引言

在前面的讨论中，我们已经详细介绍了计算机网络中的物理层、传输层和网络层以及应用层的工作原理。这些层次组成了一个完整的网络架构，确保了数据的传输和交流。在今天的讨论中，我们将进一步深入探讨数据包从计算机发出后的一系列流程，这涉及到网络设备中的交换机和路由器在其中扮演的重要角色。

交换机

现在我们来详细了解一下网络包是如何通过交换机进行传输的。交换机的设计理念是将网络包以原始的形式直接转发到目标设备。作为一个二层网络设备，交换机在MAC层进行工作。

交换机的包接收操作

首先，当电信号到达交换机的网线接口时，交换机内的模块会进行接收操作，将电信号转换为数字信号。

接下来，通过对包末尾的FCS（Frame Check Sequence）校验进行错误检查，如果校验通过，则将该包放入缓冲区。这一部分操作与计算机的网卡类似，但是交换机的工作方式与网卡有一些不同之处。

加长优化语句：计算机的网卡本身具有唯一的MAC地址，并通过核对收到的数据包的目的MAC地址来判断是否是发给自己的。如果目的MAC地址与自身网卡的MAC地址匹配，那么网卡就会接收并处理这个数据包，否则就会丢弃。而与网卡不同的是，交换机的端口并不会核对接收方的MAC地址，它直接接收所有的数据包，并将它们存放到缓冲区中。

在数据包存入缓冲区后，交换机会查询MAC地址表，以查找该数据包的接收方MAC地址是否已经在表中有记录。交换机的MAC地址表主要包含两个重要信息：设备的MAC地址和该设备所连接在交换机的哪个端口上。通过这个表，交换机能够快速地确定数据包应该转发到哪个端口，从而实现数据的高效传输和网络的正常运行。

交换机内部拥有一张称为MAC地址表的映射表，它记录着各个设备的MAC地址与连接的网线端口之间的对应关系。当交换机接收到一个数据包时，它会将该数据包中的源MAC地址和接收到该数据包的端口号写入MAC地址表中。通过这样的记录，交换机就能够根据MAC地址迅速判断出该设备连接在哪个端口上。

让我们举一个例子来说明交换机根据MAC地址表进行转发的过程。假设我们收到一个数据包，其中的目的MAC地址是00-02-B3-1C-9C-F9。我们查找MAC地址表，发现与表中的第3行的MAC地址匹配。根据该行的端口列信息，我们知道这个地址连接在3号端口上。现在，交换机就可以通过内部的交换电路将这个数据包发送到与3号端口相连的目标设备上。

路由器

路由器与交换机的区别

网络包经过交换机后，现在到达了路由器，并在此被转发到下一个路由器或目标设备。这一步转发的工作原理与交换机类似，同样是通过查询表来判断包的转发目标。然而，路由器和交换机在具体的操作过程上有一些区别。首先，路由器是基于IP设计的，被称为三层网络设备，它的各个端口都具有MAC地址和IP地址。而交换机是基于以太网设计的，被称为二层网络设备，它的端口不具有MAC地址。因此，在路由器中，数据包的转发是根据IP地址进行的，而在交换机中，数据包的转发是根据MAC地址进行的。在转发过程中，路由器会根据数据包的目标IP地址查询路由表，确定下一跳的目标地址，并将数据包转发给相应的路由器接口。这样，路由器能够将数据包从一个网络转发到另一个网络。通过路由器和交换机的协同工作，网络中的数据能够高效地进行转发和交换，实现了网络的通信和连接。

路由器基本原理

路由器的端口具有MAC地址，因此它可以作为以太网的发送方和接收方。与此同时，路由器也具有IP地址，这使得它在某种程度上与计算机的网卡相似。

在转发包时，路由器的端口首先会接收发送给自己的以太网包。然后，路由器会查询路由表，确定转发目标，并通过相应的端口作为发送方将以太网包发送出去。这个过程类似于交换机的工作原理，但是与交换机不同的是，路由器不仅仅根据MAC地址来进行转发，还会根据IP地址来进行路由决策。

路由器的包接收操作

首先，当电信号到达网线接口部分时，路由器中的模块会将电信号转换成数字信号，并通过包末尾的帧校验序列（FCS）进行错误校验，以确保接收到的数据包的完整性和准确性。

接下来，路由器会检查数据包的MAC头部，查看接收方MAC地址是否与自身匹配。如果MAC地址匹配，则将数据包放入接收缓冲区中，以便进一步处理。如果MAC地址不匹配，则路由器会立即丢弃这个数据包，因为它不属于当前路由器的目标。

总体而言，路由器的每个端口都具有唯一的MAC地址，它只接收与自身MAC地址匹配的数据包，并将其路由到适当的目标。对于不匹配的数据包，路由器会立即丢弃，以确保网络中的数据传输高效且安全。

查询路由表确定输出端口

完成数据包的接收后，路由器将会剥离数据包开头的MAC头部。MAC头部的主要作用是将数据包传递给路由器，其中接收方MAC地址对应的就是路由器端口的MAC地址。因此，一旦数据包到达路由器，MAC头部的任务就完成了，随后便会被丢弃。

接下来，路由器会根据MAC头部后方的IP头部中的内容执行数据包的转发操作。转发操作分为几个阶段，首先是通过查询路由表来判断转发的目标。

根据上图的具体工作流程，举个例子来说明。假设一个地址为10.10.1.101的计算机想要向一个地址为192.168.1.100的服务器发送一个包，这个包首先会到达图中的路由器。

第一步是判断转发目标，根据包的接收方IP地址查询路由表中的目标地址栏，以找到相匹配的记录。

路由匹配的方式与之前讲过的相同，每个条目的子网掩码与192.168.1.100 IP地址进行按位与运算，得到的结果与对应条目的目标地址进行匹配。如果匹配成功，该条目就会作为候选转发目标，如果不匹配，则继续与下一个条目进行路由匹配。

举个例子，假设第二条目的子网掩码是255.255.255.0，与192.168.1.100 IP地址进行按位与运算后得到的结果是192.168.1.0。这个结果与第二条目的目标地址192.168.1.0匹配，因此第二条目记录将被选作转发目标。

如果无法找到匹配的路由，就会选择默认路由。在路由表中，子网掩码为0.0.0.0的记录表示"默认路由"。

路由器的发送操作

接下来，我们将进入包的发送操作。在发送之前，我们需要根据路由表中的网关列来确定包的目标地址。

如果网关是一个IP地址，那么这个IP地址就是我们要转发到的目标地址。这意味着包还没有到达终点，我们需要继续将其转发到下一个路由器。

如果网关为空，那么IP头部中的接收方IP地址就是我们要转发到的目标地址。这意味着我们终于找到了IP包头中的目标地址，说明包已经到达了终点。

在确定了对方的IP地址之后，下一步是使用ARP协议来查询对应的MAC地址，并将查询结果作为接收方的MAC地址。路由器也有自己的ARP缓存，因此首先会在ARP缓存中查询对应的MAC地址。如果在缓存中找不到，则会发送ARP查询请求。接下来是发送方的MAC地址字段，这里会填写输出端口的MAC地址。还有一个以太类型字段，会填写0080（十六进制）来表示IP协议。

网络包发送完成后，将被转换成电信号，并通过端口发送出去。这个过程与计算机的工作方式非常相似。

发送出去的网络包会经过交换机传输，以达到下一个路由器。由于接收方的MAC地址就是下一个路由器的地址，因此交换机会根据这个MAC地址将包传输到下一个路由器。

接下来，下一个路由器会将包转发给再下一个路由器，通过层层转发，网络包最终到达目的地。

你可能已经注意到，在网络包传输的过程中，源IP和目标IP始终保持不变，而MAC地址是不断变化的。这是因为在以太网内进行设备之间的包传输时，需要使用MAC地址来识别和定位设备。

服务器和客户端

当数据包到达服务器时，服务器会感到非常高兴，就像迎接远方朋友一样，充满了喜悦的心情。它迫不及待地开始解析数据包，就像你收到快递一样，难以抑制内心的兴奋。

当数据包抵达服务器后，服务器首先会扒开数据包的MAC头部，检查是否与服务器自身的MAC地址匹配，如果匹配，服务器会接收该数据包。接着，服务器会继续扒开数据包的IP头部，发现IP地址与服务器的IP地址匹配，然后根据IP头部中的协议字段，确定上层协议是TCP。

服务器会继续扒开TCP头部，其中包含了序列号，服务器需要确认这个序列号是否符合预期，如果是，服务器会将该数据包放入缓存，并发送一个ACK确认。如果不符合预期，则服务器会丢弃该数据包。TCP头部还包含端口号，HTTP服务器正在监听该端口号，因此服务器知道该数据包是由HTTP进程需要的，于是将数据包传递给HTTP进程。

服务器的HTTP进程接收到数据包后，发现这个请求是用于访问一个网页，于是将该网页封装在HTTP响应报文中。HTTP响应报文需要经过TCP、IP和MAC头部的封装，源地址为服务器的IP地址，目的地址为客户端的IP地址。完成头部的封装后，数据包从服务器的网卡出发，通过交换机转发到离开城市的路由器。路由器将响应数据包转发给下一个路由器，如此往复进行直到到达客户端的城门把手的路由器。该路由器扒开IP头部后发现要将数据包交给城内的人，于是将数据包发送到城内的交换机，再由交换机转发到客户端。

客户端收到服务器的响应数据包后，同样感到非常高兴，就像客户收到快递一样。于是，客户端开始扒开数据包的"皮"，将接收到的数据包的"皮"扒剩下HTTP响应报文，然后将其交给浏览器进行页面渲染，最终展示出一份特别的数据包快递。

最后，客户端准备离开，向服务器发起TCP四次挥手，双方的连接随之断开。这样，整个过程就完美地结束了。

总结

计算机网络中的交换机和路由器扮演了重要的角色，确保了数据的高效传输和网络的正常运行。交换机在MAC层进行工作，将数据包根据目的MAC地址转发到相应的端口，利用MAC地址表快速确定数据包的接收方。而路由器是基于IP设计的三层网络设备，根据IP地址进行转发决策，将数据包从一个网络转发到另一个网络。最后，数据包经过服务器和客户端的交互，实现了Web页面的展示。