以太網(wǎng)的前世今生

1946年4月7日，也就是二戰(zhàn)結束的次年，在美國紐約布魯克林區(qū)的一個普通家庭，誕生了一個男嬰。 男嬰的父親，是一家陀螺儀工廠的技術員。而他的母親，則是一個普通家庭主婦。 對于這個家庭來說，剛剛經(jīng)歷完戰(zhàn)爭的波折，能夠喜得貴子，是一件非常開心的事情。 夫妻倆對這個孩子寄予厚望，希望他長大之后，能夠出人頭地，成為一個頂尖的工程師（那時候工程師是個很有地位的職業(yè)）。 果然，這個名叫梅特卡夫的男嬰沒有辜負他們的期望。他長大后，在學習上表現(xiàn)出極高的天賦。1964年，他高中畢業(yè)，成功考上了全美頂級名校（也是當時一流工程師的搖籃）——麻省理工學院。 梅特卡夫的父母應該不會想到，自己的孩子后來不僅真的成為了一名頂尖工程師，更是創(chuàng)立了一家世界500強企業(yè)。他的一項偉大發(fā)明，改變了無數(shù)人的生活，也給IT產(chǎn)業(yè)的走向產(chǎn)生了深遠影響。 是的，這個梅特卡夫，就是以太網(wǎng)（Ethernet）技術的發(fā)明人、著名科技公司3Com的創(chuàng)始人、梅特卡夫定律的提出者，羅伯特·梅蘭克頓·梅特卡夫（Robert Melancton Metcalfe）。

█ 新秀初出茅廬，博士論文被拒

1969年，23歲的梅特卡夫從麻省理工學院順利畢業(yè)，拿到了電氣工程和工商管理兩個學位。一年后，他又拿到了哈佛大學的計算機科學碩士學位，并且繼續(xù)攻讀哈佛的博士學位。 在攻讀博士學位期間，梅特卡夫在麻省理工學院的MAC項目組找了一份工作。這個MAC項目組，專門從事操作系統(tǒng)、計算理論和人工智能方面的研究，后來非常有名。 1969年，美國國防部推動建設的ARPANET（阿帕網(wǎng)，也就是互聯(lián)網(wǎng)的前身）正式誕生，將四所名校的大型計算機進行了互聯(lián)。 梅特卡夫關注到了這一事件，覺得很有搞頭。于是，他極力建議哈佛大學和麻省理工，將校內大型計算機系統(tǒng)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員。） 傲慢的哈佛大學拒絕了他的建議，但麻省理工同意了。 很快，梅特卡夫完成了網(wǎng)絡接口的搭建，將麻省理工的大型計算機連接到了ARPANET上。 基于自己的設計和研究（在ARPANET IMP和PDP-10分時小型機之間建立了一個高速網(wǎng)絡接口和協(xié)議軟件），他寫了一篇博士論文，提交給哈佛大學的學位委員會。 1972年6月，梅特卡夫的博士論文答辯失敗了，原因是學位委員會認為他的論文缺乏“數(shù)學性”和“理論性”。 打擊并不僅僅來自于哈佛。在參與ARPANET項目時，梅特卡夫曾經(jīng)帶領10名美國電話電報公司（AT&T）的官員參觀ARPANET演示。結果，系統(tǒng)在演示時崩潰了。 梅特卡夫在回憶中寫道：

“我痛苦地抬起頭，看到他們在嘲笑分組交換（數(shù)據(jù)包交換）的不可靠?！@一點我永遠不會忘記。對他們來說，這證實了電路交換技術（傳統(tǒng)固話所采用的技術）將繼續(xù)存在，而分組交換是一種不可靠的玩具，永遠不會對商業(yè)世界產(chǎn)生多大影響。” 接二連三的打擊，讓梅特卡夫有點失落。不久后，他收到了施樂公司（Xerox）帕洛阿爾托研究中心（Palo Alto Research Center）實驗室主任鮑勃·泰勒（Bob Taylor，阿帕網(wǎng)的主要發(fā)起人之一）的熱情邀請，讓他加入實驗室，完成自己的論文。梅特卡夫欣然同意。 帕洛阿爾托研究中心，就是著名的PARC實驗室。

PARC實驗室誕生了很多偉大發(fā)明，例如激光打印機、鼠標、圖形化用戶界面（GUI）、位圖圖形等。喬布斯蘋果電腦的很多創(chuàng)新，都來自于這里。

█ 偶遇同行啟發(fā)，終獲項目成功

來到PARC實驗室之后，梅特卡夫很快開始了自己的工作。 當時，PARC實驗室想要設計出世界上第一臺個人計算機（也就是后來著名的Alto）。梅特卡夫的任務，就是為這個計算機設計一個網(wǎng)絡接口，讓它們互相連接起來。 建設一個多用戶終端的計算機網(wǎng)絡，最大的問題在于，如何協(xié)調各個計算機主機對網(wǎng)絡的訪問占用。

1960年代初期，計算機科學家倫納德·克蘭羅克（Leonard Kleinrock）提出，可以采用數(shù)學里的排隊論，通過模擬交通擁堵和人們排隊，來協(xié)調網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流。 ARPANET采用了這個理論，并證明了它行之有效。 1971年，夏威夷大學教授諾曼·艾布拉姆森（Norm Abramson），建立了一個名為ALOHAnet（ALOHA是夏威夷人常用的問候語）的無線電網(wǎng)絡，采用了一種比ARPANET更“激進”的方案。 在ALOHAnet中，數(shù)據(jù)以微小數(shù)據(jù)包的形式傳輸。它并沒有嘗試避免數(shù)據(jù)包之間的沖突。相反，任何因沖突而導致消息丟失的用戶，只需在隨機的時間間隔后，重新嘗試發(fā)包，即可。

ALOHA的工作原理

這就好比兩個人說話。如果兩邊同時開始說話，那么雙方會立刻停下來。稍后，再重啟對話。幾次嘗試后，總會遇到一方?jīng)]有說話的情況，問題就解決了。 大家會發(fā)現(xiàn)，ALOHAnet的策略，有個明顯的缺陷：它比較浪費資源，在低流量的情況下，這種方式很有用，但當網(wǎng)絡變得擁擠時，沖突會變得頻繁，傳輸效率將大幅下降。 閱讀了諾曼·艾布拉姆森的論文之后，梅特卡夫深受啟發(fā)。很快，他對ALOHAnet的模型進行了改進，提出了一種新模型。 在新模型中，計算機主機會基于沖突頻率，獨立調整傳輸重試的等待時間。如果沖突發(fā)生的次數(shù)很少，他們會很快重試；如果網(wǎng)絡擁擠，他們就會退出，以保持通信整體效率。 梅特卡夫的新模型，補足了自己論文的短板。很快，1973年5月，他終于通過了哈佛大學的答辯，獲得了博士學位。（值得一提的是，哈佛大學并沒有發(fā)布他的論文，而是麻省理工學院發(fā)布的，這讓梅特卡夫耿耿于懷。） 在自己的研究項目中，梅特卡夫也引入了新模型。 1973年5月22日，梅特卡夫分發(fā)了一份名為“Alto Ethernet”的備忘錄，正式提出了以太網(wǎng)（Ethernet）設想。 在備忘錄中，梅特卡夫繪制了以太網(wǎng)的工作原理草圖。他提出：“參與的站點，如AlohaNet或ARPAnet，會注入它們的數(shù)據(jù)包，它們以每秒兆比特的速度傳播，會有碰撞、重傳和后退。”

備忘錄的部分頁面

梅特卡夫的以太網(wǎng)設想，結合了諾曼·艾布拉姆森的隨機重發(fā)機制、自己對系統(tǒng)時鐘的調整以及ALOHAnet模型的其它改進，以減輕沖突的影響。 這些理論創(chuàng)新中，有一些是由其他研究人員開發(fā)的，但梅特卡夫是第一個將它們集成到實際網(wǎng)絡設計中的人。 對于以太網(wǎng)這個名字的由來，小棗君有必要解釋一下。 以前還沒發(fā)現(xiàn)電磁波的時候，人們提出了以太（ether），認為它是無所不在的傳輸媒介（光就是通過以太傳輸）。后來，人們發(fā)現(xiàn)，以太其實并不存在。 梅特卡夫采用了“以太網(wǎng)”這名稱，是將以太網(wǎng)同樣視為一種傳播媒介。他自己也得到了一個外號，叫做“以太爸爸（Ether Daddy）”。 1973年6月，梅特卡夫獲準建造一個100個節(jié)點的原型以太網(wǎng)。 為了完成邏輯設計、構建電路板、編寫微碼等復雜工作，梅特卡夫找來了斯坦福大學的研究生大衛(wèi)·博格斯（David R. Boggs）幫忙。

1973年11月11日，在他們倆的努力下，世界上第一個以太網(wǎng)原型系統(tǒng)正式誕生。 當時，這個以太網(wǎng)的傳輸速率達到每秒2.94兆比特，比之前的終端網(wǎng)絡快大約1萬倍。

█ 創(chuàng)立3Com公司，推動以太網(wǎng)普及

以太網(wǎng)技術誕生之后，梅特卡夫極力建議施樂公司能對這項技術進行商業(yè)化。但是，施樂公司管理層的響應速度非常緩慢，遲遲沒有實際行動。 1979年，等了六年的梅特卡夫忍無可忍，離開了PARC實驗室。他決定自己創(chuàng)辦公司，推動以太網(wǎng)技術的普及。他所創(chuàng)立的這家公司，就是后來著名的通信網(wǎng)絡企業(yè)——3Com。

3Com公司的名字，來自3個字母，分別是：computer（計算機）、communication（通信）、compatibility（兼容性）。這充分反映了梅特卡夫希望改善計算機通信兼容性的愿望。 3Com成立后，通過銷售網(wǎng)絡軟件、以太網(wǎng)收發(fā)器，以及用于小型計算機和工作站的以太網(wǎng)卡，大大提高了以太網(wǎng)的商業(yè)可行性。 1980年，在梅特卡夫的撮合下，當時世界第二大計算機公司數(shù)字設備公司（DEC）、半導體公司英特爾公司（Intel）和大型系統(tǒng)供應商施樂公司（Xerox），共同組成了一個技術聯(lián)盟，推出了DIX（三個公司的字母開頭）以太網(wǎng)標準。 不久后，1983年，IEEE專門成立了工作組，基于DIX標準的變體，推出了IEEE 802.3標準。

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最早的802.3，就是10BASE5，只有10Mbps的吞吐量，介質是粗同軸電纜，使用的是帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD，理工科同學應該都熟悉）的訪問控制方法。 除了以太網(wǎng)之外，美國IBM公司和通用汽車公司也推出了自己的網(wǎng)絡標準。 尤其是IBM的令牌環(huán)技術，和以太網(wǎng)形成了激烈的競爭。最終，經(jīng)過20年的角逐，以太網(wǎng)勝出，令牌環(huán)被淘汰。

█ 功成名就之后，個人隱退轉型

整個20世紀80年代，梅特卡夫都在推動以太網(wǎng)的普及。1984年3月21日，3Com公司成功上市。 80年代中期，梅特卡夫提出了一個重要觀點，即：“一個網(wǎng)絡的價值，和這個網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)的平方成正比”。這一觀點，就是著名的“梅特卡夫定律”。 該定律對于理解網(wǎng)絡效應和互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟的發(fā)展，具有重要的參考價值。

1990年，梅特卡夫離開了3Com公司，成為一名評論家和技術專欄作家。 那一時期的梅特卡夫，也犯了不少錯誤。他的一些奇怪言論，經(jīng)常讓自己成為媒體調侃的對象。 1995年，梅特卡夫認為互聯(lián)網(wǎng)將在次年遭遇“災難性崩潰”。他表示，如果自己預測錯了，就把自己的話“吃掉”。 后來的事實證明，他確實預測錯了。1997年，在第六屆國際萬維網(wǎng)會議上，他拿出了自己那篇文章的印刷本，把它和一些液體共同放入攪拌機。然后，在觀眾的歡呼聲中，他坦然地吃掉了攪拌后的漿狀物。一邊吃，他還一邊承認了自己的錯誤。 梅特卡夫的預測錯誤還包括：Linux將被Windows2000干掉；無線網(wǎng)絡將在20世紀90年代中期被放棄；2006年，Windows和Linux將無法處理視頻業(yè)務?！?/p>

2001年，梅特卡夫離開了媒體領域。他創(chuàng)辦了北極星風險投資公司，轉型為風險資本家。2011年，梅特卡夫前往德克薩斯大學奧斯汀分校，擔任教授。 2022年，他時隔50多年之后，再次回到了麻省理工學院的計算機科學與人工智能實驗室（之前的MAC，現(xiàn)在改名為CSAIL），成為一名研究員。 這期間，3Com公司也經(jīng)歷了不少風浪。 1999年，3Com的收入達到57億美元的峰值。但是很快，互聯(lián)網(wǎng)泡沫破碎，3Com跌下神壇，市值大幅縮水。2009年11月，3Com公司被惠普以27億美元現(xiàn)金收購，退出了歷史舞臺。

晚年的梅特卡夫，因為自己在以太網(wǎng)方面的重大貢獻，獲獎無數(shù)。 1996年，他被授予IEEE榮譽勛章。2003年，他收到了國家技術獎章和馬可尼獎。2007年，他入選了美國國家發(fā)明家名人堂。 前不久，也就是2023年3月22日，76歲的梅特卡夫被美國計算機協(xié)會（ACM）授予了2022年圖靈獎，獎金高達100萬美元（來自谷歌公司）。 谷歌研究和人工智能高級副總裁杰夫·迪恩（Jeff Dean）在ACM的官方聲明中表示： “今天，全球約有70億個網(wǎng)絡端口。以太網(wǎng)無處不在，我們對此習以為常。然而，人們很容易忘記，如果沒有鮑勃·梅特卡夫的發(fā)明和努力（即每臺計算機都必須聯(lián)網(wǎng)），我們的互聯(lián)世界就不會是現(xiàn)在的樣子?！?/p>

█ 結語

杰夫·迪恩說的沒錯。以太網(wǎng)技術是人們數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的基石。作為以太網(wǎng)之父，梅特卡夫的貢獻是極為巨大的。 如今，以太網(wǎng)仍然是全球有線網(wǎng)絡通信的主要標準。它的處理數(shù)據(jù)速率，從2.94Mbps、10Mbps，一路升級到了現(xiàn)在的400Gbps、800Gbps，甚至1.6Tbps。 802.3這個令人熟悉的數(shù)字，將長期伴隨著我們，直到被取代的那一天。

編輯：黃飛