學術探奇

蝴蝶效應──網絡傳播技術的蛻變

中文大學卓敏信息工程學講座教授楊偉豪教授

互聯網經常被喻為信息的超級高速公路,不是完全沒有道理。在虛擬的網絡中,動輒以MB(Megabyte),甚至TB(Terabyte)或PB(Petabyte)計的信息川流不斷,其間於交匯點停停進進,傳播途徑由路由器控制支配。

和鋼筋水泥造的公路一樣,信息的超級高速公路也不是常常暢通無阻的。現實的道路固然長度及寬度有限,信息公路亦然,其傳輸容量也有上限。當兩個載體(不管是車輛或信息數據包)於交匯點相遇,只有其一可先行通過,另一則必須停留等候。由此可見,交通流量愈大,擠塞的情況也愈見頻繁。所以,每當熱門的音樂會或足球比賽門券在網上公開發售的一刻,你總是上不到網,你便知道在信息公路上有着上千甚至上百萬的人與你爭路,出現了「堵車」現象。

在現今人人相互連結的世界,大量用家同一時間維繫於同一個網絡,最突出的例子是如迷宮般的互聯網了。圖一是多點傳送傳播網絡的一個基礎模型。

假設信息來源s經由不同路線把信息X及Y分別傳送至t2及t1,標上數字的交點(我們可視之為路由器)便是信息儲存及轉發之處。每條線代表在特定時間內可傳送一個位元信息的渠道(亦即其傳輸容量)。X和Y的傳輸路徑可如下表示:

X: s—1—3—4—t2
Y: s—2—3—4—t1

顯然而見,交點3及4是瓶頸所在,由於容量所限,X和Y總共兩個位元的信息不能同時通過。

在2000年,包括現為中文大學卓敏信息工程學講座教授的楊偉豪教授及同屬中大的李碩彥教授在內的一群信息理論專家,提出一個全新的傳播網絡傳輸模型;他們認為網絡的中轉點並不一定要原原本本地把信息送出,而是可以把信息內容經合併編碼才傳送,以盡用頻寬的容量。簡言之,只要把數據包的內容加上線性組合的編碼,便可做到。

看看圖一,當X及Y兩項信息傳至交點3,X和Y被編碼為新的一個一位元的信息X+Y,再傳至交點4,續往其目的地t2及t1。 如此一來,既不會超逾渠道的容量,也不會延誤傳輸。當信息傳至終點,只要有足夠的線索或指示,即可重組原來的信息內容。這樣,不但處理信息能力大大提高了,因遺失信息數據而不能重組原來信息的風險也相對減低,傳輸變得更安全可靠。互聯網瀏覽者遇到上網沒回應而需要重新下載圖文的機會也將減少。就傳輸效率而言,編碼肯定勝過路由。

圖一:多點傳送傳播網絡的基礎模型(左)及網絡編碼的模型(右)

這項新穎技術是為網絡編碼,該網絡則被稱為蝴蝶網絡。信息過去被認為是不可分割的整體,但網絡編碼革新了這個看法。楊教授表示,「在網絡傳播中,信息不是一件商品。」套用微軟研究院吳韵楠及多倫多大學李葆春教授的評語,網絡編碼的優點是傳輸效率高、易於管理及適應不同的網絡環境。

另一共用傳播網絡的例子是衞星廣播,信號經由地面發射器傳送至太空的衞星,再由衞星轉發至一個或多個地面接收站(圖二)。發射器是信號源頭,衞星是中轉站,而接收站則是終點。楊教授說,現時大部分衞星廣播仍然採用路由方式,當空中有那麼多信號在交叉往來,無怪乎會偶有阻礙,特別是當全球數以百萬計人都爭奪來自同一源頭的信號時。然而,如果改用編碼方式,由衞星先把信號編碼,才發送至接收站(圖二),便可提升傳送效率。觀眾收看現場直播球賽時,因「技術問題」而受到的干擾自會減少。

圖二:衞星廣播作為共用傳播網絡的例子,信號經由地面發射器傳送至太空的衞星,再由衞星轉發至一個或多個地面接收站。

時至今日,蝴蝶網絡的影響無遠弗屆,網絡編碼普遍用於無線通信、數據存儲、渠道編碼、計算機網絡、網絡交換理論及密碼學,而數學、物理及生物等學科也在探討網絡編碼的理論應用,並取得突破性的成果。

楊教授與李碩彥教授於中大創立了網絡編碼研究所,並一起出任該所所長。研究所更獲特區政府撥款機構評定為卓越學科領域,並正繼續網絡編碼的前沿研究,以及其於互聯網、無線通信、數據存儲及安全和生物信息等領域的應用。楊教授指出,網絡世界愈趨複雜多變,牽涉的數據量愈趨龐大,故網絡編碼的發展和應用潛力相當大。例如雲端計算的概念便繫於儲存龐大的數據和安全可靠的檢索能力。又如流動應用程式,不管是遊戲、視像數據串流,或是社交聊天和會議,都要依靠一個流暢無阻、快捷、多點聯繫,以及發出和接收點都瞬息萬變的通信網絡。

十多年前一個數學概念上的大膽突破,造就了或許是二十一世紀電信科技最矚目及影響深遠的發展之一,楊教授說:「有這麼的一個說法,我們現在生活的資訊年代,是由第三次工業革命帶來的,我相信網絡編碼會是帶領我們進入下一個革命階段的蒸汽引擎。」

本文出自《中大通訊》第420期(2013年6月)

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信息工程學系 工程學院 無線通信 電信 網絡編碼 楊偉豪 李碩彥 教授