就在昨晚，ACM公布了2022年度圖靈獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)人選——以太網(wǎng)發(fā)明者Bob Metcalfe，以表彰他對(duì)以太網(wǎng)的發(fā)明、標(biāo)準(zhǔn)化和商業(yè)化。

ACM AM 圖靈獎(jiǎng)被稱為「計(jì)算領(lǐng)域的諾貝爾獎(jiǎng)」，獲獎(jiǎng)?wù)邥?huì)得到谷歌提供的100萬美元獎(jiǎng)金。

以太網(wǎng)的發(fā)明對(duì)人類的意義，顯然不言而喻。這項(xiàng)50年前開發(fā)的技術(shù)，是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)，讓我們的電腦和數(shù)十億其他設(shè)備能夠聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)讓它們互聯(lián)。

谷歌人工智能副總裁Jeff Dean在ACM官方公告中說，「今天，全球約有70億個(gè)端口，以太網(wǎng)無處不在，我們都認(rèn)為它是理所當(dāng)然的。然而，人們很容易忘記，如果沒有Bob Metcalfe的發(fā)明，和他對(duì)每臺(tái)計(jì)算機(jī)都必須聯(lián)網(wǎng)的持久愿景，我們的互聯(lián)世界將大不相同。」

是的，在以太網(wǎng)發(fā)明之前，世界還不是平的。在那時(shí)，人們根本不會(huì)想到，50年后，一個(gè)名叫ChatGPT的機(jī)器人會(huì)通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)征服全世界。

一篇失敗的答辯論文

這個(gè)影響了全人類的發(fā)明，源于一篇失敗的研究生答辯論文。

1946年出生的Metcalfe，本科時(shí)在MIT學(xué)習(xí)電氣工程和工業(yè)管理。

畢業(yè)后，Metcalfe去了哈佛讀研，同時(shí)還被聘為MIT的研究員，此時(shí)恰逢美國國防部加大了對(duì)Arpanet（一種互聯(lián)網(wǎng)前身）的投資。

他向哈佛提議，應(yīng)該建立一個(gè)接口，將Arpanet連接到哈佛的大型計(jì)算機(jī)上，但哈佛拒絕了他。他又轉(zhuǎn)頭向MIT提出了同樣的建議。

還是研究生的Metcalfe構(gòu)建了這個(gè)接口，將MIT的大型計(jì)算機(jī)連接到現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)前身Arpanet上

1972年，他向哈佛的論文委員會(huì)提交了自己的論文，描述他的這項(xiàng)設(shè)想，結(jié)果沒有通過答辯。委員會(huì)認(rèn)為，這個(gè)話題不夠理論化。

站在前人的肩膀上

好在，天才總有施展自己才華的地方。

在那時(shí)，Metcalfe已經(jīng)得到了施樂公司（Xerox Corporation）在加州帕洛阿爾托研究中心 (PARC) 的工作。

實(shí)驗(yàn)室主任Bob Taylor告訴他，無論如何都要來帕洛阿爾托完成他的論文。

一到那里，Metcalfe就開始為一臺(tái)新的PARC計(jì)算機(jī)構(gòu)建另一個(gè)Arpanet接口，同時(shí)努力尋找一個(gè)夠「理論」的主題，來達(dá)到哈佛論文委員會(huì)的要求。

施樂的PARC實(shí)驗(yàn)希望能創(chuàng)造第一臺(tái)現(xiàn)代個(gè)人電腦，并且在每張桌子上都有一臺(tái)。

Metcalfe說，「所以他們要求我為此設(shè)計(jì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。我得到了一張帶有60個(gè)芯片的網(wǎng)絡(luò)卡。那是我生命中第二件最幸運(yùn)的事。第一件是讓我出生在我父母的家庭?！?/span>

MetCalfe在德州Austin的家中，手里拿著1973年的博士論文

在當(dāng)時(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)既是一項(xiàng)工程上的挑戰(zhàn)，也是一項(xiàng)理論上的挑戰(zhàn)。根本難點(diǎn)就在于：如何在許多用戶之間共享對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問。

電話網(wǎng)絡(luò)以最簡(jiǎn)單的方式解決了這個(gè)難題：通話時(shí)，雙方的連接鎖定了通信信道，使其他用戶無法訪問該信道，即使這個(gè)信道并沒有被充分利用。

不過，這種低效率對(duì)于電話網(wǎng)絡(luò)來說問題不大。打電話時(shí)，總有一方在說話，通話不會(huì)陷入長(zhǎng)時(shí)間的沉默。

但是計(jì)算機(jī)不同，它的通信靠的是短脈沖形式，這些脈沖通常會(huì)被很長(zhǎng)的死時(shí)間（dead time)分隔開。

如何描述網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流呢？

1960年代初期，計(jì)算機(jī)科學(xué)家Leonard Kleinrock證明，這個(gè)問題可以用排隊(duì)論解決。這個(gè)理論是數(shù)學(xué)中的一個(gè)分支，模擬了交通擁堵和人們排隊(duì)等候時(shí)可能發(fā)生的其他事情。

論文地址：https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/11562

這個(gè)模型向工程師展示了，怎樣可以大幅減少死時(shí)間，而Arpanet能夠證明，這種方法在實(shí)踐中確實(shí)行之有效。然而，如何協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中的流量，并不是一件容易的事。

1971年，夏威夷大學(xué)教授Norm Abramson展示了一種激進(jìn)的交通協(xié)調(diào)替代方案，激進(jìn)到讓任何城市規(guī)劃者都感到震驚。

他建立了一個(gè)名為ALOHAnet的無線電網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)像Arpanet一樣，以微小的數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)據(jù)。

但與Arpanet不同的是，ALOHAnet并未嘗試避免數(shù)據(jù)包之間的沖突。相反，任何因沖突而導(dǎo)致消息丟失或亂碼的用戶，只需在隨機(jī)的時(shí)間間隔后重新嘗試即可。

這種「隨機(jī)重傳」類似就好比人們談話中的禮儀：當(dāng)兩個(gè)人同時(shí)開始說話時(shí)，雙方就都停下來，稍后再試。幾次嘗試后，問題便會(huì)自行解決。

但是，這種策略也有個(gè)bug：在在低流量的情況下，傳輸很暢通，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)變得擁擠時(shí)，碰撞變得如此頻繁，以至于根本沒有信息可以通過了。

Metcalfe偶然發(fā)現(xiàn)了Abramson的一篇論文，這篇論文設(shè)計(jì)了一種繞過ALOHAnet排隊(duì)論僵局的方法。

論文地址：https://www.clear.rice.edu/comp551/papers/Abramson-Aloha.pdf

受此啟發(fā)，Metcalfe建立了一個(gè)模型，在這個(gè)模型中，用戶會(huì)獨(dú)立調(diào)整傳輸嘗試之間的平均等待時(shí)間，同時(shí)還會(huì)考慮到?jīng)_突的頻率。如果沖突發(fā)生的次數(shù)很少，他們就會(huì)更快地重試；如果網(wǎng)絡(luò)擁擠，他們就會(huì)退出，來保持通信整體效率。

Abramson的論文插圖

這個(gè)模型終于讓Metcalfe的論文變得足夠「理論」，讓他通過了哈佛大學(xué)的答辯。同時(shí)，Metcalfe也意識(shí)到，自己可以在工作中把這個(gè)模型付諸實(shí)踐。

當(dāng)時(shí)，Arpanet雖然允許研究人員共享大型計(jì)算機(jī)，但很昂貴。ALOHAnet也是將許多接入點(diǎn)連接到一個(gè)中央集線器。而PARC實(shí)驗(yàn)室正在尋求一種特殊的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方法。

Abramson的論文插圖

PARC的Taylor有了一個(gè)設(shè)想：在同一棟大樓中由許多計(jì)算機(jī)組成本地網(wǎng)絡(luò)，作為新來的雇員，Metcalfe立刻開始著手設(shè)計(jì)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

永載史冊(cè)的以太網(wǎng)，誕生了

在1973年5月的一份著名的備忘錄中，Metcalfe闡述了他的設(shè)想。

在1973年5月備忘錄的第一頁，Metcalfe闡述了他對(duì)以太網(wǎng)的愿景

他提議，將第一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)——PARC的Altos——連接在一座建筑物中，這為設(shè)備在局域網(wǎng)中相互通信和共享信息鋪平了道路。

第一個(gè)以太網(wǎng)以每秒2.94兆比特的速度運(yùn)行，比原先的終端網(wǎng)絡(luò)大約快10,000倍。

備忘錄建議，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該適應(yīng)光纖、雙絞線、Wi-Fi、電力網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，并將原有的同軸電纜作為主要通信方式換成「以太網(wǎng)絡(luò)」。

這一貢獻(xiàn)后來在Metcalfe和同事們?cè)?976年的ACM通訊文章《以太網(wǎng)：本地計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分布式數(shù)據(jù)包交換》 中永垂不朽。

論文地址：https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/360248.360253

左邊是Bob Metcalfe；右邊是David Boggs

在備忘錄中，他的想法結(jié)合了Abramson的隨機(jī)重傳系統(tǒng)、Metcalfe對(duì)時(shí)間的調(diào)整以及對(duì)ALOHAnet模型的其他改進(jìn)，這些改進(jìn)減輕了碰撞的影響。

其中一些理論創(chuàng)新出自其他研究人員，但Metcalfe是第一個(gè)把它們整合到實(shí)際本地網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的人。

他的設(shè)想中，還取消了ALOHAnet的中央集線器。相反，計(jì)算機(jī)將通過某種被動(dòng)介質(zhì)相連。

Metcalfe想到了一種實(shí)用性很強(qiáng)的特定電纜。但他指出，理論上說，其他有線或無線網(wǎng)絡(luò)也能發(fā)揮同樣的作用。

為了避免強(qiáng)調(diào)特定的硬件，梅特卡夫?qū)⑺膭?chuàng)意稱為以太網(wǎng)絡(luò)，這就是現(xiàn)在為人所知的以太網(wǎng)。

「以太」是19世紀(jì)物理學(xué)家假設(shè)電磁波穿過的一種介質(zhì)，后來這種想法被證明是錯(cuò)的。但這個(gè)詞在歷史上永久存在了下來。

Metcalfe的一個(gè)原型以太網(wǎng)適配器，將早期的個(gè)人電腦連接到他在1973年幫助開發(fā)的第一個(gè)本地網(wǎng)絡(luò)上

1973 年11月，Metcalfe和同事們建起了第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

他繼續(xù)進(jìn)一步開發(fā)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，希望把它擴(kuò)展到Xerox之外，但高管們?cè)趯⑿录夹g(shù)商業(yè)化的步伐上格外緩慢。

永遠(yuǎn)年輕，永遠(yuǎn)嘗試

到1979 年，Metcalfe終于受夠了。他離開PARC，創(chuàng)立了自己的公司3Com，來做在Xerox沒法做的事情。

被稱為互聯(lián)網(wǎng)之父的Vinton Cerf這樣描述Metcalfe——「你絕不會(huì)用謙卑（humble）來形容他，一旦他有了一個(gè)想法，就會(huì)立馬付諸實(shí)踐?！?/span>

創(chuàng)業(yè)后不久，Metcalfe就攪動(dòng)了整個(gè)行業(yè)。它說服了原公司Xerox、英特爾和許多現(xiàn)在已經(jīng)倒閉了的數(shù)字設(shè)備公司，采用以太網(wǎng)作為本地網(wǎng)絡(luò)的開放行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

在同其他技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中，以太網(wǎng)最終勝出了，可以說，這要?dú)w功于它的建議性，和Metcalfe早期推動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)化。

3Com通過銷售網(wǎng)絡(luò)軟件、以太網(wǎng)收發(fā)器，以及用于小型計(jì)算機(jī)和工作站的以太網(wǎng)卡，大大提高了以太網(wǎng)的商業(yè)可行性。當(dāng)IBM推出個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)，3Com為IBM PC及其克隆產(chǎn)品引入了首批以太網(wǎng)接口。

1990年，梅特卡夫離開3Com，成為一名專家和科技專欄作家。同時(shí)繼續(xù)擔(dān)任風(fēng)投家，后來他又在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校擔(dān)任教授。

為什么職業(yè)生涯會(huì)有如此大的轉(zhuǎn)變？Metcalf對(duì)此有一個(gè)理論：「一開始，你什么都不知道，然后你會(huì)沿著學(xué)習(xí)曲線上升，之后你就什么都知道了?！苟赋?，最有趣的部分，就是曲線中間的地方。

多年以來，以太網(wǎng)進(jìn)行了很多調(diào)整，幾乎沒有保留原來的技術(shù)細(xì)節(jié)。但作為如今個(gè)人計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的家庭管道，它繼續(xù)發(fā)揮著不可或缺的作用。

是以太網(wǎng)讓一切成為可能。

現(xiàn)在，76歲的Metcalfe仍然沒有停止折騰。他在去年又改變了職業(yè)賽道，現(xiàn)在，他是MIT的一名研究員，研究超計(jì)算機(jī)在能源和其他領(lǐng)域中的應(yīng)用。

這位23年圖靈獎(jiǎng)的獲得者說，「我現(xiàn)在仍然處于學(xué)習(xí)曲線的早期階段。我知道得不多，但我仍在努力?！?/span>

如今，以太網(wǎng)是全球有線網(wǎng)絡(luò)通信的主要渠道，處理從10 Mbps到400 Gbps的數(shù)據(jù)速率，并出現(xiàn)了800 Gbps和1.6 Tbps技術(shù)。

以太網(wǎng)也已成為一個(gè)巨大的市場(chǎng)，根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司的數(shù)據(jù)，僅以太網(wǎng)交換機(jī)的收入在2021年就超過300億美元。

而因?yàn)榕f時(shí)的緣故，Metcalfe堅(jiān)持使原始名稱「無線以太網(wǎng)」來稱呼Wi-Fi。

CSAIL主任、MIT電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的Daniela Rus教授說，「因?yàn)榘l(fā)明了以太網(wǎng)，他實(shí)現(xiàn)了無縫通信和信息共享，為無數(shù)已成為我們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡膽?yīng)用程序鋪平了道路。從互聯(lián)網(wǎng)到在線視頻流，以太網(wǎng)構(gòu)成了現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)，改變了我們的連接方式。如果沒有以太網(wǎng)帶來的連接性，就很難理解生活?！?/span>

而Bob Metcalfe自己說：「現(xiàn)在，所有的人類忽然就聯(lián)系到了一起，這就是關(guān)于全人類狀況最重要的事實(shí)?！?/span>