撰写于：2014年3月31日
作者：silex Wi-Fi专家

延续上次的有线网络的话题，这次就说说大家都知道的以太网。

以太网的诞生
现在说到有线网络，指的是以太网家族，以太网有着悠久的历史。以太网最初是20世纪70年代由施乐公司的帕洛阿尔托研究所(PARC)为下一代计算机样机“ALTO”开发的。“以太网”这一名称也是该公司的注册商标，严格来说，除施乐标准以外的以太网设备虽然符合“IEEE 802.3标准”，但都不能称为“以太网”。

ALTO是具有“网络(以太网)”、“窗口系统(GUI)”、“鼠标”三种神器的划时代的计算机。史蒂夫·乔布斯参观了该计算机后构思了Macintosh，这一点广为人知。但是由于ALTO过于划时代，施乐公司的管理人员只把它理解为“在研究所消磨时间”、“昂贵的玩具”。ALTO可能性几乎不能为该公司的事业发挥作用。
不管怎样，最初的以太网(Ethernet 1.0)是直径12mm的同轴电缆(根据使用黄色覆盖材料的惯例通称为“黄色电缆”)，最长500m，通信速度10Mbps。作为20世纪70年代具有划时代意义的高速长距离网络技术。但是，又粗又硬的同轴电缆的转接并不容易，而且为了将电缆与计算机连接，必须在电缆覆盖层上钻孔，然后将金属针扭入其中(称为“攻丝”)，经过模拟电路的前端，用15pin的多芯电缆（对讲机电缆，之后的IEEE802.3规格中为AUI电缆※注）连接到计算机侧的15pin接口上。(※注)以太网规格的对讲机电缆和IEEE802.3规格的AUI电缆的一部分规格不同，最不同的是AUI规格追加了在每个分组结束时强制发送碰撞检测信号的被称为SQE（Signal Quality Error test）的信号。由于失误把SQL开关打开并连接到中继器会导致网络瘫痪，这是当时SE体验到的“常见失败”之一。

10BASE-2和以太网的普及
为了消除这种不便，20世纪80年代开发的被称为“瘦以太网（Thin Ethernet）（※注）”，使用直径5mm的RG-58A/U同轴电缆，通过使用半旋转停止的BNC型连接器，也不需要抽头和AUI电缆。电缆最大长度从500米缩短到185米，但是低价格化和便利性的提高受到了欢迎，成为了之前在研究所和大学使用的以太网在民间企业普及的契机。本公司开始开发网络相关产品也正好在这个时候。与此同时，以太网被标准化为IEEE802.3标准，黄色电缆以太网也被称为“10BASE-5”，瘦以太网也被称为“10BASE-2”。
(※注)虽然也有被称为“ThinNet”和“CheaperNet”，但并不常用。

以太网的技术特点在于“CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）”。Multiple Access是“在一条电缆上连接多个节点”的总线式架构，Carrier Sense是“发送前确认电缆使用状况”的分布式控制，Collision Detection表示“在发送过程中进行冲突检测（多个节点是否同时发送），如果有检测到冲突后，则迅速中断发送”。其中，冲突检测是以太网的特征，当时的网络架构中树型和令牌型较多，即使是总线型也一般不进行冲突检测。冲突检测虽然能够提高网络效率的同时，但由模拟部件构成的冲突检测电路在降低价格、小型化方面存在困难，也被认为“不适合家庭用或小规模办公室用”。虽然提出了几个廉价的网络体系结构，这些结构被称为“面向家庭”，但随着后续10BASE-T的成功，这些架构也几乎消失了。

从10BASE-T到100BASE-T
10BASE-T在1980年代后半期，作为使用双绞线(Twisted Pair)的规格登场，取代了之前的同轴电缆。之前是“一根电缆挂着多个节点”的结构，而10BASE-T则是多个节点用一根电缆连接到集线装置“集线器”的“星型”结构。连接器也从金属BNC变成了塑料RJ-45，进一步降低了价格。现在说到以太网，RJ-45双绞线是理所当然的，只有40岁以上的人才会知道黄色电缆、RG-58A/U同轴电缆等等吧。随着价格低廉、使用方便的10BASE-T的登场，以太网不仅在企业中普及，也渗透到家庭中。

在20世纪90年代有了新的发展，不过有点混乱。为了将速度从10Mbps提高到100Mbps，提出了100BASE-VG AnyLAN和100BASE-T这两个不兼容规格，另外100BASE-T中电缆规格包括有微妙差异的100BASE-TX、100BASE-T2、 100BASE-T4这3种规格(注)。此外，IBM 100Mbps版Token Ring和OSI构想的155Mbps的Desktop ATM都宣称“自己是下一代有线网络标准”或“100Mbps的下一代网络标准”，此时技术发展陷入了一时的混乱。但是在1年左右的时间里，100BASE-TX占有了明确的优势，(幸运的是)混乱在较短的时间内结束了。100BASE-T也被称为“第一以太网”。
(※注) 100BASE-T中提出了多个电缆规格，曾考虑过直接使用10BASE-T的3类电缆，这样布线更便利。但最终，传输性能更出色的5类线成为了100BASE-TX的主流线缆。

从90年代中期开始，“交换机”取代了之前的集线器。集线器和交换机的外观和使用方法是一样的，但集线器只是模拟的集线装置，连接到集线器的所有电缆在电气上都是一根电缆。但是在交换机中，所有的电缆都是模拟断开的，将接收到的数据解码并重新中继发送出去。这是什么意思呢?在使用集线器场景中，如果有人在网络上的某个地方发送数据，数据就会被传送到所有的节点，而在使用交换机的场景中，数据只会被选择性地传送到指定的节点，这样可减少冲突并提高线路的使用效率。另外，集线器为了将传递延迟控制在一定范围内，有“集线器的级联只能到3级(= 4台集线器)”的限制，不过，交换机为了从模拟的制约中解放出来，因此可以无限制的进行级联，这也增加了使用的便利性。
交换机除了作为集线器的替代品的简单交换机之外，还有一种被称为“智能交换机”的高功能交换机。后者具有网络上的循环检测（生成树检测）、特定地址的排除（过滤）、连接节点的认证（IEEE802.1X EAP）、流量的优先级排序（IEEE802.1p QoS）、虚拟网络（IEEE802.1q VLAN）等高级功能，在企业网络中是必不可少的。

千兆以太网
100Mbps网络之后是1Gbps网络，通常称为“千兆以太网”。虽然1999年IEEE 802.3ab制定了1000BASE-T，但这次没有像10BASE→100BASE那样出现混乱，并且产品化的速度也比较慢。100BASE-TX规格制定后不到10年，10BASE only的产品几乎绝迹，与此相对，1000BASE规格制定15年后的2014年，100BASE only的产品也依然存在(虽然越来越少了)。如果是数据中心这样的业务系统就另当别论了，但在家庭和小规模办公室场景中，100Mbps对于日常用途来说“基本足够”。另外，在网络的使用方法上，与本地节点之间的通信相比，互联网连接的比重更高，在家庭和小型办公室，上行链路线路超过100Mbps的情况并不多，即使将本地连接速度提高到1Gbps，上网速度没有明显提高，因此也没有明显的改善。

千兆以太网还采用了“巨型帧”的规格。以太网是最初的Ethernet 1.0以来数据包头14字节+数据长度1500字节的规格，不过，巨型帧为了高速化扩大（※注）了数据长度上限。但是IEEE802.3标准中没有包含具体要求，规格细节根据制造商的不同而不同。
(※注)多为8000 ~ 9000字节，最大也有16KBytes的产品。

千兆以太网之后制定了10G以太网（10GBASE）标准和100G以太网（100GBASE）标准，而且1000G以太网的标准也在讨论中。数据中心和存储网络（SAN）期待这些新标准的出现，不过，在1G以太网的普及也停滞不前的现状下，对一般的消费者而言也很难普及（说不定未来永远不会有）。

以太网与IEEE 802.2
施乐公司的以太网用IEEE标准化的标准是“IEEE802.3”，大家可能听说过“IEEE802.2”这个词。IEEE802.2被称为LLC（Link Layer Control），包含20世纪80年代共同存在的多个不同网络标准（Ethernet，TokenRing，FDDI，ARCNet，OmmniNet，etc…）。

如上所述，以太网具有14字节的报头（6字节的目标地址、6字节的源地址、2字节的包类型）和1500字节的数据，而IEEE802.2通过删除数据的一部分来嵌入LLC报头。LLC报头可以是SSAP、DSAP、CTRL的最小3字节（但CTRL可以是可变长度的4字节），之后还可以添加3字节的OUI ID、2字节的包类型，也称为SNAP（Sub Network Access Protocol）报头。

在使用IEEE 802.2 LLC的情况下，以太网报头部分的分组类型字段的意思发生了变化，这里规定要加入分组长度。幸运的是，最常被使用的IP类的类型值超过标准以太网的最大数据长度1500的数字(IPv4:0x800=2048, ARP:0x806=2054，IPv6:0x86dd=34525)，所以只要不使用巨型帧，802.3帧和802.2帧不会混淆。

LLC可以在不同架构的网络之间保持兼容性，甚至可以共享诸如信任级别和服务类型等的附加信息…虽然是这样的构想，但说白了就是“谁都不需要的发明”。因为IEEE 802.3系统(及其无线版的IEEE802.11)已取得压倒性胜利，因此作为LLC的前提的“多个不同的网络架构”的状况是不存在的。同时，可变长度的位字段的最小长度是奇数3字节，会导致报头的长度是奇数，从内存的字节对准的网络实现技术的趋势来看，奇数字节头也不够好，是上一个时代的产物。现在802.2应完成的任务是802.1系的扩展标准和传输层的TCP/IP协议来实现。

可能最广泛且使用时间最长的IEEE802.2协议是微软的“Windows文件共享”使用的NetBEUI。NetBEUI特意采用802.2帧是因为Windows文件共享的祖先是IBM的LAN Manager，作为IBM的宿命，需要支持本公司网络标准的令牌环和作为数据标准的以太网，但是NetBEUI在令牌环被使用了很长时间（直到Windows9x系的PC退役为止）。

总结
在本文中，我把关于以太网的想法一一罗列出来。说起20世纪80年代，电脑硬盘还没有普及，是一张1.2MByte的5英寸2HD软盘。据说以太网是10Mbps？！一个高清软盘不是一秒钟就能传输的吗！虽然这么想，但是真正使用以太网是很久以后的事了。虽然当时本公司也有工作站HP9000/300，但是因为没有连接的对象，所以网络几乎没有被活用。

混乱的时代早就过去了，现在以太网，特别是100BASE-T已经成为了“理所当然”的技术。作为从事以太网相关产品开发的工程师，多少应该感到自豪吧。只是这几年笔记本电脑的超薄化，再加上智能手机平板电脑的普及，不一定采用有线网络，取而代之的是WiFi的应用越来越广泛。以太网作为WiFi的主干网络的地位暂时不会动摇，但以太网或许正在成为普通消费者很少能直接接触到的幕后技术。