CPU:网卡老哥,你到底怎么工作的?

编程技术宇宙 2022/11/2 19:24:28 责编:云熙

本文来自微信公众号:编程技术宇宙 (ID:xuanyuancoding),作者:轩辕之风 O

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。

这才刚合上眼,CPU 一号车间的阿 Q 跑过来串门了。

“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?”

“唉,现在不行了”,我叹了一口气。

“咋了这是?”

我抬头凝望,开始给阿 Q 讲起了我的故事。

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。

有了这套协议,大家再也不用争抢,可以专心工作了。

“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。

“那你听我继续给你说”

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?”

“好好好,你继续,继续,我不插嘴了。”

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”

未完待续・・・・・・

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关键词:数据网卡

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