Linux_防火墙入门01：以太网的诞生与演变历程

一、以太网的诞生

Bob Metcalfe被尊称为“以太网之父”，他来到Xerox公司第一个任务就是把研究中心多台电脑接入连接到Arpanet（Internet的前身，这个早闻名于世！就不用多介绍了），1972年底，他成功把公司的研究中心所有电脑连接起来，Metcalfe把这个网络正式命名为以太网（Ethernet），这就是最初的以太网试验原型，该网络运行的速率为2.94Mbps，网络运行的介质为粗同轴电缆。

1977年底，Metcalfe与合作者获得了“具有冲突检测的多点数据通信系统”的专利，多点传输系统被称为CSMA／CD(带冲突检测的载波侦听多路访问)。从此，以太网真容就正式公布于众。

二、以太网的演变

1979年，DigitalEquipment Corporation（DEC）、Intel公司与Xerox公司三家联盟，促进以太网的标准化进程。

Metcalfe的星星之火可以燎原，涌现出了数十种局域网技术，但是带来的问题是很多设备之间通信无法兼容。

1980年2月，IEEE（电气和电子工程师协会）就组成一个定义与促进工业LAN标准的委员会，这就是我们今天熟知的802工程委员会（说白了，那时候就是一群高级网络专家的大聚会）。IEEE 802委员会成立了不同的工作组，每个工作组研究不同的LAN技术。

该委员会制定了一系列局域网标准，称为IEEE802标准。按IEEE802标准，局域网体系结构由物理层、介质访问控制子层（MAC-Media Access Control）和逻辑链路子层LLC(Logical LinkControl)组成。

1980年9月，DEC、Intel和Xerox公布了以太网1.0规范。也称为DIX (取三家公司名字的第一个字母而组成的)版1.0 。

1981年6月，IEEE 802工程决定组成802.3分委员会，以产生基于DIX工作成果的国际公认标准。

1982年，DIX联盟发布了以太网的第二个版本，即Ethernet II。

1983年6月，IEEE802.3工作组发布10Base5访问控制方法与物理层规范，10BASE5标准（10BASE5技术上基于DIX的Ethernet II，故差别很小）：

10BASE5的速率为10Mbps，传输介质是粗同轴电缆，允许节点间的最长传输距离为500米。这是第一个关于以太网技术的IEEE标准。

临界点1：使用粗同轴电缆作为传输介质，价格太贵，要外接MAU收发器，不易安装。缺点逐渐暴露出来，昂贵的布线成本不利于商业化。因此，逐渐出现了一些基于细同轴电缆的以太网技术和产品。

1984年，IEEE802.3工作组发布10Base2访问控制方法与物理层规范：

10BASE2的速率为10Mbps，传输介质是细同轴电缆，允许节点间的最长传输距离为200米。

临界点2：10BASE5和10BASE2都是所有的节点连接在同一根总线的物理总线型拓扑，总线上的所有节点共享带宽。这种物理总线型的拓扑有很多的缺点：总线某处断裂就会使整个网络瘫痪，不便于查找故障，不利于结构化布线等。这时就网络天才们提出了在非屏蔽双绞线（UTP）电话电缆上运行以太网的想法，最后证实在3类非屏蔽双绞线上可以运行1Mbps的低速以太网。

1986年，IEEE802.3工作组发布1BASE5访问控制方法与物理层规范，这就是著名的StarLAN：

1BASE5的速率为1Mbps，传输介质是非屏蔽双绞线（3类线），允许节点间的最长传输距离为500米，采用单独一根线将每个节点连接到中央集线器（HUB）。

临界点3：1BASE5采用结构化布线系统，这对于安装、故障寻找显然是一个明显的优点，可以大大降低整个网络的成本。但是，它把以太网的速率从传统的10Mbps降低到了1Mbps，速率低造成网络拥堵，1BASE5很快让人们无法忍受。于是乎，IEEE取1BASE5精华（即星型的物理拓扑结构优点），弃其1BASE5糟粕（即1Mbps速率），开始研究在非屏蔽双绞线（UTP）在运行10Mbps的以太网。

随着时间的推移，功夫不负有心人。

1990年，IEEE802.3工作组发布IEEE802.3i（10Base-T访问控制方法与物理层规范）：

10BASE-T的速率为10Mbps，传输介质是高质量非屏蔽双绞线（5类线），允许节点间的传输距离为100米，使用集线器（HUB）作为连接枢纽的设备。

HUB的端口（4口、6口、8口等）都可供RJ45的接头插入，双绞线另一端的RJ45接头与计算机通过网卡（NIC）的RJ45 插座相连。当然，10BASE-T为与10BASE5、10BASE2能很好兼容，在HUB上都设有粗缆的AUI接口和细缆的BNC接口，所以粗缆或细缆与双绞线10BASE-T 网混合布线连接方便。

10BASE-T的星形物理拓扑结构与双绞线布线的出现是以太网发展史上的伟大里程碑。随后逐步出现了10BASE-F，10BASe-FL，10BASE-FP，10BASE-FB等在光缆上运行以太网的技术标准。

临界点4：在HUB上多端口接入各个节点，使得以太网规模迅速扩大，但是，HUB把一个端口接收的所有信号向所有端口分发出去，各个端口在信息分发时仍然采用CSMA/CD（载波帧听多路访问/冲突检测）协议，所以不管是物理总线型拓扑结构、还是物理星型拓扑结构，都是共享带宽，存在着争用带宽瓶颈。此时有位“英雄”叫做网桥的设备出现了，起初它只有两个端口，将两个LAN连起来，根据MAC地址来转发帧，这样将一个大的LAN分割为多个网段，争用带宽的冲突暂时缓解些。

上图得出，网桥的原理很简单：网桥对来自网段1 的MAC 帧，首先要检查其终点地址。如果该帧是发往网段1 上某一站的，网桥则不将帧转发到网段2 ，而将其滤除；如果该帧是发往网段2 上某一站的，网桥则将它转发到网段2。

后来逐渐出现了多端口网桥，用于多个LAN的互连。HUB共享式以太网逐渐向交换机LAN发展。

临界点5：90年代初，随着网络用户的迅速增加，10Mbps的速率再也无法托起一些大网络的运行。于是，IEEE802.3工作组的专家们开始研制100Mbps的以太网标准。

1993年，以Grand Junction为首的多家公司成立了快速以太网联盟（FEA），同年10月，FEA公布了它的100BASE-X互操作规范。有时又可称为Fast Ethernet。

1993年，Kalpana公司使以太网技术有了另外一个突破――全双工以太网。全双工的优点是很明显的，可以同时发送和接收数据，这在理论上可以使传输速度翻一番。

全双工模式：举例说明，一座桥的两头分别有车要过桥，如果桥比较宽，就可以来左去右，互不影响，这就是全双工；如果桥窄，只能先过一边的车，然后再过另一边的车，这就是半双工。所以，当100Mbps端口工作在全双工模式下时，可以同时存在流进端口和流出端口的数据，而且双向的数据流都可以享受100Mbps的带宽。如基于100BASE-TX标准的端口，其工作在全双工模式下的端口带宽就是200Mbps。

1995年3月，IEEE802.3工作组发布IEEE802.3u规范（100Base-T访问控制方法与物理层规范）：

100Base-T技术中可采用3类传输介质，即100Base-TX、100Base-FX和100Base-T4。

100Base-TX的速率为100Mbps，传输介质是两对阻抗100欧姆的五类无屏蔽双绞线（UTP）或屏蔽双绞线（STP），其中一对用于发送数据，另一对用于接受数据；允许节点间的传输距离为100米，支持全双工模式。

100Base-FX的速率为100Mbps，传输介质是光纤，2条光纤，一条光纤用于发送，另一条光纤用于接收；传输距离与所使用的光纤类型及连接方式有关（在全双工下，单模光缆可达到40km甚至更远，但价格要比多模光缆贵很多）。支持全双工模式。

100Base-T4的速率为100Mbps，传输介质是3类无屏蔽双绞线UTP，需要四对双绞线，其中3对双绞线用于数据传输，1对用于冲突检测。允许节点间的传输距离为100米。半双工模式。

1996年3月，IEEE802.3标准委员会组建了一个新的802.3z工作组，负责研究干兆位以太网，制订相应的标准。

1998年，IEEE发布802.3z规范（1000Base-X访问控制方法与物理层规范）。IEEE802.3z具有三种传输介质标准：1000BASE-LX、1000BASE-SX、1000BASE-CX 。它们在日常生活的应用范围很广，下面介绍具体参数与用途：

1000Base-SX的速率为1000Mbps，传输介质多模光纤，使用短波激光作为信号源，工作波长为850nm。可以采用直径为62.5um或50um的多模光纤，传输距离为220-550m。使用SC型连接器，主要用于建筑物中同一层的短距离主干网。

1000BASE-LX的速率为1000Mbps，传输介质支持多模光纤与单模光纤，使用长波激光作为信号源，工作波长为1310nm。如果采用直径为62.5um或50um的多模光纤，传输距离为550m或500m；如果采用直径为9um或10um的单模光纤，传输距离为3km或5km左右。使用SC型连接器，主要用于校园主干网。

1000BASE-CX的速率为1000Mbps，传输介质是150欧屏蔽双绞线（STP），传输距离为25m。使用9芯D型连接器连接电缆，主要用于集群设备的连接（如一个交换机房内的设备互连）。

1999年6月，IEEE发布802.3ab规范（1000Base-T访问控制方法与物理层规范）：

1000BASE-T的速率为1000Mbps，传输介质是使用非屏蔽双绞线（五类）或者超5类的双绞线，传输距离为100米。主要用于结构化布线中同一层建筑的通信。

为了便于大家大型园区的机房部署时综合布线做参考，现把常见9种千兆以太网规范进行对比，表格如下：

千兆以太网规范     规范使用的传输介质     传输有效距离

1000Base-CX     150Ω双绞线         25m

1000Base-SX    波长为850nm的多模光纤     500m

1000Base-LX    波长为1310nm的单模或者多模光纤 5km

1000Base-T      5类、超5类、6类（或者7类）双绞线     100m

以下非标准规范，但是在工业中已被广为接受为事实上的千兆以太网规范。

1000Base-LH   波长为1310nm的单模或者多模光纤 10km

1000Base-LX10        波长为1310nm的单模光纤 10km

1000Base-BX10        上行/下行为波长为1310/1490 nm的单模光纤 10km

1000Base-ZX   波长为1550nm的单模光纤  70km

1000Base-TX    6类（或者7类）双绞线      100m

1999年，IEEE 发布802.11a规范，该标准规定无线局域网工作频段在5.15～5.825GHz，数据传输速率达到54Mbps/72Mbps(Turbo)，传输距离控制在10～100米。后续IEEE后续发布802.11b规范与802.11g规范。

2002年6月，IEEE 发布802.3ae规范（10 Gb/s速率的以太网标准），传输介质只使用光纤；工作在全双工模式下，帧格式与10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s Ethernet的帧格式完全相同。传输距离300~40千米。解决了城域传输的“瓶颈”。

基于IEEE 802.3ae标准定义的10G以太网光接口，可以根据光纤类型、传输距离等进一步细分为7种类型：

10GBASE-SR和 10GBASE-SW主要支持短波（850 nm）多模光纤（MMF），光纤距离为 2m 到 300 m。

10GBASE-LR和 10GBASE-LW主要支持长波（1310nm）单模光纤（SMF），光纤距离为 2m 到 10km。

10GBASE-ER和 10GBASE-EW主要支持超长波（1550nm）单模光纤（SMF），光纤距离为 2m 到 40km。

10GBASE-LX4系统运行在 1310nm 的多模或单模暗光纤方式下。该系统的设计目标是针对于 2m 到 300 m 的多模光纤模式或 2m 到 10km 的单模光纤模式。

应用场景的区别如下：

①10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER目前的主流应用是城域范围内的传输。

②10GBASE-SW、10GBASE-LW和10GBASE-EW应用于广域网的接口类型，其传输速率和OC-192 SDH相同。因为通过 WAN 界面子层（WIS：WAN interface sublayer），可以把以太网帧封装到SDH的帧结构中去，并做到速率的匹配。即把10千兆位以太网也能被调整为较低的传输速率，如 9.584640 Gb/s （OC-192），以便实现和SDH的无缝连接。

2004年，IEEE 发布IEEE 802.3ak规范（10GBASE-CX4），传输介质采用对称铜缆，传输距离小于15 米。满足市场对于在无需光纤介质的传输距离的应用中使用成本极低的10GbE连接的需求。比如我们机房的数据中心内部服务器之间的连接。

2006年6月，IEEE 发布802.3an规范（10GBASE-T规范），传输介质基于六类UTP铜质线缆的或七类线和“增强六类线”（即Cat6e线缆），传输距离50~100米。

至此为止，以太网的发展已经历4个标志阶段：以太网、快速以太网、千兆以太网和10GE以太网阶段。

阶段	年份	发布规范	网速bps	传输介质	传输距离
以太网	1983年	IEEE802.3 （CSMA/CD）	10M	粗同轴电缆 细同轴电缆	200~500m
	1990年	IEEE802.3i （10Base-T）	10M	双绞线	100m
快速以太网	1995年	IEEE802.3u（100Base-T）	10M 100M	双绞线 光纤	双绞线100m 光纤40km
千兆以太网	1998年	IEEE802.3z （1000Base-SX /1000Base-LX）	1000M	双绞线 光纤	多模500 m 单模5~70km 双绞线100m
	1999年	IEEE802.3ab （1000Base-T）	1000M
10G以太网	2002年	IEEE802.3ae （有7种）	10000M	光纤	多模2~300 m 单模10 ~40 km
	2004	IEEE 802.3ak （10GBASE-CX4）	10000M	对称铜缆	小于15 m
	2006	IEEE 802.3ak （10GBASE-T）	10000M	六类UTP	50~100m

最后，敬礼于1980年IEEE802工程委员会成立！---他们的锲而不舍精神鼓舞着我们向前进！