mac地址、IP地址和端口号
看了很多遍，才整理出来我对整个通信过程的理解，大致如下，后期会不断学习补充更正：
在利用TCP/IP协议族进行通信的时候，有三个比较关键的确认身份的信息：mac地址、IP地址和端口号。
- mac地址是在数据链路层包裹在以太网头部中的，它主要用来识别同一个链路中的不同计算机。Mac地址即网卡号，每块网卡出厂的时候，都有一个全世界独一无二的 MAC 地址，长度是 48 个二进制位，通常用 12 个十六进制数表示。
- IP地址是在网络层的IP头部里，用于识别网络中互联的主机和路由器，其实主要是确认子网，通过子网掩码确认某个IP地址所在的子网，而后再在子网内部确认mac地址就能找到准确的用户了。
- 端口号是在传输层包含在TCP/UDP头部中的，用于识别应用程序。一台主机上能运行多个程序，那么接收到的消息到底是哪个程序的呢？就需要端口号来确认。
端口号有两种：
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- 固定的端口号，是形如http,telnet,ftp等广为使用的应用协议所使用的端口号是固定的
- 动态分配的端口号，这个时候服务端要确定监听端口号，接受服务的客户端没必要确定端口号
端口号由传输层协议决定，因此不容传输协议可以使用相同的端口号，所以TCP和UDP可以使用同一个端口号
例如，主机A向主机B利用发送了一条消息，则在TCP head里包含了发送消息的应用的端口号以及接收方应用的端口号，传递给它的下一层，网络层会将TCP数据包封装起来再加自己的头部，IP头部里包含本地IP以及接收方IP等信息传递给数据链路层。数据链路层会再给加一个以太网头部，这里包含双方的mac地址。那么对方IP和端口号都好得到，可是mac地址如何获得呢？这个时候需要ARP协议，这个暂且不说，直说在已知mac地址和IP地址端口号情况下如何发送消息。
首先以太网数据包会在其子网内部广播，如果接收方在其子网内，则在比对mac地址后直接接收数据。如果不在同一个子网内，以太网协议就不能实现数据传输了，而且因为以太网协议采取广播的方式发送消息，就算没有局限在子网内，如果给非常庞大的主机群广播消息是非常可怕的。这个时候就需要IP地址了，IP地址主要是用来区分哪些mac地址在同一个子网。找到目的主机所在子网之后再根据mac地址确认主机，IP层从IP首部确定数据包所用的协议之后将数据包交给对应的协议，再由协议来确认程序的端口号，从而实现了消息的传递
转载于：https://www.cnblogs.com/Chilly2015/p/5720670.html
一、ARP在同个网段下的工作原理
首先，每台主机都会在自己的ARP缓冲区中建立一个 ARP列表，以表示IP地址和MAC地址的对应关系。当源主机需要将一个数据包要发送到目的主机时，会首先检查自己 ARP列表中是否存在该 IP地址对应的MAC地址，如果有，就直接将数据包发送到这个MAC地址；如果没有，就向本地网段发起一个ARP请求的广播包，查询此目的主机IP地址对应的MAC地址。此ARP请求数据包里包括源主机的IP地址、MAC地址、以及目的主机的IP地址。网络中所有的主机收到这个ARP请求后，会检查数据包中的目的IP是否和自己的IP地址一致。如果不相同就忽略此数据包；如果相同，该主机首先将发送端的MAC地址和IP地址添加到自己的ARP列表中，如果ARP表中已经存在该IP的信息，则将其覆盖，然后给源主机发送一个 ARP响应数据包，告诉对方自己是它需要查找的MAC地址；源主机收到这个ARP响应数据包后，将得到的目的主机的IP地址和MAC地址添加到自己的ARP列表中，并利用此信息开始数据的传输。如果源主机一直没有收到ARP响应数据包，表示ARP查询失败。
例如：
A的地址为：IP：192.168.10.1 MAC: AA-AA-AA-AA-AA-AA
B的地址为：IP：192.168.10.2 MAC: BB-BB-BB-BB-BB-BB
根据上面的所讲的原理，我们简单说明这个过程：A要和B通讯，A就需要知道B的以太网地址，于是A发送一个ARP请求广播（谁是192.168.10.2 ，请告诉192.168.10.1），当B收到该广播，就检查自己，结果发现和自己的一致，然后就向A发送一个ARP单播应答（192.168.10.2 在BB-BB-BB-BB-BB-BB）。
二、局域网中跨网段主机间通讯
不同网段的主机通信时，主机会封装网关（通常是路由器）的mac地址，然后主机将数据发送给路由器，后续路由进行路由转发，通过arp解析目标地址的mac地址，然后将数据包送达目的地。具体过程分析如下：
如上图，主机A、B通过路由器连接，属于两个不同的网段子网掩码24（255.255.255.0）
1、主机A有数据发往主机B，数据封装IP之后发现没有主机B的mac地址；然后查询ARP，ARP回应：“我在192.168.3.0/24网段，目标地址在192.168.4.0/24,不属于同一网段，需要使用默认网关”；ARP发现默认网关是192.168.3.2，但是没有网关mac地址，需要先进行查询；
2、主机A将数据包先放到缓存中，然后发送ARP查询报文：封装自己的mac地址为源mac，目标mac地址写全F的广播地址，请求网关192.168.3.2的mac地址。然后以广播方式发送出去；
3、路由器收到广播数据包，首先将原192.168.3.1添加到自己的mac地址表中，对应mac地址为0800.0222.2222。路由发现是请求自己的mac地址，然后路由回复一个ARP应答：封装自己的IP地址为源IP自己的mac地址为源mac，主机A的IP为目的IP主机A的mac为目的mac，发送一个单播应答“我是192.168.3.2.我的mac地址为0800.0333.2222”；
4、主机收到应答后，将网关mac地址对应192.168.4.2（跨网关通信，其他网段IP地址的mac地址均为网关mac），然后将缓存中的数据包，封装网关mac地址进行发送；
5、路由收到数据包，检查目的IP地址，发现不是给自己的，决定要进行路由，然后查询路由表，需要发往192.168.4.0网段中的192.168.4.2地址。路由准备从相应接口上发出去，然后查询mac地址表，发现没有主机B的映射。路由器发送arp请求查询主机B的mac地址（原理同2、3步，主机B收到请求后首先会添加网关的mac地址，然后单播回复arp请求）；
6、路由器收到主机B的mac地址后，将其添加到路由mac地址表中，然后将缓存中的数据二层帧头去掉，封装自己的mac地址为源mac，主机B的mac地址为目的mac（源和目的IP地址不变），加上二层帧头及校验，发送给主机B；
7、主机B收到数据之后，进行处理，发送过程结束；
8、如果主机B收到数据后进行回复，主机B会进行地址判断，不在同一网段，然后决定将数据发送给网关，主机B查询mac地址表获得网关mac地址，将数据封装后发送（arp地址解析的过程不再需要了，mac地址表条目有一定的有效时间），网关收到数据后直接查询mac表，将二层帧mac地址更改为A的mac发送出去。如此，主机A收到主机B的回复；
综上在跨网段通信过程中有以下过程：
1、判断地址是否同一网段
2、查询目的IP地址的mac（发送arp请求）
此外需注意点：
1、ARP请求以广播发送、以单播回应
2、路由器隔离广播。每一个网段都是独立的广播域
3、跨越网段通信需要使用网关的mac地址
ps：如想深入分析，建议模拟环境，进行抓包操作，可以看到具体经历了哪些过程，有助于深入了解。
转载于：https://blog.csdn.net/qq_26122039/article/details/72887466
MAC地址的作用：
网络层使用ip地址寻找一台机器，数据链路层使用mac地址寻找一台机器。
IP地址本质上是终点地址，它在跳过路由器（hop）的时候不会改变，而MAC地址则是下一跳的地址，每跳过一次路由器都会改变。
这就是为什么还要用MAC地址的原因之一，它起到了记录下一跳的信息的作用。
注：一般来说IP地址经过路由器是不变的，不过NAT（Network address translation）例外，这也是有些人反对NAT而支持IPV6的原因之一。
最后结论是：
mac地址可以作为一个翻译，毕竟世界不止有英特网也有其他网络
在二层用arp协议实现mac地址和ip地址的映射，MAC地址也只是记录下一跳的信息
在三层使用ip地址传输数据，基本不用到mac地址。
信息传递时候，需要知道的其实是两个地址：
- 终点地址（Final destination address）
- 下一跳的地址（Next hop address）
IP地址本质上是终点地址，它在跳过路由器（hop）的时候不会改变，而MAC地址则是下一跳的地址，每跳过一次路由器都会改变。
这就是为什么还要用MAC地址的原因之一，它起到了记录下一跳的信息的作用。
反过来，为什么全球只有mac地址不能用于全球通信？问题在于mac地址和IP地址的汇聚性。mac地址是出厂就决定的，不是上网的时候决定的。也就是说intel设备或使用intel芯片的mac地址前面多少位是相同的，然后intel在给芯片分地址的时候保证所有的芯片没有重号的，这样才能保证随便哪个终端接入到同一个局域网中没有重复的。
这样问题就来了：网络上希望路由器的转发规则尽量简单，所以一般要用ip地址前多少位而不是整个IP地址去做转发。mac地址显然没法汇聚，前面已经讲过，工厂决定的。
给每个用户分配一个只由路由器网关决定的地址，每个网关上附着一个段，例如100.200.x.x，也就是所有以100.200开头的ip都送到这个网关上来，就可以保证internet转发规则的简单化。而且，一个用户从一个局域网离开，换到另一个局域网中，mac地址不需要变，只需要换个ip地址就行。转载于：https://blog.csdn.net/cabing2005/article/details/52810520