信息空间的形成和发展

1、信息空间的形成和发展1 Internet与信息空间的形成Intemet诞生于20世纪80年代，它源于电信网络，但 Internet的设计者从计算机行业获取了新的基因，并注入 Internet，使其从通信网行业中“异化”出来，成为传统电信 的叛逆者”。Internet 出现就表现了强大的生命力，充满 了活力，并为广大用户提供了最方便的服务而得到他们的支 持和青睐，因而迅速发展成为国际性的网络。到了 90年代 Web的出现，大大增强了 Internet的服务能力，为用户提供 了极丰富、极方便的信息服务，使Intemet为全人类构建了 一个新的生存空间Cyberspace (赛伯空间、信息空间、数字

2、空间、或虚拟空间)，将人类社会推进到一个新的信息化社 会阶段。Web2.0更为Internet中的每个用户提供了方便而有 力的工具，使每个用户不仅是一个信息的服务对象，也可以 成为一个媒体的制造者和提供者，平等的点对点(P2P)成为人 们在信息空间中生存和相互交往的主要模式。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。但是，虽然人类经过了几千年的 努力奋斗，物理空间中的生存和竞争仍然面临着许多严重的 问题

3、，需要人类去探索和解决。这里要特别提醒大家，虚拟 的信息空间中的许多事物和问题大多是物理空间中的事物 和问题在虚拟的信息空间中的映像。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。Intemet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。Intemet是构建信

4、息空间的主要网络模型，但它绝不是 “唯一的”，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 / IPl协议和软件组建的虚拟网络。自有了 Intemet，网 络建设就分为两种类型的工作：一是用物理设备构建具体的 物理信号的传输网络（这恰如建设高速公路、

5、高速铁路）；另 一个是通过协议和软件组成各种虚拟的业务网（这恰如利用 铁路、公路等从事各类运输服务公司的工作）。在物理或承载 网上所建立的任何业务网络可以独立于Internet,但将失去了 Intemet的连通性，一旦这类网络采用TCPFIP技术与Intemet 连通，就成了 Intemet中的一种Intranet（内域网）。按其开放 的程度，Intranet可以部分地享用Intemet中的连通性，但同 时会部分地失去其安全性和对QoS的控制能力。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

6、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所不。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。Intemet安全问题给人们带来巨大的威

7、 胁，处理不好就会带来巨大的，甚至不可估量的损失。用于 Intemet安全的投资巨大，据估计2008年各网络服务商单用 于防治垃圾邮件的费用已达l 400亿美元。人们不断地创制 一些新的补丁贴到系统和终端计算机中的软件上来修补漏 洞，互联网已成了补丁摞补丁、五光十色的百衲衣了。互联 网地址匮乏、业务量陡增，P2P大型视频文件已占全世界网 络流量的50%，这里还未将高清晰度视频业务计人。有人预 计互联网的载荷能力将在2010年达到饱和。到2012年互联 网每月传送的数据量高达20EB，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

8、溃”。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I nternet，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Intemet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!而且任何想要撼动TCP /IP协议的想法和意见都会在国际互联网会议上遭到否决。他 们力劝激进派要三思而后行。我们认为，当前的互联网虽然 存在安全性、QoS、灵活性等诸

9、多问题，但它已成为我们的 第二生存空间，它的主要特点是互联、互通和共享，充分体 现了自由、平等和民主。连通性、及时提供丰富的信息、平 等的P2P模式等，已成为我们每个人离不开的生存环境了。 这个空间就像我们所熟悉的物理空间一样，而且其中很多部 分都不过是物理空间的映像。物理空间也有各种不尽人意的 地方，安全性、环境污染、能源逐渐枯竭、自然灾害、经济 危机、战争威胁、恐怖分子和暴力等。面对该种情况，我们 只能逐步地对这个物理世界进行改善，很多时候也只是不断 地进行修修补补而已。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

10、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。最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.EShannon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

11、星通信、光纤通信和各种宽带接人技术提供了宽带数 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，即后来的全球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。到了

12、 90年代，Intemet的发展提出了对 于无线接入Internet的需求，无线局域网、Bluetooth、ZigBee 等应运而生，解决了近距离接人Internet的问题。为了提高 接入网的数据率，叉提出了无线城域网(WMAN)和全球微波 互联接入(wiMAX)技术，以及超宽带(uWB)(IEEE 802.16)。为用户接入Internet提供了极大的方便，推动了办公自动化 和家庭网络的发展。无线数据网络像盛开的鲜花迅速发展， Wi-Fi热点已经到处布点，Bluetooth个域网(PAN)到处都已有 了，ZigBee的扩展使用使电力网更加高效可靠地运行，通过 无线将电表、灯、照明开关、温度调

13、节器和家用电器连在一 起。人们可用一个终端或手机在任何时候，任何地方，与任 何人进行联络，从网络获取所需的信息或向网络发布信息。 各种不同的网络、不同的设备、不同的业务之间将汇聚在一 起形成一个遍布式计算环境或社会。当前通信和信息技术的发展有如下几个特征：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。新的信息载体，如量子和DNA已走上技术舞台，电 子时代已走过它最辉煌的高峰，光子时代和DNA时代已显 露出曙光。纳米技术为IT技术的发展提供了更广阔的前景。信息的传输、存储、处理和提取向探索更遥远的天际、 更

14、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。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、各种有线和无线接人技术、 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AdHoe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

15、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

16、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AtlasT计划，要到2020至2025年才可能运 转。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

17、。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，进人信息空间中活动。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 嵌人一个传感器，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)，最近出现一种有源RFID芯片，利用称为Dash

18、7的 无线网接人。运行在433 MHz，波长约为70cm，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。通信距离可达几百 米，条件好时甚至更远些。Dash7适用于低功耗、低带宽数 字通信。第一次海湾战争中，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

19、Grumman system & ProcessEngineering Corp，和 Unisys 4家公司。Dash 7联盟于2009年5月成立。当前一只有源RFID仅为5 美分。已有更多公司在开发这类产品。工厂的生产管理、销 售、产品派送等已广泛应用这一技术。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Barhimore召开的国际电子器 件会议上发表的研究报告，已提出了解决方案。提出了制造 长寿

20、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 pw 到1mW的功耗。都已制作出了全自动供电的无线系统。Comell 大学 Amit Lal 和 Steven Tin 采用镍-63(Ni-63)温性放射 同位素和少量中子，在衰变过程中放射出无害的B粒子(仅 穿入表面2lum)，其能量可供每三分钟发射一个5-row脉冲 信号，Ni-63的半衰期约100年，故可维持供电100年。荷 兰纳米电子研究中心Imee的工程师Rene Elf

21、rink所领导的研 究组利用氮化铝振动采能器为无线自动温度传感器供电，可 以每隔15秒将所测的环境温度发给15米以内的基站。通过 改进，可以更低的成本产生从mW级到w级的电力，足够支 持传感器网络节点的运行。HP实验室的高级研究员 PaloAlto， Calif说：“Imee的研究成果对于他们地球计划的 中枢神经系统，即以微型传感器撒遍世界的幻影很重要。供 电是实现幻影王国的主要障碍，他们所需的电力为50mW。 目前，这种振动式采能器的使用范围较窄。”最近以来，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

22、)有关。其中物联网可能 是最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Intomet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o

23、ver IP，也就是必须用IP技术与 Intemet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 )或物一物互联网也未尝 不可，但还不是很确切的，M2M就是网络的增值，而物一 物间的互联只反映了拓广的一个方面，还应包括人一物间的 互联和物一人间的互联。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”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报告、计划建

24、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。美国国防部也在2002年11月建立了信息 觉察局(IAO)。IAO的主要目标是应对恐怖主义威胁，能在 世界范围侦查、发现、跟踪、定位和攻击恐怖主义分子，了 解和预评估他们的计划，并研发可供选择的技术，如开展 e-DNA研究、超大规模所有源的信息仓储，来防止他们的袭 击。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。传感器网络在民用领域有着更广泛的应

25、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。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IETF6LoWPAN，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。4计算技术的发展

26、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

27、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“网格气网 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1000万位数字的梅森素数、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。普适（或泛在）计算是施乐公司PALOATO研究中心的首 席技术官MarkWeiser在1991年提出：21世纪的计算将是一 种无所不在的计算模式。他认为：最深刻和强大的技术是“看 不见的”技术，是那些融入日常生活并消失

28、在日常生活中的 技术。普适计算是虚拟计算的反面。虚拟计算致力于把人置 于计算机所创造的虚拟世界里，而普适计算则是反其道而行 之一一使计算机融人人的生活空间，形成一个“无时不在、 无处不在 而又不可见”的计算环境。在这样的环境中， 计算不再局限于桌面，用户可以通过手持设备、可穿戴设备 或其他常规、非常规计算设备无障碍地享用计算能力和信息 资源。普适计算模式将对人们享用计算和信息的方式带来另 一场变革。普适计算可包括移动计算，但普适计算不是移动 计算，它更强调环境驱动性。从技术上来说，这就要求普适 计算对环境信息具有高度的可感知性，人机交互更自然化， 设备和网络的自动配置和自适应能力更强，所以普适

29、计算的 研究涵盖中间件、移动计算、人机交互、嵌人式技术、传感 器、网络技术等领域。普适计算要解决的问题包括：扩展性、 异构性、不同构件的集成、上下文感知和不可见性。其中不 可见性对普适计算来说是至关重要的，因为它要求系统无需 用户干预或只需要最少干预，也就是要求系统具有自动和动 态的配置机制。遍布式计算类似于普适计算。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

30、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。用 户只需为云计算运营商所提供的服务付费。这是网络中的一 种新业务，具有高效、灵活、低成本、利用统计复用技术平 滑动态变化的计算负载，能为众多用户同时提供计算服务。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