本节书摘来自异步社区《数据中心虚拟化技术权威指南》一书中的第2章，第2.1节，作者【巴西】Gustavo A. A. Santana，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

第2章 数据中心网络演进

数据中心虚拟化技术权威指南
本章节将讲述以太网协议的发展，设计数据中心以太网络的时候需要考虑的最重要因素，以及虚拟化如何在这些项目实施中克服常见的局限性。本章包含以下几个主题。

• 以太网协议的过去与现在；
• 数据中心网络拓扑；
• 网络虚拟化优势。

数据中心网络的主要目标是将服务器数据传输至客户端和其他服务器。很明显，数据中心是为提供数据服务而建设的，网络可以精确地定义设备的真实效率。

为了与今天数据中心环境的可靠性和成长性相配，数据库中心网络必须包含以下特征。

• 可用性：能够健全地从故障中快速恢复，或者至少对用户和连接的设备掩盖它们的影响。
• 可扩展性：可以随着数据中心的发展而扩展。
• 灵活性：支持网络设计和部署的变化，并不产生负面结果。
• 高效率：能够充分调度最大可利用资源。
• 预测性：显示一个期望的行为，甚至在故障中和故障后。

由于简单、廉价和可拓展性，以太网是今天应用最普遍的数据链接协议。事实上，可以毫不夸张地断言，每个数据中心机房的设备上至少有一个以太网口。而以太网接口包括了从 10Mbit/s 到100Gbit/s，这明显地体现了此协议的发展速度。

和互联网协议（Internet Protocol，IP）合作，以太网形成了数据中心网络的基础。此外，两个协议实际上都决定了过去的30年中拓扑和最优的应用如何配置。他们的局限性也驱动了技术革新，在网络虚拟化技术上得到了体现。几年来，这些帮助数据中心网络实现它的必要价值。

这一章节将集中介绍改变数据中心网络革新的主要需求和设计方案，以及在这些环境中网络虚拟化的主要动力。

2.1　以太网协议：过去和现在

数据中心虚拟化技术权威指南
以太网，以luminiferous aether 的名字命名，是一种无处不在的传输媒介，曾被认为是光信号传播的介质，于 1973 年在施乐帕洛阿尔托研究中心（Xerox Palo Alto Research Center，PARC）被构想出来。

以太网的创造者是 Robert Metcalfe 和 Dave Boggs，在 1980 年以太网脱离了实验室，在 DEC，Intel，当然也包括 Xerox 的驱动下投入了商业运用。后来，以太网协议被定义为一种让 1024 个基站使用同轴电缆以 10Mbit/s 的速率进行相互通信的网络协议。

在原版说明书中，以太网的主要目标是简单、低耗、通用、地址可变、公平、发展、高速、低延迟、稳定、可维护和分层结构。最后一个目标可以认为是以太网寿命如此之长的主要原因。协议的系统构成被分为数据链路层和物理层两部分，这将与介质相关的同轴电缆部分和与数据帧相关的部分分离开来。所以，以太网可以在*采用新电缆和传输速率的同时保持完全一样的二层特性，例如，大小可变的帧结构，载波侦听多址访问的冲突检测技术（Carrier Sense Multiple Access Collision Detect，CSMA/CD），最大努力交付和错误检测机制。

在 1983 年，IEEE 批准了以太网的 IEEE 802.3 标准。此标准以 DIX（DEC、Intel 和 Xerox 3家公司的首字母缩写）的第 2 版本为基础，自此之后协议的传输速率不断发展，从 10Mbps（Ethenet） 至 100Mbps（Fast Ethernet）、1Gbps（Gigabit Ethernet）、10Gbps（Gigabit Ethernet）、40Gbps（40Gigabit Ethernet），甚至是 100Gbps（100 Gigabit Ethernet）。

为了描述每个物理层的特性，IEEE 创造了一种基于 3 个特性的命名方式：数字代表以 Mbps 为单位的数据传输速率，BASE 代表使用了基带信号传输，最后用一到两个字母指明所用的介质。在此方法中 10BASE-T 代表以太网基带传输速率为 10Mbps，使用双绞线进行传输。

注意：
除了速率的提升之外，以太网的发展也有很多工作花在了从帧交换的角度优化吞吐量上面。特别是在 20 世纪 90 年代引入的以太网交换和全双工技术，将以太网从一个冲突多发的架构转化为了高性能环境。

2.1.1　以太网介质

在以太网发展过程中，以太网的数据帧在各种各样的介质上传输过，包括无线技术甚至是带刺铁丝网。但是，服务器网络总是依赖于标准的线缆技术，包括同轴电缆、双绞电缆、光纤和最近的直连双同轴电缆。

无论是过去的或是最新的标准，仔细观察这些物理层标准有助于解释数据中心网络发展的潜在
趋势。

2.1.2　同轴电缆

作为第一个标准的以太网介质，同轴电缆使用和金属屏蔽线分层的铜芯线传输数据，电缆外层被一个外部塑料罩进一步保护。

基于同轴电缆有两种不同的以太网物理层标准。

10BASE5（或粗缆以太网）：在 IEEE 802.3 标准中得到批准，可以长达 500 米（m）。在加入新节点时，电缆依靠“vampire taps”同时刺入外壳和芯层，提供与节点相连的附加单元接口（Attachment Unit Interface，AUI）。

10GBASE2（或粗缆以太网）：只在 IEEE 802.3a 标准中出现，长度可达 185 米，新的基站可以通过使用BNC T 连接器加入介质。

图 2-1 说明了同轴电缆线的内部结构和 10GBASE5 和 10GBASE2 的一些物理零件。在这两个标准中，在电缆两端都需要有电阻（终结器）防止信号的反射和通信损失。由于这些实行上的困难和20世纪 90 年代双绞电缆的广泛使用，同轴电缆在以太网中被认为是一种老旧的技术。虽然如此，它们仍然存在于无线电设备、有线电视分布系统和资深工程师的梦靥中。

2.1.3　双绞电缆

一种在园区网和数据中心网络中都非常流行的以太网介质，双绞电缆源自于电话布线系统（实际上，它的专利拥有者就是电话之父——贝尔）。

一个双绞电缆系统是几个导体对集合，每一对都构成一个单独电路。成对的线缆相互缠绕来减少来自外部的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI），包括临近双绞电缆的交叉干扰。

双绞电缆有以下两种。

• 屏蔽双绞电缆（Shielded Twisted-Pair，STP）：单独或多根双绞电缆加上了屏蔽外壳防止电磁干扰，这种线缆适合长距离或高速率的连接。

• 非屏蔽双绞电缆（Unshielded Twisted-Pair，UTP）：不采用屏蔽外壳，价格较低，适合用于短距离和低速连接。
  一个双绞电缆系统通常在交换机和服务器接口采用 8 线 RJ-45 的连接器。图 2-2 描绘出了两种基本双绞电缆和 RJ-45 连接器。

美国国家标准协会和电信行业协会 ANSI/TIA-568 标准详述了双绞电缆布线，除了提供综合的结构化布线原则，这些标准还依据抗干扰的性能和弱点规定了双绞电缆系统的分类。

表 2-1 详述了 ANSI/TIA-568 双绞电缆分类和支持它们的物理层标准。

１若不作另外说明，最大距离为100ｍ。

2.1.4　光纤

光纤是以二氧化硅或塑料为原料的介质，能够通过光传递信息。光纤由纤芯和包裹它的包层组成，由于它们的折射系数不同，光一进入包层就会被反射回纤芯。因此，当光进入光纤后，就被限制在纤芯内，并在包层和纤芯的边界处来回反射，沿着光纤传播。

目前制造出售的主流光纤可以分为以下两种。

多模光纤（MultiMode Fiber，MMF）：为短距离通信而设计。这种线缆允许多种模式的光沿着光纤传播。这种光纤的纤芯直径为 50 μm或者 62.5 μm，包层为 125 μm。

单模光纤（Single-Mode Fiber，SMF）：为长距离通信设计。这种光纤只允许一种模式的光在光纤中传播。它的纤芯直径在8 ～ 10.5 μm，包层 为125 μm。相对于多模光纤，它允许更小的光色散，因而更加昂贵。

图 2-3 生动地展示了光在单模和多模光纤中传播的不同。

IEEE 引用了国际标准化组织和国际电工委员会 ISO/IEC 11801 光纤说明书当作以太网光通信的参考。此标准依据单位距离的传输速率将多模光纤分成 4 类（OM1、OM2、OM3 和 OM4）。OM3 和 OM4 是目前在数据中心使用最多的多模光纤，因为在相同的数据速率下它们的传输距离更长。

ISO/IEC 11801 和 24702 将单模光纤归为两类（OS1 和 OS2），随着距离衰减减小，性能则会
提高。

以太网通过光纤传输的特性和对应的物理层标准如表 2-2 所示。

一个光纤系统由一或多对光纤组成，每个以太网设备收发信号使用不同的光纤。所有的以太网物理层使用一对光纤，除了 40GBASE-SR4 和 100GBASE-SR4 使用 4 对和 10 对多模光纤。

对于以太网来说，每种光纤的最大距离说明：多模光纤一般用来连接数据中心同一个机房内的设备；而单模光纤则用来连接不同的机房，甚至不同的数据中心。

2.1.5　直连双同轴电缆

和双同轴电缆一样，直连双同轴电缆与同轴电缆非常相似，只是多了一根铜导线芯。两根铜芯都被绝缘层保护起来，在一堆铜芯外面再覆盖金属导体。和双绞电缆类似，两根线芯互相缠绕来削弱外部干扰。

双同轴电缆原本由 IBM 制造出来用于短距离连接，它提供了一种划算的方式将临近机架的以太网设备相连。这些电缆通常应用在交换机或服务器的收发机房。

直连 10G 以太网双同轴电缆有增强光学收发器（Enhanced Small Form Factor Pluggable，SPF+）兼容连接器，而 40G 以太网使用增强四通道SFP收发器（Enhanced Quad Small Form Factor Pluggable，QSPF+）连接器。双同轴电缆对于这两个速率均有两个种类。

优化型：加入 SFP+ 或 QSFP+ 的外罩来改善信号质量，通常覆盖 7 ～ 10m。

无源型：在设备间直接进行传导，距离为 1m、3 m或 5m。

双同轴线由于很高的性价比在数据机房很受欢迎。表 2-3 详细显示了与其他介质相比双同轴电缆在 10G 以太网传输时的特性。

1每边。

2近距模式（达30m）。

双同轴电缆还有一个额外的优势，其低误比特率（10E18）比 IEEE10G 以太网要求的误比特率（10E12）小很多。

注意：
尽管 2004 年 IEEE 802.3ak 第一次在双同轴电缆上使用 10G 以太网，但这一继任的方案是以无限带宽的双同轴电缆为基础。目前在 10G 以太网使用的双同轴电缆是以 SFF-8431 和 8461 为标准。

2.1.6　以太网数据速率时间轴

自以太网建立以来，其发展主要是为了努力保持不同运行商之间的标准完全通用，这个目标是以太网协议保证普遍性和优于其他体系，例如令牌网。

尽管以太网标准化进程有公平分享政策，对其时间轴的研究仍是一个评定过去 30 年网络工业趋势的好方法。图 2-4 以 Mbit/s为单位展示了以太网数据速率在不同介质（同轴电缆、双绞电缆和双同轴电缆）上的发展。

从图中我们可以观察得出以下趋势。

• 双绞线数据速率大体上每 5 年增长 10 倍，但在 10Gbps 后没能保持这种增长速度。
• 光纤发展略快一些，是第一个支持 100Mbps 的介质，也是所有介质中寿命最长的。
• 双同轴线成为了 10Gbit/s 连接的一个可选介质。

由于光收发器的花费较高，光纤在早期用在交换机之间这种需求高传输速率的的场合。而服务器接入这样的大数量连接需要依靠低成本升级到更快的传输速率，因而双绞线和双同轴线对于这些连接是最受欢迎的。