主机发送IP数据包过程
当一个拥有公网IP的主机给其它主机发送IP数据包时，首先在IP首部封装自身IP地址（源IP）和目的主机的IP地址（目的IP），实现网络层数据的封装。接下来进行数据链路层封装，数据链路层数据帧的源MAC地址是本机MAC地址，但是目的主机的MAC地址主机并不知道，所以在完成数据链路层封装前必须知道目的MAC地址。
在TCP/IP协议族中，主机是通过ARP协议获取目的主机MAC地址的。假设主机A给其他主机发送IP数据，开始时主机A不知道目的主机的MAC地址，只知道目的主机的IP，主机A就发一个ARP请求帧，ARP帧的源IP是主机A的IP，目的IP是目的主机的IP，源MAC是主机A的MAC地址，目的MAC地址是广播地址。
然后这个ARP请求帧在内网中被广播，当其他主机收到这个ARP请求帧时，会查验请求帧中的目的IP地址是否是自己的IP地址，不是的话就丢弃。是的话，该主机（如主机B）就响应这个ARP请求，把自己的MAC地址发送给主机A。这样源主机A就可以完成数据链路层的封装。
如果目的主机是其他子网的主机，如主机D。那么路由器1收到ARP请求后，会判断出主机B属于其他子网，然后路由器1把自己的MAC地址发送给主机A，主机A以后再给主机D发IP数据时，目的MAC封装的是路由器1的MAC地址。
主机给其他主机发送IP数据前，会用本机的子网掩码与目标地址进行与运算，确定目标主机的IP地址与本机的IP地址是不是在同一个网段中。如果不在同一个网段则将IP数据包转发到网关，如果主机并不知道网关地址，主机还会通过发送ARP请求获得网关的MAC地址。然后主机将网关的MAC地址作为目的MAC地址，将数据发送给网关（路由器上的一个端口）。
如果目的IP地址与源主机的IP地址在同一个网段，源主机会查看自身ARP缓存，如果在缓存中查找到对应主机的MAC地址，就用该MAC地址作为目的MAC地址将数据发送出去。如果未查到目的主机的MAC地址，则源主机通过ARP广播获取目的主机的MAC地址，然后将数据发送出去。
当网关路由器接收到以太网数据帧时，如果发现目的MAC地址是自己，就会解封IP层数据获取目的IP地址，然后通过路由表和路由算法获取下一跳路由器的地址，然后将下一跳路由器MAC地址作为数据链路层的目的MAC地址，自身MAC地址作为源MAC地址，将数据转发到下一跳路由器。下一跳路由器收到数据帧后，重复上一跳路由器的操作，直到某个路由器发现目的IP地址是本网络的主机，就会将数据转发给目的主机。
当网关发现目的MAC地址不是自己时，就会查询MAC转发表，如果查询到MAC地址对应的物理端口，就会通过该物理端口将数据转发出去，目的主机就可以收到源主机的数据。
所以IP数据在转发的过程中，网络层的源IP地址和目的IP地址是保持不变的（NAT和RNAT协议除外），改变的是源MAC地址和目的MAC地址（在同一子网中，MAC地址也是保持不变的，只有跨网络时MAC地址才会改变）。