網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)量正在以指數(shù)級的速度增長，很快將達到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施所能承載的極限。如何才能以可持續(xù)的方式，保證網(wǎng)絡(luò)在海量數(shù)據(jù)重壓下不至于崩潰？貝爾實驗室基礎(chǔ)研究院的負責(zé)人指出，我們必須對網(wǎng)絡(luò)處理信息的方式進行根本性變革。
到今年年底，智能手機、平板電腦以及其他各種聯(lián)網(wǎng)數(shù)碼設(shè)備的總數(shù)，將超過地球人口總數(shù)。但或許更值得注意的是，隨著速度更快、功能更強大的移動設(shè)備不斷涌入市場，它們所產(chǎn)生和消費的內(nèi)容將達到史無前例的水平。網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商思科公司(Cisco)不久前的一項報告稱，2012年，全球移動數(shù)據(jù)增長了70%。然而，全世界網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的承載能力終究是有限的，因此許多人想知道，我們何時會碰到網(wǎng)絡(luò)能力的極限；而一旦發(fā)生這種情況，我們又該怎么辦。
當(dāng)然，有許多辦法可以增強網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的承載能力，比如鋪設(shè)更多光纜，在光纜中塞進更多用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w，以及利用較小的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分擔(dān)部分數(shù)據(jù)傳輸，但這些方法都是治標不治本，只不過推遲了到達那個無法避免的極限的時間。根本的解決方案，在于提高整個網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的智能水平。兩大方面的改進必不可少：一方面，電腦及其他設(shè)備在將數(shù)據(jù)傳上網(wǎng)絡(luò)之前，應(yīng)該對內(nèi)容進行預(yù)處理，并盡可能地過濾或整合內(nèi)容；另一方面，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該對如何處理這些內(nèi)容有更好的理解，而不是呆板麻木地將其視為一串無窮無盡、千篇一律的比特流和字節(jié)流。
為了了解如何取得這些重大進展，《科學(xué)美國人》采訪了貝爾實驗室基礎(chǔ)研究院(Bell Labs Research，位于美國新澤西州默里山市)的負責(zé)人馬庫斯•霍夫曼(Markus Hofmann)。這個研究院是阿爾卡特–朗訊公司的研發(fā)機構(gòu)，它和它的前身在科技史上立下了諸多功勞，包括發(fā)明晶體管、激光器、電荷耦合器件，以及上個世紀一連串開創(chuàng)性的技術(shù)。1998年，霍夫曼于離開德國卡爾斯魯厄大學(xué)，加入了貝爾實驗室。他的團隊認為“信息網(wǎng)絡(luò)化”(information networking)是未來的發(fā)展方向，這種技術(shù)有望通過提高互聯(lián)網(wǎng)的智能，增強其信息傳輸能力。
《科學(xué)美國人》：我們怎么知道通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力已接近極限？
霍夫曼：這方面的跡象的確不易察覺，但無疑是存在的。以我個人的親身經(jīng)歷為例，當(dāng)我通過Skype，向遠在德國的父母發(fā)送孩子們玩曲棍球的實時視頻時，畫面有時會在播放到最精彩的瞬間時出現(xiàn)卡頓。雖然總的說來，這種現(xiàn)象不是經(jīng)常發(fā)生，但它最近出現(xiàn)得更頻繁了。這表明，在用戶要求必須傳送大量數(shù)據(jù)的重壓之下，網(wǎng)絡(luò)開始有點力不從心了。
我們知道，大自然給我們設(shè)定了某些限制——在一定的通信信道上所能傳輸?shù)男畔⒘渴怯邢薜�。這一現(xiàn)象稱為“非線性香農(nóng)極限”(nonlinear Shannon limit)，是以貝爾電話實驗室的數(shù)學(xué)家克勞德•香農(nóng)(Claude Shannon)的名字命名的。這一極限告訴我們，運用現(xiàn)今的技術(shù)我們可以走多遠。
我們已經(jīng)非常接近這一極限，大約達到極限值的50%以上。換言之，如果我們讓現(xiàn)今的網(wǎng)絡(luò)通信量翻一番——這種情況可能在今后四五年內(nèi)出現(xiàn)，就會超過香農(nóng)極限。
這就是說，我們面臨著一個根本性的障礙。超越這一極限是不可能的，就像我們絕不可能超越光速一樣。因此，我們必須在這些限制條件之內(nèi)開展工作，并尋找各種解決辦法，應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)通信量持續(xù)的增長。
《科學(xué)美國人》：如何讓互聯(lián)網(wǎng)避免碰到“這個極限”？
霍夫曼：最簡單的辦法就是鋪設(shè)更多的光纖以增加帶寬。例如，現(xiàn)在只有一條橫跨大西洋的光纜，將來，我們可以鋪設(shè)兩條、五條乃至十條。這是一種只靠蠻力解決問題的辦法，當(dāng)然也是最燒錢的辦法——你得挖開地面，鋪設(shè)光纖，還要成倍地增設(shè)光放大器、發(fā)射器、接收器等。
為了使這一方案經(jīng)濟可行，我們不僅需要將多個頻道整合到一根光纖內(nèi)，還必須借助光子集成(photonic integration)等新技術(shù)，把多個發(fā)射器和接收器“堆疊起來”。這種方案稱為“空分復(fù)用”(spatial division multiplexing)。
然而，只是強化現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，并不足以滿足日益增長的通信需求。我們所需要的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，不應(yīng)該一直把原始數(shù)據(jù)只是當(dāng)作比特或字節(jié)，而應(yīng)該把它們視為與電腦或智能手機用戶緊密相關(guān)的信息片段。試想一下，在某一天，你是想知道溫度、風(fēng)速和氣壓，還是只想知道該如何穿著？這就需要“信息網(wǎng)絡(luò)化”。
《科學(xué)美國人》：“信息網(wǎng)絡(luò)化”與當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)有何不同？
霍夫曼：許多人把互聯(lián)網(wǎng)稱作“傻”網(wǎng)，不過我并不喜歡這種叫法。互聯(lián)網(wǎng)最初的崛起，得益于文件與數(shù)據(jù)非實時共享的推動。當(dāng)時，對互聯(lián)網(wǎng)這個系統(tǒng)最大的要求是“彈性”(resiliency)——即使其中一個或多個節(jié)點(電腦、服務(wù)器等)停止工作，整個系統(tǒng)也必須能繼續(xù)運行。此外，從最初的設(shè)計上，互聯(lián)網(wǎng)就是僅僅把數(shù)據(jù)視為數(shù)字流，而不會對這些數(shù)據(jù)的意義進行解讀。
如今，我們使用互聯(lián)網(wǎng)的許多方式都對實時性有一定要求，無論是觀看流式視頻，還是打電話。與此同時，我們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也比以前大很多。網(wǎng)絡(luò)必須對它所傳送的信息有更多的了解，以便更好地安排信息傳送的優(yōu)先級，并提高運行效率。舉例來說，如果我正在自己的辦公室開視頻會議，突然有人走了進來，于是我轉(zhuǎn)過頭與他交談，而不再盯著屏幕，那么此時視頻會議的設(shè)置就應(yīng)該意識到我的注意力已經(jīng)轉(zhuǎn)移到別的事情上了，因此，它應(yīng)該停止傳送視頻，直到我的注意力重新返回屏幕。
《科學(xué)美國人》：如何打造一個可以更好地理解它所傳送的信息的網(wǎng)絡(luò)？
霍夫曼：有多種方法。如果你想對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)(例如將用戶訪問網(wǎng)頁的請求發(fā)送到最近的服務(wù)器)有更多了解，那么你可以利用軟件來探查相應(yīng)地數(shù)據(jù)包，這種技術(shù)叫做“深度數(shù)據(jù)包檢測”(deep-packet inspection)。設(shè)想一下，你要寄出一封實體信件，你把信件裝進信封里，寫上地址，然后通過郵局寄出去。郵局并不關(guān)心信件里寫的是什么，它只會對信封上寫的地址感興趣。其實，現(xiàn)今的互聯(lián)網(wǎng)處理數(shù)據(jù)時也是類似的。但是利用深度數(shù)據(jù)包檢測技術(shù)，軟件就會讓網(wǎng)絡(luò)打開封裝數(shù)據(jù)的“信封”，至少會查看其中的部分內(nèi)容。不過，通過這種方法，你只能獲得非常有限的一小部分關(guān)于這些數(shù)據(jù)的信息，而且需要耗用大量數(shù)據(jù)處理能力。此外，如果數(shù)據(jù)包內(nèi)的信息是加密過的，那深度數(shù)據(jù)包檢測也無法解讀其中的內(nèi)容。
一個更好的方案是對數(shù)據(jù)作標記，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出指令，告訴它應(yīng)該如何處理不同類型的數(shù)據(jù)。比如可以規(guī)定視頻流比電子郵件的優(yōu)先級更高，但你不必詳細說明視頻流或電子郵件中究竟是什么內(nèi)容。這樣，網(wǎng)絡(luò)就可以只根據(jù)這些數(shù)據(jù)標記，對如何安排數(shù)據(jù)傳送做出決策。
《科學(xué)美國人》：互聯(lián)網(wǎng)上傳送的數(shù)據(jù)已經(jīng)有許多標識性的標記了，為什么不能用這些標記呢？
霍夫曼：這完全取決于在什么層次上使用這些標記。例如，使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet protocol，縮寫即是IP)的數(shù)據(jù)包，都有一個包含源地址和目標地址的報頭。這些地址就可以看作是“標記”，但是，它們所提供的信息極為有限。它們沒有指出用戶請求訪問的是哪個網(wǎng)站，也沒有說明數(shù)據(jù)包是不是某個實時視頻流的一部分，或者能否對它們進行批處理。我所說的標記，是指意義更豐富、更高層次的標記，或者說元數(shù)據(jù)(meta-data)，它們所包含的部分信息可以拆解為那些低層次的標記。
《科學(xué)美國人》：根據(jù)數(shù)據(jù)流所包含的信息來安排傳送數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級，是否會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)偏愛某些類型的數(shù)據(jù)流，而歧視其他類型的數(shù)據(jù)流呢？
霍夫曼：其實這和我們在現(xiàn)實中——比如公路與街道上——已經(jīng)見到的情形沒有什么不同。當(dāng)我們聽到急救車拉著警笛飛馳而來時，我們都會自覺地靠向路邊行駛，以便騰出路來讓急救車盡可能順利地迅速通過，這或許能救人一命。在這一場景中，“警笛”就是標記——只要我們意識到出現(xiàn)了緊急狀況，我們就無須知道救護車拉的是誰，也不用了解他出了什么事，按規(guī)矩行事即可。在緊急情況下，我們是否也應(yīng)該讓某些網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包享有優(yōu)先通行權(quán)呢？其實，這就是一個透明度和公認行為準則的問題，在道路上是如此，在網(wǎng)絡(luò)上亦是如此。
《科學(xué)美國人》：即使互聯(lián)網(wǎng)變得更聰明，能夠更智能地傳送數(shù)據(jù)，內(nèi)容以指數(shù)級速度迅猛增長的情形也不會緩解。如何壓縮網(wǎng)絡(luò)需要處理的數(shù)據(jù)量？
霍夫曼：我們的智能手機、電腦及其他裝備都在不斷產(chǎn)生大量原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)隨后被傳送到數(shù)據(jù)中心，以便進行處理并存儲起來。將全球產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)都發(fā)送到一個集中式處理中心進行處理的做法，在將來是不可能持續(xù)下去的。我們或許會轉(zhuǎn)變成另一種模式，對數(shù)據(jù)作出某些判定之后，再將它們傳送到網(wǎng)絡(luò)上。例如，如果你在機場安裝了一個監(jiān)控攝像頭，你就要對這個攝像頭或者控制著多個攝像頭的一臺小型電腦服務(wù)器進行設(shè)置，使其根據(jù)存儲在攝像頭或服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫執(zhí)行本地面部識別任務(wù)，然后再把經(jīng)過處理的信息發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。
《科學(xué)美國人》：信息網(wǎng)絡(luò)化如何處理隱私問題？
霍夫曼：就目前來說，隱私問題基本只能“二選一”——要么你嚴密保護自己的隱私，要么就不得不幾乎完全放棄隱私，以便獲取某些個性化服務(wù)，例如音樂推薦或網(wǎng)上優(yōu)惠券。但是，還應(yīng)該有介于這兩者之間的選擇，讓用戶能夠自己掌控自己的信息。
最大的問題是，必須讓用戶覺得操作起來夠簡單。看看現(xiàn)在社交網(wǎng)絡(luò)上管控自己的隱私有多么復(fù)雜。到頭來，你會發(fā)現(xiàn)自己的照片混在一堆你甚至完全不認識的人的照片中。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該提供一種相當(dāng)于旋鈕的數(shù)字功能，讓用戶可以在隱私與個性化服務(wù)之間選擇一個適當(dāng)?shù)钠胶恻c。有關(guān)個人的信息披露得越多，得到的服務(wù)就能更有針對性地滿足個人需求。當(dāng)然，我也可以把旋鈕調(diào)回去——如果我只愿意披露比較簡略的個人信息，那么仍可獲得某些個性化服務(wù)，只不過服務(wù)的針對性稍差一些而已。
《科學(xué)美國人》：網(wǎng)絡(luò)攻擊通常都是利用了互聯(lián)網(wǎng)的開放性，因此安全問題很大程度上是留給電腦和其他各種聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來應(yīng)付。信息網(wǎng)絡(luò)化對互聯(lián)網(wǎng)安全會有什么樣的影響？
霍夫曼：信息網(wǎng)絡(luò)化旨在使所有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施對網(wǎng)絡(luò)信息流有更多了解，這或?qū)⒂兄谧R別并緩解某些類型的網(wǎng)絡(luò)攻擊。不過，其他一些因素也可能使這個問題復(fù)雜化。我預(yù)計——并且期望——數(shù)據(jù)流將越來越多地采用加密的形式，以利于實現(xiàn)真正的安全和隱私保護。當(dāng)然，一旦數(shù)據(jù)被加密，就很難再從其中提取出任何信息。這是一項頗具挑戰(zhàn)性的研究課題，它要求采用新的加密方案，以便在實現(xiàn)保密的同時，也允許對加密后的數(shù)據(jù)進行某些數(shù)學(xué)運算。
例如，假設(shè)某地區(qū)每個家庭的收入數(shù)據(jù)經(jīng)過加密后，存儲在云端的服務(wù)器上，任何人——除了獲得授權(quán)的數(shù)據(jù)擁有者之外——都無法讀取代表家庭收入的真實數(shù)字。其實更好的方式可能是，采用適當(dāng)?shù)姆椒ńo這些數(shù)據(jù)加密，使得在云端運行的軟件能夠計算出該地區(qū)平均家庭收入，而軟件只會對加密數(shù)據(jù)進行計算，而不會去識別任何一個家庭的真實身份。
另外一種可能的思路是，開發(fā)一些巧妙的方法來管理密鑰，以使得密鑰可以共享而又不影響安全。只要方法得當(dāng)，此類措施應(yīng)該不會給用戶增加任何負擔(dān)。這既是關(guān)鍵，也是挑戰(zhàn)。想想看，現(xiàn)在有多少用戶會真的對他們的郵件加密——幾乎連一個都沒有，因為現(xiàn)在的情況下對郵件加密就必須做很多額外工作。
