想網(wǎng)速更快，向螞蟻學(xué)習(xí)

孫子厚

一個(gè)TCP笑話

“你好，我想聽(tīng)一個(gè)TCP的笑話。”

“你好，你想聽(tīng)一個(gè)TCP的笑話？”

“是的，我想聽(tīng)一個(gè)TCP笑話?！?/p>

“好的，我會(huì)給你講一個(gè)TCP笑話?！?/p>

“太好了，我會(huì)認(rèn)真聽(tīng)這個(gè)笑話。”

“你現(xiàn)在準(zhǔn)備好聽(tīng)這個(gè)TCP笑話了嗎？”

“當(dāng)然，我已經(jīng)準(zhǔn)備好聽(tīng)了。”

“很好，我馬上要講這個(gè)TCP笑話了。它沒(méi)有場(chǎng)景，10秒鐘長(zhǎng)，有兩個(gè)人物，結(jié)尾有點(diǎn)睛之筆?！?/p>

“好的，我早已洗耳恭聽(tīng)了，它沒(méi)有具體場(chǎng)景，10秒鐘長(zhǎng)，有兩個(gè)人物，結(jié)尾有點(diǎn)睛之筆?！?/p>

“噢，不好意思，你接連超時(shí)了。

……

你好，想聽(tīng)一個(gè)TCP的笑話嗎？”

你明白這個(gè)TCP笑話了嗎？它講的就是網(wǎng)絡(luò)堵塞，連接超時(shí)乃至中斷。平時(shí)上網(wǎng)時(shí)，這個(gè)問(wèn)題我們常會(huì)遇到。TCP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕椒?，現(xiàn)在它亟待升級(jí)，以解決網(wǎng)絡(luò)堵塞問(wèn)題，而螞蟻——非人類工程師或許能幫助人類解決這個(gè)問(wèn)題。

蟻群功能是1+1﹥2

網(wǎng)絡(luò)和螞蟻有什么聯(lián)系呢？似乎難以想象。然而，千萬(wàn)不要混淆一只螞蟻和一個(gè)蟻群的概念，它們完全不對(duì)等，好比一棵樹(shù)和一片樹(shù)林完全不是一回事。

美國(guó)斯坦福大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蟻群非常獨(dú)特。在美國(guó)亞利桑那州沙漠里，螞蟻會(huì)一只一只出窩覓食，除非找到食物，否則它們不會(huì)空手回窩。螞蟻覓食中途，如果遭遇意外永遠(yuǎn)回不來(lái)，蟻群會(huì)怎么辦？如果遇上正午天氣又熱又曬，又會(huì)怎么辦？

通過(guò)長(zhǎng)期觀察，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蟻群完全適應(yīng)沙漠氣候，覓食的這些困難根本影響不了它們，而且它們還有許多未解之秘。

當(dāng)遇到又熱又曬的極端天氣時(shí)，螞蟻靠窩里儲(chǔ)存的食物生活，蟻群只派出少量螞蟻覓食；當(dāng)食物少，螞蟻就長(zhǎng)時(shí)間不回窩，一直在外覓食；當(dāng)食物多，它就很快回窩，覓食時(shí)間就短。準(zhǔn)備外出覓食的螞蟻會(huì)守在洞口一個(gè)窄道里。當(dāng)覓食的螞蟻回窩途經(jīng)此道，遇見(jiàn)等候的螞蟻，就會(huì)放下食物，然后兩只螞蟻用觸角相互碰觸。洞口螞蟻是否外出覓食，取決于相互碰觸的次數(shù)以及碰觸的時(shí)間。就這樣，一個(gè)復(fù)雜的集體行為完全由簡(jiǎn)單的個(gè)體碰觸而主導(dǎo)。

天氣怎樣，沒(méi)有人能斷言。是否適合覓食，一只螞蟻或許判斷不出，但蟻群卻可以確定。1+1﹥2意味著整體的能力超過(guò)了部分相加之和，蟻群就是這樣一個(gè)整體。而且科學(xué)家相信，對(duì)蟻群研究得越深入，越會(huì)發(fā)現(xiàn)有用的東西。

蟻聯(lián)網(wǎng)的對(duì)比

現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)上，傳輸控制協(xié)議（TCP/IP）是傳送信息的基礎(chǔ)，也是互聯(lián)網(wǎng)重要的組成部分?；ヂ?lián)網(wǎng)包含大量信息內(nèi)容（如網(wǎng)站、視頻、音頻、文本），以及許多硬件設(shè)備（如路由器、纜線、衛(wèi)星、基站、電腦）。

假如一臺(tái)設(shè)備用TCP協(xié)議傳輸一份文件，它會(huì)把文件拆分成許許多多的小份，稱為“數(shù)據(jù)包”。它向接收設(shè)備發(fā)出一連串?dāng)?shù)據(jù)包，并監(jiān)控對(duì)方是否收到。如果收到，就返回“確認(rèn)符”以標(biāo)記，并以此調(diào)整剩余數(shù)據(jù)包的傳輸速度。

但有時(shí)傳輸數(shù)據(jù)擁堵、網(wǎng)速變慢，造成部分網(wǎng)絡(luò)癱瘓，甚至中斷連接。TCP協(xié)議發(fā)明于20世紀(jì)70年代，如今它急需改進(jìn)。科學(xué)家從螞蟻身上得到了啟示，并將蟻群系統(tǒng)稱為“蟻群算法”、“蟻聯(lián)網(wǎng)”（英文Anternet）。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，蟻群以食物量為參照，計(jì)算派出螞蟻數(shù)量的方法，與互聯(lián)網(wǎng)傳輸控制協(xié)議TCP相比，它們?cè)诒举|(zhì)上一模一樣。蟻群的目標(biāo)是派出更少螞蟻而收集更多食物，TCP的目標(biāo)是盡量避免擁堵而更快傳輸信息。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，就好比派出一只螞蟻外出覓食；返回一個(gè)確認(rèn)符，就好比覓食的螞蟻帶回了食物。如果很快返回大量確認(rèn)符，就意味著網(wǎng)速暢通，帶寬足用，而足用意味著發(fā)送端將發(fā)送更多數(shù)據(jù)包。這就好比覓食的螞蟻很快回窩，意味著覓食返回，食物足用，而足用也意味著蟻群將派出更多螞蟻。反之，如果確認(rèn)符返回得慢，發(fā)送數(shù)據(jù)就變慢；同樣地，如果螞蟻覓食返回得慢，蟻群派出螞蟻也將變慢；如果它們根本不返回，那么派出和發(fā)送也將停止。對(duì)蟻群來(lái)說(shuō)，停止意味著暫時(shí)不派出任何螞蟻覓食；對(duì)TCP來(lái)說(shuō)，則意味著連接超時(shí)（即中斷）。

強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，上述這個(gè)例子只是簡(jiǎn)化版TCP，不代表它全部功能，但用來(lái)說(shuō)明兩者相似卻足夠了。

蟻聯(lián)網(wǎng)有數(shù)百萬(wàn)年歷史，它是螞蟻擁有并持續(xù)使用的計(jì)算方法。通過(guò)蟻聯(lián)網(wǎng)，蟻群把覓食損失降到最低，而且覓到了食物。TCP目的就是把數(shù)據(jù)擁堵降到最低，并且盡快傳輸信息。這兩者實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的同時(shí)，都不需要額外的監(jiān)督體系。

蟻聯(lián)網(wǎng)的啟示

每個(gè)蟻群都有一只蟻后，它不覓食不工作，靠其他螞蟻喂養(yǎng)。它的地位最高，但是它卻幾乎沒(méi)有“政治”權(quán)力，實(shí)際上，蟻后只是一只專職于繁殖工作的螞蟻工。另外，蟻群里沒(méi)有像公司那樣的“經(jīng)理”，時(shí)刻關(guān)注天氣環(huán)境變化，并報(bào)告給外出覓食的螞蟻。

唯一已知的就是，洞口窄道里兩只螞蟻用觸角碰觸的次數(shù)和時(shí)間，決定了蟻群算法的結(jié)果。一只螞蟻的信息極其有限，這就決定了蟻聯(lián)網(wǎng)的算法必須簡(jiǎn)單，而且是分布式的、數(shù)據(jù)化的、可測(cè)量的。互聯(lián)網(wǎng)上，我們同樣要設(shè)計(jì)分布式計(jì)算，并借助這種特性，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)每個(gè)單元能更加數(shù)據(jù)化、更加可測(cè)量。這也是互聯(lián)網(wǎng)信息共享的偉大之處。

另外，如果把蟻群比作互聯(lián)網(wǎng)上無(wú)數(shù)個(gè)“0101”組成的計(jì)算機(jī)代碼，就能以新思路設(shè)計(jì)更好的計(jì)算機(jī)程序——蟻群算法程序，實(shí)踐證明它用來(lái)計(jì)算最優(yōu)化路徑時(shí)特別有效。

然而還有問(wèn)題需要深入研究，既然蟻群派出的螞蟻數(shù)量，取決于兩只螞蟻觸角碰觸的次數(shù)和時(shí)間，那么碰觸時(shí)，螞蟻到底“交流”了什么信息？這些信息又怎樣決定了螞蟻的行為？螞蟻的個(gè)體行為，又怎樣決定了蟻群的整體行為？

如果這些問(wèn)題都能進(jìn)一步弄明白，或許就能完全解決今天網(wǎng)絡(luò)擁堵的問(wèn)題，又或許如果蟻群算法提早發(fā)現(xiàn)，TCP歷史就會(huì)改寫，乃至不存在今天的問(wèn)題。