有了 IP 地址，爲什麼還要用 MAC 地址？
作者：嚮往美 鏈接：https://www.zhihu.com/question/21546408/answer/53576595
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我來說說我的理解吧。 舉例說明： 我們知道，出於歷史的原因，世界上出現了很多的國家和民族，他們都使用不同的語言。 比如，要和法國人通信就要學會法語，和日本人通信就要學會日語，同理，要學會德語、意大利語、西班牙語。。。 如果每和一個國家通信就要學會對方的語言，那可要累死了。 所以，最好的辦法，就是大家都用1種語言通信。這樣只要學會一門外語就可以跟所有的國家通信了。 這種「世界通用語言」可以通過2種途徑得到：現成的，和新發明的 工業革命以後，日不落帝國是世界的中心，其直接繼承者美國也是世界的中心，它們都使用英語，於是英語藉助其強勢地位成爲世界通用語言。 同時，「世界語」也是一種世界通用語言，與英語不同，世界語是「新發明」的語言（當然也借鑑了其它語言的規則），也就是說，沒有哪個民族是」世界語民族「，也不可能在某處發現一塊1000前的石碑，上刻世界語。。。 因爲沒有一個國家的母語是世界語，所以在用世界語交流的時候必須要經過一個「翻譯」的過程：把本國語言，翻譯成世界語。 所以我們可以說，世界語是一種"無根"的語言，是一種「不完備」的語言，它必須依賴於其它的語言才能使用，或者說：運行於其它語言之上。 出於歷史的原因，「電腦網絡」是從無到有、從小到大發展起來的。 有很多的網絡被髮明出來。有些網絡只應用於小面積，比如一個家庭，一棟樓房，線路長度按米、百米計算。這類網絡叫做「局域網」 有些網絡應用於很大的面積，比如我辦理了寬帶，這樣我和電信公司之間就有一條長達N公里線路，或者電信公司和電信公司之間有長達幾十公里的線路。這類網絡叫做「廣域網」。這些網絡各自使用自己的協議（語言），互不兼容（不同的語言相互不能理解）， 爲了實現網絡世界的大一統，讓這些互不兼容的網絡能夠相互通信，從而建立起一個「國際互聯網」，就需要大家都用同一種協議通信。 時勢造英雄，這種協議出現了，名叫「因特網協議」（也叫TCP/IP協議）。 因特網協議就是「網絡世界語」，不管你這個網絡的私有協議是多麼的千奇百怪，對外通信一律都用TCP/IP。因爲因特網協議不是這些網絡的原生協議，所以各種網絡都要有個「翻譯」的過程：把本網協議，翻譯成因特網協議。 正如上文所言，世界語不是任何一個民族的「原生語言」，所以大家使用世界語都需要一個翻譯的過程。而這個翻譯過程，正是MAC地址之所以存在的理由，下文詳述。 在因特網出現之前就已經有很多的網絡出現了，而且因特網並不是第一個全球大網（很明顯，歷史悠久的有線電話網絡就是全球大網） 然後，因特網出現了。 需要注意的是，因特網誕生之初並沒有想到自己會成爲一個全球性的大網，所以沒有針對全球網絡的特點進行設計，這就留下了一些短板（比如IP地址不夠，協議有漏洞，想想大名鼎鼎的ARP協議漏洞 。因特網成功以後，這些漏洞被IPV6彌補）。 設計因特網的初衷，是爲了應付對蘇聯的核戰爭（當時還存在蘇聯）。 你可能聽說過「恐怖平衡」這個概念，說的是美蘇任何一方如果先發制人的向對方發動核戰爭，對方的核報復也會讓自己身處火海，所以誰也不敢首先使用核武器，從而避免了核大戰。 但很明顯，只有「棋逢對手」纔會出現「平衡」，如果我方「棋高一着」，有能力取得核戰爭的勝利，那就可以把這可笑的「平衡」扔進太平洋。 美國國防部（DoD）在思考： 我往蘇聯扔一顆核彈，蘇聯的軍事指揮通信系統就垮掉了，沒有了指揮，再強大的軍隊也成了無頭蒼蠅，沒有了戰鬥力。 可蘇聯往美國扔核彈，美國也會有同樣的結局。 可是。。。如果我設計一種通信網絡結構，這種結構」容災性「很好、很」健壯「、很」高可用「 ，蘇聯的1顆核彈滅不了，2顆核彈滅不了，3顆核彈纔可以滅。而我1顆核彈就可以滅了它。這樣我就有了喘息的餘地，我就可能成爲核戰爭的勝利者。 因特網就是在這種思考之下誕生了。 因特網能抵抗核爆炸？真有這麼神奇麼？看看圖就知道了。 先說說傳統的電話網拓撲：
電話網是一個典型的星形網絡，用戶A要給用戶F打電話，其路徑就是A-K-F 同理，用戶C要給用戶G打電話，路徑就是C-K-G 也就是說，任何用戶之間要打電話，都必不可免的要經過中央交換機K 所以你知道爲何在打仗的時候，電信局是首要攻擊目標了，因爲電信局裏面放着電話交換機。如果要破壞這個城市的電話網絡，我不用派兵挨家挨戶砸電話，只要用導彈炸掉電信局的電話交換機，就萬事OK了！ 那麼該怎樣防止這種情況的發生呢？傳統的戰爭理論是這樣思考的： 方案A，我隱藏交換機的位置所在，讓敵方找不到它在哪。 但現代戰場，天上有衛星，地下有監聽，在嚴密的監視網絡面前，想要將自己隱匿起來，已經不容易了。 那就方案B，我在交換機周圍佈置重兵，建設防禦工事，就算你發現了也攻不進來。 但現代化的武器威力巨大，再加上核武器，再多的人、再堅固的工事也難以抵擋。 可見由於現代化武器的出現，戰爭理論也要跟着現代化了。 於是思想家們開動腦筋，另闢蹊徑，在網絡的拓撲結構上做文章，改「集中式」爲」分佈式「，造就出了因特網。 因特網採取了什麼方法避免核心設備被攻擊，從而讓網絡能夠在戰爭中存活更長的時間呢？ 方法就是：沒有核心設備！ 詳見下圖： 可以看到，網絡拓撲由星形網絡，變成了網狀網絡。 這裏的每個用戶（或稱節點）都是一個電話交換機（對於因特網，就是路由器） 此時，如果A和H打電話，那路徑可多了： 最短距離當然是A-H，所以優先走A-H。 但如果A-H斷掉了，還可以走A-D-H、A-E-H、A-E-F-B-D-H。。。。 所以，A-H斷了沒事、B-C斷了沒事，C-D斷了沒事、F-G斷了沒事。。。 由此可見，網狀網絡的是一種非常「高可用」的網絡，容災性很好。 這些節點的地位（功能）都是相同的，不存在某個節點比另外的節點更重要的情況。所以一個節點出了問題，另外的節點就可以取而代之。 而星形網絡就不是這樣，很明顯中央節點比其它節點更重要，中央節點失效，其它節點無法替代，整網就失效了。 隨着節點數的增加，節點之間的可用線路的數量呈指數方式增加，函數是N*(N-1)/2。 這個簡單的函數可是有很大的威力的，借用網上的一張圖： 相比於星型網絡，如果要破壞這樣的一張網狀網絡，又該如何下手呢？ 因特網最初是國防通信網絡（APRA-阿帕網），後演變成連接各大學、政府部門和科研機構的教學科研網，最後演變爲燒錢的商業化網絡。 以上所說的知識面叫做「因特網的體系結構」。 再說說因特網協議：TCP/IP協議族 從一開始，因特網就沒有想過成爲世界性大網，所以因特網的協議從制定之初就是」不完備「的。 也就是說，因特網必須要基於其它網絡之上，依靠其它的網絡才能完成自身的功能。 就像是世界語是不完備的，必須要基於其它語言之上，才能實現其自身的功能。 如果世界語運行於漢語之上，那就寫作： 世界語 over 漢語 比如，已經存在一種局域網技術，叫做」以太網「，那麼好，因特網就運行於以太網之上，英文寫作： TCP/IP over Ethernet 注：TCP/IP是專爲因特網開發的一系列協議當中的2個協議，因這2個協議最重要（同時也最出名），就用這2個協議代言因特網了。 還有一種城域網技術叫做「令牌環網 」，那麼好，因特網就運行在令牌環網之上 ，英文寫作： TCP/IP over Token-ring 還有一種廣域網技術叫做"ATM"，那麼好，因特網就運行於ATM之上，英文寫作： TCP/IP over ATM 如果你想要因特網運行於USB呢？自然就是： TCP/IP over USB 。。。。。。。。。。。 你肯定知道OSI 7層模型，IP、TCP分別對應第三層和四層，因特網協議族並沒有覆蓋完整的7層 ，很明顯，因特網沒有定義水晶頭的形狀、網線裏有幾根銅線、銅線裏面傳輸的電壓是多少等等參數，這些參數是諸如以太網這樣的網絡定義的。 那麼，爲什麼因特網不定義這些參數呢？ 上面說了：「也許」從一開始，因特網就沒有想到自己會成爲一個世界大網，所以就沒有定義得這麼複雜。 但也有另一種可能：其實一種網絡技術，不一定要「大而全」，從1層到7層全制定，可以只制定其中幾層。 比如以太網只定義1~2層（物理層、數據鏈路層），IP和TCP分別定義了3、4層（網絡層、傳輸層），再往上既有因特網的協議（比如FTP），也有其它公司的一些高層協議（比如SQL、JPEG、HTTP） 這樣，不同的網絡、不同的協議之間相互配合就可以了。 就像是，我是一家生產火車的廠家，我當然可以生產鐵軌，制定鐵軌的寬度，生產火車車廂。 但既然已經有大量的鐵軌鋪設完畢了，那我就不用管鐵軌的事情了，火車運行於現成的鐵軌之上就可以了。 在這裏，鐵軌就是以太網（局域網）、ATM（廣域網）或者其它現存的2層網，火車就是因特網。 所以，從來不存在「純粹的因特網」，因爲因特網沒有定義底層，只存在TCP/IP over XXX。 經過以上的解釋，你就知道爲何一定需要MAC地址了：因特網並不存粹，還包括以太網。 因爲因特網是第三層協議，是沒有根基的「空中樓閣」，需要以太網這樣的2層網具體落地實施，而MAC地址又是2層概念，所以MAC地址就這樣進入了因特網的體系結構。 以太網的MAC地址格式是12個16進制數，比如0800200A8C6D 因特網IP地址格式是4個點分10進制數，比如192.168.201.160 剛纔說了，不存在「純粹的因特網」，所以因特網必須要基於以太網之上才能工作，所以就是「同時運行了2個網」 就像是世界語必須要基於中文之上才能工作，所以就是「同時說了2種語言」 所以，就必須要「翻譯」 也就是把以太網的MAC地址，翻譯成因特網的IP地址，這就是ARP的作用 假如我的中文名字叫做「劉濤」，如果要翻譯成世界語，就肯定要有個世界語的名字（假設叫LIUTAO） 同樣是名字： 劉濤→翻譯成→LIUTAO 同樣是地址： 21-35-6D-1F-83-9E→翻譯成→202.143.90.8 當然了，如果因特網從開始制定之初，就定義了從物理層到傳輸層的協議，那麼因特網就不再依賴於其它任何的網絡，這個純粹的因特網就只需要純粹的IP地址，網線所插上的也不再是以太網卡，而是「因特網卡」，既然沒有了以太網，也就不用什麼MAC地址了。 講完了。 我是不是太羅嗦了。。。。