CPU：網卡老哥，你到底怎麼工做的？

阿Q造訪

我是一個網卡，居住在一個機箱內的主板上，負責整臺計算機的網絡通訊，要是沒有我，這裏就成了一個信息孤島了，那也太無聊了～

上個週末，服務器斷電維護了，這是我可貴的休息時間，我準備打個盹兒眯一下子。

這纔剛合上眼，CPU一號車間的阿Q跑過來串門了。

「怎麼是你小子，據說你背後說了我不少壞話啊！今天怎麼想起找我來了」

「網卡老哥，你這都聽誰造的謠，我想來拜訪你好久了，這不平時工做太忙抽不開身，今天停電了一有空就找你來了嘛！」，阿Q笑着說到。

「你但是大忙人，無事不登三寶殿，說吧，找我什麼事兒」

阿Q露出了尷尬而不失禮貌的微笑，「那我就開門見山了，這不年末了嗎，我們廠裏最近評優呢，想學點網絡知識，特來向你討教討教」

「就這啊，好說好說，來裏邊坐」，我招待阿Q進門坐下。

剛剛落座，阿Q就忍不住提問：「老哥，大家網卡是怎麼工做的？據說你能夠抓到別的主機通訊的數據包？能夠給我露一手嗎？」

「唉，如今不行了」，我嘆了一口氣。

「咋了這是？」

我擡頭凝望，開始給阿Q講起了個人故事。

集線器時代

好久好久之前，那時候網絡中的各個計算機都是經過一個叫集線器Hub的傢伙來相連的，經過集線器，咱們你們在物理上構成了一個星型的網絡，還給取了個名字：以太網。那時候咱們的傳輸速度能作到10Mbps，在那個年代，已經很是了不得了！。

集線器這傢伙，不知道該說他笨，仍是該說他懶，他歷來不會管數據是誰發給誰，只是一個沒有感情的轉發機器，工做在物理層，把收到的信號作一個加強處理後就一股腦的發給全部端口。

這樣一來，咱們在邏輯上就變成了一個總線型網絡了。總線屬於公共資源，由全部鏈接在上面的主機共享，有人在傳輸數據的時候其餘人就得等着，否則數據就會發生衝突，全亂套了。

爲了讓你們都能和平共處，沒必要爲了爭搶線路發生不愉快，咱們制定了一套規則：CSMA/CD。

每次要發送數據以前，我都得要監聽一下線路上是否空閒，若是有別人在傳輸數據，那我就得等待。至於等待多久，我也不知道，由於這是一個隨機值。

等到空閒的時候，我就能夠發送數據了。不過一邊發送，我還得一邊檢測是否有衝突發生，由於說不定有別人跟我同樣覺得如今空閒都在發送數據呢！

因此這就是CSMA/CD——載波偵聽多路訪問/衝突檢測名字的來歷了。

可是若是數據的長度過短，我很快就發送完了，結果先頭部隊還在路上，這以後再遇到衝突那我就發現不了了。爲了應對這種狀況，咱們還得考慮即使是在極端狀況下發生衝突，咱們仍是可以檢測到。

咱們這個網絡可以支持的最遠距離是2500米，極端狀況下，到達最遠端的時候衝突才發生。衝突信號得趕在我發送完最後一個bit以前傳回來，這一來一回就是5000米。

線路上的信號跑個來回須要57.6微秒，咱們的傳輸速度是10Mbps，一個來回的時間我就能發送576bit，也就是72個字節，除開8個字節的幀前導符和幀開始符，剩下的以太網幀長度不能低於64個字節，這樣就算在最遠兩端發生的碰撞衝突都能及時傳遞回去被檢測到。

有了這套協議，你們不再用爭搶，能夠專心工做了。

「我說爲何非得要至少64字節你才發送，原來還有這段歷史呢！那大傢俱體是怎麼收發數據的呢？」，說到這兒，阿Q打斷了我。

「那你聽我繼續給你說」

數據收發過程

我天天的工做就是接收、發送數據包，操做系統把數據交給我之後，我就按照以太網的數據格式，把數據封裝成一個個的以太網幀發出去

幀的頭部有收件人和發件人的地址，咱們叫它MAC地址，這是咱們每一個網卡的身份證號碼，從咱們出生那一刻起就肯定了。

發件人是個人MAC地址，但收件人地址我不知道啊！操做系統協議棧部門交給個人數據包只有IP地址，咱們又不認識這個，咱們收發數據幀只用MAC地址。

爲了解決這個問題，咱們又制定了一套協議：ARP，地址解析協議，來實現這兩個地址的轉換。在不知道IP對應的MAC地址時候，就發送一個廣播，這個廣播的發件人地址填個人，而後收件人地址是FF:FF:FF:FF:FF:FF，這是一個特殊的MAC地址，咱們約定好了每一個人收到廣播都要接收而不能丟棄。

這個廣播裏面填了IP地址，誰收到之後發現跟本身的匹配上就來應答我，這樣我就能知道對方的MAC地址了，接下來就能通訊了。

固然，爲了不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。

不過這樣作也有安全風險，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，你仍是給我講講你是怎麼能夠抓到別人的通訊數據吧，我對這個更有興趣。」，阿Q又一次打斷了我。

由於集線器這傢伙閉着眼睛處處轉發，因此無論是誰發的數據，全部人均可以看到。

就由於這樣，總線中天天有大量數據在流動，但我一般也不會所有都抓下來交給大家處理，否則大家CPU的人估計要罵死我了。因此我每次拿到一個數據幀，就會檢查它的收件人是否是我，若是不是那就直接丟棄了，固然，前面我說的廣播消息例外。

我能抓到別人通訊數據的祕密就在於：我提供了一種工做模式叫作混雜模式，這種模式下，我就會把總線中我看到的全部數據幀所有都抓下來交給大家CPU去處理，通常都是一些抓包軟件纔會要求我這麼作，但也有一些流氓軟件和病毒木馬常常讓我抓別人的數據包，這樣他們就能嗅探網絡中的其餘主機的通訊了。

我並不喜歡這樣，由於每次一開啓混雜模式，我和大家CPU就忙的要死，主板上的風扇都會瘋狂的轉起來。

「原來是這樣，那你開啓混雜模式給我露一手看看唄，能夠看到別人的通訊數據，這也太刺激了！」，阿Q又又又一次打斷了我。

「你彆着急，聽我繼續說嘛，別總是打斷我，並且如今停電了，我想露一手也露不了啊？」

「好好好，你繼續，繼續，我不插嘴了。」

交換機時代

不知道從何時開始，就算我開啓混雜模式，也抓不到別人的數據包了，由於我發現網絡中的數據包只有跟我相關的了。

後來一打聽才知道，不僅是我一個網卡這樣，別的也同樣。

原來集線器那傢伙退休了，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，他不僅是簡單的把你們鏈接在一起，它還會學習，用一張表把你們的MAC地址和鏈接的端口號記錄下來。每次收到數據後，它只轉發給對應的端口，而不會像集線器那樣處處轉發，我再也看不到別人的通訊數據了！

「啊？交換機那傢伙可真多事！」，阿Q露出了失望的表情。

這也是件好事啊，交換機大佬不用處處轉發數據佔用線路，至關於把衝突域進行了隔離，我鏈接的線路上只有我本身的數據，沒有別人的數據，就不會和別的主機傳輸數據發生衝突了。不只如此，咱們鏈接的網線也進行了升級換代了，如今咱們能夠全雙工通訊，一邊收一邊發，也不用和交換機發給個人下行數據發生衝突！

隔離衝突域+全雙工通訊，如今不再用CSMA/CD，由於不會有衝突發生，能夠隨心發送數據了，真是爽太多了！咱們的傳輸速度也是突飛猛進，從10Mbps到100Mbps，再到1000Mbps，愈來愈快，這在之前想都不敢想。

阿Q點了點頭說到：「厲害了，網卡老哥！真是因禍得福焉知非福」

 

說完，CPU六號車間的小六出如今了門口，只見他滿頭大汗的說到：「Q哥，處處找你都找不到，原來你在這，快回去，領導叫咱們出趟差」

未完待續······

往期TOP5文章

那天，我被拉入一個Redis羣聊···

CPU明明8個核，網卡爲啥拼命折騰一號核？

一個故事看懂Docker容器技術

主板上來了一個新鄰居，CPU慌了！

哈希表哪家強？幾大編程語言吵起來了！