计算机网络中以太网技术的演变

如今，以太网已成为全球领先的局域网技术提供商。 在1973年5月22日的一份说明中，当时在加利福尼亚州施乐公司帕洛阿尔托研究中心工作的Bob Metcalf，利用自己的计算机连接到了一个高科技工作站上，从而实现高速数据传输。 他描述了一个为打印机而设计的以太网网络系统。 Xerox Alto是首台拥有图形用户界面和鼠标指针的个人计算机工作站。它或许可以被称为Xerox PARC项目中最著名的产品吧。 PARC还发明了第一台适用于个人电脑和以太网网络的激光打印机。此外，它还是第一种能够实现高速网络连接的局域网技术。

在Xerox PARC所进行的这些发现，从根本上改变了计算机行业的格局。以太网局域网的出现，为计算机之间的通信提供了便利，这一创新对于改变计算机的使用方式起到了关键作用。 这种新的计算架构催生了全新的通信技术领域。与此同时，像万维网这样的信息共享应用也得到了飞速的发展。 如今，以太网已成为传输信息的首选网络技术。 以太网被广泛应用于从小型办公室到大型企业的各种场所，从小型教室到大型大学校园中都能看到它的身影。

Aloha Network：

被称为“Aloha Network”的早期网络实验，成为了Bob Metcalf在1973年发表的关于以太网的论文中所描述的网络技术的基础。Aloha Network的雏形出现在20世纪60年代末，当时夏威夷大学的Norman Abramson和他的同事们创建了一个无线网络，用于连接夏威夷各岛之间的通信。这个系统实际上是一种早期的网络技术原型，它展示了如何共享一个通信通道——在这种情况下，就是无线电频道。

根据相对简单的Aloha协议，Aloha站可以在任何时间发送数据，然后等待对方的确认。 该站认为，还有另一个站点正在同时发送信号。因此，这两种信号发生了冲突，导致接收到的信号变得混乱不堪。这样一来，接收站就无法接收到这些信号，也无法在短时间内得到确认信号。 这两个传输站都会在检测到冲突后随机选择一个退避时间，然后再次发送数据包，此时成功发送数据包的概率较高。 不过，在Aloha频道上，随着流量的增加，发生碰撞的频率也迅速上升。
由于碰撞率会随着负载的增加而迅速上升，Abramson估计，这种系统被称为……纯粹的阿洛哈精神通过另一种技术，最大信道利用率可以提升到约18%。使用这种技术后，最大信道利用率进一步上升至约37%。有孔的Aloha该方法用于分配传输时间，同时利用主时钟来确保各次传输的同步。Abramson于1995年被授予IEEE Koji Kobayashi计算机与通信领域奖项，以表彰他“创造了Aloha系统这一概念，而这一系统后来成为了现代局域网的基石”。

以太网的出现：

Metcalfe得出结论，这种机制能够比Aloha系统更有效地实现对共同通信渠道的访问。 他发明了一个新系统，该系统中包含了一个用于检测碰撞的机制。 该系统允许通过大量基站来访问共享频道。同时，它还实现了“先监听再传输”的功能，即各基站在传输数据之前会先检测是否有信号存在（即载波检测）。 将所有这些元素结合起来，就可以理解为什么以太网通道访问协议被称为“载波侦测多路访问技术，带冲突检测机制”（Carrier Sense Multiple Access With Collision Detect, CSMA/CD）了。 Metcalfe开发了一种更先进的退避算法，使得以太网系统的运行效率可以达到100%。 第一个实验性的以太网系统是由Metcalfe和他的Xerox PARC员工在1972年底开发的，其目的是用于连接Xerox Alto设备。 Altos通过实验性的以太网技术与服务器、激光打印机以及其他设备相连。 Alto的系统时钟被用作该实验性以太网接口的信号时钟来源，该接口的数据传输速率达到了2.94 Mbit/s。

Alto Aloha网络是Metcalfe首次尝试构建的网络。为了强调这个系统可以支持任何计算机的使用，而不仅仅是Altos系列计算机，Metcalfe将这一系统命名为“以太网”。他的新网络机制远远超出了Aloha系统的范畴。他选择使用“以太网”这个词来描述该系统的核心特性。就像在传统的网络中一样，物理介质（如电缆）负责将比特数据传输到各个站点上。这些比特数据则通过发光的以太介质进行传输。

在1977年末和1978年中期，以太网以及与之相关的中继设备获得了专利授权。此时，Xerox公司是唯一拥有以太网技术的企业。接下来，这项全球最广泛使用的计算机网络的进一步发展，就是让以太网摆脱企业内部的限制，从而成为一项通用的标准。

以太网演进标准：

DEC、Intel和Xerox等厂商的合作下，于1980年发布了首个10Mbps以太网标准。 DIX以太网标准因此得名，其名称实际上是由那些公司的首字母组合而成的。 该标准被称为“以太网”。《局域网：数据链路层与物理层规范》中详细描述了基于以太网的单媒体系统以及基于粗同轴线的单媒体系统的相关技术细节。 DIX标准已经进行了更新。与大多数标准一样，该标准也包含了一些技术上的调整、修复以及微小的改进。 DIX V2.0是该标准的最新版本。

当DIX标准发布之后，由电气与电子工程师协会（IEEE）主导的、旨在创建开放网络标准的全新计划也开始了。 因此，这种厚型同轴以太网标准最终被IEEE标准化了两次，同时也被DIX联盟标准化了一次。 IEEE局域网与城域网标准委员会负责制定这一标准，该标准的编号即为802。该委员会主导了这项IEEE标准的制定过程。 IEEE 802标准委员会已经发布了多项网络技术标准，其中包括802.3以太网标准和802.5令牌环网络标准。

最初的DIX网络系统被IEEE 802.3委员会采纳，并作为制定IEEE标准的依据。 该IEEE标准被命名为“IEEE 802.3 带碰撞检测的载波监听多路访问方法及物理层规范”。这一标准最初于1985年发布。 虽然施乐公司将其商标以“以太网”的名称进行了转让，但IEEE标准在名称中并未包含这一名称。 这是因为，那些致力于推动开放标准的组织，对于采用可能被解读为认可某个特定企业的品牌名称的做法持非常谨慎的态度。 IEEE将这项技术称为802.3 CSMA/CD，或者简称为802.3。 在提到802.3标准中描述的网络系统时，大多数人仍然使用“以太网”这一名称。

被认可的以太网标准为IEEE 802.3。 有时候，你会听到一些新的以太网技术标准被不同的组织或供应商联盟所提出。 不过，如果某种技术没有在IEEE 802.3标准中得到描述的话，那么这种技术就不被视作一种正式的以太网技术。 最新的IEEE 802.3标准会定期提交给美国国家标准协会(ANSI)，之后再由ANSI将这些标准报送给国际标准化组织(ISO)，以便ISO能够采纳这些标准。

IEEE标准化：

• 最初，10 Mbps以太网规范是在1980年由施乐公司与另外两家公司——数字设备公司和英特尔公司合作而制定的。与此同时，IEEE局域网/城域网标准委员会也开始着手制定一个类似的标准。
  由LAN/MAN委员会所制定的标准被命名为802.3。为了给所有标准分配编号，于是成立了以太网子委员会。
• 最初的802.3标准，即用于传输高速以太网的10Base-5标准，于1983年被IEEE采纳，并于1985年正式发布。随后，又推出了两种新的标准：使用双绞线的10Base-T标准，以及使用光纤的10Base-FL标准。此外，还有802.3a标准，即使用细同轴电缆实现的10Mbps以太网标准。
• 快速以太网，有时也被称为100BASE-T或100Mbps以太网，其诞生于1995年。这一技术引入了自动协商功能。通过这种新功能，现在可以连接两个网络设备，并选择适合的资源共享速度以及双工模式。
• 三年后，千兆以太网技术被引入。最初使用的是光纤电缆，后来则采用了双绞线电缆。这标志着802.3标准的又一个重要转折点。2002年，10 Gbit/s的速度成为推动以太网发展的关键力量，最初是通过光纤来实现这一速度，之后又采用双轴结构，最后则使用了非屏蔽双绞线。八年后，IEEE允许将10 Mbps的通道合并起来，从而实现40 GbE和100 GbE的速度。
• IEEE于2016年批准了25GbE标准。 这激发了超大规模网络公司的需求。 据称，25GbE的传输速度将是10GbE的2.5倍，同时其成本也低于40GbE。 25GbE所需的电缆和电源数量比40GbE少，同时其端口密度也更高。 这是因为，通过增加某一条通道的吞吐量，而不是将多个容量较小的通道合并起来使用，就能提高整体吞吐量。 在某些情况下，升级到25 GbE后，数据中心运营商可以延长其机架顶端的交换机的使用寿命，而无需完全重新构建电缆架构。
• 在2017年末，网络行业开始采用200GbE和400GbE技术。这两种技术都基于单通道、50Gbps的传输速率。目前，标准化组织正在致力于实现800Gbps、1Tbps及以上的传输速率。这一趋势的出现，主要是由于对更高带宽需求的增加，尤其是来自云服务提供商以及其他大规模数据中心运营商的需求。而以太网技术则仍在发展中。

OSI模型：

OSI模型中的数据链路层以及更低层次的部分，分别属于以太网标准的第2层和第1层。 以太网有时也被称作“链路层标准”。 在OSI模型的物理层和数据链路层中，存在许多被以太网标准所定义的实体。 IEEE标准中包含一些额外的子层，这些子层位于OSI模型的底层两层之内，它们有助于更好地管理各种细节。 这仅仅意味着，IEEE标准比OSI模型提供了更为详细的指导方针。