光传输：让以太网速度无极限，30年后达1000G？

2011-08-05 09:40

　　现在双方都知道它们的数据发送失败了，因此它们要通过一个“指数型延迟存取程序”来重新发送数据。一方面，为了不浪费宝贵的带宽，重新发送自然是越快越好；另一方面，若双方都马上重发，必然会再次引起数据碰撞，重发就没意义了。

　　因此，每个以太网发射站都事先通过“某个整数*传输512比特数据所需的时间”求得一个最大延迟时间。当一个数据封包被成功发送后，最大延迟时间就被设定为1。数据碰撞发生时，就将最大延迟时间翻倍，直至涨到1024。之后，以太网系统会在最大延迟时间值内，随机选择一个数作为实际延迟时间。

　　比方说，发生第一次数据碰撞后，最大延迟时间变成2，可选的实际延迟时间就成了0和1。显然，有50%的可能性两个发射站都选择0或者都选择1，导致另一次数据碰撞。如果这样，最大延迟时间就变成了4，这两个发射站第三次发生数据碰撞的几率降到了25%。如果人品太差连续发生了16次数据碰撞，以太网系统就认命了，乖乖放弃这个数据包。

　　数据碰撞对网络运行效果造成的冲击一度令人们充满恐惧、不安和怀疑。但实际上，数据碰撞很快就能被检测到，且发生碰撞的数据传输马上就中断了，所以整个过程都不会浪费太多时间。

　　CSMA/CD制式的以太网在不超负荷的情况下，运行效果其实是相当好的：鲍勃.麦特考菲和大卫.博格斯（David Boggs）在1976年发布的描述实验用3Mbps以太网的文件里指出，即使256台计算机都在不断地发送大于等于500字节的数据包，仍有超过95%的网络容量在成功地传输着数据。可见这系统实在高明。

　　标准化之路

　　直到1970年代末期，以太网的所有权都属于施乐。但比起控制着一块小蛋糕，施乐更愿意在一块大蛋糕里切上一块。所以施乐与数字设备（Digital）和英特尔（Intel）合作，合体后的DIX（三公司名称缩写）大财团创造了（或者至少说是共同投资了）10Mbps的以太网规格。之后还迅速修复了部分bug，推出了DIX以太网规格的2.0版本。

　　美国电机与电子工程协会（Instituteof Electrical and Electronics Engineers ， IEEE）随后也加入了这场游戏。最终，为免帮某些厂商卖广告的嫌疑，IEEE在尽力避免使用“以太网”这一名称的前提下，推出了如今被当作以太网官方标准的802.3标准。（除了在以太网这名字的范畴有所出入之外，DIX2.0和IEEE802.3是完全兼容的）。

　　pic： IEEE

　　尽管实际效果在刚开始时尚算可以，但工程师们不得不承认，整栋大厦的用户只能用同一根电缆连接的效率实在有限。简单地从粗同轴电缆上产生旁路是不可能的，这样数据信号会受到不良影响。解决方案是使用中继器。它们能重复产生信号，并实现了连接两个以上的以太网电缆或以太网段。

　　还有另一个麻烦，足足9.5毫米粗的同轴电缆用起来也不甚方便。譬如说，我就好几次见过电信公司的家伙在布线时为了令穿墙而过的电缆弯折往下走而不得不出动到大锤，还委实耗费了好一会儿功夫。此外还有人跟我说过，他喜欢将一整段笔直的同轴电缆放在车子里：“如果条子在你的车里翻到一根棒球棒，会告你私藏武器；而一根同轴电缆在干架时跟球棒一样好使，但条子从来不会因为一根电缆我麻烦。”

　　尽管在威吓流氓这种歪门邪道上的效果差些，但说到正儿八经的用途，细同轴电缆可比粗同轴电缆好用多了。细同轴电缆只有粗同轴电缆一半粗，跟电视天线电缆很像。若一台新的计算机想接入粗同轴电缆连接成的局域网，必须像吸血鬼一样吸附在网线的小孔上。

　　细同轴电缆则摆脱了这种形式。细同轴电缆末端是BNC接头，计算机可以通过T型接头与之连接。但细同轴电缆构成的以太网段也有一大缺点，一旦电缆在任何位置出现受损情况，就整个局域网都无法运行了。新电脑接入网络时自然会出现这种情况。而且由于电缆必须穿过每一台计算机，全网中断的意外更是时有发生。所以必须寻求更好的网络架建方法。

　　1980年代末出台了一种新的规格，这种规格将以太网架建在非屏蔽双绞线电缆上：用地球人的话来说就是架建在电话线上。以太网使用的非屏蔽绞线电缆（UTP），由四对细同轴电缆绞接而成。这种电缆可以用单一铜线或细铜线束构成（前者电气性能更好，后者更容易加工）。UTP电缆配备了如今很常见的RJ45型塑料卡标式连接器。架建在UTP上的10Mbps和100Mbps以太网则只需用到双绞线：一根发送数据，一根接收数据。

　　Pic： UTP双绞线（UTP with two twisted pairs）

　　搭建这种规格的局域网多了一个比以往稍显复杂的问题，即每一根UTP电缆都是自身的以太网段。因此，为了在两台以上的计算机之间搭建局域网，必须使用多端口中继器（它更常见的名字是集线器）。简单来说，中继器将正常情况下收到的信号，和数据碰撞时产生的拥塞信号重复发送到所有的端口。在以太网络环境里，复杂的规则制约了集线器的拓扑结构和使用范围。考虑到如今应该没人再对如何使用集线器搭建一个规模巨大的以太网感兴趣了，具体细节姑且不表。

　　搭建局域网麻烦不少，到现在还一直纠缠着我们。计算机用1号和2号插脚（插脚是指在计算机和其它通讯设备中信号接口的接口处分叉的接触处，插脚是阳性连接器的一部分，用来插进阴性连接器）发送信号，3号和6号插脚接收信号。但对于集线器和交换机而言，情况有所不同。这句话的意思是一台计算机通过普通电缆和集线器连接，但需要连接两台计算机或两台集线器的话，就必须动用到交叉线缆，一头把1、2号插脚相连，另一头把3、6号插脚相连（反之亦然）。

　　好玩的是，由苹果公司领导的开发联盟开发的火线接口（IEEE 1394，?e名火线FireWire接口，一种高速传送接口）干脆只允许使用交叉线缆，结果这样一刀切反而降低了对用户造成的不便。

　　Pic：火线（FireWire）

　　无论如何，解决了以上种种复杂难题后，最终的硕果是一套高速而灵活的系统——这套系统快得目前仍在被使用。不过，我们需要更高的网速。

　追求速度：快速以太网

　　尽管现在看来难以置信，但在1980年代初，10Mbps的以太网已经是非常非常快的网速了。但不妨静心想想：有哪项超过30年的技术现在的电脑还在用？300波特（每秒钟发送300个bit数据）的调制解调器？读写周期500ns的储存器？菊瓣字轮式打印机？唯有10Mbps以太网。到了今天，10Mbps仍不算慢得完全没法用的网速，它依然是我们电脑上10/100/1000Mbps以太网接口的组成部分。

　　到了1990年代初期，以太网不再像十年前那样觉得自己快得无可匹敌了。不妨看看1977年迪吉多（Digital Equipment Corporation， DEC）发布的计算机VAX-11/780。780配有一些2MB的RAM，主频为5MHZ。它几乎每秒能处理一百万条机器语言指令，1757条dhrystones指令（dhrystones是1984年开发的一个CPU性能基准程序，这一名字是对更古老的性能基准程序Whetstone的发挥）。目前流行的英特尔i7计算机可能有3GHz的主频和3GB大的RAM，每秒能执行1700万条dhrystones指令。如果网速增长得跟处理器速度一样快，今天的i7至少会有10GBps的网络接口，也许还会有100Gbps的。

　　Pic： VAX11-780

　　但事实是网速的增长并没有这么夸张。幸好，到了1990年代，有一种新的局域网技术，足足比常规以太网快10倍：光纤分布式数据接口（FiberDistributed Data Interface， FDDI）。

　　FDDI使用的是一种速度高达100Mbps的环型拓扑结构。当主环在某处发生问题整体崩溃时，FDDI还有另一个支持自动线路备份的后备环。一个FDDI网络至少可以横跨200公里。所以FDDI可以充当非常高效的跨局域网大容量网络主干。尽管以太网和FDDI在很多方面不同，实现双方数据封包格式互相转化还是可以的，所以以太网和FDDI可以通过网桥实现连接。