【新智元导读】2022年图灵奖得主，是以太网的先驱Bob Metcalfe。如今全世界5亿人之所以可以愉快地上网冲浪，都离不开他的发明。
就在昨晚，ACM公布了2022年度图灵奖获奖人选——以太网发明者Bob Metcalfe，以表彰他对以太网的发明、标准化和商业化。ACM AM 图灵奖被称为「计算领域的诺贝尔奖」，获奖者会得到谷歌提供的100万美元奖金。以太网的发明对人类的意义，显然不言而喻。这项50年前开发的技术，是互联网的基础技术，让我们的电脑和数十亿其他设备能够联网，同时让它们互联。谷歌人工智能副总裁Jeff Dean在ACM官方公告中说，「今天，全球约有70亿个端口，以太网无处不在，我们都认为它是理所当然的。然而，人们很容易忘记，如果没有Bob Metcalfe的发明，和他对每台计算机都必须联网的持久愿景，我们的互联世界将大不相同。」是的，在以太网发明之前，世界还不是平的。在那时，人们根本不会想到，50年后，一个名叫ChatGPT的机器人会通过这个网络征服全世界。
这个影响了全人类的发明，源于一篇失败的研究生答辩论文。1946年出生的Metcalfe，本科时在MIT学习电气工程和工业管理。毕业后，Metcalfe去了哈佛读研，同时还被聘为MIT的研究员，此时恰逢美国国防部加大了对Arpanet（一种互联网前身）的投资。他向哈佛提议，应该建立一个接口，将Arpanet连接到哈佛的大型计算机上，但哈佛拒绝了他。他又转头向MIT提出了同样的建议。
还是研究生的Metcalfe构建了这个接口，将MIT的大型计算机连接到现代互联网前身Arpanet上1972年，他向哈佛的论文委员会提交了自己的论文，描述他的这项设想，结果没有通过答辩。委员会认为，这个话题不够理论化。
在那时，Metcalfe已经得到了施乐公司（Xerox Corporation）在加州帕洛阿尔托研究中心 (PARC) 的工作。实验室主任Bob Taylor告诉他，无论如何都要来帕洛阿尔托完成他的论文。一到那里，Metcalfe就开始为一台新的PARC计算机构建另一个Arpanet接口，同时努力寻找一个够「理论」的主题，来达到哈佛论文委员会的要求。施乐的PARC实验希望能创造第一台现代个人电脑，并且在每张桌子上都有一台。Metcalfe说，「所以他们要求我为此设计一个网络。我得到了一张带有60个芯片的网络卡。那是我生命中第二件最幸运的事。第一件是让我出生在我父母的家庭。」
MetCalfe在德州Austin的家中，手里拿着1973年的博士论文在当时，计算机网络既是一项工程上的挑战，也是一项理论上的挑战。根本难点就在于：如何在许多用户之间共享对网络的访问。电话网络以最简单的方式解决了这个难题：通话时，双方的连接锁定了通信信道，使其他用户无法访问该信道，即使这个信道并没有被充分利用。不过，这种低效率对于电话网络来说问题不大。打电话时，总有一方在说话，通话不会陷入长时间的沉默。但是计算机不同，它的通信靠的是短脉冲形式，这些脉冲通常会被很长的死时间（dead time)分隔开。1960年代初期，计算机科学家Leonard Kleinrock证明，这个问题可以用排队论解决。这个理论是数学中的一个分支，模拟了交通拥堵和人们排队等候时可能发生的其他事情。
论文地址：https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/11562这个模型向工程师展示了，怎样可以大幅减少死时间，而Arpanet能够证明，这种方法在实践中确实行之有效。然而，如何协调网络中的流量，并不是一件容易的事。1971年，夏威夷大学教授Norm Abramson展示了一种激进的交通协调替代方案，激进到让任何城市规划者都感到震惊。他建立了一个名为ALOHAnet的无线电网络，这个网络像Arpanet一样，以微小的数据包传输数据。但与Arpanet不同的是，ALOHAnet并未尝试避免数据包之间的冲突。相反，任何因冲突而导致消息丢失或乱码的用户，只需在随机的时间间隔后重新尝试即可。这种「随机重传」类似就好比人们谈话中的礼仪：当两个人同时开始说话时，双方就都停下来，稍后再试。几次尝试后，问题便会自行解决。但是，这种策略也有个bug：在在低流量的情况下，传输很畅通，但当网络变得拥挤时，碰撞变得如此频繁，以至于根本没有信息可以通过了。Metcalfe偶然发现了Abramson的一篇论文，这篇论文设计了一种绕过ALOHAnet排队论僵局的方法。
论文地址：https://www.clear.rice.edu/comp551/papers/Abramson-Aloha.pdf
受此启发，Metcalfe建立了一个模型，在这个模型中，用户会独立调整传输尝试之间的平均等待时间，同时还会考虑到冲突的频率。如果冲突发生的次数很少，他们就会更快地重试；如果网络拥挤，他们就会退出，来保持通信整体效率。
Abramson的论文插图
这个模型终于让Metcalfe的论文变得足够「理论」，让他通过了哈佛大学的答辩。同时，Metcalfe也意识到，自己可以在工作中把这个模型付诸实践。当时，Arpanet虽然允许研究人员共享大型计算机，但很昂贵。ALOHAnet也是将许多接入点连接到一个中央集线器。而PARC实验室正在寻求一种特殊的计算机网络方法。
PARC的Taylor有了一个设想：在同一栋大楼中由许多计算机组成本地网络，作为新来的雇员，Metcalfe立刻开始着手设计这个网络。
在1973年5月的一份著名的备忘录中，Metcalfe阐述了他的设想。
在1973年5月备忘录的第一页，Metcalfe阐述了他对以太网的愿景他提议，将第一台个人计算机——PARC的Altos——连接在一座建筑物中，这为设备在局域网中相互通信和共享信息铺平了道路。第一个以太网以每秒2.94兆比特的速度运行，比原先的终端网络大约快10,000倍。备忘录建议，网络应该适应光纤、双绞线、Wi-Fi、电力网络等新技术，并将原有的同轴电缆作为主要通信方式换成「以太网络」。这一贡献后来在Metcalfe和同事们在1976年的ACM通讯文章《以太网：本地计算机网络的分布式数据包交换》 中永垂不朽。
论文地址：https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/360248.360253
左边是Bob Metcalfe；右边是David Boggs在备忘录中，他的想法结合了Abramson的随机重传系统、Metcalfe对时间的调整以及对ALOHAnet模型的其他改进，这些改进减轻了碰撞的影响。其中一些理论创新出自其他研究人员，但Metcalfe是第一个把它们整合到实际本地网络设计中的人。他的设想中，还取消了ALOHAnet的中央集线器。相反，计算机将通过某种被动介质相连。Metcalfe想到了一种实用性很强的特定电缆。但他指出，理论上说，其他有线或无线网络也能发挥同样的作用。为了避免强调特定的硬件，梅特卡夫将他的创意称为以太网络，这就是现在为人所知的以太网。「以太」是19世纪物理学家假设电磁波穿过的一种介质，后来这种想法被证明是错的。但这个词在历史上永久存在了下来。
Metcalfe的一个原型以太网适配器，将早期的个人电脑连接到他在1973年帮助开发的第一个本地网络上1973 年11月，Metcalfe和同事们建起了第一个网络。他继续进一步开发这个网络，希望把它扩展到Xerox之外，但高管们在将新技术商业化的步伐上格外缓慢。
到1979 年，Metcalfe终于受够了。他离开PARC，创立了自己的公司3Com，来做在Xerox没法做的事情。被称为互联网之父的Vinton Cerf这样描述Metcalfe——「你绝不会用谦卑（humble）来形容他，一旦他有了一个想法，就会立马付诸实践。」创业后不久，Metcalfe就搅动了整个行业。它说服了原公司Xerox、英特尔和许多现在已经倒闭了的数字设备公司，采用以太网作为本地网络的开放行业标准。在同其他技术的竞争中，以太网最终胜出了，可以说，这要归功于它的建议性，和Metcalfe早期推动的标准化。3Com通过销售网络软件、以太网收发器，以及用于小型计算机和工作站的以太网卡，大大提高了以太网的商业可行性。当IBM推出个人计算机时，3Com为IBM PC及其克隆产品引入了首批以太网接口。1990年，梅特卡夫离开3Com，成为一名专家和科技专栏作家。同时继续担任风投家，后来他又在德克萨斯大学奥斯汀分校担任教授。为什么职业生涯会有如此大的转变？Metcalf对此有一个理论：「一开始，你什么都不知道，然后你会沿着学习曲线上升，之后你就什么都知道了。」而他指出，最有趣的部分，就是曲线中间的地方。多年以来，以太网进行了很多调整，几乎没有保留原来的技术细节。但作为如今个人计算机网络的家庭管道，它继续发挥着不可或缺的作用。现在，76岁的Metcalfe仍然没有停止折腾。他在去年又改变了职业赛道，现在，他是MIT的一名研究员，研究超计算机在能源和其他领域中的应用。这位23年图灵奖的获得者说，「我现在仍然处于学习曲线的早期阶段。我知道得不多，但我仍在努力。」如今，以太网是全球有线网络通信的主要渠道，处理从10 Mbps到400 Gbps的数据速率，并出现了800 Gbps和1.6 Tbps技术。以太网也已成为一个巨大的市场，根据国际数据公司的数据，仅以太网交换机的收入在2021年就超过300亿美元。而因为旧时的缘故，Metcalfe坚持使原始名称「无线以太网」来称呼Wi-Fi。CSAIL主任、MIT电气工程与计算机科学系的Daniela Rus教授说，「因为发明了以太网，他实现了无缝通信和信息共享，为无数已成为我们日常生活不可或缺的应用程序铺平了道路。从互联网到在线视频流，以太网构成了现代技术的基础，改变了我们的连接方式。如果没有以太网带来的连接性，就很难理解生活。」而Bob Metcalfe自己说：「现在，所有的人类忽然就联系到了一起，这就是关于全人类状况最重要的事实。」https://amturing.acm.org/https://www.quantamagazine.org/bob-metcalfe-ethernet-pioneer-wins-turing-award-20230322/
