英文摘要:With the rapid development of the Internet, new “Cyberspace” becomes a more integral part of society. Information space is created through the use of communications, sensing, and computing technologies. This paper introduces the development and formation of information space, and the important role played by these technologies. Convergence of future global networks will change the individual characteristics of networks, giving rise to a global network environment where people can engage in a variety of activities.

英文關(guān)鍵字:cyberspace; communication technologies; computing technologies; sensor technologies

Internet 是全人類共建的網(wǎng)絡(luò)，是人類生存的第二空間

物聯(lián)網(wǎng)是Internet的一個(gè)新發(fā)展，特別是Internet中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)新發(fā)展

云計(jì)算將是各國(guó)的各大計(jì)算機(jī)制造商和業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商間的激烈競(jìng)技場(chǎng)，也是各大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)大顯身手的好機(jī)遇

1 Internet與信息空間的形成

Internet誕生于20世紀(jì)80年代，它源于電信網(wǎng)絡(luò)，但I(xiàn)nternet的設(shè)計(jì)者從計(jì)算機(jī)行業(yè)獲取了新的基因，并注入Internet，使其從通信網(wǎng)行業(yè)中“異化”出來，成為傳統(tǒng)電信的“叛逆者”。Internet一出現(xiàn)就表現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力，充滿了活力，并為廣大用戶提供了最方便的服務(wù)而得到他們的支持和青睞，因而迅速發(fā)展成為國(guó)際性的網(wǎng)絡(luò)。到了90年代Web的出現(xiàn)，大大增強(qiáng)了Internet的服務(wù)能力，為用戶提供了極豐富、極方便的信息服務(wù)，使Internet為全人類構(gòu)建了一個(gè)新的生存空間——Cyberspace（賽伯空間、信息空間、數(shù)字空間、或虛擬空間），將人類社會(huì)推進(jìn)到一個(gè)新的信息化社會(huì)階段。Web 2.0更為Internet中的每個(gè)用戶提供了方便而有力的工具，使每個(gè)用戶不僅是一個(gè)信息的服務(wù)對(duì)象，也可以成為一個(gè)媒體的制造者和提供者，平等的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)成為人們?cè)谛畔⒖臻g中生存和相互交往的主要模式。

在信息化社會(huì)中，人們既要在物理空間中生存和競(jìng)爭(zhēng)，又要在虛擬的信息空間中生存和競(jìng)爭(zhēng)。長(zhǎng)期以來，人們對(duì)于物理空間中的事物已有了深刻認(rèn)識(shí)，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)來適應(yīng)在物理空間中生存和競(jìng)爭(zhēng)，能夠從事各種正常的社會(huì)活動(dòng)，過著幸福安寧的生活。但是，雖然人類經(jīng)過了幾千年的努力奮斗，物理空間中的生存和競(jìng)爭(zhēng)仍然面臨著許多嚴(yán)重的問題，需要人類去探索和解決。這里要特別提醒大家，虛擬的信息空間中的許多事物和問題大多是物理空間中的事物和問題在虛擬的信息空間中的映像。因此，理解、思考和解決信息空間中的問題常?？梢越梃b物理空間中問題的解決方法和經(jīng)驗(yàn)；另一方面，我們也要清楚認(rèn)識(shí)信息空間中問題的特殊性，明確區(qū)分信息空間中和物理空間中問題的不同之處。

Internet的本性是“連通性”、“自由性”，它不是由那個(gè)國(guó)家，那個(gè)公司所建，而是全人類共建的網(wǎng)絡(luò)。正如物理空間一樣，它是人類的第二生存空間。人類應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)這個(gè)新的生存環(huán)境，學(xué)會(huì)適應(yīng)這個(gè)新的生存環(huán)境，在可能的條件下去控制和改造這個(gè)新環(huán)境，求得和諧發(fā)展。

Internet是構(gòu)建信息空間的主要網(wǎng)絡(luò)模型，但它絕不是“唯一的”，更不是“完美無(wú)瑕”的。作為信息傳輸來看，它只是物理空間中實(shí)現(xiàn)“普通郵遞”業(yè)務(wù)在信息空間中的映像，當(dāng)然不具有所有理想業(yè)務(wù)的屬性，特別是不具服務(wù)質(zhì)量(QoS)和安全性的保證。隨著資源的豐富，技術(shù)的進(jìn)步，QoS可以提高，安全性也可以提高，但對(duì)于它的安全性不能寄與太多的期望。

Internet不是一種像傳統(tǒng)電信那樣的物理承載網(wǎng)，它是在物理承載網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議(TCP/IP)協(xié)議和軟件組建的虛擬網(wǎng)絡(luò)。自有了Internet，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)就分為兩種類型的工作：一是用物理設(shè)備構(gòu)建具體的物理信號(hào)的傳輸網(wǎng)絡(luò)（這恰如建設(shè)高速公路、高速鐵路）；另一個(gè)是通過協(xié)議和軟件組成各種虛擬的業(yè)務(wù)網(wǎng)（這恰如利用鐵路、公路等從事各類運(yùn)輸服務(wù)公司的工作）。在物理或承載網(wǎng)上所建立的任何業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)可以獨(dú)立于Internet，但將失去了Internet的連通性，一旦這類網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP技術(shù)與Internet連通，就成了Internet中的一種Intranet（內(nèi)域網(wǎng)）。按其開放的程度，Intranet可以部分地享用Internet中的連通性，但同時(shí)會(huì)部分地失去其安全性和對(duì)QoS的控制能力。不同種類業(yè)務(wù)的Intranet間可以根據(jù)其業(yè)務(wù)合作關(guān)系建立起相應(yīng)的開放性，這就形成多個(gè)合作伙伴之間共享的Extranet（外域網(wǎng)）。利用包括安全技術(shù)在內(nèi)的各種IT技術(shù)實(shí)現(xiàn)Intranet間的可控通達(dá)性、共享性、安全性和服務(wù)質(zhì)量要求。信息化社會(huì)的信息空間構(gòu)成如圖1所示。

任何人、單位、政府都可以享用Internet所提供的互連、互通和豐富多彩的信息服務(wù)，但同時(shí)也要承受來自Internet的安全威脅，有時(shí)甚至是嚴(yán)重的威脅，付出的代價(jià)也是慘重的。Internet出現(xiàn)后的20多年，使人類的生活和整個(gè)世界的面貌發(fā)生了巨大的變化，但I(xiàn)nternet的一些弱點(diǎn)和缺點(diǎn)也日益顯露出來：一是它的服務(wù)質(zhì)量，另一個(gè)是它的安全和可信。安全漏洞、黑客攻擊、身份欺詐、垃圾郵件、蠕蟲、病毒，安全事件層出不窮。Internet安全問題給人們帶來巨大的威脅，處理不好就會(huì)帶來巨大的，甚至不可估量的損失。用于Internet安全的投資巨大，據(jù)估計(jì)2008年各網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商單用于防治垃圾郵件的費(fèi)用已達(dá)1 400億美元。人們不斷地創(chuàng)制一些新的補(bǔ)丁貼到系統(tǒng)和終端計(jì)算機(jī)中的軟件上來修補(bǔ)漏洞，互聯(lián)網(wǎng)已成了補(bǔ)丁摞補(bǔ)丁、五光十色的百衲衣了?；ヂ?lián)網(wǎng)地址匱乏、業(yè)務(wù)量陡增，P2P大型視頻文件已占全世界網(wǎng)絡(luò)流量的50%，這里還未將高清晰度視頻業(yè)務(wù)計(jì)入。有人預(yù)計(jì)互聯(lián)網(wǎng)的載荷能力將在2010年達(dá)到飽和。到2012年互聯(lián)網(wǎng)每月傳送的數(shù)據(jù)量高達(dá)20 EB，相當(dāng)于50億張DVD的存儲(chǔ)量。但新的業(yè)務(wù)還在不斷加入，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)不堪重負(fù)了，2009年已有人撰文“互聯(lián)網(wǎng)的崩潰”[1]。

面對(duì)這一形勢(shì)，我們?nèi)绾螌で蟪雎?？有人提出采用革命性的手段，從零開始，推倒重來，另建一個(gè)全新的Internet，美國(guó)和歐洲都有這類耗資巨大的工程計(jì)劃；另一些人則主張采用演化的而非革命的辦法，認(rèn)為靈活性和安全性要通過不斷地改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)。反對(duì)推倒重來者認(rèn)為，當(dāng)前的Internet中已有2.8萬(wàn)家網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商和50萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器，以及幾十億用戶，構(gòu)成了人類的第二生存空間，要想對(duì)這一虛擬空間進(jìn)行徹底的變革將是一個(gè)多么浩大的工程！而且任何想要撼動(dòng)TCP/IP協(xié)議的想法和意見都會(huì)在國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)會(huì)議上遭到否決。他們力勸激進(jìn)派要三思而后行。我們認(rèn)為，當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)雖然存在安全性、QoS、靈活性等諸多問題，但它已成為我們的第二生存空間，它的主要特點(diǎn)是互聯(lián)、互通和共享，充分體現(xiàn)了自由、平等和民主。連通性、及時(shí)提供豐富的信息、平等的P2P模式等，已成為我們每個(gè)人離不開的生存環(huán)境了。這個(gè)空間就像我們所熟悉的物理空間一樣，而且其中很多部分都不過是物理空間的映像。物理空間也有各種不盡人意的地方，安全性、環(huán)境污染、能源逐漸枯竭、自然災(zāi)害、經(jīng)濟(jì)危機(jī)、戰(zhàn)爭(zhēng)威脅、恐怖分子和暴力等。面對(duì)該種情況，我們只能逐步地對(duì)這個(gè)物理世界進(jìn)行改善，很多時(shí)候也只是不斷地進(jìn)行修修補(bǔ)補(bǔ)而已。我們無(wú)法徹底地、輕而易舉地對(duì)物理空間的映像空間進(jìn)行重構(gòu)，因此還是應(yīng)當(dāng)認(rèn)真地多想一想，不能落入烏托邦式的空想王國(guó)中。

互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量依賴于承載網(wǎng)的通信質(zhì)量和管理水平，隨著承載網(wǎng)絡(luò)的帶寬增大、傳輸質(zhì)量和管理水平提高，互聯(lián)網(wǎng)的QoS會(huì)逐步改善；隨著虛擬代理技術(shù)的推廣使用，用戶地址問題也可以解決。最難的是互聯(lián)網(wǎng)的安全性和可信性，這是一個(gè)永恒的主題，只能逐步有所改善，很難徹底解決。這和物理空間中的安全問題一樣，即使從零開始，將現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)推倒從來，徹底重建也難確保互聯(lián)網(wǎng)的信息安全和可信。

2 通信技術(shù)的發(fā)展

1948年美國(guó)的偉大科學(xué)家C. E. Shannon發(fā)表了《通信的數(shù)學(xué)理論》，創(chuàng)立了信息論，為通信的發(fā)展指明了方向，走數(shù)字化的道路，成為數(shù)字化革命的理論基礎(chǔ)。半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為數(shù)字化革命提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

衛(wèi)星通信、光纖通信和各種寬帶接入技術(shù)提供了寬帶數(shù)傳信道，分組數(shù)傳、程控交換、計(jì)算機(jī)與通信(2C)的結(jié)合為高效網(wǎng)絡(luò)化通信開辟了道路。20世紀(jì)90年代戈?duì)柼岢隽私ㄔO(shè)信息高速公路，即后來的全球和國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為信息空間的形成和發(fā)展提供了物理基礎(chǔ)。

20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了衛(wèi)星通信，特別是環(huán)繞地球軌道的同步通信衛(wèi)星出現(xiàn)后，人們對(duì)它寄予了希望。短波無(wú)線通信固有的缺點(diǎn)，使人們忽視了它的研究和發(fā)展。但到了80年代，由于新的通信技術(shù)大發(fā)展，出現(xiàn)了自適應(yīng)、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、差錯(cuò)控制、數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)，使得短波、超短波通信能以更高的數(shù)據(jù)率、更低的誤碼率、更長(zhǎng)的保障時(shí)間傳信，而獲得復(fù)興。到了90年代，Internet的發(fā)展提出了對(duì)于無(wú)線接入Internet的需求，無(wú)線局域網(wǎng)(WiFi)、Bluetooth、ZigBee等應(yīng)運(yùn)而生，解決了近距離接入Internet的問題[2]。為了提高接入網(wǎng)的數(shù)據(jù)率，又提出了無(wú)線城域網(wǎng)(WMAN)和全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)技術(shù)，以及超寬帶(UWB) (IEEE 802.16)。為用戶接入Internet提供了極大的方便，推動(dòng)了辦公自動(dòng)化和家庭網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)像盛開的鮮花迅速發(fā)展，Wi-Fi熱點(diǎn)已經(jīng)到處布點(diǎn)，Bluetooth個(gè)域網(wǎng)（PAN）到處都已有了，ZigBee的擴(kuò)展使用使電力網(wǎng)更加高效可靠地運(yùn)行，通過無(wú)線將電表、燈、照明開關(guān)、溫度調(diào)節(jié)器和家用電器連在一起。人們可用一個(gè)終端或手機(jī)在任何時(shí)候，任何地方，與任何人進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，從網(wǎng)絡(luò)獲取所需的信息或向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布信息。各種不同的網(wǎng)絡(luò)、不同的設(shè)備、不同的業(yè)務(wù)之間將匯聚在一起形成一個(gè)遍布式計(jì)算環(huán)境或社會(huì)[3]。當(dāng)前通信和信息技術(shù)的發(fā)展有如下幾個(gè)特征：

(1) 信息科學(xué)正在滲透和融合到許多其它科學(xué)領(lǐng)域，如哲學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)等，信息科學(xué)技術(shù)成為許多學(xué)科的一種有力研究工具。

(2) 新的信息載體，如量子和DNA已走上技術(shù)舞臺(tái)，電子時(shí)代已走過它最輝煌的高峰，光子時(shí)代和DNA時(shí)代已顯露出曙光。

(3) 納米技術(shù)為IT技術(shù)的發(fā)展提供了更廣闊的前景。

(4) 信息的傳輸、存儲(chǔ)、處理和提取向探索更遙遠(yuǎn)的天際、更久遠(yuǎn)的過去和更小的微觀世界發(fā)展。
前面的3項(xiàng)都是描述信息技術(shù)向微觀世界的發(fā)展，而第4項(xiàng)涉及航空、航天、宇宙星際探測(cè)、宇宙和人類起源、考古等都要求信息技術(shù)向更廣闊的時(shí)空進(jìn)軍。

(5) 信息化社會(huì)的發(fā)展要求能無(wú)時(shí)無(wú)刻地向人們提供所需的信息和相關(guān)服務(wù)。

這對(duì)信息的傳輸、存儲(chǔ)、處理和提取提出了很多新的要求，出現(xiàn)了許多新的發(fā)展，如Internet、Web2.0、Web3.0、P2P、2G、3G和4G、移動(dòng)通信、各種有線和無(wú)線接入技術(shù)、多媒體技術(shù)、在線視頻廣播、各種遍布式傳感網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線Mesh網(wǎng)、無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)、IP電話、流媒體、遍布式計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、云計(jì)算、信息對(duì)抗等，不一而足共同發(fā)展。

3 感知技術(shù)的發(fā)展

人類區(qū)別于一般動(dòng)物之處是能夠不斷地發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和制造新的工具，擴(kuò)大自己感知時(shí)空的能力，由用自己能力有限的感官去看、去聽、去聞、去嗅、去品嘗、去撫摸、去感受，到用聽診器、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、超聲探測(cè)儀、X射線、CT斷層掃描……間接感知。使用工具大大延伸了人能感受的時(shí)空領(lǐng)域，強(qiáng)化了我們探索自然、社會(huì)、和我們自己生理和心理的能力。

1990年美國(guó)發(fā)射的哈勃(Hubble)太空望遠(yuǎn)鏡將人類觀察宇宙的能力擴(kuò)大到銀河系以遠(yuǎn)，帶來天文觀測(cè)史上的一場(chǎng)革命。2014年美國(guó)航天局計(jì)劃將發(fā)射功能更強(qiáng)大的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡替代哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。它可以按照天文學(xué)家的指令去觀測(cè)宇宙中的任意星體，使我們的觀測(cè)距離擴(kuò)展到130億光年的宇宙，同時(shí)使我們可以追尋到137億年前，宇宙大爆炸以來的宇宙的形成和演變的歷史。太空望遠(yuǎn)鏡就是一個(gè)復(fù)雜的光探測(cè)或感知系統(tǒng)，也是一個(gè)無(wú)線光通信系統(tǒng)。韋伯耗資達(dá)50億美元，但僅為哈勃之半。下一步是建造巨型太空望遠(yuǎn)鏡的Atlas T計(jì)劃，要到2020至2025年才可能運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。

太空望遠(yuǎn)鏡僅是形形色色的傳感器中的一例，還有許多的各種不同類型的傳感器，僅就用于人體的就有可佩帶、可吞咽和可植入的三大類。利用這些傳感器，通過無(wú)線信道可以和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)連接，組成了無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)或無(wú)線體域網(wǎng)(WBAN)，為研究人體生理和心理的奧秘，疾病診斷和治療提供了極為有效的手段。

人對(duì)環(huán)境有感知、通信和響應(yīng)能力，人利用計(jì)算機(jī)可以接入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入信息空間中活動(dòng)。人的一些器官對(duì)環(huán)境雖有部分的感知、通信和響應(yīng)能力，但它們沒有和外面直接通信的能力，更沒有聯(lián)網(wǎng)的能力。當(dāng)我們給它們綁定或嵌入傳感器后，它們就具備了對(duì)環(huán)境感知、通信和響應(yīng)能力了，也可以接入網(wǎng)絡(luò)，而成為信息空間中的一員。物理空間中的一切事物，不管它是無(wú)生物還是生物、是動(dòng)物還是植物、也不管它是移動(dòng)的還是固定的，都可以采用這種辦法，給它綁定或嵌入一個(gè)傳感器，就可以將它送入信息空間中，作為其中的一個(gè)虛擬成員。

當(dāng)前嵌入目標(biāo)中的傳感器多為無(wú)源器件射頻識(shí)別(RFID)，最近出現(xiàn)一種有源RFID芯片，利用稱為Dash7的無(wú)線網(wǎng)接入。運(yùn)行在433 MHz，波長(zhǎng)約為70 cm，這個(gè)波段的優(yōu)點(diǎn)是可以穿透像水泥墻一類的障礙，能工作在有大量金屬堆積的環(huán)境中，但困難是很難設(shè)計(jì)高效和小巧的天線。ISO已在2004批準(zhǔn)Dash7標(biāo)準(zhǔn)，并在做進(jìn)一步的改進(jìn)。有源RFID芯片采用小電池，功耗低，可長(zhǎng)期工作。通信距離可達(dá)幾百米，條件好時(shí)甚至更遠(yuǎn)些。Dash7適用于低功耗、低帶寬數(shù)字通信。第一次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)國(guó)防部成功地將Dash7用來跟蹤戰(zhàn)爭(zhēng)物資的運(yùn)輸。從此美軍不斷增加對(duì)此類無(wú)線標(biāo)記的推廣使用。到2009年，美國(guó)國(guó)防部將4億2 800萬(wàn)美元的Dash7 RFID器件的合同分給了Savi、Northrop Grumman、System & Process Engineering Corp.和Unisys 4家公司。Dash 7聯(lián)盟于2009年5月成立。當(dāng)前一只有源RFID僅為5美分。已有更多公司在開發(fā)這類產(chǎn)品。工廠的生產(chǎn)管理、銷售、產(chǎn)品派送等已廣泛應(yīng)用這一技術(shù)[5]。

有源傳感器的供電是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。在人體、鋼筋混凝土建筑、化工廠危險(xiǎn)內(nèi)部機(jī)構(gòu)中的有源傳感器，難于為其更新電池。目前，即使用在要害節(jié)點(diǎn)，有源傳感器的電池也僅能維持幾年。當(dāng)前急需尋求無(wú)需外部供能的有源傳感器解決途徑。2009年在美國(guó)Barltimore召開的國(guó)際電子器件會(huì)議上發(fā)表的研究報(bào)告，已提出了解決方案。提出了制造長(zhǎng)壽命電池的兩種完全不同的方案，但都是用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的懸臂通過壓電產(chǎn)能器將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。一個(gè)是采用放射性同位素；另一個(gè)是采用源于環(huán)境的振動(dòng)能推動(dòng)懸臂運(yùn)動(dòng)，可以提供一般內(nèi)置無(wú)線傳感系統(tǒng)所需的0.1 μW到1 mW的功耗。都已制作出了全自動(dòng)供電的無(wú)線系統(tǒng)[6]。Cornell大學(xué)Amit Lal和Steven Tin采用鎳-63(Ni-63)溫性放射同位素和少量中子，在衰變過程中放射出無(wú)害的β粒子（僅穿入表面21μm），其能量可供每三分鐘發(fā)射一個(gè)5-mW脈沖信號(hào)，Ni-63的半衰期約100年，故可維持供電100年。荷蘭納米電子研究中心Imec的工程師Rene Elfrink所領(lǐng)導(dǎo)的研究組利用氮化鋁振動(dòng)采能器為無(wú)線自動(dòng)溫度傳感器供電，可以每隔15秒將所測(cè)的環(huán)境溫度發(fā)給15米以內(nèi)的基站。通過改進(jìn)，可以更低的成本產(chǎn)生從mW級(jí)到W級(jí)的電力，足夠支持傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行。HP實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究員Palo Alto，Calif說：“Imec的研究成果對(duì)于他們地球計(jì)劃的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，即以微型傳感器撒遍世界的幻影很重要。供電是實(shí)現(xiàn)幻影王國(guó)的主要障礙，他們所需的電力為50 mW。目前，這種振動(dòng)式采能器的使用范圍較窄。”

最近以來，出現(xiàn)了很多無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，如無(wú)線自組織網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)(WMN)、泛在網(wǎng)、遍布網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等大多與傳感器有關(guān)，即與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)有關(guān)。其中物聯(lián)網(wǎng)[3]可能是最典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它的英文原意是物的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這首先要將物變?yōu)殪`巧物，也就是嵌入了傳感器后的物，它可以接入網(wǎng)絡(luò)，而成為Internet中的一個(gè)虛擬成員。由這類虛擬成員所組成的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)就是所謂的物聯(lián)網(wǎng)，它是具有環(huán)境感知、信息可靠采集和遞送、數(shù)據(jù)智能處理的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)?？梢允且苿?dòng)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，也可以是專向感知的。

由此可見，物聯(lián)網(wǎng)是Internet的一個(gè)新發(fā)展，特別是Internet中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)新發(fā)展，雖然這類網(wǎng)原理上也可以用有線技術(shù)布網(wǎng)（如爆破行業(yè)），但很不方便；另一方面，這類網(wǎng)要成氣候，就必須over IP，也就是必須用IP技術(shù)與Internet連接，而成為Internet的一部分，或信息空間中的一類新成員，稱之為機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)或物-物互聯(lián)網(wǎng)也未嘗不可，但還不是很確切的，M2M就是網(wǎng)絡(luò)的增值，而物-物間的互聯(lián)只反映了拓廣的一個(gè)方面，還應(yīng)包括人-物間的互聯(lián)和物-人間的互聯(lián)。

這類新的網(wǎng)絡(luò)有極其廣闊的應(yīng)用前景。首先是在軍事上，戰(zhàn)場(chǎng)的感知、數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)、后勤物資調(diào)撥、供給等。特別是在反恐上有重要應(yīng)用價(jià)值。“九一一”事件后，美國(guó)對(duì)信息安全有了新的要求，新增設(shè)了國(guó)土安全部(DHS)，對(duì)FBI從組織上和技術(shù)上進(jìn)行改革、簽署美國(guó)愛國(guó)法案、發(fā)布政府的《安全信息空間的國(guó)家策略》報(bào)告、計(jì)劃建設(shè)政府專用網(wǎng)(GovNet)、入境指紋采樣和驗(yàn)證、實(shí)施《信息全面覺察計(jì)劃》等一系列新舉措。美國(guó)國(guó)防部也在2002年11月建立了信息覺察局(IAO)。IAO的主要目標(biāo)是應(yīng)對(duì)恐怖主義威脅，能在世界范圍偵查、發(fā)現(xiàn)、跟蹤、定位和攻擊恐怖主義分子，了解和預(yù)評(píng)估他們的計(jì)劃，并研發(fā)可供選擇的技術(shù)，如開展e-DNA研究、超大規(guī)模所有源的信息倉(cāng)儲(chǔ)，來防止他們的襲擊。這就是美國(guó)IAO的全面信息覺察計(jì)劃主要內(nèi)容。

參與式感知是全面信息覺察的一種民用技術(shù)領(lǐng)域的新提法，本質(zhì)上也是在浩瀚的信息空間中捕獲感興趣的有關(guān)個(gè)人、社團(tuán)的遍布數(shù)據(jù)，進(jìn)行高效數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建個(gè)性數(shù)據(jù)專用庫(kù)[7]。傳感器網(wǎng)絡(luò)在民用領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用，2008年全世界市場(chǎng)中的RFID標(biāo)記已達(dá)40億歐元，預(yù)計(jì)到2018年可達(dá)200億歐元[8]。從產(chǎn)品的電子標(biāo)簽系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)、動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng)、交通管理系統(tǒng)、供電管理系統(tǒng)、醫(yī)療保健系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、生產(chǎn)過程自動(dòng)控制管理系統(tǒng)到社會(huì)的安全監(jiān)視、管理系統(tǒng)等都已廣泛應(yīng)用這一新技術(shù)。
下一代傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)賦予很多新的能力，如智能化電源管理、流媒體、實(shí)時(shí)定位、微型飛行器和火箭的控制等。有關(guān)新標(biāo)準(zhǔn)的制定，涉及IEEE 802.15.4e、IETF ROOLL和IETF 6LoWPAN，預(yù)計(jì)到2012年傳感器網(wǎng)絡(luò)將占有20億美元的市場(chǎng)，年增長(zhǎng)率達(dá)41.9%，增長(zhǎng)勢(shì)頭強(qiáng)勁[9]。

4 計(jì)算技術(shù)的發(fā)展

計(jì)算由原來的數(shù)學(xué)和數(shù)值計(jì)算發(fā)展為以計(jì)算機(jī)為中心的集中式計(jì)算機(jī)計(jì)算，隨著網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展計(jì)算又向前發(fā)展為分布式的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，同時(shí)計(jì)算也由當(dāng)年純數(shù)學(xué)和數(shù)值計(jì)算，擴(kuò)展成為包括很多數(shù)據(jù)處理的廣義計(jì)算。

網(wǎng)絡(luò)計(jì)算指采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，利用Internet的開放性和連通性，實(shí)現(xiàn)了靈活的數(shù)據(jù)和計(jì)算資源共享、合作完成任務(wù)的分布式計(jì)算模式。它是由通用數(shù)據(jù)服務(wù)器如Oracle Server、應(yīng)用服務(wù)器如Oracle的Web應(yīng)用服務(wù)器和通用客戶端即任何客戶設(shè)備構(gòu)成的分布式系統(tǒng)。

網(wǎng)格計(jì)算是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中的一種新型計(jì)算模式，利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個(gè)“虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)”，其中每一臺(tái)參與計(jì)算的計(jì)算機(jī)就是一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”，而整個(gè)計(jì)算是由成千上萬(wàn)的“節(jié)點(diǎn)”組成的一個(gè)“網(wǎng)格”。網(wǎng)格計(jì)算通常是用來處理復(fù)雜科學(xué)計(jì)算問題，如分析來自外太空的電信號(hào)、尋找隱蔽的黑洞、探索可能存在的外星智慧生命、尋找超過1 000萬(wàn)位數(shù)字的梅森素?cái)?shù)、破譯密碼等。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需購(gòu)置昂貴的巨型計(jì)算機(jī)，充分利用網(wǎng)上的空閑計(jì)算能力就可集成計(jì)算能力超強(qiáng)的虛擬機(jī)，為千上萬(wàn)的用戶提供求解復(fù)雜問題的計(jì)算資源[10]。

普適（或泛在）計(jì)算是施樂公司PALOATO研究中心的首席技術(shù)官M(fèi)ark Weiser在1991年提出：21世紀(jì)的計(jì)算將是一種無(wú)所不在的計(jì)算模式。他認(rèn)為：最深刻和強(qiáng)大的技術(shù)是“看不見的”技術(shù)，是那些融入日常生活并消失在日常生活中的技術(shù)。普適計(jì)算是虛擬計(jì)算的反面。虛擬計(jì)算致力于把人置于計(jì)算機(jī)所創(chuàng)造的虛擬世界里，而普適計(jì)算則是反其道而行之——使計(jì)算機(jī)融入人的生活空間，形成一個(gè)“無(wú)時(shí)不在、無(wú)處不在而又不可見”的計(jì)算環(huán)境。在這樣的環(huán)境中，計(jì)算不再局限于桌面，用戶可以通過手持設(shè)備、可穿戴設(shè)備或其他常規(guī)、非常規(guī)計(jì)算設(shè)備無(wú)障礙地享用計(jì)算能力和信息資源。普適計(jì)算模式將對(duì)人們享用計(jì)算和信息的方式帶來另一場(chǎng)變革。普適計(jì)算可包括移動(dòng)計(jì)算，但普適計(jì)算不是移動(dòng)計(jì)算，它更強(qiáng)調(diào)環(huán)境驅(qū)動(dòng)性。從技術(shù)上來說，這就要求普適計(jì)算對(duì)環(huán)境信息具有高度的可感知性，人機(jī)交互更自然化，設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)配置和自適應(yīng)能力更強(qiáng)，所以普適計(jì)算的研究涵蓋中間件、移動(dòng)計(jì)算、人機(jī)交互、嵌入式技術(shù)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域。普適計(jì)算要解決的問題包括：擴(kuò)展性、異構(gòu)性、不同構(gòu)件的集成、上下文感知和不可見性。其中不可見性對(duì)普適計(jì)算來說是至關(guān)重要的，因?yàn)樗笙到y(tǒng)無(wú)需用戶干預(yù)或只需要最少干預(yù)，也就是要求系統(tǒng)具有自動(dòng)和動(dòng)態(tài)的配置機(jī)制。遍布式計(jì)算類似于普適計(jì)算。

云計(jì)算是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中的另一種新型計(jì)算模式，是基于互聯(lián)網(wǎng)的超級(jí)計(jì)算模式，是分布式、并行和網(wǎng)格計(jì)算的新發(fā)展，也可以說是一種基于Web服務(wù)的商業(yè)實(shí)現(xiàn)。云計(jì)算的運(yùn)營(yíng)商有點(diǎn)像電業(yè)、自來水和煤氣公司，將分散在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)“待工”狀態(tài)的PC機(jī)、手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)的計(jì)算能力，形成強(qiáng)大的、便宜的計(jì)算資源（包括數(shù)據(jù)、軟件、計(jì)算能力等）匯聚起來，再通過互聯(lián)網(wǎng)向網(wǎng)中有需求的用戶提供計(jì)算資源服務(wù)。用戶無(wú)需對(duì)計(jì)算硬件、軟件和數(shù)據(jù)資源進(jìn)行大量投資，就可以方便地獲取到計(jì)算資源進(jìn)行所需的計(jì)算，甚至包括大型復(fù)雜問題求解，大大降低了計(jì)算成本。用戶只需為云計(jì)算運(yùn)營(yíng)商所提供的服務(wù)付費(fèi)。這是網(wǎng)絡(luò)中的一種新業(yè)務(wù)，具有高效、靈活、低成本、利用統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)平滑動(dòng)態(tài)變化的計(jì)算負(fù)載，能為眾多用戶同時(shí)提供計(jì)算服務(wù)[11]。

要實(shí)現(xiàn)“云計(jì)算”的目標(biāo)，還有不少障礙需要克服。首先，個(gè)人數(shù)據(jù)的安全保密，這是一個(gè)很重要的問題。云計(jì)算意味著數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)移到用戶主權(quán)掌控范圍外的機(jī)器上，也就是云計(jì)算服務(wù)提供商的手中。雖然借助于加密和接入控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隱私數(shù)據(jù)的保護(hù)，但許多人常常將未加密數(shù)據(jù)放到公開的云上而被竊取。此外，可信性以及還有許多實(shí)際上和管理上的問題需要解決。許多人未必愿意向公眾開放自己的計(jì)算環(huán)境和資源，實(shí)現(xiàn)互惠和共享，他們可能也不大在乎出讓一些計(jì)算資源所能獲得的一點(diǎn)收益。他們想的是將自己的計(jì)算后花園經(jīng)營(yíng)好，在自己的控制下，供自己人享用。這正是PC機(jī)能夠戰(zhàn)勝NC機(jī)（SUN公司20世紀(jì)90年代中所推捧的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)）的主要理由，也可能是今后PC機(jī)還會(huì)繼續(xù)向前發(fā)展的理由，它不會(huì)因?yàn)樵朴?jì)算的發(fā)展而消亡，因?yàn)樵朴?jì)算所涉及的不是能量和物質(zhì)，而是至關(guān)重要的信息。開放和隱私，競(jìng)爭(zhēng)與合作永遠(yuǎn)是一種折衷的選擇。

對(duì)于云計(jì)算的發(fā)展，傳統(tǒng)的硬件制造商擔(dān)心硬件市場(chǎng)衰退會(huì)到來。也有人說，會(huì)重回到大型機(jī)時(shí)代，幻想著超級(jí)計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的春天到來。但超級(jí)計(jì)算機(jī)時(shí)代的計(jì)算機(jī)已不是擺在大機(jī)房里一排排的機(jī)柜，而是看不見也摸不著的云彩里的一些虛幻影子。云計(jì)算將是各國(guó)的各大計(jì)算機(jī)制造商和業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商間的激烈競(jìng)技場(chǎng)，也是各大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)大顯身手的好機(jī)遇。

云計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算都涉及復(fù)雜的資源聚集問題，所以有效的系統(tǒng)管理是非常重要的。對(duì)于自治計(jì)算技術(shù)，現(xiàn)有的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)支持某些自治的概念，比如確定支持的虛擬機(jī)(VMs)的數(shù)量、提供動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展存儲(chǔ)、跨平臺(tái)遷移工作負(fù)載等。從自治作用的觀點(diǎn)討論網(wǎng)格或云與企業(yè)數(shù)據(jù)中心之間的關(guān)鍵差分器是應(yīng)用和友誼的模式。雖然已有的自治計(jì)算研究可以直接在基礎(chǔ)設(shè)施層面應(yīng)用（服務(wù)器、虛擬制造、叢管理等等），但它不能用于應(yīng)用層。已有的幾個(gè)云環(huán)境也需要明白如何利用自治概念跨越多個(gè)云的擁有者和提供者[12]。

自治計(jì)算技術(shù)可以論及系統(tǒng)行為的各個(gè)方面，如可以提供：

可預(yù)期的系統(tǒng)行為和不可預(yù)見的用戶行為和濫用的管理；
更好的服務(wù)質(zhì)量（QoS）管理，主要是增加來自用戶社區(qū)的可信性，從而對(duì)已有開發(fā)系統(tǒng)的增值；
更好的能耗管理；
更有效的資源管理，資源可以在更高利用水平上“彈性地”適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)模的變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

在信息化社會(huì)中，人們不僅要像世世代代先人們那樣，在物理空間中生存和競(jìng)爭(zhēng)，還要學(xué)會(huì)在虛擬的信息空間生存和競(jìng)爭(zhēng)，這個(gè)新的空間中的許多事物是物理空間的映像，可以用我們?cè)谖锢砜臻g中的經(jīng)驗(yàn)去認(rèn)識(shí)和對(duì)待，也有很多新的東西需要我們研究。發(fā)展信息空間的主要技術(shù)是通信、感知和計(jì)算。

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王育民，西安電子科技大學(xué)教授、博導(dǎo)，中國(guó)電子學(xué)會(huì)和中國(guó)通信學(xué)會(huì)會(huì)士、中國(guó)密碼學(xué)會(huì)榮譽(yù)理事、IEEE高級(jí)會(huì)員，曾任全國(guó)高等學(xué)校通信和信息工程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任、中國(guó)電子學(xué)會(huì)信息論學(xué)會(huì)委員；現(xiàn)從事密碼學(xué)與信息安全技術(shù)的教學(xué)和科研工作；合作發(fā)表論文200余篇，譯、著多部；曾獲國(guó)家、省部級(jí)獎(jiǎng)等多項(xiàng)。