本文來自微信公眾號：編程技術宇宙 （ID：xuanyuancoding），作者：軒轅之風 O
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啊！今天怎么想起找我來了”
“網卡老哥，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，想學點網絡知識，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，你們網卡是怎么工作的？聽說你可以抓到別的主機通信的數據包？可以給我露一手嗎？”
“唉，現在不行了”，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，那時候網絡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成了一個星型的網絡，還給取了個名字：以太網。那時候我們的傳輸速度能做到 10Mbps，在那個年代，已經非常了不起了！。
集線器這家伙，不知道該說他笨，還是該說他懶，他從來不會管數據是誰發(fā)給誰，只是一個沒有感情的轉發(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絡了?？偩€屬于公共資源，由所有連接在上面的主機共享，有人在傳輸數據的時候其他人就得等著，不然數據就會發(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)送數據之前，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據，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)送數據了。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在空閑都在發(fā)送數據呢！
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。
但是如果數據的長度太短，我很快就發(fā)送完了，結果先頭部隊還在路上，這之后再遇到沖突那我就發(fā)現不了了。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。
我們這個網絡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)數據的呢？”，說到這兒，阿 Q 打斷了我。
“那你聽我繼續(xù)給你說”
數據收發(fā)過程
我每天的工作就是接收、發(fā)送數據包，操作系統把數據交給我以后，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(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?。〔僮飨到y協議棧部門交給我的數據包只有 IP 地址，我們又不認識這個，我們收發(fā)數據幀只用 MAC 地址。
為了解決這個問題，我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(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據吧，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發(fā)，所以不管是誰發(fā)的數據，所有人都可以看到。
就因為這樣，總線中每天有大量數據在流動，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據幀，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據的秘密就在于：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據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常讓我抓別人的數據包，這樣他們就能嗅探網絡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據，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，而且現在停電了，我想露一手也露不了啊？”
“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，也抓不到別人的數據包了，因為我發(fā)現網絡中的數據包只有跟我相關的了。
后來一打聽才知道，不只是我一個網卡這樣，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。每次收到數據后，它只轉發(fā)給對應的端口，而不會像集線器那樣到處轉發(fā)，我再也看不到別人的通信數據了！
“啊？交換機那家伙可真多事！”，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發(fā)數據占用線路，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據，沒有別人的數據，就不會和別的主機傳輸數據發(fā)生沖突了。不僅如此，我們連接的網線也進行了升級換代了，現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)給我的下行數據發(fā)生沖突！
隔離沖突域 + 全雙工通信，現在再也不用 CSMA / CD，因為不會有沖突發(fā)生，可以隨心發(fā)送數據了，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，領導叫我們出趟差”
未完待續(xù)??????
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