翟志军

通俗解释有了 IP 地址,为什么还要用 MAC 地址?

题记:既生亮何生瑜。

摘要:标题虽然是为了解释有了 IP 地址,为什么还要用 MAC 地址,但是本文的重点在于理解为什么要有 IP 这样的东西。本文对读者的定位是知道 MAC 地址是什么,IP 地址是什么。

一开始时,网络中的机器并不多。大家都连到同一个集线器就可以了,就可以实现互通。这时,机器 A 发消息到机器 B ,消息头里附上机器 B 的MAC,集线器收到消息后就广播给所有连到集线器的机器。

机器 C 收到消息,发现消息里的 MAC 地址和自己的不一样,就丢弃。机器B发现消息里的 MAC 地址和自己一样,就收到下并解析。

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这样机制带来问题很明显:首先每次广播,给所在网络带来不必要的浪费。所以,就出现了交换机。它能识别消息里的目标 MAC 地址后,直接就消息丢到机器 B 所连接的端口中。另一个角度,交换机必须记住所有的 MAC 地址和端口之间的关系。

这样的机制在网络规规模小的时候是高效的。但是当网络规模扩大到全球的时候,不可能让一台交换机记录下全球这么多的网络设备,也不可能让全球的机器连接到一台交换机上。

那如果是多台交换机呢?

想像一下,你是斯坦福的学生,你的电脑 x 的网络直连的是学校的交换机,而学校的交换机又连美国国家网络交换机。而美国国家网络交换机又直接的是中国国家网络交换机,中国服务器 y 直连的是中国国家交换机。

你想访问中国的服务器 y 中的资源。你了解到服务器 y 的 MAC 地址是00:0C:29:01:00:12,所以你在消息里附上这个 MAC 地址。

学校交换机收到消息后,拿到 MAC 地址后就愣了,这是要发给谁啊?因为中国服务器 y 并不是直连学校交换机的。这时,学校交换机有一个选择,就是收到不明的 MAC 地址时,一律转发给默认端口。斯坦福交换机就将消息转给美国国家交换机。

美国国家交换机同样发愣了,因为没有这条 MAC 地址对应的端口。它又直接向默认端口:中国国家网络交换机。

中国国家网络交换机收到消息,发现自己记录了 MAC 地址 对应的是服务器 y。就直接将你这位斯坦福学生的消息转发到服务器 y 所连接的端口。

最终,我们的服务器 y 终于收到来自美国斯坦福学生的资源访问请求。

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那么,我们的服务器 y 如何将相应的资源返回给学生呢?将消息中的源MAC 地址作为响应消息的目标 MAC 地址发送给中国国家交换机不就可以了?同样的机制,只不过是把源地址和目标地址反一下。

这下,我们是不是完美实现使用交换机组建美国网络和中国网络的互通?

但是美国和中国并不能代表全世界。其他国家也需要加入这个大网络。当日本国家交换机也接入美国国家交换机后,斯坦福学生的消息从学校到达美国国家交换机后就需要进行广播所有直连自己的端口了,因为这时,它没有对外的所谓默认端口了。这里有点烧脑,容各位同学一点时间思考。

也就是说,当两个网络互接时,MAC 地址 + 交换机还能解决问题广播问题,但是两个以上的网络互连时,MAC 地址 + 交换机就没有办法解决广播问题了。

这时,我们面临的问题就是无法使用现有的技术—— MAC 地址 + 交换机——解决多网络互连的问题了。所以,需要发明一种新的技术。

而 IP 协议就是就是解决此问题的一项技术。

事实上,IP协议的产生并不只是为解决上述的“广播问题”。还解决了很多其他网络传输过程会遇到的问题,比如一次传输的消息过大时,如何对消息进行分组等问题。

小结

由于历史原因,MAC 地址及相关技术先出现,但是后来发现它并不能解决所有(已知)的问题,所以,先驱们发明了 IP 地址及相关技术来解决。

另一个角度,个人认为,由于 MAC 地址没有办法表达网络中的子网的概念,而 IP 地址可以。如果网络互换设备(比如路由器)能从目标 MAC 地址中分析出目标网络,而不是只是目标主机,IP 地址还会出现吗?

有另一个有趣的问题:如果历史反过来,一开始就使用的是 IP 地址,而不是 MAC 地址,我们现在的网络世界会怎么样?

[未完待续]

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