以太網(wǎng)技術從誕生到現(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，到今天運行在光纖、銅或無線上的40G/100G網(wǎng)絡，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)絡內(nèi)部必選的網(wǎng)絡技術，成為局域網(wǎng)領域的網(wǎng)絡標準。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)議構成了今天復雜多樣的網(wǎng)絡。隨著各種應用層出不窮，以太網(wǎng)協(xié)議也讓人看得愈加復雜，尤其是在數(shù)據(jù)中心里，這里充滿著各種軟硬件設備，如何讓這些系統(tǒng)互聯(lián)并高效工作，就全要靠以太網(wǎng)技術了，久而久之以太網(wǎng)技術已經(jīng)衍生成為一門網(wǎng)絡學科，成為網(wǎng)絡技術人員必須要掌握的基礎技術。然而要完全掌握以太網(wǎng)技術，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，關于以太網(wǎng)技術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，但是卻可以領悟出其實現(xiàn)的精髓，本文將分析以太網(wǎng)技術的綜合特點，讓大家真正地認識以太網(wǎng)技術，從而玩轉以太網(wǎng)技術。

以太網(wǎng)這個名字起源于一個科學假設：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)技術就出現(xiàn)了，當然實際上世界上根本就不存在以太這種物質(zhì)。以太網(wǎng)技術最初誕生時就是一種局域網(wǎng)技術，使用CSMA/CD技術，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準，以太網(wǎng)就是來制定這樣傳輸標準的技術。以太網(wǎng)將網(wǎng)絡分為7層，不同的網(wǎng)絡層傳輸不同的網(wǎng)絡協(xié)議，從而完成不同層次的數(shù)據(jù)轉發(fā)。在RFC文檔中對不同層次的協(xié)議都有明確定義，這6000多份的標準協(xié)議有兩個共同的特點，幾乎是所有的網(wǎng)絡協(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)絡互連的設備要傳送數(shù)據(jù)，那么發(fā)送端設備發(fā)出的數(shù)據(jù)格式，接收端設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)標準。比如對于TCP數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送端設備發(fā)出的一定都是TCP報文，而接收端設備要能識別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)標準來定義的。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，然后接收端設備收到后，就知道是什么協(xié)議，從而遵循協(xié)議標準進行解封裝，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準，之所以新的協(xié)議還是不斷出現(xiàn)，更多的是發(fā)現(xiàn)原有的標準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系，這樣接收端設備才能知道。比如做FTP下載，傳送的是TCP流量，那么就需要在發(fā)送端設備和接收端設備之間建立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，當兩臺網(wǎng)絡設備之間要互通、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，除此之外還有ISIS、BGP，并稱以太網(wǎng)三大路由技術。兩臺網(wǎng)絡設備要共享路由，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、路由學習和切換。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)絡設備就知道了其它設備的工作狀態(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備之間傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容的標準，讓所有的設備都要遵從。而協(xié)議狀態(tài)機則定義了設備之間如何進行數(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，人人都可以設計以太網(wǎng)協(xié)議標準，都可以提交RFC，不過如果這樣那RFC的標準就會更多了。其現(xiàn)有的數(shù)千條協(xié)議標準已經(jīng)將以太網(wǎng)技術發(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?，報文頭長度越短，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)絡開銷。另外報文格式設計得越復雜也不利于傳輸數(shù)據(jù)，比如傳送一個數(shù)據(jù)，接收設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備的計算負載，所以報文格式越簡化越好。所以報文格式和狀態(tài)機的設計本不是難事，但是要考慮到網(wǎng)絡開銷和計算花費，就不是那么容易設計的事了。

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)技術玩轉于掌間就不難了。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?，F(xiàn)有的協(xié)議有數(shù)千種，除了處于不同網(wǎng)絡層的工作原理差別較大外，處于同一網(wǎng)絡層次的協(xié)議報文格式和狀態(tài)機差別不大，學習了一種協(xié)議，然后舉一反三，在短時間內(nèi)就可掌握多種網(wǎng)絡協(xié)議。參透了這點，迅速會有一種“會當凌絕頂，一覽眾山小”的感覺，玩轉數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)技術。

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