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云計算——物聯(lián)網的基石

李德毅 2011/11/01

　　我們將利用信息和信息技術精確地調控物質和能量，以提高資源利用率和加快轉變經濟發(fā)展方式。物聯(lián)網的興起就是最典型的證明，其中以智能電網、智能交通等最具代表性，而云計算則成為物聯(lián)網的基石。

　　眾所周知，在包括人類自身在內的自然環(huán)境里，物質、能量和信息是三大要素，沒有物質什么都不存在，沒有能量什么都不會發(fā)生，沒有信息什么都沒有意義。人類進入信息時代，信息和信息技術將成為社會轉型、生產力發(fā)展的根本動力。

　　工業(yè)革命時期，水、電、交通、電信都已經實現(xiàn)了社會化、集約化和專業(yè)化，成為社會的公共基礎設施；今天，我們處在后工業(yè)革命時期，云計算正在讓信息技術和信息服務實現(xiàn)社會化、集約化和專業(yè)化，讓信息服務成為社會的公共基礎設施。我們將利用信息和信息技術精確地調控物質和能量，以提高資源利用率和加快轉變經濟發(fā)展方式。物聯(lián)網的興起就是最典型的證明，其中以智能電網、智能交通等最具代表性，而云計算則成為物聯(lián)網的基石。

　　云計算是互聯(lián)網發(fā)展之必然

　　互聯(lián)網中骨干網帶寬增長的吉爾德速度常常是6個月翻一番，而微電子發(fā)展的摩爾速度是18個月翻一番，信息技術的發(fā)展傾向于網絡，人人聯(lián)網的事實使得地球真的成為一個地球村，距離不再重要。

　　回顧IT產業(yè)的發(fā)展歷程，在計算環(huán)境和設施方面，從60年代的大型機，70年代的小型機，80年代的個人電腦和局域網，到90年代對人類生產和生活產生了深刻影響的桌面互聯(lián)網，再到現(xiàn)在人們高度關注的移動互聯(lián)網的轉變過程，計算設施和環(huán)境已經從以計算機為中心到以網絡為中心，再到以人為中心；軟件工程一改長期以來面向機器、面向語言和面向中間件等面向主機的形態(tài)，轉為面向需求、服務、網絡的形態(tài)，真正實現(xiàn)了軟件即服務（SaaS）；在人機交互方面，最初主要以鍵盤交互為主，1964年鼠標的發(fā)明，改變了人機交互方式，使得計算機得到普及，為此，鼠標的發(fā)明者獲得了計算機界的最高獎項——圖靈獎�，F(xiàn)在交互的主要方式又演變?yōu)橛|摸、語音和手勢等，已經從人圍著計算機轉，改為計算機圍著人轉，交互、分享、群體智能等都遠遠超出了早先圖靈機的范疇，這就是泛在的計算。無論從計算環(huán)境和設施的變化、軟件工程的發(fā)展，還是從交互方式的改變，這些都告訴我們，現(xiàn)在已經進入到一個新的時代——云計算的時代。

　　計算資源虛擬化催生云計算

　　計算資源虛擬化是云計算的核心技術，從計算機發(fā)展史來看，虛擬化技術早已經存在。例如，當年我們做操作系統(tǒng)時使用了虛擬存儲管理的技術，使得應用程序自認為擁有連續(xù)足夠的存儲空間，無需關心實際使用的磁帶機、磁盤機、閃存等物理存儲設備的地址構成、容量、組合、調用和管理細節(jié)。虛擬內存是物理內存的抽象。

　　同樣，分時操作系統(tǒng)利用時間片輪轉分別處理多個不同的任務，使得一臺物理計算機可以虛擬為多臺獨立的虛擬機，為不同用戶服務，也即虛擬化技術。還有在計算機硬件和操作系統(tǒng)上，通過一個中間件讓支撐其的多個不同的操作系統(tǒng)和應用程序同時運行，又形成若干表面獨立的虛擬機。至于虛擬專網（VPN），它是在公共電信設施上，建立一個企業(yè)或一個團體內部通信與網絡的方法，封裝了多個不同網絡設備與終端的傳輸差異性。

　　回顧互聯(lián)網資源配置的變遷過程，最早的服務器出現(xiàn)在網絡的客戶端/服務器（C/S）結構中，客戶端和服務器共同分擔處理任務。后來客戶端進一步變瘦，通過瀏覽器直接接入應用，即瀏覽器/服務器（B/S）結構。隨著互聯(lián)網應用的增多，多數(shù)機構、各個部門都架設了自己的服務器，導致服務器種類和數(shù)量出現(xiàn)井噴，如郵件服務器、數(shù)據(jù)服務器、安全服務器和視頻服務器等等。大量服務器運營和維護的負擔，又促使托管市場出現(xiàn)，以減輕機構自身維護服務器的成本。但簡單的托管并不能對服務器群實施進一步的集約化使用。于是，通過虛擬化服務，把服務器變成“服務”，在服務提供方就可以進一步整合計算資源。從服務器使用演變的這個過程可以看出，作為一種以服務的方式提供計算資源的新型計算資源組織、分配和使用模式，云計算的出現(xiàn)是必然的。

　　計算能力、存儲空間以及通信帶寬，成為社會的公共基礎設施。用戶呈現(xiàn)出個性化服務的強勁需求：無需關心特定應用軟件的服務方式（如是否被他人同時租用），無需關心計算平臺的操作系統(tǒng)以及軟件環(huán)境等底層資源的物理配置與管理，無需關心計算中心的地理位置。這三個“無需關心”即構成了軟件作為服務、平臺作為服務（PaaS）、基礎設施作為服務（IaaS）。計算資源的虛擬化組織、分配和使用模式，有利于資源合理配置并提高利用率（散落在局域網、社區(qū)網、城區(qū)網、地區(qū)網各級信息中心的成千上萬臺服務器的利用率通常在15%左右，集中后的虛擬集群服務器利用率可達85%），促進節(jié)能減排，實現(xiàn)綠色計算。

　　云計算促進軟件行業(yè)大轉型

　　軟件作為獨立產品，針對用戶需求采用自上而下、逐步求精的方法，進行面向系統(tǒng)的軟件設計與面向底層技術實現(xiàn)的代碼開發(fā)與測試，讓用戶安裝并擁有軟件系統(tǒng)的時代已經或者正在成為歷史。

　　云計算中的軟件開發(fā)是基于服務的軟件開發(fā)，更加強調標準接口和具有自治能力的粒計算組件的重用和綁定，從以編碼為主轉化為側重建模及模型轉換的開發(fā)過程；從相對封閉的、面向固定系統(tǒng)的軟件開發(fā)與產品買賣方式，轉化為依托網絡開放資源、面向服務的聚合及租賃方式，軟件開發(fā)、軟件注冊和檢索以及軟件租賃，形成三分離的格局。以前的軟件工程師似乎設計了大型軟件系統(tǒng)才算水平高，現(xiàn)在是通過軟件被重用的次數(shù)來評判軟件的價值。有個大學生編了個軟件計數(shù)器用來記錄和呈現(xiàn)淘寶店的訪問次數(shù)，最初這個計數(shù)器賣5塊錢，后來只賣1塊錢，但是你可以想象總共有多少個淘寶店。

　　普遍參與的開發(fā)形成群體智慧，將出現(xiàn)各種各樣開源、開放的軟件合作開發(fā)社區(qū)。軟件頻繁地被重用和重組，在第一時間滿足客戶需求。大眾既是軟件使用者，也是開發(fā)者；既是服務消費者，也是提供者，這就形成群體智慧。

　　軟件行業(yè)將實現(xiàn)社會化、集約化、專業(yè)化的大轉型�；ヂ�(lián)網計算成為社會基礎設施，構成集中的、各種各樣的云計算中心，實現(xiàn)模塊化的社會服務；通過歸并分散的、粗放的軟件開發(fā)與應用，使軟件模塊構件化，提高平臺利用率，計算資源以虛擬化方式組織和配置，可彈性伸縮。通過軟件的重用和柔性重組，進行服務流程的優(yōu)化與重構；面向租戶，提供更為精細和規(guī)范的服務，軟件透明使用，按需租用。云計算促進了軟件開發(fā)商之間的資源聚合、信息共享和協(xié)同工作，形成面向服務的計算，為網絡時代的軟件工程開辟了新道路。

　　云計算支撐物聯(lián)網

　　早期的互聯(lián)網支持盡力而為的服務，其核心簡單、邊緣豐富；云計算提供社會化、集約化和專業(yè)化的信息服務，其網絡豐富、邊緣簡單、交互智能。隨著移動互聯(lián)網帶寬的迅速增長，2009年我國新建3G基站達到32.5萬個，網絡覆蓋全國342個城市、2055個縣市、6000多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。移動互聯(lián)網的實時性、交互性、低成本、個性化和位置感知能力，形成了移動用戶迅速增長的服務需求，移動云計算上的服務，尤其是基于位置的內容服務會很快到來。因為我們每個人都生活在移動的空間里，首先需要的是定位服務。

　　互聯(lián)網成為社會基礎設施，人們對人人聯(lián)網已經不滿意了，希望物物聯(lián)網，這就是物聯(lián)網。當打印機、顯示器、汽車等物體連入互聯(lián)網之后，通過云計算中的計算中心和數(shù)據(jù)中心可以提供云打印、云顯示、云導航、云旅游等服務。如果我想知道從北京會議中心去天安門廣場怎么走，無需買個GPS，只需發(fā)個短信，云導航中心就會返回一條或幾條路徑信息。如果北京所有的汽車都聯(lián)網，云監(jiān)控中心就可以知道車輛的運行情況，而無需專門的監(jiān)控車輛去巡查當日北京市的限號車輛是否進入五環(huán)以內。

　　云安全

　　云計算不是解決信息安全問題的新式武器。云計算最重要的技術進步是計算方式、存儲方式和交互方式的網絡化變革，以及軟件作為服務的思想。云計算也無法避免可能在軟件中出現(xiàn)諸如漏洞、病毒、攻擊及信息泄露等目前信息系統(tǒng)中普遍存在的、共性的信息安全問題，傳統(tǒng)的信息安全技術將會繼續(xù)應用在云計算中心以及端設備的安全管理上。

　　云計算改變信息安全的根本格局

　　在云計算之前，大量敏感數(shù)據(jù)分散、重復、位于網絡邊緣，不僅難于管理，也容易造成泄漏的風險，例如同一個文件可能被拷貝成百上千次。而云計算通過服務的規(guī)�；⒓s化和專業(yè)化，將數(shù)據(jù)和信息高度集中地存放于各類數(shù)據(jù)中心，通過建立云安全中心，專門為端用戶和各種數(shù)據(jù)中心提供安全服務，改變了人人打補丁、個個殺病毒的狀況。云安全的重心逐步由端設備轉向云計算中心，從而改變端設備上安全問題難以管控的局面。在云計算中，我們可以從傳輸層面、交換層面、路由層面、網絡層面和內容層面實現(xiàn)信息識別、分析、阻斷等管控能力，尤其是云計算的計費管理和認證手段，為用戶端的管控打下了堅實基礎。

　　軟件即服務，安全本身也可以成為一種社會服務。云安全中心專門為端用戶和各種各樣的數(shù)據(jù)中心提供安全服務，這和酒店專門聘請保安的道理是一樣的。從根本上來說，云計算的規(guī)�；�、集約化和專業(yè)化對信息安全是有利的。此外，安全的級別與用戶愿意付出的代價是相關的。投入越多，相應獲得的保障級別也越高。

　　云安全本質是信任與信任管理問題

　　人們普遍關心的云安全問題，本質上是服務方與被服務方之間的信任與信任管理問題，也就是說，是數(shù)據(jù)擁有方和存儲服務方之間形成一定的數(shù)據(jù)使用約定，通過雙方的信譽和雙約束的手段，共同促成數(shù)據(jù)的合理、合法使用而不被濫用。對用戶而言，可以選擇信賴的服務方，約定一種雙方都滿意的安全機制，以達到最大化的安全保障。對服務方而言，一旦失去誠信將無立足之地，誠信遠比企業(yè)的利潤重要。

　　安全和可信是云計算中各類用戶和服務提供方等不斷交互，以及在服務過程中的演化所積累出來的一項品質。云計算服務中心的信譽，最基本、最重要的保證在于互聯(lián)網的民主性所形成的由下而上的力量，即在社區(qū)交互和演化中所體現(xiàn)出來的信譽。云計算中信任的建立、維持和管理，還可以通過社會與技術手段相結合的方式來輔助完善信任機制。

　　對廣大企業(yè)而言，云計算為信息安全領域帶來新的商業(yè)機會和手段——云備份。銀行、航空、電信等許多大型信息系統(tǒng)通過建立一級、二級數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一維護和集中管理。為防范各級中心發(fā)生信息系統(tǒng)崩潰、數(shù)據(jù)丟失等風險，必須有備份機制。在云計算時代，可以設想由一個信息企業(yè)專門承擔起備份這項工作，建立起一個可擴展的、動態(tài)伸縮的云數(shù)據(jù)備份中心，對相似專業(yè)的數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)進行備份服務，而不需要每一個專業(yè)數(shù)據(jù)中心各自做備份，這是云計算技術給安全備份提供的嶄新手段。

　　運用云計算的技術實現(xiàn)社會化、集約化和專業(yè)化的備份服務，必將提高專業(yè)數(shù)據(jù)中心的安全性和可靠性。

　　云計算的實踐

　　云計算給軟件園帶來變化

　　眾所周知，軟件園往往是一個城市的耗電大戶，一個入駐幾百家企業(yè)、幾千名員工的軟件園，各種軟硬件資源重復投資建設，每月需支出的電費高達242萬元，而資源利用率卻很低。如果軟件園的企業(yè)可以共享同一個云計算平臺，包括硬件平臺、開發(fā)工具、測試環(huán)境和運行平臺等，將逐步構建綠色的軟件園，來進行軟件即服務、平臺即服務和基礎設施即服務的工作。

　　這些云計算所帶來的軟硬件的部署、開發(fā)等方面的深刻變化，會使軟件園內弱小而分散的形形色色的軟件企業(yè)，通過動蕩、分化、改組和歸并，演化為有特色的云計算中心，針對細分需求，提供集中的、面向不同領域的計算、存儲和交互服務，逐步形成社會化、集約化和專業(yè)化的面向特定領域的服務。

　　傳統(tǒng)電信行業(yè)的糾結

　　傳統(tǒng)電信行業(yè)是提供話音為主的，僅僅是滿足了大眾用戶最基本的需求。隨著數(shù)據(jù)通信的普及，互聯(lián)網以及web網絡快速發(fā)展，人們對相互之間溝通的質量要求提高了，產生了文字、話音、視頻等多種多樣的更為直接的、個性化的需求，因此，傳統(tǒng)電信運營商的糾結，歸根結底是新技術所帶來的市場需求的提升，是需求的精細化造成的。

　　過去，電信行業(yè)常常是地區(qū)割據(jù)、行業(yè)割據(jù)，是一種典型的金字塔式的層次結構。現(xiàn)在，要從割據(jù)走向融合。原來，我們是先有設備制造商，再有電信運營商，后又有增值服務商。應用為王、內容為王所導致的需求為王，使得我們必須要以提供服務來切入。信息的服務、內容的服務，導致了應用軟件就是服務的思想。因為應用軟件是服務，才造成支撐應用軟件的開發(fā)平臺也是服務；因為開發(fā)平臺是服務，才造成支撐開發(fā)平臺運轉的基礎設施也是服務。產業(yè)鏈的走向倒過來了，傳統(tǒng)的電信行業(yè)要認識到產業(yè)鏈倒置給我們帶來的深刻變化。

　　要想不糾結，就要找出路。一是電信行業(yè)的金字塔式層次結構要向扁平的組織結構的自身轉型，融合資源、彈性配置；二是要發(fā)揮信息基礎設施的依附優(yōu)勢，從小眾中獲取大眾基本信息，挖掘需求、靈活分眾、深度服務；三是要適應信息即服務、軟件即服務、平臺即服務和基礎設施即服務的變化，拓展應用，合作共贏。

　　云計算實踐試點

　　2010年10月，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)改委等聯(lián)合確定了在北京、上海、深圳、杭州、無錫五個城市先行開展云計算服務創(chuàng)新發(fā)展的試點示范。應該說，北京的祥云計劃、上海的云海計劃、無錫的物聯(lián)網和云計算基地等等都已經開始了務實的推動，在全國起到引領和示范的作用。

　　基于互聯(lián)網的云計算，節(jié)點可大可小，距離不再重要。因此，在城市試點的基礎上，我個人認為更應該加強行業(yè)的應用和領域的應用示范。這里我想強調一下基于位置的服務——LBS（Location based service），如果從北京到深圳可以實現(xiàn)整個區(qū)域范圍內的導航服務和定位服務，那么這就為物聯(lián)網的應用提供了基礎。

　　地理信息系統(tǒng)是每一個行業(yè)都需要的基本信息，有地理信息服務，才有導航定位的精度保證。比方說，導航的精度可以到幾十厘米而不是幾米，不僅可以導航到道路，而且可以導航到車道，那么就可以實現(xiàn)從北京到上海，乃至到深圳的網絡導航。此外，我們還可以有基于地理信息的旅游服務、教育服務、應急救生服務、社會保險服務，等等。

　　云計算的實踐需要更多的務實，從行業(yè)和領域入手，從老百姓得到實惠入手，從解決民生入手，不在于拼服務器集群的規(guī)模。并不是說五萬臺服務器的集裝箱就偉大，五千臺服務器的就不偉大，也不是說把一百萬臺服務器集中起來就叫云計算。

　　隨著試點的推廣，云計算的實踐還要考慮整個中國IT行業(yè)的戰(zhàn)略布局，將來是否要在一些地方設立國家級的海量基礎數(shù)據(jù)中心和服務中心，是否可以考慮在我國電力供應相對豐富的低溫地區(qū)建立海量數(shù)據(jù)中心？

　　眾所周知，電力傳輸是比較昂貴的，而寬帶傳輸消耗的經費是比較少的。中國聯(lián)通研究院就光纖傳輸與電能傳輸?shù)某杀竞湍芎淖鲞^一個對比分析，光纖傳輸?shù)陌俟锝ㄔO成本為210萬元，而電能傳輸高達2億4千萬元，后者是前者的一千多倍；百公里電力損耗為5.2千瓦時，電能傳輸則為25千瓦時，后者約是前者的5倍。顯然，可以在靠近電廠的低溫地區(qū)建設大規(guī)模的“超級數(shù)據(jù)中心”，利用寬帶通信網絡向華東、華南傳輸數(shù)據(jù)，以替代大量煤炭和電力向華東、華南的輸送，變“以電力網輸送電能”為“以電信網輸送數(shù)據(jù)”，以減少二氧化碳的排放，改善生態(tài)環(huán)境。

　　專家簡介：

　　李德毅：中國工程院院士、歐亞科學院院士，中國人工智能學會理事長，國家和軍隊信息化專家咨詢委員會委員，國家973項目首席科學家，中國電子學會云計算專家委員會主任，清華大學、國防大學等兼職教授。

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