網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)量正在以指數(shù)級(jí)的速度增長(zhǎng)，很快將達(dá)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(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究院的負(fù)責(zé)人指出，我們必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理信息的方式進(jìn)行根本性變革。
到今年年底，智能手機(jī)、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(guò)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(qiáng)大的移動(dòng)設(shè)備不斷涌入市場(chǎng)，它們所產(chǎn)生和消費(fèi)的內(nèi)容將達(dá)到史無(wú)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(xiàng)報(bào)告稱，2012年，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)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(shí)會(huì)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(qiáng)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(jìn)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?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，但這些方法都是治標(biāo)不治本，只不過(guò)推遲了到達(dá)那個(gè)無(wú)法避免的極限的時(shí)間。根本的解決方案，在于提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的智能水平。兩大方面的改進(jìn)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(duì)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)處理，并盡可能地過(guò)濾或整合內(nèi)容；另一方面，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該對(duì)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(wú)窮無(wú)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(jìn)展，《科學(xué)美國(guó)人》采訪了貝爾實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究院(Bell Labs Research，位于美國(guó)新澤西州默里山市)的負(fù)責(zé)人馬庫(kù)斯•霍夫曼(Markus Hofmann)。這個(gè)研究院是阿爾卡特–朗訊公司的研發(fā)機(jī)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(gè)世紀(jì)一連串開創(chuàng)性的技術(shù)。1998年，霍夫曼于離開德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)，加入了貝爾實(shí)驗(yàn)室。他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為“信息網(wǎng)絡(luò)化”(information networking)是未來(lái)的發(fā)展方向，這種技術(shù)有望通過(guò)提高互聯(lián)網(wǎng)的智能，增強(qiáng)其信息傳輸能力。
《科學(xué)美國(guó)人》：我們?cè)趺粗劳ㄐ啪W(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(jué)，但無(wú)疑是存在的。以我個(gè)人的親身經(jīng)歷為例，當(dāng)我通過(guò)Skype，向遠(yuǎn)在德國(guó)的父母發(fā)送孩子們玩曲棍球的實(shí)時(shí)視頻時(shí)，畫面有時(shí)會(huì)在播放到最精彩的瞬間時(shí)出現(xiàn)卡頓。雖然總的說(shuō)來(lái)，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(diǎn)力不從心了。
我們知道，大自然給我們?cè)O(shè)定了某些限制——在一定的通信信道上所能傳輸?shù)男畔⒘渴怯邢薜摹＿@一現(xiàn)象稱為“非線性香農(nóng)極限”(nonlinear Shannon limit)，是以貝爾電話實(shí)驗(yàn)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(yùn)用現(xiàn)今的技術(shù)我們可以走多遠(yuǎn)。
我們已經(jīng)非常接近這一極限，大約達(dá)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(huì)超過(guò)香農(nóng)極限。
這就是說(shuō)，我們面臨著一個(gè)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(duì)網(wǎng)絡(luò)通信量持續(xù)的增長(zhǎng)。
《科學(xué)美國(guó)人》：如何讓互聯(lián)網(wǎng)避免碰到“這個(gè)極限”？
霍夫曼：最簡(jiǎn)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(lái)，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(wèn)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(jì)可行，我們不僅需要將多個(gè)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(gè)發(fā)射器和接收器“堆疊起來(lái)”。這種方案稱為“空分復(fù)用”(spatial division multiplexing)。
然而，只是強(qiáng)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(zhǎng)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(jī)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(guó)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(guò)我并不喜歡這種叫法�；ヂ�(lián)網(wǎng)最初的崛起，得益于文件與數(shù)據(jù)非實(shí)時(shí)共享的推動(dòng)。當(dāng)時(shí)，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)系統(tǒng)最大的要求是“彈性”(resiliency)——即使其中一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)(電腦、服務(wù)器等)停止工作，整個(gè)系統(tǒng)也必須能繼續(xù)運(yùn)行。此外，從最初的設(shè)計(jì)上，互聯(lián)網(wǎng)就是僅僅把數(shù)據(jù)視為數(shù)字流，而不會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)的意義進(jìn)行解讀。
如今，我們使用互聯(lián)網(wǎng)的許多方式都對(duì)實(shí)時(shí)性有一定要求，無(wú)論是觀看流式視頻，還是打電話。與此同時(shí)，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(duì)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(jí)，并提高運(yùn)行效率。舉例來(lái)說(shuō)，如果我正在自己的辦公室開視頻會(huì)議，突然有人走了進(jìn)來(lái)，于是我轉(zhuǎn)過(guò)頭與他交談，而不再盯著屏幕，那么此時(shí)視頻會(huì)議的設(shè)置就應(yīng)該意識(shí)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(guó)人》：如何打造一個(gè)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(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)(例如將用戶訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)的請(qǐng)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(lái)探查相應(yīng)地?cái)?shù)據(jù)包，這種技術(shù)叫做“深度數(shù)據(jù)包檢測(cè)”(deep-packet inspection)。設(shè)想一下，你要寄出一封實(shí)體信件，你把信件裝進(jìn)信封里，寫上地址，然后通過(guò)郵局寄出去。郵局并不關(guān)心信件里寫的是什么，它只會(huì)對(duì)信封上寫的地址感興趣。其實(shí)，現(xiàn)今的互聯(lián)網(wǎng)處理數(shù)據(jù)時(shí)也是類似的。但是利用深度數(shù)據(jù)包檢測(cè)技術(shù)，軟件就會(huì)讓網(wǎng)絡(luò)打開封裝數(shù)據(jù)的“信封”，至少會(huì)查看其中的部分內(nèi)容。不過(guò)，通過(guò)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(guò)的，那深度數(shù)據(jù)包檢測(cè)也無(wú)法解讀其中的內(nèi)容。
一個(gè)更好的方案是對(duì)數(shù)據(jù)作標(biāo)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(jí)更高，但你不必詳細(xì)說(shuō)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(biāo)記，對(duì)如何安排數(shù)據(jù)傳送做出決策。
《科學(xué)美國(guó)人》：互聯(lián)網(wǎng)上傳送的數(shù)據(jù)已經(jīng)有許多標(biāo)識(shí)性的標(biāo)記了，為什么不能用這些標(biāo)記呢？
霍夫曼：這完全取決于在什么層次上使用這些標(biāo)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(gè)包含源地址和目標(biāo)地址的報(bào)頭。這些地址就可以看作是“標(biāo)記”，但是，它們所提供的信息極為有限。它們沒(méi)有指出用戶請(qǐng)求訪問(wèn)的是哪個(gè)網(wǎng)站，也沒(méi)有說(shuō)明數(shù)據(jù)包是不是某個(gè)實(shí)時(shí)視頻流的一部分，或者能否對(duì)它們進(jìn)行批處理。我所說(shuō)的標(biāo)記，是指意義更豐富、更高層次的標(biāo)記，或者說(shuō)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(biāo)記。
《科學(xué)美國(guó)人》：根據(jù)數(shù)據(jù)流所包含的信息來(lái)安排傳送數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)，是否會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)偏愛(ài)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(shí)這和我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中——比如公路與街道上——已經(jīng)見(jiàn)到的情形沒(méi)有什么不同。當(dāng)我們聽到急救車?yán)扬w馳而來(lái)時(shí)，我們都會(huì)自覺(jué)地靠向路邊行駛，以便騰出路來(lái)讓急救車盡可能順利地迅速通過(guò)，這或許能救人一命。在這一場(chǎng)景中，“警笛”就是標(biāo)記——只要我們意識(shí)到出現(xiàn)了緊急狀況，我們就無(wú)須知道救護(hù)車?yán)氖钦l(shuí)，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(shí)，這就是一個(gè)透明度和公認(rèn)行為準(zhǔn)則的問(wèn)題，在道路上是如此，在網(wǎng)絡(luò)上亦是如此。
《科學(xué)美國(guó)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(jí)速度迅猛增長(zhǎng)的情形也不會(huì)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(jī)、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(jìn)行處理并存儲(chǔ)起來(lái)。將全球產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)都發(fā)送到一個(gè)集中式處理中心進(jìn)行處理的做法，在將來(lái)是不可能持續(xù)下去的。我們或許會(huì)轉(zhuǎn)變成另一種模式，對(duì)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(jī)場(chǎng)安裝了一個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭，你就要對(duì)這個(gè)攝像頭或者控制著多個(gè)攝像頭的一臺(tái)小型電腦服務(wù)器進(jìn)行設(shè)置，使其根據(jù)存儲(chǔ)在攝像頭或服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫(kù)執(zhí)行本地面部識(shí)別任務(wù)，然后再把經(jīng)過(guò)處理的信息發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。
《科學(xué)美國(guó)人》：信息網(wǎng)絡(luò)化如何處理隱私問(wèn)題？
霍夫曼：就目前來(lái)說(shuō)，隱私問(wèn)題基本只能“二選一”——要么你嚴(yán)密保護(hù)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(gè)性化服務(wù)，例如音樂(lè)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(wèn)題是，必須讓用戶覺(jué)得操作起來(lái)夠簡(jiǎn)單�？纯船F(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(lái)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己的照片混在一堆你甚至完全不認(rèn)識(shí)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(gè)性化服務(wù)之間選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn)。有關(guān)個(gè)人的信息披露得越多，得到的服務(wù)就能更有針對(duì)性地滿足個(gè)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(jiǎn)略的個(gè)人信息，那么仍可獲得某些個(gè)性化服務(wù)，只不過(guò)服務(wù)的針對(duì)性稍差一些而已。
《科學(xué)美國(guó)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(wèn)題很大程度上是留給電腦和其他各種聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)應(yīng)付。信息網(wǎng)絡(luò)化對(duì)互聯(lián)網(wǎng)安全會(huì)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(duì)網(wǎng)絡(luò)信息流有更多了解，這或?qū)⒂兄谧R(shí)別并緩解某些類型的網(wǎng)絡(luò)攻擊。不過(guò)，其他一些因素也可能使這個(gè)問(wèn)題復(fù)雜化。我預(yù)計(jì)——并且期望——數(shù)據(jù)流將越來(lái)越多地采用加密的形式，以利于實(shí)現(xiàn)真正的安全和隱私保護(hù)。當(dāng)然，一旦數(shù)據(jù)被加密，就很難再?gòu)钠渲刑崛〕鋈魏涡畔�。這是一項(xiàng)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(shí)現(xiàn)保密的同時(shí)，也允許對(duì)加密后的數(shù)據(jù)進(jìn)行某些數(shù)學(xué)運(yùn)算。
例如，假設(shè)某地區(qū)每個(gè)家庭的收入數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加密后，存儲(chǔ)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(wú)法讀取代表家庭收入的真實(shí)數(shù)字。其實(shí)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(yùn)行的軟件能夠計(jì)算出該地區(qū)平均家庭收入，而軟件只會(huì)對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，而不會(huì)去識(shí)別任何一個(gè)家庭的真實(shí)身份。
另外一種可能的思路是，開發(fā)一些巧妙的方法來(lái)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(huì)給用戶增加任何負(fù)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(huì)真的對(duì)他們的郵件加密——幾乎連一個(gè)都沒(méi)有，因?yàn)楝F(xiàn)在的情況下對(duì)郵件加密就必須做很多額外工作。
