以太网的前世今生

1946年4月7日，也就是二战结束的次年，在美国纽约布鲁克林区的一个普通家庭，诞生了一个男婴。 男婴的父亲，是一家陀螺仪工厂的技术员。而他的母亲，则是一个普通家庭主妇。 对于这个家庭来说，刚刚经历完战争的波折，能够喜得贵子，是一件非常开心的事情。 夫妻俩对这个孩子寄予厚望，希望他长大之后，能够出人头地，成为一个顶尖的工程师（那时候工程师是个很有地位的职业）。 果然，这个名叫梅特卡夫的男婴没有辜负他们的期望。他长大后，在学习上表现出极高的天赋。1964年，他高中毕业，成功考上了全美顶级名校（也是当时一流工程师的摇篮）——麻省理工学院。 梅特卡夫的父母应该不会想到，自己的孩子后来不仅真的成为了一名顶尖工程师，更是创立了一家世界500强企业。他的一项伟大发明，改变了无数人的生活，也给IT产业的走向产生了深远影响。 是的，这个梅特卡夫，就是以太网（Ethernet）技术的发明人、著名科技公司3Com的创始人、梅特卡夫定律的提出者，罗伯特·梅兰克顿·梅特卡夫（Robert Melancton Metcalfe）。

█ 新秀初出茅庐，博士论文被拒

1969年，23岁的梅特卡夫从麻省理工学院顺利毕业，拿到了电气工程和工商管理两个学位。一年后，他又拿到了哈佛大学的计算机科学硕士学位，并且继续攻读哈佛的博士学位。 在攻读博士学位期间，梅特卡夫在麻省理工学院的MAC项目组找了一份工作。这个MAC项目组，专门从事操作系统、计算理论和人工智能方面的研究，后来非常有名。 1969年，美国国防部推动建设的ARPANET（阿帕网，也就是互联网的前身）正式诞生，将四所名校的大型计算机进行了互联。 梅特卡夫关注到了这一事件，觉得很有搞头。于是，他极力建议哈佛大学和麻省理工，将校内大型计算机系统也接入ARPANET。（梅特卡夫既是哈佛的研究生，也是麻省理工的研究员。） 傲慢的哈佛大学拒绝了他的建议，但麻省理工同意了。 很快，梅特卡夫完成了网络接口的搭建，将麻省理工的大型计算机连接到了ARPANET上。 基于自己的设计和研究（在ARPANET IMP和PDP-10分时小型机之间建立了一个高速网络接口和协议软件），他写了一篇博士论文，提交给哈佛大学的学位委员会。 1972年6月，梅特卡夫的博士论文答辩失败了，原因是学位委员会认为他的论文缺乏“数学性”和“理论性”。 打击并不仅仅来自于哈佛。在参与ARPANET项目时，梅特卡夫曾经带领10名美国电话电报公司（AT&T）的官员参观ARPANET演示。结果，系统在演示时崩溃了。 梅特卡夫在回忆中写道：

“我痛苦地抬起头，看到他们在嘲笑分组交换（数据包交换）的不可靠。……这一点我永远不会忘记。对他们来说，这证实了电路交换技术（传统固话所采用的技术）将继续存在，而分组交换是一种不可靠的玩具，永远不会对商业世界产生多大影响。” 接二连三的打击，让梅特卡夫有点失落。不久后，他收到了施乐公司（Xerox）帕洛阿尔托研究中心（Palo Alto Research Center）实验室主任鲍勃·泰勒（Bob Taylor，阿帕网的主要发起人之一）的热情邀请，让他加入实验室，完成自己的论文。梅特卡夫欣然同意。 帕洛阿尔托研究中心，就是著名的PARC实验室。

PARC实验室诞生了很多伟大发明，例如激光打印机、鼠标、图形化用户界面（GUI）、位图图形等。乔布斯苹果电脑的很多创新，都来自于这里。

█ 偶遇同行启发，终获项目成功

来到PARC实验室之后，梅特卡夫很快开始了自己的工作。 当时，PARC实验室想要设计出世界上第一台个人计算机（也就是后来著名的Alto）。梅特卡夫的任务，就是为这个计算机设计一个网络接口，让它们互相连接起来。 建设一个多用户终端的计算机网络，最大的问题在于，如何协调各个计算机主机对网络的访问占用。

1960年代初期，计算机科学家伦纳德·克兰罗克（Leonard Kleinrock）提出，可以采用数学里的排队论，通过模拟交通拥堵和人们排队，来协调网络中的数据流。 ARPANET采用了这个理论，并证明了它行之有效。 1971年，夏威夷大学教授诺曼·艾布拉姆森（Norm Abramson），建立了一个名为ALOHAnet（ALOHA是夏威夷人常用的问候语）的无线电网络，采用了一种比ARPANET更“激进”的方案。 在ALOHAnet中，数据以微小数据包的形式传输。它并没有尝试避免数据包之间的冲突。相反，任何因冲突而导致消息丢失的用户，只需在随机的时间间隔后，重新尝试发包，即可。

ALOHA的工作原理

这就好比两个人说话。如果两边同时开始说话，那么双方会立刻停下来。稍后，再重启对话。几次尝试后，总会遇到一方没有说话的情况，问题就解决了。 大家会发现，ALOHAnet的策略，有个明显的缺陷：它比较浪费资源，在低流量的情况下，这种方式很有用，但当网络变得拥挤时，冲突会变得频繁，传输效率将大幅下降。 阅读了诺曼·艾布拉姆森的论文之后，梅特卡夫深受启发。很快，他对ALOHAnet的模型进行了改进，提出了一种新模型。 在新模型中，计算机主机会基于冲突频率，独立调整传输重试的等待时间。如果冲突发生的次数很少，他们会很快重试；如果网络拥挤，他们就会退出，以保持通信整体效率。 梅特卡夫的新模型，补足了自己论文的短板。很快，1973年5月，他终于通过了哈佛大学的答辩，获得了博士学位。（值得一提的是，哈佛大学并没有发布他的论文，而是麻省理工学院发布的，这让梅特卡夫耿耿于怀。） 在自己的研究项目中，梅特卡夫也引入了新模型。 1973年5月22日，梅特卡夫分发了一份名为“Alto Ethernet”的备忘录，正式提出了以太网（Ethernet）设想。 在备忘录中，梅特卡夫绘制了以太网的工作原理草图。他提出：“参与的站点，如AlohaNet或ARPAnet，会注入它们的数据包，它们以每秒兆比特的速度传播，会有碰撞、重传和后退。”

备忘录的部分页面

梅特卡夫的以太网设想，结合了诺曼·艾布拉姆森的随机重发机制、自己对系统时钟的调整以及ALOHAnet模型的其它改进，以减轻冲突的影响。 这些理论创新中，有一些是由其他研究人员开发的，但梅特卡夫是第一个将它们集成到实际网络设计中的人。 对于以太网这个名字的由来，小枣君有必要解释一下。 以前还没发现电磁波的时候，人们提出了以太（ether），认为它是无所不在的传输媒介（光就是通过以太传输）。后来，人们发现，以太其实并不存在。 梅特卡夫采用了“以太网”这名称，是将以太网同样视为一种传播媒介。他自己也得到了一个外号，叫做“以太爸爸（Ether Daddy）”。 1973年6月，梅特卡夫获准建造一个100个节点的原型以太网。 为了完成逻辑设计、构建电路板、编写微码等复杂工作，梅特卡夫找来了斯坦福大学的研究生大卫·博格斯（David R. Boggs）帮忙。

1973年11月11日，在他们俩的努力下，世界上第一个以太网原型系统正式诞生。 当时，这个以太网的传输速率达到每秒2.94兆比特，比之前的终端网络快大约1万倍。

█ 创立3Com公司，推动以太网普及

以太网技术诞生之后，梅特卡夫极力建议施乐公司能对这项技术进行商业化。但是，施乐公司管理层的响应速度非常缓慢，迟迟没有实际行动。 1979年，等了六年的梅特卡夫忍无可忍，离开了PARC实验室。他决定自己创办公司，推动以太网技术的普及。他所创立的这家公司，就是后来著名的通信网络企业——3Com。

3Com公司的名字，来自3个字母，分别是：computer（计算机）、communication（通信）、compatibility（兼容性）。这充分反映了梅特卡夫希望改善计算机通信兼容性的愿望。 3Com成立后，通过销售网络软件、以太网收发器，以及用于小型计算机和工作站的以太网卡，大大提高了以太网的商业可行性。 1980年，在梅特卡夫的撮合下，当时世界第二大计算机公司数字设备公司（DEC）、半导体公司英特尔公司（Intel）和大型系统供应商施乐公司（Xerox），共同组成了一个技术联盟，推出了DIX（三个公司的字母开头）以太网标准。 不久后，1983年，IEEE专门成立了工作组，基于DIX标准的变体，推出了IEEE 802.3标准。

 

最早的802.3，就是10BASE5，只有10Mbps的吞吐量，介质是粗同轴电缆，使用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD，理工科同学应该都熟悉）的访问控制方法。 除了以太网之外，美国IBM公司和通用汽车公司也推出了自己的网络标准。 尤其是IBM的令牌环技术，和以太网形成了激烈的竞争。最终，经过20年的角逐，以太网胜出，令牌环被淘汰。

█ 功成名就之后，个人隐退转型

整个20世纪80年代，梅特卡夫都在推动以太网的普及。1984年3月21日，3Com公司成功上市。 80年代中期，梅特卡夫提出了一个重要观点，即：“一个网络的价值，和这个网络节点数的平方成正比”。这一观点，就是著名的“梅特卡夫定律”。 该定律对于理解网络效应和互联网经济的发展，具有重要的参考价值。

1990年，梅特卡夫离开了3Com公司，成为一名评论家和技术专栏作家。 那一时期的梅特卡夫，也犯了不少错误。他的一些奇怪言论，经常让自己成为媒体调侃的对象。 1995年，梅特卡夫认为互联网将在次年遭遇“灾难性崩溃”。他表示，如果自己预测错了，就把自己的话“吃掉”。 后来的事实证明，他确实预测错了。1997年，在第六届国际万维网会议上，他拿出了自己那篇文章的印刷本，把它和一些液体共同放入搅拌机。然后，在观众的欢呼声中，他坦然地吃掉了搅拌后的浆状物。一边吃，他还一边承认了自己的错误。 梅特卡夫的预测错误还包括：Linux将被Windows2000干掉；无线网络将在20世纪90年代中期被放弃；2006年，Windows和Linux将无法处理视频业务。……

2001年，梅特卡夫离开了媒体领域。他创办了北极星风险投资公司，转型为风险资本家。2011年，梅特卡夫前往德克萨斯大学奥斯汀分校，担任教授。 2022年，他时隔50多年之后，再次回到了麻省理工学院的计算机科学与人工智能实验室（之前的MAC，现在改名为CSAIL），成为一名研究员。 这期间，3Com公司也经历了不少风浪。 1999年，3Com的收入达到57亿美元的峰值。但是很快，互联网泡沫破碎，3Com跌下神坛，市值大幅缩水。2009年11月，3Com公司被惠普以27亿美元现金收购，退出了历史舞台。

晚年的梅特卡夫，因为自己在以太网方面的重大贡献，获奖无数。 1996年，他被授予IEEE荣誉勋章。2003年，他收到了国家技术奖章和马可尼奖。2007年，他入选了美国国家发明家名人堂。 前不久，也就是2023年3月22日，76岁的梅特卡夫被美国计算机协会（ACM）授予了2022年图灵奖，奖金高达100万美元（来自谷歌公司）。 谷歌研究和人工智能高级副总裁杰夫·迪恩（Jeff Dean）在ACM的官方声明中表示： “今天，全球约有70亿个网络端口。以太网无处不在，我们对此习以为常。然而，人们很容易忘记，如果没有鲍勃·梅特卡夫的发明和努力（即每台计算机都必须联网），我们的互联世界就不会是现在的样子。”

█ 结语

杰夫·迪恩说的没错。以太网技术是人们数据通信网络的基石。作为以太网之父，梅特卡夫的贡献是极为巨大的。 如今，以太网仍然是全球有线网络通信的主要标准。它的处理数据速率，从2.94Mbps、10Mbps，一路升级到了现在的400Gbps、800Gbps，甚至1.6Tbps。 802.3这个令人熟悉的数字，将长期伴随着我们，直到被取代的那一天。

编辑：黄飞