计算机网络中 MAC地址 vs IP地址 vs 端口号
MAC地址 vs IP地址 vs 端口号
大家好，我是小北。
关于 IP 地址和 MAC 地址是经常容易混淆的概念，在网络是怎么连接中？ 有提到关于 IP 地址和 MAC 地址的一些基本知识。
在这篇文章中我们将重点讲解这两个地址的关系、以及是如何协作的，因为端口号也可以理解为一种寻址，所以也顺带讲一下端口号。
网络通信中的地址体系就像现实世界的定位系统，只不过更加精确和层次化。
比如我们在淘宝买东西，需要填写省份、城市、街道、门牌号，甚至需要收件人的名字。
网络里也有类似的定位需求，这就是为什么我们需要MAC地址、IP地址和端口号这三个关键的地址概念。
IP 地址
IP地址本质上是一个逻辑标识符，而非物理标识符。
这是理解IP地址最关键的一点，与 MAC 地址不同，IP地址是可分配、可变更的，它标识的是网络接口在特定网络拓扑中的位置和角色，而非网络设备本身。
可以把IP地址类比为城市中的门牌号：
- 门牌号（IP地址）标识建筑物在城市规划中的位置
- 建筑物可以拆除重建，门牌号仍然保留（类似更换电脑设备，IP 地址不变）
- 同一个人（设备）可以搬家，获得新门牌号
- 门牌号由城市规划部门统一规划分配，而非咱们自行决定
IP 地址还是有层级的，记住这一点很重要，这也是为了 IP 地址用于全球范围内的主机的定位。
接下来我们会讲一下，为什么 IP 地址可以有层级，是怎么产生的？
IP地址的构成
IP地址的分配机制
IP地址的分配是一个分层体系，由国际组织(IANA)、区域机构(RIR)和本地ISP(电信联通这类)共同管理：
IANA（nternet Assigned Numbers Authority）:
这是全球最高管理机构，负责将IP地址块分配给五大区域互联网注册机构（RIRs），如：APNIC（亚太）、ARIN（北美）、RIPE NCC（欧洲）等。
**RIRs：**将地址分配给本地ISP（如电信、联通）或大型企业（腾讯、阿里这种）。
ISP/企业： ISP为普通用户动态分配IP；企业可申请固定 IP 段供内部使用。
上面的分配过程，一次性分配的 IP 地址大多都是连续的地址块，为什么要这样呢？
这样的好处是，路由地址可以聚合，减少全球核心路由器中的路由条目，简单解释下：
假设电信获得IPO 地址段：203.0.113.0/22（包含 203.0.113.0 到 203.0.116.255 共1024个连续IP）。
那么我们的路由条目可以是:
- 203.0.113.0/22 -> 中国电信
也就是这个范围的 IP 地址请求，都转发给中国电信的核心路由器，交给他自己内部去路由，那么电信在将这些地址分配给：
广东电信、上海电信、深圳电信的时候，也会尽量连续去分配。
比如 203.0.113.0- 203.0.113.115 分配给广东电信，203.0.113.0- 203.0.113.50 分配给深圳。
那最后我们拿到一个 203.0.113.10，经过简单几跳之后就能路由到深圳，这也是为什么说 IP 地址是有层级的。
层级来自于顶层分配和设计，从分配的时候就尽量让在一个地方/地区的 IP 地址尽量多的连续一段，降低碎片化的路由。
六、思考题：IP设计的哲学启示
为什么IPv4不采用全局唯一MAC地址直接通信？
答：MAC地址缺乏层次化结构，路由表规模爆炸（想象全球数十亿设备的路由条目）
容器网络如何实现IP动态分配？
答：通过CNI插件（如Calico、Flannel）管理虚拟IP池，每个Pod获得独立IP
5G网络中的UPF如何影响IP分配？
答：用户面功能单元实现本地分流，为边缘计算提供灵活IP管理能力
报文（Message）、包（Packet）、帧（Frame）是数据在不同网络分层中的不同“包装形式”，对应不同层级的协议处理逻辑，区别在于所属层级、封装信息、传输范围三方面。
1. 各层数据包
关键逻辑：不同层级处理不同维度的信息
| 网络分层 | 数据包名称 | 典型协议 | 核心任务 |
|---|---|---|---|
| 应用层 | 报文（Message） | HTTP, FTP | 用户可理解的完整数据块 |
| 传输层 | 段（Segment） （TCP）或数据报（Datagram）（UDP） | TCP, UDP | 端到端传输控制（端口号） |
| 网络层 | 包（Packet） | IP | 全局寻址（IP地址） |
| 数据链路层 | 帧（Frame） | Ethernet, WiFi | 本地设备间物理传输（MAC地址） |
2. 数据包的逐层封装
这里引用之前文章TCP/IP 模型中提到的图：
1️⃣ 应用层：生成原始数据（如 HTTP请求报文）
2️⃣ 传输层：添加TCP头部（端口号、序列号）→ 变成 TCP段
3️⃣ 网络层：添加IP头部（源/目标IP地址）→ 变成 IP包
4️⃣ 链路层：添加帧头帧尾（源/目标MAC地址、CRC校验）→ 变成 以太网帧
❗ 注意：
• MTU（最大传输单元）：链路层帧的数据部分最大长度（如以太网默认1500字节），若IP包超过MTU，需在网络层分片（Fragment）。
总结
术语在不同协议中可能有别名（如TCP叫Segment，UDP叫Datagram），但核心逻辑一致。
实际开发中"包"可能泛指所有数据单元，需结合上下文判断～