以太网（英文名：Ethernet）是一种计算机局域网络技术，使用分支广播的通讯机制，可以在局域网上传送数字数据包，实现计算机之间的数据传输。在以太网技术中，100Base-T快速以太网提供了高速网络技术迈向方便、廉价、合理的途径，所以100Base-T是一个里程碑，而千兆以太网以及万兆以太网标准的推出使得以太网技术从局域网延伸到了城域网。以太网协议在开放系统互连（OSI）模型上占据物理层和数据链路层的位置。以太网遵循IEEE 802.3标准，IEEE 802.3是IEEE 802端对端网络系列标准的一部分。

以太网的发明人罗伯特·梅特卡夫（Robert Melancton Metcalfe），昵称为鲍勃·梅特卡夫（Bob Metcalfe），灵感来自夏威夷大学的Norman Abramson在其博士论文中研究的关于ALOHAnet理论论文，梅特卡夫提出一种避免拥挤僵局的模型并付诸实践。在1973年11月，梅特卡夫和同事们已经建立并运行了他们的第一个网络。1979年，成立了自己的公司3Com，1980年，说服迪吉多、英特尔公司和施乐公司将以太网作为本地网络的一个开放的工业标准。2023年3月22日，罗伯特·梅特卡夫（Bob Metcalfe）获2022年度图灵奖。

以太网的优势在于成本相对较低、向后兼容性、一般耐噪音、良好的数据传输质量、速度、可靠性和数据安全性。但它的弊端也比较明显，相较于其他网络技术，以太网的更适用于距离短的网络、移动不便、使用较长的电缆会产生串扰、速度会因流量增加而降低等。

1960年到1970年：以太网核心思想的启发

以太网的核心思是使用共享的公共传输信道。共享数据传输信道的思想来源于夏威夷大学，20世纪60年代末，夏威夷大学的Norman Abramson及其同事研制了一个名为 ALOHA系统的无线电网络。Norman Abramson发表了一系列有关 ALOHA系统的理论和应用方面的文章。1972年，以太网创始人罗伯特·梅特卡夫（Robert Melancton Metcalfe）偶然发现Norman Abramson的关于ALOHA系统的早期研究成果，在阅读 Abramson的有名的关于 ALOHA模型的论文时， Metcalfe认识到，通过优化后可以把ALOHA 系统的效率提高到近100％。1972年底，Metcalfe和 David Boggs设计了一套网络，将不同的ALTO计算机连接起来，Metcalfe把它命名为 ALTO ALOHA网络，这个世界上第一个个人计算机局域网络，ALTO ALOHA网络首次在 1973年5月22日开始运转，Mctcalfe写了一段备忘录，称他已将该网络改名为以太网（Ethernet），其灵感来自于“电磁辐射是可以通过发光的以太来传播的这一想法”。

1973年至1982年：以太网的产生与DIX联盟

以太网最早于1975年由美国施乐公司研制成功，当时的以太网是一种基带总线局域网，数据率为2.94Mbit/s，由曾经在历史上表示电磁波的以太（Ether）命名。1979 年6月， 以太网创始人罗伯特·梅特卡夫、霍华德·查尼、罗恩、格雷格·肖组成一个计算机通信和兼容性公司，3Com。1980年9月，迪吉多、英特尔和施乐公司联合提出了10Mbit/s以太网规约的第一个版本DIX VI，在1982年又修改为第二版规约DIX Ethernet V2，这一版也是最后的版本。IEEE802委员会的802.3工作组于1983年制定了第一个IEEE的以太网标准IEEE802.3，数据率提升到10Mbit/s。1981年以太网创始人鲍勃与所有的大牌 PC公司(其中包括 IBM和Apple)商谈建造以太网控制器的计划。

1982至1990年：10Mb/s标准以太网

1982年，3Com为Apple机配置的第一批以太网产品投放市场。1984年，3Com、ICL(国际计算机有限公司)、 HP将细缆以太网的概念提交给 IEEE，IEEE以10BASE2承认它为官方标准。Synoptics Communications公司开发了在双绞线上传输10Mb/s以太网信号的技术，推出LATTISNET和提交在常规电话线上实现全速10Mbps以太网性能的产品。IEEE于1990年9月通过了使用双绞线介质的以太网（10BASE-T）标准。以太网按照速率发展最初是10Mbps以太网，早期的以太网传输速率是10Mbps，所采用的传输介质有粗同轴电缆、细同轴电缆以及双绞线。

1992年至1997年：100Mb/s快速以太网

1992年，Grand Junction网络公司开发了一种运行速度达到100Mb/s的快速以太网。1995年，IEEE正式通过了802.3u快速以太网标准。1992年IEEE召集802.3委员会要求制定一个快速的LAN标准。802.3委员会在保持802.3原状的基础上提高其速率，于1995年6月正式推出802.3u，也被称为快速以太网。100Mbps快速以太网与10Mbps传统以太网使用相同的线缆配置组网、同样的软件并有大量生产厂作产品支持。快速以太网有3种类型的接收发送器来支持各种类型的传输电缆：用于双绞线的收发器100Base-T4和100Base-TX；用于光纤的收发器的100Base-FX。传统以太网升级至快速以太网只需要更改一张以太网控制器。并配上一个100Mbps集线器，不必改变网络的拓扑结构。

1996年至2002年：1Gbps千兆以太网

1996年，IEEE802.3成立标准开发任务组，负责开发1Gbps千兆以太网标准。千兆以太网是建立在基础以太网之上的，IEEE 802.3z标准任务组的首要目标之一就是保持与10Mbps和100Mbps标准的兼容性。1998年6月正式通过千兆以太网标准IEEE802.3z。1999年6月，正式通过了IEEE802.3ab标准，即1000BASE-T标准，至此可以将平常使用的双绞线用于千兆以太网中。千兆以太网交换机可直接与图形工作站相连。也可做百兆以太网的主干网，与多个千兆以太网集线器相连，再与大型服务器连接在一起。

2002年至今：10Gbps万兆以太网

1999年3月，IEEE成立了高速研究组HSSG，致力于10Gbps以太网的研究，2002年完成了10Gpbs以太网的研究，并定制了10Gbps以太网的标准。10 Gbps也叫万兆以太网，包括了10GBASE-R，10GBASE-W，10GBASE-LX4三种物理接口标准。以太网数据帧格式与10Mb/s、100Mb/s 和1Gb/s以太网的帧格式完全相同，保留了802.3 标准规定的以太网的最小和最大帧长度，便于用户升级使用。10Gbps以太网只使用光纤作为传输媒介，只允许工作在全双工方式，不适用CSMA/CD协议。10Gbps以太网实现证明了以太网具有良好的可扩展性、组网的灵活性（多种传输媒体、全双/半双工运作和共享/交换等）、易于安装、稳定性好和性能价格比高等等。2004年3月，IEEE批准铜缆10G以太网标准802.3ak，新标准将作为10GBASE-CX4实施，提供双轴电缆上的10Gbps的速率。

以太网协议在开放系统互连（OSI）模型上占据物理层和数据链路层的位置。物理层负责在设备（如网络接口控制器、以太网集线器或网络交换机）和物理传输媒介之间的传输和接收非结构化原始数据。将数字位转换为电信号、无线电信号或光信号。指定如何通过物理信号进行编码。数据链路层提供节点到节点的数据传输，可以检测并可能纠正物理层中可能发生的错误，定义两个物理连接的设备之间建立和终止链接的协议。

数据链路层包括两个子层: MAC(介质访问控制)子层和 LLC(逻辑链路控制)子层。 IEEE定义了以太网标准， MAC子层的规范称为 IEEE802.3， LLC子层的规范称为IEEE802.2。其中， MAC子层在 LLC的下层，它的功能主要有以下几方面:将上层交下来的数据封装成帧进行发送(接收时进行相反的过程， 将帧解封装、 实现和维护介质访问控制协议、比特差错检测、 MAC帧的寻址， 即 MAC帧由哪个站点发出被哪个站点或哪些站点接收。LLC子层的主要功能有以下几个方面:建立和释放数据链路层的逻辑连接、提供与上层的接口 、 给帧加上序号 。

以太网帧是以太网通信信号的基本单元，一般将以太网帧分为两类，即数据帧与管理帧。

数据帧是用于以太网网站点之间传输信息的载体，数据帧又分为以以太网信号的基本帧结构、VLAN虚拟网采用的扩展帧、千兆以太网IEEE802.3z标准规范的扩充帧、突发串帧以及帧类型标志放在客户数据区域中的IEEE802.3帧等。数据帧的基本帧结构由帧前序、帧起始符SOF、MAC目的地址与原地址、帧长度/帧类型、MAC客户数据/填充区、帧校验区组成。

管理帧用于以太网与以太网管理实体之间的通信联络和网络站点之间信息流量的控制，管理帧可包括用于站管理实体STA与被管理站点物理层器件PHY之间交换状态信息、实现控制与配置的管理帧以及防止网络拥塞的暂停帧等。基本管理帧各区构成有：管理帧前序、管理帧起始符、管理帧操作码OP、管理帧PHY地址、管理帧寄存器地址、换向区TA、管理帧管理数据和空载情况。暂停帧应用于全双工工作模式以太网，目的是通告所有发送数据的站点暂停发送帧信息，防止链路发生拥塞，不适用与半双工工作模式环境。

经典以太网是以太网的原始形式，它提供3Mbps到10Mbps之间的数据速率。这些品种通常被称为10BASE-X，“10”代表最大吞吐量，即10Mbps，“BASE”表示使用基带传输，X表示使用的介质类型。如10BASE-5（厚同轴电缆），它是使用单根同轴电缆的原始版本，“5”指的是最大段长度为500m；10BASE-2（薄同轴电缆），它是一种更细的品种，“2”指的是最大长度为200m；10BASE-T（双绞线），它是使用非屏蔽双绞线铜线作为物理层介质；10BASE-F（光纤以太网），它是使用光纤电缆作为传输介质。经典以太网的结构是用一根长电缆连接所有计算器，从物理层上看，以太网的每个版本都有电缆的最大长度限制，超过这个范围信号将无法传播，用中继器（转发器）可以把多条电缆连接起来建设更大的网络。经典以太网使用CSMA/CD算法，即当站有帧要发送时侦听介质，介质空闲便立即发送，同事检测信道上是否有冲突，若有则立即停止传输，并发出一个信号，等待一段随机时间后重新发送信号。常见的以太网拓扑结构包括总线型、星型、环形和树形。总线型是以太网最早的一种拓扑结构，所有设备都链接在同一条总线上；星型拓扑结构的以太网每个设备都连接在中心交换机上；环形拓扑结构的以太网所有设备连接成一个环形结构，信号沿着环形结构传输；树形拓扑结构的以太网则是将多个星型网络拖过交换机键连接而成的树形结构。不同拓扑结构适用于不同的网络环境和需求。

交换机是一种网络设备，用来连接多个网络设备，提供独享的通讯通路。交换机可以用于家庭、企业和工业应用中，在家庭中，交换机用来连接各种影音设备，实现数据交换和流量控制；在企业中，交换机用来连接多个电脑或者其他设备，提供高速的数据传输和流量控制；在工业应用中，多个交换机进行多跳通讯来满足工业应用的网络节点数量巨大的需求。

交换式以太网是一种用于实时分布式系统的网络科技，它的基本思想是通过交换机将各个设备连接在一起，使它们能够相互通信。它提供了一种改善实时关键消息传输全局吞吐量的手段，相比其他实时网络技术，交换式以太网提供了流量隔离并消除了经典以太网所受到的由于CSMA/CD仲裁引起的不确定性的影响。因为它提供了无冲突的消息传输域等特性，交换式以太网在实时应用中比较广泛，多种基于交换式以太网的协议已经被提出，用于调整时间关键应用的特性和性能。

以太网的传输媒介有同轴电缆、双绞线和光纤等。传输媒介的特效对网络数据通信质量有很大影响，如物理特性、传输特性、连通性、地理范围、抗干扰性、相对价格。

双绞线（10Base-T 和 100Base-TX）由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成，减少相互间的辐射电磁干扰，双绞线的线芯一般是铜质，能提供良好的传导率，双绞线用于10BASE-T和100BASE-T总线，提供10Mbps和100mbps的数据传输速率，双绞线普遍用于点到点的连接，性能较差，只能支持很少的几个站。

同轴电缆（10Base5 和 10Base2）和双绞线一样由一对导体组成，但是是由“同轴”形式构成，由内到外分别是内芯、绝缘层、屏蔽词、塑料外套，内芯和屏蔽词构成一对导体，单根同轴电缆的直径为1.02-2.54cm，可在较宽频率范围内工作，同轴电缆适用于点到点和多点连接，在大系统中可以转接器将各段连接起来，它的传输距离取决于传输信号形式和传输的速率，同轴电缆的抗干扰性能比双绞线较强。

光纤（10Base-F）是由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成，光纤具有不受电磁干扰或噪音影响的独有特征，适宜在长距离内保持高数据传输率，由于它具有损耗低、频带宽、数据传输率高、抗电磁干扰强风特点，对高速率、距离较远的局域网也比较适用。

中继器是以太网的核心网元设备，最基本的功能是从一个端口接收信息，并将其复制到其它端口发送出去，中继器在收到网络结点发出的信号的同时，将其拷贝到其它端口，中继器内部对信号进行除去噪音干扰、优化信号等处理。中继器的种类繁多，按照管理功能分，可以分为无管理功能和带管理功能中继器；按拓扑规则分，分为Ⅰ类中继器和Ⅱ中继器；按OSI七层参考模型分，分为第一层（物理层）中继器和包含第二层（链路层）部分功能的中继器；按机械结构分，可分为堆栈式和底盘式中继器；按介入传输介质分，又可分为双绞线电缆端口中继器、光缆端口中继器和两者混合端口中继器，按遵守标准分，可以分为IEEE802.3u标准型、IEEE802.12环路令牌型和专用型等。

集线器是网络传输介质间的中央节点，解决了介质单一通道的缺陷，集线器的工作原理简单举例：比如有一个具有8个端口的集线器，共同连接8台电脑，集线器处于网络“中心”，通过集线器发送信号，8台电脑之间可以互联互通。以集线器为中心的优点在于当网络中某条线路或结点出现故障时，不会影响网上其它结点的正常工作。集线器的主要功能是对接收到的信号进行同步整形放大，以扩大网络的传输距离，是中继器的一种形式，区别在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器。

网桥是一种连接两个局域网的设备，它具有学习和过滤数据包的功能。中继器将流量转发到所有以太网设备的工作方式，限制了最远结点之间的中继器数量和以太网上可以通信的计算机数量，为了减轻这些问题，创建了网桥桥接在数据链路层进行通信，隔离了物理层。网桥这种设备看上去有点像中继器，它与中继器的不同之处在于它能够解析它收发的数据。数据链路层能够进行流控制、纠错处理以及地址分配。网桥能够解析它所接受的帧，并能指导如何把数据传送到目的地。

交换机是一个基于网桥技术的多端口网络设备，工作在OSI模型的数据链路层，为数据帧从一个端口到另一个任意端口的转发提供了低时延、低开销的通路。交换机支持各端口最大数据传输速率，满足大型网络环境大量数据并行处理的要求。以太网交换机的管理方式通常有通过串行通讯接口管理、通过Web管理和通过网管软件管理三种管理方式。

简单的交换机以太网虽然比基于中继器以太网有了很大的改进，但存在网络安全性和组播流量方面的可扩展性等问题。交换机中的高级网络功能使用最短路径桥接或生成树协议来维护无环路的网状网络，从而允许物理环路实现冗余 （STP） 或负载平衡 （SPB）。最短路径桥接包括使用链路状态路由协议 IS-IS，以允许更大的网络在设备之间具有最短路径路由。高级网络功能可以确保端口安全，提供MAC锁定和广播辐射过滤等保护功能，使用相同的物理基础设施时使用VLAN使不同类别的用户保持独立，采用多层交换在不同类别之间路由，并使用链路聚合为过载链路增加带宽并提供一些冗余。

电气电子工程师学会（IEEE）的前身是美国电气工程师协会(AIEE)和无线电工程师协会(IRE)。IEEE 802.3是IEEE 802端对端网络系列标准的一部分。

标准以太网

1973年，以协议名称为“Experimental Ethernet”的以太网诞生，是最早的实验以太网，速率为2.94Mbit/s。1982年，IEEE工作组发布了协议名称为Ethernet II（DIXv2.0）的以太网标准，定义了在厚同轴电缆上传输 10 Mbit/s（1.25 MB/s）。Ethernet II报文格式基本确定。DIX 以太网，以DEC、英特尔（intel）和施乐（Xerox）的名字命名。1983年，IEEE 802.3工作组正式成立。1985年，IEEE802.3工作组发布协议名称为802.3-1985的以太网标准，带冲突检测的载波检测多址 （CSMA/CD） 访问方法和物理层规范，描述了全双工专用通道使用的控制特性，每种速度都提供中继器规格。在物理层提供10BASE-T、10BASE-FL、100BASETX、100BASE-FX、100BASE-T2 和千兆以太网的全双工规范。1987年，IEEE802.3协会将StarLAN标准化为802.3e，StarLAN是第一个通过双绞线实现每秒1兆位（1Mbit/s）以太网设备，即以太网的10BASE5版本，双绞线成为了以太网的传输介质。1990年，发布了802.3i标准，定义了10BASE-T，开始规定使用双绞线作为以太网传输介质，传输距离为100米。

快速以太网

1995年，IEEE802.3工作组发布802.3u标准，ISO/IEC CSMA/CD 媒体访问控制 （MAC） 与一系列新的物理层规范相结合，可实现 100 Mb/s 的操作。该物理层规范系列统称为 100BASE-T，包括 100BASE-T4，它使用 4 对 ISO/IEC11801：1995类别 3、4 或 5 类平衡电缆；100BASE-TX，使用两对5类平衡电缆或150欧姆屏蔽平衡电缆；和100BASE-FX，它使用两条多模光纤。两个 100BASE-X 规范（100BASE-TX和100BASE-FX重用了最初为光纤分布式数据接口 （FDDI） 开发的 100 Mb/s 物理信令规范的部分。

千兆以太网

1998年，IEEE802.3工作组发布了802.3z标准，定义载波检测多址与冲突检测 （CSMA/CD）媒体访问控制（MAC）参数，并对其操作、物理层特性、中继器功能和管理参数进行最小扩充，以 1000 Mb/s 传输 802.3 和以太网格式帧。1999年，IEEE802.3工作组发布的802.3ab标准定义了1000BASE-T PCS型、1000BASE-T PMA型子层和1000BASE-T型介质相关接口（MDI）。为 1000BASE-T PCS、PMA 和 MDI 型提供了功能齐全的电气和机械规格。还指定了与 1000BASE-T一起使用的基带介质。1998年，推出IEEE802.3ac，支持 IEEE P802.1Q 中指定的虚拟桥接局域网 （VLAN）。提供了局域网和城域网的标准草案：虚拟桥接局域网。

万兆以太网

2002年，IEEE802.3工作组发布802.3ae标准，定义了 10GBASE-SR， 10GBASE-ER， 10GBASE-LR， 10GBASE-SW， 10GBASE-EW， 10GBASE-LW。IEEE802.3ae 标准定义了万兆以太网的特点：工作模式为全双工不再具有半双工模式，使用光纤作为传输介质，拥有广域网和局域网两种模型。802.3ae 使以太网技术推广到了广域网的领域。2010年，IEEE802.3工作组发布的IEEE802.3ba 标准同时包含 40Gbps 与 100Gbps 两种速率以太网。2015年，802.3bp标准推出1000BASE-T1标准，包括 IEEE802.3 媒体访问控制（MAC）参数、物理层规范以及用于以 40 Gb/s 和 100 Gb/s 传输 IEEE 802.3 格式帧的管理参数。2017年，IEEE802.3工作组发布了802.3bs标准，包括 IEEE 802.3 媒体访问控制（MAC）参数、物理层规范以及以 200 Gb/s 和 400 Gb/s 传输 IEEE 802.3 格式帧的管理参数。

以太网应用包括拓扑发现、网络规划、故障检测、协议和路由算法开发、性能预测、网络模拟、威胁检测、网络监控、网络访问控制和法医调查等方面。以太网联盟创建的路线图，将以太网应用分为五大类：工业自动化，车载以太网，校园网，电信运营商，数据中心。

汽车电子化的快速发展，汽车行业对车载网络总线对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求较高，传统的车载网络总线（CAN、LIN、FlexRay、MOST）已经不能满足车载功能对于带宽的需求，具有高带宽和低延时等优势的车载以太网的出现，迅速被应用到车载总线网络之中，提高了汽车的舒适性和可靠性。在汽车系统中的辅助驾驶、智能网联、摄像头、激光雷达和行车记录仪中都被应用。

以太网联盟预测，智能汽车单车以太网端口将超过100个，车载以太网作为一种低成本而且重量很轻的介质，而且能够为车载网络提供高级安全特性和稳定性能，将成为推动实现车联网的重要技术之一。车载以太网物理层采用broadcom的BroadR-Reach技术，BroadR-Reach的物理层技术已经由单线对以太网联盟标准化，MAC层采用IEEE802.3的接口标准，无需做任何适配器即可无缝支持广泛使用的高层网络协议。

工业以太网是专门应用于工业控制网络的以太网协议，主要用于实时控制、数据采集和监控等领域，与传统以太网相比，工业以太网需要特殊的协议和技术来满足实时性、可靠性、安全性和稳定性等要求，工业以太网通常采用分布式架构，控制器被分布在各个节点上而不是集中在一个中心节点，这种架构能够提高系统的可靠性和灵活性，从而满足工业控制的需求。工业以太网需兼容现有的IEEE802.3及IEEE802.3U等现有标准和TCP/IP协议。工业以太网可以应用在工业自动化、机器人控制、智能制造等应用中，实现设备互联、信息共享和远程控制等功能，提高生产效率和质量。

万兆以太网作为投入应用的速率最高的网络技术，可以满足高校校园网主干网的连网需求；可以作为高校各分校与主校区的主干连接，实现端到端的以太网连接，尽可能提高数据传输速率，满足远程多媒体教学和数字图书馆等业务的开展：服务器很多已经采用千兆连校园网， 视频课件点播等服务要求有更高的速率，这使原来的低速主干线路成为瓶颈，万兆以太网技术的主干可使服务器提供更优秀的网络服务；同城市内高校之间的互连也可以使用万兆以太网获得更好的传输性能。

数据中心网络是实现数据传输的重要通道，也是推动数据中心算力服务能力升级，实现算力充分释放的关键。数据中心网络主要负责连接用户终端以及数据中心内部的计算、存储等设备，保障数据通信网络链路上高效、安全的传输。IDC分析报告显示，以太网是数据中心的主要技术，数据中心以太网占比已经接近95%。标准以太网络采用尽力而为的工作机制，天然有丢包的特性对存储的性能稳定性带来了极大的影响。因此传统以太网已经不适应算力时代数据中心的要求。推动以太网进化从而搭建先进网络架构，以太网从“尽力而为”型向“性能敏感”型网络演进。

电信级以太网的名称随着2001年城域以太网论坛（MEF）的成立逐步进入了人们的视线。最初称为城域以太网（Metro Ethernet），2004年后慢慢出现运营级以太网的称呼（Carrier Grade/Class Ethernet）。2005年，MEF在其主导的会议和发布的文档中开始使用Carrier Ethernet的名称，目的是进一步明确和强调以太网技术在运营商网络中的应用和价值。在中国，翻译为运营级以太网或运营商以太网，大多与中国电信集团对其的称谓保持一致，即电信级以太网。

以太网原来只是作为一种网络互联技术而存在，随着以太网在全球的大规模应用，以太网接口已经成为事实上的通用业务插座，各类高速以太网接口因经济规模带来的成本优势加速使用。运营商们开始考虑将以太网作为一种业务推向用户。因此从概念来说，电信级以太网包括以太网业务和以太网技术两个范畴，通过对于其电信级特征的描述来逐步扩大其内涵与外延。