网络层（六）MAC地址与IP地址

引言

前面三篇笔记中，我介绍了IP地址的三种编址方式，依次是分类的IP编址、划分子网（改进分类编址）及无分类IP地址。本篇笔记我们将介绍硬件地址与IP地址的关系，真正理解**“虚拟互连”**的含义

IP地址与硬件地址

使用层次不同

在学习IP地址时，很重要的一点就是清楚IP地址与硬件地址的区别，下图说明了这两种地址的区别。从层次的角度上，物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址。（说IP是逻辑地址，因为IP地址是用软件实现的）

在局域网中，由于硬件地址已固化在网卡的ROM中，因此常常将硬件地址称为物理地址。因为在局域网的MAC帧中源地址和目的地址都是硬件地址，因此硬件地址又称为MAC地址。因此，物理地址、硬件地址和MAC地址常常作为同义词

在发送数据时，数据从高层下到低层，然后才在数据链路上传输。使用IP地址的IP数据报一旦交付给了数据链路层，就被封装成MAC帧了。MAC帧在传送时使用的源地址和目的地址都是硬件地址，这两个硬件地址都写在MAC帧的首部中

连接在通信链路上的设备（主机或者路由器）在接收MAC帧时，其根据的是MAC帧的首部中的硬件地址。在数据链路层中，看不到隐藏在MAC帧中的数据中的IP地址。只有在剥去MAC帧的首部和尾部后，把MAC层的数据报上交给网络后，网络层才能在IP数据报的首部中找到源IP地址和目的IP地址

实例

图中画的是三个局域网用两个路由器R1和R2互连起来，现在主机H1要和主机H2通信。这两个主机的IP地址分别是IP1和IP2，而它们的硬件地址分别是HA1和HA2（HA：Hardware Address）。通信的途径是：H1->经过R1转发->再经过R2转发->H2。路由器同时连接在两个局域网内，因此它有两个硬件地址，即HA3和HA4，同理，路由器R2也有两个硬件地址，HA5和HA6

从虚拟的IP层看IP数据报的流动

如上图所示，在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报。虽然IP数据报要经过路由器R1和R2的两次转发，但在它的首部中源地址和目的地址始终分别是IP1和IP2。数据报中间经过的两个路由器的IP地址并不出现在IP数据报的首部中。

虽然在IP数据报首部有源站IP地址，但路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择

从数据链路层看MAC帧的流动

在局域网的链路层，只能看见MAC帧。IP数据报被封装在MAC帧中。MAC帧在不同的网络上传送时，其MAC帧首部中的源地址和目的地址要发生变化

开始在H1到R1间传送时，MAC帧首部写的是从硬件地址HA1发送到硬件地址HA3，路由器R1收到此MAC帧后，在转发时要改变首部中的源地址和目的地址（（HA4 -> HA5）。同理，路由器R2收到此帧后，再改变一次MAC帧的首部，写入新的硬件地址（HA6 -> HA2）,然后在R2到H2之间传送。MAC帧的首部这种变化，在上面的IP层也是看不见的。因为，在IP层，已经剥去了MAC帧的首部和尾部，没有相关信息了

从协议栈的层次上看数据的流动

这是数据真实传输过程中的简单抽象。在整个传送过程中，不改变IP数据报的源IP地址与目的IP地址，路由器只根据目的站IP地址的网络号进行路由选择。但MAC帧在不同的网络上传输时，其MAC帧首部中的源地址和目的地址要发生改变。这样降低了异构网络进行硬件地址转换的难度，便于因特网上面的两台主机进行通信。学了硬件地址与IP地址的关系，才真正理解了虚拟互联的概念

不同层次、不同区间的源地址和目的地址