即生瑜，何生亮 — MAC 地址与 IP 地址
阅读本文大概需要 6 分钟
原文 | http://sina.lt/gpqN
在教计算机网络课程中，经常会碰到这样的问题，为什么需要两个地址：一个是MAC(物理地址)，另一个是IP地址。各种解释都有，基本上一个观点就是一个是物理地址，一个是逻辑地址。然而，这样的解释太抽象，什么是物理，什么是逻辑。这些抽象的表述会让人无法理解到其本质。下面我就谈谈这个问题。
要想说明这个问题，首先得说说计算机网络的目标是什么。计算机网络的根本目标就是将数据从一点传送到另外一点。听起来很简单，但是里面包含的意思很多。例如，两个点之间是在同一个网络还是跨网络连接的，如何才能将数据正确的传送到对方，如果出现错误怎么办等等。
为了说明问题的本质，我们首先将问题简化：假设两点在一个网络内。在这种情况下，只需要MAC地址就可以了。例如通过交换机将多台电脑组成一个网络，为了找到对方，必须通过一个地址来标识。就像寄快递一样，如果没有地址，快递员是无法将快递送到对方的所在地的。这就是我们所说的MAC地址。当A点要将数据传递给B点时，会在数据的首部添加B的MAC地址，即目标地址。当然在首部中也有源地址，即发送方的MAC地址，还有其它一些信息，例如用于校验的等等。组装好的这个数据称为帧。然后A点就将帧通过网卡发送出去。
此时交换机收到这个帧后，查找自己的转发表。转发表主要有两列，一列是MAC地址，另外一列是该MAC地址对应的端口。查找的结果只有两种情况：找到或没找到。如果找到就将数据从该MAC对应的端口转发出去。如果没找到，很简单，交换机会把帧向所有端口广播（除了该帧进入的端口），因此肯定会有一个合适的端口收到的。这个广播的方法很粗暴，也很奏效。
这就是MAC地址的作用。MAC地址是刻录在网卡这个物理设备上的，一般是无法改变的。
然而，如果两点不在一个网络内。这时就需要IP地址了。因为IP地址含有两个部分，一个是网络地址，一个是主机地址。因此，通过对方的IP地址，是可以判断出对方是否和本机在一个网络内。如果在一个网络内，如上所述，只需要知道对方的MAC地址即可通信。
如果不在一个网络内，本机的网络层就认为数据应该发送给网关。道理是显然的，如果不在一个网络内，首先得把数据发送出网络才可以。如何发出网络，当然是发给网关，因为网关就相当于网络的门卫。要想把数据发给网关，同样需要知道网关的MAC地址，如何知道网关的MAC地址呢？这就涉及到ARP协议。
电脑缓存里有一张ARP表，该表主要有两列：一列是IP地址，另外一列是MAC地址。这张表不是天生就有的，是随着网卡收到网络中的各种通信数据，不断学习增加的。
话说回来，如果ARP表中有网关IP地址对应的MAC地址，则问题就转化为网内数据发送，上面已经讲的很清楚了。如果ARP表中没有网关IP地址对应的MAC地址，则启动ARP协议，即向网内广播，询问该IP地址的MAC地址。广播询问的结果是网关收到广播后，发现是问自己的MAC地址，所以就回复询问方自己的MAC地址。然后数据发给网关的问题，也转化为网内数据发送，上面已经讲的很清楚了。
大家发现没有，在跨网通信时是需要IP地址的。因为需要通过IP地址来判断是网内通信还是网外通信。有人可能会说，让MAC地址也具有能够区分网络的特征不就可以不需要IP了么。事实上这样做是不实际的。每个网卡出厂时就有一个独一无二的MAC地址，出场时是不可能知道你用它时是在哪一个网络里，也就是天生它就不具有能够区分网络的特性。而且也不需要它具有这种特性。因为MAC只负责设备到设备的通信就够了。这层通信是真正的通信，所以称为物理通信。
而跨网络传输数据时，需要考虑传输的路径，即为了到达目的地，下一跳应该去哪儿，从而一跳一跳的传输到目的地。而网内传输，不需要考虑传输路径，只要发出去一定可以到达。最坏情况下就是通过广播传输也能到达。而跨网络传输时，这一招不灵了。因此，跨网传输时需要考虑网络之间的传输，需要使用能够表示网络特征的地址，即IP地址。所以IP地址是负责网络到网络传输的。
至于发给网关后，下一步发给谁，本机就管不着了。本机只能保证在网络内传输，即下一跳的概念。下下一跳，只能由网关来负责了。其实网关就是路由器的一个接口。网关通过IP地址来确定路由，通过查找路由表来确定下一跳应该去往哪个网络，然后就将数据从连接那个网络的路由器的接口发送出去。发送出去同样要判断目标IP是和当前路由接口的网络是否同一网络。问题又回到上面讲的过程了，所以周而复始。
可见IP地址和MAC地址的概念并不矛盾。他们之间是不同层次的，就像有了领导还必须有群众才可以，谁也离不开谁。数据从一点传到另外一点，要经过几个网络，网络路线是怎样的，需要使用IP地址来解决。而网内传输需要使用MAC地址来传输。可见没有网内真正的通信传输，何以实现网络之间的通信。而如果没有网络路由的路径的话，数据是不可能到达目的地的，因为方向都没有。
如果再往深里挖掘，地址的概念还可以包括网址。就像百度的网址，我们为什么有了IP还需要网址呢？这超过了我们的题目范围，下次再说。
本文来自陈智罡科学网博客，链接地址： http://blog.sciencenet.cn/blog-411071-1037673.html 陈智罡科学网博客