什么是以太网？历史、演变和路线图

以太网协议将 LAN、WAN、互联网、云、物联网设备、Wi-Fi 系统连接到一个无缝的全球通信网络中。

以太网是最早的网络技术之一，已于50 年前发明。然而，由于通信协议部署的简单性以及它在不失去向后兼容性的情况下融入现代进步的能力，以太网继续作为计算机网络的事实标准占据主导地位。随着人工智能 (AI) 工作负载的增加，网络行业巨头正在联手确保以太网能够跟上并满足人工智能的高性能网络要求。

从本质上讲，以太网是一种允许计算机（从服务器到笔记本电脑）通过有线网络相互通信的协议，有线网络使用路由器、交换机和集线器等设备来引导流量。以太网也可以与无线协议无缝协作。

它几乎可以在任何环境中工作的能力使其在世界各地得到普遍采用。尤其如此，因为它允许组织在其局域网 (LAN) 和广域网 (WAN) 中使用相同的以太网协议。这意味着它适用于数据中心、私人或公司内部网络、互联网应用程序以及几乎任何介于两者之间的应用程序。它甚至可以支持最复杂的网络形式，例如虚拟专用网络（VPN）和软件定义的网络部署。

以太网可以毫无问题地处理带宽密集型应用，例如视频流或 IP 语音应用。另一方面，它的简单性也使其能够与非常微小、相对简单的设备配合使用，例如构成物联网(IoT) 的设备，而无需任何特殊配置。

以太网如何工作？

以太网的工作原理是将发送到设备（例如个人计算机）或从设备（例如个人计算机）发送的信息分解为不同大小的信息位（称为帧）的短片段。这些帧包含标准化信息，例如源地址和目标地址，帮助帧在网络中路由。

由于 LAN 上的计算机通常共享单个连接，因此以太网是围绕 CSMA/CD（或带有冲突检测的载波侦听多路访问）原理构建的。基本上，协议在发送任何帧之前确保线路未被使用。如今，这一点远不如网络早期那么重要，因为设备通常通过交换机或节点拥有自己的专用网络连接。由于以太网现在使用全双工运行，因此发送和接收通道也完全独立，因此在其旅程的该段实际上不会发生冲突。

除了遇到冲突的情况外，以太网没有纠错功能，因此通信需要依赖先进的协议来确保一切都完美传输。然而，以太网仍然为大多数互联网和数字通信提供了基础，并且还可以轻松地与大多数更高级别的协议集成，因此如今这几乎不再是问题。

彩色电缆是以太网的关键组成部分

谈论以太网就不能不谈论电缆，因为以太网是为有线网络设计的。因此，简化协议使用的电缆也有助于推动该标准的广泛采用。

最初的标准有与同轴电缆一起工作的以太网，用于支持有线电视。同轴电缆坚固耐用，能够通过其粗的内部铜线承载大量带宽。但也有一些权衡。同轴电缆很重，难以使用，不太灵活，而且价格昂贵。这就是为什么大多数家庭有线电视安装需要特殊技术人员进行设置的原因之一，而家庭网络通常不需要。

以太网放弃了同轴电缆，转而使用双绞线电缆，而双绞线电缆至今仍在驱动有线网络。以太网使用的双绞线电缆部署成本低廉，而且非常灵活，这意味着它们可以蜿蜒在角落、墙内、天花板上或几乎任何其他地方，以连接服务器、路由器、集线器、设备和端点。

大多数制造以太网电缆的公司很早就决定放弃标准的灰色配色方案，转而以彩虹色发布它们，这是一个相当巧妙的举措。除了美化服务器机房和数据中心之外，颜色编码还使 IT 技术人员可以直观地将网络连接分组，以便快速排除故障。

双绞线电缆两端的标准插头与有线电话系统使用的同类连接非常相似，也可以轻松地将电缆插入任何支持以太网连接的设备。大多数时候，只需插入设备并使用其中一根电缆将其连接到网络，这是立即获得连接所需的唯一步骤。然后，数据包和数据的所有后端路由均由以太网和其他高级协议（如生成树）处理 。

以太网电缆的长期标准称为 5 类，通常称为 Cat 5。Cat 5 标准自 2001 年开始使用。普通以太网电缆支持高达 100 Mb/秒的速度。虽然电缆的主要功能是支持以太网，但它们也适用于许多电话和视频应用。

如今，一种更先进的电缆（称为 5e 类）也用于更快的以太网应用。5e 类电缆的目标是 100Mb/秒以太网，但其设计也使其支持更高的速度，例如千兆位以太网，同时仍使用相同的端口进行通用连接。

以太网是谁发明的？

最初的以太网标准由 Xerox PARC 工程师Robert Metcalfe 和David Boggs于 1973 年创建，其灵感来自于夏威夷大学正在进行的一个名为 ALOHAnet 的项目。按照今天的标准，它的原始速度只能达到 2.94 Mb/秒，但这是计算机第一次真正连接到网络中。

在大学环境之外，公众直到 1980 年才看到以太网，当时 Xerox 向所有人提供了以太网。那时还有其他竞争标准，例如 令牌环、 ARCNET 等。但后来离开公司创立 3Com 的梅特卡夫说服了许多主要行业参与者，包括数字设备公司 (DEC)、英特尔和施乐，与 3Com 合作推动以太网成为统一标准。

作为该协议的一部分，施乐放弃了以太网名称的商标，允许任何公司在其产品中使用以太网。带宽和吞吐量也增加到 10 Mb/秒，足以处理当时的大多数网络任务，并且还有剩余空间。所有这些都帮助以太网成为全球主导标准。

以太网 50 岁了；梅特卡夫获得图灵奖

2023 年 5 月 22 日，以太网迎来了 50 岁生日。在这个重要周年纪念日的几个月前，即 3 月 22 日，计算机协会授予鲍勃·梅特卡夫 (Bob Metcalfe) 著名的 AM 图灵奖，以表彰其发明和商业化 以太网。图灵奖奖金 100 万美元，于 6 月 10 日在旧金山举行的颁奖典礼上颁发。

梅特卡夫说，他对1973年的那一天记得很清楚。“我坐在 34 号楼（施乐帕洛阿尔托研究中心）的一台 Selectric 打字机前，打字总结了我对网络应该如何工作的想法，然后我硬画了图表。我在 Selectric 上的演说球上写下了备忘录，这是无衬线字体，因为我喜欢那种字体。”

以太网的联合创始人博格斯去年去世，梅特卡夫对他们的合作关系有着美好的回忆。“他和我是鲍布西双胞胎，”他告诉《网络世界》。“我们非常互补；两人中我更善于表达，而他更注重细节。我们一起建造了这个东西，我想念他。他是一个好朋友。”

以太网光明（且快速）的未来

以太网标准的简单性以及支持更快速度同时保持向后兼容的能力使得该协议能够随着许多技术进步而发展。如今，几乎所有计算机或计算设备都可以支持高达每秒 1 千兆位的速度。通常称为千兆位以太网，当您将其 1Gb/秒（即 1,000 Mbit/s）的原始速度与早期以太网支持的原始 10 Mbit/s 标准进行比较时，很容易看出该协议已经走了多远。

千兆位以太网可能为家庭网络和大多数办公室提供足够的带宽。以这种速度，即使是视频流或玩在线视频游戏等密集带宽应用程序也可以完美运行，即使同一网络上有多个用户。但以太网可以做得更多。

IEEE 以太网工作组 几年前批准了 200 Gb/秒和 400 Gb/秒以太网规范。大多数数据中心、互联网服务提供商 (ISP) 和 网络运营中心等专业组织 对这些速度最感兴趣。一些云服务提供商和其他提供商表示，他们在某些容量下正在使用 400 Gb/秒的速度，尽管该标准的全面采用似乎取决于某些因素，例如新的布线要求（当前的 Cat 5 和 Cat 5e 电缆不适用）。不支持这些速度）、设备的向后兼容性问题以及数据中心内增加的功耗要求。

从技术上讲，800 Gb/秒以太网的规范也存在，但目前没有人在测试环境之外使用它。以太网的有趣之处在于，由于它是一种开放协议，因此没有理由认为即使 800 Gb/秒的速度也接近理论最大值。

事实上，我们正在进行研究，以便为每秒 1.6 TB 的标准奠定基础。这样的速度可能只在高度特定的应用中有用。例如，公司或政府实体可能会非常快速地将其网络数据备份到异地位置。如果他们要发送 500 TB 的数据，则该过程可以在 14 分钟内完成。

下一步：联盟希望为人工智能基础设施打造超大以太网

人工智能工作负载预计将对网络提出前所未有的性能和容量要求，一些网络供应商已联手增强以太网技术，以应对人工智能所需的规模和速度。

2023 年 7 月，AMD、 Arista、Broadcom、Cisco、Eviden、HPE、Intel、Meta 和 Microsoft 宣布成立超以太网联盟 (UEC)，该联盟由 Linux 基金会主办，致力于开发物理层、链路层、传输层和软件层以太网进步。有人担心当今的传统网络互连无法提供所需的性能、规模和带宽来满足人工智能的需求，该联盟旨在解决这些问题。

UEC 在一份白皮书中写道 ，它将进一步完善以太网规范，以包含许多核心技术和功能，包括：

• 多路径和数据包喷射，确保 AI 工作流程能够同时访问目的地。
• 灵活的交付顺序，确保以太网链路达到最佳平衡；仅当 AI 工作负载在带宽密集型操作中需要时才会强制执行排序。
• 现代拥塞控制机制可确保人工智能工作负载避免热点并将负载均匀分布在多路径上。它们可以设计为与多路径数据包喷射结合使用，从而实现 AI 流量的可靠传输。
• 用于管理拥塞的端到端遥测。来自网络的信息可以向参与者告知拥塞的位置和原因。缩短拥塞信令路径并向端点提供更多信息可以实现更灵敏的拥塞控制。