约翰·道尔对互联网感到担忧。在未来几年内，数百万人将接入互联网，现有用户也将因在线电影服务和网络电话等应用而对我们的数字基础设施提出更高要求。道尔预测，这种暴涨的流量可能导致互联网速度慢得像一场灾难性的爬行，无休止的数字拥堵将扼杀我们的经济。但道尔，这位加州理工学院控制与动态系统、电气工程和生物工程教授，也相信互联网可以被拯救。他和他的同事们创造了一种理论，揭示了一些简单而强大的方法来加速信息流。极大地加速信息流：道尔和他的同事现在可以在15分钟内将美国国会图书馆所有书籍的全部文本传输到美国各地。
我前往帕萨迪纳了解道尔的工作，但他的建议是不要在他的实验室见面，而是在他的健身房，这让我有点困惑。道尔走上跑步机，开始奋力奔跑。我打开我的机器，努力跟上。53岁的道尔身材修长，面部如鹰。他是一名冠军运动员，每天至少进行两次剧烈锻炼。我很难喘过气来向道尔提问，但他却能轻松地滔滔不绝。随着他的讲述，我开始意识到他在这里见我的秘密意图。跑步机是理解他思想的绝佳起点，因为对道尔来说，世界充满了复杂的网络——而一个正在锻炼的身体正是这些网络的绝佳例子。
像互联网这样的互联计算机系统显然是一个网络，但喷气式客机、人体甚至细菌细胞也是如此。它们都是网络，因为它们由大量协同工作的部件组成。强大的网络拥有即使在条件不可预测地波动时也能继续顺利协同工作的部件。就互联网而言，一百万人可能同时尝试发送电子邮件。就道尔的身体而言，在跑步机上，尽管他将自己推向极限，其生理机能仍保持稳定。“在你体内，一切都在疯狂运转，”道尔说，“但所有这些都在保持你的体温稳定，身体直立。”
然而，道尔知道，看起来完美无缺的网络可能在几乎没有预警的情况下走向崩溃。他发现，为了实现健壮性，所有系统都必须遵循某些规则。健壮性并非没有代价。当一个系统在某些条件下被调整得健壮时，这种调整也会使系统在其他（有时是意想不到的）条件下变得脆弱。健壮性和脆弱性是并存的。当道尔在跑步机上奋力奔跑时，他将自己的身体作为第一个例子。他优化了自己的身体以应对赢得铁人三项赛的严峻挑战，但这样做也使他的身体容易受到非运动员很少遇到的问题的影响。他有糟糕的脚踝、腹股沟受伤以及一生中运动造成的其他伤病。去年八月，他在巴拿马徒步时从岩壁上摔下，差点丧命。
跑步机慢了下来，最终停下。道尔检查了他的脉搏。“我之所以对健壮性如此感兴趣，”他说，“是因为我如此脆弱。”
道尔于1975年来到麻省理工学院，并爱上了一门被称为控制理论的科学。粗略地说，控制理论家试图理解复杂事物如何能高效、快速、安全地运行，而不是崩溃、爆炸或以其他方式停滞。他们通过建模决定系统行为的变量来分析系统。但是，控制理论家不是检查变量的每种可能组合，以查看例如飞机在风起时是否会平稳飞行或失速，而是寻找潜在的控制定律，这些定律只需几个关键变量就能预测事物的行为。“控制理论是现代技术的核心，”道尔解释道。
在过去的一个世纪里，随着技术变得越来越复杂，研究人员不得不寻找新的方法来控制飞机、工厂、计算机等。这些进展大部分是通过蛮力修补实现的，但也有很多是源于对基本控制定律日益增长的理解。道尔在本科时就开始发展自己创新的控制理论思想。到1976年，他已经为霍尼韦尔公司提供咨询服务。32岁时，他被加州理工学院聘用并立即获得终身教职。
道尔通过弄清楚如何证明一个系统是稳健的而名声大噪。20世纪80年代初，美国国家航空航天局（NASA）请他研究航天飞机。当时已有几架航天飞机飞行过，但该机构希望确保它们在重返大气层时的行为。通过风洞和计算机模拟，NASA设计出了看似稳定的方案，但变量太多，无法测试所有情况。“你面临着一个极其庞大的可能性空间，”道尔说，“某个地方可能潜藏着一次坠机，而你却不知道。”
道尔研究了可能作用在航天飞机上的所有力，这些力来自大气条件、航天飞机在空气中的速度等等。NASA 的工程师将这些力绘制在一个所谓的“多维空间”中——例如，一个沿一个轴的俯仰力矩，另一个沿另一个轴的纵向加速度。通过开发新的数学工具，道尔证明了在这个多维空间中存在一个体积，在这个体积内，力的每种组合都肯定是安全的。超出该区域则潜藏着灾难。航天飞机设计舒适地位于安全区域内。
“我们不仅能展示它是安全的，我们还能证明它。”道尔说。
道尔为测试航天飞机而开发的技术已成为测试飞机和直升机新设计的标准工具。但道尔心中有一个更根本的问题：安全区域可以做得多大？
当然有可能使事物更坚固——换句话说，扩大安全区域。喷气式客机比世界上第一架飞机，1903年的莱特飞行者号要坚固得多。道尔研究了一个自20世纪30年代和40年代控制理论诞生以来一直困扰研究人员的问题：坚固性的增长是否存在任何根本限制？他关注工程师使事物更坚固的最重要方法之一：通过增加反馈回路。喷气式飞机可以跟踪其运动、温度和一系列其他读数，并且可以不断纠正每个读数，调整自身以使变量恢复正常。但道尔展示了在某些条件下仅仅提高坚固性如何制造新的失败机会。喷气式飞机在高风中比莱特飞行者号稳定得多，但另一方面，它容易受到莱特兄弟从未担心的软件错误的攻击。“你用大量的软件故障取代了机械故障，”道尔说。
在20世纪90年代，随着“混沌理论”的出现，研究各种复杂系统成为一种时尚。这种理论的各种竞争版本层出不穷；混沌被吹捧为未来的科学。道尔对大多数新思想不以为然。“我很清楚，它们简直是差之毫厘，谬以千里，”他说。道尔发明了一个名字，结合了他遇到的所有时髦流行词：“突发混沌复杂性”（emergilent chaoplexity）。
道尔厌恶“突发混沌复杂性”的一个原因是，它依赖于肤浅的模式。相比之下，道尔坚持认为他的分析源于事物实际运作的细节。
例如，道尔指出了所谓的无标度网络。许多这类网络——相互连接的机场、朋友、人体中的神经等等——都具有相同的基本结构。少数节点是高度连接的枢纽，而大多数其他节点只有少量连接。任何一个小城市机场可能只连接到少数其他机场。乘客依靠在枢纽中转才能到达大多数其他地方。但如果你住在芝加哥，你可以从奥黑尔机场直飞数百个目的地。
一些研究人员，如圣母大学的阿尔伯特-拉斯洛·巴拉巴西（Albert-László Barabási），认为互联网也具有类似的结构，这解释了为什么即使部分系统出现故障，互联网也能继续正常运行。由于枢纽很少，涉及它们的故障就更罕见。但研究人员警告说，如果枢纽出现故障，将导致灾难。他们的警告登上了新闻头条，CNN在2000年报道：“科学家发现互联网的阿喀琉斯之踵。”
道尔对此并不以为然。“所有了解互联网运作方式的人都对此感到困惑，”他说。他决定与一群合作者合作，以前所未有的细节绘制互联网的一部分，以测试阿喀琉斯之踵理论。
在那张地图中，他们没有发现阿喀琉斯之踵。互联网确实在其核心有一些大型服务器，但这些服务器实际上连接性并不好。每个服务器只有少数链接，主要是通过高带宽连接到其他大型服务器。互联网上的大部分活动实际上发生在边缘，那里计算机通过相对低带宽的连接连接到小型服务器；想想办公室工作人员向大楼里的人发送了多少电子邮件，与他们向海外发送的邮件数量相比。道尔和他的同事发现，如果互联网核心的一个主要链接崩溃，它不会导致互联网随之崩溃。流量可以简单地通过其他主要链接重新路由。
尽管在过去30年里，互联网已经扩展了百万倍，吸收了从黑莓手机到iTunes音乐商店的新技术，而其用于数据传输的基本规则几乎没有重大变化，但它运行得异常出色。道尔现在知道为什么了。使互联网如此健壮的不仅仅是电缆和服务器的物理排列。道尔和他的同事们表明，运行互联网的软件使用反馈，就像喷气式客机的计算机一样。互联网可以感知不断变化的条件并自行调整。
互联网有两种反馈。它维护着不断更新的整个网络图景，以便信息可以沿着最快的路径传输。它还将这些信息分解并封装在标准化的数据包中，有点像使用联邦快递提供的标准化运单和箱子。每个数据包都可以通过互联网走自己的路径。当数据包到达接收方的计算机时，每个数据包中的信息片段会被提取并重新组合。至关重要的是，每个数据包到达时，都会向发送方的计算机发送一个回执。在流量繁忙时，一些数据包会丢失。为了响应丢失的数据包，计算机减慢发送数据的速度，从而减少拥堵。
这两种反馈共同赋予了互联网超出任何人预期的强大健壮性。“这些互联网工程师不是控制理论家，但他们构建了这个令人难以置信的健壮网络，”道尔说。“天哪，这太棒了。”话又说回来，这些工程师所做的事情，进化早已解决了。
回到道尔杂乱的加州理工学院办公室，他将健壮而脆弱的身体靠在书桌旁的躺椅上，将话题从技术转回生物学。大约在道尔开始使用控制理论来理解互联网的同时，他也开始用它来探索生命的机制。他意识到，如果他的控制思想真的是普遍适用的，那么细胞应该与飞机或互联网共享一些基本的组织原则——尽管要找到这些相似之处可能需要一些深入挖掘。“如果你想了解飞机如何飞行，观察鸟类会有所帮助，但你最终可能会认为一切都与拍打翅膀有关，”他说。“如果你也看看蝙蝠和昆虫，你会发现它与升力、阻力以及类似的东西有关。你利用它们来理解深层的东西。”
控制理论家们研究生命体已经几十年了，但直到最近，他们还缺乏像分析技术系统那样分析生命体的数学工具。道尔和他的同事们已经创造了一些这样的工具。秉承道尔务实的真实世界哲学，他随后着手研究这些工具如何应用于一种常见的细菌——大肠杆菌。他很快就发现了生命网络和技术网络之间惊人精确的相似之处。
例如，当大肠杆菌被加热到危险温度时，它能迅速产生数千种热休克蛋白，这些分子有助于保护微生物的正常运作。当温度下降时，热休克蛋白会迅速被分解。道尔证明，这种行为是通过细菌内部的一系列反馈回路发生的，类似于使飞机在自动驾驶状态下即使受到阵风冲击也能保持稳定的反馈回路。
道尔现在正在攻克大肠杆菌中一个更大的基因网络：负责其新陈代谢的主控网络。他和他的团队正在探索控制系统，这些系统使微生物能够摄食多种不同类型的糖，并将它们转化为构成细菌的数千种分子。大肠杆菌的新陈代谢堪称健壮，能够轻松承受显著的环境波动。
道尔发现，细菌之所以能如此高效运作，是因为它的组织方式与互联网非常相似。互联网和大肠杆菌在概念上都像一个领结，大量传入的物质汇聚到一个中央节点，然后流向另一个广阔的传出物质扇区。在互联网上，传入的扇区由来自各种来源的数据组成——电子邮件、YouTube视频、Skype电话等。在大肠杆菌中，传入的扇区由其摄食的各种食物组成。当信息和食物进入各自的领结时，它们会被均质化：大肠杆菌将其食物分解成几个基本组成部分，而互联网将其杂乱的传入数据流分解成标准化的数据包流。
从结开始，两个领结都向外展开。大肠杆菌将其构成单元转化为DNA、蛋白质、膜分子和任何其他它所需的特殊成分。在互联网上，数据包到达计算机，在那里它们可以被重新组合成原始的电子邮件、YouTube视频、Skype电话等等。
领结式的组织结构使互联网和大肠杆菌都能快速高效地运行。如果大肠杆菌（像所有细菌，确实像所有生命体一样）没有领结，它将不得不使用一套不同的酶来从每种食物中制造出它所需的数千种不同分子。大肠杆菌不是使用如此庞大而缓慢的系统，而是将其所有代谢途径都指向同一个领结，用相同的原材料制造一切。同样，互联网的领结架构意味着它没有不同的方式来处理，例如，电子邮件流量和即时消息流量。一切都以相同类型的数据包形式通过。
领结架构也使互联网和大肠杆菌都具有鲁棒性。如果传入的物质类型迅速变化——例如，互联网中的视频流量激增，或者大肠杆菌面临新的食物来源——系统可以处理这些物质，而无需重新调整其整个新陈代谢来应对。
领结的另一个优点是它使反馈控制变得容易。信息从接收计算机传回给发送者，发送者可以根据反馈加快或减慢数据包发送速度。大肠杆菌的新陈代谢充满了类似的反馈回路。通常，大肠杆菌可以合成制造蛋白质所需的所有氨基酸。但如果它能从环境中获得某种氨基酸，该信息就会关闭其自身的生产线。
但正如道尔所指出的，提高健壮性是有代价的。领结结构为一种可能很难解决的脆弱性打开了大门。由于发生在领结核心的均质化，识别和阻止有害代理变得困难。就互联网而言，只需一小段代码就能产生一种数字病毒，它能迅速传播到数百万台计算机，造成数十亿美元的损失。在活体生物中，真实的病毒也以类似的方式劫持细胞。
道尔认为，大肠杆菌和互联网之间的相似性并非巧合。随着网络变得庞大而复杂——无论是通过互联网工程师的修补，还是经过数百万年的进化——它们必须遵循某些规则才能保持健壮。“这是一种必然的架构，”道尔说。
晚餐时，道尔思索着如何应对这些根本性的脆弱性。他尚未找到提高生物可靠性的方法（至少目前还没有），但他确实认为自己可以帮助解决互联网的局限性。
当前的报文回执反馈系统（称为TCP）多年来在控制互联网流量方面表现出色，但它将无法应对即将到来的堵塞，届时冰箱会扫描牛奶盒上的RFID芯片，并在保质期到来时发送警报。“不管我们喜不喜欢，[互联网设备巨头]思科将把一切都联网。很快我们的眼镜就会告诉厨房它们是空的，”道尔说。如此庞大的流量将使互联网变得灾难性脆弱。“我们可能一觉醒来，什么都无法工作。”
许多互联网专家也为此担忧，他们启动了几个项目来拯救网络，其中包括另一位加州理工学院教授史蒂文·洛（Steven Low）。道尔正与洛合作开展他的项目，这个项目以其简单性而著称。他们加速互联网的计划只是更好地关注互联网流量的测量。如今，计算机通过注意丢失了多少数据包来感知互联网拥堵。这就像试图在高速公路上驾驶，只看前方20英尺，不断加速，然后一看到东西就猛踩刹车。
道尔和他的同事们让计算机能够利用更多关于流量的信息，记录他们的数据包到达目的地所需的时间。流量越少，所需时间越短，有了这些流量报告，他们的计算机能够做出更明智的决策。这带来了高速互联网通信竞赛的一系列胜利。在2006年的最后一次对决中，他们设法每秒通过互联网发送了17吉比特——大约相当于一部完整电影的数据量。道尔描述他们的成功时笑了，脸上闪过运动员的精神。“你不仅仅是在证明定理，”他说。“这比其他人所能做的任何事情都好。”
去年，加州理工学院团队成立了一家名为FastSoft的公司，以推广他们的协议。今年3月，他们开始销售一种大约DVD播放器大小的盒子，可以插入服务器。在一项测试中，一家财富500强公司成功将其传输速度提高了30倍。但道尔强调，解决互联网危机需要从根本上重新思考控制过程。
“如果有人说，‘进行一次彻底的重新设计’，我会说我们还没准备好，”道尔坦白。“与处理这个问题相比，登月都微不足道。我们有一条研究路径，但还有一些艰深的数学问题需要解决。”
