浅谈信息空间的前世今生

　　Internet 是全人类共建的网络，是人类生存的第二空间

　　物联网是Internet的一个新发展，特别是Internet中无线网络的一个新发展

　　云计算将是各国的各大计算机制造商和业务运营商间的激烈竞技场，也是各大学和研究机构大显身手的好机遇

　　1 Internet与信息空间的形成

　　信息空间（INFOSPHERE）是描述信息化未来的新词汇，目前在英国字典中还查不到。信息空间是指随着因特网和“电子商业”的迅速发展，人类正在被带入到一个新的世界环境之中。目前的因特网的功能是把各个网址连接起来。

　　信息空间的主要功能是供人们进行数据的获取和处理及传送电子邮件，而信息空间将是人们进行交流、活动的一个新的场所，它是所有通信网络、数据库和信息的融合，形成一个巨大的、相互关联、具有不同民族和种族特点相互交流的“景观”，是一个三维空间。在不久的未来，网络的融合将改变单个网络的特性，网络将能不再只是简单地作为一种人们进行交流的中介，而将创造出一个“网络生态”，人们将能够在“网络生态”环境下从事各种活动。这是信息空间。

　　在信息化社会中，人们既要在物理空间中生存和竞争，又要在虚拟的信息空间中生存和竞争。长期以来，人们对于物理空间中的事物已有了深刻认识，并积累了丰富的经验来适应在物理空间中生存和竞争，能够从事各种正常的社会活动，过着幸福安宁的生活。因此，理解、思考和解决信息空间中的问题常常可以借鉴物理空间中问题的解决方法和经验；另一方面，我们也要清楚认识信息空间中问题的特殊性，明确区分信息空间中和物理空间中问题的不同之处。

　　Internet的本性是“连通性”、“自由性”，它不是由那个国家，那个公司所建，而是全人类共建的网络。正如物理空间一样，它是人类的第二生存空间。人类应当认识这个新的生存环境，学会适应这个新的生存环境，在可能的条件下去控制和改造这个新环境，求得和谐发展。

　　Internet是构建信息空间的主要网络模型，但它绝不是“的”，更不是“完美无瑕”的。作为信息传输来看，它只是物理空间中实现“普通邮递”业务在信息空间中的映像，当然不具有所有理想业务的属性，特别是不具服务质量(QoS)和安全性的保证。随着资源的丰富，技术的进步，QoS可以提高，安全性也可以提高，但对于它的安全性不能寄与太多的期望。

　　Internet不是一种像传统电信那样的物理承载网，它是在物理承载网的基础上通过传输控制协议/因特网互联协议(TCP/IP)协议和软件组建的虚拟网络。不同种类业务的Intranet间可以根据其业务合作关系建立起相应的开放性，这就形成多个合作伙伴之间共享的Extranet（外域网）。利用包括安全技术在内的各种IT技术实现Intranet间的可控通达性、共享性、安全性和服务质量要求。信息化社会的信息空间构成如图1所示。

　　任何人、单位、政府都可以享用Internet所提供的互连、互通和丰富多彩的信息服务，但同时也要承受来自Internet的安全威胁，有时甚至是严重的威胁，付出的代价也是惨重的。Internet出现后的20多年，使人类的生活和整个世界的面貌发生了巨大的变化，但Internet的一些弱点和缺点也日益显露出来：一是它的服务质量，另一个是它的安全和可信。安全漏洞、黑客攻击、身份欺诈、垃圾邮件、蠕虫、病毒，安全事件层出不穷。到2012年互联网每月传送的数据量高达20 EB，相当于50亿张DVD的存储量。但新的业务还在不断加入，互联网已经不堪重负了，2009年已有人撰文“互联网的崩溃”[1]。

　　面对这一形势，我们如何寻求出路？有人提出采用革命性的手段，从零开始，推倒重来，另建一个全新的Internet，美国和欧洲都有这类耗资巨大的工程计划；另一些人则主张采用演化的而非革命的办法，认为灵活性和安全性要通过不断地改进来实现。反对推倒重来者认为，当前的Internet中已有2.8万家网络服务商和50万台服务器，以及几十亿用户，构成了人类的第二生存空间，要想对这一虚拟空间进行彻底的变革将是一个多么浩大的工程！我们无法彻底地、轻而易举地对物理空间的映像空间进行重构，因此还是应当认真地多想一想，不能落入乌托邦式的空想王国中。

　　互联网的服务质量依赖于承载网的通信质量和管理水平，随着承载网络的带宽增大、传输质量和管理水平提高，互联网的QoS会逐步改善；随着虚拟代理技术的推广使用，用户地址问题也可以解决。难的是互联网的安全性和可信性，这是一个永恒的主题，只能逐步有所改善，很难彻底解决。这和物理空间中的安全问题一样，即使从零开始，将现有的互联网推倒从来，彻底重建也难确保互联网的信息安全和可信。

　　2 通信技术的发展

　　1948年美国的伟大科学家C. E. Shannon发表了《通信的数学理论》，创立了信息论，为通信的发展指明了方向，走数字化的道路，成为数字化革命的理论基础。半导体和计算机技术的发展为数字化革命提供了物质基础。

　　卫星通信、光纤通信和各种宽带接入技术提供了宽带数传信道，分组数传、程控交换、计算机与通信(2C)的结合为高效网络化通信开辟了道路。20世纪90年代戈尔提出了建设信息高速公路，即后来的和国家信息基础设施建设，为信息空间的形成和发展提供了物理基础。

　　20世纪60年代出现了卫星通信，特别是环绕地球轨道的同步通信卫星出现后，人们对它寄予了希望。短波无线通信固有的缺点，使人们忽视了它的研究和发展。但到了80年代，由于新的通信技术大发展，出现了自适应、数字调制解调器、差错控制、数字信号处理等技术，使得短波、超短波通信能以更高的数据率、更低的误码率、更长的保障时间传信，而获得复兴。当前通信和信息技术的发展有如下几个特征：

　　(1) 信息科学正在渗透和融合到许多其它科学领域，如哲学、心理学、生理学、生物学、神经生物学等，信息科学技术成为许多学科的一种有力研究工具。

　　(2) 新的信息载体，如量子和DNA已走上技术舞台，电子时代已走过它辉煌的高峰，光子时代和DNA时代已显露出曙光。

　　(3) 纳米技术为IT技术的发展提供了更广阔的前景。

　　(4) 信息的传输、存储、处理和提取向探索更遥远的天际、更久远的过去和更小的微观世界发展。

　　前面的3项都是描述信息技术向微观世界的发展，而第4项涉及航空、航天、宇宙星际探测、宇宙和人类起源、考古等都要求信息技术向更广阔的时空进军。

　　(5) 信息化社会的发展要求能无时无刻地向人们提供所需的信息和相关服务。

　　这对信息的传输、存储、处理和提取提出了很多新的要求，出现了许多新的发展，如Internet、Web2.0、Web3.0、P2P、2G、3G和4G、移动通信、各种有线和无线接入技术、多媒体技术、在线视频广播、各种遍布式传感网络、无线Mesh网、无线Ad Hoc网、IP电话、流媒体、遍布式计算、网格计算、云计算、信息对抗等，不一而足共同发展。

　　3 感知技术的发展

　　人类区别于一般动物之处是能够不断地发现、发明和制造新的工具，扩大自己感知时空的能力，由用自己能力有限的感官去看、去听、去闻、去嗅、去品尝、去抚摸、去感受，到用听诊器、望远镜、显微镜、超声探测仪、X射线、CT断层扫描……间接感知。使用工具大大延伸了人能感受的时空领域，强化了我们探索自然、社会、和我们自己生理和心理的能力。

　　1990年美国发射的哈勃(Hubble)太空望远镜将人类观察宇宙的能力扩大到银河系以远，带来天文观测史上的一场革命。2014年美国航天局计划将发射功能更强大的詹姆斯·韦伯太空望远镜替代哈勃太空望远镜。它可以按照天文学家的指令去观测宇宙中的任意星体，使我们的观测距离扩展到130亿光年的宇宙，同时使我们可以追寻到137亿年前，宇宙大爆炸以来的宇宙的形成和演变的历史。太空望远镜就是一个复杂的光探测或感知系统，也是一个无线光通信系统。韦伯耗资达50亿美元，但仅为哈勃之半。下一步是建造巨型太空望远镜的Atlas T计划，要到2020至2025年才可能运转[4]。

　　太空望远镜仅是形形色色的传感器中的一例，还有许多的各种不同类型的传感器，仅就用于人体的就有可佩带、可吞咽和可植入的三大类。利用这些传感器，通过无线信道可以和计算机、网络连接，组成了无线个域网(WPAN)或无线体域网(WBAN)，为研究人体生理和心理的奥秘，疾病诊断和治疗提供了极为有效的手段。

　　人对环境有感知、通信和响应能力，人利用计算机可以接入网络，进入信息空间中活动。人的一些器官对环境虽有部分的感知、通信和响应能力，但它们没有和外面直接通信的能力，更没有联网的能力。当我们给它们绑定或嵌入传感器后，它们就具备了对环境感知、通信和响应能力了，也可以接入网络，而成为信息空间中的一员。物理空间中的一切事物，不管它是无生物还是生物、是动物还是植物、也不管它是移动的还是固定的，都可以采用这种办法，给它绑定或嵌入一个传感器，就可以将它送入信息空间中，作为其中的一个虚拟成员。

　　当前嵌入目标中的传感器多为无源器件射频识别(RFID)，近出现一种有源RFID芯片，利用称为Dash7的无线网接入。运行在433 MHz，波长约为70 cm，这个波段的优点是可以穿透像水泥墙一类的障碍，能工作在有大量金属堆积的环境中，但困难是很难设计高效和小巧的天线。ISO已在2004批准Dash7标准，并在做进一步的改进。有源RFID芯片采用小电池，功耗低，可长期工作。次海湾战争中，美国国防部成功地将Dash7用来跟踪战争物资的运输。从此美军不断增加对此类无线标记的推广使用。到2009年，美国国防部将4亿2 800万美元的Dash7 RFID器件的合同分给了Savi、Northrop Grumman、System & Process Engineering Corp.和Unisys 4家公司。

　　有源传感器的供电是一个具有挑战性的问题。在人体、钢筋混凝土建筑、化工厂危险内部机构中的有源传感器，难于为其更新电池。目前，即使用在要害节点，有源传感器的电池也仅能维持几年。当前急需寻求无需外部供能的有源传感器解决途径。2009年在美国Barltimore召开的国际电子器件会议上发表的研究，已提出了解决方案。提出了制造长寿命电池的两种完全不同的方案，但都是用微电子机械系统(MEMS)的悬臂通过压电产能器将机械能转换为电能。一个是采用放射性同位素；另一个是采用源于环境的振动能推动悬臂运动，可以提供一般内置无线传感系统所需的0.1 μW到1 mW的功耗。目前，这种振动式采能器的使用范围较窄。”

　　近以来，出现了很多无线通信网络，如无线自组织网、无线网状网(WMN)、泛在网、遍布网、物联网等大多与传感器有关，即与无线传感器网络(WSN)有关。其中物联网[3]可能是典型的无线传感器网络，它的英文原意是物的互联网络，这首先要将物变为灵巧物，也就是嵌入了传感器后的物，它可以接入网络，而成为Internet中的一个虚拟成员。由这类虚拟成员所组成的互联网络就是所谓的物联网，它是具有环境感知、信息可靠采集和递送、数据智能处理的无线网络。可以是移动的，也可以是固定的；可以是全局的，也可以是局域的；可以是全面感知的，也可以是专向感知的。

　　由此可见，物联网是Internet的一个新发展，特别是Internet中无线网络的一个新发展，虽然这类网原理上也可以用有线技术布网（如爆破行业），但很不方便；另一方面，这类网要成气候，就必须over IP，也就是必须用IP技术与Internet连接，而成为Internet的一部分，或信息空间中的一类新成员，称之为机器对机器(M2M)或物-物互联网也未尝不可，但还不是很确切的，M2M就是网络的增值，而物-物间的互联只反映了拓广的一个方面，还应包括人-物间的互联和物-人间的互联。

　　这类新的网络有极其广阔的应用前景。首先是在军事上，战场的感知、数字化战场、后勤物资调拨、供给等。特别是在反恐上有重要应用价值。“九一一”事件后，美国对信息安全有了新的要求，新增设了国土安全部(DHS)，对FBI从组织上和技术上进行改革、签署美国爱国法案、发布政府的《安全信息空间的国家策略》、计划建设政府专用网(GovNet)、入境指纹采样和验证、实施《信息全面觉察计划》等一系列新举措。这就是美国IAO的全面信息觉察计划主要内容。

　　参与式感知是全面信息觉察的一种民用技术领域的新提法，本质上也是在浩瀚的信息空间中捕获感兴趣的有关个人、社团的遍布数据，进行高效数据处理，构建个性数据专用库[7]。传感器网络在民用领域有着更广泛的应用，2008年全世界市场中的RFID标记已达40亿欧元，预计到2018年可达200亿欧元[8]。从产品的电子标签系统、物流管理系统、动物识别系统、交通管理系统、供电管理系统、医疗保健系统、网络教育系统、家庭网络系统、生产过程自动控制管理系统到社会的安全监视、管理系统等都已广泛应用这一新技术。

　　下一代传感器网络将会赋予很多新的能力，如智能化电源管理、流媒体、实时定位、微型飞行器和火箭的控制等。有关新标准的制定，涉及IEEE 802.15.4e、IETF ROOLL和IETF 6LoWPAN，预计到2012年传感器网络将占有20亿美元的市场，年增长率达41.9%，增长势头强劲[9]。

　　4 计算技术的发展

　　计算由原来的数学和数值计算发展为以计算机为中心的集中式计算机计算，随着网络通信的发展计算又向前发展为分布式的网络计算，同时计算也由当年纯数学和数值计算，扩展成为包括很多数据处理的广义计算。

　　网络计算指采用客户机/服务器结构，利用Internet的开放性和连通性，实现了灵活的数据和计算资源共享、合作完成任务的分布式计算模式。它是由通用数据服务器如Oracle Server、应用服务器如Oracle的Web应用服务器和通用客户端即任何客户设备构成的分布式系统。

　　网格计算是网络计算中的一种新型计算模式，利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”，而整个计算是由成千上万的“节点”组成的一个“网格”。网格计算通常是用来处理复杂科学计算问题，如分析来自外太空的电信号、寻找隐蔽的黑洞、探索可能存在的外星智慧生命、寻找超过1 000万位数字的梅森素数、破译密码等。其优点是无需购置昂贵的巨型计算机，充分利用网上的空闲计算能力就可集成计算能力超强的虚拟机，为千上万的用户提供求解复杂问题的计算资源[10]。

　　云计算是网络计算中的另一种新型计算模式，是基于互联网的超级计算模式，是分布式、并行和网格计算的新发展，也可以说是一种基于Web服务的商业实现。云计算的运营商有点像电业、自来水和煤气公司，将分散在网络环境中的千千万万个“待工”状态的PC机、手机、个人数字助理(PDA)的计算能力，形成强大的、便宜的计算资源（包括数据、软件、计算能力等）汇聚起来，再通过互联网向网中有需求的用户提供计算资源服务。用户无需对计算硬件、软件和数据资源进行大量投资，就可以方便地获取到计算资源进行所需的计算，甚至包括大型复杂问题求解，大大降低了计算成本。

　　要实现“云计算”的目标，还有不少障碍需要克服。首先，个人数据的安全保密，这是一个很重要的问题。云计算意味着数据被转移到用户主权掌控范围外的机器上，也就是云计算服务提供商的手中。虽然借助于加密和接入控制技术，可以实现对隐私数据的保护，但许多人常常将未加密数据放到公开的云上而被窃取。开放和隐私，竞争与合作永远是一种折衷的选择。

　　对于云计算的发展，传统的硬件制造商担心硬件市场衰退会到来。也有人说，会重回到大型机时代，幻想着超级计算机市场的春天到来。但超级计算机时代的计算机已不是摆在大机房里一排排的机柜，而是看不见也摸不着的云彩里的一些虚幻影子。云计算将是各国的各大计算机制造商和业务运营商间的激烈竞技场，也是各大学和研究机构大显身手的好机遇。

　　云计算和网格计算都涉及复杂的资源聚集问题，所以有效的系统管理是非常重要的。对于自治计算技术，现有的云计算基础设施已经支持某些自治的概念，比如确定支持的虚拟机(VMs)的数量、提供动态可扩展存储、跨平台迁移工作负载等。从自治作用的观点讨论网格或云与企业数据中心之间的关键差分器是应用和友谊的模式。

　　自治计算技术可以论及系统行为的各个方面，如可以提供：

　　可预期的系统行为和不可预见的用户行为和滥用的管理；

　　更好的服务质量（QoS）管理，主要是增加来自用户社区的可信性，从而对已有开发系统的增值；

　　更好的能耗管理；

　　更有效的资源管理，资源可以在更高利用水平上“弹性地”适应系统规模的变化。

　　5 结束语

　　在信息化社会中，人们不仅要像世世代代先人们那样，在物理空间中生存和竞争，还要学会在虚拟的信息空间生存和竞争，这个新的空间中的许多事物是物理空间的映像，可以用我们在物理空间中的经验去认识和对待，也有很多新的东西需要我们研究。发展信息空间的主要技术是通信、感知和计算。