CPU：網(wǎng)卡老哥，你到底怎么工作的？

阿Q造訪

我是一個網(wǎng)卡，居住在一個機箱內(nèi)的主板上，負責整臺計算機的網(wǎng)絡(luò)通信，要是沒有我，這里就成了一個信息孤島了，那也太無聊了～

上個周末，服務器斷電維護了，這是我難得的休息時間，我準備打個盹兒瞇一會兒。

這才剛合上眼，CPU一號車間的阿Q跑過來串門了。

“怎么是你小子，聽說你背后說了我很多壞話??！今天怎么想起找我來了”

“網(wǎng)卡老哥，你這都聽誰造的謠，我想來拜訪你很久了，這不平時工作太忙抽不開身，今天停電了一有空就找你來了嘛！”，阿Q笑著說到。

“你可是大忙人，無事不登三寶殿，說吧，找我什么事兒”

阿Q露出了尷尬而不失禮貌的微笑，“那我就開門見山了，這不年底了嗎，咱們廠里最近評優(yōu)呢，想學點網(wǎng)絡(luò)知識，特來向你討教討教”

“就這啊，好說好說，來里邊坐”，我招待阿Q進門坐下。

剛剛落座，阿Q就忍不住提問：“老哥，你們網(wǎng)卡是怎么工作的？聽說你可以抓到別的主機通信的數(shù)據(jù)包？可以給我露一手嗎？”

“唉，現(xiàn)在不行了”，我嘆了一口氣。

“咋了這是？”

我抬頭凝望，開始給阿Q講起了我的故事。

集線器時代

很久很久以前，那時候網(wǎng)絡(luò)中的各個計算機都是通過一個叫集線器Hub的家伙來相連的，通過集線器，我們大家在物理上構(gòu)成了一個星型的網(wǎng)絡(luò)，還給取了個名字：以太網(wǎng)。那時候我們的傳輸速度能做到10Mbps，在那個年代，已經(jīng)非常了不起了！。

集線器這家伙，不知道該說他笨，還是該說他懶，他從來不會管數(shù)據(jù)是誰發(fā)給誰，只是一個沒有感情的轉(zhuǎn)發(fā)機器，工作在物理層，把收到的信號做一個增強處理后就一股腦的發(fā)給所有端口。

這樣一來，我們在邏輯上就變成了一個總線型網(wǎng)絡(luò)了?？偩€屬于公共資源，由所有連接在上面的主機共享，有人在傳輸數(shù)據(jù)的時候其他人就得等著，不然數(shù)據(jù)就會發(fā)生沖突，全亂套了。

為了讓大家都能和平共處，不必為了爭搶線路發(fā)生不愉快，我們制定了一套規(guī)則：CSMA/CD。

每次要發(fā)送數(shù)據(jù)之前，我都得要監(jiān)聽一下線路上是否空閑，如果有別人在傳輸數(shù)據(jù)，那我就得等待。至于等待多久，我也不知道，因為這是一個隨機值。

等到空閑的時候，我就可以發(fā)送數(shù)據(jù)了。不過一邊發(fā)送，我還得一邊檢測是否有沖突發(fā)生，因為說不定有別人跟我一樣以為現(xiàn)在空閑都在發(fā)送數(shù)據(jù)呢！

所以這就是CSMA/CD——載波偵聽多路訪問/沖突檢測名字的來歷了。

但是如果數(shù)據(jù)的長度太短，我很快就發(fā)送完了，結(jié)果先頭部隊還在路上，這之后再遇到?jīng)_突那我就發(fā)現(xiàn)不了了。為了應對這種情況，我們還得考慮即便是在極端情況下發(fā)生沖突，我們還是能夠檢測到。

我們這個網(wǎng)絡(luò)能夠支持的最遠距離是2500米，極端情況下，到達最遠端的時候沖突才發(fā)生。沖突信號得趕在我發(fā)送完最后一個bit之前傳回來，這一來一回就是5000米。

線路上的信號跑個來回需要57.6微秒，我們的傳輸速度是10Mbps，一個來回的時間我就能發(fā)送576bit，也就是72個字節(jié)，除開8個字節(jié)的幀前導符和幀開始符，剩下的以太網(wǎng)幀長度不能低于64個字節(jié)，這樣就算在最遠兩端發(fā)生的碰撞沖突都能及時傳遞回去被檢測到。

有了這套協(xié)議，大家再也不用爭搶，可以專心工作了。

“我說為什么非得要至少64字節(jié)你才發(fā)送，原來還有這段歷史呢！那你們具體是怎么收發(fā)數(shù)據(jù)的呢？”，說到這兒，阿Q打斷了我。

“那你聽我繼續(xù)給你說”

數(shù)據(jù)收發(fā)過程

我每天的工作就是接收、發(fā)送數(shù)據(jù)包，操作系統(tǒng)把數(shù)據(jù)交給我以后，我就按照以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)格式，把數(shù)據(jù)封裝成一個個的以太網(wǎng)幀發(fā)出去

幀的頭部有收件人和發(fā)件人的地址，我們叫它MAC地址，這是我們每個網(wǎng)卡的身份證號碼，從我們出生那一刻起就確定了。

發(fā)件人是我的MAC地址，但收件人地址我不知道啊！操作系統(tǒng)協(xié)議棧部門交給我的數(shù)據(jù)包只有IP地址，我們又不認識這個，我們收發(fā)數(shù)據(jù)幀只用MAC地址。

為了解決這個問題，我們又制定了一套協(xié)議：ARP，地址解析協(xié)議，來實現(xiàn)這兩個地址的轉(zhuǎn)換。在不知道IP對應的MAC地址時候，就發(fā)送一個廣播，這個廣播的發(fā)件人地址填我的，然后收件人地址是FF:FF:FF:FF:FF:FF，這是一個特殊的MAC地址，我們約定好了每個人收到廣播都要接收而不能丟棄。

這個廣播里面填了IP地址，誰收到以后發(fā)現(xiàn)跟自己的匹配上就來應答我，這樣我就能知道對方的MAC地址了，接下來就能通信了。

當然，為了避免每一次都去詢問一遍浪費時間，我會把查詢過的記錄緩存起來，下次就能直接用啦。

不過這樣做也有安全風險，要是有人冒充真正的收件人給我回信，我也沒辦法分辨，這就叫ARP欺騙。

“唉，等等，你還是給我講講你是怎么可以抓到別人的通信數(shù)據(jù)吧，我對這個更有興趣。”，阿Q又一次打斷了我。

因為集線器這家伙閉著眼睛到處轉(zhuǎn)發(fā)，所以不管是誰發(fā)的數(shù)據(jù)，所有人都可以看到。

就因為這樣，總線中每天有大量數(shù)據(jù)在流動，但我通常也不會全部都抓下來交給你們處理，不然你們CPU的人估計要罵死我了。所以我每次拿到一個數(shù)據(jù)幀，就會檢查它的收件人是不是我，如果不是那就直接丟棄了，當然，前面我說的廣播消息例外。

我能抓到別人通信數(shù)據(jù)的秘密就在于：我提供了一種工作模式叫做混雜模式，這種模式下，我就會把總線中我看到的所有數(shù)據(jù)幀全部都抓下來交給你們CPU去處理，一般都是一些抓包軟件才會要求我這么做，但也有一些流氓軟件和病毒木馬經(jīng)常讓我抓別人的數(shù)據(jù)包，這樣他們就能嗅探網(wǎng)絡(luò)中的其他主機的通信了。

我并不喜歡這樣，因為每次一開啟混雜模式，我和你們CPU就忙的要死，主板上的風扇都會瘋狂的轉(zhuǎn)起來。

“原來是這樣，那你開啟混雜模式給我露一手看看唄，可以看到別人的通信數(shù)據(jù)，這也太刺激了！”，阿Q又又又一次打斷了我。

“你別著急，聽我繼續(xù)說嘛，別老是打斷我，而且現(xiàn)在停電了，我想露一手也露不了??？”

“好好好，你繼續(xù)，繼續(xù)，我不插嘴了。”

交換機時代

不知道從什么時候開始，就算我開啟混雜模式，也抓不到別人的數(shù)據(jù)包了，因為我發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包只有跟我相關(guān)的了。

后來一打聽才知道，不只是我一個網(wǎng)卡這樣，別的也一樣。

原來集線器那家伙退休了，新來了一個叫交換機的大佬取代了他的位置。

這位大佬名不虛傳，他不只是簡單的把大家連接在一塊兒，它還會學習，用一張表把大家的MAC地址和連接的端口號記錄下來。每次收到數(shù)據(jù)后，它只轉(zhuǎn)發(fā)給對應的端口，而不會像集線器那樣到處轉(zhuǎn)發(fā)，我再也看不到別人的通信數(shù)據(jù)了！

“?。拷粨Q機那家伙可真多事！”，阿Q露出了失望的表情。

這也是件好事啊，交換機大佬不用到處轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)占用線路，相當于把沖突域進行了隔離，我連接的線路上只有我自己的數(shù)據(jù)，沒有別人的數(shù)據(jù)，就不會和別的主機傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生沖突了。不僅如此，我們連接的網(wǎng)線也進行了升級換代了，現(xiàn)在我們可以全雙工通信，一邊收一邊發(fā)，也不用和交換機發(fā)給我的下行數(shù)據(jù)發(fā)生沖突！

隔離沖突域+全雙工通信，現(xiàn)在再也不用CSMA/CD，因為不會有沖突發(fā)生，可以隨心發(fā)送數(shù)據(jù)了，真是爽太多了！我們的傳輸速度也是日新月異，從10Mbps到100Mbps，再到1000Mbps，越來越快，這在以前想都不敢想。

阿Q點了點頭說到：“厲害了，網(wǎng)卡老哥！真是塞翁失馬焉知非?！?/p>

說完，CPU六號車間的小六出現(xiàn)在了門口，只見他滿頭大汗的說到：“Q哥，到處找你都找不到，原來你在這，快回去，領(lǐng)導叫我們出趟差”