即时通讯基础（一）

当Bob给Andy发送了一条消息时，这个过程中发生了什么？
本文只介绍基础功能，如果需要细致了解，请参考https://www.wikipedia.org/

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总的来说，是将Bob发送的消息序列化后，从应用层到链接层依次拼接标头，构成一个完整的数据包，在实体层中经过模数转换以电信号的形式发送给Andy。

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• 实体层：电路信号的控制、电压范围控制等；
• 链路层：负责编解码电路信号，封装成帧，头部主要有mac地址；
• 网络层：在mac地址基础上，增加IP地址，和简单的校验机制；
• 传输层：用户做传输控制，对应有端口，传输层的主要协议有TCP和UDP；
• 应用层：负责与用户交互。

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互联网非常庞大，在无数子网络和计算机中，Bob是如何准确的找到Andy的呢？
以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有网卡接口。因此数据包只要能从Bob的网卡传递到Andy的网卡中，那么就实现了基本的通讯。为了寻找Andy的网卡，我们必须知道：MAC地址 和 IP地址。

这里先介绍几个概念：

• MAC地址：网卡的出厂编号，长度是48个二进制位，通常用12个十六进制数表示。
• IP地址：定义网络地址，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。
• 路由协议，是一种指定数据包转送方式的网络协议。Internet网络的主要节点设备是路由器，路由器通过路由表来转发接收到的数据。转发策略可以是人工指定的静态路由、策略路由等方法。
• ARP协议，一种通过IP地址来获取MAC地址的协议，发出一个数据包（包含在以太网数据包中），其中包含它所要查询主机的IP地址，在对方的MAC地址这一栏，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示这是一个"广播"地址。它所在子网络的每一台主机，都会收到这个数据包，从中取出IP地址，与自身的IP地址进行比较。如果两者相同，都做出回复，向对方报告自己的MAC地址，否则就丢弃这个包。

通常情况下，Andy的IP地址是已知的，那么就存在两种情况：
1.两人在同一个子网络下，那么我们可以用ARP协议，得到对方的MAC地址。
2.两人不在同一个子网络下，那么事实上没有办法得到对方的MAC地址，只能把数据包传送到两个子网络连接处的网关，让网关通过路由协议去转发。

判断两个IP是否在同一网络，可通过子网掩码和IP地址AND运算，计算结果相同则为同一网络。

有了MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。

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接下来的问题是，同一台主机上有许多程序都需要用到网络，比如，你一边浏览网页，一边与朋友在线聊天。当一个数据包从互联网上发来的时候，你怎么知道，它是表示网页的内容，还是表示在线聊天的内容？

也就是说，我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用。这个参数就叫做端口（port），它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。

端口是0到65535之间的一个整数，正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用，用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天，应用程序会随机选用一个端口，然后与服务器的相应端口联系。

传输层的功能，就是建立端口到端口的通信。相比之下，网络层的功能是建立主机到主机的通信。只要确定主机和端口，我们就能实现程序之间的交流。因此，Unix系统就把主机+端口，叫做套接字（socket）。有了它，就可以进行网络应用程序开发了。

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参考链接：
https://www.wikipedia.org/
http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/05/internet_protocol_suite_part_i.html