引言
在前面的討論中，我們已經詳細介紹了計算機網路中的物理層、傳輸層和網路層以及應用層的工作原理。這些層次組成了一個完整的網路架構，確保了資料的傳輸和交流。在今天的討論中，我們將進一步深入探討資料包從計算機發出後的一系列流程，這涉及到網路裝置中的交換機和路由器在其中扮演的重要角色。
交換機
現在我們來詳細瞭解一下網路包是如何透過交換機進行傳輸的。交換機的設計理念是將網路包以原始的形式直接轉發到目標裝置。作為一個二層網路裝置，交換機在MAC層進行工作。
交換機的包接收操作
首先，當電訊號到達交換機的網線介面時，交換機內的模組會進行接收操作，將電訊號轉換為數字訊號。
接下來，透過對包末尾的FCS（Frame Check Sequence）校驗進行錯誤檢查，如果校驗透過，則將該包放入緩衝區。這一部分操作與計算機的網路卡類似，但是交換機的工作方式與網路卡有一些不同之處。
加長最佳化語句：計算機的網路卡本身具有唯一的MAC地址，並透過核對收到的資料包的目的MAC地址來判斷是否是發給自己的。如果目的MAC地址與自身網路卡的MAC地址匹配，那麼網路卡就會接收並處理這個資料包，否則就會丟棄。而與網路卡不同的是，交換機的埠並不會核對接收方的MAC地址，它直接接收所有的資料包，並將它們存放到緩衝區中。
在資料包存入緩衝區後，交換機會查詢MAC地址表，以查詢該資料包的接收方MAC地址是否已經在表中有記錄。交換機的MAC地址表主要包含兩個重要資訊：裝置的MAC地址和該裝置所連線在交換機的哪個埠上。透過這個表，交換機能夠快速地確定資料包應該轉發到哪個埠，從而實現資料的高效傳輸和網路的正常執行。
交換機內部擁有一張稱為MAC地址表的對映表，它記錄著各個裝置的MAC地址與連線的網線埠之間的對應關係。當交換機接收到一個資料包時，它會將該資料包中的源MAC地址和接收到該資料包的埠號寫入MAC地址表中。透過這樣的記錄，交換機就能夠根據MAC地址迅速判斷出該裝置連線在哪個埠上。
讓我們舉一個例子來說明交換機根據MAC地址表進行轉發的過程。假設我們收到一個資料包，其中的目的MAC地址是00-02-B3-1C-9C-F9。我們查詢MAC地址表，發現與表中的第3行的MAC地址匹配。根據該行的埠列資訊，我們知道這個地址連線在3號埠上。現在，交換機就可以透過內部的交換電路將這個資料包傳送到與3號埠相連的目標裝置上。
路由器
路由器與交換機的區別
網路包經過交換機後，現在到達了路由器，並在此被轉發到下一個路由器或目標裝置。這一步轉發的工作原理與交換機類似，同樣是透過查詢表來判斷包的轉發目標。然而，路由器和交換機在具體的操作過程上有一些區別。首先，路由器是基於IP設計的，被稱為三層網路裝置，它的各個埠都具有MAC地址和IP地址。而交換機是基於乙太網設計的，被稱為二層網路裝置，它的埠不具有MAC地址。因此，在路由器中，資料包的轉發是根據IP地址進行的，而在交換機中，資料包的轉發是根據MAC地址進行的。在轉發過程中，路由器會根據資料包的目標IP地址查詢路由表，確定下一跳的目標地址，並將資料包轉發給相應的路由器介面。這樣，路由器能夠將資料包從一個網路轉發到另一個網路。透過路由器和交換機的協同工作，網路中的資料能夠高效地進行轉發和交換，實現了網路的通訊和連線。
路由器基本原理
路由器的埠具有MAC地址，因此它可以作為乙太網的傳送方和接收方。與此同時，路由器也具有IP地址，這使得它在某種程度上與計算機的網路卡相似。
在轉發包時，路由器的埠首先會接收傳送給自己的乙太網包。然後，路由器會查詢路由表，確定轉發目標，並透過相應的埠作為傳送方將乙太網包傳送出去。這個過程類似於交換機的工作原理，但是與交換機不同的是，路由器不僅僅根據MAC地址來進行轉發，還會根據IP地址來進行路由決策。
路由器的包接收操作
首先，當電訊號到達網線介面部分時，路由器中的模組會將電訊號轉換成數字訊號，並透過包末尾的幀校驗序列（FCS）進行錯誤校驗，以確保接收到的資料包的完整性和準確性。
接下來，路由器會檢查資料包的MAC頭部，檢視接收方MAC地址是否與自身匹配。如果MAC地址匹配，則將資料包放入接收緩衝區中，以便進一步處理。如果MAC地址不匹配，則路由器會立即丟棄這個資料包，因為它不屬於當前路由器的目標。
總體而言，路由器的每個埠都具有唯一的MAC地址，它只接收與自身MAC地址匹配的資料包，並將其路由到適當的目標。對於不匹配的資料包，路由器會立即丟棄，以確保網路中的資料傳輸高效且安全。
查詢路由表確定輸出埠
完成資料包的接收後，路由器將會剝離資料包開頭的MAC頭部。MAC頭部的主要作用是將資料包傳遞給路由器，其中接收方MAC地址對應的就是路由器埠的MAC地址。因此，一旦資料包到達路由器，MAC頭部的任務就完成了，隨後便會被丟棄。
接下來，路由器會根據MAC頭部後方的IP頭部中的內容執行資料包的轉發操作。轉發操作分為幾個階段，首先是透過查詢路由表來判斷轉發的目標。
根據上圖的具體工作流程，舉個例子來說明。假設一個地址為10.10.1.101的計算機想要向一個地址為192.168.1.100的伺服器傳送一個包，這個包首先會到達圖中的路由器。
第一步是判斷轉發目標，根據包的接收方IP地址查詢路由表中的目標位址列，以找到相匹配的記錄。
路由匹配的方式與之前講過的相同，每個條目的子網掩碼與192.168.1.100 IP地址進行按位與運算，得到的結果與對應條目的目標地址進行匹配。如果匹配成功，該條目就會作為候選轉發目標，如果不匹配，則繼續與下一個條目進行路由匹配。
舉個例子，假設第二條目的子網掩碼是255.255.255.0，與192.168.1.100 IP地址進行按位與運算後得到的結果是192.168.1.0。這個結果與第二條目的目標地址192.168.1.0匹配，因此第二條目記錄將被選作轉發目標。
如果無法找到匹配的路由，就會選擇預設路由。在路由表中，子網掩碼為0.0.0.0的記錄表示"預設路由"。
路由器的傳送操作
接下來，我們將進入包的傳送操作。在傳送之前，我們需要根據路由表中的閘道器列來確定包的目標地址。
如果閘道器是一個IP地址，那麼這個IP地址就是我們要轉發到的目標地址。這意味著包還沒有到達終點，我們需要繼續將其轉發到下一個路由器。
如果閘道器為空，那麼IP頭部中的接收方IP地址就是我們要轉發到的目標地址。這意味著我們終於找到了IP包頭中的目標地址，說明包已經到達了終點。
在確定了對方的IP地址之後，下一步是使用ARP協議來查詢對應的MAC地址，並將查詢結果作為接收方的MAC地址。路由器也有自己的ARP快取，因此首先會在ARP快取中查詢對應的MAC地址。如果在快取中找不到，則會傳送ARP查詢請求。接下來是傳送方的MAC地址欄位，這裡會填寫輸出埠的MAC地址。還有一個以太型別欄位，會填寫0080（十六進位制）來表示IP協議。
網路包傳送完成後，將被轉換成電訊號，並透過埠傳送出去。這個過程與計算機的工作方式非常相似。
傳送出去的網路包會經過交換機傳輸，以達到下一個路由器。由於接收方的MAC地址就是下一個路由器的地址，因此交換機會根據這個MAC地址將包傳輸到下一個路由器。
接下來，下一個路由器會將包轉發給再下一個路由器，透過層層轉發，網路包最終到達目的地。
你可能已經注意到，在網路包傳輸的過程中，源IP和目標IP始終保持不變，而MAC地址是不斷變化的。這是因為在乙太網內進行裝置之間的包傳輸時，需要使用MAC地址來識別和定位裝置。
伺服器和客戶端
當資料包到達伺服器時，伺服器會感到非常高興，就像迎接遠方朋友一樣，充滿了喜悅的心情。它迫不及待地開始解析資料包，就像你收到快遞一樣，難以抑制內心的興奮。
當資料包抵達伺服器後，伺服器首先會扒開資料包的MAC頭部，檢查是否與伺服器自身的MAC地址匹配，如果匹配，伺服器會接收該資料包。接著，伺服器會繼續扒開資料包的IP頭部，發現IP地址與伺服器的IP地址匹配，然後根據IP頭部中的協議欄位，確定上層協議是TCP。
伺服器會繼續扒開TCP頭部，其中包含了序列號，伺服器需要確認這個序列號是否符合預期，如果是，伺服器會將該資料包放入快取，併傳送一個ACK確認。如果不符合預期，則伺服器會丟棄該資料包。TCP頭部還包含埠號，HTTP伺服器正在監聽該埠號，因此伺服器知道該資料包是由HTTP程式需要的，於是將資料包傳遞給HTTP程式。
伺服器的HTTP程式接收到資料包後，發現這個請求是用於訪問一個網頁，於是將該網頁封裝在HTTP響應報文中。HTTP響應報文需要經過TCP、IP和MAC頭部的封裝，源地址為伺服器的IP地址，目的地址為客戶端的IP地址。完成頭部的封裝後，資料包從伺服器的網路卡出發，透過交換機轉發到離開城市的路由器。路由器將響應資料包轉發給下一個路由器，如此往復進行直到到達客戶端的城門把手的路由器。該路由器扒開IP頭部後發現要將資料包交給城內的人，於是將資料包傳送到城內的交換機，再由交換機轉發到客戶端。
客戶端收到伺服器的響應資料包後，同樣感到非常高興，就像客戶收到快遞一樣。於是，客戶端開始扒開資料包的"皮"，將接收到的資料包的"皮"扒剩下HTTP響應報文，然後將其交給瀏覽器進行頁面渲染，最終展示出一份特別的資料包快遞。
最後，客戶端準備離開，向伺服器發起TCP四次揮手，雙方的連線隨之斷開。這樣，整個過程就完美地結束了。
總結
計算機網路中的交換機和路由器扮演了重要的角色，確保了資料的高效傳輸和網路的正常執行。交換機在MAC層進行工作，將資料包根據目的MAC地址轉發到相應的埠，利用MAC地址錶快速確定資料包的接收方。而路由器是基於IP設計的三層網路裝置，根據IP地址進行轉發決策，將資料包從一個網路轉發到另一個網路。最後，資料包經過伺服器和客戶端的互動，實現了Web頁面的展示。