李宏年

（江蘇師范大學，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

因特網(wǎng)的廣泛應(yīng)用開辟了信息時代的新紀元。移動通信和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合徹底改變了人們的生活、工作和學習方式，足不出戶就可以在手機或電腦等終端上實現(xiàn)遠程控制、網(wǎng)上購物以及商業(yè)貿(mào)易等，給人們帶來了很大的便利。網(wǎng)絡(luò)電視和智能電視已走進千家萬戶，車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使萬物互聯(lián)成為可能，因而各種實體及終端間相互識別及尋址尤其重要。物理地址和邏輯地址作為信息網(wǎng)絡(luò)中的兩類尋址地址作用重大，目前已在計算機網(wǎng)絡(luò)和移動電話及電視機頂盒等終端設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用。

1 網(wǎng)絡(luò)中物理地址和邏輯地址

數(shù)據(jù)通信的本質(zhì)是將源端發(fā)送的數(shù)據(jù)包傳遞到目的接收端。在網(wǎng)絡(luò)中，將數(shù)據(jù)包從一個網(wǎng)絡(luò)傳遞到另一個網(wǎng)絡(luò)，從一個結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到另一個結(jié)點并最終順利送達目的地，路由和尋址尤為關(guān)鍵。在傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol / Internet Protocol，TCP/IP）結(jié)構(gòu)中，介質(zhì)訪問控制（Media Access Control，MAC）地址是數(shù)據(jù)鏈路層的尋址地址，又稱為物理地址。MAC數(shù)據(jù)幀依據(jù)該地址進行傳送，網(wǎng)絡(luò)層及以上使用IP地址來尋址[1]。MAC幀包括幀頭、幀尾以及數(shù)據(jù)部分，如圖1所示。

圖1 MAC幀結(jié)構(gòu)

MAC地址的長度一般為48位，通常表示為12個16進制數(shù)，固化在硬件存儲器中。所有連接到網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備或終端都至少有一個用來標識發(fā)出數(shù)據(jù)包和接收數(shù)據(jù)包的主機物理地址，也稱為硬件地址，該地址在全網(wǎng)是唯一的。物理地址是數(shù)據(jù)鏈路層和物理層使用的地址，它的前3個字節(jié)由國際電氣與電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）統(tǒng)一為每個生產(chǎn)廠商來分配，后3個字節(jié)由各生產(chǎn)廠商自行分配。前3個字節(jié)的24位中，第一字節(jié)的最低位I/G為0時表示此MAC地址為單播地址，為1時表示此MAC地址為組播地址。第一字節(jié)的次低位G/L為0時表示此地址為全局管理地址，為1時表示此地址為本地管理地址[2-4]。后24位稱為擴展標識符，一般由廠家分配，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MAC地址結(jié)構(gòu)

連接在通信鏈路中的設(shè)備（主機或路由器）在收到MAC幀時，根據(jù)MAC幀首部中的MAC地址決定接收或丟棄。邏輯地址（IP地址）是網(wǎng)絡(luò)層及其以上層使用的地址。在目的端數(shù)據(jù)鏈路層拆封了MAC幀的首部和尾部后，便將數(shù)據(jù)提交給網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層對收到的IP數(shù)據(jù)包首部進行拆封后，找到源IP地址和目的IP地址，并依此IP地址來規(guī)劃數(shù)據(jù)包的傳輸路徑或路由。每個MAC地址對應(yīng)著一個網(wǎng)絡(luò)端口，每臺電腦或終端可以對應(yīng)多個MAC地址。通信網(wǎng)中有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)都各自對應(yīng)著一個MAC硬件地址，在物理傳輸中就是靠物理地址來找到數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂贰＠纾?8:00:10:0A:8C:6D就是一個MAC地址，其中前6位16進制數(shù)08:00:10代表網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件生產(chǎn)商的編號，由IEEE分配，而后3位16進制數(shù)0A:8C:6D代表該設(shè)備生產(chǎn)制造商所制造的某個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)品的系列號。

IP地址是互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議地址，又稱為邏輯地址，每個IP地址都由網(wǎng)絡(luò)號和主機號兩部分組成。每個互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)和主機都有一個邏輯地址，在開放系統(tǒng)互聯(lián)7層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，IP地址是網(wǎng)絡(luò)層的尋址地址，有IPv4和IPv6兩種。其中，IPv4地址分為5類，分別是A、B、C、D、E，由32位二進制數(shù)組成，通常被分割為4個字節(jié)，如圖3所示。隨著互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，越來越多的終端需要加進因特網(wǎng)，IP地址的需求量越來越大，IP地址顯得越來越不夠用，為了擴大地址空間，IPv6應(yīng)運而生，通過IPv6重新定義了網(wǎng)絡(luò)地址空間。和IPv4相比，IPv6采用128位地址長度，極大地擴大了邏輯地址數(shù)量，除了解決地址短缺以外，還解決了服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）、安全性、多播、移動性以及即插即用等IPV4中遇到的問題。

圖3 IPv4地址分類及結(jié)構(gòu)

IPv6有效解決了網(wǎng)絡(luò)地址資源數(shù)量受限及多設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的問題。目前，網(wǎng)絡(luò)中IPv4和IPv6共存，可通過雙協(xié)議棧、隧道技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換等技術(shù)來完成IPv4和IPv6間的相互轉(zhuǎn)換。

2 物理地址和邏輯地址的應(yīng)用

因特網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)應(yīng)用到各種領(lǐng)域，通過手機、電腦、電視機頂盒、智能家居、掌上電腦以及視頻監(jiān)控等終端設(shè)備都可以接入到因特網(wǎng)。各種接入到網(wǎng)絡(luò)上的終端，都必須有一個專門的MAC地址來尋址?？赏ㄟ^多種方法查看不同終端的MAC地址，圖4—圖6分別為某手機、電腦、電視的MAC地址和IP地址。

圖4 手機的MAC地址和IP地址

圖5 計算機的MAC地址和IP地址

圖6 電視的MAC地址和IP地址

數(shù)據(jù)包傳輸時，需要準確知道終點地址和下一跳地址。IP地址本質(zhì)上是終點地址，它在跳過路由器時不會改變，而MAC地址則是下一跳的地址，每跳過一次路由器都會改變，起到了記錄下一跳信息的作用。在開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI/RM中，數(shù)據(jù)鏈路層通過MAC地址尋址，交換機將數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳送到另外一個節(jié)點，此時交換機收到這個幀后，便開始查找自己的轉(zhuǎn)發(fā)表。轉(zhuǎn)發(fā)表中一般包含MAC地址和該MAC地址對應(yīng)的端口。如果在轉(zhuǎn)發(fā)表中找到某一MAC地址和該MAC地址對應(yīng)的端口，則將數(shù)據(jù)從該MAC對應(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去；如果沒有找到對應(yīng)地址及端口，交換機便會將此幀以廣播方式向所有端口進行廣播，除了該幀進入的端口；如果和目的幀不在一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，則本機的網(wǎng)絡(luò)層就將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

通過地址解析協(xié)議（Address Resolution Protocol，ARP）獲得網(wǎng)關(guān)的MAC地址。在ARP表里，包含有IP地址和MAC地址。如果地址解析協(xié)議ARP表中存有該網(wǎng)關(guān)IP地址對應(yīng)的MAC地址，說明同在一個網(wǎng)絡(luò)中，將數(shù)據(jù)包按對應(yīng)地址直接發(fā)送即可；如果地址解析協(xié)議ARP表中沒有該網(wǎng)關(guān)IP邏輯地址對應(yīng)的MAC物理地址，則啟動ARP協(xié)議向網(wǎng)內(nèi)廣播，詢問該IP地址在網(wǎng)絡(luò)中的MAC地址。在經(jīng)過不同網(wǎng)絡(luò)時通過IP地址來判斷數(shù)據(jù)包是在網(wǎng)內(nèi)傳輸還是網(wǎng)外傳輸。MAC物理地址只負責設(shè)備到設(shè)備的通信，IP邏輯地址負責從一個網(wǎng)絡(luò)到另外一個網(wǎng)絡(luò)的傳輸。網(wǎng)關(guān)其實就是路由器的一個接口，在網(wǎng)絡(luò)通信中網(wǎng)關(guān)通過IP地址來確定數(shù)據(jù)包傳輸?shù)穆窂剑ㄟ^查找路由器的路由表來決定數(shù)據(jù)包下一跳應(yīng)該傳輸?shù)侥膫€網(wǎng)絡(luò)，確定好路由后就將數(shù)據(jù)從連接那個網(wǎng)絡(luò)的路由器的接口發(fā)送出去。

網(wǎng)絡(luò)中MAC地址和IP地址應(yīng)用如圖7所示，路由器連接兩個不同網(wǎng)絡(luò)LAN1和LAN2。假設(shè)主機111.111.111.111要發(fā)送一個數(shù)據(jù)包到主機222.222.222.222，由于兩個主機不在一個網(wǎng)絡(luò)里，因此需要路由器來轉(zhuǎn)發(fā)，通過ARP協(xié)議來解析路由器的端口IP地址，得到路由器的MAC地址為E6-E9-00-17-BB-4B，路由器通過數(shù)據(jù)包的目的IP地址和ARP協(xié)議來獲得目的主機的MAC地址[4]。當數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，數(shù)據(jù)鏈路層MAC幀中的物理地址每經(jīng)過一個站點便需改變一次，而網(wǎng)絡(luò)層的IP數(shù)據(jù)包屏蔽了下層數(shù)據(jù)鏈路層的具體細節(jié)，僅通過目的IP地址來進行路由選擇。MAC地址和IP地址協(xié)作，完成數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸[5-8]。

圖7 網(wǎng)絡(luò)中MAC地址和IP地址應(yīng)用

IP地址和域名綁定可進行雙向查詢，通過電子地圖導航可查詢到準確的地理位置。MAC地址能唯一標識一臺雙向機頂盒，廣電運營商通過MAC地址就可對網(wǎng)內(nèi)數(shù)萬計的機頂盒進行統(tǒng)一管理。WiFi探針盒子通過MAC地址即可統(tǒng)計出進出商場的客流人數(shù)和頻次。

據(jù)報道，德國警方曾利用路由器MAC地址來追蹤2017年炸彈威脅的發(fā)起者，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的智能家居也曾出現(xiàn)了IP地址和MAC地址隱私暴露及黑客入侵的相關(guān)問題。在2019年央視3·15晚會上，曾經(jīng)曝光了一些不良商家使用WiFi探針盒來獲取用戶手機MAC地址及手機號碼的方法。WiFi探針設(shè)備可主動采集周圍的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容,識別周邊手機、筆記本以及路由器等無線終端設(shè)備，進而獲得用戶個人參數(shù)信息，滿足客流統(tǒng)計、精準營銷推送等需求[9,10]。

3 結(jié) 論

信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展日新月異，越來越多的智能終端接入到因特網(wǎng)大家族。信息網(wǎng)絡(luò)已成為一項基礎(chǔ)設(shè)施，深刻改變了人們的生活，給人們帶來很大的便利。物聯(lián)網(wǎng)把新一代IT技術(shù)充分運用在各行各業(yè)中，使萬物互聯(lián)成為了可能。