對話「網際網路先驅」：星際網際網路究竟可不可行？

Vinton Cerf，網際網路之父之一，正在建立行星際網際網路方面發揮著關鍵作用。

太空探索困難重重，信號傳遞更是一大歷史性難題。太空人需要與控制中心保持聯繫，最好是能夠隨時發起視頻通話。而太空飛行器，也需要以高速、低延遲方式發送收集到的數據。起初，宇航領域設計並部署了自己的獨特通信系統，雖然效果很好，但卻很難規模化擴展。直到1998年的一天，「網際網路先驅」Vinton Cerf設想了一種新型網絡，能夠提供更強大的功能以支持不斷增長的太空人群與載具。

星際網際網路的夢想，也由此拉開帷幕。

但將網際網路擴展至太空，絕非在火箭上裝Wi-Fi那麼簡單。科學家們面臨著新的障礙：首先，通信各方之間的距離需要達到字面意義上的「天文數字」，且行星會持續移動並阻塞信號傳播。地球上任何希望向太空中通信對象或其他星球發送消息的用戶，都必須忍受經常中斷的通信路徑。

Cerf回憶起他與行星際網絡特別興趣小組的同事們的早期工作時說道，「我們首先是為網際網路標準進行數學計算，這套數學模型在地球上表現良好。但著眼於無垠太空，光速的傳播還是太慢了。」克服這個問題無疑是一項艱巨的任務，但這位美國計算機科學家、前史丹福大學教授已經習慣於迎接重大挑戰。

幾十年前，Cerf與Robert Kahn為地面網際網路開發出架構及協議套件，被稱為傳輸控制協議/網際網路協議（TCP/IP）。每一位曾瀏覽過網絡，發送過電子郵件，或者下載過應用程式的網民，都應該對他們表示感謝。但Cerf坦言，「很多人都為網際網路的創立做出了貢獻。」

為了在地面網際網路上傳輸數據，TCP/IP需要路由器建立起完整的端到端路徑，這些路徑可以通過銅纜、光纖或蜂窩數據網絡等鏈路轉發信息包。Cerf與Kahn當初並未設計用於存儲數據的網際網路，部分原因在於，上世紀70年代初期內存成本太高。因此，如果沿路徑的鏈路發生中斷，路由器將直接丟棄該數據包，而後從源處重新發送該數據包。這在地球的低延遲、高連接性環境下效果很好。但是，太空網絡更易受到幹擾，因此需要採用完全不同的實現方法。

Cerf指出，「TCP/IP在行星際距離方面不起作用。因此，我們設計了一組可行的新協議。」

2003年，Cerf與一支研究人員小組介紹了新的捆綁協議。捆綁是一種具有中斷/延遲容忍性的網絡（DTN）協議，能夠將網際網路直接拓展到地球環境之外。與地球網際網路的基礎協議一樣，捆綁同樣採用分組交換機制，這意味著數據包將沿著路由器不斷改變方向，最終遵循網絡路徑設置從源點被發送至目的地。但是，捆綁協議擁有地面網際網路所不具備的一系列特殊屬性，例如可以存儲信息的節點。

Cerf解釋道，例如，從地球到木星的數據包，可能需要流經火星上的中繼站。但是，當數據包到達中繼站時（地球距離火星約4000萬英裡，而地球與木星之間的距離則高達4億英裡），火星當時的朝向可能並不正確，無法將數據包立即發送至木星。

Cerf設問道，「為什麼要丟棄這些信息，而不選擇掛載這些數據直到兩顆行星的朝向發生變化？」這種存儲轉發功能，使得捆綁數據包在面臨大規模中斷與延遲之下，仍能一次次堅定地跳轉至目的地。他最近在這方面發表了主題論文，強調Loon SDN（用於管理太空行動網路的技術）在美國宇航局（NASA）下一代太空通信架構中的適用性。

除了行星際網際網路之外，現年70歲的Cerf還專注於作為谷歌首席網際網路布道師的其他日常工作。他喜歡這個頭銜，希望通過自己布道師的身份，通過全球政策制定，將網際網路傳播到世界上的每一個角落。

他既樂於處理嚴肅工作，同時也保持著活潑的生活情趣。他的鬍鬚一絲不苟，總是穿著三件套西裝（有人說他的形象正是〈黑客帝國〉中建築師角色的靈感來源）；但他也曾在主題演講中解開自己的襯衫，裡面的T恤上寫著「一切應奉IP之名！」

圖：Vinton Cerf熱衷於探索太陽系，他與噴氣推進實驗室（JPL）、行星際網絡特別興趣小組等各方保持合作，希望為太空中的太空人及計算機提供具備強大延遲耐受能力的網際網路協議。

問：您的星際網際網路念頭從何而來？

Vinton Cerf：那是1998年春天，我們當時在噴氣推進實驗室組織了一場九人會議。有人問：從現在開始的25年當中，太空探索會發展到什麼地步？曾經在JPL工作過，隨後又供職於NASA總部的Adrian Hooke其實才是星際網際網路的真正支持者與推動者。雖然他幾年前已經去世，但正是他將這支團隊團結在了一起。

我們對太陽系的研究已經持續了幾十年，但無論是人類還是機器，太空探索工作總要涉及無線電通信，包括直接點對點，以及通過所謂的「彎道」路徑。換言之，我們永遠需要使用無線電中繼站來接收信號，並對其進行再次廣播，藉此提高超遠距離信號傳遞的可達性。

我們的小組問道：我們能做得更好嗎？我們能否利用網際網路技術改善太空通信，特別是隨著太空飛行器數量的持續增加，我們該如何在月球或者火星上部署定居點、並為其提供通信支持？這一切都還是未知數。

問：那麼，從捆綁協議構思起，已經過去了幾十年，星際網際網路是否已經建立並開始運行？

Vinton Cerf：我們不需要也不可能親自跟進所有工作。我們要做的，只是建立起類似於地面網際網路的標準，免費發布這些標準，而後實現互操作性，最終保證各個航天國家之間能夠相互幫助。

對於多任務基礎設施，我們正努力邁出下一步——設計星際骨幹網的功能。以此為基礎，後續太空飛行器的製造與部署，都將成為星際骨幹網建設項目以及標準協議中的一部分。接下來，當這些太空飛行器完成主體科學任務之後，便會被重新定位為骨幹網中的節點。隨著時間推移，我們的星際骨幹網體系將逐步鋪開、成型。

問：這項工作已經開始了嗎？

Vinton Cerf：2004年，火星探測車本應通過深空網絡將數據傳輸至地球，澳大利亞、西班牙與加利福尼亞州的三根70米長天線也做好了接收準備。但是，該頻道的可用數據傳輸速率僅為每秒28KB，實在太過有限。而且在傳輸信號時，設備還會過熱，最終導致傳輸被迫中斷。實際數據傳輸速率甚至還達不到這個水平，科學家們對此感到憤怒而沮喪。

JPL的一位工程師使用一款超酷的原型軟體，對億萬英裡以外的流動站及軌道器進行了重新編程。我們建立起一套小型存儲轉發星際網際網路，此網絡中擁有三個基礎節點：火星表面的火星車、軌道器以及地球上的深空網絡。這套網絡也在2004年之後一直保持運行。

問：從那時以來，星際網際網路的規模也在逐漸增加，對吧？

Vinton Cerf：我們一直在完善這些協議的設計，並加以實施、測試與完善。最新協議已經在地球與國際空間站之間往來中繼運行。

我們還做了不少其他測試。有人告訴我們，「你們可以把協議上傳到我們的太空飛行器上進行測試。」這是一架即將登陸彗星星體的EPOXI太空飛行器，距離地球81光秒。面對友好的邀請，我們當然也就恭敬不如從命。

我們還在國際空間站進行了另一項測試，當時太空人正在控制位於德國的一輛小型機器人無人車。其實一般來說，我們不會跨越超遠距離進行直接操控——否則，如果我們在地球上操縱火星上的車輛，那麼信號抵達火星需要20分鐘。意味著地球這邊轉動一下方向盤，20分鐘之後那邊的探測車會轉彎，然後直接掉到懸崖下面。又過了20分鐘，地球這邊才能發現造價60億美元的設置就這樣報廢了。但這種直接操控能夠在國際空間站與地球之間起效，因為二者的直線距離只有幾百英裡。這項測試的訴求，在於幫助太空人在降落至其他星球之前繞軌道保持運行，並通過遙控在目標星球表面上實時部署遠程設備。

問：用戶體驗如何？星際網際網路的捆綁協議與地球網際網路的TCP/IP在使用感受上一樣嗎？

Vinton Cerf：星際網際網路的操作感受沒有那麼強的交互感。用戶要麼處於翻頁模式，要麼處於「回看過去一段時間內錄製內容」模式。這更像是在查閱電子郵件。

捆綁協議的重點在於，勇敢承認過高的延遲令實時交互變得不可能實現。而這也給協議的設計帶來了限制。

問：看起來您已經解決了核心問題，目前還有什麼其他障礙嗎？

Vinton Cerf：在技術設計上建立協議是一回事，但實際實施協議又是另一回事。對新事物的嘗試往往充滿阻力，因為「新」本身就代表著可能存在風險、難以判斷是否切實有效。除非冒險，否則我們無法做出充分證明。

我們正努力說服設計太空任務的人員對這些協議進行充分測試。這是一個艱難的過程，還有很多工作要做。我們必須為支持太空探索的商業企業提供現成功能，也必須向負責任務設計的科學家們證明「這就是我們的現有能力。」

只有這樣，我們才能做出雄心勃勃的嘗試，充分測試星際骨幹網的設計假設。正所謂大膽假設、小心求證，如果被假設本身所限制，由此設計出的通信能力也必然非常有限。

問：星際網際網路會催生出新的太空探索方法，進而帶來新的發現嗎？

Vinton Cerf：星際網際網路是一套用於支持星際活動的基礎設施，可能屬於研究性項目，但有朝一日也有望實現商業化。它的基礎設施屬性與地球上的網際網路一樣。網際網路沒有發明或者發現任何東西，它只是人們進行協作並發現新事物的載體。

問：那麼，DTN協議在地球上會不會帶來重要啟示呢？

Vinton Cerf：瑞典的一位工程師曾打算使用DTN協議跟蹤拉普蘭地區的馴鹿。馴鹿這種動物喜歡四處遊蕩，總是在無線電系統中進進出出。這是一種難以預測的環境，不同於能夠準確計算的軌道力學與相對穩定的接觸環境。為了驗證DTN協議對這類環境的適應能力，我們正在拉普蘭地區進行測試。

另外，在海洋研究當中，科學家們往往會在海洋表面或者海床上部署用於生成及存放數據的食品，但卻未必能始終與其保持連接。在地球觀測層面，傳感器可以部署在林地中，但同樣無法持續廣播。這些場景當然需要一種協議，能夠將暫時無法實時發送的數據存放起來。事實上，任何依靠電池供能的設備，出於能源效率的考慮，都不應該採取持續傳輸方式。

間歇性存儲轉發功能在地球上當然也很有用，特別是在發生重大災難之後，人們可能沒有充分的通信功能可以使用。在這類資源不足的場景下，不妨在TCP/IP之外使用DTN，以提供快速恢復模式進行全面覆蓋。

問：對於地球網際網路，從TCP/IP轉向DTN是否具有現實意義？

Vinton Cerf：我們已經證明，儘管DTN協議的運行成本要高於傳統TCP/IP協議，但其傳輸速度確實更快。但是，我覺得不少場景其實很難引入DTN，具體還是要看當地TCP/IP的部署情況。

網際網路行業還發展出另一種名為QUIC的協議，不僅能夠提高數據傳輸速率，還能夠更快從故障或中斷中恢復。但是，這種演進與DTN並沒有什麼關係。

另一方面，對於聯網性能較差的手機，DTN功能也許能夠幫上大忙。目前我們正在研究如何在移動環境下使用DTN協議。

問：作為網際網路之父與網際網路布道師，您對於自己的造物是否抱有憂慮？

Vinton Cerf：網際網路濫用確實是個問題。誤導性消息與惡意軟體比比皆是，攻擊活動、網絡釣魚、勒索軟體等等，明顯都背離了網絡基礎設施的設計初衷。這令人痛苦，但這也正是人的本性所在。

我們需要在網絡環境中建立深層治理，但這項工作困難重重。中國建立起一整套龐大的防火牆體系，將所有國內用戶託管於其中。雖然這不一定是最好的解決方案，但問題就在那裡，總要為此做點什麼。在不走極端的情況下，我們到底該如何應對？我自己沒有確切的答案——我很希望有這樣的答案，但很遺憾確實沒有。

這件事確實給我造成了很大的困擾。長久以來，我們一直在關注星際網際網路這類純科學成果，雖然這些成果確實讓人耳目一新，但後續的治理與運營才是最重要的工作。