电路交换，终端(电话)独占端线路自然而然，天经地义，可计算机收发的是数据包(即数据分组)，当多台终端接入到同一个共享介质的网络，所有终端可 “同时” 收发数据，一起统计复用网络，多台终端如何协调共享介质的访问，这就是教科书上所谓 MAC(媒体访问控制协议) 子层的职责。

值得注意的是，早期 arpanet 实验基本都是点对点线路，虽然数据以数据包分组为单位收发，但几乎不涉及多台终端同时收发的共享介质仲裁，一条线缆只拴一台终端，网络协议集中解决网络层以上问题，底层复用既有线路和协议。

在以太网出现后，底层链路层，MAC 子层才开始变得不同。

最初以太网 MAC 协议竟然以如此简洁的方式给出：随时发送，失败了重试，直到成功或尝试到放弃。这个极简机制后，以太网自发演化到了交换式，与广域网路由/交换不同，交换式以太网是真正从零开始，根正苗红的原教旨分组交换网。

我来猜猜事情是如何发生的： 水晶头和双绞线相对 T 型头作为硬件和同轴线更方便部署(排错，更换)且廉价，HUB 显然比同轴电缆更进一步。

值得一提的是，双绞线并不是创造甚至演化出来的，而是复用了已有的电话线。电话线早已深入人心，便宜，方便，柔软，可同轴电缆是什么，贵，安装繁琐，硬，以前的那种有线电视电缆，远不如电话线。

复用电话线的形式似乎是一个范式，汽车也复用了马车的形式。

但更大的突破在软件上。

冲突域虽没变化，但共享介质已被压缩到一个盒子那么狭小的空间。空间尺度的变化影响了软件的变化。

在如此狭小的空间里可以用一种比 CSMA/CD 更精确更有效的方式解决冲突。共享线缆越短，相同大小数据占据线路的时间越短，当这个时间小到一定程度时，全局调度将可接受。

假设信号以光速传播，共享线缆压缩到足够短，那么只需借用 “在一个点通过一个数据包” 的时间独占介质即可，这个时间尺度很容易全局调度，相比较之下，如果在整张以太网全局调度，则调度时间大大增加，增加到光速通过网络尺寸的时间尺度，数据包通过一个大概 200 米的网络，需独占 1us 左右的时间，这将大大限制平均吞吐。

CSMA/CD 在大空间尺度下虽然被证明有足够好的统计性能，但这是不得不这么做，根本原因在时间。冲突信息的回传受光速限制，这没有办法解决。当共享介质的空间尺寸被压缩了将近 1000 倍，10000 倍时，问题就容易解决了。

闭合一个开关即可介质独占。如果多个端口向同一个端口发送，则先通过 buffer 暂存一个。在电路层面，所有端口都全局可见，因此所有这些调度操作都可在极短时间精确完成，这个时间尺度在数据传输时延的若干数量级之下，这提供了全局控制的可行性依据。

逐步压缩长度，逐步压缩了仲裁时间，逐步清晰化了全局视图，最终彻底隔离了冲突域。下图是一个 4 口交换机示例：

隔离了冲突域之后，冲突不再存在，时间被良好安排，所有时间片将不会再被浪费在冲突和退避重试上，吞吐性能开始起飞，100Mbps，1000Mbps，10Gbps，25Gbps，… 800Gbps，1.6Tbps，万变不离其宗。

交换以太网从此突破了共享介质以太网的距离限制，网络的规模不再由冲突信号回传时间决定，而仅由信号强度决定，更容易拓展到更大规模的网络比如城域网，广域网。

“时间被良好安排，所有时间片将不会再被浪费在冲突和退避重试上” 让事情开始：

在一个大得多的空间范围统御全局很难，无论获取全局视图还是指令传递和响应的时间都不可接受，这种情况不得不在一定规则下做分布式管理，但在一个路口指挥交通却很容易，指令喊一声都能马上听到。

这就是交换式以太网的演化由来。

我非常惊叹于两种 “传统优化手段”：增加物理资源，适应时间尺度。这两点完美体现在以太网交换机上。

全双工问题通过增加一条线缆解决，从物理上彻底隔离两个方向，实现独立收发，而不仅仅是逻辑上做 “分时复用”，原因在于收发对等，它毫无弹性。而冲突问题则通过缩短共享介质的物理尺寸，待仲裁时间远低于传输时延后实现全局资源调度。在数量级的时间尺度差异的更细粒度上控制资源切换，好像它们在 “同时” 使用一样。这里没有采用增加物理资源的方式，因为统计复用本身在时间上存在极大弹性，通过排队缓存突发，可以将时间片尽可能摊平，保障资源利用率。

…

时间尺度和弹性的利用可谓非常精妙。此前的文章也提到过，在广域网传输领域优化软中断的锁时延收益甚小，因为与传播时延相比，CPU 处理时延微不足道，但同样的事在数据中心就十分必要，因为同样的 CPU 处理时延在数据中心占比大了几乎 1000 倍。

数据中心内部的传输协议算法不能太复杂的原因即在于此，一个复杂的算法非常消耗 CPU 资源，处理时延本身对总体性能影响巨大，然而同样的算法在广域网领域就可以放手开干。总之，如果一个操作时间占比被缩放到了微不足道的尺度，这部分就可以玩更多花样了。交换机操作的时间尺度控制在光速通过门电路的时间，与光速通过 200 米的时间相比，它微不足道，于是交换芯片的机制和策略可以有非常多的花样来优化，而几百米的同轴电缆上 CSMA/CD 已经接近最优了。

再看增加物理资源和弹性调度之间的取舍。

类似多核处理，增加物理资源提高并行度，而不是靠算法来调度资源，更好的算法提供了更好仲裁方式，而增加物理资源则取消了仲裁的必要。如果资源使用是非弹性的，需要持续仲裁，无法通过暂时排队将请求摊平到空闲时间片，此时需要增加物理资源。但弹性资源则比较适合用算法进行调度。

分组交换网本身就是弹性资源的例子，解决的就是电路交换线路利用率问题，分组交换本身就是一套 “数据调度算法”，即统计复用。

往时髦说，如今的云计算本身是 “调度弹性资源” 的另一个例子。类似 12306 购票，春晚，双 11，电商促销等分阶段突发业务的 “农闲期”，资源要避免过度闲置，厂商需要用较低的价格将这些农闲期的资源出售出去，这就存在一种 “上云的趋势”，云客户支付更低的费用给云厂商而开除了自己的 IT 管理员，退租了机架，这显然更划算。

…

更有趣的是，虽然交换式以太网已经出现 30 多年了，击败了几乎所有对手，越来越风靡，但以交换式以太网接入互联网的终端却越来越少了，而随着移动互联网的继续发展，更多终端以 Wi-Fi/4G/5G 方式接入，而不是有线的交换式以太网。

4G/5G 继承了太多传统电路交换的底层机制(它们本就是电信阵营)，自不必说，时隙，频率都事先分配好了，可以理解成传统电话的无线版，但绝不会是共享介质，电信阵营从不看好统计复用，因此它们自然复杂，昂贵。

Wi-Fi 则完全不同，即使到了 2023 年，它本质上还是一个共享介质的半双工网络，“随时发送，失败了重试，直到成功或尝试到放弃” 的无线版本。之所以这么多年 Wi-Fi 还在共享介质，完全因为两点，首先空气和电磁波频率本身就是共享的，没有办法像有线网络那样通过 “拉一根线缆” 的方式增加物理资源解决问题，其次，由于共享介质，尺度无法压缩，在不增加复杂性的前提下冲突无法避免，如果引入固定的信道分配便不再是统计复用网络了，大大增加了接入复杂性和功耗以及管理成本，与互联网简单接入原则相悖。

总体而言，802.11 系列 Wi-Fi 与以太网属同根，虽尚未进阶 “交换式”，但相信随着硬件成本的下降以及频谱资源的释放和有效利用，Wi-Fi 的技术突破也指日可待，目前，可以期待一下 Wi-Fi 7。

另一条路上，TCP/IP 与以太网天然契合，几乎同年同月同日生，共同在一起 40 年，现如今它们几乎就是互联网的全部了，不过 TCP/IP 已经写了很多了，本文只能到此为止。

说到以太网交换机，教科书都是作为一个里程碑一笔带过，是时候表达一下我的观点了。当我写一些跟教科书以及各类文档不一样的东西时，有人建议我 “重新翻翻计网第四版吧”，我是懒得回应的，如果教材上有这些论述，我为什么还要抄一遍。我从不写文档，我写的是观点。然而通用技术教材最大特点就是(我们希望它)没有观点，以维持客观，虽然我们都知道任何著述都不可能没有观点，但我们依然相信它最好没有观点。我们对 TCP 如何脱颖而出不感兴趣，哪怕作者本人来讲，大部分人也懒得听，我们知道 TCP 是什么样就够了。那么很明确，想学 TCP/IP 网络知识和技能，我写的东西可能不适合你，我写的东西受众是已经学了 TCP/IP，但对某些问题百思不得其解的朋友，那么翻翻我的文章目录，总能找到你感兴趣的。

浙江温州皮鞋湿，下雨进水不会胖。