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tags: [计算机网络, MAC地址, IP地址, 端口号]
create time: 2026-05-17 22:30
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# 寻址体系：MAC / IP / Port

## 概述

网络中的每个端点需要三层地址才能精确定位到一个进程：**MAC 地址**（物理层/链路层）定位到哪台设备、**IP 地址**（网络层）定位到哪个子网、**端口号**（传输层）定位到哪个进程。三层地址组合起来，就是经典的 `ip:port` 定位公式。

> [!QUESTION] 为什么需要三种地址？一层不够吗？
> 每种地址解决不同尺度的问题。MAC 在同一个广播域内有效，但路由器不转发广播——跨网段必须用 IP 路由。IP 能到达目标主机，但不区分进程——同一台服务器可能跑着 Web、数据库、邮件等多个服务，所以需要端口来分发。

## 一、MAC 地址（48 位）

### 基本结构

```
前 3 字节            后 3 字节
─────────────     ─────────────
OUI (厂商编号)      NIC 序列号
由 IEEE 分配        由厂商自定
```

示例：`aabb.ccdd.eeff` = `AA:BB:CC:DD:EE:FF`
- 前三个字节 `AA:BB:CC` → OUI，代表厂商
- 后三个字节 `DD:EE:FF` → 设备唯一序列

### MAC 地址类型

| 类型 | 格式 | 含义 |
|------|------|------|
| 单播 | LSB=0 | 发给单个设备 |
| 广播 | `ff:ff:ff:ff:ff:ff` | 发给局域网内所有设备 |
| 组播 | LSB=1 | 发给一组设备 |

### ARP 地址解析

当知道一个主机的 **IP 地址** 时，需要通过 ARP 协议找到它的 **MAC 地址**。

```mermaid
sequenceDiagram
    participant Src as 源主机<br/>192.168.1.10/?.mac
    participant Bcast as 局域网广播
    participant Dst as 目标主机<br/>192.168.1.20/aa:bb:cc:11:22:33
    participant Cache as 源主机 ARP 缓存

    Src->>Bcast: ARP Request "192.168.1.20 是谁？→ ff:ff:ff:ff:ff:ff"
    Dst-->>Src: ARP Reply "我是！MAC = aa:bb:cc:11:22:33"
    Src->>Cache: 写入缓存条目 (TTL ≈ 15~30 分钟)
    Note over Src,Dst: 之后的通信直接用此 MAC，不再发 ARP
```

### ARP 缓存查看与管理

```bash
# Linux
$ ip neigh show          # 等价于 arp -n
192.168.1.20 dev eth0 lladdr aa:bb:cc:dd:ee:ff STALE

$ ip neigh del 192.168.1.20 dev eth0  # 删除缓存条目

# macOS / Windows
$ arp -a
```

## 二、IP 地址（IPv4 32 位 / IPv6 128 位）

### IPv4 地址结构

```
版本(4 bits)  IHL(4 bits)   DSCP(8 bits)   Total Length(16 bits)
...
Identification(16 bits) | DF/MF | Fragment Offset(13 bits)
TTL(8 bits) | Protocol(8 bits) | Header Checksum(16 bits)
Source Address(32 bits)
Destination Address(32 bits)
Options (可选)...
```

### IPv4 vs IPv6

| 特性 | IPv4 | IPv6 |
|------|------|------|
| 地址长度 | 32 bit (4 字节) | 128 bit (16 字节) |
| 地址数量 | ~43 亿 (2³²) | ~3.4×10³⁸ (2¹²⁸) |
| 表示法 | `192.168.1.1` | `2001:0db8::1` |
| 首部固定长度 | 20 bytes（可变选项更长） | 40 bytes（固定） |
| Checksum | ✅ 有 | ❌ 无（依赖上层校验） |
| NAT | 广泛使用（缓解地址耗尽） | 不需要（地址充足） |
| SLAAC | — | 支持无状态自动配置 |
| 组播 | 有限支持 | 原生支持 |

### IP 地址分类（历史）

| 类别 | 首字节范围 | 默认掩码 | 可用主机数 | 用途 |
|------|-----------|---------|-----------|------|
| A | 1–126 | /8 | 16,777,214 | 大型组织 |
| B | 128–191 | /16 | 65,534 | 中型组织 |
| C | 192–223 | /24 | 254 | 小型网络 |
| D | 224–239 | — | — | 组播 |
| E | 240–255 | — | — | 保留 |

> [!warning] CIDR 已淘汰分类编址
> 现代网络全部使用 **CIDR（Classless Inter-Domain Routing）** 无类编址，子网掩码可以是任意位数（如 /23、/27）。

## 三、端口号（16 位）

### 端口范围

| 范围 | 名称 | 说明 |
|------|------|------|
| 0–1023 | 熟知端口 (Well-Known) | 预分配给标准服务（HTTP:80, HTTPS:443, SSH:22, DNS:53） |
| 1024–49151 | 注册端口 (Registered) | 申请注册的商业软件 |
| 49152–65535 | 动态端口 (Ephemeral) | 客户端临时分配，用完即释放 |

### 服务端 vs 客户端端口

```mermaid
flowchart LR
    Client["客户端 192.168.1.100:54321"] -->|"SYN"| Server["服务端 10.0.0.1:80"]
    Server -->|"SYN-ACK"| Client
    Client -->|"ACK"| Server

    style Client fill:#DDA0DD,color:#000
    style Server fill:#98FB98,color:#000
```

- **服务端端口**：固定且知名（如 80），告诉客户端"我在哪"
- **客户端端口**：操作系统动态分配（49152–65535），保证连接的唯一标识 `(src_ip, src_port, dst_ip, dst_port)`

### 常见端口速查

| 端口 | 协议 | 服务 |
|------|------|------|
| 21 | FTP | 文件传输控制 |
| 22 | SSH | 安全远程登录 |
| 25 | SMTP | 邮件发送 |
| 53 | DNS | 域名解析 |
| 80 | HTTP | Web 网站 |
| 443 | HTTPS | 加密 Web |
| 993 | IMAPS | 加密邮件收取 |
| 3306 | MySQL | 数据库 |
| 5432 | PostgreSQL | 数据库 |
| 6379 | Redis | 缓存 |
| 8080 | HTTP Alt | Web 备用端口 |

## 四、完整寻址链：从请求到进程

```mermaid
flowchart TD
    S["你在浏览器输入 example.com"] -->|"DNS 查询"| A["DNS 返回 93.184.216.34"]
    A -->|"TCP 三次握手"| B["建立 TCP 连接<br/>src:192.168.1.100:54321 → dst:93.184.216.34:80"]
    B -->|"以太网帧头"| C["Dst MAC: router的出口MAC<br/>Src MAC: 本机MAC"]
    C -->|"ARP缓存"| D["如果没缓存,先发ARP请求"]
    D -->|"发送 HTTP GET"| E["Web 服务器的 PID 1234<br/>nginx worker 进程读取数据"]

    style S fill:#DDA0DD,color:#000
    style E fill:#98FB98,color:#000
```

**结论：** 三层地址缺一不可——没有 IP 找不到机器，没有 MAC 连不上网线，没有端口不知道该交给哪个进程。

## 关联笔记

- [[hhs/NETWORK/OSI与TCP-IP模型对比]] — 三层地址对应 OSI 的不同层级
- [[hhs/NETWORK/IPv4协议详解]] — IP 地址的详细编码与 CIDR 计算
- [[hhs/NETWORK/TCP状态机详解]] — 四元组如何唯一标识 TCP 连接