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本章描述了使用互联网协议版本 4 如何在网络上进行实际通信。
网络中的数据包流程
IPv4 环境中的所有主机都分配了唯一的逻辑 IP 地址。当主机想要向网络上的另一个主机发送一些数据时，它需要目标主机的物理 (MAC) 地址。为了获取 MAC 地址，主机广播 ARP 消息并请求提供目标 IP 地址所有者的 MAC 地址。该网段上的所有主机都会收到 ARP 数据包，但只有 IP 地址与 ARP 消息中的 IP 地址匹配的主机才会回复其 MAC 地址。发送方收到接收站的 MAC 地址后，数据就会在物理介质上传输。
如果 IP 地址不属于本地子网，则数据将通过子网网关发送到目标。为了理解数据包流程，我们必须首先了解以下组件：
MAC 地址 - 媒体访问控制地址是网络设备的 48 位工厂硬编码物理地址，可以唯一标识。此地址由设备制造商分配。
地址解析协议 (ARP) - 地址解析协议用于获取已知 IP 地址的主机的 MAC 地址。ARP 是一个广播数据包，网络段中的所有主机都会收到。但只有 IP 地址在 ARP 中提及的主机才会响应它，并提供其 MAC 地址。
代理服务器 - 为了访问互联网，网络使用分配了公共 IP 的代理服务器。所有 PC 都向代理服务器请求互联网上的服务器。代理服务器代表 PC 向服务器发送请求，当它从服务器收到响应时，代理服务器会将其转发到客户端 PC。这是一种控制计算机网络中互联网访问的方法，它有助于实施基于 Web 的策略。
动态主机配置协议 (DHCP) - DHCP 是一种服务，主机从中预定义的地址池中分配 IP 地址。DHCP 服务器还提供必要的的信息，例如网关 IP、DNS 服务器地址、IP 的租期等。通过使用 DHCP 服务，网络管理员可以轻松地管理 IP 地址的分配。
域名系统 (DNS) - 用户很可能不知道他想要连接到的远程服务器的 IP 地址。但他知道分配给它的名称，例如，tutorialpoints.com。当用户键入想要连接到的远程服务器的名称时，屏幕背后的本地主机会发送 DNS 查询。域名系统是一种获取已知域名主机的 IP 地址的方法。
网络地址转换 (NAT) - 计算机网络中的几乎所有 PC 都分配了私有 IP 地址，这些地址在互联网上不可路由。一旦路由器收到带有私有 IP 地址的 IP 数据包，它就会将其丢弃。为了访问公共私有地址上的服务器，计算机网络使用地址转换服务，该服务在公共地址和私有地址之间进行转换，称为网络地址转换。当 PC 从私有网络发送 IP 数据包时，NAT 会将私有 IP 地址更改为公共 IP 地址，反之亦然。
现在我们可以描述数据包流程了。假设用户想从她的个人电脑访问 www.TutorialsPoint.com。她从她的 ISP 获取互联网连接。系统将采取以下步骤来帮助她访问目标网站。
步骤 1 – 获取 IP 地址 (DHCP)
当用户的 PC 启动时，它会搜索 DHCP 服务器以获取 IP 地址。为此，PC 发送 DHCPDISCOVER 广播，子网上的一个或多个 DHCP 服务器都会收到此广播，它们都会响应 DHCPOFFER，其中包含所有必要的详细信息，例如 IP、子网、网关、DNS 等。PC 发送 DHCPREQUEST 数据包以请求提供的 IP 地址。最后，DHCP 发送 DHCPACK 数据包告诉 PC 它可以保留 IP 一段时间，这被称为 IP 租期。
或者，可以手动为 PC 分配 IP 地址，而无需 DHCP 服务器的任何帮助。当 PC 配置好 IP 地址详细信息后，它就可以与 IP 网络上的其他计算机通信。
步骤 2 – DNS 查询
当用户打开 Web 浏览器并键入 www.tutorialpoints.com（这是一个域名）时，PC 不知道如何使用域名与服务器通信，然后 PC 会在网络上发送 DNS 查询以获取与域名相关的 IP 地址。预先配置的 DNS 服务器会使用域名的 IP 地址响应查询。
步骤 3 – ARP 请求
PC 发现目标 IP 地址不属于其自身的 IP 地址范围，它必须将请求转发到网关。在这种情况下，网关可以是路由器或代理服务器。尽管客户端机器知道网关的 IP 地址，但计算机并不通过 IP 地址交换数据，而是需要机器的硬件地址，即第 2 层工厂编码的 MAC 地址。为了获取网关的 MAC 地址，客户端 PC 广播 ARP 请求，内容为“谁拥有此 IP 地址？”网关响应 ARP 查询并发送其 MAC 地址。收到 MAC 地址后，PC 会将数据包发送到网关。
IP 数据包同时具有源地址和目标地址，它在逻辑上将主机与远程主机连接起来，而 MAC 地址则帮助单个网络段上的系统传输实际数据。重要的是，源 MAC 地址和目标 MAC 地址在互联网上传输时会发生变化（逐段变化），但源 IP 地址和目标 IP 地址永远不会改变。