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【新智元導讀】2022年圖靈獎得主，是以太網的先驅Bob Metcalfe。如今全世界5億人之所以可以愉快地上網沖浪，都離不開他的發明。
就在昨晚，ACM公布了2022年度圖靈獎獲獎人選——以太網發明者Bob Metcalfe，以表彰他對以太網的發明、標準化和商業化。
ACM AM 圖靈獎被稱為「計算領域的諾貝爾獎」，獲獎者會得到谷歌提供的100萬美元獎金。
以太網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，是互聯網的基礎技術，讓我們的電腦和數十億其他設備能夠聯網，同時讓它們互聯。
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70億個端口，以太網無處不在，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，和他對每臺計算機都必須聯網的持久愿景，我們的互聯世界將大不相同。」
是的，在以太網發明之前，世界還不是平的。在那時，人們根本不會想到，50年后，一個名叫ChatGPT的機器人會通過這個網絡征服全世界。
一篇失敗的答辯論文
這個影響了全人類的發明，源于一篇失敗的研究生答辯論文。
1946年出生的Metcalfe，本科時在MIT學習電氣工程和工業管理。
畢業后，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連接到哈佛的大型計算機上，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構建了這個接口，將MIT的大型計算機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，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。
一到那里，Metcalfe就開始為一臺新的PARC計算機構建另一個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實驗希望能創造第一臺現代個人電腦，并且在每張桌子上都有一臺。
Metcalfe說，「所以他們要求我為此設計一個網絡。我得到了一張帶有60個芯片的網絡卡。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Austin的家中，手里拿著1973年的博士論文
在當時，計算機網絡既是一項工程上的挑戰，也是一項理論上的挑戰。根本難點就在于：如何在許多用戶之間共享對網絡的訪問。
電話網絡以最簡單的方式解決了這個難題：通話時，雙方的連接鎖定了通信信道，使其他用戶無法訪問該信道，即使這個信道并沒有被充分利用。
不過，這種低效率對于電話網絡來說問題不大。打電話時，總有一方在說話，通話不會陷入長時間的沉默。
但是計算機不同，它的通信靠的是短脈沖形式，這些脈沖通常會被很長的死時間（dead time)分隔開。
如何描述網絡中的數據流呢？
1960年代初期，計算機科學家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。
論文地址：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，如何協調網絡中的流量，并不是一件容易的事。
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，這個網絡像Arpanet一樣，以微小的數據包傳輸數據。
但與Arpanet不同的是，ALOHAnet并未嘗試避免數據包之間的沖突。相反，任何因沖突而導致消息丟失或亂碼的用戶，只需在隨機的時間間隔后重新嘗試即可。
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，稍后再試。幾次嘗試后，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，但當網絡變得擁擠時，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。
受此啟發，Metcalfe建立了一個模型，在這個模型中，用戶會獨立調整傳輸嘗試之間的平均等待時間，同時還會考慮到沖突的頻率。如果沖突發生的次數很少，他們就會更快地重試；如果網絡擁擠，他們就會退出，來保持通信整體效率。
這個模型終于讓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踐。
當時，Arpanet雖然允許研究人員共享大型計算機，但很昂貴。ALOHAnet也是將許多接入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計算機網絡方法。
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計算機組成本地網絡，作為新來的雇員，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闡述了他對以太網的愿景
他提議，將第一臺個人計算機——PARC的Altos——連接在一座建筑物中，這為設備在局域網中相互通信和共享信息鋪平了道路。
第一個以太網以每秒2.94兆比特的速度運行，比原先的終端網絡大約快10,000倍。
備忘錄建議，網絡應該適應光纖、雙絞線、Wi-Fi、電力網絡等新技術，并將原有的同軸電纜作為主要通信方式換成「以太網絡」。
這一貢獻后來在Metcalfe和同事們在1976年的ACM通訊文章《以太網：本地計算機網絡的分布式數據包交換》 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絡設計中的人。
他的設想中，還取消了ALOHAnet的中央集線器。相反，計算機將通過某種被動介質相連。
Metcalfe想到了一種實用性很強的特定電纜。但他指出，理論上說，其他有線或無線網絡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，后來這種想法被證明是錯的。但這個詞在歷史上永久存在了下來。
Metcalfe的一個原型以太網適配器，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絡上
1973 年11月，Metcalfe和同事們建起了第一個網絡。
他繼續進一步開發這個網絡，希望把它擴展到Xerox之外，但高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終于受夠了。他離開PARC，創立了自己的公司3Com，來做在Xerox沒法做的事情。
被稱為互聯網之父的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，就會立馬付諸實踐。」
創業后不久，Metcalfe就攪動了整個行業。它說服了原公司Xerox、英特爾和許多現在已經倒閉了的數字設備公司，采用以太網作為本地網絡的開放行業標準。
在同其他技術的競爭中，以太網最終勝出了，可以說，這要歸功于它的建議性，和Metcalfe早期推動的標準化。
3Com通過銷售網絡軟件、以太網收發器，以及用于小型計算機和工作站的以太網卡，大大提高了以太網的商業可行性。當IBM推出個人計算機時，3Com為IBM PC及其克隆產品引入了首批以太網接口。
1990年，梅特卡夫離開3Com，成為一名專家和科技專欄作家。同時繼續擔任風投家，后來他又在德克薩斯大學奧斯汀分校擔任教授。
為什么職業生涯會有如此大的轉變？Metcalf對此有一個理論：「一開始，你什么都不知道，然后你會沿著學習曲線上升，之后你就什么都知道了。」而他指出，最有趣的部分，就是曲線中間的地方。
多年以來，以太網進行了很多調整，幾乎沒有保留原來的技術細節。但作為如今個人計算機網絡的家庭管道，它繼續發揮著不可或缺的作用。
是以太網讓一切成為可能。
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的一名研究員，研究超計算機在能源和其他領域中的應用。
這位23年圖靈獎的獲得者說，「我現在仍然處于學習曲線的早期階段。我知道得不多，但我仍在努力。」
如今，以太網是全球有線網絡通信的主要渠道，處理從10 Mbps到400 Gbps的數據速率，并出現了800 Gbps和1.6 Tbps技術。
以太網也已成為一個巨大的市場，根據國際數據公司的數據，僅以太網交換機的收入在2021年就超過300億美元。
而因為舊時的緣故，Metcalfe堅持使原始名稱「無線以太網」來稱呼Wi-Fi。
CSAIL主任、MIT電氣工程與計算機科學系的Daniela Rus教授說，「因為發明了以太網，他實現了無縫通信和信息共享，為無數已成為我們日常生活不可或缺的應用程序鋪平了道路。從互聯網到在線視頻流，以太網構成了現代技術的基礎，改變了我們的連接方式。如果沒有以太網帶來的連接性，就很難理解生活。」
而Bob Metcalfe自己說：「現在，所有的人類忽然就聯系到了一起，這就是關于全人類狀況最重要的事實。」
參考資料：
https://amturing.acm.org/
https://www.quantamagazine.org/bob-metcalfe-ethernet-pioneer-wins-turing-award-20230322/