U社会和发展网络科学技术

　　构建“普惠泛在的信息网络体系”
　　从2010年至2050年，我国发展信息科学技术的总目标是：抓住信息技术跃变的机遇，提升自主创新和可持续发展能力，使我国全面进入信息社会：绝大多数中国人成为信息用户，信息成为中国经济和社会发展最重要的资源，社会信息化总体上接近国外发达国家水平。
　　信息社会的发展可粗略分为e社会和u社会两个阶段，e社会是信息社会的初级阶段，u社会是信息社会的高级阶段。2020年以前我国要为迈向信息社会奠定坚实基础，称为e社会，2020年以后的目标是向u社会过渡。U有三种含义, 第一是Universal，即全民普及、惠及全民；第二是User-Oriented 和User-Centric, 即面向用户和以用户为中心；第三是Ubiquitous，即网络通信和服务无处不在。
　　今后几十年内，我国发展信息科学技术的总体战略目标和任务是构建“普惠泛在的信息网络体系”，简称U-INS体系(Universal, User-oriented, Ubiquitous Information Network Systems)。U-INS体系包含六个方面的内容：(1)支撑网络、具有变革性的器件与系统；(2)面向大众、普及全民的网络系统；(3)安全可信、个性化的网络服务技术；(4)支持产业升级和发展数据知识产业；(5)网络科学与新的信息科学；(6)国家与社会信息网络安全体系。这一体系体现了21世纪上半叶我国要全面进入信息社会的重大战略需求，也包含了信息领域需要重点发展的科学技术。我国未来40年要高度关注和积极发展惠及全民、以用户为中心、无所不在的信息网络体系。

　　21世纪网络科学技术的变革
　　传统的计算机科学主要致力于研究如何最好地设计、构造、分析和编程计算机，而现在研究的问题主要是如何最好地设计、构建、分析和操作网络。继20世纪发展系统论、信息论和控制论之后，21世纪将提出新的网络论(Net Theory)，将整个网络看成一个复杂巨系统，发现其中的规律，这一理论将对网络的发展与普及产生深远影响。历史上并没有人设计互联网， Internet是自己演化涌现(emerge)形成的。未来网络一定要建立在对网络的深刻理解上，不仅要理解网络的协议层，而且要理解网络的动力学行为、可控制性、安全性、健壮性和演化规律。
　　到目前为止，网络领域引用率最高的6篇论文中有4篇发表在Science, Nature 和Reviews of Modern Physics，均不是网络领域的学术期刊。著名的Scale Free Model并不符合Internet的真实情况。要发展真正的网络科学，只有在Network Science Community 和 Network Research Community中相互交流，才能对网络有正确的认识。网络科学是研究人机物三元世界的网络共性规律、表达模型和计算理论的新兴学科，涉及经济、社会等和信息科学交叉领域所面临的科学问题。网络科学将会提出网络信息理论的新概念并发展新的理论体系。
　　未来互联网设计(Future Internet Design, FIND)计划是美国国家科学基金会(NSF)网络技术和系统研究计划(NeTS Research Program)中的一个新的重大长期研究倡议。  FIND邀请学术界考虑15年后的全球网络的需求是什么，并要求解除受网络现状限制的普遍心理来构思未来，主要致力于以下5个问题：
　　第一，网络是否要继续采用分组交换；
　　第二，端对端原理是否要改变(端对端原理的提出者Clark 教授在2009年的一次FIND工作会议上建议：将E2E 原理改为trust-to-trust原理，即应用的智能不一定在终端，而是放在有足够的信任能正确完成任务的设备上)；
　　第三，路由和包转发是否要分开；
　　第四，拥塞控制和资源管理问题；
　　第五，身份认证和路由问题。
　　以上这些内容涉及互联网的根本原则。FIND项目的研究内容给了我们深刻的启迪：信息领域的科研不能停留在对现有平台的修修补补，要敢于挑战现有平台，考虑革命性的技术换代。
　　设计未来互联网不同于其他工程设计，它不是设计一个有具体目标的人造物品，而是设计一个环境，使之能引发出我们希望出现的网络产品与服务。因此，我们需要能适应未预见到未来变化的新理论。

　　无处不在的传感网与物联网
　　传感网络是数字世界与物理世界的桥梁，主要实现对物理世界的信息获取和处理，数字物理系统(Cyber Physical System, CPS),又称为物联网，是数字世界与物理世界交互的网络系统，主要功能是监视与控制。传感网络和数字物理系统的研究重合的部分很大、但侧重各有不同，前者重点在感知与网络、，后者在计算与控制，它们都是未来泛在网的重要组成部分。传感网和物联网是典型的多学科交叉的综合研究，涉及通信、光学、微机械、化学、生物等诸多领域。
　　如果把手机比喻成自然界的鱼类(约3万种)，PC机比喻成比鱼类还高级的各种生物(约2万种)，物联网的终端(包括各种贴有RFID标签的物品)就类似自然界的昆虫(约100万种)，物联网终端：手机：PC机约为100∶3∶2。物联网的普及将使上网设备成百倍地增长。但必须指出，将来也不会出现像手机网和PC网一样庞大的统一的物联网，每一种应用的物联网可能都是一个规模不太大的网络，每一种传感器或RFID可能都是Niche Market，但累计起来规模巨大。发展物联网需要与发展手机和PC机不同的思路。
　　随着大量的嵌入式设备和传感器纳入信息系统，每个服务器的客户端设备数量可达到几万个之多，对这些嵌入式设备和传感器发送的海量信息进行存储、搜索、校对、汇总和分析，将是21世纪信息领域新的挑战任务。我国在传感器、无线射频标签(RFID)、传感网络应用等方面与国外先进水平有较大差距，要抓紧突破传感网和物联网核心技术，在技术标准上争取更大的发言权。

　　云计算的出现具有一定的历史必然性
　　古人云：天下大势，分久必合，合久必分。信息技术领域宏观上也呈现一种长周期现象，即每隔15～20年，计算模式会出现集中-分散交替主导的现象。 这种现象被称为“三国定律”(见图3)。
　　美国电气化过程， 在1880～1900年期间，美国和英国只有小电站，每个工厂、每条电车道都有自己的发电设备。 银行和股市支持私人发展电力。 这导致20世纪初伦敦的电力有10种不同的频率、32种不同的电压、70种不同的电价[3]。 为了实现电力系统的融合，美国规定地方政府可控制的地区只允许用公共电力，私人电力公司可在城市之间发展，逐渐实现供电方式和价格等的统一。 近几年国外又在探讨分布式的热电联产的绿色智能电网系统，第二代能源系统成为21世纪能源工业结构调整的方向之一。目前相当分散的信息中心与上世纪初美国电气化开始阶段的情景极其类似，信息网络与电力网络一样，都要经历分散-集中-分散的螺旋式发展过程。
　　云计算符合“三国定律”的宏观规律，有一定必然性。 它是网络计算的一个新阶段，既有集中又有分散，尚未完成下一个“集中-->分散”转折，有专家称“云计算是软件大型机”。云计算也是我国走向信息社会的一个必经阶段。云计算适应用户的需求和软件转向服务的发展趋势，体现了信息系统聚集的趋势——集中服务模式。
　　云计算“火”起来的原因有三：一是互联网的普及，如带宽的保证，不仅是带宽越来越宽，而且保证24小时不间断的连接； 二是存储成本下降非常快；三是互联网改变了人们的传统思维习惯，比如人们从习惯于一切自建到逐渐习惯于付费的网上订阅服务。云计算“火”起来的真正推手则是需求。 用户无需购买服务器、存储设备，也无需建设数据中心，根据使用收费，想用多少就用多少，这些好处对用户无疑具有相当的诱惑力。分布式处理技术和虚拟化技术的进步是云计算的重要推动力，特别是在以VMware为代表的虚拟化技术供应商们的大力推动下，X86平台的虚拟化技术逐渐成熟并普及，使得数据中心的整合不再成为一件费时费力的事情，这也为云计算平台的搭建提供了条件。
　　云计算已成为当今最热的话题，其关键是资源集中和虚拟化技术，应当引起我们的重视。
　　云计算涉及国家信息基础设施的基本安全问题，不能掉以轻心。必须建立自主可控的云计算中心。网络信息技术的长远发展目标应该是真正以用户为中心，而不是以服务商为中心。变相的Client-Server结构或虚拟的Mainframe结构可能不是理想的结构。信息不同于能量，信息的根本性质是可无限次共享而本身不减少，理想的信息服务模式可能不同于电力。 因此，我们需要寻求符合信息本质规律、真正以用户为中心的网络体系结构。