IP地址与硬件地址-计算机网络

在学习IP地址时，很重要的一点就是要弄懂主机的IP地址与硬件地址的区别。图4-11说明了这两种地址的区别。从层次的角度看，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（称IP地址为逻辑地址是因为IP地址是用软件实现的）。

图4-11　IP地址与硬件地址的区别

发送数据时，数据从高层下到低层，然后才到通信链路上传输。使用IP地址的IP数据报一旦交给了数据链路层，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（主机或路由器）在收到MAC帧时，根据MAC帧首部中的硬件地址决定收下或丢弃。只有在剥去MAC帧的首部和尾部后把MAC层的数据上交给网络层后，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。

总之，IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址则放在MAC帧的首部。在网络层和网络层以上使用的是IP地址，而数据链路层及以下使用的是硬件地址。在图4-11中，当IP数据报放入数据链路层的MAC帧中以后，整个的IP数据报就成为MAC帧的数据，因此在数据链路层看不见数据报的IP地址。

图4-12（a）所示为3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。这两台主机的IP地址分别是IP1和IP2，而它们的硬件地址分别为HA1和HA2（HA表示Hardware Address）。通信的路径是：H1→R1转发→R2转发→H2。路由器R1因同时连接到两个局域网上，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，即HA5和HA6。图4-8（b）特别强调了IP地址与硬件地址的区别。表4-4归纳了这种区别。

图4-12　从不同层次上看IP地址和硬件地址

（a）网络配置；（b）不同层次、不同区间的源地址和目的地址

表4-4　图4-12（b）中不同层次、不同区间的源地址和目的地址(www.xing528.com)

这里要强调指出以下几点：

（1）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，但它的首部中的源地址和目的地址始终分别是IP1和IP2。图4-12中的数据报上写的“从IP1到IP2”，就表示前者是源地址而后者是目的地址。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。

（2）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。

（3）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，如图4-12（b）所示。开始在H1到R1间传送时，MAC帧首部中写的是从硬件地址HA1发送到硬件地址HA3，路由器R1收到此MAC帧后，在数据链路层要丢弃原来的MAC帧的首部和尾部。在转发时，在数据链路层要重新添加上MAC帧的首部和尾部。这时首部中的源地址和目的地址分别变成为HA4和HA5。路由器R2收到此帧后，再次更换MAC帧的首部和尾部，首部中的源地址和目的地址分别变成为HA6和HA2。MAC帧首部的这种变化，在上面的IP层上是看不见的。

（4）尽管互连在一起的网络的硬件地址体系各不相同，但IP层抽象的互联网却屏蔽了下层这些很复杂的细节。只要在网络层上讨论问题，就能够使用统一的、抽象的IP地址研究主机和主机或路由器之间的通信。上述“屏蔽”概念是一个很有用、很普遍的基本概念。例如，计算机中广泛使用的图形用户界面使用户只需简单地点击几下鼠标就能让计算机完成很多任务。实际上计算机要完成这些任务必须执行很多条指令，但这些复杂的过程全都被设计良好的图形用户界面屏蔽掉了，使用户看不见这些复杂过程。

以上这些概念是计算机网络的精髓所在，对这些重要概念务必仔细思考和掌握。细心的读者会发现，还有两个重要问题没有解决：

（1）主机或路由器怎样知道应当在MAC帧的首部填入什么样的硬件地址？

（2）路由器中的路由表是怎样得出的？

第一个问题就是4.2.2节介绍的内容，第二个问题将在4.5节中进行详细讨论。