《以太网权威指南》第一章：以太网发展史

本文直接转载自图灵社区：第 1 章　以太网发展史
全文转载，排版有更改，增加一张配图（鲍勃·梅特卡夫绘制的以太网系统图原图）。

以太网用于搭建从最小到最大、从最简单到最复杂的网络：它连接家用电脑和其他家用设备，连接支持服务器和台式机的有线网络，还连接支持智能手机、笔记本电脑、平板电脑的无线网络。以太网提供的网络连接构成了覆盖全球的互联网，它还将互联网连接到了办公室以及千家万户。

以太网历史悠久。对以太网前身技术的首次描述出现在 1973 年 5 月。自此，尽管计算机经历了多次重大变革，但网络技术始终采用以太网。这是因为以太网一直以来都在不断改进、提高性能，来适应计算机领域的快速更迭。在此过程中，以太网逐渐成为世界上应用最广泛的网络技术。

1.1　以太网的历史

1973 年 5 月 22 日，美国加州施乐帕洛阿尔托研究中心的鲍勃·梅特卡夫（Bob Metcalfe）在备忘录里描述了他新发明的网络系统，这个新系统把一批名叫施乐阿尔托（Xerox Alto）的高级计算机工作站连接起来，并首次实现了计算机之间以及计算机同高速激光打印机之间的数据传输。施乐阿尔托是首台具有图形用户界面和鼠标定位设备的个人计算机工作站。施乐帕洛阿尔托研究中心还发明了首台用于个人电脑的激光打印机、首个将多项设备连在一起的高速局域网（LAN）技术。

20 世纪 70 年代初，昂贵的大型计算机占据主导地位，因此这个计算环境在当时很令人瞩目。那时，很少有地方能负担得起大型计算机的购买和维护，也很少有人会用大型计算机。帕洛阿尔托研究中心的这些发明为计算世界带来了革命性的突破。

革新的一个主要推动力是以太局域网的应用实现了计算机间的通信。随着互联网的发展，这种计算机间的全新交互模式将人类带入了崭新的通信技术时代。

1.1.1　Aloha网络

鲍勃·梅特卡夫的网络系统的灵感来自早期的 Aloha 网络。Aloha 网络最初诞生于 20 世纪 60 年代末。那时，夏威夷大学的诺曼·艾布拉姆森（Norman Abramson）及其同事在夏威夷群岛为岛间通信建立了一个无线电网络。Aloha 网络系统是共享信道机制的一个早期实验；更确切地说，Aloha 是一个共享的广播信道。

Aloha 协议非常简单：Aloha 基站可以随时发送信息，发送信息后等待接收方回执。如果短时间内没有收到回执，基站会假定有另一个基站同时发送了信息，两基站的信息冲突会导致信息错乱，因此接收方无法识别信息和发送回执。检测到冲突后，两个发送基站会各选择一个随机的退避时间进入等待状态，退避时间结束后再次发送数据包，以提高成功率。然而，随着 Aloha 信道上流量的增大，信息冲突的几率也急剧增加。

上述协议被称为纯 Aloha 协议。艾布拉姆森通过计算得知，由于负载增大导致冲突率急剧增加，纯 Aloha 协议的信道利用率最高可达约 18%。之后，他们又开发了一个名为时隙 Aloha 的系统，它通过离散时间槽和统一时钟实现同步传输，其信道利用率可高达约 37%。2007 年，艾布拉姆森因“在随机多路访问技术方面的基础研究工作对现代数据网络发展做出的卓越贡献”而荣获 IEEE 颁发的亚历山大·格雷厄姆·贝尔奖章（Alexander Graham Bell Medal）^①。

1.1.2　以太网的发明

梅特卡夫发现，他可以改进这个可随意访问共享通信信道的 Aloha 系统。他发明了一个包含冲突检测机制的新系统。这个系统还包含“先听后传”，即基站在发送信息前先侦听活动（载波侦听），并支持多个基站访问公共信道（多路访问）。综合考虑以上特征，相信读者可以理解为什么最初的以太网信道访问协议叫作带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）协议。梅特卡夫还发明了一种更复杂的退避算法，这种算法结合 CSMA/CD 协议，使以太网系统能够在负载高达 100% 的情况下正常运转。

1972 年末，梅特卡夫和他在帕洛阿尔托研究所的同事共同研发了第一个实验性的“以太网”网络系统。这个系统将若干个阿尔托互相连接起来，并连接着服务器和激光打印机。系统的信号钟由阿尔托的系统时钟演变而来，其数据传输速率达到了 2.94 Mbit/s 。

梅特卡夫的第一个实验网络叫阿尔托 Aloha 网。1973 年，梅特卡夫将其更名为“以太网”，以表明这个网络不仅可以连接阿尔托设备，还可以连接任何计算机，同时也表明这个新的网络机制已经远远超越了 Aloha 系统。他用“以太”一词描述这个系统的本质特征：物理介质（如网线）将数据传给基站，这个过程类似于人们曾经设想的“光以太”在空间传递电磁波的过程^②。至此，以太网诞生。

1976 年，梅特卡夫绘制了一张图（见图 1-1），用于当年六月召开的全国计算机大会。这个图用一些早期的术语描述了以太网的构架^③。


图 1-1：最初的以太网系统图

1976 年 7 月，鲍勃·梅特卡夫和大卫·博格斯共同发表了一篇具有里程碑意义的论文——《以太网：本地计算机网络的分布式包交换》^④。1977 年末，罗伯特·梅特卡夫、大卫·博格斯、查尔斯·查克和巴特勒·兰普森获得了“有冲突检测的多点数据通信系统”的以太网专利，其美国专利号为 4063220。

此时，施乐公司完全掌控了以太网。这个全世界最流行的计算机网络前进的下一步就是跨出公司，成长为一个世界范围的网络。

1.2　再造以太网

如果你只能使用一家供应商的设备，那么不管网络系统设计得多好，它的用处也是有限的。网络技术必须得到尽可能多的不同设备的支持，才会为用户提供最大的灵活性。为了达到最大效用，网络必须是独立于设备供应商的（即网络可以连接任意供应商的计算机和设备）。但在 1970 年，事情并非如此，那时候计算机还很昂贵，网络技术是新鲜事物，掌握在少数人手中。

鲍勃·梅特卡夫明白计算机通信的革新需要一种人人都可以使用的网络技术。1979 年，他开始致力于推动以太网成为一个开放的标准，施乐公司也同意加入一个多公司的联盟，致力于制定一个任何公司都可以使用的以太网系统标准。1980 年，美国 DEC 公司、英特尔公司和施乐公司组成的 DIX 联盟发布了第一个 10 Mbit/s 的以太网标准。从此，一个基于以太网技术的开放计算机通信的时代正式开始。最早的 DIX 标准没有版权保护，任何人都可以复制、使用。

这个标准使得以太网技术成为了一项任何人都可以使用的开放技术，形成了一个开放的系统。为了这个目标，施乐公司对自己所有的以太网专利技术仅仅收取 1000 美元的授权使用费。1982 年，施乐公司还放弃了以太网的商标名称。这些努力，使得以太网标准成为世界上首个开放的、面向多供应商的局域网标准。

通过共享专有计算机技术来形成一个通用标准，使每个人受益，这个想法在 20 世纪 70 年 代晚期的计算机产业界还很激进。鲍勃·梅特卡夫意识到了开放以太网标准的重要性，这一远见具有重要的意义。正如梅特卡夫所说：“将以太网设计为一个开放的、非专有的、产业化标准的本地网络的意义，甚至大于发明以太网本身。”^⑤

1979 年，梅特卡夫创建了一个公司来促进以太网的商业化。他坚信来自不同供应商的计算机应该能够借助通用的网络技术进行通信，让计算机更有用，反过来也能给用户提供大量的新功能。以计算机通信兼容为目标，梅特卡夫创建了 3Com 公司。

1.2.1　双绞线介质以太网

20 世纪 80 年代，以太网日益繁荣。但随着联网的计算机越来越多，早期同轴电缆介质固有的问题变得越来越尖锐。在建筑物中安装同轴电缆是一项艰巨的任务，让电脑连接这些电缆更是一个挑战。

20 世纪 80 年代中期，一种细的同轴电缆系统被引入使用，这个系统简化了搭建介质系统、连接计算机与系统的工作，但管理一个同轴电缆以太网系统仍然是很困难的。同轴以太网系统采用总线拓扑，因此每台计算机通过同一条总线电缆发送以太网信号，电缆中的任何一处故障都将导致整个网络瘫痪，而且排除故障需要花很长时间。

双绞线以太网出现于 20 世纪 80 年代末期，源自一个供应商的创新。借助这项技术，以太网系统可以搭建在更可靠的星形电缆拓扑上。在这个系统中，所有计算机都连接到一个中心点^⑥。这种系统更易搭建、管理，也更易检修。使用双绞线是以太网的一次重大变革，或者说是以太网的一次再造。双绞线以太网扩大了以太网的使用范围，以太网市场也进入腾飞发展时期。

20 世纪 90 年代早期，在建筑物中进行双绞线系统的结构化布线标准出台，通过引用高可靠、低成本的电话线路，从而构建出可覆盖整座大楼的双绞线系统。随后，按照结构化布线标准进行布线的双绞线介质以太网成为应用最广的网络技术。这些网络系统可靠、易于安装管理，且排查修复故障迅速。

1.2.2　100 Mbit/s的以太网

始创于 1980 年的以太网标准描述了一个速度为 10 Mbit/s 的系统。当时这个速度已经很快了，但是由于对缓冲存储器和高速组件的要求较高，当时的以太网接口还很昂贵。整个 20 世纪 80 年代，以太网的速度都比联网计算机的速度快，这使得网络和计算机间实现了很好的匹配。但是随着计算机技术的不断发展，到了 20 世纪 90 年代早期，普通计算机已经足够快，占据了 10 Mbit/s 以太网信道的大部分负载。

早期一些人认为 CSMA/CD 以太网系统的速度极限是 10 Mbit/s，但令他们吃惊的是，通过改进，以太网的速度翻了十倍。1995 年，通过正式采用 Grand Junction Networks 公司（后被思科收购）的技术，新的以太网标准下的快速以太网系统可以达到 100 Mbit/s 的速度。快速以太网提供双绞线和光纤两种介质系统。快速以太网首先在骨干网络得到了广泛的使用，随后在通用计算网络上也得到了广泛应用。

随着快速以太网的出现，人们可以搭建多速率的双绞线以太网接口，实现 10 Mbit/s 或 100 Mbit/s 的速度。这些接口可以通过一个自动协商协议自动设置速度，从而轻松实现以太网系统从 10 Mbit/s 到 100 Mbit/s 的转变。

1.2.3　1000 Mbit/s的以太网

1998 年，以太网再次升级，这次它的速率又翻了十倍。千兆以太网标准描述了把光纤和双绞线作为传输介质、速率高达每秒 10 亿位的系统。千兆以太网让骨干网络速度更快，从而能够连接到更高性能的服务器。

千兆以太网的双绞线标准提供了面向台式机的高速连接。多速率双绞线以太网接口可支持三种速率：10 Mbit/s、100 Mbit/s 和 1000 Mbit/s，通过自动协商协议实现速度的自动配置。

1.2.4　10 Gbit/s、40 Gbit/s和100 Gbit/s的以太网

以太网的发展并没有就此止步，而是继续突破早期设计限制。尽管在这么高的速度下不可能再支持原有 CSMA/CD 共享信道的运行模式，但这没有关系：几乎所有的以太网连接都在全双工模式下运行，不再依靠 CSMA/CD 访问控制系统。

2003 年发布的 10 Gbit/s 以太网标准，定义了一个速度为每秒 100 亿位的光纤系统。2006 年，双绞线 10 Gbit/s 标准发布，支持在扩展 6 类（CAT-6A）双绞电缆上进行每秒 100 亿位的传输。现在，双绞线以太网接口可以支持 4 种速率：10 Mbit/s、100 Mbit/s、1000 Mbit/s 和 10 Gbit/s。

40 Gbit/s 和 100 Gbit/s 以太网标准发布于 2010 年，定义了 40 Gbit/s 和 100 Gbit/s 介质系统。至此，介质系统可以在光纤电缆和短程铜同轴电缆上承载 40 Gbit/s 和 100 Gbit/s 的以太网信号。

1.2.5　以太网新特性

以太网革新不只包括速度的提升和新介质系统的采用，还包括新特性的出现。例如，1997 年全双工以太网的标准化使两个设备可以进行全双工链路连接，同步收发数据，从而使 10 Gbit/s 的线路最高可实现 20 Gbit/s 的数据吞吐量。

自动协商标准作为双绞线以太网的补充，通过支持切换端口和连接这些端口的计算机来判断这些设备是否支持全双工模式，并在支持的情况下自动选择全双工摸式，同时自动设置双方设备都可达到的最大速率。

另外一个革新是以太网供电（PoE）标准。这个标准用支持在以太网线路传输数据的同时为连接到交换机的设备供电。这已经成为部署连接以太网交换机端口的无线接入点时广泛采用的方法。通过这种方法，无线接入点通过发送接收以太网帧的线路获取电力。

1.3　以太网交换机

全双工双绞线以太网、光纤以太网，以及以太网交换机的发明，使网络管理员可以基于交换机和全双工连接搭建大型网络。交换机包括以太网接口（端口），但交换机控制协议并不是以太网标准的一部分。规定交换机运行方式的是 IEEE 802.1 系列标准，其中 802.1D 标准含基本交换机的规范说明。

用户可以搭建基于交换机的多种网络。交换机的种类有很多，有为校园、企业网络专门设计的交换机，有为数据中心设计的具有特殊功能的交换机，还有为运营商和远程网络设计的交换机等。

基于交换机设计网络是一门大学问，要搭建的网络不同，方法也不一样。有专门介绍设计校园和企业网络的书，也有专门介绍设计数据中心网络的书。本书介绍以太网标准和相关技术，但不会深入分析 802.1 交换机标准，也不会深入探讨针对不同网络如何进行交换机网络设计。不过，本书第四部分，包括第 18 章和第 19 章，介绍了交换机的运行原理，并讨论了在网络设计中如何使用交换机。

1.4　以太网的未来

自 20 世纪 80 年代早期的 10 Mbit/s 以太网成为世界首个计算机网络公开标准开始，以太网已经走过了漫长的历程。正如你所见，以太网系统不断升级，以提供更灵活、更可靠的电缆连接，不断适应速度提升带来的网络流量，增加更多功能来满足日益复杂的网络系统需求。

以太网在应对这些挑战的同时，保持了基本不变的结构和运作方式，并维持着合理的成本。基本的稳定性，加上不断创新来满足新需求，是以太网成功的关键。

①：IEEE 全球历史网络中 诺曼·艾布拉姆森的传记部分写道：“在夏威夷大学时，他致力于首个无线分组网络 ALOHAnet 的建立和运作，提出了随机访问 ALOHA 信道理论。ALOHA 信道是无线网络和本地网络的一大进步，它的多个版本今天仍应用在所有的主流移动电话和无线数据网络标准中。这项影响深远的工作也奠基了今天以太网的主要思想。”

②：1887 年，物理学家迈克尔逊和爱德华·莫立证明了以太并不存在，但梅特卡夫认为以太这个名字很适合描述这个可以传递信号给计算机的新网络系统。

③：The Ethernet Sourcebook，Robyn E. Shotwell (New York: North-Holland, 1985)，扉页。

④：Communications of the ACM, 19:7 (1976 年 7 月 ): 395–404。

⑤：Shotwell, The Ethernet Sourcebook, p. xi。

⑥：这里谈到的供应商是 SynOptics Communications，它发明了首个双绞线产品 LattisNet。