戲說不是胡說：高鐵換乘之 IP 地址與 MAC 地址

一個(gè)郵遞員拿著地址詳細(xì)到教室的一封信，收件人是小明，教室里沒有重名的，郵遞員問 “小明的學(xué)號(hào)是多少？”，小明站起來回答 “12345”，然后小明坐下，然后郵遞員說 “學(xué)號(hào) 12345 的過來拿信”，小明站起來去拿信。好像有點(diǎn)多此一舉？

問題：

當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)局域網(wǎng)后，完全可以直接送到對(duì)應(yīng)的 IP 地址主機(jī)，為什么還要詢問一下對(duì)應(yīng) IP 主機(jī)的 MAC 地址？

或者換種問法：

既然有了 IP 地址用來唯一標(biāo)識(shí)這臺(tái)計(jì)算機(jī)了，那還需要 MAC 地址干啥？

首先，我來簡(jiǎn)單的解釋下 MAC 地址所屬的數(shù)據(jù)鏈路層和 IP 地址所屬的網(wǎng)絡(luò)層的用途：

兩個(gè)計(jì)算機(jī)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行通信，不可能就一條數(shù)據(jù)鏈路，對(duì)吧，它會(huì)經(jīng)過很多條數(shù)據(jù)鏈路，也可能還要經(jīng)過很多的通信子網(wǎng)，那么網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)就是選擇合適的網(wǎng)間路由和交換結(jié)點(diǎn)，確保數(shù)據(jù)及時(shí)傳送。

然后，需要明白的是，一臺(tái)計(jì)算機(jī)向網(wǎng)絡(luò)中的另一臺(tái)計(jì)算器進(jìn)行通信的時(shí)候，需要知道的其實(shí)就是三個(gè)地址：

• 起點(diǎn)地址
• 下一跳的地址
• 終點(diǎn)地址

IP 地址負(fù)責(zé)起點(diǎn)地址和終點(diǎn)地址，下一跳的地址由 MAC 地址負(fù)責(zé)。

結(jié)合這兩點(diǎn)，我們來歸納下數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)系：

通俗來說，數(shù)據(jù)鏈路層的作用很簡(jiǎn)單，它是無腦的，只負(fù)責(zé)在兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間傳送數(shù)據(jù)，它并不知道它所傳送的數(shù)據(jù)最終目的地是哪。而網(wǎng)絡(luò)層便是它的大腦，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)指定起點(diǎn)地址和目的地址，并告訴數(shù)據(jù)鏈路層該走哪條路線。

看下圖，網(wǎng)絡(luò)層告知了 1-2-3 路線，那么數(shù)據(jù)鏈路層就會(huì)根據(jù) MAC 地址依次找到 1、2、3，并在他們之間傳輸數(shù)據(jù)：

1）網(wǎng)絡(luò)層指定了從哪個(gè)主機(jī)（「源 IP 地址」）發(fā)送到哪個(gè)主機(jī)（「目的 IP 地址」）。源 IP 地址和目標(biāo) IP 地址在傳輸過程中是不會(huì)變化的

2）而數(shù)據(jù)鏈路層則是根據(jù) MAC 地址在一個(gè)接一個(gè)的區(qū)間中進(jìn)行傳輸?shù)模?strong style="color: rgb(119, 48, 152);">每個(gè)區(qū)間內(nèi)的出發(fā)地址即「源 MAC 地址」，每個(gè)區(qū)間內(nèi)的目的地址即「目的 MAC 地址」。顯然，隨著數(shù)據(jù)的傳輸，源 MAC 地址和目的 MAC 地址會(huì)不斷的發(fā)生變化

再舉個(gè)形象點(diǎn)的例子：

我們把數(shù)據(jù)鏈路層看作一個(gè)乘坐高鐵從蘇州到南京，再在南京轉(zhuǎn)乘到北京，再在北京轉(zhuǎn)乘到西藏的旅客（一個(gè)沒腦子的機(jī)器人），那么網(wǎng)絡(luò)層就相當(dāng)于每個(gè)車站的工作人員，在數(shù)據(jù)鏈路層這個(gè)沒腦子的機(jī)器人每次轉(zhuǎn)乘時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層就會(huì)為其購(gòu)買一張標(biāo)有下一個(gè) MAC 地址的車票。因此，即使數(shù)據(jù)鏈路層（旅客）不知道往哪走也沒有關(guān)系，工作人員（網(wǎng)絡(luò)層）會(huì)給你做出指引：

如果沒有 MAC 地址，僅僅只有 IP 地址，能不能完成這些事情？

從理論上來說，如果 IP 地址夠用，交換機(jī)也支持根據(jù) IP 地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，我們只需要在 IP 數(shù)據(jù)報(bào)中加一個(gè) “下一跳 IP 地址” 的字段就行了，MAC 地址確實(shí)并不是必要的。

But，從宏觀來說，IP 地址只管上層建筑即路線規(guī)劃，底層具體走的邏輯交給 MAC 地址來做，這樣其實(shí)才符合 TCP/IP 協(xié)議體系這種分層的理念！

所以，這種設(shè)計(jì)并非多次一舉，而是為了符合最根本的設(shè)計(jì)理念。