MAC 地址(Media access control address)是分配給網(wǎng)絡(luò)接口控制器(Network interface controller, NIC)的唯一標(biāo)識(shí)符，它會(huì)在網(wǎng)絡(luò)段中充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)地址使用，所有具有網(wǎng)卡的主機(jī)都有單獨(dú)的 MAC 地址，該地址總共包含 48 位，占 6 字節(jié)的空間，可以表示 281,474,976,710,656 個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，一個(gè)正常的 MAC 地址如下所示的格式表示，每個(gè)字節(jié)都會(huì)使用兩位 16 進(jìn)制的數(shù)字：

6e:77:0f:b8:8b:6b 

因?yàn)?MAC 地址需要保證唯一，所以 IEEE 會(huì)根據(jù)設(shè)備的制造商分配地址段，48 位 MAC 地址的前 24 位是設(shè)備制造商的標(biāo)識(shí)符[^2]，也就是組織唯一標(biāo)識(shí)符(Organizationally Unique Identifier，OUI)，后面的 24 位是序列號(hào);如果每個(gè)設(shè)備制造商都能保證在同一個(gè)命名空間中的全部 MAC 地址唯一，那么全世界所有的 MAC 地址就可以保證唯一。

圖 1 - MAC 地址

MAC 地址可以使用兩種不同的格式表示，分別是 48 位的 EUI-48 和 64 位的 EUI-64[^3]，本文會(huì)使用 EUI-48 格式的 MAC 地址，EUI-64 主要用于 IPv6 協(xié)議，我們?cè)谶@篇文章就不展開(kāi)討論了。在通常情況下，MAC 地址會(huì)使用 24 位表示組織的序列號(hào)，但是因?yàn)楹芏嘟M織不會(huì)生產(chǎn)這么多的設(shè)備，所以在實(shí)際操作中會(huì)劃分出三種不同大小的地址塊[^4]：

圖 2 - MA-L, MA-M, MA-S

• MA-L(MAC Address Block Large) - 包含 24 位組織標(biāo)識(shí)符和 24 位地址;
• MA-M(MAC Address Block Medium) - 包含 28 位組織標(biāo)識(shí)符和 20 位地址;
• MA-S(MAC Address Block Small) - 包含 36 位組織標(biāo)識(shí)符和 12 位地址;

這三種不同大小的地址塊價(jià)格也完全不同，MA-L 的注冊(cè)價(jià)格為 2995 美金，而 MA-S 的注冊(cè)價(jià)格為 755 美金，感興趣并且有需要的讀者可以在 IEEE 的官方購(gòu)買[^5]，在理想情況下，所有的地址加起來(lái)價(jià)值大概在 52 萬(wàn)億美金左右，果然定義和掌握了標(biāo)準(zhǔn)就可以躺著等別人注冊(cè)來(lái)賺錢。

這種由機(jī)構(gòu)分發(fā) MAC 地址段并由設(shè)備商保證地址唯一的方式就是為了保證全世界所有硬件的網(wǎng)絡(luò)地址唯一，但是在實(shí)際操作中，全球唯一是無(wú)法保證的而且我們也并不需要地址的全球唯一，這主要因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)原因：

• 在不同操作系統(tǒng)上，我們都可以通過(guò)軟件直接修改網(wǎng)卡的 MAC 地址;
• 只需要保證一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的 MAC 地址不重復(fù)，網(wǎng)絡(luò)就可以正常工作;

修改地址

無(wú)論是在 Linux 上還是在 macOS 上，修改網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的 MAC 地址都是非常簡(jiǎn)單的。在 Linux 操作系統(tǒng)中我們可以使用命令 ifconfig 修改設(shè)備上的 MAC 地址：

$ ifconfig eth0 | grep ether 
        ether 6e:77:0f:b8:8b:6b  txqueuelen 1000  (Ethernet) 
$ ifconfig eth0 down 
$ ifconfig eth0 hw ether 6e:77:0f:b8:8b:6a 
$ ifconfig eth0 up 
$ ifconfig eth0 | grep ether 
        ether 6e:77:0f:b8:8b:6a  txqueuelen 1000  (Ethernet) 

只要我們使用上述的命令就可以輕松地修改當(dāng)前網(wǎng)卡的 MAC 地址，不過(guò)建議不要在遠(yuǎn)程的 Linux 機(jī)器上使用，最好在本地的 Linux 上測(cè)試相關(guān)的命令，在修改測(cè)試完成之后也最好使用命令將 MAC 地址改回去;在 macOS 上修改 MAC 地址也可以使用 ifconfig 命令，使用的方式與 Linux 幾乎完全相同。

因?yàn)?MAC 地址是與硬件綁定的，所以這種修改 MAC 地址的方式其實(shí)都是臨時(shí)的，一旦操作系統(tǒng)重啟，這些變更就會(huì)被系統(tǒng)撤銷，想要讓類似的變更永久生效需要在系統(tǒng)重啟時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的命令或者修改對(duì)應(yīng)的網(wǎng)卡配置文件[^6]。

局域網(wǎng)通信

所有的計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備都需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)適配器連接到局域網(wǎng)中，每一個(gè)適配器都有唯一的鏈路層地址，也被叫做 LAN 地址或者 MAC 地址，MAC 地址被設(shè)計(jì)成了扁平結(jié)構(gòu)，它們不會(huì)隨著所處網(wǎng)絡(luò)的不同而發(fā)生改變。

當(dāng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)適配器想要向其他的適配器發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，它會(huì)將目的適配器的 MAC 地址插入到如下所示的以太網(wǎng)幀中，每個(gè)以太網(wǎng)幀都與 IP 數(shù)據(jù)報(bào)類似，包含源地址和目標(biāo)地址，只是以太網(wǎng)幀中的地址是 MAC 地址，而 IP 數(shù)據(jù)報(bào)中的地址是 IP 地址：

圖 3 - 以太網(wǎng)幀

局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸不是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層的 IP 地址進(jìn)行路由和轉(zhuǎn)發(fā)的，然而 IP 地址一般都是發(fā)送數(shù)據(jù)主機(jī)知道的唯一信息，想要在局域網(wǎng)中發(fā)送數(shù)據(jù)，還是需要知道它們的 MAC 地址。當(dāng)我們的設(shè)備想要向其他的設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)先通過(guò) ARP(Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議) 在局域網(wǎng)中獲取目的 IP 地址對(duì)應(yīng)的 MAC 地址：

(1)源主機(jī)會(huì)向當(dāng)前局域網(wǎng)中發(fā)送 ARP 請(qǐng)求，目標(biāo)的 MAC 地址是 FF-FF-FF-FF-FF-FF，這表示當(dāng)前請(qǐng)求是一個(gè)廣播請(qǐng)求，局域網(wǎng)內(nèi)的所有設(shè)備都會(huì)收到該請(qǐng)求;

(2)接收到 ARP 請(qǐng)求的主機(jī)都會(huì)檢查目的 IP 和自己的 IP 地址是否一致;

• 如果 IP 地址不一致，主機(jī)會(huì)忽略當(dāng)前的 ARP 請(qǐng)求;
• 如果 IP 地址一致，主機(jī)會(huì)直接向源主機(jī)發(fā)送 ARP 響應(yīng);

(3)源主機(jī)在接收到 ARP 的響應(yīng)之后，會(huì)更新本地的緩存表并繼續(xù)向目的主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù);

圖 4 - 地址解析協(xié)議

在局域網(wǎng)中我們一般會(huì)使用集線器(Hub)或者交換機(jī)(Switch)來(lái)連接不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。因?yàn)樵诩€器連接的局域網(wǎng)中，所有的數(shù)據(jù)幀都會(huì)被廣播給局域網(wǎng)內(nèi)的全部主機(jī)，所以使用相同的 MAC 地址一般也不會(huì)出現(xiàn)太多的問(wèn)題;但是交換機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)局域網(wǎng)中不同設(shè)備的 MAC 地址并將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給特定主機(jī)，所以如果局域網(wǎng)是由交換機(jī)構(gòu)成的，就會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的通信。

圖 5 - 集線器和交換機(jī)

假設(shè)局域網(wǎng)中的具有兩臺(tái) MAC 地址完全相同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 A 和 B，即 6e:77:0f:b8:8b:6b，當(dāng)設(shè)備 A 想要向設(shè)備 B 發(fā)送以太網(wǎng)幀時(shí)會(huì)遇到如下所示的情況：

• 設(shè)備 A 在構(gòu)造的以太網(wǎng)幀中將源地址和目的地址都設(shè)置為 6e:77:0f:b8:8b:6b 并向交換機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù);
• 交換機(jī)接收到了設(shè)備 A 發(fā)送的數(shù)據(jù)幀后，會(huì)從數(shù)據(jù)幀的源地址學(xué)習(xí)到設(shè)備 A 的 MAC 地址并將 6e:77:0f:b8:8b:6b -> A 這條記錄插入本地緩存中;
• 交換機(jī)發(fā)現(xiàn)收到數(shù)據(jù)幀的目的地址會(huì)指向了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 A，所以它會(huì)將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)回 A;

因?yàn)榻粨Q機(jī)的 MAC 地址學(xué)習(xí)策略，所以我們不能在同一個(gè)局域網(wǎng)中使用相同的 MAC 地址，但是因?yàn)?MAC 地址是鏈路層網(wǎng)絡(luò)中的概念，跨局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層的 IP 協(xié)議，所以在不同的局域網(wǎng)中使用相同的 MAC 地址就不存在類似的問(wèn)題了。

總結(jié)

MAC 地址是鏈路層網(wǎng)絡(luò)中的重要概念，在局域網(wǎng)中會(huì)通過(guò) MAC 地址轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，全球唯一的 MAC 地址是非常理想的情況，然而在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，我們不需要保證如此強(qiáng)的限制：

• MAC 地址可以通過(guò)軟件進(jìn)行修改，而第三方的山寨廠商不會(huì)在 IEEE 中申請(qǐng)獨(dú)立的 MAC 地址段，它們也可能會(huì)盜用其他廠商申請(qǐng)的 MAC 地址;
• 保證 MAC 地址在局域網(wǎng)中唯一就不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，不同局域網(wǎng)中的 MAC 地址可以相同;

上述的結(jié)論不是說(shuō)全球唯一的 MAC 地址沒(méi)有意義，與此相反，我們應(yīng)該盡可能保證 MAC 地址的唯一，這樣在組建局域網(wǎng)時(shí)才不需要手動(dòng)確認(rèn)所有設(shè)備的 MAC 地址，減少網(wǎng)絡(luò)工程師的工作量。到最后，我們還是來(lái)看一些比較開(kāi)放的相關(guān)問(wèn)題，有興趣的讀者可以仔細(xì)思考一下下面的問(wèn)題：

• MAC 地址和 IP 地址之間有什么樣的關(guān)系?
• 為什么我們有了 MAC 地址還需要 IP 地址?