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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)絡基礎設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)絡能力的極限；而一旦發(fā)生這種情況，我們又該怎么辦。
互聯(lián)網(wǎng)走在崩潰邊緣
網(wǎng)絡上的數(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)絡基礎設施所能承載的極限。如何才能以可持續(xù)的方式，保證網(wǎng)絡在海量數(shù)據(jù)重壓下不至于崩潰？貝爾實驗室基礎研究院的負責人指出，我們必須對網(wǎng)絡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)絡基礎設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)絡能力的極限；而一旦發(fā)生這種情況，我們又該怎么辦。
當然，有許多辦法可以增強網(wǎng)絡基礎設施的承載能力，比如鋪設更多光纜，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)絡分擔部分數(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)絡基礎設施的智能水平。兩大方面的改進必不可少：一方面，電腦及其他設備在將數(shù)據(jù)傳上網(wǎng)絡之前，應該對內(nèi)容進行預處理，并盡可能地過濾或整合內(nèi)容；另一方面，網(wǎng)絡應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，《科學美國人》采訪了貝爾實驗室基礎研究院(Bell Labs Research，位于美國新澤西州默里山市)的負責人馬庫斯·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，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。1998年，霍夫曼于離開德國卡爾斯魯厄大學，加入了貝爾實驗室。他的團隊認為“信息網(wǎng)絡化”(information networking)是未來的發(fā)展方向，這種技術有望通過提高互聯(lián)網(wǎng)的智能，增強其信息傳輸能力。
《科學美國人》：我們怎么知道通信網(wǎng)絡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)絡開始有點力不從心了。
我們知道，大自然給我們設定了某些限制——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)，是以貝爾電話實驗室的數(shù)學家克勞德？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，應對網(wǎng)絡通信量持續(xù)的增長。
《科學美國人》：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，我們可以鋪設兩條、五條乃至十條。這是一種只靠蠻力解決問題的辦法，當然也是最燒錢的辦法——你得挖開地面，鋪設光纖，還要成倍地增設光放大器、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，把多個發(fā)射器和接收器“堆疊起來”。這種方案稱為“空分復用”(spatial division multiplexing)。
然而，只是強化現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施，并不足以滿足日益增長的通信需求。我們所需要的網(wǎng)絡基礎設施，不應該一直把原始數(shù)據(jù)只是當作比特或字節(jié)，而應該把它們視為與電腦或智能手機用戶緊密相關的信息片段。試想一下，在某一天，你是想知道溫度、風速和氣壓，還是只想知道該如何穿著？這就需要“信息網(wǎng)絡化”。
《科學美國人》：“信息網(wǎng)絡化”與當前的互聯(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
