Digital Equipment Corp. 的工程师如何拯救以太网

在 20 世纪 80 年代和 90 年代初，我领导 数字设备公司位于马萨诸塞州的网络高级开发小组。 我亲眼目睹了 LAN 技术的巨大机遇和标准化工作之间激烈竞争的时期。

十二月， 英特尔， 和 复印 准备从 20 世纪 70 年代以太网的推出中获利。 但在 20 世纪 80 年代，其他 LAN 技术出现成为竞争对手。 主要竞争者包括 令牌环，由 国际商业机器公司，以及 令牌总线。 （如今，以太网和两种基于代币的技术都是 IEEE 802 标准族。）

所有这些 LAN 都有一些共同的基本部分。 其中之一是 48 位媒体访问控制 (MAC) 地址，这是计算机网络端口制造过程中分配的唯一编号。 MAC 地址仅在 LAN 内部使用，但对其运行至关重要。 通常，除了网络上的通用计算机外，它们还至少有一台专用计算机：路由器，其主要工作是代表所有其他计算机向互联网发送数据并从互联网接收数据在局域网上。

在已有数十年历史的网络概念模型中，LAN 本身（电线和低级硬件）被称为第 2 层或数据链路层。 路由器主要处理另一种地址：在 LAN 内部和外部使用的网络地址。 许多读者可能听说过这些术语 互联网协议 和 IP地址。 除某些例外情况外，数据包中的 IP 地址（网络地址）足以确保数据包可以通过服务提供商和运营商运营的一系列其他路由器传送到互联网上的任何地方。 路由器及其执行的操作称为第 3 层或网络层。

在令牌环 LAN 中，屏蔽双绞铜线以无限环形结构将每台计算机与其上游和下游邻居连接起来。 每台计算机将数据从其上游邻居转发到下游计算机，但只有在收到来自上游邻居的短数据包（令牌）后才能将自己的数据发送到网络。 如果它没有数据要传输，它只是将令牌传递给其下游邻居，依此类推。

在令牌总线 LAN 中，同轴电缆连接网络中的所有计算机，但布线并不控制计算机传递令牌的顺序。 计算机就传递令牌的顺序达成一致，形成一个无尽的虚拟环，数据和令牌围绕该环循环。

与此同时，以太网已成为同轴电缆连接的代名词，其使用的方法称为 带冲突检测的载波侦听多路访问 用于管理传输。 在CSMA/CD方法中，想要传输数据包的计算机首先监听另一台计算机是否正在传输。 如果不是，计算机会发送其数据包，同时侦听以确定该数据包是否与另一台计算机的数据包发生冲突。 由于计算机之间的信号传播不是瞬时的，因此可能会发生冲突。 在发生冲突的情况下，发送计算机会以一定的延迟重新发送其数据包，该延迟既有随机成分，也有取决于冲突次数的指数增长成分。

检测冲突的需要涉及数据速率、物理长度和最小数据包大小之间的权衡。 将数据速率增加一个数量级意味着减少物理长度或将最小数据包大小增加大致相同的倍数。 以太网的设计者明智地在权衡中选择了一个最佳点：每秒 10 兆比特，长度为 1,500 米。

来自纤维的威胁

与此同时，一个公司联盟（包括我的雇主 DEC）正在开发一种新的 ANSI LAN 标准： 光纤分布式数据接口。 FDDI 方法使用令牌总线协议的变体通过光纤传输数据，有望达到 100 Mb/s 的速度，远快于以太网的 10 Mb/s。

大量技术出版物发布了对不同工作负载下竞争 LAN 技术的吞吐量和延迟的分析。 考虑到结果以及更快的处理器、RAM 和非易失性存储对网络性能的更高要求，以太网有限的性能是一个严重的问题。

尽管 FDDI 使用昂贵的组件和复杂的技术，特别是在故障恢复方面，但 FDDI 似乎比以太网更适合创建更高速的 LAN。 但由于共享电线或光纤所涉及的复杂性，所有共享媒体访问协议都具有一个或多个不吸引人的功能或性能限制。

解决方案出现

我认为比 FDDI 或更快版本的以太网更好的方法是开发一种执行存储转发交换的 LAN 技术。

1983年的一个晚上，就在下班回家之前，我参观了 马克·坎普夫，一位首席工程师，也是我团队的成员。 Mark 是我共事过的最优秀的工程师之一，他设计了流行且盈利的 DECServer 100 终端服务器，该服务器使用由 DEC 企业架构小组的 Bruce Mann 创建的局域传输 (LAT) 协议。 终端服务器将仅具有 RS-232 串行端口的哑终端组连接到具有以太网端口的计算机系统。

我告诉马克我的想法是使用存储转发交换来提高 LAN 性能。

第二天早上，他提出了一个学习桥（也称为第 2 层交换机或简称为交换机）的想法。 该桥将连接到两个以太网 LAN。 通过侦听每个 LAN 上的所有流量，设备将了解两个以太网上计算机的 MAC 地址（记住哪台计算机位于哪个以太网上），然后根据目标 MAC 地址有选择地在 LAN 之间转发适当的数据包。 两个网络上的计算机不需要知道它们的数据在扩展 LAN 上将采用哪条路径； 对他们来说，这座桥是看不见的。

网桥需要每秒接收和处理约 30,000 个数据包（每个以太网 15,000 pp/s），并决定是否转发每个数据包。 尽管 30,000 pp/s 的要求接近使用当时最好的微处理器技术 Motorola 68000 所能完成的极限，但 Mark 相信他可以仅使用现成的组件（包括他将使用可编程阵列逻辑 (PAL) 设备和专用静态 RAM 来设计专用硬件引擎来查找 48 位 MAC 地址。

马克的贡献并未得到广泛认可。 教科书是一个例外 网络算法 作者：乔治·瓦尔盖斯。

在配置错误的网络中（具有以环路方式连接以太网的网桥），数据包可能会永远循环。 我们有信心找到一种方法来防止这种情况发生。 在紧要关头，产品可能会在没有安全功能的情况下发货。 显然，双端口设备只是起点。 多端口设备也可能随之而来，尽管它们需要定制组件。

我将我们的想法传达给三个级别的管理层，寻求批准来构建马克设想的学习桥原型。 在这一天结束之前，我们获得了批准，并了解到如果原型成功，产品就会随之而来。

发展桥梁

我在 DEC 的直接经理 Tony Lauck 要求几位工程师和架构师解决配置错误的网络中的数据包循环问题。 几天之内，我们就有了几个潜在的解决方案。 拉迪亚·帕尔曼托尼团队中的一位架构师给出了明显的赢家：生成树协议。

在 Perlman 的方法中，网桥相互检测，根据指定的标准选择根网桥，然后计算最小生成树。 MST 是一种数学结构，在本例中描述了如何有效地无环路连接 LAN 和网桥。 然后，MST 用于将任何其存在会创建环路的网桥置于备份模式。 另一个好处是，它可以在桥梁发生故障时提供自动恢复。

拆解后的 LANBridge 100，由 Digital Equipment Corp. 于 1986 年发布。 艾伦·柯比

马克设计了硬件和时间敏感的低级代码，而软件工程师鲍勃·谢利则编写了其余的程序。 1986 年，DEC 推出了 LANBridge 100 技术，产品代码 DEBET-AA。

不久之后，DEC开发了DEBET-RC，该版本支持桥梁之间3公里的光纤跨度。 一些 DEBET-RC 的手册可以在 Bitsavers 网站。

马克的想法并没有取代以太网——这就是它的辉煌之处。 通过允许在现有的基于 CSMA/CD 同轴电缆的以太网之间进行存储转发交换，网桥可以轻松升级现有的 LAN。 由于任何冲突都不会传播到网桥之外，因此用网桥连接两个以太网将立即使单根以太网电缆的长度限制增加一倍。 更重要的是，将相互频繁通信的计算机放置在同一条以太网电缆上将隔离该电缆的流量，而网桥仍允许与其他以太网电缆上的计算机进行通信。

这减少了两条电缆的流量，增加了容量，同时减少了碰撞频率。 考虑到其极限，它最终意味着为每台计算机提供自己的以太网电缆，并用多端口桥将它们连接起来。

这就是导致从同轴电缆上的 CSMA/CD 逐渐迁移到现在各个计算机和专用交换机端口之间普遍存在的铜缆和光纤链路的原因。

链接的速度不再受到碰撞检测的限制。 随着时间的推移，这一变化彻底改变了人们对以太网的看法。

如果关联的数据包标头足够相似，网桥甚至可以具有用于不同 LAN 类型的端口。

我们的团队后来开发了GIGAswitch，这是一种同时支持以太网和FDDI 的多端口设备。

性能越来越高的网桥的存在使那些开发新的共享媒体 LAN 访问协议的人望而却步。 后来，面对更快的以太网版本，FDDI 从市场上消失了。

当然，桥梁技术并非没有争议。 一些工程师仍然认为第 2 层交换不是一个好主意，您所需要的只是更快的第 3 层路由器来在 LAN 之间传输数据包。 然而，当时IP还没有在网络层面取得胜利，DECNet、IBM的SNA和其他网络协议正在争夺主导地位。 第 2 层交换适用于任何网络协议。

马克收到了 美国专利 1986 年，DEC 提出免费许可该设备，允许任何公司使用该技术。

这引发了 IEEE 标准化工作。 成熟的网络公司和初创公司采用并开始致力于改进交换技术。 其他增强功能——包括交换机专用 ASIC、虚拟 LAN 以及更快、更便宜的物理介质和相关电子设备的开发——不断地促进了以太网的寿命和普及。

以太网的持久价值不在于 CSMA/CD 或其原始同轴介质，而在于它为协议设计者提供的易于理解的功能性服务。

当今许多家庭网络中的交换机都直接源自这项创新。 现代数据中心拥有大量交换机，各个端口的运行速度在每秒 40 到 800 吉比特之间。 仅数据中心交换机市场的年收入就超过100亿美元。

我的 DEC 经理 Lauck 曾经说过，架构的价值可以通过该架构可用的技术代数来衡量。 从这个角度来看，以太网已经取得了巨大的成功。 第 2 层交换也是如此。

没有人知道如果马克没有发明学习桥，以太网会发生什么。 也许其他人会想出这个主意。 但以太网也有可能慢慢消亡。

对我来说，马克拯救了以太网。