MAC 地址的具体用途是什么？

Question 1

TL;DR> MAC 地址是以太网（以及其他一些类似标准，如 WiFi）的低级组件。它们允许设备与本地物理网络（LAN）上的机器进行通信，并且不能通过互联网路由 - 因为物理硬件理论上可能插在世界任何地方。

相比之下，IP 地址覆盖整个互联网，路由器使用它们来确定将数据发送到哪里，即使数据需要多跳才能到达目的地 - 但它们对于与本地网络上的物理硬件交互没有帮助。

如果我们找到比以太网更好的标准，它可能不会使用 MAC 地址，但来自互联网的 IP 流量仍然可以流过它，即使互联网上的其他人从未听说过它。

如果我们找到比 IP 更好的标准（例如，如果所有 IPv4 地址都用完了，则可以找到 IPv6），那么大多数以太网硬件都可以承载新类型的流量而无需修改 - 并且简单的软件/固件更新就可以解决其余大部分问题。

MAC 地址是本地以太网（或 wifi）网络正常运行所必需的。它们允许网络设备吸引单个直接连接设备的注意，即使物理连接是共享的。当单个组织内有数千台设备连接在一起时，这一点很重要。它们在更广泛的互联网上不起作用。

要真正理解这个问题的答案，你需要理解OSI（有时称为 7 层）模型。

为了使两个运行在不同机器上且没有直接物理连接的应用程序之间进行通信，很多需要进行的工作。

在过去，每个应用程序都确切地知道需要运行哪些机器代码指令才能产生适当的信号，该信号将到达远端应用程序并被远端应用程序解码。所有通信实际上都是点对点的，软件必须根据部署的具体情况进行编写。显然，这是不可持续的。

相反，网络问题被分成了多个层，每个层都知道如何与远程机器上的匹配层通信，以及如何与本地机器上位于其下方（有时是上方）的层通信。它对任何其他层一无所知 - 因此您的 Web 浏览器无需关心它是在使用令牌环、以太网还是 wifi 网络的机器上运行 - 并且绝对不需要知道远程机器使用什么硬件。

为了实现这一点，7 层模型使用了一种类似于嵌套信封的系统；应用程序创建其数据并将其包装在一个信封中，以便操作系统进行传送。操作系统将其包装在另一个信封中并将其传递给网络驱动程序。网络驱动程序将其包装在另一个信封中并将其放在物理电缆上。依此类推。

最底层，第一层是物理层。这是电线、晶体管和无线电波的层，在这一层，通信主要是一串 1 和 0。数据流经任何物理连接的地方。您可以使用 CAT-5 电缆将计算机的网络端口插入交换机。

第 2 层是数据链路层。它为 1 和 0 提供了一些结构、一些错误检测和纠正功能，以及一些关于哪个物理连接的设备（这里的物理连接实际上可以通过 wifi）应该关注该消息的指示。这是 MAC 地址发挥作用的层，我们稍后会回到它。但 MAC 地址并不是这一层的唯一可能性。例如，令牌环网络需要不同的数据链路实现。

第 3 层是网络层。这是 IP 工作的层（尽管它也不是唯一的网络层协议），它允许计算机发送可以到达“网络”上任何位置的任何机器的消息。相关机器之间不需要直接连接。

第 4-7 层是更高级别的协议。它们离硬件越来越远，离应用程序越来越近。例如，TCP 位于 IP 之上，并提供了在消息丢失时自动重新发送的机制。

因此，MAC 地址在第 2 层工作，并允许两台物理上相互连接的机器发送消息，这些消息将被共享同一物理连接的其他机器忽略。

假设我有一个应用程序想要向 IP 地址为 8.8.8.8 的机器发送一些数据

第 3 层将数据包装在一个信封中，其中包含 IP 地址 8.8.8.8 等信息，然后将其交给第 2 层。

第 2 层查看此 IP 地址，并决定直接连接到的哪台机器能够处理此消息。它将有一个查找表，其中包含直接连接的 IP 地址的选择以及该机器中网卡的相应 MAC 地址。此查找表使用称为 ARP 的协议构建，该协议允许网卡向其他直接连接的设备提问。以太网保留一个特殊的 MAC 地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF，它允许设备与全部物理连接的设备。

如果 IP 地址在表中（或可以通过 ARP 解析），它会将第 3 层信封包装在第 2 层信封中，并在新标头中包含 MAC 地址，然后将整个包传递到第 1 层的硬件。具有匹配 MAC 地址的网卡将接收该消息，网络驱动程序将打开第 2 层信封并将内容传递给操作系统中希望在特定 IP 地址接收消息的任何部分。

或者，如果 IP 地址不在本地网络上，则新的信封将具有为该网络接口配置的默认网关（即路由器）的 MAC 地址，并且硬件会将数据包传输到路由器。

路由器注意到第 2 层信封中的 MAC 地址，并打开第 2 级数据包。它查看第 3 级信封上的 IP 地址，并计算出消息接下来需要发送到哪里，这可能是您的 ISP 的路由器。如果路由器使用 NAT（或类似技术），它甚至可能在此时修改第 3 级信封，以保持您的内部 IP 地址的私密性。然后，它会将第 3 级信封包装到新的第 2 级信封中，该信封的地址为 ISP 路由器的 MAC 地址，并将消息发送到那里。

拆除外层信封并将内容物包装到寄往链条中下一步地址的新信封中的过程将持续进行，直到邮件到达目的地机器。

然后，信封会继续被撕开，信息会一层层地往回走，直到最终到达预定的收件人手中，而收件人将是某个地方的应用程序，希望它知道如何处理这条信息——但不知道这条信息是如何到达那里的，也不知道将响应发回原始机器所需的所有步骤。

但一切都有效，几乎就像魔术一样！

请注意，网络交换机可以使用 MAC 地址来优化网络流量的流动。以太网集线器只是将所有传入流量转发到其所有端口，而交换机只能将流量转发到数据包目标 MAC 地址所连接的单个端口。这增加了网络的有效带宽；通过定位特定端口，交换机避免在网络的不必要部分上转发流量。交换机将使用 ARP 或数据包嗅探来识别哪些设备连接到哪个端口。交换机完全忽略第 2 层数据包的内容。

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