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ALOHA 无线网络

ALOHA 无线网络是世界上最早的无线电计算机通信网，ALOHA 协议也是最早的无线数据通信协议，来自 1968 年由 Norman Abramson 博士领导的美国夏威夷大学 ALOHA 项目。

这项研究计划的最初目的是要解决夏威夷群岛之间的无线电通信问题，而 ALOHA 的本意就是夏威夷人表示致意的问候语。

为了使分散在各个岛屿上的多个用户能够在同时间内通过单一个无线电信道（都使用相同的无线频段）来使用位于中心岛屿的计算机，就需要实现一种 “一点到多点“ 的数据通信机制，而不再是端到端的 “单点通信" 机制。ALOHA 网络为了实现这个目标而设计了 ALOHA 协议，它的本质是一种 “无线电信道冲突域协商机制“。

最初的实现原理很简单，处于中心位置的是 Base station（基站），同时服务于多个 Client stations（客站）。Client stations 将 Frame（无线帧）通过无线电信道发送到 Base station，而 Base station 收到 Frame 后就会应答 ACK，表示一次发送成功。但如果由于 Base station 在处理其他 Client 的应答（无线频段被占用），从而导致 Client 没有接收到 ACK 的话，那么 Client 会在等待一段随机的时间后发起重传。如果再次冲突，则再等待一段随机的时间，直到重传成功为止。

早期的 ALOHA 协议就是以这样一种简单的方式来避免了 “一点到多点“ 之间的信道冲突。

显然的，虽然 ALOHA 协议简单易行，但随着 Client stations 的数量越来越多，那么发生冲突的几率就会越高，从而导致传输延迟增加和信道带宽降低。最初的 ALOHA 协议的信道利用率最大不超过 18.4%。如何改善信道的利用率是当时的难题。

直到 1972 年，人们发明了基于 Slot（时隙）的 ALOHA 协议才得以解决。Slot 在无线电通信领域是个伟大的发明，直到今天的 5G 网络仍在沿用。

Sloted ALOHA 的思想和 CPU 时间分片非常类似，把同一个无线点信道的使用时间分成多个 Slots（时间片），一个 Slot 就是一个无线数据帧，以此将一个物理的无线电信道虚拟化为多个无线电隧道，继而支持 “一点到多点“ 的并发通信。本质是一种多路复用的信道资源分配策略。

以太网的诞生与发展

1973 年，Ethernet 诞生

1972 年，时任施乐公司帕洛阿尔托研究中心（Xerox PARC）的网络专家 Bob Metcalfe（鲍勃·梅特卡夫）接到了一个任务，要把施乐公司推出的多台 Xerox ALTO 计算机接入到方才首次亮相的 ARPANET，并与其他计算机实现通信。

对于这个任务，Bob Metcalfe 首先要面对的难题就是有线数据通信领域的 “一点到多点“ 通信问题，现在也称为 “有线局域网的冲突域（Collision Domain）" 问题。

计算机之间的数据传输以电信号的形式在物理介质中完成，冲突域就是一种物理介质的限制。连接在同一套物理通信介质（e.g. 网线、集线器、中继器）上的所有计算机都处于同一个冲突域。它们之间进行通信时，共享同一个物理通道，但同一时刻只允许一台计算机发送的数据，而其他计算机则需要等到物理通道 “空闲” 后才可以继续发送。

为了解决这个问题，Bob Metcalfe 从 Sloted ALOHA 项目的研究成果中得到了启发。继而在 1972 年底，Bob Metcalfe 与同事 David Boggs 共同开发了第一个实验性 ALTO ALOHA 局域网络。并在其开发备忘录中首次引入 “Ether（以太）“ 这个名词，意为 “物理介质“。

注：Ether（光以太）这一词汇最初的来源是古希腊哲学家亚里士多德设想的一种物质，在 17 世纪被笛卡尔引入科学界，后来 19 世纪的物理学家们假设发光的以太是传播电磁辐射的空间媒介。但最终光以太被证明是不存在的。

1973 年，Bob Metcalfe 建议将 ALTO ALOHA 更名为 Ethernet（以太网）。

1975 年，Bob Metcalfe 基于 ALTO 计算机开发了第一张 Ethernet Card（以太网卡），依靠 ALTO CPU 提供时钟脉冲作为与 Main Memory 进行数据交换的信号。他认为 Ethernet 不应该只能用于 ALTO 计算机，而是可以用于任何类型的计算机，即实现计算机之间的通信兼容。

1976 年，3Mbps Ethernet I

1976 年 7 月，Bob Metcalfe 和 David Boggs 共同发表了论文《以太网：本地计算机网络的分布式包交换》，标志 Ethernet I 协议的发布。

• 物理电气层面，Ethernet I 支持 3Mbps 传输速率，采用同轴电缆基带传输技术。
  

• 协议层面，Ethernet I 实现了一种能够检测出冲突在何时发生的机制（冲突检测），同时还会在发送数据前先进行监听活动（载波监听），计算机通过这种方式来了解何时应该发送数据，何时应该进行等待。这就是最初 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，载波监听多路访问/冲突检测）协议的雏形。

后来 Bob Metcalfe 开发了一种更复杂的退避算法，与 CSMA/CD 协议相结合后，使得计算机发送数据前先监听物理信道是否空闲，若空闲则立即发送数据。在发送数据时，边发送边继续监听。若监听到冲突且拥堵，则立即停止发送数据（退避）。等待一段随即时间，再重新尝试。经测试，Ethernet 能够在高达 100% 的负载下运行。

1977 年末，Bob Metcalfe、David Boggs、Charles Thacker 和 Butler Lampson 等人获得了《有冲突检测的多点数据通信系统》的以太网专利。

Ethernet I 具有划时代的意义，现如今很多局域网的技术名词出自该协议，例如：Ethernet、Interface cable、Interface controller、Tap 等等。

1979 年，3Com 公司成立

上世纪 70 年代末至 80 年代初，市场上出现了数十种局域网技术，Ethernet I 只是其中的一员。但 Ethernet I 最初只能应用于 Xerox Alto 计算机（第一台使用以太网技术的计算机）。

后来 Bob Metcalfe 有意创办自己的公司，并提出了 Computer Communication Compatibility（计算机通信兼容性）的远景，这就是 3Com 公司名字的由来。

为了实现 Computer Communication Compatibility 的目标，1979 年 6 月，Bob Metcalfe 和好友 Howard Charney、Ron Crane、Greg Shaw、Bill Kraus 成立了 3Com 公司，专注于以太网络设备的研制，包括：网络适配器、集线器、交换机等，为当时快速发展的计算机网络市场提供关键基础设施产品。

面对市场竞争，Bob Metcalfe 决定开始着手推进以太网技术的标准化工作，并说服了 Xerox（施乐）与 DEC（Digital Equipment Corporation，数字设备公司）和 Intel（英特尔）等公司组成一个由多供应商组成的联盟，目的是将以太网技术作为网络领域的标准，从而占领了产业的制高点。

1980 年 8 月，3Com 公司正式发布了第一款产品，用于 UNIX 操作系统的商业版 TCP/IP 网络适配器。那时 TCP/IP 协议刚进入 UNIX 内核，亟需一种网络适配器作为计算机和 ARPANET 之间的通信节点，两者可以说是一拍即合。

在产品和标准上的成功，使得 3Com 公司在成立后不久就收到了一笔大额的风险基金。Bob Metcalfe 最初的商业计划是把这笔风险资金投入到面向 PC（Personal Computer，个人计算机）的以太网适配器研发计划中，那时正是 PC 崛起的年代。

于是 Robert Metcalfe 开始与各大 PC 品牌企业商谈研发以太网适配器的计划。其中，Apple 公司的 Steve Jobs 当即表示了赞同，并邀请 Robert Metcalfe 到 Apple 公司主持网络开发的工作，但遭到了拒绝。一年后 3Com 公司为 Apple PC 配置的第一批以太网卡产品。同年，3Com 公司开发的 EtherLink 也成为了 IBM PC 的第一个以太网 ISA 总线适配器。

随后 3Com 开始了跑马圈地般的高速发展，从网络适配器、网络服务器到网络操作系统等领域，圈下一块又一块领地。奇迹般的，1984 年，成立仅 4 年的 3Com 公司上市了。

1983 年，10Mbps Ethernet II（DIX Ethernet）

1983 年，由 Xerox（施乐）与 DEC（Digital Equipment Corporation，数字设备公司）和 Intel（英特尔）这 3 家公司联合发布了 Ethernet II 协议，也称为 DIX Ethernet 协议。

后面经由 IEEE（电气和电子工程师协会）802 LAN/MAN（局域网和城域网）工作组成立的 802.3 标准委员会将 10Mbps Ethernet II 推进成为一个公认的国际标准，即：IEEE 802.3 国际标准，定义了 Ethernet II 物理层传输介质、电子信号的分组方式、介质访问层协议等内容。

• 物理电气层面，Ethernet II 支持 10Mbps 传输速率，支持 10Base5 传输介质（ThickNet，粗同轴电缆）、10Base2（ThinNet，细同轴电缆）以及 10BaseT 传输介质（Twisted Pair Ethernet，双绞线）。其中 10BaseT 可支持最大长度为 100 米，可连接最多 1024 个节点。
  

• 协议层面，Ethernet II 正式规范了 CSMA/CD 协议，还定义了 48bits 的 MAC 地址，Ethernet Frame 协议、并向上支持 IP 协议。

IEEE 802.3 标准规定接入网络的计算机必须使用一个网络适配器并获得有线电缆才能进行信息传输。且每个网络适配器都应该具有全球唯一的 48bits MAC（Media Access Control，媒介访问控制）地址（e.g. 00:01:6C:06:A6:29），以保证 Ethernet 局域网中的节点能够互相鉴别。

• 前 24bits 为厂商编号，由 IEEE 分配给厂商。
• 后 24bits 为该厂商的网卡流水号，由厂商自己分配

IEEE 802.3 标准还将网络适配器传输的一组电信号称为一个 Frame（以太网数据帧，命名来源于 Sloted ALOHA）。Frame 格式由帧首、数据和帧尾这 3 个部分组成。发送方通过物理介质把数据帧发送给接收方，接收方接收到一组电信号，就会认为是接收到了一个数据帧。

• 数据帧首部：占 14 字节，包含有目标主机网卡 MAC 地址、源主机网卡 MAC 地址、以及数据帧类型标识。
• 数据：从 IP 网络层传递下来的 Packet，范围在 46～1500 个字节之间。
• 数据帧尾部：占 4 个字节，是 CRC 校验序列，用来确定数据帧在传输过程中是否有损坏。

另外，IEEE 802.3 标准还规范了广播域（Broadcast Domain）的数据帧定位方式。即 Ethernet 协议通过广播形式，将数据帧发给本地网络内所有的主机，主机在接收数据帧后会解析数据帧首部的目标主机网卡 MAC 地址，再和自身的网卡 MAC 地址对比。若相同，就接收数据帧做下一步处理。若不同，则丢弃。

1995 年，100Mbps Fast Ethernet

1990 年，3Com 推出了第一款商用的以太网交换机，名为 3Com EtherSwitch。

90 年代初，随着 Internet 的发展，10Mbps 局域网的速率已经不能满足市场的需求。1992 年，Bob Metcalfe 的好友 Howard Charney 成立 Grand Junction Networks 公司，开始研制 100Mbps 的以太网。

1993 年，以 Grand Junction Networks 为首的多家公司成立了 FEA（Fast Ethernet Alliance，快速以太网联盟），并在发布了 100 BASE-X 标准。同年，Grand Junction 公司推出了世界上第一台 Fast Ethernet 集线器 Fastch10/100 和网络适配器 FastNIC100。随后 Intel、SynOptics、3Com、BayNetworks 等公司亦相继推出自己的 Fast Ethernet 设备。

1995 年 3 月，IEEE 802.3u 100Mbps 以太网标准发布，也称为 Fast Ethernet。同年，Grand Junction Networks 被 Cisco 收购。

• 物理电气层面，Fast Ethernet 支持 100Mbps，采用 100BaseT 传输介质（Fast Twisted Pair Ethernet，由两对双绞线组成），支持全双工模式，可同时进行发送和接收数据。

• 协议层面，Fast Ethernet 与 Ethernet II 兼容，并且采用了相同的 Frame 格式。

1998 年，1GbE Gigabit Ethernet

1995 年到 1996 年间 IEEE 802.3 标准委员会陆续组建了高速研究组（High-Speed Study Group）和 802.3z 工作组，负责研究 1000Mbps 速率的以太网以及制订相应的标准。

1998 年，IEEE 发布 802.3z 1000Mbps（1GbE）以太网标准。

• 物理电气层面，Gigabit Ethernet 支持 1Gbps 传输速率，采用了 1000BaseT（Gigabit Twisted Pair Ethernet，由四对双绞线组成）和光纤。
• 协议层面，Gigabit Ethernet 采用了与 Fast Ethernet 相同的 Frame，但它采用了更小的最小帧尺寸，以提高性能。

1998 年，VLAN 标准发布

1998 年还发布了 IEEE 802.1Q 标准，定义了 VLAN 协议，通过给 Frame 插入 VLAN Tag 的方式，让交换机能够分辨出每个 Frames 所属的 VLAN 。

VLAN Tag 是一个 4 字节长度的字段，插入到 Ethernet Frame Header 中（srcMAC 地址后），由以下字段组成：

• TPID （Tag Protocol Identifier，标签协议标识符）：用于表示数据帧的类型，长度 2 个字节。

  • 值为 0x8100 时：表示这个数据帧携带了 VLAN Tag 字段。此时，不支持 802.1Q 标准的网络设备就会把该报文丢弃。

• TCI （标签控制信息）：长度 2 个字节，又分为三个子字段，用来表示数据帧的控制信息：

  • 优先级（ Priority ）：表示数据帧的优先级。长度为 3 比特，取值范围 0 ~ 7。取值越大，优先级越高。当交换机发送拥塞时，优先转发优先级高的数据帧。如果设置了用户优先级，但是没有 VLAN ID，则 VLAN ID 必须设置为 0x000。
  • CFI （Canonical Format Indicator，规范格式指示器）：表示 MAC 地址是否是经典格式。长度为 1 比特，取值非 0 即 1 。用于区分以太网帧、FDDI（Fiber Distributed Digital Interface）帧、令牌环网帧。在以太网中，CFI 的值为 0。
    • 0：标准格式。
    • 1：非标准格式。
  • VLAN ID （ VLAN 标识符）：表示 VLAN ID 的数值。长度为 12 比特，取值范围是 1 ~ 4094 。0 和 4095 协议中规定为保留的 VLAN ID。

2002 年，10GbE Gigabit Ethernet

2002 年，IEEE 发布 10GbE 以太网 802.3ae 标准。

• 物理电气层面，支持 10Gbps 传输速率，可支持多种传输介质，包括：10GBaseT（10Gbps 双绞线）、10GBaseSR（光纤短距离）、10GBaseLR（光纤长距离）和 10GBaseER（光纤超长距离）。至此，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。同时，光纤介质的采用使得 10GbE 还可以应用于广域网 WAN 物理层技术 SONET/SDH。

• 协议层面，10 Gigabit Ethernet 采用与 Gigabit Ethernet 相同的帧格式，但它支持更大的最大帧尺寸（Jumbo Frame 9600Bytes）和更高的速率。

2005 年，Ethernet Alliance（以太网联盟）成立，致力于推动以太网技术的发展和应用。

2010 年，40GbE 和 100GbE Gigabit Ethernet

2010 年，IEEE 发布了 40GbE 和 100GbE 802.3ba 标准，通过聚合多条 10Gbps 通道实现速率提升，采用光纤电缆和短程铜同轴电缆。

其中，40GbE 常用于大规模数据中心和超级计算机等领域。而 100GbE 则主要用于数据中心互联和骨干网络等领域。

2016 年，25GbE Gigabit Ethernet

2016 年，在超大规模网络公司的需求推动下，IEEE 发布了 25GbE，作为实用性的补充。25GbE 既比 10GbE 快 2.5 倍，同时也比 40GbE 更具成本效益。

因为 25GbE 可以通过增加单个通道的容量来提高吞吐量，而不是聚合多个低容量通道，所以比 40GbE 所需的电缆和电源更少，并且端口密度更高。在某些情况下，升级到 25GbE 可使数据中心运营商延长机架顶交换机的使用寿命，并避免对布线基础设施进行全面的翻新和更换。

2017 年，200GbE 和 400GbE Gigabit Ethernet

2017 年底，IEEE 发布了 200GbE 和 400GbE 802.3bs 标准。其中 400GbE 采用了 100Gbps PAM4 调制技术。而 200GbE 则采用了 50Gbps 单通道 PAM4 调制技术。

200/400GbE 标准覆盖各种互连应用，超高带宽可完全满足云扩展数据中心、互联网交换、主机托管服务、服务供应商网络等各种带宽密集型应用的需求，并大大降低端口成本。

至此，以太网技术经过了 40 多年的历史，从 10Mbps 到 400GbE。已经不仅仅限于局域网领域，也逐渐应用于城域网和广域网（MAN/WAN）。

未来：800GbE 和 1.6TbE

随着对更快带宽的需求猛增（尤其是在云提供商和其他超大型数据中心运营商中），IEEE 标准委员会现在将注意力转向 800GbE、1.6TbE
及以上。

目前，IEEE 还没有制定 800GbE 标准，但以太网技术联盟（ETC）已经在 2020 年 4 月制定了用于 800G 以太网的 800GBASE-R 规范。

2023 年，以太网之父 Bob Metcalfe 获得图灵奖

就在刚刚过去的前些日子，Bob Metcalfe 荣获了计算机科学界最高荣誉图灵奖。Bob Metcalfe 对以太网协议的发明以及对网络的发展做出的巨大贡献而获得了这一殊荣。

Bob Metcalfe 除了是 Ethernet 的发明者、3Com 公司的创始人之外，还是 Metcalfe’s law（梅特卡夫定律）的提出者。梅特卡夫定律指出，一个网络的价值与该网络中连接的节点数成平方关系。换句话说，一个网络中每增加一个节点，该网络的价值就会增加更多。这是因为每个节点都能够与其他节点相互通信和交流，从而提高了整个网络的效益。

梅特卡夫定律的实际应用包括社交网络、在线市场、数字货币等。在这些应用中，用户数量的增加会促进网络效应的发挥，从而提高整个网络的价值和效益。