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云计算——物联网的基石

李德毅 2011/11/01

  我们将利用信息和信息技术精确地调控物质和能量,以提高资源利用率和加快转变经济发展方式。物联网的兴起就是最典型的证明,其中以智能电网、智能交通等最具代表性,而云计算则成为物联网的基石。

  众所周知,在包括人类自身在内的自然环境里,物质、能量和信息是三大要素,没有物质什么都不存在,没有能量什么都不会发生,没有信息什么都没有意义。人类进入信息时代,信息和信息技术将成为社会转型、生产力发展的根本动力。

  工业革命时期,水、电、交通、电信都已经实现了社会化、集约化和专业化,成为社会的公共基础设施;今天,我们处在后工业革命时期,云计算正在让信息技术和信息服务实现社会化、集约化和专业化,让信息服务成为社会的公共基础设施。我们将利用信息和信息技术精确地调控物质和能量,以提高资源利用率和加快转变经济发展方式。物联网的兴起就是最典型的证明,其中以智能电网、智能交通等最具代表性,而云计算则成为物联网的基石。

  云计算是互联网发展之必然

  互联网中骨干网带宽增长的吉尔德速度常常是6个月翻一番,而微电子发展的摩尔速度是18个月翻一番,信息技术的发展倾向于网络,人人联网的事实使得地球真的成为一个地球村,距离不再重要。

  回顾IT产业的发展历程,在计算环境和设施方面,从60年代的大型机,70年代的小型机,80年代的个人电脑和局域网,到90年代对人类生产和生活产生了深刻影响的桌面互联网,再到现在人们高度关注的移动互联网的转变过程,计算设施和环境已经从以计算机为中心到以网络为中心,再到以人为中心;软件工程一改长期以来面向机器、面向语言和面向中间件等面向主机的形态,转为面向需求、服务、网络的形态,真正实现了软件即服务(SaaS);在人机交互方面,最初主要以键盘交互为主,1964年鼠标的发明,改变了人机交互方式,使得计算机得到普及,为此,鼠标的发明者获得了计算机界的最高奖项——图灵奖。现在交互的主要方式又演变为触摸、语音和手势等,已经从人围着计算机转,改为计算机围着人转,交互、分享、群体智能等都远远超出了早先图灵机的范畴,这就是泛在的计算。无论从计算环境和设施的变化、软件工程的发展,还是从交互方式的改变,这些都告诉我们,现在已经进入到一个新的时代——云计算的时代。

  计算资源虚拟化催生云计算

  计算资源虚拟化是云计算的核心技术,从计算机发展史来看,虚拟化技术早已经存在。例如,当年我们做操作系统时使用了虚拟存储管理的技术,使得应用程序自认为拥有连续足够的存储空间,无需关心实际使用的磁带机、磁盘机、闪存等物理存储设备的地址构成、容量、组合、调用和管理细节。虚拟内存是物理内存的抽象。

  同样,分时操作系统利用时间片轮转分别处理多个不同的任务,使得一台物理计算机可以虚拟为多台独立的虚拟机,为不同用户服务,也即虚拟化技术。还有在计算机硬件和操作系统上,通过一个中间件让支撑其的多个不同的操作系统和应用程序同时运行,又形成若干表面独立的虚拟机。至于虚拟专网(VPN),它是在公共电信设施上,建立一个企业或一个团体内部通信与网络的方法,封装了多个不同网络设备与终端的传输差异性。

  回顾互联网资源配置的变迁过程,最早的服务器出现在网络的客户端/服务器(C/S)结构中,客户端和服务器共同分担处理任务。后来客户端进一步变瘦,通过浏览器直接接入应用,即浏览器/服务器(B/S)结构。随着互联网应用的增多,多数机构、各个部门都架设了自己的服务器,导致服务器种类和数量出现井喷,如邮件服务器、数据服务器、安全服务器和视频服务器等等。大量服务器运营和维护的负担,又促使托管市场出现,以减轻机构自身维护服务器的成本。但简单的托管并不能对服务器群实施进一步的集约化使用。于是,通过虚拟化服务,把服务器变成“服务”,在服务提供方就可以进一步整合计算资源。从服务器使用演变的这个过程可以看出,作为一种以服务的方式提供计算资源的新型计算资源组织、分配和使用模式,云计算的出现是必然的。

  计算能力、存储空间以及通信带宽,成为社会的公共基础设施。用户呈现出个性化服务的强劲需求:无需关心特定应用软件的服务方式(如是否被他人同时租用),无需关心计算平台的操作系统以及软件环境等底层资源的物理配置与管理,无需关心计算中心的地理位置。这三个“无需关心”即构成了软件作为服务、平台作为服务(PaaS)、基础设施作为服务(IaaS)。计算资源的虚拟化组织、分配和使用模式,有利于资源合理配置并提高利用率(散落在局域网、社区网、城区网、地区网各级信息中心的成千上万台服务器的利用率通常在15%左右,集中后的虚拟集群服务器利用率可达85%),促进节能减排,实现绿色计算。

  云计算促进软件行业大转型

  软件作为独立产品,针对用户需求采用自上而下、逐步求精的方法,进行面向系统的软件设计与面向底层技术实现的代码开发与测试,让用户安装并拥有软件系统的时代已经或者正在成为历史。

  云计算中的软件开发是基于服务的软件开发,更加强调标准接口和具有自治能力的粒计算组件的重用和绑定,从以编码为主转化为侧重建模及模型转换的开发过程;从相对封闭的、面向固定系统的软件开发与产品买卖方式,转化为依托网络开放资源、面向服务的聚合及租赁方式,软件开发、软件注册和检索以及软件租赁,形成三分离的格局。以前的软件工程师似乎设计了大型软件系统才算水平高,现在是通过软件被重用的次数来评判软件的价值。有个大学生编了个软件计数器用来记录和呈现淘宝店的访问次数,最初这个计数器卖5块钱,后来只卖1块钱,但是你可以想象总共有多少个淘宝店。

  普遍参与的开发形成群体智慧,将出现各种各样开源、开放的软件合作开发社区。软件频繁地被重用和重组,在第一时间满足客户需求。大众既是软件使用者,也是开发者;既是服务消费者,也是提供者,这就形成群体智慧。

  软件行业将实现社会化、集约化、专业化的大转型。互联网计算成为社会基础设施,构成集中的、各种各样的云计算中心,实现模块化的社会服务;通过归并分散的、粗放的软件开发与应用,使软件模块构件化,提高平台利用率,计算资源以虚拟化方式组织和配置,可弹性伸缩。通过软件的重用和柔性重组,进行服务流程的优化与重构;面向租户,提供更为精细和规范的服务,软件透明使用,按需租用。云计算促进了软件开发商之间的资源聚合、信息共享和协同工作,形成面向服务的计算,为网络时代的软件工程开辟了新道路。

  云计算支撑物联网

  早期的互联网支持尽力而为的服务,其核心简单、边缘丰富;云计算提供社会化、集约化和专业化的信息服务,其网络丰富、边缘简单、交互智能。随着移动互联网带宽的迅速增长,2009年我国新建3G基站达到32.5万个,网络覆盖全国342个城市、2055个县市、6000多个乡镇。移动互联网的实时性、交互性、低成本、个性化和位置感知能力,形成了移动用户迅速增长的服务需求,移动云计算上的服务,尤其是基于位置的内容服务会很快到来。因为我们每个人都生活在移动的空间里,首先需要的是定位服务。

  互联网成为社会基础设施,人们对人人联网已经不满意了,希望物物联网,这就是物联网。当打印机、显示器、汽车等物体连入互联网之后,通过云计算中的计算中心和数据中心可以提供云打印、云显示、云导航、云旅游等服务。如果我想知道从北京会议中心去天安门广场怎么走,无需买个GPS,只需发个短信,云导航中心就会返回一条或几条路径信息。如果北京所有的汽车都联网,云监控中心就可以知道车辆的运行情况,而无需专门的监控车辆去巡查当日北京市的限号车辆是否进入五环以内。

  云安全

  云计算不是解决信息安全问题的新式武器。云计算最重要的技术进步是计算方式、存储方式和交互方式的网络化变革,以及软件作为服务的思想。云计算也无法避免可能在软件中出现诸如漏洞、病毒、攻击及信息泄露等目前信息系统中普遍存在的、共性的信息安全问题,传统的信息安全技术将会继续应用在云计算中心以及端设备的安全管理上。

  云计算改变信息安全的根本格局

  在云计算之前,大量敏感数据分散、重复、位于网络边缘,不仅难于管理,也容易造成泄漏的风险,例如同一个文件可能被拷贝成百上千次。而云计算通过服务的规模化、集约化和专业化,将数据和信息高度集中地存放于各类数据中心,通过建立云安全中心,专门为端用户和各种数据中心提供安全服务,改变了人人打补丁、个个杀病毒的状况。云安全的重心逐步由端设备转向云计算中心,从而改变端设备上安全问题难以管控的局面。在云计算中,我们可以从传输层面、交换层面、路由层面、网络层面和内容层面实现信息识别、分析、阻断等管控能力,尤其是云计算的计费管理和认证手段,为用户端的管控打下了坚实基础。

  软件即服务,安全本身也可以成为一种社会服务。云安全中心专门为端用户和各种各样的数据中心提供安全服务,这和酒店专门聘请保安的道理是一样的。从根本上来说,云计算的规模化、集约化和专业化对信息安全是有利的。此外,安全的级别与用户愿意付出的代价是相关的。投入越多,相应获得的保障级别也越高。

  云安全本质是信任与信任管理问题

  人们普遍关心的云安全问题,本质上是服务方与被服务方之间的信任与信任管理问题,也就是说,是数据拥有方和存储服务方之间形成一定的数据使用约定,通过双方的信誉和双约束的手段,共同促成数据的合理、合法使用而不被滥用。对用户而言,可以选择信赖的服务方,约定一种双方都满意的安全机制,以达到最大化的安全保障。对服务方而言,一旦失去诚信将无立足之地,诚信远比企业的利润重要。

  安全和可信是云计算中各类用户和服务提供方等不断交互,以及在服务过程中的演化所积累出来的一项品质。云计算服务中心的信誉,最基本、最重要的保证在于互联网的民主性所形成的由下而上的力量,即在社区交互和演化中所体现出来的信誉。云计算中信任的建立、维持和管理,还可以通过社会与技术手段相结合的方式来辅助完善信任机制。

  对广大企业而言,云计算为信息安全领域带来新的商业机会和手段——云备份。银行、航空、电信等许多大型信息系统通过建立一级、二级数据中心,实现数据的统一维护和集中管理。为防范各级中心发生信息系统崩溃、数据丢失等风险,必须有备份机制。在云计算时代,可以设想由一个信息企业专门承担起备份这项工作,建立起一个可扩展的、动态伸缩的云数据备份中心,对相似专业的数据中心的数据进行备份服务,而不需要每一个专业数据中心各自做备份,这是云计算技术给安全备份提供的崭新手段。

  运用云计算的技术实现社会化、集约化和专业化的备份服务,必将提高专业数据中心的安全性和可靠性。

  云计算的实践

  云计算给软件园带来变化

  众所周知,软件园往往是一个城市的耗电大户,一个入驻几百家企业、几千名员工的软件园,各种软硬件资源重复投资建设,每月需支出的电费高达242万元,而资源利用率却很低。如果软件园的企业可以共享同一个云计算平台,包括硬件平台、开发工具、测试环境和运行平台等,将逐步构建绿色的软件园,来进行软件即服务、平台即服务和基础设施即服务的工作。

  这些云计算所带来的软硬件的部署、开发等方面的深刻变化,会使软件园内弱小而分散的形形色色的软件企业,通过动荡、分化、改组和归并,演化为有特色的云计算中心,针对细分需求,提供集中的、面向不同领域的计算、存储和交互服务,逐步形成社会化、集约化和专业化的面向特定领域的服务。

  传统电信行业的纠结

  传统电信行业是提供话音为主的,仅仅是满足了大众用户最基本的需求。随着数据通信的普及,互联网以及web网络快速发展,人们对相互之间沟通的质量要求提高了,产生了文字、话音、视频等多种多样的更为直接的、个性化的需求,因此,传统电信运营商的纠结,归根结底是新技术所带来的市场需求的提升,是需求的精细化造成的。

  过去,电信行业常常是地区割据、行业割据,是一种典型的金字塔式的层次结构。现在,要从割据走向融合。原来,我们是先有设备制造商,再有电信运营商,后又有增值服务商。应用为王、内容为王所导致的需求为王,使得我们必须要以提供服务来切入。信息的服务、内容的服务,导致了应用软件就是服务的思想。因为应用软件是服务,才造成支撑应用软件的开发平台也是服务;因为开发平台是服务,才造成支撑开发平台运转的基础设施也是服务。产业链的走向倒过来了,传统的电信行业要认识到产业链倒置给我们带来的深刻变化。

  要想不纠结,就要找出路。一是电信行业的金字塔式层次结构要向扁平的组织结构的自身转型,融合资源、弹性配置;二是要发挥信息基础设施的依附优势,从小众中获取大众基本信息,挖掘需求、灵活分众、深度服务;三是要适应信息即服务、软件即服务、平台即服务和基础设施即服务的变化,拓展应用,合作共赢。

  云计算实践试点

  2010年10月,工业和信息化部、国家发改委等联合确定了在北京、上海、深圳、杭州、无锡五个城市先行开展云计算服务创新发展的试点示范。应该说,北京的祥云计划、上海的云海计划、无锡的物联网和云计算基地等等都已经开始了务实的推动,在全国起到引领和示范的作用。

  基于互联网的云计算,节点可大可小,距离不再重要。因此,在城市试点的基础上,我个人认为更应该加强行业的应用和领域的应用示范。这里我想强调一下基于位置的服务——LBS(Location based service),如果从北京到深圳可以实现整个区域范围内的导航服务和定位服务,那么这就为物联网的应用提供了基础。

  地理信息系统是每一个行业都需要的基本信息,有地理信息服务,才有导航定位的精度保证。比方说,导航的精度可以到几十厘米而不是几米,不仅可以导航到道路,而且可以导航到车道,那么就可以实现从北京到上海,乃至到深圳的网络导航。此外,我们还可以有基于地理信息的旅游服务、教育服务、应急救生服务、社会保险服务,等等。

  云计算的实践需要更多的务实,从行业和领域入手,从老百姓得到实惠入手,从解决民生入手,不在于拼服务器集群的规模。并不是说五万台服务器的集装箱就伟大,五千台服务器的就不伟大,也不是说把一百万台服务器集中起来就叫云计算。

  随着试点的推广,云计算的实践还要考虑整个中国IT行业的战略布局,将来是否要在一些地方设立国家级的海量基础数据中心和服务中心,是否可以考虑在我国电力供应相对丰富的低温地区建立海量数据中心?

  众所周知,电力传输是比较昂贵的,而宽带传输消耗的经费是比较少的。中国联通研究院就光纤传输与电能传输的成本和能耗做过一个对比分析,光纤传输的百公里建设成本为210万元,而电能传输高达2亿4千万元,后者是前者的一千多倍;百公里电力损耗为5.2千瓦时,电能传输则为25千瓦时,后者约是前者的5倍。显然,可以在靠近电厂的低温地区建设大规模的“超级数据中心”,利用宽带通信网络向华东、华南传输数据,以替代大量煤炭和电力向华东、华南的输送,变“以电力网输送电能”为“以电信网输送数据”,以减少二氧化碳的排放,改善生态环境。

  专家简介:

  李德毅:中国工程院院士、欧亚科学院院士,中国人工智能学会理事长,国家和军队信息化专家咨询委员会委员,国家973项目首席科学家,中国电子学会云计算专家委员会主任,清华大学、国防大学等兼职教授。

CTI论坛报道



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