*Shane Greenstein， 哈佛商学院商业管理学Martin Marshall讲席教授。原文“The Basic Economics of Internet Infrastructure”，发表于Journal of Economic Perspectives，vol 34，no.2，Spring 2020，第192—214页。
**作者感谢如下人士极具价值的对话与评论：Tim Bresnahan、David Clark、kc Claffy、Chris Forman、Avi Goldfarb、Gordon Hansen、John Laprise、Enrico Moretti、Abhishek Nagaraj、Frank Nagle、Tommy Pan Fang、Bill Rogerson、Alicia Shems、Heidi Williams和Pai-Ling Yin。特别感谢Timothy Taylor出色的编辑工作。
商业意义上的互联网在25年前刚刚出现。20世纪90年代中期，当用户通过拨号上网传递数据包时，互联网上的主要流量是邮件、文件和少数网络应用。对此类内容，用户通常可以容忍延迟。当然，如今的互联网已是一个由软件应用和计算设备构成的相互连接的庞大系统，整个社会依靠它来交换信息与服务，以支持商业活动、购物和娱乐。流媒体、视频与游戏等数据传输成为互联网接入提供商（Internet Service Provider，ISP）的主要流量，基本上通过宽带送达用户，用户通常不再能接受服务的延迟（有关网络使用情况的统计，可参阅Nevo、Turner and Williams，2016；McManus et al.，2018；Huston，2017）。近年来，智能手机与无线局域网（Wi-Fi）的兴起支持了类型广泛的“共享经济”新业务（如Uber、Lyft、Airbnb等）、移动信息服务业务（如社交媒体、订票业务、短信）和其他许多应用的增长。80%以上的美国家庭如今拥有至少一部智能手机，而2007年还几乎为零（数据来自Pew Research Center 2019 Mobile Fact Sheet）。超过86%有宽带接入的住宅利用某种无线局域网连接应用服务（Internet and Television Association，2018）。
标准的GDP统计程序很可能低估了互联网的产出，包括与“免费”产品有关的产出，以及那些使用互联网广告的企业在构成上发生变化带来的经济活动重组等（有关讨论可参阅Nakamura、Samuels and Soloveichik，2016；Feldstein，2017；Syverson，2017；Groshen et al.，2017；后三篇文章是提交给《经济展望杂志》2017年春季研讨会的）。至于这些经济变革的规模，要知道2017年在线广告（包括在线出版和广播，以及网络搜索门户等类别）为美国GDP贡献了1059亿美元，在之前5年里共增长了250%。美国人口普查局估计，仅电子购物和邮购商店（NAICS 4541）贡献的在线零售额就超过5450亿美元，在同期的增幅达65%（数据来自Census data on Statistics of US Business）。
虽然互联网已成为我们日常生活的组成部分，但对公众与大部分经济学家而言，互联网的内部架构与运营几乎是无形的。本文将首先介绍支持互联网服务传输的背后进程。互联网基础设施包含多个不同类型的设备：根服务器、光纤、宽带、网络交换机与路由器、内容分发网络、通信塔及其他。而互联网的“主干网”由庞大的数据线构成，尤其是连接各种网络与核心路由器以传输数据包的部分。互联网基础设施的其他组成要件包括云设备以及谷歌或亚马逊等大企业内部安置的网络。深入了解互联网架构机制，可以帮助我们解答如下类型的问题：数据交换的定价与条件由哪些因素决定？改进基础设施的激励来自哪里？先进的数据基础设施在不同地区之间的普及是否平衡？
这些讨论将涉及网络经济学中的某些经典议题。在标准和规则上达成共识的网络可以在广泛的环境中实现自我维持，因为现有用户和潜在用户都会被构造成熟的网络吸引。可是，如果网络中包含多个最终用户和多个商家，相互之间会发生成本和计费，某些时候的谈判可能陷入僵局。以原来的方式继续扩张网络或许简单易行，但网络运营中更复杂的变化可能会带来问题，因为此类变化可能会干扰确保网络运行的共同规则，或者需要为变化而投资的商家发现自己不能从其他参与者那里分到足够份额的、令投资物有所值的收益。
本文将着重讨论北美的做法，并简要提及工程设计方面的内容。尽管如此，本文仍能说明互联网基础设施是如何运行的，它的作用是什么。如果文中出现了相关的技术术语，我将做相应的介绍和解释。另外，表1给出了术语表。
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互联网数据如何传输？
要理解互联网如何连接如此众多的设备，我们先从一个基础案例说起：某位用户从维基百科（Wikipedia）获取信息的要求如何引起若干即时操作？这就关系到用户通常看不到的数据传输机制。
这里是对该机制的一个简化解释：用户利用自己的计算机、手机或其他上网设备上已装载的网页浏览器，可以连接某家互联网接入提供商，即通过建设和运营能够传输数据的实体设备，提供有线或无线的网络连接的企业。此时，该企业把用户的访问要求提交给一台域名服务器，此服务器会把访问目的地（这里是指Wikipedia.org）关联到一个网络协议地址（IP address）。收到此信息后，用户的浏览器将把访问要求提交给该IP地址对应的服务器。然后维基百科网站的服务器将做出回应，以数据包形式发出用户要求获取的信息，数据包格式则是按照互联网上连接设备的特定协议编制的。这些数据传递给用户的互联网接入提供商，后者将其传递到用户的设备上，再由设备把信息转化为用户可以阅览的格式。
这一双向信息流动由多个市场交易支持。首先，互联网接入提供商的行为靠公开的市场交易决定：用户通常按月付费。此类企业大致分为两类：有线和无线提供商。有线提供商采用的技术各不相同，从最慢到最快的包括：卫星、数字用户线路（DSL）、有线调制解调器和光纤等。地球同步轨道上的卫星可以接收和发送来自全球任何位置的卫星天线的信息。DSL设备是对电话线加以改进来传输数据的。调制解调器是添加符合电缆数据服务接口规范（DOCSIS）的转化器和解调器，在有线电视系统上增加数据服务。光纤则通常是给用户铺设新的连接线路。
图1显示的是美国联邦通信委员会对企业宣传的几档网络传输速度开展的标准化测评结果，包含17家公司，其服务面向绝大多数美国用户。数据传输速率的单位是每秒百万单位，并将其换算成下载网页时的标准用户体验。如该图所示，不同接入技术宣传的传输速度会给用户带来不同的下载体验，也对应着不同的月费用。通常的卫星接入服务为每月90—120美元，另外需要至少300—500美元的初装费。DSL的月费用为30—50美元（仅包含互联网服务），美国最大的DSL提供商为AT&T（美国电话电报公司），用户近1600万。调制解调器服务的月费用为50—80美元，根据速度和流量封顶而不同，最大提供商为康卡斯特（Comcast），用户人数超过2800万。入户光纤的月费用为40—80美元（仅包含互联网服务），根据速度和流量封顶而不同，对商户与住户的最大提供商为威瑞森光纤（Verizon Fios），用户数量约为700万。对任意给定的地点来说，上网选项通常可能有0—2个有线接入提供商，加上一家潜在的跨越型接入提供商。
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无线上网选项与有线宽带的用途不同。虽然卫星连接服务可以全覆盖，其大多数用户却位于人口密度低、缺乏有线接入提供商的地方。据估计，其用户包含800多万个美国家庭。美国最大的无线接入提供商是威瑞森无线（Verizon Wireless）和AT&T无线（AT&T Wireless），分别拥有超过1.5亿和1.6亿用户。
还有一类市场交易对用户来说是藏在幕后的。域名以及网站所有者的代理人需要给域名服务器公司付费（美国最大的域名服务器企业包括Cloudflare、Amazon Web Services、Akamai等）。虽然域名服务器可以成为独立公司，但越来越普遍的做法是把域名服务同其他服务（如安全等）捆绑。此外，需要发送大量信息的某些机构会采用企业内的域名服务器，而非采购第三方的服务（关于这方面的决策选择，可参见Bates et al.，2018）。
数据传输的五个选项
在互联网接入提供商与域名服务器发挥作用之后，还有一个关键步骤要解决：数据如何在用户的互联网接入提供商与维基百科等内容服务商之间传递？互联网数据可以在两点之间的多条路径流动，这使整个系统有极大的灵活度。那么每条消息的路径该如何决定？所有选项都采用相同的路由表和软件协议，通常把数据包发往堵塞最少的路径。这一过程主要依靠工程决策：在某些路径发生拥堵时，整个网络的参与者必须如何集体行动。至于数据传输的价格如何决定，我们将在后文解释，因为在了解网络运行机制后再讨论经济问题会容易得多。目前，我们还是聚焦于数据从用户到维基百科的往返路径，这里有五个选项。
第一个选项最简单，如果用户与内容服务商的连接通过同一家互联网接入提供商（如康卡斯特），则数据可以在这家互联网接入提供商的网络内部请求和发送。这条路径常见于个人之间的双边通信，如电子邮件，大多数发生在位置接近的两个参与者之间。不过，大多数其他流量，尤其是支持网页和流媒体应用的流量，发生在相距遥远的内容服务商与受众之间。由于地理分隔及美国互联网接入提供商的分散性质，此类交互通常并不局限在单一网络内部。
由此关系到互联网用来尽量减少延迟的最常见的第二个选项：把用户对内容服务商的数据请求转路由到内容分发网络（content delivery networks，CDNs），它是地理上分散的服务器构成的网络，更加靠近终端用户。有时将这种做法称为“把数据转移到网络边缘”。由于此类网络在现实中更靠近用户，便可以节约响应时间。许多内容服务商选择把内容缓存在内容分发网络上，只对最及时和流行的内容做更新，使大多数用户实际上是同内容分发网络而非最终的内容服务商做内容交换。内容分发网络还可以增加一层可靠性和安全性，例如当某些服务器失效时，内容分发网络上的缓存内容依然可以为用户提供服务。另外，内容分发网络可以保护内容免受“拒绝服务攻击”，发起此类攻击的人试图以大量信息涌入使目标网站的服务瘫痪。（*1.感兴趣的读者可参考Cloudfare获得的专利（Patent 8613089B1），识别对云代理服务的拒绝服务攻击（https://patentimages.storage.googleapis.com/a0/90/f7/3f8aa8ef076cf4/US8613089.pdf）。)
内容分发网络在商业互联网的初期并不存在，但如今，几乎所有大大小小的商业参与者都以某种方式利用它们来提供流行内容。美国目前最大的第三方内容分发网络提供商是Akamai，2018年的收入达27亿美元。紧随其后的提供商是Cloudflare和Limelight，2018年的收入分别为1.92亿美元和1.84亿美元。尽管内容分发网络对用户来说是隐形的，但他们收到的绝大多数数据其实直接来自这一路径。
传输数据的其他三个选项也在互联网私有化之后的20年中采用（Greenstein，2015），但很难估计其使用频率。在比较遥远的过去，私人对等互连（private peering）、互联网交换点（internet exchange points）以及传输载体（transit carriers）这三种传输选项更经常地用于把数据从内容服务商直接传递给用户，也就是说无须内容分发网络的帮助。如今，它们用于把数据从内容服务商传递给内容分发网络，并在大多数访问请求中作为内容分发网络的补充。在少数情形下，它们又作为内容分发网络的替代，例如当用户请求访问非流行的内容，或者内容服务商没有做出采用内容分发网络安排的时候。
私人对等互连兴起时，维基百科网站与它的用户（及支持用户的内容分发网络）有着不同的互联网接入提供商，但两家接入商有直接连接点，并相互达成了解决数据交换的双边合同。在典型的合同中，如果一个月内彼此往来的数据流量大致相当，则不需要支付费用；如果一方给另一方的数据流量占比更高，则发送净数据更多的运营商要给接受流量的一方付费。通常来说，这些支付的发生条件是流量超出谈判约定比例（在4 ∶1到8 ∶1之间）的时候。当然，此类合同与谈判的具体情况不是一句话能讲清楚的（详细介绍可参见Norton，2014）。
两家或更多互联网接入提供商还可以在互联网交换中心（IXP，internet exchange point）交换数据，互联网交换中心可以由独立机构运营，被设置为各运营商彼此连接交换流量的场所。每家运营商向提供这些数据交换设备的机构支付一定的费用，并可以对有关的建筑物、备用能源和设备投资，以确保互联网交换中心在任何情况下都维持运转。不同于私人对等互连，这里的所有参与者通常都同意发送和接收自身连接能力允许的任意数据流量，各家租户的收费可能不同，但往往并不与数据流量挂钩。美国有数百个此类交换中心，全球的数量更多。最大的运营商Equinix的年收入超过50亿美元，在多个城市设有200多个数据中心，其中一部分即设置为互联网交换中心。
假如在我们的例子中，用户与维基百科网站各自的互联网接入提供商之间没有任何直接连接，甚至没有通过网络交换门户连接，则有最后一种实现互联的方式。此时，另外一家或多家网络的连线可以充当这两家提供商之间的传输载体。提供载体传输的运营商可以根据与其他运营商达成的合同为这些行动获得补偿。
投资、扩张与改进的激励
我们需要关注这一体系的经济意义：如果能帮助企业获得收入或者避免其他企业的收费，则网络运营商会有激励建设更多网线，提供更多连接，以缓解网络传输拥堵。如果能增加对用户的收费或减少运营费用，则互联网接入提供商就有激励提高产能，保证连接。这样的激励看起来符合长期的理想结果，即为数据的发送和接收提供更高效、更优质的选择。一个有趣的开放问题是与网络收益有关的私人激励的大小。传输线路是系统的组成部分之一，一个部分的改善会把收益传递给其他所有互补部分。传输线路改善产生的大多数收益是归属利用这些线路的内容服务商、享受更快内容服务的用户，还是从用户那里收费的互联网接入提供商？答案部分取决于我们下文要讨论的定价机制。
与之相关的一个问题是关于建设内容分发网络的激励。第三方商业内容分发网络需要与互联网接入提供商或无线接入提供商就“靠近用户的服务器的权利”展开谈判。互联网接入提供商或其他网络接入提供商还可以向内容分发网络收取从网络上获取数据的传输费，这些数据传输发生在内容服务商的服务器到内容分发网络建立的设备之间。原始内容服务商则向内容分发网络提供商付费，后者把内容从内容分发网络服务器上分发给用户，前者按照每天的约定时刻表更新内容分发网络服务器上的内容。美国的所有（包括规模最小的）互联网接入提供商都采用这一合同安排，表明该安排符合此类厂商的利益。
某些大型内容服务商，如谷歌、苹果、微软、脸书、亚马逊和网飞等公司，有自己的内容分发网络，并根据自己的应用和服务调整技术特征。同样，它们需要就支付给互联网接入提供商的“搭配”价格展开谈判，有时也为数据传输付费。事实上只有大型企业采取这种做法，因为对中小规模流量来说，外包给第三方内容分发网络比自建的成本更低。另外，出于其他若干原因，如分级服务、谈判摩擦与搭配费用等，某些企业选择把部分自有的内容分发网络放置在互联网连接点上，而非互联网接入提供商的体系中。
一个悬而未决的问题是：内容分发网络改善带来的大多数收益是归属经营服务器的内容分发网络提供商，还是利用该网络的内容服务商、享受更好服务的用户，或收取搭配费用和用户月费的互联网接入提供商？与任何网络组成部分一样，这里我们并不清楚私人激励与网络整体收益之间的关系。
但这一问题非常重要，因为内容分发网络的兴起既是用户需求改变和网络快速进步的原因，也是其表现。许多用户已转移到更高速的宽带上，提高了网速。这些用户更需要和支持新的应用服务，例如网飞、Sling、Disney+以及HBO Go等厂商提供的超越运营商的OTT流媒体服务，它们越过有线电视或卫星电视，直接通过互联网为消费者提供内容，尤其离不开内容分发网络设施。
快速进步最引人注目的表现是互联网应用服务的深度进化以及与之伴随的流量。在互联网最早出现的时候，文字在流量中占主导地位，采用电子邮件或被动浏览形式。以当前标准看，当时的数据量在上下两个方向都非常小。如今居民家庭接收的数据比发送的高出很多个量级，因为他们接收的大部分流量已从静态内容变成视频与流媒体（Huston，2017）。例如在2013年，家庭每月使用的中位数据传输量为20—60Gb（Federal Communications Commission，2013）。而如今在线收看一部标清或高清电影会产生每小时1—3Gb的流量，远远超出任何被动网页浏览所能达到的水平。仅仅是不间断追看一部连续剧，就能大幅增加居民家庭的数据使用量。与此同时，最大的流媒体服务企业网飞的美国注册用户数在21世纪第二个10年从2000万飞涨到6000万，其业务还远不止流媒体。简而言之，随着家庭以流媒体收看电视和电影的增加，处理密集数据应用服务的基础设施的能力必须随之提高。要回答投资激励是否最优的问题总是颇有难度，不过互联网发展历史确实表明，私人投资激励已足以带来网络架构的巨大扩容与升级。
数据中心与云服务
在商业互联网兴起之初，几乎所有企业都把服务器放在自己公司内。不过商业界逐渐认识到把计算资源集中到一个地方的规模经济，由此诞生了数据中心。这些建筑中包含很多排放在支架上的服务器，以适应网络支持和维护的日常操作。设计者最终学会了如何配置，以容纳数据储存和计算所需的大量服务器，利用建筑的特点降低能源消耗，并确保紧急情况下的可靠运行等。
市场上用来发送和接收信息的不同方式，如私人对等互连和系统互连等，也被某些服务于此目的的数据中心采用。数据中心的内部连线可以支持某些特定类型的活动。例如，纽约股票交易所的数据中心位于新泽西州，允许许多公司以极快的速度获得交易服务。又如，医疗、金融和运输等产业的部分商业用户要求极高的安全性与可靠性（即保证99.99%的运行时间），特别是对含有敏感客户信息的交易提供支持的关键功能。这些数据中心可能包含高级的备用发电机、能抵御洪水的高造价建筑物以及减少附近车辆行驶产生震动的加固地板等。此类成本不菲的配置在某些情况下会物有所值，例如，由于内在的灵活性与机智的选址，休斯敦的数据中心在2017年8月哈维飓风引发洪水期间及之后都没有停止正常运行。
较小的数据中心包含数万台服务器，建设费用可能超过1亿美元，而大型数据中心可以包含数十万台服务器，建设费用高达数十亿美元。作为美国最大的第三方网络机构之一，湖滨技术中心（Lakeside Technology Center）位于芝加哥市区以南2英里的一栋110万平方英尺的建筑物中，由唐纳利集团（R.R.Donnelly）过去的一家印刷厂改建而成。该机构归数字房地产信托公司（Digital Realty Trust）所有，这家控股公司控制着全球200多个数据中心，2018年的营业收入超过30亿美元。芝加哥这座建筑并不符合数据中心的惯例，通常的数据中心是修建在极其广阔的土地上的单层建筑，有丰富且廉价的电力，与互联网有高质量连接，往往位于距离商业用户不太远的郊区。北美洲最大的数据中心聚集地是弗吉尼亚州的阿什伯恩（Ashburn），就在华盛顿特区外围，靠近东部城域交换中心（通常称作MAE-EAST），是美国最早的互联网交换中心之一。
数据中心的合同涵盖所有者与租赁市场之间全部可能的安排。一个极端是许多有通用需求（如备份存储）的买家，它们租赁数据中心的空间，自带服务器，但让其他人来管理建筑物。另一个极端是有特殊计算需求的公司，例如脸书、苹果、微软、亚马逊和谷歌等，它们拥有并维护自己的大型数据中心，并根据应用需要来配置建筑物与服务器。
所谓“云服务”是指出租存储服务、计算服务或数据库相关应用的数据中心，且用户可以根据自身需要灵活启用或关闭服务。主要的云服务提供商正越来越多地提供附加软件服务，只收取象征性费用或完全免费。例如，亚马逊网络服务（Amazon Web Services）就提供数十款云软件服务。微软云（Microsoft Azure）以云服务方式支持Outlook等微软公司的许多产品。谷歌则免费提供机器学习工具TensorFlow的云服务。
随着服务质量改进与价格下降，对云服务的需求正在增长。有研究估计，质量调整后的亚马逊网络服务的价格在2009—2016年的年降幅为17.3%（Byrne、Carrado and Sichel，2018）。对于支出增长和业内市场份额变化的估计则取决于销售额的具体定义（相关讨论可参见Byrne、Carrado and Sichel，2018；Coyle and Nguyen，2018），但最大的三家企业正是上文提到的亚马逊网络服务、微软云和谷歌云。例如在2019年，亚马逊网络服务被公认为是其中最大的一家，收入达350亿美元，比上年剧增40%。其他企业也在快速成长。云服务的吸引力来自它们的灵活性、工具类型广泛，以及能选择用可变成本替代固定成本（Wang and McElheran，2017）。云服务还便于许多创新应用服务开展实验（Ewens、Nanda and Rhodes-Kropf，2019）。
私有云提供商越来越多地利用复杂架构来平衡用户需求的负载，例如，把应对全方位任务的数据中心同快速提供内容服务的分发网络结合起来。云服务为内容分发网络提供及时更新，并对不太流行的内容做出次级响应，而主服务器的更新间隔时间与非流行内容响应时间则更慢。云服务可以在一天中把用户需求高峰的负载分摊到多个地理区域。
大企业在何种情形下运营自己的互联网基础设施
应用市场与平台中的许多大企业，如微软、苹果、谷歌、亚马逊和脸书等，运营自己的互联网基础设施，而非借助第三方提供商。这些企业都有自己的数据中心和内容分发网络。还有，谷歌自己的数据中心都与自己的主干网相连接，从而绕过了本可以从网络运营商租用的主干网。大企业把这些互补功能集成起来，是因为它们的运营费用可以低于第三方提供商，而且可以根据特殊需要调整工作流程，以便获得更好的结果。例如，谷歌自有的网线能帮助众多数据中心与内容分发网络在一天中平衡负载。大企业还能在众多相关服务中发现范围经济，以便提供对用户有吸引力的捆绑服务（Bates et al.，2018）。例如，Cloudflare就把内容分发网络与域名服务器集合到一个有众多服务的包里，作为内容保护的全套安全服务的组成部分。
当大企业自建互联网基础设施时，对整个网络的效应可能是正面的，也可能是中性或负面的。例如，微软、谷歌与亚马逊等运营大型数据中心的大企业从数年前开始提供云服务。用户对其效率感到满意，于是需求增长迅猛。所以这些公司提供云服务让整个网络经济获得了好处。
不过，谷歌光纤（Google Fiber）的故事则是另一种情形。谷歌当时设立了一家新机构，向居民提供高速光纤接入，并通过与电视、电话和互联网接入企业签订合同进入了几个城市。尽管在本文写作时，该机构在这些城市取得了商业成功，但由于有若干挑战需要克服，投资被暂时停止。（*3.在本文写作时，谷歌光纤提供服务的城市包括：内华达州的盐湖城、犹他州的普罗沃、密苏里州的堪萨斯、得克萨斯州的奥斯汀、田纳西州的纳什维尔、北卡罗来纳州的夏洛特、佐治亚州的亚特兰大、北卡罗来纳州的罗利-达勒姆、加利福尼亚州的奥兰治县、亚拉巴马州的亨茨维尔、得克萨斯州的圣安东尼奥。另外还进入过肯塔基州的路易斯维尔，但后来退出了。谷歌光纤有进入至少另外十多个城市的计划与许可，但没有宣布时间表。）该项目的可见收益有限，并局限于其进入的少数地区，或者说最多表明在其他地方也可能成功。即使谷歌光纤延伸到其计划中的所有城市，覆盖的美国人口占比也不会高于10%。
当大企业加入互联网基础设施时，还可能产生某些有更大隐忧的结果。补充服务提供商必须同支配性的大企业谈判，相比在有更多选项的竞争性市场，它们可能遇到更苛刻的合同条款（Rogerson，2018）。此外，长期以来有人担忧，与更多采用开放协议的环境相比，最大型的企业内部越来越多采用专用流程可能不利于一般性创新（Zittrain，2008）。上述担忧在反垄断或监管议题中关系重大，因此一个有待解决的关键问题是：在何种市场支配力与哪些市场条件下，我们需要正视这方面的担忧。
私人数据中心与云服务的兴起，同样涉及网络基础设施改进的竞争行为与私人激励的重要经济问题：云服务等部分网络的改进带来的收益如何在用户与企业之间分配？在用户分享收益的情况下，竞争激励是否充分？是否对某些用户比其他用户更有利？利用第三方服务的创新企业进入的长期竞争前景如何？这些都是尚待研究的课题。
协议与治理
协议（protocols）是决定数据如何通过网络传输的一套规则与规定。网络协议规定了一些流程的惯例，包括数据包格式的定义、传输错误的恢复等。如TCP/IP就是设定互联网数据包格式的一组协议，规定网络连接时的地址、如何组合来自不同互联网路径的数据包，及错误修正流程等。边界网关协议（Border Gateway Protocol，BCP）则是最常用的互联网流量路由选择协议，当然它只是负责网络转换和服务器发送数据包的众多协议中的一种。
工程师认为，不同设备只有在采用相同协议时才能兼容。每种协议都与许多补充协议共同构成协议栈，即关联协议组成的族类。协议栈可以作为开发人员的参考模型，为生产兼容设备服务。这方面的更多介绍可参见克拉克等人的研究（Clark，2018；Knieps and Bauer，2016；Greenstein，2015）。
大多数互联网协议栈沿着拥堵最少的路径发送数据包，即使网络上有众多潜在路径和瓶颈可能，这一特征仍使数据能快速传输。由于许多现代互联网应用（如游戏和流媒体）需要快速数据传输，该特征正变得愈发重要。
基础设施企业与运营商基本上都遵守协议栈，毕竟这样做便于它们提供有利可图的服务。但我们不能把这一结果视为天然如此，因为过去的做法大不相同，许多企业提供彼此不通用的专用协议和网络。当然，自商业互联网于20世纪90年代中期诞生之后，互联网协议栈的兼容性便呈现自我强化的趋势。这一趋势会进一步促使所有参与者更广泛和持久地采纳现有协议，并鼓励在此基础上开发更多的创新服务。在现代互联网中，让协议保持连续性的激励显然非常强大，尽管网络效应的动因和规模对不同参与者有所不同。
有可能出现的情况是，某些决策者认为需要背离现有协议。尽管有部分背离的若干例子，但最近几十年来此类压力并未大到严重背离互联网协议（有关理论架构见Simcoe and Watson，2019）。例如，“暗网”运营商不愿意让其内容被搜索到，因为据说它们支持非法活动，如盗版产品交换等。网络效应在国际层面或许也不能奏效，因为不同国家的政府对本国网络采取不兼容的做法，例如内容审查，还要求应用服务运营符合本地对隐私、安全、版权及其他政策方面的规定等。某些行动已开始进入基础设施层次，例如政府要求在路由器中加入数据包检测流程，或者在操作系统中设计允许监控的后门等。此类行动与政策带来了丧失无缝互操作性的风险或导致互联网碎片化，值得经济学研究者关注。
以上现象还涉及改进协议的治理问题。在大多数情况下，是非营利组织负责设计和更新互联网基础设施中采用的协议栈，如国际互联网协会（Internet Society）互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force，IETF，负责TCP/IP与BGP背后的协议）及其他许多组织。互联网名称与数字地址分配机构（Internet Corporation for Assigned Names and Numbers，ICANN）负责更新域名分配以及互联网上每个转换器和路由器使用的路由表。路由表包含网络拓扑信息，并为数据包的传输提供指引。在现代互联网体系中，通过这些路由表能够了解拥堵状况，采用避免拥堵的传输路径（Clark，2018）。电子与电气工程师学会（Institute of Electronic and Electrical Engineers，IEEE）制定了支持标准Wi-Fi服务的IEEE 802.11及其他技术标准。这些组织会召集负责协议设计、维护和升级的小组，几乎不收取使用费。大多数组织也很少对私人部门如何运营采用此类协议的设备做法律上的限制。
负责协议治理的组织在采取行动时受到颇多掣肘。由于涉及私人利益，有关知识产权政策的讨论在今天自然颇受关注，创建网络协议应采用何种行政程序标准的讨论也是如此。这方面的一个例子是现有IP地址枯竭的问题，它导致必须重新设计IP地址，以满足未来的增长需要。互联网工程任务组通过讨论推出了第6版协议，简称IPv6。但在采用之后，其推广速度较慢。许多人批评新的设计用起来过于复杂。
另一个例子是围绕ICANN的顶级域名扩展的激烈争论。互联网设计时包含248个国家的代码，但美国内部有6个域名——com、org、net、edu、gov、mil——被广泛使用，尤其是com，没有要求再附加国家代码。考虑到人们对域名集中在com类别中带来的局限性的抱怨，ICANN把顶级域名数扩展到1000个以上，包括icu、top、xyz、site、vip、online等。关于这些组织及相关机构的历史，以及对其起源的分析，感兴趣的读者可参阅穆勒等人的研究（Mueller，2004；Simcoe，2012；Russell，2014；Greenstein，2015；Clark，2018）。
协议选择与协议更改类似于公共品问题，因为几乎所有用户会有相似的体验，也不能选择退出或不接受变化。协议设计付出了巨大努力，却不会被同等采用。为理解商业互联网的持续性，我们需要发展经济学理论来回答如下问题：在何种时候应该渐进或激进地改变协议，或者是否应该完全放弃协议？
定价与激励
对大多数互联网用户而言，他们面临的预付价格是互联网接入提供商的收费。市区和郊区的绝大多数企业用户选择宽带连接（美国的宽带普及情况，参见Ryan and Lewis，2017；Pew Research Center，2019）。2012—2017年，用有线方式上网的付费金额达到887亿美元，增幅超过30%。其网速也在加快，从2011年到2018年几乎翻番。来自美国商业统计（Statistics of US Business）的调查显示，选择无线上网的付费超过了900亿美元，增幅达57%。这一时期的收入增长主要不是源于家庭上网数字增加，因为大多数美国家庭在2012年已经有了互联网服务。（*4.例如，网飞公司（Netflix ISP Speed Index）对2012—2018年的网速测算表明，大多数网络的实际连接速度翻番（https://ispspeedindex.netflix.com/country/us/）。根据有关调查，在2011—2018年仅有3%—5%的美国家庭是新的宽带上网用户（Pew Research Center，2019）。）
宽带服务供应市场存在一定程度的竞争。其供给结构是在宽带替代拨号成为主要上网接入方式后形成的（Greenstein and McDevitt，2011）。1995年，几乎所有互联网连接都通过拨号，如今近80%的美国居民家里已有宽带连接。在人口密度高的市区，网速更快，那里的目标客户是商业用户与多户住宅用户（Chen and Savage，2011；Connolly and Preiger，2013）。市区与郊区的大多数居民拥有至少1—2家有线接入提供商，以及多家无线接入提供商（Wallsten and Mallahan，2013）。针对居民的典型互联网接入提供商是本地电信公司（通常提供DSL服务）和本地有线电视提供商（利用与DOCSIS兼容的解调器提供数据服务，借助有线电视电缆传递信号）。某些地区有第三方跨越式提供商直接提供入户光纤，威瑞森作为本地电信商也在某些运营地区提供光纤入户。在人口稠密的市区，企业还可以有更多接入提供商可供选择。
有许多因素可能限制互联网接入提供商进入市场，包括：财务因素，如资本成本过高；监管因素，如道路通行权限制、导致跨越式提供商成本增加的法规、阻止多家提供商同时进入的法规等（Seamans，2012）；行为机制因素，如在位企业不愿意进入彼此的既定地盘等。此外，还有些技术因素导致DSL或5G无线网络等宽带接入在人口稠密区域外的效率下降（Destafano、Kneller and Timmis，2018），或者使电缆接入服务过于昂贵。卫星接入在大部分地区可行，给人口稀疏区域提供了基本水平的服务（Boik，2017）。与之相关，出现了安置运营商天线的蜂窝塔的强大市场，使多数地区能有2—4家接入提供商的服务，仅人口最稀疏的地区除外。
同时，自从宽带成为居民家庭的主要传输方式以来，测算的接入价格几乎没变。美国消费价格指数（来自US Bureau of Labor Statistics，2020）中的“互联网服务与电子信息提供商”价格系列数据（美国城市平均数，均为城市消费者）可以作为对宽带价格的测算，从2007年的73.4美元到2019年的77.1美元，涨幅仅为5%。最接近可比的无线接入服务指数（包含数据服务与电话服务价格）显示，消费价格指数中的“无线电话服务”的价格（美国城市平均数，均为城市消费者）在同期从64.5美元降至46.4美元，降幅为22%。鉴于这些年的巨大变化，如Web 2.0业务兴起、社交媒体成长、长短视频和流媒体爆炸式增长，以上的测算价格很可能还没有反映用户体验的许多重要方面。
有哪些方面被忽略了呢？例如，两个价格指数都没有在接入价格中加入对服务质量的调整，另外也没有考虑广告支持的“免费”内容的质量改变（Byrne and Corrado，2019）。最后，接入收入大幅增长而用户数量增加不多，表明许多家庭的接入支出增长是源自他们转向收费更高的高阶服务。标准的价格测算方法并未把此类消费层级变化计入价格变化之中。
有线接入与无线接入在何时互相替代，在何时互相补充？对此没有普遍答案，随着接入能力改进与模态应用变化，这个问题的答案将随时间改变，同时也根据用户所处位置而不同。在今天的某些应用里（如电子邮件和网页浏览），当用户能容忍延迟时，有线接入与无线接入能相互替代。然而在数据密集的流媒体和游戏等应用中，延迟可能破坏用户体验，不同接入模式就不能随便替代。有时不同接入能相互补充，例如娱乐企业鼓励在网络游戏或流媒体观看中发送推特（Twitter）。而对于只能通过无线智能手机或卫星上网的很大数量的家庭来说，这些问题则难以回答。随着对前沿基础设施连接的推进，无线接入与有线接入的替代性和互补性将是重要的研究课题。
用户与接入提供商之间的合同也在随时间改变。在最早的时期，大多数接入是收取月费，不限制使用。2015年我曾研究过基于上网时间的价格歧视的消失。而如今，基于数据使用加上流量封顶的价格歧视在有线与无线接入合同中广泛存在。还有，有线与无线数据接入合同采取不同形式。有人对早期的有线数据的分级定价和流量封顶做过调查（Burnham et al.，2013）。近期的研究则显示某些用户对流量封顶的附加费用较为敏感，但他们会内生地选择适合自己需要的流量能力，例如，大量使用流媒体的人会选择能满足需要又不会使成本大增的服务方案（Nevo、Turner and Williams，2016；McManus et al.，2018）。
改进互联网传输与接入能力的激励在政策研究中广受关注。一方面，人们普遍相信有线与无线接入速度的提高对更多参与方有利，而不仅仅是有利于提供接入服务的企业。接入提供商固然可以获得更多收入，用户也得到了更好的服务，应用服务商则可以推进数据密集型服务的前沿。于是我们再次看到，改进的收益得到普遍分享，私人成本和商业风险却集中在某一家投资企业身上，即接入提供商。前文已经提到，有线宽带升级中私人激励与社会激励之间的差异是一个关键的未解课题。有学者认为这一缺口相当大，表明私人激励不足以实现符合更广泛社会利益的质量升级（Nevo、Turner and Williams，2016）。
对此类激励的估计依然是个尚待挖掘的研究领域，特别是向无线技术升级，例如移动电话向更新的技术升级，从3G到4G等。4G是取代3G的第4代宽带移动技术，3G同时利用包交换技术和老式的线路交换技术，而4G只利用包交换技术。在本文写作时，通信能力远超过4G的5G已开始部署。总之，用户大幅增加了无线接入模式的数据使用，供应商也为支持这些流量做了投资。这一变化中的激励是否过高或过低？此问题的答案对于正在升级中的5G又会带来哪些启示？
与质量改善有关的另一个议题是竞争。如果有线宽带公司根据用户需要传输视频，那么传输其他形式的互联网流量是否涉及利益冲突问题，这会进一步影响投资、互连与定价（Rogerson，2018）。近期经验表明，另一个变化也可能影响了激励，并可能在未来继续产生影响。在商业互联网初期，互联网接入提供商并不对接收要发送给自己客户的数据收费，但如今某些接入提供商已做出改变。这给它们带来了更多收入，但受到与之互连的其他服务商的抵制，因为这会增加通过远程和内容分发网络提供数据服务的成本。
对于互连场景背后发生的定价与收费，目前能得到的数据还太少。网络互连达成的合同经常没有披露条款。有证据表明，各地的互连合同都在增加，不同地理区域由于经济发展程度不同而存在差异（Zhuo et al.，2019）。在决定私人对等互连与内容分发网络的收费中，谈判非常重要。开展价格谈判时，若存在能实现相同结果的其他选项，则这些选项会制约提价或其他操纵谈判优势的尝试。相反，如果基础设施企业提供的服务没有其他替代选项，或者它们能制约其他网络参与方的诉求，则会占据谈判优势地位。
在此情形下，互联网基础设施内部的价格是更多由多竞争选项主导，导致最终用户支付的价格下降，还是更多由竞争限制或瓶颈状态决定？关于这些问题的相关证据有限。乐观的看法强调所有参与者对谈判状况的了解程度（Norton，2014），这些谈判通常能不出意外地达成，事实上自2013年后期以来，当时网飞公司与美国的四家最大网络接入提供商未能达成协定，导致了广泛拥堵，数千万家庭的流媒体传输速度和可靠性受损，但新的重大谈判破裂事件尚未出现（Greenstein and Norris，2015）。网飞事件背后的基本问题在于，商业互联网最初的经营模式是不对互联网接入提供商收到的数据收费，尝试收取这笔费用是网飞与四家大型接入提供商谈判破裂的主要原因。
若干合理的竞争选项会影响这些价格的制定，让人们对此保持乐观的最突出证据或许是：基础设施改进、接入收费增长与电子商务收入增长之间保持了长期的共生关系。互联网基础设施帮助减少了开展商业活动的若干摩擦，例如有研究认为（Goldfarb and Tucker，2019），数字技术主要通过减少这些摩擦因素来促进经济活动。本文之前提到的案例是用户向维基百科网站这家非营利组织查询数据，如果用户是向一家追求盈利的企业查询数据，则可能带来更多商业活动。如果有广告活动，广告商需要为广告交易平台和IP地址定位付费，使用户收到与其位置匹配的广告，其他相关流程还可以使广告进一步个性化。所有这些步骤都几乎瞬间发生，用户完全看不到。如果用户购买或出售了一件产品，会有更多的流程来支持这笔订单的完成，并可能使支持交易的数据中心、交换机和传输线路这些基础设施得到更多的资金流入。
对互联网内部定价的悲观看法则指出，我们知道的所有事故都缺乏透明度，尤其是在21世纪前10年（Greenstein，2010）。例如，在2013年的网飞事件中，居民家庭并不清楚本地接入提供商和网飞究竟是谁无理地妨碍了谁，导致不属于它们谈判范围的其他许多应用的服务质量同样受损。由于争端解决条款后来没有公布，对此事件仍有不同解释。政府干预能否改善用户互联网体验恶化的问题同样悬而未决。
悲观论者还注意到，网络参与者对多家企业的依赖使我们难以明确服务提供不足的责任，服务中断可能造成广泛后果。例如，当Slack、Quora和Medium的服务在2017年2月28日都中断时，用户无从知道是不是亚马逊云储存服务因为北弗吉尼亚一处设施中某位维修人员的错误操作而发生故障，致使若干亚马逊网络服务器下线。另一个例子是，CNBC（美国消费者新闻与商业频道）、网飞和推特等网站于2016年10月21日发生故障，用户也不清楚那是否源于对Dyn公司的分布式拒绝服务攻击，后者为其他公司提供域名服务器支持。此类事件往往给有关法律或监管架构的讨论提供了素材，涉及谁应该承担经济损失赔偿责任，以及这些架构能否给供应商足够的激励投资于风险防范。
地理上的普及性
互联网基础设施的地理供给不平衡并非某些区域网络接入率不高的唯一原因，但也发挥着关键作用。如今，近10%的美国人口没有使用互联网（Anderson et al.，2019），某些原因与用户的人口特征有关，如年龄偏大、收入低和教育程度低等，另一个重要原因则是居住在农村或低人口密度的区域。虽然根据人口普查局的统计，美国97%的土地属于住房较为分散的农村地区，但仅有19%的人口住在那里。
最先进的互联网基础设施通常没有延伸到低密度区域。在其中某些地方，甚至技术老旧的互联网基础设施也没有普及（更多讨论参见Forman et al.，2018）。例如根据2019年2月的皮尤调查，63%的美国农村居民说有宽带接入，而郊区居民为80%（Perrin，2019）。另外，20%的农村家庭只有无线接入，相比之下，低收入家庭中只有无线接入的比例为25%（Anderson，2019）。非宽带家庭用户中有22%把“没有宽带服务”或“质量差”作为只利用手机无线上网的原因。不过，有线宽带接入的价格贵是只选择无线上网的人最多提到的因素，超过一半的用户将它作为主要原因。
互联网基础设施供给不平衡有多种原因。某个地区的互联网供给成本可能反映了规模经济，也就是说，在建设和运营通信塔、数据中心与内容分发网络时，这些设施会自然地靠近人数较多的居住密集的用户，因为投资回报更快。在区域间铺设线路的固定成本很高，但边际成本很低，因此人口密度低的区域可能没有足够的需求来吸引此类投资。对更高质量网络的需求也会导致分布不平衡，因为供应商愿意首先在更富裕的城市区域投入建设，那里有更多用户愿意为更贵的高质量前沿服务付费。马歇尔式集聚效应（Marshallian agglomeration）也会加剧地区差异，更富裕的城市区域能吸引高素质劳动力，兴建技术上更先进的基础设施。
供给上的地理差异有可能导致不同地区的居民与企业的体验差异。计量经济学家经常在寻找此类差异，然而许多差异只存在于细小的地理层面（如社区），测算这些细微的供给差异会遇到若干挑战。例如，2011年开始，美国联邦通信委员会曾试图创建全国宽带地图，并几经修改，其成果在某些区域较为准确，但并不全面，最后在2018年12月被放弃。在本文写作时，美国联邦通信委员会又在开发新的网络地图绘制项目。
在此情形下，若干公共政策同样面临某些利弊权衡，涉及的经济因素并不容易测算。在可能的情况下，许多用户喜欢采用本地的互联网基础设施供应商。但利用远程的数据中心、云储存或卫星可能更便宜，而且用户或许愿意在某些条件下转向远程供应商。了解这样的消费者偏好是有难度的，但它会影响我们测算社会愿意付出多少成本为市场不能支持的区域提供基本互联网接入，以及社会愿意付出多少成本为这些区域提供基础水平之上的更高质量的互联网服务。
许多不同项目试图解答此类问题。例如1996年的《电信法案》（Telecom Act）设立了e-rate项目，对电话通话征税，以补贴农村宽带。如今，该项目每年产生的收入超过40亿美元，主要用于发展成本较高区域的宽带互联网接入，并提供给图书馆、学校和医院等有公益使命的机构使用。另一个例子是，2009年经济刺激综合方案包含70亿美元的农村宽带补贴。在地方层面，许多基层政府也试图改变供给状况。许多地方坚持采用电缆特许经营合同，要求供应商把线路铺设到低收入和低人口密度的区域。另外还有解决需求侧问题的项目，但更为少见。例如，作为并购案的批准条件之一，康卡斯特公司同意为低收入家庭提供价格更低的互联网接入服务，而证据表明这惠及了数十万个家庭（Rosston and Wallsten，2019）。鉴于这些项目涉及的领域广泛，对不同规模和设计的补贴在有效性上究竟如何存在大量争议，这并不令人意外。
最后的政策问题
互联网基础设施在过去几十年持续进步，使网络服务得到显著改善，众多用户则愿意为此付费。反过来，付费又增强了改善数字基础设施的激励，尽管大多数用户看不到背后的进程。这一良性循环伴随着网络接入收入的增长、免费服务（如新闻和搜索）的广告收入增长，以及利用在线购物优势的电子商务的增长。
一个尚待回答的重大问题是，这样的增长和改进是否会在未来持续。某些因素可能减缓增长，如家庭和企业的宽带普及饱和；还有些因素则可能使其加速，如利用云技术和5G无线设施的在线服务重构等。过去数十年的历史表明，互联网架构具有适应变化的卓越潜能，但每个变化事实上也会带来新的挑战。每个变化都会改变不同供应商的收入和成本，某些发展将造成纠纷，例如早期的流媒体传播引发的事件。因此，未来的某些变化是否会给互联网基础设施的治理及其设计的适应性造成过大压力，仍有待探讨。
到目前为止，关于互联网的监管架构尚未形成共识。政策与政府机构的干预意愿随着商业互联网的成长而演进，包括法律或监管指令（如并购条件）中包含的正式政策，以及关于一般原则的公开声明（如联邦通信委员会主席的演讲）中包含的非正式政策。有关这些政策的发展历史，可以参阅相关学者的研究（Nuechterlein and Weiser，2005；Greenstein，2010；Greenstein、Peitz and Valleti，2016；Knieps and Bauer，2016），以及Cybertelecom.org。
未来学家们绝不会忽略无线和云服务重组的良机，但也不会认为竞争性宽带将很快普及到所有地区。互联网的这些和那些变化必然给可预见的将来带来更多未解问题和政策讨论。■
（余江 译）
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