一、一个包在路上

把一次「从你的电脑到服务器」拆开看，变化的东西只有一样：

第三列一直在换，第四列一直没动：这就是「链路层地址只管这一段」的直接证据。 每过一台路由器，链路层头就被拆掉重写一遍，而 IP 头从头到尾是同一个。 所以「经过的跳数越多，链路层越忙，网络层越省」： 中间设备只需要看它该看的那一层——交换机看 MAC，路由器看 IP，各干各的。

二、分界线的准确位置

三层各管什么，一句话能说清：

第一行的「一段链路」是精确的说法：不是「一个网段」，是「一条物理上能直达的信道」。 所以两台主机之间如果隔了一台路由器，它们就不在「一段链路」上——哪怕 IP 网段是同一个。 第二行的「整条路径」也是精确的：IP 地址从源到目的都不变， 所以它描述的其实是「终点」，而不是「怎么走」。 「怎么走」是路由表的事——同一对源和目的，换个时间可能走不同的路，但 IP 头是一样的。

三、为什么这样分

分成两层的收益只有一条，但足够大：中间设备不用知道全局。 交换机只需要一张 MAC 表，不用知道互联网有几十亿个地址； 路由器只需要一张路由表，不用记住每台主机的 MAC。 如果只有一个地址体系会怎样： 要么所有设备都用 MAC 寻址，那路由器就得存下全球每一块网卡的地址（不可能）； 要么所有设备都用 IP 寻址，那每次换网卡都要改 IP（也不合理）。 所以这条分界线的本质是「信息的分布」：MAC 是硬件出厂就定好的、不可聚合的编号； IP 是可以按前缀聚合的、有层次的编号。 只有「可聚合」，路由器才可能用一张几千条的表覆盖整个互联网。 顺带说一句「第 3 层」这个编号：OSI 的七层里，网络层是第三层， 所以「三层设备」指的就是路由器，「二层设备」指交换机—— 这两个说法在工程里天天用，来源就在这里。

四、动手 Demo：一个包在路上，哪一层在变

把一次跨三台路由器的传输摊开，看每一段用的是哪个地址。 注意最后一列：IP 头从头到尾「不变」。

hops = [('主机 A 网卡', '9C-B6-..-0F', '路由器 1'),
        ('路由器 1 出', '路由器 1 右口', '路由器 2'),
        ('路由器 2 出', '路由器 2 右口', '服务器')]
for where, src, dst in hops:
    print('%-14s 源 MAC %-12s 目的 MAC %-10s IP 头 不变'
          % (where, src, dst))
print('链路层头重写 %d 次，IP 头重写 0 次' % len(hops))

实跑输出：

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一个包在路上，哪一层在变
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**同一个包从你的电脑到服务器，IP 头只被「看」不被改，而链路层的头每过一台路由器就要换一次。**
**这就是「第 3 层管终点、第 2 层管这一跳」的具体样子。**

  位置            这段的源 MAC      这段的目的 MAC     IP 头
  --------------------------------------------------------------
  主机 A 网卡     9C-B6-..-0F       路由器 1           **不变**
  路由器 1 进     路由器 1 左口     路由器 1           **不变**
  路由器 1 出     路由器 1 右口     路由器 2           **不变**
  路由器 2 出     路由器 2 右口     服务器             **不变**

**第三列一直在换，这才是「第 2 层地址」的含义**：**它只在「这一段」有效，换一段就重写。**
**而第四列的 IP 头从头到尾没动**——**它是「终点地址」，路由器只查不改（NAT 除外）。**

**算一下这个包被改了几次**：
**链路层头重写 4 次，IP 头重写 0 次，TCP 头重写 0 次。**
**所以「经过的跳数越多，链路层越忙，网络层越省」**——
**这是分层最直接的收益：中间设备只需要看它该看的那一层。**

「路由器只查不改 IP 头」这句话有个例外要说清：NAT 会改，而且改得很彻底（源地址、 源端口都换）。所以严格说「IP 头不变」只在「没有 NAT」的前提下成立。 但 NAT 是「网络边缘的一次性改写」，不是「每一跳都改」—— 这个区别很重要，否则会把 NAT 和路由混为一谈。 还有一个会改 IP 头的设备：防火墙的「地址转换」和「代理」。 代理是「重新发一个请求」，连 TCP 连接都是新的，而 NAT 是「只改头部字段、连接还是那条」。 两者的区别在于「谁在维持状态」。 最后记一个术语：「逐跳转发」这个词就是这个机制的正式名字。 每一台路由器只负责「把包交给下一个更接近终点的设备」， 它不需要知道完整路径——这和「源路由」（把整条路径写进包里）是相反的两种设计。

30 秒实验

1. 想一下：如果只用 MAC 地址通信，路由器需要多大的表？
2. 想一下：为什么「IP 地址不变」这句话在 NAT 场景下要打折扣？
3. 在你电脑上 tracert 一个网站，数一下中间经过几台路由器。

常见误区

1. 以为「IP 地址每一跳都会变」。 不变，变的是链路层地址。变的那个叫 NAT。
2. 以为「MAC 只管一个网段」。 是「一段链路」，同一网段里隔了路由器就不算同一段链路。
3. 以为「分层是为了好看」。 是为了「中间设备不用知道全局」，这才是它能扩展的前提。

下一节把这两层的关系再拧紧一点：IP 和 MAC 怎么配对。

• ☐ （本节完，下一节 4.1.2 网络层与数据链路层的关系）

相关笔记

• 网络层与数据链路层的关系
• 数据链路的作用
• 📚 图解TCP／IP · 索引