發(fā)回一個(gè)ARP響應(yīng)報(bào)文。其中就包含有B的MAC地址，A接收到B的應(yīng)答后，就會(huì)更新本地的ARP緩存。接著使用這個(gè)MAC地址發(fā)送數(shù)據(jù)（由網(wǎng)卡附加MAC地址）。因此，本地高速緩存的這個(gè)ARP表是本地網(wǎng)絡(luò)流通的基礎(chǔ)，而且這個(gè)緩存是動(dòng)態(tài)的。ARP表：為了回憶通信的速度，最近常用的MAC地址與IP的轉(zhuǎn)換不用依靠交換機(jī)來進(jìn)行，而是在本機(jī)上建立一個(gè)用來記錄常用主機(jī)IP－MAC映射表，即ARP表。

5、最通俗的解釋

看完上一節(jié)中各種書籍里對IP地址、MAC地址的理解介紹和說明，還是很蒙逼，那么請繼續(xù)看完本節(jié)吧。

5.1 網(wǎng)絡(luò)洪荒時(shí)代 

一開始時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)器并不多。大家都連到同一個(gè)集線器就可以了，就可以實(shí)現(xiàn)互通。這時(shí)，機(jī)器 A 發(fā)消息到機(jī)器 B ，消息頭里附上機(jī)器 B 的MAC，集線器收到消息后就廣播給所有連到集線器的機(jī)器。

機(jī)器 C 收到消息，發(fā)現(xiàn)消息里的 MAC 地址和自己的不一樣，就丟棄。機(jī)器B發(fā)現(xiàn)消息里的 MAC 地址和自己一樣，就收到下并解析。

這樣機(jī)制帶來問題很明顯：首先每次廣播，給所在網(wǎng)絡(luò)帶來不必要的浪費(fèi)。所以，就出現(xiàn)了交換機(jī)。它能識別消息里的目標(biāo) MAC 地址后，直接就消息丟到機(jī)器 B 所連接的端口中。另一個(gè)角度，交換機(jī)必須記住所有的 MAC 地址和端口之間的關(guān)系。

這樣的機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)規(guī)規(guī)模小的時(shí)候是高效的。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大到全球的時(shí)候，不可能讓一臺交換機(jī)記錄下全球這么多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，也不可能讓全球的機(jī)器連接到一臺交換機(jī)上。

5.2 如果是多臺交換機(jī)呢？

想像一下，你是斯坦福的學(xué)生，你的電腦 x 的網(wǎng)絡(luò)直連的是學(xué)校的交換機(jī)，而學(xué)校的交換機(jī)又連美國國家網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。而美國國家網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)又直接的是中國國家網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，中國服務(wù)器 y 直連的是中國國家交換機(jī)。

你想訪問中國的服務(wù)器 y 中的資源。你了解到服務(wù)器 y 的 MAC 地址是00:0C:29:01:00:12，所以你在消息里附上這個(gè) MAC 地址。

學(xué)校交換機(jī)收到消息后，拿到 MAC 地址后就愣了，這是要發(fā)給誰啊？因?yàn)橹袊?wù)器 y 并不是直連學(xué)校交換機(jī)的。這時(shí)，學(xué)校交換機(jī)有一個(gè)選擇，就是收到不明的 MAC 地址時(shí)，一律轉(zhuǎn)發(fā)給默認(rèn)端口。斯坦福交換機(jī)就將消息轉(zhuǎn)給美國國家交換機(jī)。

美國國家交換機(jī)同樣發(fā)愣了，因?yàn)闆]有這條 MAC 地址對應(yīng)的端口。它又直接向默認(rèn)端口：中國國家網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

中國國家網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)收到消息，發(fā)現(xiàn)自己記錄了 MAC 地址 對應(yīng)的是服務(wù)器 y。就直接將你這位斯坦福學(xué)生的消息轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器 y 所連接的端口。

最終，我們的服務(wù)器 y 終于收到來自美國斯坦福學(xué)生的資源訪問請求。

那么，我們的服務(wù)器 y 如何將相應(yīng)的資源返回給學(xué)生呢？將消息中的源MAC 地址作為響應(yīng)消息的目標(biāo) MAC 地址發(fā)送給中國國家交換機(jī)不就可以了？同樣的機(jī)制，只不過是把源地址和目標(biāo)地址反一下。

這下，我們是不是完美實(shí)現(xiàn)使用交換機(jī)組建美國網(wǎng)絡(luò)和中國網(wǎng)絡(luò)的互通？

但是美國和中國并不能代表全世界。其他國家也需要加入這個(gè)大網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)日本國家交換機(jī)也接入美國國家交換機(jī)后，斯坦福學(xué)生的消息從學(xué)校到達(dá)美國國家交換機(jī)后就需要進(jìn)行廣播所有直連自己的端口了，因?yàn)檫@時(shí)，它沒有對外的所謂默認(rèn)端口了。這里有點(diǎn)燒腦，容各位同學(xué)一點(diǎn)時(shí)間思考。

5.3 小結(jié)

也就是說，當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)互接時(shí)，MAC 地址 + 交換機(jī)還能解決問題廣播問題，但是兩個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò)互連時(shí)，MAC 地址 + 交換機(jī)就沒有辦法解決廣播問題了。

這時(shí)，我們面臨的問題就是無法使用現(xiàn)有的技術(shù)—— MAC 地址 + 交換機(jī)——解決多網(wǎng)絡(luò)互連的問題了。所以，需要發(fā)明一種新的技術(shù)。

而 IP 協(xié)議就是就是解決此問題的一項(xiàng)技術(shù)。

事實(shí)上，IP協(xié)議的產(chǎn)生并不只是為解決上述的“廣播問題”。還解決了很多其他網(wǎng)絡(luò)傳輸過程會(huì)遇到的問題，比如一次傳輸?shù)南⑦^大時(shí)，如何對消息進(jìn)行分組等問題。

好了，如果以上內(nèi)容你還是沒有完全理解，那么以下3篇文章你必須好好讀讀（再不懂的話，真沒救了..）：

《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(一)：快速理解網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（上篇）》

《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(二)：快速理解網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（下篇）》

《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(六)：史上最通俗的集線器、交換機(jī)、路由器功能原理入門》

6、寫在最后

由于歷史原因，MAC 地址及相關(guān)技術(shù)先出現(xiàn)，但是后來發(fā)現(xiàn)它并不能解決所有（已知）的問題，所以，先驅(qū)們發(fā)明了 IP 地址及相關(guān)技術(shù)來解決。

另一個(gè)角度，個(gè)人認(rèn)為，由于 MAC 地址沒有辦法表達(dá)網(wǎng)絡(luò)中的子網(wǎng)的概念，而 IP 地址可以。如果網(wǎng)絡(luò)互換設(shè)備（比如路由器）能從目標(biāo) MAC 地址中分析出目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，而不是只是目標(biāo)主機(jī)，IP 地址還會(huì)出現(xiàn)嗎？

有另一個(gè)有趣的問題：如果歷史反過來，一開始就使用的是 IP 地址，而不是 MAC 地址，我們現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)世界會(huì)怎么樣？

附錄：更多網(wǎng)絡(luò)編程方面的文章

[1] 網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)資料：

《TCP/IP詳解 - 第11章·UDP：用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議》

《TCP/IP詳解 - 第17章·TCP：傳輸控制協(xié)議》

《TCP/IP詳解 - 第18章·TCP連接的建立與終止》

《TCP/IP詳解 - 第21章·TCP的超時(shí)與重傳》

《技術(shù)往事：改變世界的TCP/IP協(xié)議（珍貴多圖、手機(jī)慎點(diǎn)）》

《通俗易懂-深入理解TCP協(xié)議（上）：理論基礎(chǔ)》

《通俗易懂-深入理解TCP協(xié)議（下）：RTT、滑動(dòng)窗口、擁塞處理》

《理論經(jīng)典：TCP協(xié)議的3次握手與4次揮手過程詳解》

《理論聯(lián)系實(shí)際：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次揮手過程》

《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議關(guān)系圖（中文珍藏版）》

《UDP中一個(gè)包的大小最大能多大？》

《P2P技術(shù)詳解(一)：NAT詳解——詳細(xì)原理、P2P簡介》

《P2P技術(shù)詳解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案詳解》

《P2P技術(shù)詳解(三)：P2P技術(shù)之STUN、TURN、ICE詳解》

《通俗易懂：快速理解P2P技術(shù)中的NAT穿透原理》

《技術(shù)掃盲：新一代基于UDP的低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議——QUIC詳解》

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