以太網(wǎng)技術(shù)從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)走過(guò)了41年。在這41年里，從粗同軸電纜上運(yùn)行2.94Mbps網(wǎng)絡(luò)，到今天運(yùn)行在光纖、銅或無(wú)線上的40G/100G網(wǎng)絡(luò)，四十多年來(lái)，以太網(wǎng)不斷向前發(fā)展、演進(jìn)。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(kāi)以太網(wǎng)的RFC文檔，里面對(duì)各種協(xié)議做了詳實(shí)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(jiǎn)單的事情，沒(méi)有誰(shuí)能將6000多篇的RFC文檔吃透，甚至根本沒(méi)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(shū)籍更是琳瑯滿目，讓人眼花繚亂。其實(shí)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(shí)現(xiàn)的精髓，本文將分析以太網(wǎng)技術(shù)的綜合特點(diǎn)，讓大家真正地認(rèn)識(shí)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(gè)名字起源于一個(gè)科學(xué)假設(shè)：聲音是通過(guò)空氣傳播的，那么光呢？在外太空沒(méi)有空氣光也能傳播，所以有人說(shuō)光是通過(guò)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(shí)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(shí)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(shí)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(lái)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(duì)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(gè)共同的特點(diǎn)，幾乎是所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都要遵守的，就是報(bào)文格式和狀態(tài)機(jī)。

首先就是報(bào)文格式，兩個(gè)通過(guò)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(shí)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(duì)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(bào)文，而接收端設(shè)備要能識(shí)別TCP報(bào)文，這樣才能完成傳輸。一個(gè)數(shù)據(jù)流到底是TCP還是UDP、ICMP等，就是通過(guò)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義的。對(duì)于不同的協(xié)議，以太網(wǎng)定義了不同的報(bào)文格式，通過(guò)不同字段來(lái)標(biāo)識(shí)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(bào)文頭進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，通過(guò)報(bào)文頭來(lái)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(jìn)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(lái)進(jìn)行優(yōu)化的。

其次有了報(bào)文格式還不行，發(fā)送端設(shè)備不能說(shuō)想什么時(shí)候發(fā)送就什么時(shí)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(huì)有波動(dòng)，所以為了能夠更好地完成數(shù)據(jù)傳送，還需要適時(shí)監(jiān)控鏈接的狀態(tài)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)整，這就是狀態(tài)機(jī)。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(shí)，數(shù)據(jù)傳輸也會(huì)終止。狀態(tài)機(jī)是以太網(wǎng)技術(shù)的精髓，不管哪種協(xié)議都有狀態(tài)機(jī)，比如OSFP、STP、VRRP等等，RFC詳細(xì)定義了各種協(xié)議的狀態(tài)機(jī)狀態(tài)和工作原理。比如OSPF協(xié)議，當(dāng)兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間要互通、要共享路由信息，就會(huì)用到OSFP協(xié)議，這個(gè)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(tái)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(jī)的變化，才能建立鄰居，一旦鄰居建立起來(lái)，就周期性地通過(guò)Hello報(bào)文維持鄰居狀態(tài)。在鄰居狀態(tài)正常的情況下，可以進(jìn)行路由計(jì)算、路由學(xué)習(xí)和切換。對(duì)于二層環(huán)路協(xié)議STP也如此，有Block/Discarding/Forwarding等狀態(tài)機(jī)，通過(guò)這些狀態(tài)機(jī)，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(guò)周期性地發(fā)送監(jiān)控消息，來(lái)保持狀態(tài)的整網(wǎng)同步。

以太網(wǎng)的協(xié)議報(bào)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(jī)則定義了設(shè)備之間如何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，任何一種協(xié)議都是由報(bào)文格式和狀態(tài)機(jī)構(gòu)成的，區(qū)別僅在于格式定于的區(qū)別和狀態(tài)機(jī)定義的差異。所以一旦明白了這個(gè)道理，人人都可以設(shè)計(jì)以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，都可以提交RFC，不過(guò)如果這樣那RFC的標(biāo)準(zhǔn)就會(huì)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(jìn)，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展得很完善，可改進(jìn)的空間越來(lái)越小。還有最大的限制就是報(bào)文格式的長(zhǎng)度是一定的，為了減少傳輸?shù)男?，?bào)文頭長(zhǎng)度越短，傳輸?shù)男示驮礁摺，F(xiàn)有的協(xié)議已經(jīng)將報(bào)文能變化的BIT都派上用場(chǎng)了，除非再增加長(zhǎng)度。對(duì)于IPV4報(bào)文頭長(zhǎng)度是固定的，無(wú)法再增加，對(duì)于IPV6報(bào)文頭可以增加Option選項(xiàng)來(lái)增加長(zhǎng)度，但是每增加一個(gè)字節(jié)意味著網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷就要增加不少，因?yàn)槊總€(gè)數(shù)據(jù)包都要增加一個(gè)字節(jié)，原本數(shù)據(jù)要1000字節(jié)的100個(gè)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)送完，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度增加一個(gè)字節(jié)就要多傳送100個(gè)字節(jié)，增加了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷。另外報(bào)文格式設(shè)計(jì)得越復(fù)雜也不利于傳輸數(shù)據(jù)，比如傳送一個(gè)數(shù)據(jù)，接收設(shè)備每接收到一個(gè)報(bào)文都要檢查目的MAC、目的IP、端口號(hào)、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(jì)算負(fù)載，所以報(bào)文格式越簡(jiǎn)化越好。所以報(bào)文格式和狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)本不是難事，但是要考慮到網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷和計(jì)算花費(fèi)，就不是那么容易設(shè)計(jì)的事了。

不管怎樣，只要掌握了報(bào)文格式和狀態(tài)機(jī)，就對(duì)這個(gè)協(xié)議的工作機(jī)制有了了解，迅速掌握了這個(gè)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(huì)發(fā)現(xiàn)都是千變一律，反復(fù)都是在描述這個(gè)協(xié)議的報(bào)文格式和狀態(tài)機(jī)的工作方式，只要關(guān)注這個(gè)協(xié)議具有區(qū)別于別的協(xié)議的格式和狀態(tài)機(jī)特征就可以了?，F(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(bào)文格式和狀態(tài)機(jī)差別不大，學(xué)習(xí)了一種協(xié)議，然后舉一反三，在短時(shí)間內(nèi)就可掌握多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。參透了這點(diǎn)，迅速會(huì)有一種“會(huì)當(dāng)凌絕頂，一覽眾山小”的感覺(jué)，玩轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)技術(shù)。

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