IP地址和MAC地址可以類比生活中寄快遞的過程。

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)被封裝成數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行發(fā)送，就像我們生活中寄快遞時(shí)將物品放進(jìn)包裹中。而數(shù)據(jù)在路由器之間的跳轉(zhuǎn)也可以看作是不同地區(qū)快遞小哥對物流的交接。

IP地址

ip地址等價(jià)于快遞包裹上的收件人地址。

快遞員通過收件人地址將包裹在出發(fā)地到目的地之間連出一條線，然后通過不同地區(qū)之間的物流中轉(zhuǎn)最后將包裹送到收件人的手中。

從上圖的粗箭頭所描述的路徑便可達(dá)到目的地址，陜西省-西安市-xx縣-xx街道-…。

同理，ip地址也具備此功能，通過IP地址的網(wǎng)絡(luò)位可以確定某個(gè)主機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)的位置，從而明確一條數(shù)據(jù)傳送的路徑。例如目的地址為192.168.10.110/26，則該地址所在的網(wǎng)絡(luò)為192.168.10.64

用之前圖示地址的尋址方式，我們可以模擬這一過程

那么，還是那個(gè)問題，為什么還要MAC地址呢？

MAC地址

MAC地址等價(jià)于快遞包裹上的收件人姓名。

MAC地址更多是用于確認(rèn)對方信息而存在的。就如同快遞跨越幾個(gè)城市來到你面前，快遞員需要和你確認(rèn)以下收件人是否正確，才會(huì)把包裹交給你一樣。

這里我們模擬一個(gè)場景，比如在學(xué)校里同一個(gè)班級的學(xué)生大家互相都認(rèn)識，互相交流就不需要借助學(xué)號（這里抽象成ip地址），直接喊名字即可。“喂，那個(gè)誰，把你作業(yè)讓我抄一下”。

這個(gè)過程可對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中同一個(gè)交換機(jī)或集線器連接的局域網(wǎng)通信。在局域網(wǎng)中通信需要通過MAC地址進(jìn)行通信。將數(shù)據(jù)封裝成幀時(shí)會(huì)插入源mac地址和目的mac地址（如果不知到對方mac地址會(huì)發(fā)送arp廣播報(bào)文獲取對方mac地址）。以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)：

（———圖來自網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

而后，幀結(jié)構(gòu)再次添加IP頭部信息。

雖然這里有ip地址，但是它在局域網(wǎng)中不起作用，因?yàn)閍rp是用于網(wǎng)絡(luò)中尋址的，而在局域網(wǎng)中所有主機(jī)互相可見。（除此之外，局域網(wǎng)中ip地址最多是在arp廣播時(shí)，作為收到包的主機(jī)解包時(shí)判定的依據(jù)，判定自己是否為目的主機(jī)，從而選擇是否回應(yīng)arp應(yīng)答）。

而IP地址的使用條件，是在跨網(wǎng)絡(luò)之后。兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間想要進(jìn)行通信需要通過一個(gè)媒介，因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的主機(jī)定位不到網(wǎng)絡(luò)外的某個(gè)主機(jī)，即使他們只隔了一個(gè)網(wǎng)段也是一樣。（歡迎關(guān)注公眾號:網(wǎng)絡(luò)工程師阿龍）而跨網(wǎng)段的媒介就是路由器，只要把ip地址告訴它，他就能找到對方所在的網(wǎng)絡(luò)。

這就像是我是2020屆計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)1班學(xué)生xx（學(xué)號202015162，15代指專業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)，62代指“我”在本班的學(xué)號），我現(xiàn)在想找2022屆學(xué)弟yy（學(xué)號2022…）。我們之間不認(rèn)識，但是我可以找一個(gè)中間人，幫我送信。

這個(gè)中間人是局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，是路由器。他們的功能是，轉(zhuǎn)述我的消息，并且按照目的ip地址將它發(fā)給下一個(gè)“中間人”，最后送到“yy”手中。

以下是關(guān)于mac地址與ip地址的愛恨糾纏… 以下內(nèi)容有借鑒到文章：《閃客sun（低并發(fā)編程）：如果讓你來設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)》

首先我們需要明確的是，MAC地址的誕生早于IP地址。在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)之初，設(shè)備之間使用MAC地址互相確認(rèn)身份，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⒉淮螅覀兺耆梢宰寖膳_計(jì)算機(jī)之間兩兩互相發(fā)送數(shù)據(jù)。如果有5個(gè)主機(jī)需要互通的話，那么它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能是這樣：

如果是這樣的話，我們其實(shí)無需MAC地址，因?yàn)槊總€(gè)網(wǎng)卡明確對應(yīng)一臺主機(jī)。而實(shí)際是，一臺計(jì)算機(jī)要配置這么多網(wǎng)卡的需要耗費(fèi)更多的money，你也不想買一臺計(jì)算機(jī)后還需要額外再買十幾個(gè)網(wǎng)卡把。

因此我們可以采用集線器的方式將所有計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線聚集在一起會(huì)更加方便。

每臺主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)前需要攜帶自己和對方的目的MAC地址，因?yàn)閔ub集線器只是將所有數(shù)據(jù)從其他接口發(fā)送出去，它將數(shù)據(jù)的是否接收留給了主機(jī)自己判斷。

集線器只是無腦的做數(shù)據(jù)發(fā)送，因此我們認(rèn)為它是數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備。

集線器太笨了，它將每一通信都發(fā)給所有主機(jī)，在各主機(jī)之間交流頻繁時(shí)會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的擁堵乃至癱瘓，因此我們進(jìn)行了升級，使用交換機(jī)設(shè)備。

交換機(jī)內(nèi)部維護(hù)一張 MAC 地址表，記錄MAC地址與交換機(jī)各端口之間的關(guān)系，這樣就無需將所有數(shù)據(jù)發(fā)送的局域網(wǎng)中。通過思科的Cisco packet tracer仿真軟件可以看到交換機(jī)的MAC地址表。 

這樣，當(dāng)pc0（192.168.1）ping pc3（192.168.4）時(shí)，交換機(jī)查自己的mac表，發(fā)現(xiàn)自己的以太網(wǎng)fa0/4接口的出口對應(yīng)的就是目的主機(jī)mac地址，則交換機(jī)將自己該數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)從fa0/4接口轉(zhuǎn)發(fā)出去。同時(shí)pc3收到了來自pc0的數(shù)據(jù)報(bào)文。

交換機(jī)相對集線器，擁有決定數(shù)據(jù)從交換機(jī)的哪個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)出去的功能，因此我們認(rèn)為交換機(jī)在數(shù)據(jù)鏈路層（決定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至哪一條鏈路上）。

以上集線器和交換機(jī)都是局域網(wǎng)的通行，無需IP地址參與。而隨著網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大，局域網(wǎng)規(guī)則已經(jīng)不再適合了。

許多個(gè)類似上述的局域網(wǎng)組成一個(gè)大的互聯(lián)網(wǎng)。它們彼此相連互相通信。

如果在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部向訪問某個(gè)研究機(jī)構(gòu)共享的資料，這就是跨網(wǎng)絡(luò)訪問了。此時(shí)IP地址才派上用場。ip地址給出一段段具備層級關(guān)系的數(shù)字地址，它就像思維導(dǎo)圖一樣可以通過給定地址高效的找出我們想要的那一項(xiàng)。

當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)連接上互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，給它分配一個(gè)ip地址，這樣就能通過這些ip地址確定對方網(wǎng)絡(luò)（或設(shè)備）在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的位置，從而進(jìn)行訪問。

連接在互聯(lián)網(wǎng)上的具有ip的可以是一個(gè)單個(gè)的設(shè)備，比如某個(gè)服務(wù)器、某個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭等，也可以是某個(gè)局域網(wǎng)，如學(xué)校的校園網(wǎng)，公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)等（局域網(wǎng)與公網(wǎng)通信使用NAT、PAT等方式，或內(nèi)網(wǎng)穿透等技術(shù)）。

為了實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中，跨網(wǎng)段的訪問，因此誕生出新的設(shè)備叫路由器。它可以根據(jù)內(nèi)置的路由條目決定將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，最終可以到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)。

需要注意的是，路由器是多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中間人，它有很多端口分別處于不同的網(wǎng)絡(luò)中（路由器的每一個(gè)端口，都有獨(dú)立的 MAC 地址和IP地址），這樣它就可以把“來自A網(wǎng)絡(luò)的信息轉(zhuǎn)發(fā)至B網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槁酚善鞯慕涌谕瑫r(shí)連接這這幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)”。

路由器可以讓數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中跨網(wǎng)絡(luò)的通信，因此我們認(rèn)為路由器是網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)備。

終于，我們理清楚了整個(gè)IP與MAC的關(guān)系。總結(jié)一下：

• 各個(gè)設(shè)備之間傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，需要使用到MAC地址以確定對方的身份（場景：兩個(gè)路由器之間跳轉(zhuǎn)，局域網(wǎng)內(nèi)主機(jī)通信）。
• 各個(gè)網(wǎng)路之間通行需要使用到IP地址，主要是為了定位目的地址所在的位置，通過IP的分段機(jī)制推演出從源IP到目的IP的一條路徑，而后數(shù)據(jù)包通過這條路徑將數(shù)據(jù)送達(dá)。