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本章描述了使用網際網路協議版本 4 如何在網路上進行實際通訊。
網路中的資料包流程
IPv4 環境中的所有主機都分配了唯一的邏輯 IP 地址。當主機想要向網路上的另一個主機發送一些資料時，它需要目標主機的物理 (MAC) 地址。為了獲取 MAC 地址，主機廣播 ARP 訊息並請求提供目標 IP 地址所有者的 MAC 地址。該網段上的所有主機都會收到 ARP 資料包，但只有 IP 地址與 ARP 訊息中的 IP 地址匹配的主機才會回覆其 MAC 地址。傳送方收到接收站的 MAC 地址後，資料就會在物理介質上傳輸。
如果 IP 地址不屬於本地子網，則資料將透過子網閘道器傳送到目標。為了理解資料包流程，我們必須首先了解以下元件：
MAC 地址 - 媒體訪問控制地址是網路裝置的 48 位工廠硬編碼物理地址，可以唯一標識。此地址由裝置製造商分配。
地址解析協議 (ARP) - 地址解析協議用於獲取已知 IP 地址的主機的 MAC 地址。ARP 是一個廣播資料包，網路段中的所有主機都會收到。但只有 IP 地址在 ARP 中提及的主機才會響應它，並提供其 MAC 地址。
代理伺服器 - 為了訪問網際網路，網路使用分配了公共 IP 的代理伺服器。所有 PC 都向代理伺服器請求網際網路上的伺服器。代理伺服器代表 PC 向伺服器傳送請求，當它從伺服器收到響應時，代理伺服器會將其轉發到客戶端 PC。這是一種控制計算機網路中網際網路訪問的方法，它有助於實施基於 Web 的策略。
動態主機配置協議 (DHCP) - DHCP 是一種服務，主機從中預定義的地址池中分配 IP 地址。DHCP 伺服器還提供必要的的資訊，例如閘道器 IP、DNS 伺服器地址、IP 的租期等。透過使用 DHCP 服務，網路管理員可以輕鬆地管理 IP 地址的分配。
域名系統 (DNS) - 使用者很可能不知道他想要連線到的遠端伺服器的 IP 地址。但他知道分配給它的名稱，例如，tutorialpoints.com。當用戶鍵入想要連線到的遠端伺服器的名稱時，螢幕背後的本地主機會發送 DNS 查詢。域名系統是一種獲取已知域名主機的 IP 地址的方法。
網路地址轉換 (NAT) - 計算機網路中的幾乎所有 PC 都分配了私有 IP 地址，這些地址在網際網路上不可路由。一旦路由器收到帶有私有 IP 地址的 IP 資料包，它就會將其丟棄。為了訪問公共私有地址上的伺服器，計算機網路使用地址轉換服務，該服務在公共地址和私有地址之間進行轉換，稱為網路地址轉換。當 PC 從私有網路傳送 IP 資料包時，NAT 會將私有 IP 地址更改為公共 IP 地址，反之亦然。
現在我們可以描述資料包流程了。假設使用者想從她的個人電腦訪問 www.TutorialsPoint.com。她從她的 ISP 獲取網際網路連線。系統將採取以下步驟來幫助她訪問目標網站。
步驟 1 – 獲取 IP 地址 (DHCP)
當用戶的 PC 啟動時，它會搜尋 DHCP 伺服器以獲取 IP 地址。為此，PC 傳送 DHCPDISCOVER 廣播，子網上的一個或多個 DHCP 伺服器都會收到此廣播，它們都會響應 DHCPOFFER，其中包含所有必要的詳細資訊，例如 IP、子網、閘道器、DNS 等。PC 傳送 DHCPREQUEST 資料包以請求提供的 IP 地址。最後，DHCP 傳送 DHCPACK 資料包告訴 PC 它可以保留 IP 一段時間，這被稱為 IP 租期。
或者，可以手動為 PC 分配 IP 地址，而無需 DHCP 伺服器的任何幫助。當 PC 配置好 IP 地址詳細資訊後，它就可以與 IP 網路上的其他計算機通訊。
步驟 2 – DNS 查詢
當用戶開啟 Web 瀏覽器並鍵入 www.tutorialpoints.com（這是一個域名）時，PC 不知道如何使用域名與伺服器通訊，然後 PC 會在網路上傳送 DNS 查詢以獲取與域名相關的 IP 地址。預先配置的 DNS 伺服器會使用域名的 IP 地址響應查詢。
步驟 3 – ARP 請求
PC 發現目標 IP 地址不屬於其自身的 IP 地址範圍，它必須將請求轉發到閘道器。在這種情況下，閘道器可以是路由器或代理伺服器。儘管客戶端機器知道閘道器的 IP 地址，但計算機並不透過 IP 地址交換資料，而是需要機器的硬體地址，即第 2 層工廠編碼的 MAC 地址。為了獲取閘道器的 MAC 地址，客戶端 PC 廣播 ARP 請求，內容為“誰擁有此 IP 地址？”閘道器響應 ARP 查詢併發送其 MAC 地址。收到 MAC 地址後，PC 會將資料包傳送到閘道器。
IP 資料包同時具有源地址和目標地址，它在邏輯上將主機與遠端主機連線起來，而 MAC 地址則幫助單個網路段上的系統傳輸實際資料。重要的是，源 MAC 地址和目標 MAC 地址在網際網路上傳輸時會發生變化（逐段變化），但源 IP 地址和目標 IP 地址永遠不會改變。