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(chēng)，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。

互聯(lián)網(wǎng)走在崩潰邊緣

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(chēng)，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(kāi)創(chuàng)性的技術(shù)。1998年，霍夫曼于離開(kāi)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�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(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(huà)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(hù)要求必須傳送大量數(shù)據(jù)的重壓之下，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)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�。這一現(xiàn)象稱(chēng)為“非線性香農(nóng)極限”(nonlinear Shannon limit)，是以貝爾電話(huà)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(kāi)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(qián)的辦法——你得挖開(kāi)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(chēng)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(mǎn)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(hù)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(chēng)作“傻”網(wǎng)，不過(guò)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(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(huà)。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(kāi)視頻會(huì)議