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计算机网络
MAC地址
IP地址
端口号
2026-05-17 22:30

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。

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 (Linux 默认 ≈ 30s, Windows ≈ 15~45s, 可配置)
    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

# 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 首部结构

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
地址解析 ARP（广播） NDP / Neighbor Discovery（组播，替代 ARP）

IPv6 地址表示与压缩

IPv6 地址共 128 位，用冒号分隔为 8 组，每组 4 个十六进制数：

完整写法:  2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001
压缩规则 1 — 每组前导零可省略:  2001:db8:0:0:0:0:0:1
压缩规则 2 — 连续全零组用 :: 替代（仅一次）:  2001:db8::1

[!QUESTION] :: 能用几次？ 只能用一次。如果出现两个 ::，解析器无法确定每组省略了多少个零，地址就会歧义。

IPv6 特殊地址

地址 用途
::1 环回地址，等价于 IPv4 的 127.0.0.1
:: 未指定地址，等价于 IPv4 的 0.0.0.0
fe80::/10 链路本地地址（Link-Local），同一链路自动通信
ff00::/8 组播地址

更多 IPv6 细节见 hhs/NETWORK/03-网络层/03-IPv6地址与扩展头部。

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）。 CIDR 用"前缀长度"取代了固定的 A/B/C 类划分，例如 192.168.1.0/24 表示前 24 位是网络号，剩余 8 位是主机号。 更多细节见 hhs/NETWORK/03-网络层/02-CIDR与子网划分。

特殊 IP 地址

地址 用途
127.0.0.1 / ::1 环回地址（Loopback），本机内部通信
0.0.0.0 表示"本机所有网卡"（服务端 bind 时常用）
169.254.x.x 链路本地地址（DHCP 失败时自动分配）

私有 IP 地址段

互联网上的路由器不会转发来自以下范围的数据包，它们仅用于内网，通过 NAT 转换为公网 IP 后才能访问互联网：

类别 地址范围 CIDR 可用地址数
A 类 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 10.0.0.0/8 ~1677 万
B 类 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255 172.16.0.0/12 ~104 万
C 类 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255 192.168.0.0/16 ~6.5 万

[!tip] 私有地址 + NAT = 解决 IPv4 耗尽 一个公网 IP 可以通过 NAT 映射背后成百上千个私有 IP，这就是为什么 IPv4 至今仍在大规模使用。详见 hhs/NETWORK/03-网络层/08-NAT原理与应用。

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

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
20 FTP-Data 文件传输数据通道
21 FTP 文件传输控制通道
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

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

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