作者 | 轩辕之风O
来源 | 编程技术宇宙（ID：xuanyuancoding）
阿Q造访
我是一个网卡，居住在一个机箱内的主板上，负责整台计算机的网络通信，要是没有我，这里就成了一个信息孤岛了，那也太无聊了～上个周末，服务器断电维护了，这是我难得的休息时间，我准备打个盹儿眯一会儿。“怎么是你小子，听说你背后说了我很多坏话啊！今天怎么想起找我来了”“网卡老哥，你这都听谁造的谣，我想来拜访你很久了，这不平时工作太忙抽不开身，今天停电了一有空就找你来了嘛！”，阿Q笑着说到。“你可是大忙人，无事不登三宝殿，说吧，找我什么事儿”阿Q露出了尴尬而不失礼貌的微笑，“那我就开门见山了，这不年底了吗，咱们厂里最近评优呢，想学点网络知识，特来向你讨教讨教”“就这啊，好说好说，来里边坐”，我招待阿Q进门坐下。刚刚落座，阿Q就忍不住提问：“老哥，你们网卡是怎么工作的？听说你可以抓到别的主机通信的数据包？可以给我露一手吗？”
集线器时代
很久很久以前，那时候网络中的各个计算机都是通过一个叫集线器Hub的家伙来相连的，通过集线器，我们大家在物理上构成了一个星型的网络，还给取了个名字：以太网。那时候我们的传输速度能做到10Mbps，在那个年代，已经非常了不起了！。集线器这家伙，不知道该说他笨，还是该说他懒，他从来不会管数据是谁发给谁，只是一个没有感情的转发机器，工作在物理层，把收到的信号做一个增强处理后就一股脑的发给所有端口。这样一来，我们在逻辑上就变成了一个总线型网络了。总线属于公共资源，由所有连接在上面的主机共享，有人在传输数据的时候其他人就得等着，不然数据就会发生冲突，全乱套了。为了让大家都能和平共处，不必为了争抢线路发生不愉快，我们制定了一套规则：CSMA/CD。每次要发送数据之前，我都得要监听一下线路上是否空闲，如果有别人在传输数据，那我就得等待。至于等待多久，我也不知道，因为这是一个随机值。等到空闲的时候，我就可以发送数据了。不过一边发送，我还得一边检测是否有冲突发生，因为说不定有别人跟我一样以为现在空闲都在发送数据呢！所以这就是CSMA/CD——载波侦听多路访问/冲突检测名字的来历了。但是如果数据的长度太短，我很快就发送完了，结果先头部队还在路上，这之后再遇到冲突那我就发现不了了。为了应对这种情况，我们还得考虑即便是在极端情况下发生冲突，我们还是能够检测到。我们这个网络能够支持的最远距离是2500米，极端情况下，到达最远端的时候冲突才发生。冲突信号得赶在我发送完最后一个bit之前传回来，这一来一回就是5000米。线路上的信号跑个来回需要57.6微秒，我们的传输速度是10Mbps，一个来回的时间我就能发送576bit，也就是72个字节，除开8个字节的帧前导符和帧开始符，剩下的以太网帧长度不能低于64个字节，这样就算在最远两端发生的碰撞冲突都能及时传递回去被检测到。“我说为什么非得要至少64字节你才发送，原来还有这段历史呢！那你们具体是怎么收发数据的呢？”，说到这儿，阿Q打断了我。
数据收发过程
我每天的工作就是接收、发送数据包，操作系统把数据交给我以后，我就按照以太网的数据格式，把数据封装成一个个的以太网帧发出去帧的头部有收件人和发件人的地址，我们叫它MAC地址，这是我们每个网卡的身份证号码，从我们出生那一刻起就确定了。发件人是我的MAC地址，但收件人地址我不知道啊！操作系统协议栈部门交给我的数据包只有IP地址，我们又不认识这个，我们收发数据帧只用MAC地址。为了解决这个问题，我们又制定了一套协议：ARP，地址解析协议，来实现这两个地址的转换。在不知道IP对应的MAC地址时候，就发送一个广播，这个广播的发件人地址填我的，然后收件人地址是FF:FF:FF:FF:FF:FF，这是一个特殊的MAC地址，我们约定好了每个人收到广播都要接收而不能丢弃。这个广播里面填了IP地址，谁收到以后发现跟自己的匹配上就来应答我，这样我就能知道对方的MAC地址了，接下来就能通信了。当然，为了避免每一次都去询问一遍浪费时间，我会把查询过的记录缓存起来，下次就能直接用啦。不过这样做也有安全风险，要是有人冒充真正的收件人给我回信，我也没办法分辨，这就叫ARP欺骗。“唉，等等，你还是给我讲讲你是怎么可以抓到别人的通信数据吧，我对这个更有兴趣。”，阿Q又一次打断了我。因为集线器这家伙闭着眼睛到处转发，所以不管是谁发的数据，所有人都可以看到。就因为这样，总线中每天有大量数据在流动，但我通常也不会全部都抓下来交给你们处理，不然你们CPU的人估计要骂死我了。所以我每次拿到一个数据帧，就会检查它的收件人是不是我，如果不是那就直接丢弃了，当然，前面我说的广播消息例外。我能抓到别人通信数据的秘密就在于：我提供了一种工作模式叫做混杂模式，这种模式下，我就会把总线中我看到的所有数据帧全部都抓下来交给你们CPU去处理，一般都是一些抓包软件才会要求我这么做，但也有一些流氓软件和病毒木马经常让我抓别人的数据包，这样他们就能嗅探网络中的其他主机的通信了。我并不喜欢这样，因为每次一开启混杂模式，我和你们CPU就忙的要死，主板上的风扇都会疯狂的转起来。“原来是这样，那你开启混杂模式给我露一手看看呗，可以看到别人的通信数据，这也太刺激了！”，阿Q又又又一次打断了我。“你别着急，听我继续说嘛，别老是打断我，而且现在停电了，我想露一手也露不了啊？”
交换机时代
不知道从什么时候开始，就算我开启混杂模式，也抓不到别人的数据包了，因为我发现网络中的数据包只有跟我相关的了。后来一打听才知道，不只是我一个网卡这样，别的也一样。原来集线器那家伙退休了，新来了一个叫交换机的大佬取代了他的位置。这位大佬名不虚传，他不只是简单的把大家连接在一块儿，它还会学习，用一张表把大家的MAC地址和连接的端口号记录下来。每次收到数据后，它只转发给对应的端口，而不会像集线器那样到处转发，我再也看不到别人的通信数据了！“啊？交换机那家伙可真多事！”，阿Q露出了失望的表情。这也是件好事啊，交换机大佬不用到处转发数据占用线路，相当于把冲突域进行了隔离，我连接的线路上只有我自己的数据，没有别人的数据，就不会和别的主机传输数据发生冲突了。不仅如此，我们连接的网线也进行了升级换代了，现在我们可以全双工通信，一边收一边发，也不用和交换机发给我的下行数据发生冲突！隔离冲突域+全双工通信，现在再也不用CSMA/CD，因为不会有冲突发生，可以随心发送数据了，真是爽太多了！我们的传输速度也是日新月异，从10Mbps到100Mbps，再到1000Mbps，越来越快，这在以前想都不敢想。阿Q点了点头说到：“厉害了，网卡老哥！真是塞翁失马焉知非福”。说完，CPU六号车间的小六出现在了门口，只见他满头大汗的说到：“Q哥，到处找你都找不到，原来你在这，快回去，领导叫我们出趟差”...... 由于微信公众号近期改变了推送规则，如果你想如常看到我们的文章，可以时常点击文末右下角的「在看」；或者将 脚本之家 星标。
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