3-7 MAC地址 IP地址以及ARP协议——IP地址

IP地址属于网络层的范畴，而非数据链路层的范畴。之所以在数据链路层这一章的讲解中引入 IP地址，是因为在我们日常的大多数网络应用中，属于数据链路层的MAC地址和属于网络层的 IP地址都在使用，它们之间存在一定的关系。 IP地址的相关内容比较多，例如分类的 IP地址、划分子网的 IP地址、构造超网的 IP地址等。这些内容我们将在网络层这一章详细介绍。

IP地址

IP地址是因特网上的主机和路由器所使用的地址，用于标识两部分信息，

网络编号：用来标识因特网上数以百万计的网络。
主机编号：用来标识同一网络上不同主机或路由器各接口。

如图所示。假设这是因特网的一部分，我们给网络 N8 上的两台主机各分配了一个 IP地址，给路由器R4连接该网络的接口也分配了一个 IP地址。这三个 IP地址的前3个十进制数是相同的，也就是网络 N8 的编号。而最后一个十进制数各不相同，是网络 N8 上个主机和路由器接口的编号。换句话说，同一个网络上的各主机和路由器的各接口的 IP地址的网络号部分应该相同，而主机号部分应该互不相同。

又例如，我们给网络 N9 上的各主机和路由器的接口各分配了一个 IP地址，这三个 IP地址的前3个十进制数是相同的，也就是网络 N9 的编号，而最后一个十进制数各不相同，是网络 N9 上各主机和路由器接口的编号。

因特网中，不同网络的网络编号必须各不相同。例如，在本例中，网络 N8 的编号为192.168.0，而网络 N9 的编号为192.168.1。需要提醒大家注意的是，在一个 IP地址中，哪部分是网络编号，哪部分是主机编号，并不都和本地相同。我们将在后续网络层这一章进行详细介绍。

很显然，之前介绍的MAC地址不具备区分不同网络的功能，而 IP地址具备这样的功能。

如果只是一个单独的网络不接入因特网，可以只使用MAC地址，但这并不是一般用户的常见应用方式。
如果主机所在的网络要接入因特网，则 IP地址和MAC地址都需要使用。

IP地址与MAC地址的封装位置

从网络体系结构的角度看看 IP地址与MAC地址的封装位置。我们以 5 层源理体系结构为例

这是应用层封装好的应用层报文，将其向下交付给运输层

运输层看不懂，也无需看懂应用层报文的结构与内容，我们用黑色表示，仅仅给其添加一个运输层首部。运输层将封装好的协议数据单元向下交付给网络层
网络层看不懂也无需看懂运输层协议数据单元的结构与内容，仅仅给其添加一个网络层首部。网络层将封装好的协议数据单元向下交付给数据链路层
数据链路层看不懂也无需看懂网络层协议数据单元的结构与内容，仅仅给其添加一个数据链路层首部和一个数据链路层尾部，数据链路层将封装好的协议数据单元向下交付给物理层
物理层看不懂也无需看懂数据链路层协议数据单元的结构与内容，仅仅将它们看作是比特流，以便将它们转换为相应的电信号发送到传输媒体

由于 IP地址属于网络体系结构中网络层的范畴，因此在网络层首部中应该封装有源 IP地址和目的 IP地址。相应的，由于MAC地址属于网络体系结构中数据链路层的范畴，因此在数据链路层首部中应该封装有源MAC地址和目的MAC地址。

数据包在转发过程中 IP地址与MAC地址的变化情况

接下来我们来看看数据包在转发过程中 IP地址与MAC地址的变化情况，如图所示。为了简单起见，图中各主机和路由器各接口的 IP地址和MAC地址用比较简单的标识符来表示，而并未使用实际的 IP地址和MAC地址。假设主机 H1 要给主机 H2 发送一个数据包，我们从网络体系结构的角度来看，数据包在传输过程中 IP地址与MAC地址的变化情况需要注意的是，主机中有完整的网络体系结构，而路由器的最高层为网络层，它没有网络体系结构中的运输层和应用层。

我们所关注的重点是**网络层封装 IP 数据报时，源 IP地址和目的 IP地址应该填写什么？数据链路层封装帧实源MAC地址和目的MAC地址应填写什么？**因此，我们忽略网络体系结构中除网络层和数据链路层外的其他各层。可以想象成各网络层进行水平方向的逻辑通信。各数据链路层进行水平方向的逻辑通信。

主机 H1 将数据包发送给路由器R1
- 在网络层封装的 IP 数据报首部中，源IP地址应填写主机 H1 的 IP地址IP1，目的 IP地址应填写主机H2的IP地址IP2，也就是从 IP1 发送给IP2。
- 数据链路层封装的帧首部中，源MAC地址应填写主机 H1 的MAC地址MAC1，目的MAC地址应填写路由器 R1 的MAC地址MAC3，也就是从MAC1 发送给MAC3
路由器 R1 将收到的数据包转发给路由器R2
- 在网络层封装的 IP 数据报，首部中源 IP地址仍然填写主机 H1 的 IP地址IP1，目的 IP地址仍然填写主机 H2 的 IP地址IP2，也就是从IP1发送给IP2。
- 在数据链路层封装的帧守步中，源MAC地址应填写路由器 R1 的MAC地址MAC4，目的MAC地址应填写路由器 R2 的MAC地址MAC5，也就是从MAC4 发送给MAC5。
路由器 R2 将收到的数据包转发给主机H2
- 在网络层封装的 IP 数据报首部中，源 IP地址仍然填写主机 H1 的 IP地址IP1，目的 IP地址仍然填写主机 H2 的 IP地址IP2，也就是从 IP1 发送给IP2
- 在数据链路层封装帧首部时，源MAC地址应填写路由器 R2 的MAC地址MAC6，目的MAC地址应填写主机 H2 的MAC地址MAC2，也就是从MAC6 发送给MAC2。