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连接:互联网简史 #1 Paul Baran

在我上小学高年级的时候家里买了第一台 PC,从此开启了我的互联网之旅。那个年代还处于拨号上网的阶段,每次上网前都要先启动 Windows 自带的拨号程序等待一段时间,并伴随着调制解调器有节奏的声音建立连接。56Kbps 的网速(大概 6.84KiB/s)在如今看来简直慢到不可思议,但依然能满足当时的上网需求。最可怕的是一旦连上网家里的固定电话就会一直占线,因此有了无数次偷偷上网被父母发现并严厉教训的惨痛经历。

如果你不是计算机或者相关专业的人,可能从来没有想过如今大家已经习以为常的互联网(Internet)究竟是怎么来的。即便属于业内人士,我也只是依稀记得互联网的诞生与美国的 ARPANET 有关,差不多也就仅限于此了。但是在这个领域其实有着无数的先驱,他们的成果共同奠定了如今的互联网,他们的思想也在持续影响着整个世界。

追根溯源,这个系列的第一篇文章要介绍的人叫做 Paul Baran。1926 年 4 月 29 日 Baran 出生在格罗德诺(Grodno,当时属于第二波兰共和国,现在属于白俄罗斯)的一个犹太家庭,在他两岁的时候全家搬到了美国,起初居住在波士顿,随后又搬到了费城。

年轻时期的 Paul Baran
年轻时期的 Paul Baran

1949 年 Baran 本科毕业于费城的卓克索大学(Drexel University,又译为德雷塞尔大学),学的是电子工程。毕业以后 Baran 在报纸上看到了费城一家公司的招聘广告,在对这家公司没有任何了解和兴趣的情况下应聘上了他的第一份工作,这家公司就是「埃克特-莫齐利计算机公司(Eckert-Mauchly Computer Corporation,EMCC)」。从公司名字也能猜出创始人应该是两个人,分别是 J. Presper Eckert 和 John Mauchly,光看人名肯定很陌生,不过如果提到「ENIAC」恐怕就无人不知无人不晓了。ENIAC 是世界上第一台通用电子计算机,它同时也是图灵完备的,ENIAC 的设计者正是当时还在宾夕法尼亚大学工作的 J. Presper Eckert 和 John Mauchly(关于计算机的历史或许可以以后再开一个新的系列来讲述)。在完成 ENIAC 以后基于种种原因两人于 1946 年共同创办了 EMCC 公司,目标是建造面向商用和军事应用的下一代计算机,后来被叫做 UNIVAC。Baran 在 EMCC 的主要工作是测试各种电子元件(比如真空管、锗二极管、电阻器等),当时的 Baran 对于计算机知之甚少,在听说宾夕法尼亚大学有一个相关的课程以后决定去旁听一下。但是 Baran 错过了第一周的课程,想当然地以为第一周应该没啥重要的内容,当他第二周去上课时教授的是「布尔代数」,老师在黑板上写下了「1 + 1 = 0」,Baran 环顾四周等待有人指出这个非常明显的算术错误,但是没有一个人这么做。Baran 这才意识到自己肯定错过了什么,并且再也没有回去上课。

当时的 Baran 对于计算机的前景其实非常不看好,一方面是他工作中测试的电子元件故障率太高,总是出现各种莫名其妙的问题,另一方面 EMCC 公司出现了经营问题(其中一个离奇的原因是这家公司的一个投资人因为空难去世了),正在寻求收购。1950 年他离开 EMCC 并加入了 Raymond Rosen Engineering Products(RREP),这家公司是 RCA 电视的主要经销商之一,同时与美国军方也有一些合作。当时 RREP 接到了一个来自军方的请求是研发用于 Matador 导弹的远程遥测与记录系统,并且需要在 2 个月以内完成测试。Baran 参与了这个项目并圆满达成了项目目标,他相信遥测技术将会成为未来的一大商机,但 RREP 的老板并不这么认为,这也促成了 Baran 的又一次离职。

1955 年 Baran 与来自加州的 Evelyn Murphy 结婚并搬到了洛杉矶,新工作是在休斯飞机(Hughes Aircraft)公司负责雷达数据处理系统,后来又负责晶体管子系统。虽然本科学的是电子工程,但是毕业许久的 Baran 已经不能很好理解现如今的晶体管是如何工作的了,于是他决定去参加 UCLA(加州大学洛杉矶分校)的夜校课程。起初 Baran 只是想去搞清楚晶体管的工作原理,目标并不是拿一个硕士学位,但随着参加的课程逐渐变多,Baran 已经基本达到了获取硕士学位的资格。与此同时,当年旁听宾夕法尼亚大学计算机课程的那段尴尬经历驱使着 Baran 想要深入探究电子计算机。于是他正式申请了 UCLA 的硕士学位,并由 Gerald Estrin 担任他的顾问。和 Baran 一样,Gerald Estrin 也是 1955 年刚来到 UCLA,这之前他在普林斯顿高等研究院(Institute for Advanced Study,IAS)参与冯・诺伊曼的研究组,还去以色列的魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)领导了以色列第一台电子计算机 WEIZAC 的研发。IAS 是一个神奇的地方,曾经汇集了世界各地无数的顶尖研究学者,比如爱因斯坦、奥本海默、哥德儿、赫尔曼・魏尔、陈省身、杨振宁、李政道等。

1959 年 Baran 顺利拿到 UCLA 的硕士学位,同时也加入了一家新的公司 RAND(Research and Development)。RAND 公司的前身是「RAND 项目(Project RAND)」,这个项目的发起得追溯到二战刚刚结束的 1945 年 9 月(通常认为标志二战结束的时间是 1945 年 9 月 2 日),美国空军的总司令亨利・阿诺德(Henry H. Arnold)意识到战后大批的军人将会复员,战争时期美国积累的科学研究需要在战后延续,这一点道格拉斯飞机(Douglas Aircraft)公司的 Franklin R. Collbohm 与 Donald Douglas 也非常认同。于是在 1945 年 10 月 1 日,阿诺德将军与其他几个人共同发起了 RAND 项目,并作为道格拉斯飞机公司下的一个特殊承包合同以支持这个项目。到 1948 年,RAND 项目已经有了近 200 名研究员,涵盖数学、工程学、空气动力学、物理学、化学、经济学、心理学等多个方面的研究。1948 年 5 月 14 日,RAND 作为一家非营利公司正式在加州成立。这家公司至今依然存在(有兴趣可以访问它的官网了解,甚至还有中文版),在 RAND 公司几十年的发展中,有超过 30 名诺贝尔奖获得者直接或者间接与 RAND 公司关联。其中一个值得称道的成就是 1950 年 RAND 公司的研究员 Merrill Flood 和 Melvin Dresher 共同提出了博弈论中著名的「囚徒困境(Prisoner's Dilemma)」理论(不过囚徒的这个比喻是 Albert W. Tucker 提出的)。在斯坦利・库布里克的著名电影《奇爱博士(Dr. Strangelove)》中也影射过 RAND 公司,电影中它被称作 BLAND 公司。

1960 年代位于加州圣莫尼卡的 RAND 公司大楼
1960 年代位于加州圣莫尼卡的 RAND 公司大楼

RAND 公司的很大一部分资金来源是美国空军(Air Force),因此也有很多研究项目是与军方有关。Baran 回忆说美国空军每年都会给 RAND 公司一笔经费,每周 RAND 公司的管理层都会从政府那边收集项目需求并在公司内公布,如果有研究员对这个项目感兴趣就可以认领它,如果没有一个人想做 RAND 公司就会回复政府说这个项目暂时不适合 RAND 来研究。这在现在看来是一种难以置信的自由度,RAND 公司的研究员有极大的权利来选择自己想要研究的方向。当然 RAND 公司也会有一些与美国空军合作的固定研究项目,毕竟他们是主要的出资方,金主爸爸的需求还是得满足。1960 年代正值美苏冷战时期,1945 年 8 月 6 日和 9 日美国投向广岛和长崎的两枚原子弹让世人切实感受到了核武器的恐怖,之后很长一段时间的核军备竞赛一度让「末日之钟」的时针拨到了 23:58(说个题外话,末日之钟最新的时间是 23:58:20)。美国空军与 RAND 公司在当时的一个研究项目正是与冷战紧密相关,军方想要建造一个足够健壮的通讯网络,即使美国遭受了苏联的核武器攻击也能持续工作,传达重要的军事命令。那个年代主要的通讯方式还是电话,自从亚历山大・贝尔在 1876 年获得了电话专利以后(不过到底谁是电话的真正发明人是一个有争议的话题),AT&T(American Telephone and Telegraph)公司已经在美国几乎处于垄断地位,所有的军事电话通信都得通过 AT&T 公司的线路来进行。但是电话通信存在一个问题,数据是通过「模拟信号」来传输的,而模拟信号天然存在信号衰减以及噪声的干扰,进而导致信号的失真,传输距离越远这个问题就越明显,因此在电话系统的设计中几乎不会考虑超过 5 个交换节点(switching nodes)。

Baran 在接触到这个项目以后对于如何设计一个健壮的通讯网络非常感兴趣,他的第一个方案是基于当时 RAND 公司的总裁 Franklin Collbohm(前面介绍 RAND 项目起源时也提到了他)的一个提案来设计。Collbohm 提出可以使用调幅(AM)广播站来将消息从一个广播站中继(relay)到另一个,之所以选择调幅广播(即低频信号)是因为高频通信会被高空核爆炸引发的电离层影响而破坏,低频通信则不会受此影响。Baran 在此基础上改进了中继节点的传输,稍微增加一些数字化(digital)的逻辑使得即使遭受核武器的攻击整个通信网络依然可以运转。

对于每一个项目的方案 RAND 公司内部都会做非常严格的评审,一旦通过内部评审公司会鼓励你去各种地方宣讲,包括工业界、学术界、政府机构等。在外部宣讲的过程中 Baran 收到了不少反馈,这些反馈中最大的异议是认为他的方案的通信带宽比较有限,这对于传达一个简单的指令是足够的,但是对于更大规模的数据传输则无法满足。

基于收到的反馈,Baran 决定从头设计一个通讯系统,这个系统的目标是满足任何形式的通信需求,同时也要保证网络的健壮性。于是从 1960 年开始到 1962 年的两年时间里,Baran 完成了共 11 卷的著名报告「On Distributed Communications」。如果你有兴趣阅读,你可以在 RAND 公司的官网免费浏览和下载所有报告,同时在报告的扉页里 Baran 建议优先阅读第 1 卷和第 11 卷,这两卷都是概览性质的内容,有助于你快速了解他的想法和设计。在被问到为什么要写 11 卷这么多时,Baran 表示这是一个「很无奈」的结果,他本人其实并不是一开始就想写这么多。最初 Baran 把大的概念设计展示给外界时,虽然收到了一些正面评价,但同时也受到了很多质疑(后面会讲这是为什么),这些质疑里大部分 Baran 都可以非常自信地回答,但有一些问题他也不是很确定。于是为了回应这些质疑,Baran 做了大量的研究和思考,逐渐就产生了这 11 卷报告。

On Distributed Communications 第 1 卷的插图
On Distributed Communications 第 1 卷的插图

如果你看过 Maybe News 第 13 期介绍的「Decentralized Social Networks」文章,对于上面这张插图应该不陌生。Baran 设想了这样一种分布式的通信网络,它具有足够的容错性,即使部分节点损坏通信依然可以正常进行。Baran 的设计在 1960 年代最大的颠覆性是采用了「全数字化」的传输方式,这也是当时遭受大量质疑的原因之一。前面提到过 1960 年代的主要通信方式是电话,而 AT&T 公司控制了全美大部分的电话线路,Baran 要推广他的设计方案其中一件要做的事情就是说服 AT&T 公司的专家们,使得他们认为这个方案是可行的。就像老套的好莱坞剧情一样,AT&T 的专家们在剧本中扮演着「大反派」的角色,Baran 作为一个初出茅庐、毫无声望的新人,又有什么资格来「挑战」如日中天的 AT&T 呢?AT&T 的专家们看不到数字化传输的任何好处和必要性,也自然没有动力去改变当下模拟信号传输的现状。Baran 的想法则不然,他的计算机教育背景让他很自然地想要构建一个数字化的传输网络,这是他所认为的未来。

数字化传输不会像模拟信号那样容易受到噪声干扰,没有信号衰减,自然也不会造成信号失真。另一个随之而来的好处是可以用「便宜」的计算机作为一种「智能」的交换节点,当网络出现故障时可以动态调整传输路径,不需要人工干预和介入,这和当时电话线路的设计完全不一样。Baran 的设计在如今看来似乎是理所当然的,但在那个年代还属于很前沿以及新兴的技术,要知道世界上第一台商用小型计算机 DEC PDP-8 得等到 1965 年 3 月才发布,也难怪会有人质疑 Baran 的设想(一个系统依赖的核心组件居然在当时是不存在的)。当然我们对于 AT&T 的评价不能一概而论,毕竟 AT&T 是一个「大公司」,它下面一个叫做「贝尔实验室」的子公司其实也在做一些与数字化有关的研究,还在 1960 年 4 月撰写了一本名为《The Electronic Switching System》的操作手册。

On Distributed Communications 第 1 卷的插图
On Distributed Communications 第 1 卷的插图

后人广为传颂的 Baran 的另一个贡献是他首先在网络传输中提出了「Message Block」的概念(如上图所示)。每一个 block 的大小可能是 1024 位(128 字节),其中包含了诸多信息,如接收方的地址、发送者等。学过计算机网络的同学应该能很快意识到这就是简化版的互联网传输协议,「Message Block」现如今更广为人知的名字是「网络包(packet)」。Baran 认为「标准化」的 Message Block 是数字化传输的基础,这种设计在计算机领域很常见,但还没有大范围推广。模拟传输领域的人根本不会想要把一个语音消息分成很多小的块再传输,这并不符合当时的标准和认知。Message Block 设计带来的最大好处是对于网络带宽有不同需求的用户可以同时「共享」那些具有不同传输速率的宽带网络(broadband network),这句话可能比较抽象,想象一下如果按照传统模拟传输的方法,每个用户的数据都是完整传输(也就是不分块),那势必会造成传输数据量更大的用户抢占更多的资源。另一个可以类比的例子是同样始于 1960 年代的「分时操作系统(Time-sharing Operating System)」的研究,当时的人们还得通过排队处理来使用大型机,分时操作系统的诞生极大地提高了计算机的使用效率。

1962 年 Baran 已经基本完成了全部 11 卷报告的撰写,之后就是 RAND 公司一轮又一轮的内部审核,这期间 Baran 可能会反反复复进行修改。同时 Baran 也会主动或者受邀参加一些技术会议,分享他所设计的这个网络通信系统。1964 年 8 月 Baran 的报告终于审核完毕并发布,1965 年 RAND 公司将 Baran 的设计方案正式推荐给了美国空军,美国空军则委托 MITRE(另一个主要由美国空军资助的研究机构)对报告进行进一步的评估。1966 年 MITRE 评估完成,他们认为 Baran 的方案可行并推荐继续推进。此时距离 Baran 完成报告已经过去了 4 年,理论上来说这个项目下一步将会进入实际的建设阶段,这将由美国国防部(Department of Defense)来统筹,具体来说其实是交由国防部下属一个叫做国防通讯局(Defense Communications Agency,简称 DCA)的部门来负责。国防部里对于是否资助某个通讯系统项目的一个关键决策人叫做 Frank Elldridge,Frank 曾在 RAND 公司任职同时也是 Baran 的朋友,他很早之前就非常支持 Baran 的研究项目。到了这个阶段似乎一切都很顺利,但有一个背景知识是 1966 年的 DCA 其实在技术能力上还非常弱,特别是数字化技术这样的「新兴」领域,DCA 的管理者们不了解也几乎没有兴趣去了解。因此 Baran 和 Frank 在经过讨论以后得出了一个相同的结论,那就是当时的 DCA 无法胜任建设分布式网络通讯系统这件事情,甚至可能会搞得更糟。他们决定暂停推进项目建设,与其搞一个不好的系统出来还不如什么都不做,直到他们认为合适的组织或机构出现。类似这样的「艰难」决定你可能会在计算机历史的长河中不断发现,计算机的先驱们可能只是某个理论的提出者,真正发扬光大还得依赖各种外部环境,「天时地利人和」缺一不可。

中年时期的 Paul Baran
中年时期的 Paul Baran

1968 年 42 岁的 Baran 离开了他已经工作了 9 年的 RAND 公司,这一次出走也开启了他后半生这段或传奇或平淡的连续创业历程。

离开 RAND 后 Baran 与 Olaf Helmer、Ted Gordon 共同创办了一家叫做「未来研究所」(Institue for the Future,简称 IFTF)的公司,这 3 位其实都是 RAND 公司的前雇员,和 RAND 有着千丝万缕的联系。1980 年代早期,Baran 创立了 Packet Cable 公司(后更名为 Packet Technologies),为有线电视提供传输系统支持。1962 年贝尔实验室发明了用于数字信号传输的第一代 T-carrier 系统(也被称为 T1 或者 DS1)只有 24 个传输通道,Packet Cable 公司的一个创举是将其提升至了 96 个传输通道。在运营 Packet Cable 公司的过程中 Baran 又有了关于如何实现高速调制解调器的想法,于是在 1984 年继续创立了一家叫做 Telebit 的新公司,Packet Cable 同时也是 Telebit 的早期客户。后来 Packet Cable 公司濒临破产,很大一部分员工也就很自然地加入到了 Telebit 公司。Telebit 公司于 1996 年被思科收购。

1985 年 Baran 和 David M. Elliott 博士共同创立了 Metricom 公司,提供无线互联网访问服务 Ricochet,成为为公众提供无线服务的先驱之一,早于 Wi-Fi、3G 等无线技术的普及。和当时的大多数公司一样,2000 年初破裂的互联网泡沫让 Metricom 公司遭受重创,并于 2001 年 7 月提交了破产申请。戏剧性的是,同年 9 月 11 日纽约世贸中心遭受了震惊世界的恐怖袭击,直接造成纽约市的通信设施瘫痪,为了保证搜救阶段的通信顺畅,纽约市重新启用了 Ricochet。虽然只有 128Kbps 的传输速度,但 Ricochet 帮助纽约市渡过了那段艰难的时光。Metricom 公司申请破产后经历数次收购与转让,最终还是没能存续下来,于 2009 年正式宣告终结。

1992 年 Baran 创立了 Com21 公司,Com21 是线缆调制解调器(cable modem)的先驱之一,到 2001 年 Com21 已经成为了欧洲市场最大的供应商,在美国市场也排名第三。不过 Com21 的命运和 Metricom 一样,于 2003 年申请破产。同年 Baran 继续创立了 GoBackTV 公司,专注于提供面向个人电视和 IPTV 的基础设施。2009 年 Plaster Networks 公司成立,这成为了 Baran 创立的最后一家公司。

2011 年 3 月 26 日,Baran 因肺癌产生的并发症于 Palo Alto 的家中去世,享年 84 岁。Baran 生前一直认为公众将他视作互联网诞生的重要起点有些过誉,在 2008 年一次采访中他提到他仅仅是做了一件小事,当他在 1960 年代完成「On Distributed Communications」报告时,他更大的期望是这些报告能够启发更多的人参与到这项研究中来。技术的发展也的确如他所设想,互联网切实地改变了人类的生活,这使得 Baran 感到无比欣慰。

想象一下世界的信息都在你的指间流动,贫富差距将不断缩小,我看见的互联网正引领着人们朝着一个更和平的世界前进。

如果你坚持看到了这里,感谢你的耐心与肯定。最后让时间再回到 1960 年代,美国彼岸的英国其实也在经历着一系列类似的变革,不过详细的故事让我们留到下期再讲。

参考资料