互动科普

那些曾经催生因特网的准则，正在引导一种连接日用电子设备的新网络，这就是Internet-0。

一个世纪前，在巴塞罗那，Antoni Gaudi先驱性的创造了一种将视觉和建筑涉及无缝结合的流畅风格。他的建筑那富有表现力的曲线不仅仅是用于装饰的外表，同时它们还是承重结构的有机组成部分。不幸的是，对于建筑物内部的电子基本设施而言，类似的统一尚未实现。开关、插座和温度调节器都是事后附加在建筑结构上，这样其功能就被埋线所限制。电脑和家用电器就更是后来的侵入者了。在今天典型的住家或办公室中，各种电子设备各司其职，相互之间几乎不发生任何联系。

这些不便之处极大地影响了建筑经济学、能源效率、建筑表达直至最终的生活质量。在美国，房屋建筑是价值1000亿美元的产业。在这一数字中，每年有数十亿用于画布线图，然后是安装和修改。多少年来，无数的“智能家庭”项目在尝试智能建筑的应用，然而它们都是由建筑者事先定好各种功能，却忽视了大量存在的居住者对这些设施进行自主安排的需求。

假如一个电灯泡都需要一位有经验的网络工程师来安装并由商业IT服务部门来维护的话，那么要满足这些需求无疑是天方夜谭。改善连接性所需的不是Gbit的速度也不是Gbit的存储量，恰恰相反：需要对网络安装和配置的成本和复杂度进行大幅削减。

多年以来，为了互连家用电子设备，大量令人迷惑的标准被开发出来，例如X10、LonWorks、CEBus、BACnet、ZigBee、Bluetooth、IrDA以及HomePlug等等。这一情景就和1960年代因特网的先驱Arpanet刚出来时一样。存在着各种不同类型的计算机以及网络，这就需要各种功用不同的硬件将这些不兼容的孤岛桥接起来。

将异质的本地网组织成一个全球网络的解决方案称为网络互联，它建立在两条大的原则之上。其一是包交换：数据被分拆成可按需独立路由的包，然后再被合并。这是对传统方法的一种突破，在以前的电话网络中是为每一连接分配一条静态电路。第二条思想是“端到端”的原则：网络的行为特征应该取决于与之连接的东西而不是它的内部结构，这一概念具体体现在Internet协议（IP）之中。随着逐步发展，因特网可处理的应用包括了远端计算机接入到电子商务以至于互动视频。每种业务都引入了新型的数据，但这些数据都由包来承载，为实现这些业务，工程师们无需改变网络的硬件和软件。

这两条原则使得因特网的大小和性能都在过去30年间扩展了7个数量级——从Arpanet的64个站点到今日的2亿台注册主机。这两条原则是对好的系统设计的永恒洞察，最关键的是，它们不包含特定的性能要求。在付出重大努力和克制之后，与技术相关的参数被排除在规范之外，这样硬件的发展就不会对因特网基本结构提出修改。

现在，同样的思想可用于对异质设备的连接。将因特网扩展到可以连接一个电灯泡，就需要识别灯泡和主流计算机（因特网原本为连接计算机而设计）之间的异同。

智能空间

和同事们在全球各地进行一系列安装时，我们遇到了将因特网引入物质基本设施的机会和需求。其中一个来自为白宫/史密森学会的千年庆典活动准备的对未来技术的展示，那是一个能自动检测药瓶的智能浴室搁架。它能提醒人们按时服药，在需要补充药品时通知药店

另一次安装发生在1999年的纽约现代艺术馆，利用一个美术陈列室里的家具来为游客指示关于展览的信息。其设计思想是避免传统计算机界面对馆内视觉和社交空间的干扰。开幕时，艺术馆的一位赞助人喊道：“这太好了，因为我痛恨计算机，而这里没有计算机!”——他却没有注意到家具里藏有17台与因特网连接的嵌入式电脑，而这些电脑在和数百个传感器式微型计算机进行通信。

凑巧的是，2001年，也是在巴塞罗那，进行了一次“媒体家居”的展示。这一建筑的结构支撑承受的不仅是重量，还包括供电和数据。灯具和开关都包含了能彼此联系并与网上其他计算机相联系的计算机。灯具和开关之间的连接是无线的。

在媒体家居的某次开幕式上，一位高速Internet-2项目的领导者也在场。他不停地询问屋子里的数据传输速度有多快。有人提醒他灯泡可不需要宽带速度来看电影，还开玩笑说这种连接日常设施的网络是Internet-0的一部分，而不属于Intemet-2。这个名字可真贴切。

开发用来支持这次演示的IP处理器本身不属于任何研究项目，但由此引发的兴趣催生了Internet-0（I0）项目。哪些将七层原则合为一体的设备将网络互联的概念扩展成为设备间网络互联。

由七部分组成的方法。

首先，每一个I0设备都使用IP协议。与之相反，很多与之竞争的互联方案采用了其他协议。如果一台电脑需要和这些设备通信，那么首先需要把消息由IP翻译成另外一种协议——这项任务需要用特定的接口来完成。设计人员之所以采取这种方法是因为他们觉得在简单设备上应用IP协议开销太大，但事实并非如此。运行IP协议的代码可以压缩到几k字节并运行在价值仅一美元的微处理器上。IP信息只为每条消息增加约100个比特，一般来说这对响应时间和功耗带来的影响可以忽略不计。而这种适度的开销带来的好处是网络避免了由于配置和维护复杂接口所带来的开销。

其次，将通信协议联合而不是单独应用，就可以简化软件。在普通计算机中，涉及网络的功能是严格区分的。低层代码处理实际信号，例如通过以太网线或电话调制解调器传送的电脉冲的产生。这一代码然后将输出传送到另一层处理数据编解码的软件。其上还有监视数据包收发、打包和拆包以及解释包内数据所采用协议的各层。最后，数据被传送到应用程序，例如一个Web浏览器。

以上各层就像人类的官僚机构一样各自独立运作。代码的大部分都是用于层间消息的传递。这些层是为了建立规范所做的有效抽象，因此对某一层的修改不会波及其余的层。然而这种一般性在实际应用时不见得就一定要保持。在I0设备里，软件的实施必须利用已知的应用信息。

第三，无需第三个设备的存在，两个I0设备就能进行互操作。因特网上的绝大部分计算机不是客户机（例如网页浏览器）就是服务器;没有服务器，客户机就毫无用处。但每一个I0灯具和开关都内置有其所需的数据和例程，因而不必依赖中心服务器，这将降低依赖性但却增加了成本。虽然服务器可以增加系统的价值，例如在一天的某个特定时间打开或关闭所有的灯，但对于系统的运作却不是必需的。

落脚点

第四，每个I0设备必须对自己的身份记录负责。一台网络计算机有5个不同的名字：在局域网内的硬件媒体接入控制（MAC）物理地址（例如“00：08：74：AC：05：0C”），一个在全球网上的IP地址（例如“18.7.22.83”），一个网络名（例如“www.mit.edu”），一个函数名（例如“左手起第三台服务器”）以及用于安全通信的密钥名。在没有服务器时，I0设备自己必须处理这些功能；而在有服务器时，又能从服务器接受应答。

最常见的处理硬件地址的方法是赋予制造商某些地址段，然后由它们将地址烧入到产品中。但要为地球上每一只灯具和开关协调这一点可就难了。代替的方法是，I0设备可以随机地选取一个字串作为自己的地址。两个设备选用同一个128位字长的地址的可能性只有1/1038。用户可以通过和设备的交互来设置函数名和硬件名。例如，按下灯具和开关上的编程按钮就可以让它顺序广播其地址并因而建立其某种控制关系，又或者将网络地址和密钥一起发送，这样就能保证连接的安全性。

第五，I0使用的比特要比网络的大。比特具有物理尺寸——它们不过是电、无线电或光脉冲。传送一个脉冲所需时间乘上它传播的速度（一般约等于光速），就是比特的尺寸。曾经比特的大小比传送它们的网络的（尺寸）要大。但今天它们要小得多了——对应1Gb/s的数据率其长度为30厘米。如果网络（的尺寸）比这个大，那么在网络内各部分的接口处就会产生问题。传输特性在接口处的些微不匹配就会产生杂散信号。此外，两台同时开始传送的计算机只有在发送了很多比特之后才发现这种不同步。这就是为什么高速网络需要专用的电缆、主动的集散器、灵敏的收发信机以及熟练的安装人员的原因。但在Mb/s，也就是常见的家用cable modem或DSL连接（对于灯泡来说是足够了）这一速率水平上，一比特约有300米长——这一长度足以覆盖建筑物内的整个网络。这样网络内使用的是何种接口就无关紧要了。

第六，使用较大比特的好处是无论用什么物理媒介来传递它，组成包的数据还是维持原样。当比特较小时，他们的物理表现，或者说调制信号，必须针对每一通信信道进行专门的设计。拨号调制解调器和cable modem所用的调制方法有很大的不同，因为双绞线和同轴电缆在它们所能传递信号的幅度、频率以及相位等方面都不同。但是当比特很大时，每个信道的具体传输特性就不会带来什么区别了。

摩尔斯电码就利用了这一特性。它可以打在电报上，从船上用闪光的形式发出或者用笛子吹出。这些截然不同的信道却是用同样的编码方案以同样的数据速率承载同样的数据，不需要进行任何的翻译。当物理媒介的变化（电报线路上的一个电压突起或者突然进发的声音）到达时，信息就很简单地被传递到了。精确的调子或者电压的幅度都没有关系。

I0与此类似，只不过是用0和1代替了点和线而已。与现今的调制解调器类似，一台I0设备以一串8位字节为一包，每包都包含成帧用的起始和结束比特位。0比特由一个冲激及跟随其后的一个停顿来表示，而1则由一个停顿及跟随其后的一个冲激表示。这一方案称作曼彻斯特编码，简化了正确的0、1信号与受了干扰的或丢失的信号之间的区别。此外，起始比特位中冲激信号的长度可以让接收机测量传送速率；发送速率无需事先定好。如果还需要更强的抗噪能力，发送者和接受者可以协商采取一种改变字节问时间的方法（就像超宽带无线通信中采用的方法那样），这将使得信号可以同噪声区分开来，同时这将后向兼容那些采用冲激成帧方法的简单I0设备。

既然比特发送的速度足够慢以至于它比网络还大，那么对所有不同的物理媒介都可以采取相同的编码方案。这些冲激信号可以用电话线来传送、可以耦合到电力线上、可以用喇叭发声传递、可以印到纸上或刻在钥匙上。这些媒介的每一种都允许冲激信号的一部分通过：电力线滤去高频而射频电线则滤去低频，所要做的只是让冲激中所包含的某一频率通过。（但是，具体的频率响应还是有用的，如果I0设备需要探测它周围的物理环境的话。）

这种实现方法将因特网的端到端原则扩展到了调制上。当一台电脑发送IP包时，它只要知道网络将传递该包即可。类似地，当一台设备使用I0冲激时，它无需知道传送该信号的媒介为何物。

“少即为多”

I0的第七条也是最后一条特性就是采用开放标准。对开放标准的渴望也许毋庸多提，但它确实值得一说。用于连接设备的其他许多标准都是私有的。计算机工业的前车之鉴告诉我们，私有业务应该建立在开放标准之上，而不应该和开放标准发生冲突。

以正在实施的I0为例，让我们回到管理药品的浴室搁架上来。我们的演示项目在药瓶上使用了RFID标签——微小的可抛型的芯片，由和它交互的射频型号所驱动。我们必须配置标签读取器，这样它才知道如何处理收到的数据。在目前消费领域和军用供应链中使用的RFID系统都存在这个问题：需要大批的顾问和供货商来配置所有的这些读取器。

使用I0后这个问题就简单多了。标签编码一个IP包（你可以称之为IPID标签），而读取器只需将这个包中继到网络。包中更可能包含有药店和医生的地址，而不是一个预先编号的读取器可翻译成英文的识别码。信息更应该由药瓶来传递，而不该编程到读取器中。

如果这些特性是如此的好事，为什么它没有早些投入应用？问题就在于通信工程师们长久以来存在的一种偏见：带宽有限，因此应该有效利用。以太网的创始者们没有做到这点，因为他们没有达到量子力学所设定的基本通信限制。这没错，但又有什么关系呢？以太网以它相对简单的特性赢得了成功。

今天的网络确实在逼近量子限度，以牺牲简单为代价来获取更为客观的性能提升。I0扭转了这一潮流。它是“少即是多”在技术上的体现。这里牺牲了速度，换取了互操作性。

I0瞄准的是网络所面临的规模限制，而不是原始的性能。它不会去取代现有的因特网；它不过是在因特网之下提供了一个兼容的层。I0设备依赖现有的路由器、网关和域名服务器来在I0子网之间传递包。当然，随着时间的推移，I0和网络的其他部分的区别会慢慢模糊。因特网服务器上运行的那些协议被描述为算法，以指导IP包抵达目的地的那些为例，它们就是为包寻找最佳路径的一套指令。然而这些协议可以被进一步理解和优化——这是在条件限制下最好的利用有限通信资源的一种方法。近期的研究显示，要解决这种受限的优化，更应该使用分布式系统而不是中央处理器。这样，也许有一天I0节点经过配置后，可以通过本地的行为来解决全网的管理问题。因此高层的因特网结构可以通过这些节点的互动而形成。

如果真的如此，I0的最终使命就不仅仅是开灯这么简单了。一个I0网络将和与之连接的计算机无法区分，它就是一台计算机。通过让用于通信、计算、存储、传感以及显示的设备以同一表现形式来传递信息，无论是近邻还是远在天涯海角，系统的组成部分就可以根据问题的需要来动态组合，而不由边界来限制。

何毓嵩/译

曾少立/校