伍均璽

（河北省財政廳信息中心，河北　石家莊　050051）

以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展綜述

伍均璽

（河北省財政廳信息中心，河北石家莊050051）

當前，網(wǎng)絡(luò)的“以太化”已經(jīng)覆蓋到整個互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)，從PON、WLAN和PPPOE到數(shù)據(jù)中心和云計算，幾乎所有得到廣泛應用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都與以太網(wǎng)有關(guān)。文章對以太網(wǎng)的發(fā)展歷史和趨勢進行了綜述，對重點技術(shù)和新技術(shù)進行了詳述，以太網(wǎng)與IP技術(shù)的相輔相成、相互依存和相互促進，引領(lǐng)了網(wǎng)絡(luò)“IP化”和“以太化”發(fā)展大趨勢［1］。

以太網(wǎng) VLAN 生成樹 鏈路聚合 VXLAN SDN Overlay

1　引言

以太網(wǎng)位于OSI七層模型中的第二層——數(shù)據(jù)鏈路層，其最初是總線型，同軸電纜，半雙工，技術(shù)標準為10Base-5 （IEEE 802.3 1983年），10Base-2（IEEE 802.3a 1985年）。以太網(wǎng)基本特征是采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測CSMA/CD的共享訪問機制，位于同一條總線上的多個工作站，時刻監(jiān)聽總線是否空閑，只要檢測到總線上有數(shù)據(jù)傳輸，則必須等待傳輸結(jié)束后才能發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，沖突檢測機制保障了同一時刻只能有一個工作站發(fā)送數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)最重要的特點是沖突和廣播，總線型網(wǎng)絡(luò)所有入網(wǎng)用戶一起共享帶寬，傳輸效率低下，而且總線型網(wǎng)絡(luò)其中一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，整網(wǎng)通訊都會中斷。為了解決網(wǎng)絡(luò)容易發(fā)生故障和運維的問題，人們推出了基于UTP雙絞線、半雙工的10Base-T（IEEE 802.3i 1990年），出現(xiàn)了集線器（HUB），將二層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)從總線型轉(zhuǎn)化成星形連接。這時一個單一節(jié)點出現(xiàn)問題，不會影響到其他在網(wǎng)用戶，可靠性和易維護性得到一定的增強。

由于傳統(tǒng)以太網(wǎng)是所有用戶共享全部帶寬，處于同一個沖突域，很快基于網(wǎng)橋的技術(shù)二層交換機出現(xiàn)了。交換式以太網(wǎng)成功解決了共享帶寬的問題，交換機上2個用戶之間是獨享帶寬的，將沖突域限定在很小的范圍內(nèi)。100Base-TX（IEEE 802.3u 1995年），普及了全雙工工作方式，提升了傳輸效率，1000Base-LX（IEEE 802.3z 1998年），千兆以太網(wǎng)，IEEE于2002年正式發(fā)布了萬兆以太網(wǎng)系列標準。

2　重要技術(shù)

伴隨以太網(wǎng)的普及和發(fā)展，很多相關(guān)技術(shù)的涌現(xiàn)不斷豐富了以太網(wǎng)功能，下面列舉幾個對以太網(wǎng)產(chǎn)生重大影響的技術(shù)進行簡述。

2.1VLAN

沖突和廣播是以太網(wǎng)最重要的2個特點，隨著交換機的出現(xiàn)，任意兩點間獨有沖突域，大規(guī)模沖突已不再是問題。但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，廣播域過大帶來一些問題，比如大量的廣播侵占了正常業(yè)務的帶寬和降低效率等，為解決因廣播域過大而產(chǎn)生的傳輸效率問題，一個新的技術(shù)——VLAN出現(xiàn)了。

為了將以太網(wǎng)廣播域限定在一個范圍內(nèi)，就需要將二層以太網(wǎng)分割開來，然后通過三層路由設(shè)備進行連接。為了更方便的分割二層網(wǎng)絡(luò)，VLAN技術(shù)隨之出現(xiàn)。通過劃分VLAN，把同一物理局域網(wǎng)內(nèi)的不同用戶邏輯地劃分成不同的廣播域，每一個VLAN都包含一組有著相同需求的工作站，與物理上形成的LAN有著相同的屬性。由于VLAN是從邏輯上劃分，而不是從物理上劃分，所以同一個VLAN內(nèi)的各個工作站沒有限制在同一個物理范圍中，即這些工作站可以在不同物理LAN網(wǎng)段。一個VLAN內(nèi)部的廣播和單播流量都不會轉(zhuǎn)發(fā)到其他VLAN中，從而有助于控制流量、減少設(shè)備投資、簡化網(wǎng)絡(luò)管理和提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。

通過IEEE 802.1Q［1］可實現(xiàn)VLAN的跨交換機部署，單個VLAN范圍不再受到物理位置和設(shè)備連接的限制。IEEE 802.1Q是一個中繼標準，802.1Q修改原始的以太網(wǎng)幀，插入4 Bytes字段，通過這個字段標識帶有VLAN成員信息的以太幀。

圖1　IEEE 802.1q幀格式

2.2生成樹（Spanning tree）

以太網(wǎng)最重要實現(xiàn)原理之一就是廣播。正是由于廣播存在，一般以太網(wǎng)是不允許有環(huán)路出現(xiàn)的，否則將會導致廣播風暴，直接影響網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，甚至導致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。為了防止以太網(wǎng)環(huán)路的產(chǎn)生，同時允許通過冗余鏈路提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，生成樹協(xié)議應運而生。

生成樹協(xié)議是IEEE 802.1D中定義的一個應用于以太網(wǎng)交換機的標準，這個標準為交換機定義了一組規(guī)則用于探知鏈路層拓撲，并對交換機的鏈路層轉(zhuǎn)發(fā)行為進行控制。如果STP發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在環(huán)路，它會在環(huán)路上選擇一個恰當?shù)奈恢米枞溌飞系亩丝凇柚苟丝谵D(zhuǎn)發(fā)或接收以太網(wǎng)幀，通過這種方式消除二層網(wǎng)絡(luò)中可能產(chǎn)生的廣播風暴。然而在實際部署中，為確保網(wǎng)絡(luò)的高可用性，通常都會采用具有環(huán)路的物理拓撲，并采用STP阻塞部分端口的轉(zhuǎn)發(fā)。對于被阻塞端口，只有在處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的端口鏈路發(fā)生故障時，才可能被STP加入到二層數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)樹中。

目前生成樹協(xié)議主要有STP、RSTP和MSTP，目前都是標準協(xié)議，普遍得到支持，在絕大多數(shù)情況下可以高效工作。當然對于部分特殊的情況，生成樹可能出現(xiàn)計算錯誤，生成樹沒能起到應有的作用，反而造成二層環(huán)路。

運行生成樹協(xié)議主要是以太網(wǎng)交換機，這些交換機的CPU通常處理能力都較弱，而所有生成樹協(xié)議相關(guān)的計算都需要CPU參與，這就造成了交換機很容易遭受到基于生成樹的攻擊，而導致很嚴重的后果。另外，由于光纖單向通訊等原因也可能造成生成樹計算錯誤。

為了避免生成樹計算時由于外界其他因素影響導致計算錯誤，最終導致二層環(huán)路出現(xiàn)的問題，設(shè)備廠商做了很多修補工作，例如BPDU保護功能、根保護功能、環(huán)路保護功能和廣播抑制等。

2.3路由交換

為了解決廣播域過大的問題，傳統(tǒng)的方法是將多個廣播域分割后再使用路由器重新連接起來。在局域網(wǎng)中，傳統(tǒng)路由器的路由轉(zhuǎn)發(fā)效率較低，限制廣播域的同時也限制了通訊效率。路由交換機的出現(xiàn)成功解決了這個問題。利用專用硬件完成路由轉(zhuǎn)發(fā)過程，“一次路由，之后交換”，如同二層交換一樣的快速，大大提高了路由轉(zhuǎn)發(fā)效率。

通過二層交換機將以太網(wǎng)沖突域劃小，通過VLAN將廣播域劃小，再通過路由交換機實現(xiàn)VLAN間的高速互聯(lián)，以太網(wǎng)逐漸走向成熟，變得更加易用、可靠和可控。

2.4鏈路聚合

為了提高交換機之間互聯(lián)帶寬，經(jīng)常使用兩條或多條線路。如果使用STP/RSTP，那么只能有一條線路實際工作，使用MSTP將兩條線路劃分到不同的VLAN，并歸屬于不同的生成樹實例，同時調(diào)整不同生成樹實例的配置，可以做到2條線路分別傳輸各自不同VLAN的數(shù)據(jù)，但是無法適用于只有一個VLAN的場合。

鏈路聚合是將多個物理以太網(wǎng)端口聚合在一起，形成一個邏輯上的聚合組，使用鏈路聚合服務的上層實體把同一聚合組內(nèi)的多條物理鏈路視為一條邏輯鏈路。鏈路聚合可以實現(xiàn)出/入負荷在聚合組中各個成員端口之間分擔，以增加帶寬。同時，同一聚合組的各個成員端口之間彼此動態(tài)備份，提高了連接可靠性［2］。鏈路聚合控制協(xié)議（Link Aggregation Control Protocol，LACP）是一種基于IEEE802.3ad標準的鏈路聚合控制協(xié)議。LACP協(xié)議通過鏈路聚合控制協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Link Aggregation Control Protocol Data Unit，LACPDU）與對端交互信息。

3　新技術(shù)發(fā)展

數(shù)據(jù)中心和云計算的迅猛發(fā)展，對現(xiàn)有以太網(wǎng)提出了新的要求，各種相關(guān)的新技術(shù)和新標準也在不斷完善和制定當中，下面列舉幾種進行簡述。

3.1FCoE

一直以來，大型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)會存在2種類型的網(wǎng)絡(luò)，一種是用于數(shù)據(jù)通訊的以太網(wǎng)，另一種是用于數(shù)據(jù)存儲的SAN網(wǎng)絡(luò)。

FCoE技術(shù)標準可以用以太網(wǎng)承載光纖通道，通過將光纖通道信息插入以太網(wǎng)幀內(nèi)，從而讓服務器-SAN存儲設(shè)備的光纖通道請求和數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)連接來傳輸，而無需專門的光纖通道結(jié)構(gòu)，從而可以在以太網(wǎng)上傳輸SAN數(shù)據(jù)。FCoE允許在一根通信線纜上傳輸LAN和FC SAN通信，融合網(wǎng)絡(luò)可以支持LAN和SAN數(shù)據(jù)類型，減少數(shù)據(jù)中心設(shè)備和線纜數(shù)量，同時降低供電和制冷負載，收斂成一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)后，需要的維護工作量減少了，有助于降低管理負擔。FCoE面向的是10 G以太網(wǎng)，是一個二層封裝協(xié)議，其本質(zhì)是使用以太網(wǎng)物理傳輸協(xié)議傳輸FC數(shù)據(jù)。

3.2大二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，考慮到大規(guī)模二層網(wǎng)絡(luò)帶來的環(huán)路和廣播風險，通常在接入層進行三層終結(jié)，服務器和終端缺省網(wǎng)關(guān)直接配置接入設(shè)備上。與傳統(tǒng)三層下移趨勢正相反，服務器虛擬化及云計算同城數(shù)據(jù)中心需要大二層，云計算想要做多大，虛擬機遷移需要遷多遠，二層網(wǎng)絡(luò)就需要做多大，可能橫跨整個數(shù)據(jù)中心，甚至跨越兩地數(shù)據(jù)中心，這些需求在以太網(wǎng)絡(luò)層面可以說是逆向生長。

傳統(tǒng)的二層網(wǎng)絡(luò)，需要使用生成樹協(xié)議來實現(xiàn)冗余鏈路自動關(guān)閉和故障自愈，來保證二層網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路，但云計算對帶寬收斂要求很高，已經(jīng)無法容忍部分線路始終處于封閉（Discarding）狀態(tài)，要求所有上行線路都能夠動態(tài)的分擔負載，將每條線路和端口的能力全部發(fā)揮出來。

為了解決這些問題，構(gòu)建大規(guī)模無環(huán)路的二層網(wǎng)絡(luò)，首先是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商提出“虛擬交換機”概念，將2臺或多臺交換機虛擬成為一臺，而下聯(lián)設(shè)備通過鏈路聚合方式雙歸上行，實現(xiàn)跨交換機的鏈路聚合，比較成熟的有原北電（Nortel）SMLT、CISCO VSS、H3C IRF2及華為CSS等。為了能夠更好地解決這個問題，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商和國際標準化組織都在不斷的努力嘗試，解決方法也出現(xiàn)了2個方向［3］。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商采用私有協(xié)議或技術(shù)實現(xiàn)特定型號2臺或多臺交換機集群，廣泛性和兼容性問題明顯，而標準化組織致力于通過制定通用協(xié)議實現(xiàn)二層多路徑高速轉(zhuǎn)發(fā)，最具代表性的是IETF TRILL（Transparent Interconnection of Lots of Links）多連接半透明互聯(lián)標準。

圖2　生成樹與虛擬交換機技術(shù)示意圖

TRILL協(xié)議利用OSI模型下的IS-IS，它將IS-IS三層路由協(xié)議應用到二層設(shè)備，這樣在本質(zhì)上便允許二層設(shè)備路由Ethernet幀，從而不需要應用生成樹來關(guān)閉連接。利用三層路由的ECMP等值路由可以很容易實現(xiàn)多條鏈路間的負載均衡。使用TRILL協(xié)議可以利用所有連接帶寬，這在傳統(tǒng)的生成樹方式無法實現(xiàn)的［4］。

3.3Overlay技術(shù)

除了上面提到的“大二層網(wǎng)絡(luò)”問題，云化數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)還需要解決下面幾個問題：

⑴虛擬機的網(wǎng)絡(luò)感知

虛擬機環(huán)境下，通常是一個物理接口下面存在多臺虛擬設(shè)備。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不能識別不同的服務器，每臺虛擬服務器可能對應的VLAN和ACL策略不相同，當虛擬機遷移時，由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無法感知虛擬機的存在，所以遷移后的接口無法實現(xiàn)自動策略配置。想要實現(xiàn)虛擬機遷移網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的自動策略配置，就必須解決網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對虛擬機的主動感知問題，代表性技術(shù)是HP/H3C主導的IEEE 802.1Qbg（VEPA）標準。

⑵設(shè)備二層地址表不足

云計算數(shù)據(jù)中心中部署了大量的虛擬機，每個虛擬機都會占用一個二層地址表項。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備二層地址表是有規(guī)格上限的，尤其對接入設(shè)備而言，設(shè)備本身二層地址表規(guī)格較小，因此限制了云計算數(shù)據(jù)中心的業(yè)務規(guī)模。

⑶VLAN不能適應大規(guī)模租戶部署

云計算數(shù)據(jù)中心內(nèi)承載大量不同租戶的業(yè)務，租戶與租戶之間有安全隔離的需求。當前主流的租戶隔離技術(shù)就是傳統(tǒng)的VLAN技術(shù)，而在大型的云數(shù)據(jù)中心，大量租戶部署會遇到兩大限制：VLAN可用的數(shù)量為4 K，遠遠不能滿足云業(yè)務部署需求；如果在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心部署VLAN，會使得所有VLAN在數(shù)據(jù)中心內(nèi)都被允許通過，導致任何一個VLAN的廣播風暴會在整個數(shù)據(jù)中心內(nèi)泛濫，大量消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬，同時運維管理困難。

針對前文提出的三大技術(shù)挑戰(zhàn)，業(yè)界提出新的思路，在不改變原先網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)之上，新建一個面向應用的邏輯網(wǎng)絡(luò)——Overlay網(wǎng)絡(luò)，為云業(yè)務提供支撐，如圖3所示。

圖3　Overlay網(wǎng)絡(luò)

Overlay技術(shù)是把二層報文封裝在IP報文之上的隧道技術(shù)。因此，只要網(wǎng)絡(luò)支持IP可達就可以部署Overlay網(wǎng)絡(luò)，且在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上沒有特殊要求。路由網(wǎng)絡(luò)本身具備良好的擴展能力，很強的故障自愈能力和負載均衡能力。采用Overlay技術(shù)后，企業(yè)不用改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)就可用于支撐云計算業(yè)務，部署方便。部署Overlay網(wǎng)絡(luò)后，虛擬機數(shù)據(jù)封裝在IP數(shù)據(jù)包中，對于承載網(wǎng)絡(luò)（特別是接入交換機）只需要學習隧道端點的MAC，MAC地址規(guī)格需求極大降低。而對于核心網(wǎng)關(guān)處的設(shè)備表項（MAC/ARP）要求依然極高，采用分布式網(wǎng)關(guān)解決方案，通過多個核心網(wǎng)關(guān)設(shè)備提高表項的總體規(guī)格，有效解決核心設(shè)備規(guī)格表項受限問題。Overlay技術(shù)擴展了隔離標識的位數(shù)，可以支持數(shù)量高達16 M（16X1024X1024）的用戶，極大擴展了隔離數(shù)量，足以滿足超大規(guī)模公有云數(shù)據(jù)中心需求。針對廣播風暴問題，Overlay對廣播流量轉(zhuǎn)化為組播流量，可以避免網(wǎng)絡(luò)本身的無效流量的帶寬浪費。

IETF在Overlay技術(shù)領(lǐng)域提出VXLAN、NVGRE和STT三大技術(shù)方案。大體思路均是將以太網(wǎng)報文承載到某種隧道層面，差異性在于選擇和構(gòu)造隧道的不同，而底層均是IP轉(zhuǎn)發(fā)。VXLAN和STT對于現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備而言對流量均衡要求較低，即負載鏈路分擔適應性好，一般的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都能對L2-L4的數(shù)據(jù)內(nèi)容參數(shù)進行鏈路聚合或等價路由的流量均衡，而NVGRE則需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對GRE擴展頭感知并對flow ID進行HASH，需要硬件升級；STT對TCP有較大修改，且復雜度較高，而VXLAN利用了現(xiàn)有通用的UDP傳輸，成熟性極高。所以總體比較，VXLAN技術(shù)具有更大優(yōu)勢，而且當前VXLAN得到了更多廠家和客戶的支持，已經(jīng)成為Overlay技術(shù)的主流標準。

VXLAN（Virtual eXtensible LAN，可擴展虛擬局域網(wǎng)絡(luò)）是基于IP網(wǎng)絡(luò)、采用“MAC in UDP”封裝形式的二層VPN技術(shù)［5］，具體封裝格式如圖4所示。

圖4　VXLAN封裝格式

3.4SDN與Overlay融合

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN），創(chuàng)新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實現(xiàn)方式，其核心技術(shù)OpenFlow通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，通過控制器下發(fā)流表指導網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行轉(zhuǎn)發(fā)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，使網(wǎng)絡(luò)作為管道變得更加智能［6］。VXLAN解決了數(shù)據(jù)層面問題，VTEP（VXLAN Tunnel End Point，VXLAN隧道端點）間的流表學習即控制層面可以交由SDN之Openflow來實現(xiàn)，類似BGP MPLS L3 VPN中MPLS與MP-BGP之間的關(guān)系，SDN與Overlay的技術(shù)融合完善了云計算數(shù)據(jù)中心的Overlay解決方案。SDN與VXLAN的技術(shù)融合如圖5所示。

圖5　SDN與VXLAN的技術(shù)融合

4　結(jié)束語

以太網(wǎng)從技術(shù)角度上講一直不是最優(yōu)秀的，ATM/FDDI這些曾經(jīng)的對手身上從來都不缺乏技術(shù)先進性。憑借更經(jīng)濟、更易用及與IP更好配合等優(yōu)勢，以太網(wǎng)絡(luò)多年來頑強的發(fā)展著，逐步確立了其霸主地位。無論是標準化組織、芯片廠商還是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應商都在不斷研發(fā)新的協(xié)議和技術(shù)，用于彌補以太網(wǎng)的各種缺陷，豐富功能、提高性能、提升可靠性和增加易管理性。相信以太網(wǎng)不斷的進化會更好地滿足企業(yè)網(wǎng)、運營商網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要求，必將煥發(fā)出更加旺盛的生命力。

［1］IEEEStd.802，1Q-2005.VirtualBridgedLocalAreaNetworks［S］. ［2］呂永芝，蘇峰文.鏈路聚合及其組網(wǎng)應用［J］.數(shù)字技術(shù)與應用，2014（9）：98-100.

［3］宋文文，李莉.云數(shù)據(jù)中心大二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究［J］.中國教育網(wǎng)絡(luò)，2013（12）：34-35.

［4］王淑琴.淺析TRILL技術(shù)在大二層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中的應用［J］.中國電子商務，2014（9）：66，68.

［5］RFC 7348，Virtual eXtensible Local Area Network（VXLAN）：A Framework for Overlaying Virtualized Layer 2 Networks over Layer 3 Networks［S］.

［6］Azodolmolky，S.軟件定義網(wǎng)絡(luò)：基于OpenFlow的SDN技術(shù)揭秘［M］.徐磊，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2014，23-64.

Overview on Development of Ethernet Technology

WU Jun-xi
（Information Center，Hebei Provincial Finance Department，Shijiazhuang Hebei 050000，China）

At present，the Ethernet has already been used in the whole Internet and Intranet.From the PON，WLAN，PPPOE to data center and cloud computing，nearly all widely-used network technology is related to Ethernet.This paper introduces the development history and trend of Ethernet.The key and new technologies are described in detail.Ethernet and IP technology supplement，depend and promote each other to lead the development trend of IP-based and Ethernet-based network.

Ethernet；VLAN；spanning tree；link aggregation；VXLAN SDN Overlay

TP393

A

1008-1739（2015）17-71-5

定稿日期：2015-08-12