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《VMware 网络技术:原理与实践》—— 3.2 以太网

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本节书摘来自华章出版社《VMware 网络技术:原理与实践》一 书中的第3章,第3.2节,作者:(美)Christopher Wahl Steven Pantol,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

3.2 以太网

当谈到数据中心网络时,我们通常会讲到某种类型的以太网。以太网(Ethernet)这一术语指的是一组描述典型局域网(LAN)的物理和数据链路层标准,以及实现它们的技术。

3.2.1 历史和操作理论

以太网已经出现了一段时间——将近40年了。20世纪70年代中期,在Robert Metcalfe的领导下,Xerox PARC开发了以太网,1980年正式投入商业使用,1985年正式标准化为IEEE 802.3。
以太网最初是围绕共享介质的思路构建的——当时,同轴电缆作为共享的物理总线。在被用于夏威夷大学开发的AlohaNet无线电传输系统之后,建立了一些通信规范,但是使用物理电缆作为通信传输的“以太”(ether)——以太网的名称就是从这里得来,因为IT人士都难以抵抗19世纪物理学引用的诱惑。图3.1展示了一个简单的共享总线LAN拓扑。

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共享通信介质带来了挑战。计算机被连接到共享物理总线上,它们通过总线发送电信号传输信息,通过检测电信号接收信息。如果两台计算机试图同时发送信息会发生什么情况?两个信号会重叠,在总线上的其他设备会引起混乱和不连贯。这在以太网的术语中称作冲突(collision)。
为了在共享连接上成功地进行通信,必须有一些机制来确保一次只有一个设备传输数据。以太网通过带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)算法来实现这一机制。
即使缩写,这个术语也很拗口,让我们来进一步分解它。“载波侦听”的意思是首先检查线路。如果另一个传输正在进行,在传输之前等待线路空闲。“多路访问”指的是多个设备共享总线——冲突是可能发生的。“冲突检测”描述了检测冲突并作出反应的方法。由于冲突涉及多个同时发出的信号,可以通过搜索高于预期的信号振幅发现。检测到这些冲突之后,传输中的站点发送一个阻塞信号,确保所有站点意识到冲突,然后对每个站点采用某种退回算法,等待随机的时间后再重新传输。

3.2.2 以太标准和电缆类型

以太网有多种速度和形式。最近,在现代数据中心,你最可能碰到的是千兆和万兆以太网,使用铜缆或者光纤。在数据中心之外,你可能使用100Mbps连接,甚至无线连接,但是我们讨论的重点是数据中心内的连接,那里是真正发生魔法的地方。
光纤线路(fiber)和光纤通道(fibre)
在美国,关于数据中心内光纤线路的讨论可能很快就引起困惑。美国人使用“fiber”来指代光纤线路本身。有时候,这种光纤线路被用于使用光纤通道协议(fibre channel protocol)的存储区域网络(SAN)。所以,“光纤线路”是介质,而“光纤通道”是一种可以在该介质上使用的协议。明白了吗?更复杂的是,光纤通道协议也可以运行于非屏蔽双绞线(UTP)上。
在美国之外,“fibre”常被用于指光纤介质,这导致了许多令人沮丧的拼写问题。
更多有关光纤通道的信息,可以参见Mostafa Khalil的《Storage Implementation in vSphere 5.0》。
千兆以太网使用铜缆,而它的前身10M和100M以太网使用UTP电缆。这些电缆由4对线组成,沿着电缆长度方向铰接,两端由RJ45连接器终结。
你知道的所有关于连接器的知识都是谎言
你可能对我的卖弄学问不屑一顾,但是我们不能再成为说谎者中的一员了。你知道5类线末端的是什么东西?它并不是RJ45连接器。RJ45连接器是带锁的,不适合于标准以太网NIC端口。用于标准UTP电缆的连接器是8P8C(8位置,8触点)连接器。真正的RJ45连接器是8P2C(8位置,2触点)连接器。真正的RJ45插头和插座标准从未被真正采用,而8P8C和RJ45连接器的外观很相似(除了锁以外),所以两者都被叫做RJ45。
在铜缆千兆以太网络上,所有4对线路都被用于同时传输和接收。这与早期的10M和100M标准不同,那两种标准定义了单独的发送和接收线对。
光纤上的千兆和万兆以太网使用两股光纤线路,一股用来传输,另一股用于接收。相对短的距离上可以使用多模光纤,较长距离则使用单模光纤。单模光纤只携带单一频率的激光信号(对人眼不安全),而多模光纤携带的是多种频率、由LED驱动的光信号,如果你看到这一光线,不会受到伤害。在数据中心应用中,光纤线路通常终止于SC或者LC连接器。SC连接器是方形的,使用推进–拉出式连接机制,每对传输/接收线路通常用一个塑料夹固定在一起。LC连接器体型较小,使用与RJ45连接器类似的翼片连接机制。
上游光纤线路连接一般使用可热插拔的收发器。千兆接口转换器(GBIC)或者小型可插拔收发器(SFP)用于支持千兆以太网连接,增强小型可插拔收发器(SPF+)用于万兆
连接。
铜缆上的万兆以太网最常采用SFP+直接连接,在这种连接中双轴铜缆由连接到电缆末端的SFP+外壳终结。有些供应商将这种电缆称作直接连接铜缆(DAC)。这些电缆用于相当短的范围内,被动电缆为1~7米,主动电缆最多为15米,后者从连接的设备上获得传输所需的电力。现在也有在UTP上传输的万兆铜缆网络(10GBase-T),但是较少见,因为升级基础架构以支持它的成本高于使用现有的SFP+端口。
表3.1 列出了一些常见的物理以太网标准。

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表3.2展示一些常见的电缆连接器及其型号。

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3.2.3 以太网编址

在共享总线上,所有站点都能看到所有传输。但是,正如我们在第1章中所看到的,有些信息本意只用于一个站点,有些用于一组站点,有些则可供所有站点接收。所以,以太网定义了一个编址方案,允许针对单个接收者、多个接收者或者总线上所有接收者进行通信。
这些第2层地址——在IEEE 802.3标准中称作MAC(Media Access Control,媒体访问控制)地址——长度为6字节,通常以一个12个十六进制数字的字符串表示。Cisco设备通常用句点将其分为4个数字的组(如1234.5678.90AB)。其他供应商使用冒号或者破折号分隔2个数字的组(12:?34:?56:?78:?90:?AB或者12-34-56-78-90-AB)。VMware使用冒号记法,所以我们也将使用这种记法。
这些地址分为3种。第一种是我们将要花最多时间说明的——单播地址。单播地址用于指定发送者和以太帧的意向接收者。当网络适配器观察到共享总线上的传输时,它会检查目标MAC地址是否匹配自身的地址,如果匹配则处理该帧,否则该帧被忽略。
单播MAC地址要求在全球范围内保持唯一。为此,物理网卡的制造商在工厂将MAC地址编码到以太网卡上——这个地址常常被称作“烧录地址”。IEEE为每个制造商分配一个组织唯一标识符(OUI),这个标识符占据MAC地址的前半部分。然后,制造商分配地址的另一半。VMware有自己的OUI(00:?50:?56),用于构建虚拟机网络适配器的MAC地址。
全球唯一的例外情况
IEEE要求MAC地址全球统一的本意很好,但是制造商并不都能达到这个要求。许多人都有过发现NIC有重复MAC地址的经历,现代NIC往往可以将MAC地址修改为自定义值。全球唯一性实际上更多的是作为一个指导原则。所以,只要你的MAC地址在2层域中保持唯一,就没有关系。
其他两类MAC地址用于标识多个接收者。广播目标地址(MAC地址FF:FF:FF:FF:FF: FF)用于表示共享总线上的所有网络适配器都应该处理该帧。组播目标地址用于将帧发送给总线上的一组网络适配器。组播MAC地址将使用OUI 01:00:5e,剩下的6字节由用户定义。

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