我是一个网卡

Posted 2020-08-20 写代码是一种艺术，甚于蒙娜丽莎的微笑！

真正的知识是深入浅出的，码农翻身” 公共号将苦涩难懂的计算机知识，用形象有趣的生活中实例呈现给我们，让我们更好地理解。

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我出生在深圳的一家工厂，然后飘洋过海来到美国，被安装到一个电脑里，然后这个电脑又漂洋过海，被运到了中国。
我知道我的使命就是传递信件，但有一个前提：我需要知道对方的地址才行，其实我们网卡都有一个全球唯一的地址，这个地址一出生就确定了，就像你们人类的身份证一样，终生不变。无论我走到哪里，我都拥有这个唯一的标志：11:27:F5: 8A:79:54。挺长的是吧，你们人类把它叫做MAC地址，简单起见，可以叫我 “TP-Link 7954”。
刚开始的时候我非常孤独，因为这台电脑虽然经常开机，但却不联网，真不知道主人是怎么想的？
不上网就没人来找我发信，不发信我也就没什么价值，也没人搭理我，我整天听着CPU阿甘和金士顿内存在那里喋喋不休的聊天，真是烦死了。只是这两人都记不住对方，每次重启都像是第一次相识，实在是太搞笑了。

1、DHCP（动态主机配置协议）

在我入住机箱30天以后，音箱向大家报告说：“主人终于决定要上网了！” ，这绝对是个重磅新闻！ 

我很兴奋，大家也很兴奋，早就听说外边的世界很精彩了。

一天晚上，只听到“咔嗒”一声，一个RJ45的网线插头便和我亲密接触了。
网线的那头传来了陌生而熟悉的声音，我的潜意识告诉我，那是交换机在转发信件。
CPU阿甘看到了这种情况，也不和金士顿内存聊天了，他对着我大叫一声：“TP-Link 你在等啥，赶紧上网啊。”这是他第一次和我说话。
操作系统老大是见过世面的，他镇定的说：“心急吃不了热豆腐，我们得先搞一个IP地址才行。这需要用到DHCP(动态主机配置协议)”
阿甘说：“谁那里有IP地址啊？”

“这个网络里应该有DHCP 服务器，可以动态的分配地址，我们可以发个信广播下 ” ，老大接着说：“ 阿甘，你和金士顿赶紧写一封信：”

收件人：255.255.255.255:67
发件人：0.0.0.0:68
内容：我想租用一个Ip地址，谁有啊？

这里做了简化，实际上这里首先是一个应用层的DHCP发现报文，然后被一个UDP的报文封装，然后再被一个IP的数据报封装。形象化如下图所示：

阿甘傻乎乎的，也不问为什么收件人和发件人这么奇怪，只是飞快的按老大的指示写信，信马上写好了，交到我的手里。 
“给你，TP-Link 7954，赶紧发出去吧。”  
我对外发信是有原则的：我工作在数据链路层，必须得知道对方的MAC地址才能发信。如果不知道，我就对外广播，那就是所有的电脑都会收到。
这封信显然就是要广播的。因为到目前为止，我们还是网络大海中的一个孤岛， 和外界没有任何联系，我还不知道任何其他电脑的MAC地址。 
按照规定，我又把阿甘写的信封装了一下，装到另外一个信封里。只有这样，我最重要的伙伴交换机才能看懂。

目的地：FF:FF:FF:FF:FF:FF　//广播到同一子网内的所有电脑
发件人：11:27:F5:8A:79:54  //就是我自己了

我把它通过网线发给了交换机。交换机看到FF:FF:FF:FF:FF:FF，立刻转发给了所有连到交换机的设备。
如同老大所料，这个局域网里确实有DHCP服务器，还不止一个！因为没有多久，交换机转来两封信，我拆开其中一封，里边写着：
“我是DHCP服务器192.168.1.1，我这里有个空闲的IP ‘192.168.1.2’，你租不租？”
另外一封信也差不多，是另外一个DHCP服务器发来的，提供了另外一个IP地址。
CPU阿甘迫不及待了： “看来我们很受欢迎啊，这么多人愿意给我们IP，老大，快抢一个吧。”
操作系统老大说：好！我们要这个192.168.1.2吧。再写一封信：“你好，服务器192.168.1.1，我们就要这个IP  192.168.1.2了。”

我又把这封信广播出去，看来我们所处的网络非常快，确认的回信眨眼间就到：“这是一个确认信，IP 192.168.1.2 给你了。网关路由器是192.168.1.1，DNS服务器的地址是 202.102.224.69。”

金士顿内存说：“不容易啊，终于搞定一个IP 了，我把它记下来。”

操作系统老大说：“把所有信息都记下来，接下来很快就会用到。”

我们的IP：192.168.1.2；网关路由器：192.168.1.1；DNS服务器：202.102.224.69。
阿甘说：“ 要是重启了，我们是不是要这么重来一遍？”
“阿甘，你现在越来越聪明了，确实是这样！除非主人手动的给我们配置IP地址、网关、DNS，但是那样很烦，容易出错。所以一般情况下，主人都是依赖我们自动的去用DHCP搞定一个IP。”
经过这一番折腾，我也初步了解了我们所在的网络结构：

2、DNS和ARP

搞定了IP地址，大家都喜气洋洋。我们赶紧把浏览器村的老IE叫来，让它访问一下著名的google网站。
老IE说：“你们还不知道？google在中国被屏蔽了，访问不了，要不访问百度吧。”
我说：“都行，我们先访问一下试试。”
老IE说：“百度的域名是www.baidu.com，你们给我查查它对应的IP地址呗！”
阿甘说：“上个网这么麻烦，这么多地址要查 ”
“是啊，网络世界的规矩就是这样。想要互联，我们得有IP地址，也得知道对方的IP地址，现在只知道域名www.baidu.com，我们得给他翻译成IP才行，阿甘你准备一个DNS查询吧。” 老大说。
CPU阿甘遵照指示，先向金士顿内存问了DNS服务器的地址，然后写了这么一封信，交给我：

发件人：192.168.1.2    //我们刚刚搞定的IP
收件人：202.102.224.69   //DNS服务器
内容：哥们，给我查查www.baidu.com 的IP地址吧

“但是这封信发给谁呢，我需要知道对方MAC地址啊。总不成还是对外广播吧。“ ，我心里想。
操作系统老大看出了我的疑虑，解释说：“DNS服务器不在我们的局域网内，我们要把这个信发给网关路由器，他会想办法转给 DNS服务器的。”
我说：“可是我不知道网关路由器的MAC地址啊！”
金士顿内存说：“别急，我查查之前我们存下来没有，我靠！刚才那个DHCP服务器（192.168.1.1）也是网关服务器，他怎么没把MAC地址顺便发过来啊？”
CPU阿甘急了：“TP-LINK7954，你是怎么干活的，怎么非得要MAC地址，直接用IP地址不行吗？”
我回答说：“没办法，这是规定。你不知道网络是分层的吗？我只工作在数据链路层，就得用MAC地址。另外网络多种多样，可不仅仅是TCP/IP，我要是只用IP地址，那其他网络怎么工作？”
操作系统老大说：“我记得好像有个叫ARP东西，可以通过广播查询一个IP地址对应的MAC地址，你试试！”

其实我也想起来了，这个ARP叫地址解析协议，我可以把下面的消息广播出去，这个子网内的所有机器都会收到，网关路由器也不例外。 他收到以后，一看是查询自己的MAC地址，就会创建一个ARP的应答。

收件人：FF:FF:FF:FF:FF:FF　//同一子网内的所有电脑
发件人：11:27:F5:8A:79:54  //就是我自己了
内容：呼叫网关路由器（192.168.1.1)，请问你的MAC地址是什么？

过了一会，ARP应答果然来了，我们看到了网关路由器的MAC地址：88-25-93-79-E0-C8。
我告诉金士顿内存：“赶紧记下来，下次咱就不用再查询了”192.168.1.1 <--> 88-25-93-79-E0-C8。
有了网关路由器的MAC地址，剩下的事情就好办了，我只需要把之前准备好的DNS查询发给网关路由器即可。
阿甘好奇问我：“ 你只把这个信发到网关路由器，剩下的事就不管了？”
我没声好气的回答它说：“那当然，我只能管局域网的事情，出了局域网，那就是路由器的事情了。路由器能抽取这个DNS查询的数据报，看到收件人是202.102.224.69  (DNS服务器)，自然可以转发出去，我们完全不用担心。”
我们等了一会，DNS服务器很快就返回了www.baidu.com的IP：115.239.211.112。
金士顿内存说：“我记下来了，上网看来一点都不好玩啊，这么费劲。”
老IE 说：“好玩的在后面呢，现在所有的东西都齐活了，开工！”
老IE开始创建TCP连接，然后通过TCP 发送HTTP GET请求，轻轻松松的把百度的主页给取了下来，展示了出来。
大家第一次看到外边的世界，激动万分。
当然还是我最忙，因为老IE的所有信件都需要我去发送和接收。

3、尾声

这几个月以来我都是电脑里的最忙碌的人，一旦可以上网，大家都上瘾了，浏览网页、刷微博、看视频、玩游戏，每天把我累的要死。
日子就这么一天天过去，有一天，大家发现主人把一个新家伙通过USB接口插到了电脑上，然后顺手拔掉了网线！
我失去了和交换机的联系，无法联网了，难道我们电脑又要成为一个孤岛了吗？
老IE还正在访问一个博客网站呢，一下子就断了。
不过奇怪的是，CPU阿甘、金士顿内存、操作系统老大竟然都围着新来的家伙重新玩起了DHCP、DNS 、ARP，并且连上网了，所有的信件都由这个新家伙来传递。
我偷偷的问老IE：“这是怎么回事？”

老IE说：“看来你已经失宠了，新来的家伙叫无线网卡！”

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