一、长度和范围成正比

三种地址排在一起：

第一行和第三行是两个极端：MAC 只管一段链路，端口号只管一台机器里的一个程序， 而 IP 管到地球另一端。 位数刚好也是「中间大两头小」——这不是巧合，是「管得越宽，要编的号越多」。 但要注意「端口号 16 位」为什么够用：它只在「一台主机内部」区分程序，65535 个就绰绰有余。 如果要求「全球唯一」，16 位早就不够了——所以「位数够不够」永远要相对「作用域」来说。

二、为什么 IP 要管这么宽

因为它要解决的是「跨网络」的问题： 两台设备如果不在同一个网络里，MAC 根本看不到对方—— 它们之间隔着路由器，而路由器不转发「只带 MAC 的帧」。 所以必须有一个「跨网络也能用」的地址，这就是 IP。 它的设计目标是「唯一标识一台主机在互联网里的位置」，而不是「唯一标识这块网卡」。 这个区别带来一个后果：设备换位置，IP 就要换；但 MAC 不用换。 所以「IP 是位置、MAC 是身份」这个类比是很准的。 还有一层意思：IP 地址不是「设备的属性」，是「接口的属性」。 一台路由器有多个接口，就有多个 IP——所以「一台机器一个 IP」这个印象是错的， 本机既有 127.0.0.1，也有 192.168.3.152。

三、128 位为什么不算浪费

把两个地址空间算一遍：

第二行那个数大到没有直觉：它能切出 1.8 乘 10 的 19 次方个 /64 网段， 摊到地球 5.1 亿平方公里的表面上，每平方米能分到 3.6 万个。 所以「128 位是不是太多了」这个问题，答案是「按需算完全不多」。 一个 /64 里要装 1.8 乘 10 的 19 次方台设备，这个「每网段大到用不完」的设计是故意的。 因为「地址自动配置」需要「接口标识占满 64 位」，而 64 位正好能放进 MAC 地址（EUI-64）。 所以位数不是「估算出来的」，是「结构决定的」。 顺带说一句「为什么不是 64 位」：如果只有 64 位，前半 32 位做网络、后半 32 位做主机， 每个网段只能装 43 亿台，对「给每盏路灯编号」这种场景是够的，但「浪费一点换简单」更划算。 工程上，「够用到永远不用再改」比「刚好够用」值钱得多。

四、动手 Demo：IP 是第 3 层地址，MAC 是第 2 层地址

把三种地址的长度与作用域摆在一起，再算一遍 IPv4 与 IPv6 的差距。 注意最后一个数：每平方米能分到 3.6 万个 /64 网段。

v4, v6 = 2 ** 32, 2 ** 128
print('IPv4 %d 个，IPv6 %.2e 个' % (v4, v6))
print('比值 %.2e' % (v6 / v4))
print('IPv6 能切 %.2e 个 /64 网段' % (v6 / 2 ** 64))
print('每平方米 %.0f 个' % (v6 / 2 ** 64 / 5.1e14))

实跑输出：

--------------------------------------------------------------------
IP 是第 3 层地址，MAC 是第 2 层地址
--------------------------------------------------------------------
**同一个地址「属于第几层」，看它「能管多远」就够了。**
**MAC 只管一段链路，IP 管到地球另一端。**

  地址             长度          管辖范围
  ------------------------------------------------
  **MAC 地址**     **48 位**     **一段链路**
  **IP 地址**      **32 位**     **整个互联网**
  端口号           16 位         **一台主机内部**

**地址长度和管辖范围是正相关的**：**管得越远，要编的号越多，位数就越长。**
**所以「IPv6 用 128 位」不是浪费，是「要给地球上每一粒沙子编号」的代价。**

**算一下两个地址空间差多少**：
**IPv4 有 4294967296 个（约 43 亿），IPv6 有 3.40e+38 个。**
**两者相比得 7.92e+28**——**也就是说，每一个 IPv4 地址，对应着 8 后面 28 个零个 IPv6 地址。**
**换个更实在的算法：IPv6 能切出 1.84e+19 个 /64 网段，而地球表面积约 5.1 亿平方公里。**
**摊下来每平方米能分到 36170 个 /64 网段**——**一个 /64 里又能装 1.8e19 台设备。**
**所以结论只需要记一句：**
**IPv6 的地址不是「够用」，是「根本用不完」。**

「每平方米 3.6 万个 /64」这个数值得记住： 它说明 IPv6 的设计目标不是「够用」，是「永远不用再数地址」。 这背后有个教训：IPv4 当年也觉得「43 亿够用一辈子」， 结果 30 年就分完了——因为「每人一台电脑」变成了「每人十个设备」。 「一个接口一个 IP」这件事在 IPv6 里更明显： 一台机器同时有链路本地地址、全局地址、临时地址， 所以「我的 IP 是多少」这个问题在 IPv6 下要反问「你要问哪一个」。 这不是设计混乱，是「不同用途用不同地址」的分工。 最后补一个常见误解：「IP 地址唯一」只在「同一时刻、同一个作用域内」成立。 私有地址 192.168.3.152 在全球有几百万个， 但它们不在同一个「公网作用域」里——所以「唯一」这件事永远要加限定词。

30 秒实验

1. 算一下：2 的 64 次方大约是多少？
2. 想一下：为什么 IPv6 把接口标识定成 64 位，而不是 48 位？
3. 在你电脑上看一眼有几个 IP 地址（ipconfig）。

常见误区

1. 以为「一台机器只有一个 IP」。 一个接口一个 IP，一台机器常常有好几个。
2. 以为「MAC 短所以只能管本地」。 MAC 是 48 位，比 IP 的 32 位长， 限制在本地是因为不可聚合。
3. 以为「IPv6 的 128 位是浪费」。 它是结构决定的：接口标识占满 64 位才能自动配置。

下一节看路由控制：包怎么知道该往哪走。

• ☐ （本节完，下一节 4.2.2 路由控制）

相关笔记

• 路由控制
• IP相当于OSI参考模型的第3层
• 📚 图解TCP／IP · 索引