如何玩轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)技術(shù)

　　以太網(wǎng)技術(shù)從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)走過了41年。在這41年里，從粗同軸電纜上運行2.94Mbps網(wǎng)絡(luò)，到今天運行在光纖、銅或無線上的40G/100G網(wǎng)絡(luò)，四十多年來，以太網(wǎng)不斷向前發(fā)展、演進。以太網(wǎng)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部必選的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，成為局域網(wǎng)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。翻開以太網(wǎng)的RFC文檔，里面對各種協(xié)議做了詳實的描述，到現(xiàn)在已經(jīng)有了6476篇，這些協(xié)議構(gòu)成了今天復(fù)雜多樣的網(wǎng)絡(luò)。隨著各種應(yīng)用層出不窮，以太網(wǎng)協(xié)議也讓人看得愈加復(fù)雜，尤其是在數(shù)據(jù)中心里，這里充滿著各種軟硬件設(shè)備，如何讓這些系統(tǒng)互聯(lián)并高效工作，就全要靠以太網(wǎng)技術(shù)了，久而久之以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)衍生成為一門網(wǎng)絡(luò)學(xué)科，成為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員必須要掌握的基礎(chǔ)技術(shù)。然而要完全掌握以太網(wǎng)技術(shù)，不是那么簡單的事情，沒有誰能將6000多篇的RFC文檔吃透，甚至根本沒有精力去將所有的RFC文檔讀完，關(guān)于以太網(wǎng)技術(shù)的講解書籍更是琳瑯滿目，讓人眼花繚亂。其實任何人都不可能全部掌握以太網(wǎng)技術(shù)，但是卻可以領(lǐng)悟出其實現(xiàn)的精髓，本文將分析以太網(wǎng)技術(shù)的綜合特點，讓大家真正地認(rèn)識以太網(wǎng)技術(shù)，從而玩轉(zhuǎn)以太網(wǎng)技術(shù)。

　　以太網(wǎng)這個名字起源于一個科學(xué)假設(shè)：聲音是通過空氣傳播的，那么光呢?在外太空沒有空氣光也能傳播，所以有人說光是通過一種叫以太的物質(zhì)傳播，從而以太網(wǎng)技術(shù)就出現(xiàn)了，當(dāng)然實際上世界上根本就不存在以太這種物質(zhì)。以太網(wǎng)技術(shù)最初誕生時就是一種局域網(wǎng)技術(shù)，使用CSMA/CD技術(shù)，用于PC的互連。PC之間實現(xiàn)互訪和傳送數(shù)據(jù)就需要兩者之間遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)就是來制定這樣傳輸標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)。以太網(wǎng)將網(wǎng)絡(luò)分為7層，不同的網(wǎng)絡(luò)層傳輸不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而完成不同層次的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在RFC文檔中對不同層次的協(xié)議都有明確定義，這6000多份的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議有兩個共同的特點，幾乎是所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都要遵守的，就是報文格式和狀態(tài)機。

　　首先就是報文格式，兩個通過網(wǎng)絡(luò)互連的設(shè)備要傳送數(shù)據(jù)，那么發(fā)送端設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)格式，接收端設(shè)備一定要能識別才能完成傳送，所以兩者要遵循相同的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。比如對于TCP數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送端設(shè)備發(fā)出的一定都是TCP報文，而接收端設(shè)備要能識別TCP報文，這樣才能完成傳輸。一個數(shù)據(jù)流到底是TCP還是UDP、ICMP等，就是通過以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)來定義的。對于不同的協(xié)議，以太網(wǎng)定義了不同的報文格式，通過不同字段來標(biāo)識不同的協(xié)議，這樣發(fā)送端將要傳送的數(shù)據(jù)之前加上報文頭進行數(shù)據(jù)封裝，通過報文頭來表明數(shù)據(jù)本身所具有的特征，然后接收端設(shè)備收到后，就知道是什么協(xié)議，從而遵循協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進行解封裝，得到數(shù)據(jù)包。不管是新提出的協(xié)議，還是老掉渣的協(xié)議都是遵循著這樣的標(biāo)準(zhǔn)，之所以新的協(xié)議還是不斷出現(xiàn)，更多的是發(fā)現(xiàn)原有的標(biāo)準(zhǔn)定義的格式都有缺陷，新的協(xié)議是來進行優(yōu)化的。

　　其次有了報文格式還不行，發(fā)送端設(shè)備不能說想什么時候發(fā)送就什么時候發(fā)送，要和接收端建立好鏈接關(guān)系，這樣接收端設(shè)備才能知道。比如做FTP下載，傳送的是TCP流量，那么就需要在發(fā)送端設(shè)備和接收端設(shè)備之間建立TCP鏈接，建立好了之后，數(shù)據(jù)流量才能由發(fā)送端發(fā)往接收端。由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不是一成不變的，總是會有波動，所以為了能夠更好地完成數(shù)據(jù)傳送，還需要適時監(jiān)控鏈接的狀態(tài)，一旦出現(xiàn)問題自動進行網(wǎng)絡(luò)調(diào)整，這就是狀態(tài)機。也就是發(fā)送端和接收端只有在一定的狀態(tài)下才可能完成數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時，數(shù)據(jù)傳輸也會終止。狀態(tài)機是以太網(wǎng)技術(shù)的精髓，不管哪種協(xié)議都有狀態(tài)機，比如OSFP、STP、VRRP等等，RFC詳細(xì)定義了各種協(xié)議的狀態(tài)機狀態(tài)和工作原理。比如OSPF協(xié)議，當(dāng)兩臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間要互通、要共享路由信息，就會用到OSFP協(xié)議，這個是域內(nèi)廣泛使用的路由技術(shù)，除此之外還有ISIS、BGP，并稱以太網(wǎng)三大路由技術(shù)。兩臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要共享路由，則要先建立OSPF鄰居，建立鄰居要經(jīng)歷Init/Exstart/Full等狀態(tài)機的變化，才能建立鄰居，一旦鄰居建立起來，就周期性地通過Hello報文維持鄰居狀態(tài)。在鄰居狀態(tài)正常的情況下，可以進行路由計算、路由學(xué)習(xí)和切換。對于二層環(huán)路協(xié)議STP也如此，有Block/Discarding/Forwarding等狀態(tài)機，通過這些狀態(tài)機，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就知道了其它設(shè)備的工作狀態(tài)，并通過周期性地發(fā)送監(jiān)控消息，來保持狀態(tài)的整網(wǎng)同步。

　　以太網(wǎng)的協(xié)議報文格式定義了設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)，讓所有的設(shè)備都要遵從。而協(xié)議狀態(tài)機則定義了設(shè)備之間如何進行數(shù)據(jù)傳輸，任何一種協(xié)議都是由報文格式和狀態(tài)機構(gòu)成的，區(qū)別僅在于格式定于的區(qū)別和狀態(tài)機定義的差異。所以一旦明白了這個道理，人人都可以設(shè)計以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，都可以提交RFC，不過如果這樣那RFC的標(biāo)準(zhǔn)就會更多了。其現(xiàn)有的數(shù)千條協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)將以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮到了極致，再提出新的協(xié)議困難很大。原因在于新提出的協(xié)議一定要比原有的協(xié)議有很大的改進，經(jīng)過40多年的發(fā)展，以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展得很完善，可改進的空間越來越小。還有最大的限制就是報文格式的長度是一定的，為了減少傳輸?shù)男剩瑘笪念^長度越短，傳輸?shù)男示驮礁摺，F(xiàn)有的協(xié)議已經(jīng)將報文能變化的BIT都派上用場了，除非再增加長度。對于IPV4報文頭長度是固定的，無法再增加，對于IPV6報文頭可以增加Option選項來增加長度，但是每增加一個字節(jié)意味著網(wǎng)絡(luò)開銷就要增加不少，因為每個數(shù)據(jù)包都要增加一個字節(jié)，原本數(shù)據(jù)要1000字節(jié)的100個數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)送完，數(shù)據(jù)包長度增加一個字節(jié)就要多傳送100個字節(jié)，增加了網(wǎng)絡(luò)開銷。另外報文格式設(shè)計得越復(fù)雜也不利于傳輸數(shù)據(jù)，比如傳送一個數(shù)據(jù)，接收設(shè)備每接收到一個報文都要檢查目的MAC、目的IP、端口號、協(xié)議特征等這些信息是否與自己想要接收的數(shù)據(jù)相符，這些檢查和判斷大大增加了接收設(shè)備的計算負(fù)載，所以報文格式越簡化越好。所以報文格式和狀態(tài)機的設(shè)計本不是難事，但是要考慮到網(wǎng)絡(luò)開銷和計算花費，就不是那么容易設(shè)計的事了。

　　不管怎樣，只要掌握了報文格式和狀態(tài)機，就對這個協(xié)議的工作機制有了了解，迅速掌握了這個協(xié)議的工作原理，將以太網(wǎng)技術(shù)玩轉(zhuǎn)于掌間就不難了。基于這樣的思路再去看以太網(wǎng)協(xié)議以及RFC文檔，就會發(fā)現(xiàn)都是千變一律，反復(fù)都是在描述這個協(xié)議的報文格式和狀態(tài)機的工作方式，只要關(guān)注這個協(xié)議具有區(qū)別于別的協(xié)議的格式和狀態(tài)機特征就可以了。現(xiàn)有的協(xié)議有數(shù)千種，除了處于不同網(wǎng)絡(luò)層的工作原理差別較大外，處于同一網(wǎng)絡(luò)層次的協(xié)議報文格式和狀態(tài)機差別不大，學(xué)習(xí)了一種協(xié)議，然后舉一反三，在短時間內(nèi)就可掌握多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。參透了這點，迅速會有一種“會當(dāng)凌絕頂，一覽眾山小”的感覺，玩轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)技術(shù)。