2022年圖靈獎頒給了76歲乙太網路之父！一篇失敗的博士答辯論文，成就了網路時代

就在昨晚，ACM公佈了2022年度圖靈獎獲獎人選——乙太網路發明者Bob Metcalfe，以表彰他對乙太網路的發明、標準化和商業化。

ACM AM 圖靈獎被稱為「計算領域的諾貝爾獎」，獲獎者會得到Google提供的100萬美元獎金。

乙太網路的發明對人類的意義，顯然不言而喻。這項50年前開發的技術，是網路的基礎技術，讓我們的電腦和數十億其他設備能夠連網，同時讓它們互聯。

Google人工智慧副總裁Jeff Dean在ACM官方公告中說，「今天，全球約有70億個端口，乙太網路無處不在，我們都認為它是理所當然的。然而，人們很容易忘記，如果沒有Bob Metcalfe的發明，和他對每台電腦都必須聯網的持久願景，我們的互聯世界將大不相同。」

是的，在乙太網路發明之前，世界還不是平的。那時，人們根本不會想到，50年後，一個名叫ChatGPT的機器人會透過這個網路征服全世界。

一篇失敗的答案論文

這個影響了全人類的發明，源自於一篇失敗的研究生答辯論文。

1946年出生的Metcalfe，大學部在MIT學習電機工程和工業管理。

畢業後，Metcalfe去了哈佛讀研，同時還被聘為MIT的研究員，此時恰逢美國國防部加大了對Arpanet（一種互聯網前身）的投資。

他向哈佛提議，應該建立一個接口，將Arpanet連接到哈佛的大型電腦上，但哈佛拒絕了他。他又轉頭向MIT提出了同樣的建議。

還是研究生的Metcalfe建構了這個接口，將MIT的大型電腦連接到現代互聯網前身Arpanet上

1972年，他向哈佛的論文委員會提交了自己的論文，描述他的這項設想，結果沒有通過答辯。委員會認為，這個主題不夠理論化。

站在前人的肩膀上

好在，天才總有展現自己才華的地方。

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

實驗室主任Bob Taylor告訴他，無論如何都要來帕洛阿爾托完成他的論文。

一到那裡，Metcalfe就開始為一台新的PARC電腦建立另一個Arpanet接口，同時努力尋找一個夠「理論」的主題，來達到哈佛論文委員會的要求。

施樂的PARC實驗希望創造第一台現代個人電腦，並且在每張桌子上都有一台。

Metcalfe說，「所以他們要求我為此設計一個網路。我得到了一張帶有60個晶片的網路卡。那是我生命中第二件最幸運的事。第一件是讓我出生在我父母的家庭。」

MetCalfe在德州在奧斯汀的家中，手裡拿著1973年的博士論文

在當時，電腦網路既是一項工程上的挑戰，也是一項理論上的挑戰。根本困難就在於：如何在許多用戶之間共享對網路的存取。

電話網路以最簡單的方式解決了這個難題：通話時，雙方的連線鎖定了通訊頻道，使其他使用者無法存取該頻道，即使這個頻道並沒有被充分利用。

不過，這種低效率對於電話網路來說問題不大。打電話時，總有一方在說話，通話不會陷入長時間的沉默。

但是電腦不同，它的通訊靠的是短脈衝形式，這些脈衝通常會被很長的死時間（dead time)分隔開。

如何描述網路中的資料流呢？

1960年代初期，電腦科學家Leonard Kleinrock證明，這個問題可以用排隊論解決。這個理論是數學中的一個分支，模擬了交通擁堵和人們排隊等候時可能發生的其他事情。

論文網址：https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/11562

這個模型向工程師展示了，怎樣可以大幅減少死時間，而Arpanet能夠證明，這種方法在實踐中確實行之有效。然而，如何協調網路中的流量，並不是一件容易的事。

1971年，夏威夷大學教授Norm Abramson展示了一種激進的交通協調替代方案，激進到讓任何城市規劃者都感到震驚。

他建立了一個名為ALOHAnet的無線電網絡，這個網路像Arpanet一樣，以微小的資料包傳輸資料。

但與Arpanet不同的是，ALOHAnet並未嘗試避免封包之間的衝突。相反，任何因衝突而導致訊息遺失或亂碼的用戶，只需在隨機的時間間隔後重新嘗試即可。

這種「隨機重傳」類似就好比人們談話中的禮儀：當兩個人同時開始說話時，雙方就都停下來，稍後再試。幾次嘗試後，問題便會自行解決。

但是，這種策略也有個bug：在在低流量的情況下，傳輸很暢通，但當網路變得擁擠時，碰撞變得如此頻繁，以至於根本沒有訊息可以通過了。

Metcalfe偶然發現了Abramson的一篇論文，這篇論文設計了一種繞過ALOHAnet排隊論僵局的方法。

論文網址：https://www.clear.rice.edu/comp551/papers/Abramson-Aloha.pdf

受此啟發，Metcalfe建立了一個模型，在這個模型中，使用者會獨立調整傳輸嘗試之間的平均等待時間，同時也會考慮到衝突的頻率。如果衝突發生的次數很少，他們就會更快地重試；如果網路擁擠，他們就會退出，來保持通訊整體效率。

#Abramson的論文插圖

這個模型終於讓Metcalfe的論文變得足夠「理論」，讓他通過了哈佛大學的答辯。同時，Metcalfe也意識到，自己可以在工作中把這個模型付諸實現。

當時，Arpanet雖然允許研究人員共享大型計算機，但很昂貴。 ALOHAnet也是將許多存取點連接到一個中央集線器。而PARC實驗室正在尋求一種特殊的電腦網路方法。

#Abramson的論文插圖

PARC的Taylor有了一個設想：在同一棟大樓中由許多電腦組成本地網絡，作為新來的僱員，Metcalfe立刻開始著手設計這個網絡。

永載史冊的以太網，誕生了

在1973年5月的一份著名的備忘錄中，Metcalfe闡述了他的設想。

在1973年5月備忘錄的第一頁，Metcalfe闡述了他對乙太網路的願景

他提議，將第一台個人電腦——PARC的Altos——連接在一座建築物中，這為設備在區域網路中相互通信和共享資訊鋪平了道路。

第一個乙太網路以每秒2.94兆位元的速度運行，比原先的終端網路快約10,000倍。

備忘錄建議，網路應該適應光纖、雙絞線、Wi-Fi、電力網路等新技術，並將原有的同軸電纜作為主要通訊方式換成「以太網路」。

這項貢獻後來在Metcalfe和同事們在1976年的ACM通訊文章《乙太網路：本地電腦網路的分散式資料包交換》 中永垂不朽。

論文網址：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，他的想法結合了Abramson的隨機重傳系統、Metcalfe對時間的調整以及對ALOHAnet模型的其他改進，這些改進減輕了碰撞的影響。

其中一些理論創新出自其他研究人員，但Metcalfe是第一個把它們整合到實際本地網路設計中的人。

他的設想中，也取消了ALOHAnet的中央集線器。相反，計算機將通過某種被動介質連接。

Metcalfe想到了一種實用性很強的特定電纜。但他指出，理論上說，其他有線或無線網路也能發揮同樣的作用。

為了避免強調特定的硬件，梅特卡夫將他的創意稱為以太網絡，這就是現在為人所知的以太網。

「以太」是19世紀物理學家假設電磁波穿過的一種介質，後來這種想法被證明是錯的。但這個字在歷史上永久存在了下來。

Metcalfe的原型乙太網路適配器，將早期的個人電腦連接到他在1973年幫助開發的第一個本地網路上

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1973 年11月，Metcalfe和同事們建起了第一個網路。

他繼續進一步開發這個網絡，希望把它擴展到Xerox之外，但高階主管們在將新技術商業化的步伐上格外緩慢。

永遠年輕，永遠嘗試

到1979 年，Metcalfe終於受夠了。他離開PARC，創立了自己的公司3Com，做在Xerox沒辦法做的事情。

被稱為網路之父的Vinton Cerf這樣描述Metcalfe－「你絕不會用謙卑（humble）來形容他，一旦他有了一個想法，就會立刻付諸實踐。」

創業後不久，Metcalfe就攪動了整個產業。它說服了原公司Xerox、英特爾和許多現在已經倒閉了的數位設備公司，採用乙太網路作為本地網路的開放產業標準。

在同其他技術的競爭中，乙太網路最終勝出了，可以說，這要歸功於它的建議性，和Metcalfe早期推動的標準化。

3Com透過銷售網路軟體、乙太網路收發器，以及用於小型電腦和工作站的乙太網路卡，大大提高了乙太網路的商業可行性。當IBM推出個人電腦時，3Com為IBM PC及其克隆產品引入了第一批乙太網路介面。

1990年，梅特卡夫離開3Com，成為專家和科技專欄作家。同時繼續擔任創投家，後來他又在德州大學奧斯汀分校擔任教授。

為什麼職涯會有如此大的轉變？ Metcalf對此有個理論：「一開始，你什麼都不知道，然後你會沿著學習曲線上升，之後你就什麼都知道了。」而他指出，最有趣的部分，就是曲線中間的地方。

多年來，乙太網路進行了許多調整，幾乎沒有保留原來的技術細節。但作為如今個人電腦網路的家庭管道，它繼續發揮著不可或缺的作用。

是乙太網路讓一切成為可能。

現在，76歲的Metcalfe仍然沒有停止折騰。他在去年又改變了職業賽道，現在，他是MIT的研究員，研究超計算機在能源和其他領域的應用。

這位23年圖靈獎的得主說，「我現在仍然處於學習曲線的早期階段。我知道得不多，但我仍在努力。」

如今，乙太網路是全球有線網路通訊的主要管道，處理從10 Mbps到400 Gbps的資料速率，並出現了800 Gbps和1.6 Tbps技術。

乙太網路也成為一個龐大的市場，根據國際數據公司的數據，光是乙太網路交換器的收入在2021年就超過300億美元。

而因為舊時的緣故，Metcalfe堅持讓原始名稱「無線乙太網路」來稱呼Wi-Fi。

CSAIL主任、MIT電機工程與電腦科學系的Daniela Rus教授說，「因為發明了以太網，他實現了無縫通訊和資訊共享，為無數已成為我們日常生活不可或缺的應用程式鋪平了道路。從互聯網到線上視訊串流，乙太網路構成了現代技術的基礎，改變了我們的連接方式。如果沒有乙太網路帶來的連接性，就很難理解生活。」

而Bob Metcalfe自己說：「現在，所有的人類忽然就聯繫到了一起，這就是關於全人類狀況最重要的事實。」

以上是2022年圖靈獎頒給了76歲乙太網路之父！一篇失敗的博士答辯論文，成就了網路時代的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！