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有了IP地址,为什么还要用MAC地址?

http://ip.yqie.com 2019年02月13日        

举例说明: 我们知道,出于历史的原因,世界上出现了很多的国家和民族,他们都使用不同的语言。

比如,要和法国人通信就要学会法语,和日本人通信就要学会日语,同理,要学会德语、意大利语、西班牙语。。。

如果每和一个国家通信就要学会对方的语言,那可要累死了。

所以,最好的办法,就是大家都用1种语言通信。这样只要学会一门外语就可以跟所有的国家通信了。

这种“世界通用语言”可以通过2种途径得到:现成的,和新发明的

工业革命以后,日不落帝国是世界的中心,其直接继承者美国也是世界的中心,它们都使用英语,于是英语借助其强势地位成为世界通用语言。

同时,“世界语”也是一种世界通用语言,与英语不同,世界语是“新发明”的语言(当然也借鉴了其它语言的规则),也就是说,没有哪个民族是”世界语民族“,也不可能在某处发现一块1000前的石碑,上刻世界语。。。

因为没有一个国家的母语是世界语,所以在用世界语交流的时候必须要经过一个“翻译”的过程:把本国语言,翻译成世界语。

所以我们可以说,世界语是一种''无根''的语言,是一种“不完备”的语言,它必须依赖于其它的语言才能使用,或者说:

运行于其它语言之上。

出于历史的原因,“电脑网络”是从无到有、从小到大发展起来的。

有很多的网络被发明出来。有些网络只应用于小面积,比如一个家庭,一栋楼房,线路长度按米、百米计算。这类网络叫做“局域网”

有些网络应用于很大的面积,比如我办理了宽带,这样我和电信公司之间就有一条长达N公里线路,或者电信公司和电信公司之间有长达几十公里的线路。这类网络叫做“广域网”。这些网络各自使用自己的协议(语言),互不兼容(不同的语言相互不能理解),

为了实现网络世界的大一统,让这些互不兼容的网络能够相互通信,从而建立起一个“国际互联网”,就需要大家都用

同一种协议

通信。

时势造英雄,这种协议出现了,名叫“因特网协议”(也叫TCP/IP协议)。

因特网协议就是“网络世界语”,不管你这个网络的私有协议是多么的千奇百怪,

对外通信一律都用TCP/IP

。因为因特网协议不是这些网络的原生协议,所以各种网络都要有个“翻译”的过程:把本网协议,翻译成因特网协议。

正如上文所言,世界语不是任何一个民族的“原生语言”,所以大家使用世界语都需要一个翻译的过程。而这个翻译过程,正是MAC地址之所以存在的理由,下文详述。

在因特网出现之前就已经有很多的网络出现了,而且因特网并不是第一个全球大网(很明显,历史悠久的有线电话网络就是全球大网)

然后,因特网出现了。

需要注意的是,因特网诞生之初并没有想到自己会成为一个全球性的大网,所以没有针对全球网络的特点进行设计,这就留下了一些短板(比如IP地址不够,协议有漏洞,想想大名鼎鼎的ARP协议漏洞 。因特网成功以后,这些漏洞被IPV6弥补)。

设计因特网的初衷,是为了应付对苏联的核战争(当时还存在苏联)。

你可能听说过“恐怖平衡”这个概念,说的是美苏任何一方如果先发制人的向对方发动核战争,对方的核报复也会让自己身处火海,所以谁也不敢首先使用核武器,从而避免了核大战。

但很明显,只有“棋逢对手”才会出现“平衡”,如果我方“棋高一着”,有能力取得核战争的胜利,那就可以把这可笑的“平衡”扔进太平洋。

美国国防部(DoD)在思考:

我往苏联扔一颗核弹,苏联的军事指挥通信系统就垮掉了,没有了指挥,再强大的军队也成了无头苍蝇,没有了战斗力。

可苏联往美国扔核弹,美国也会有同样的结局。

可是。。。如果我设计一种通信网络结构,这种结构”容灾性“很好、很”健壮“、很”高可用“ ,苏联的1颗核弹灭不了,2颗核弹灭不了,3颗核弹才可以灭。而我1颗核弹就可以灭了它。这样我就有了喘息的余地,我就可能成为核战争的胜利者。

因特网就是在这种思考之下诞生了。

因特网能抵抗核爆炸?真有这么神奇么?看看图就知道了。

先说说传统的电话网拓扑:



电话网是一个典型的星形网络,用户A要给用户F打电话,其路径就是A-K-F

同理,用户C要给用户G打电话,路径就是C-K-G

也就是说,任何用户之间要打电话,都必不可免的要经过中央交换机K

所以你知道为何在打仗的时候,电信局是首要攻击目标了,因为电信局里面放着电话交换机。如果要破坏这个城市的电话网络,我不用派兵挨家挨户砸电话,只要用导弹炸掉电信局的电话交换机,就万事OK了!

那么该怎样防止这种情况的发生呢?传统的战争理论是这样思考的:

方案A,我隐藏交换机的位置所在,让敌方找不到它在哪。

但现代战场,天上有卫星,地下有监听,在严密的监视网络面前,想要将自己隐匿起来,已经不容易了。

那就方案B,我在交换机周围布置重兵,建设防御工事,就算你发现了也攻不进来。

但现代化的武器威力巨大,再加上核武器,再多的人、再坚固的工事也难以抵挡。

可见由于现代化武器的出现,战争理论也要跟着现代化了。

于是思想家们开动脑筋,另辟蹊径,在网络的拓扑结构上做文章,改“集中式”为”分布式“,造就出了因特网。

因特网采取了什么方法避免核心设备被攻击,从而让网络能够在战争中存活更长的时间呢?

方法就是:没有核心设备!

详见下图:



可以看到,网络拓扑由星形网络,变成了网状网络。

这里的每个用户(或称节点)

都是

一个电话交换机(对于因特网,就是路由器)

此时,如果A和H打电话,那路径可多了:

最短距离当然是A-H,所以优先走A-H。

但如果A-H断掉了,还可以走A-D-H、A-E-H、A-E-F-B-D-H。。。。

所以,A-H断了没事、B-C断了没事,C-D断了没事、F-G断了没事。。。

由此可见,网状网络的是一种非常“高可用”的网络,容灾性很好。

这些节点的地位(功能)都是相同的,不存在某个节点比另外的节点更重要的情况。所以一个节点出了问题,另外的节点就可以取而代之。

而星形网络就不是这样,很明显中央节点比其它节点更重要,中央节点失效,其它节点无法替代,整网就失效了。

随着节点数的增加,节点之间的可用线路的数量呈指数方式增加,函数是N*(N-1)/2。

这个简单的函数可是有很大的威力的,借用网上的一张图:



相比于星型网络,如果要破坏这样的一张网状网络,又该如何下手呢?

因特网最初是国防通信网络(APRA-阿帕网),后演变成连接各大学、政府部门和科研机构的教学科研网,最后演变为烧钱的商业化网络。

以上所说的知识面叫做“因特网的体系结构”。

再说说因特网协议:TCP/IP协议族

从一开始,因特网就没有想过成为世界性大网,所以因特网的协议从制定之初就是”不完备“的。 也就是说,因特网必须要基于其它网络之上,依靠其它的网络才能完成自身的功能。

就像是世界语是不完备的,必须要基于其它语言之上,才能实现其自身的功能。

如果世界语运行于汉语之上,那就写作:

世界语 over 汉语

比如,已经存在一种局域网技术,叫做”以太网“,那么好,因特网就运行于以太网之上,英文写作:

TCP/IP over Ethernet

注:TCP/IP是专为因特网开发的一系列协议当中的2个协议,因这2个协议最重要(同时也最出名),就用这2个协议代言因特网了。

还有一种城域网技术叫做“令牌环网 ”,那么好,因特网就运行在令牌环网之上 ,英文写作:

TCP/IP over Token-ring

还有一种广域网技术叫做''ATM'',那么好,因特网就运行于ATM之上,英文写作:

TCP/IP over ATM

如果你想要因特网运行于USB呢?自然就是:

TCP/IP over USB

。。。。。。。。。。。

你肯定知道OSI 7层模型,IP、TCP分别对应第三层和四层,因特网协议族并没有覆盖完整的7层 ,很明显,因特网没有定义水晶头的形状、网线里有几根铜线、铜线里面传输的电压是多少等等参数,这些参数是诸如以太网这样的网络定义的。

那么,为什么因特网不定义这些参数呢?

上面说了:“也许”从一开始,因特网就没有想到自己会成为一个世界大网,所以就没有定义得这么复杂。

但也有另一种可能:其实一种网络技术,不一定要“大而全”,从1层到7层全制定,可以只制定其中几层。

比如以太网只定义1~2层(物理层、数据链路层),IP和TCP分别定义了3、4层(网络层、传输层),再往上既有因特网的协议(比如FTP),也有其它公司的一些高层协议(比如SQL、JPEG、HTTP)

这样,不同的网络、不同的协议之间相互配合就可以了。

就像是,我是一家生产火车的厂家,我当然可以生产铁轨,制定铁轨的宽度,生产火车车厢。

但既然已经有大量的铁轨铺设完毕了,那我就不用管铁轨的事情了,火车运行于现成的铁轨之上就可以了。

在这里,铁轨就是以太网(局域网)、ATM(广域网)或者其它现存的2层网,火车就是因特网。

所以,从来不存在“纯粹的因特网”,因为因特网没有定义底层,

只存在TCP/IP over XXX。

经过以上的解释,你就知道为何一定需要MAC地址了:因特网并不存粹,还包括以太网。

因为因特网是第三层协议,是没有根基的“空中楼阁”,需要以太网这样的2层网具体落地实施,而MAC地址又是2层概念,所以MAC地址就这样进入了因特网的体系结构。

以太网的MAC地址格式是12个16进制数,比如0800200A8C6D

因特网IP地址格式是4个点分10进制数,比如192.168.201.160

刚才说了,不存在“纯粹的因特网”,所以因特网必须要基于以太网之上才能工作,所以就是“同时运行了2个网”

就像是世界语必须要基于中文之上才能工作,所以就是“同时说了2种语言”

所以,就必须要“翻译”

也就是把以太网的MAC地址,翻译成因特网的IP地址,这就是ARP的作用

假如我的中文名字叫做“刘涛”,如果要翻译成世界语,就肯定要有个世界语的名字(假设叫LIUTAO)

同样是名字:

刘涛→翻译成→LIUTAO

同样是地址:

21-35-6D-1F-83-9E→翻译成→202.143.90.8

当然了,如果因特网从开始制定之初,就定义了从物理层到传输层的协议,那么因特网就不再依赖于其它任何的网络,这时就不用什么MAC地址了。


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