營(yíng)造播存網(wǎng)格

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■ 關(guān)于“互聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)”的討論，已成為跨越科技、經(jīng)濟(jì)、政治、社會(huì)乃至諸多邊緣科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。各種學(xué)術(shù)研討、科技論壇、技術(shù)研發(fā)，乃至科幻電影，都圍繞著互聯(lián)網(wǎng)做了大量熱烈的討論。

■ 最近一段時(shí)間，中國(guó)工程院院士李幼平關(guān)于“互聯(lián)網(wǎng)的無尺度現(xiàn)象”的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，在業(yè)界產(chǎn)生了廣泛影響。立足于現(xiàn)象，發(fā)掘其成因、規(guī)律，并通過可計(jì)算的數(shù)學(xué)邏輯，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行客觀分析，在此基礎(chǔ)上，李幼平提出：互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)無尺度分布和隨機(jī)分布并存的網(wǎng)絡(luò)！

■ 并且，他在此基礎(chǔ)上闡述了互聯(lián)網(wǎng)次級(jí)結(jié)構(gòu)——播存網(wǎng)格的概念、結(jié)構(gòu)和示例，以幫助克服現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字鴻溝，為營(yíng)造“存文化于民間”的環(huán)境、實(shí)現(xiàn)信息共享的歷史性跨躍，提供了一種新思路。

■ 更進(jìn)一步，李幼平院士據(jù)此提出雙結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)的思想、概念和框架結(jié)構(gòu)。

■ 《計(jì)算機(jī)世界》近日特約李幼平院士就其研究方向?yàn)楸緢?bào)撰稿，以使讀者能夠深入淺出地了解紛亂互聯(lián)網(wǎng)背后所隱藏的本質(zhì)，以及互聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展方向。

近年來的科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，萬維網(wǎng)網(wǎng)頁的連接數(shù)服從冪次律分布，互聯(lián)網(wǎng)也因此成為無尺度網(wǎng)絡(luò)。普通網(wǎng)民對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的訪問具有明顯的“群聚”特征，大多數(shù)網(wǎng)民的訪問對(duì)象集中于為數(shù)不多的網(wǎng)站，因此，只需把數(shù)千個(gè)熱門網(wǎng)站整合起來，就可以形成滿足絕大多數(shù)人日常需求的主流資源。

我們提議，互聯(lián)網(wǎng)在保留TCP/IP主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增添一種“衛(wèi)星廣播和分布存儲(chǔ)”的“播存結(jié)構(gòu)”作為次級(jí)結(jié)構(gòu)。通過次級(jí)結(jié)構(gòu)廣泛復(fù)制數(shù)千個(gè)網(wǎng)站的內(nèi)容，讓每一棟大樓與每一個(gè)自然村都擁有主流文化資源，營(yíng)造“存文化于民間”的全國(guó)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)信息共享的歷史性跨躍。如圖1所示。

用“透明計(jì)算”模式整合互聯(lián)網(wǎng)的主、次兩級(jí)結(jié)構(gòu)，用戶只需提出內(nèi)容需求，網(wǎng)頁將自動(dòng)以最低成本的方式到達(dá)用戶端，用戶無需感知網(wǎng)頁是來自何種網(wǎng)絡(luò)。這一思路將有助于創(chuàng)造類似于水電服務(wù)那樣簡(jiǎn)便的信息共享服務(wù)。

1 互聯(lián)網(wǎng)中的無尺度現(xiàn)象

互聯(lián)網(wǎng)是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自1969年Internet的前身ARPANET誕生以來，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展。以TCP/IP協(xié)議為核心的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)硬件的連通，形成了全球范圍內(nèi)計(jì)算機(jī)互聯(lián)的基礎(chǔ)設(shè)施，即Internet。在此基礎(chǔ)上，以HTTP、HTML和URL為核心的Web技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信息資源的互聯(lián)，使Internet進(jìn)一步演變成全球性共享文化的巨大平臺(tái)。

從互聯(lián)網(wǎng)普及的角度考察互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展階段，可以將其劃分為Net、Web和Grid三個(gè)時(shí)代。如圖2所示，其中橫坐標(biāo)代表時(shí)間軸，縱坐標(biāo)p為普及指數(shù)（pervasive index），代表參加聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)總數(shù)與人口總數(shù)之比。

在互聯(lián)網(wǎng)誕生初期的Net時(shí)期，網(wǎng)絡(luò)僅僅作為科學(xué)家之間的一種聯(lián)絡(luò)工具，聯(lián)系數(shù)量不多的計(jì)算機(jī)。這個(gè)時(shí)期平均每一萬人才有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，p值小于萬分之一。

20世紀(jì)90年代之后，Web的應(yīng)用開始了網(wǎng)絡(luò)的公眾認(rèn)可期，WWW作為搜尋信息的文化工具，采用一對(duì)多的Client/Server結(jié)構(gòu)，p值躍升到0.01至0.1。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，互聯(lián)網(wǎng)正在進(jìn)入廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)的網(wǎng)格（Grid）時(shí)代，網(wǎng)格所追求的目標(biāo)是全部的人通過計(jì)算機(jī)共享信息，采用pervasive/Grid結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)成為一種遍及化的工具，聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)總數(shù)將接近甚至超過人口總數(shù)，p接近或超過1。

從以上分析可以看出，互聯(lián)網(wǎng)正在朝著“普適化”（pervasive）方向發(fā)展。普適化既深刻影響著人類的文化活動(dòng)，又使得人類的文化活動(dòng)滲入互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程中，使得互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展脫離了純粹的技術(shù)范疇。也就是說，人類的文化活動(dòng)隨著其與互聯(lián)網(wǎng)的深入結(jié)合又反過來深刻地影響著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，包括互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展階段的劃分、互聯(lián)網(wǎng)的主流技術(shù)，甚至是互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

互聯(lián)網(wǎng)演化為無尺度網(wǎng)絡(luò)

最近幾年，美國(guó)科學(xué)家A.L.Barabasi等人用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)，文化活動(dòng)悄悄改變著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作的數(shù)學(xué)模型，由原先正態(tài)分布的隨機(jī)模型轉(zhuǎn)變?yōu)閮绱畏植嫉臒o尺度（scale-free）模型。

“無尺度”是什么意思？理論家把龐大復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，分解為“節(jié)點(diǎn)”（node）和“連接”（link）兩大要素; 提供內(nèi)容的網(wǎng)站和接受內(nèi)容的網(wǎng)民統(tǒng)稱為“節(jié)點(diǎn)”，而內(nèi)容在節(jié)點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)稱為“連接”。一個(gè)網(wǎng)站的社會(huì)作用或文化地位，可以用該網(wǎng)站與外界的連接數(shù)來衡量。如果某個(gè)網(wǎng)站很長(zhǎng)時(shí)間也沒有人來連接，表明網(wǎng)站的社會(huì)影響不大，文化地位不高; 反過來，如果連接頻繁，作用就大，地位就高。

網(wǎng)民對(duì)網(wǎng)站的訪問，可以說是獨(dú)立、自由的，完全取決于網(wǎng)民本人的主觀意愿。在做大量統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)之前，科學(xué)家預(yù)測(cè)，連接數(shù)應(yīng)當(dāng)服從泊松分布或正態(tài)分布，即每個(gè)網(wǎng)站的被訪問量差異不會(huì)太大，就像人類身高差異不會(huì)太大那樣。然而，實(shí)測(cè)結(jié)果推翻了這個(gè)預(yù)測(cè)。Barabasi等人設(shè)計(jì)了一種軟件，可以從一個(gè)節(jié)點(diǎn)跳到另一節(jié)點(diǎn)，收集并記錄網(wǎng)上的所有連接。在對(duì)幾十萬個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)之后，他們獲得了令人驚異的結(jié)果: 當(dāng)絕大多數(shù)網(wǎng)站的連接數(shù)很少的情況下，卻有極少數(shù)網(wǎng)站擁有高于普通網(wǎng)站百倍、千倍甚至萬倍的連接數(shù)。

這就像在茫茫人海中突然發(fā)現(xiàn)若干身高數(shù)百米巨人一樣令人吃驚。巨人的身高之大，已不能用普通人高度的尺度來度量，于是“無尺度”一詞被應(yīng)用，以形容少數(shù)節(jié)點(diǎn)連接數(shù)大大超出普通節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。

盡管萬維網(wǎng)（WWW）中能夠提供內(nèi)容的網(wǎng)站很多，網(wǎng)頁量更是天文數(shù)字，但是，有能力長(zhǎng)時(shí)間吸引眾多網(wǎng)民大量訪問的網(wǎng)站，卻為數(shù)非常有限，使用連接數(shù)作為判斷依據(jù)，可以把少數(shù)對(duì)社會(huì)貢獻(xiàn)特別大的熱門網(wǎng)站從信息海洋中分離出來。

我們?cè)趯?shí)際網(wǎng)絡(luò)中看到的現(xiàn)象正是如此。盡管中國(guó)境內(nèi)向網(wǎng)民提供內(nèi)容的網(wǎng)站多達(dá)67萬個(gè)，但是，其中只有為數(shù)不多的網(wǎng)站，才擁有網(wǎng)民感覺豐富無窮盡的大量?jī)?nèi)容，具有接納足夠多人同時(shí)訪問的高帶寬，有條件演化成熱門網(wǎng)站，我們把這些擁有大連接數(shù)的熱門網(wǎng)站稱之為互聯(lián)網(wǎng)中的集散節(jié)點(diǎn)。就目前來看，互聯(lián)網(wǎng)中的集散節(jié)點(diǎn)除了新浪、Google、Yahoo等門戶網(wǎng)站外，就是己經(jīng)上網(wǎng)的報(bào)紙、期刊、通訊社、電臺(tái)之類的專業(yè)“網(wǎng)絡(luò)傳媒”。

在某種意義上，正是這些集散節(jié)點(diǎn)的客觀存在，影響了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作的數(shù)學(xué)模型，使得互聯(lián)網(wǎng)從早期的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演變?yōu)槟壳暗臒o尺度網(wǎng)絡(luò)。

無尺度現(xiàn)象的成因

無尺度現(xiàn)象的成因，可以從多個(gè)角度解釋。Barabasi等人解釋，優(yōu)先連接性和網(wǎng)絡(luò)的成長(zhǎng)性是兩個(gè)起因。

所謂成長(zhǎng)性指網(wǎng)民網(wǎng)頁都急劇增加; 優(yōu)先連接性指新網(wǎng)民總是優(yōu)先選擇前人經(jīng)常訪問的網(wǎng)站，隨著時(shí)間的推進(jìn)，某些熱門的網(wǎng)站愈加熱門，不知名的網(wǎng)站受訪問的機(jī)會(huì)越少。計(jì)算機(jī)仿真可以演示出：萬維網(wǎng)如何由相對(duì)均衡分布的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)逐漸演化為極不均衡分布的無尺度網(wǎng)絡(luò)。

哲學(xué)家解釋這一現(xiàn)象時(shí)認(rèn)為: 存在決定意識(shí)。某人選擇連接某一網(wǎng)站，雖然是一種個(gè)人意識(shí)。但人類生活在同一地球上，相同或者相似的客觀境遇，使得人群中有相同或相似的個(gè)人意識(shí)。大量的統(tǒng)計(jì)，把深藏于個(gè)性中的共性強(qiáng)烈地反應(yīng)出來了。充分的自由民主，在一定條件下，有可能轉(zhuǎn)化為高度的集中統(tǒng)一，這是“對(duì)立統(tǒng)一”的例證。以DNA為例，DNA雖然是個(gè)性標(biāo)志，但人與人之間的碼元99%以上是相同的，說明個(gè)性中潛在存有共性。

無尺度現(xiàn)象給信息科技工作者帶來很多啟示。它首先讓大家認(rèn)識(shí)到: 信息社會(huì)同時(shí)兼有“大世界”與“小世界”兩種屬性。一方面，網(wǎng)民、網(wǎng)頁、帶寬隨時(shí)間快速成長(zhǎng)，使得萬維網(wǎng)成為名副其實(shí)的全球范圍內(nèi)的巨大網(wǎng)絡(luò)（World Wide Web）; 另一方面，每個(gè)人一天之內(nèi)所能接受的信息，受到生理帶寬與生理精力的限制，又是一個(gè)不隨時(shí)間變化的小世界。大世界與小世界之間，技術(shù)世界同“以人為本”的人文世界之間，存在明顯的差異與矛盾，而這一矛盾的主要方面在用戶端。

用戶感覺到，數(shù)十萬網(wǎng)站和數(shù)百億網(wǎng)頁，猶如“信息孤島”，實(shí)在難以分別直接面對(duì)。他們希望出現(xiàn)一種能承大啟小的“中間代理”，使用戶很容易對(duì)這個(gè)統(tǒng)一的中間代理表達(dá)自己的需求，有興趣的內(nèi)容又會(huì)通過中間代理主動(dòng)地流入自己的家中?！爸虚g代理”是什么？它正是無尺度現(xiàn)象所指出的、由熱門網(wǎng)站構(gòu)成的群體。由數(shù)百或數(shù)千資源構(gòu)成的熱門群體，是網(wǎng)民通過民主的方法由大家“選舉”出來的，是人類文明進(jìn)程的自然產(chǎn)物，值得我們倍加珍惜。

如何整合資源

中國(guó)工程院最近組織的“信息基礎(chǔ)設(shè)施和資源共享”發(fā)展戰(zhàn)略研究論壇上，李國(guó)杰院士指出“信息取精是關(guān)鍵”，李德毅院士也認(rèn)為，當(dāng)前的迫切目標(biāo)是讓“適當(dāng)?shù)娜嗽谶m當(dāng)?shù)臅r(shí)候享用適當(dāng)?shù)男畔ⅰ薄?

無尺度現(xiàn)象告訴我們，要求所有的人享用所有信息，既不可能，也沒有必要。關(guān)鍵問題是，如何“取精”？對(duì)絕大多數(shù)普通用戶而言，什么是他們?nèi)粘Ｗ钸m當(dāng)?shù)男畔①Y源？這兩個(gè)問題必須用科學(xué)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果來回答?？梢韵馟oogle的Page Rank軟件那樣，把網(wǎng)民對(duì)網(wǎng)頁的訪問數(shù)，看成是網(wǎng)民對(duì)資源的“民主投票”的結(jié)果，以這個(gè)數(shù)據(jù)作基礎(chǔ)，判斷該信息資源對(duì)推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步所可能做出的貢獻(xiàn)，決定它是不是屬于“主流資源”，可否成為我們整合的對(duì)象。

也就是說，借助冪次定律作為工具，把茫茫無邊的信息資源一分為二，把滿足廣大人民日常需求的主流資源，甄別出來，整合起來。由此，必須首先回答，中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)信息資源連接數(shù)，服從什么樣的冪次分布。中國(guó)工程物理研究院馬衛(wèi)東等幾位年青人，根據(jù)中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)中心CNNIC發(fā)表的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，初步描繪了我國(guó)萬維網(wǎng)網(wǎng)站連接數(shù)的數(shù)學(xué)模型（這一過程中利用了CNNIC提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，因此很具現(xiàn)實(shí)性，如表1所示）。

他們建立的數(shù)學(xué)模型，最后獲得的冪次數(shù)大約為2.124。依此模型推算，當(dāng)99.5%以上的網(wǎng)站連接數(shù)均低于100次時(shí)，卻有萬分之四的網(wǎng)站大于1000次，十萬分之三的網(wǎng)站超出10萬次。因此，只要整合2至3千個(gè)網(wǎng)站作為主流資源，就可以在很大的程度上滿足老百姓的日常需求。

按冪次規(guī)律整合主流資源的同時(shí)，也應(yīng)關(guān)注連接數(shù)較少的網(wǎng)站。這些網(wǎng)站是大量存在的，數(shù)量比主流網(wǎng)站多幾百倍、幾千倍。為什么它們的連接數(shù)較少，有三種可能: 1.有些網(wǎng)站因?yàn)閮?nèi)容質(zhì)量較差，屬于競(jìng)爭(zhēng)中的失利者; 2.有些網(wǎng)站品味很高，專業(yè)性太強(qiáng)，很少人看得懂; 3.還有一些網(wǎng)站屬于“真理掌握在少數(shù)人手里”，只是暫時(shí)未被大多數(shù)人接受而已，雖然沒有列入被整合的“主流”名單，但絕不等于應(yīng)該列入取締對(duì)象，它們將繼續(xù)“散居”于互聯(lián)網(wǎng)之中，靜候網(wǎng)民的按需訪問。

互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)增添次級(jí)結(jié)構(gòu)

兩種資源并存的現(xiàn)實(shí)給我們帶來了新的思考: 互聯(lián)網(wǎng)是否應(yīng)該增添一種專門用于傳播主流資源的次級(jí)結(jié)構(gòu)？讓主流資源通過衛(wèi)星廣播直達(dá)全國(guó)城鄉(xiāng)，克服數(shù)字鴻溝？在主流信息大量分流后，主結(jié)構(gòu)也將變得“輕松”。

如圖3所示，我國(guó)大約有一億網(wǎng)民，有67萬個(gè)Web站點(diǎn)，這是兩個(gè)直徑很大的圓。根據(jù)無尺度（scale-free）規(guī)律，其中屬于主流資源的不會(huì)超過幾千個(gè)站點(diǎn)，這是一個(gè)很小的圓。小圓是Web服務(wù)的“芯”（core），也是主結(jié)構(gòu)的“芯”，如果我們把“芯”鏡像出去，在廣播中心營(yíng)造幾何上的第二中心，通過廣播的機(jī)制，直接覆蓋全國(guó)鄉(xiāng)村與城鎮(zhèn)，就形成互聯(lián)網(wǎng)的次結(jié)構(gòu)。

雙結(jié)構(gòu)中的主結(jié)構(gòu)（primary）可依靠現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，而次結(jié)構(gòu)（secondary）則可依靠播存網(wǎng)技術(shù)，兩者之間的區(qū)別比較如表2所示。

播存結(jié)構(gòu)的終端有兩類: 一類是個(gè)體用戶，一類是采用透明計(jì)算模式的團(tuán)體用戶。透明計(jì)算的服務(wù)器，從右邊收存大量來自播存結(jié)構(gòu)的低成本信息資源，左邊通過現(xiàn)有的電信網(wǎng)與主結(jié)構(gòu)雙向互聯(lián)，形成整合主次結(jié)構(gòu)的“跨網(wǎng)”機(jī)制。

清華大學(xué)首創(chuàng)的透明計(jì)算還實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)的共享，使得團(tuán)體用戶中的每一用戶的軟、硬成本和系統(tǒng)維護(hù)成本可降至最低，到我國(guó)城鄉(xiāng)大多數(shù)居民所能承受的范圍之內(nèi)。通過透明計(jì)算和正在迅速發(fā)展的下一代電信技術(shù)（尤其是無線接入），主次結(jié)構(gòu)互補(bǔ)整合，使窄帶的互聯(lián)也能獲得接近于寬帶互聯(lián)的效果。在這種情況下，主結(jié)構(gòu)本身將得到進(jìn)一步擴(kuò)大（籃圈所示），保持向全人口持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。由此，下一代互聯(lián)網(wǎng)NGI，下一代廣播網(wǎng)NGB和下一代電信網(wǎng)NGN將循環(huán)相助、和諧相處。

2 共享信息的網(wǎng)格

最“正統(tǒng)”的網(wǎng)格研究來源于十幾年前美國(guó)政府資助的高性能計(jì)算項(xiàng)目，這類研究使用的名詞就是“網(wǎng)格（Grid）”或“計(jì)算網(wǎng)格”。

計(jì)算機(jī)專家試圖把整個(gè)Internet整合成一臺(tái)巨大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識(shí)資源、專家資源的全面共享。

在計(jì)算網(wǎng)格中，資源可分為“不可再生”和“可再生”兩大類，它們的共享難度，有很大的不同。計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源屬于不可再生資源，服從總量守恒定律。所謂共享，只能是一種“分配”或“分享”。計(jì)算網(wǎng)格側(cè)重于整合不可再生的計(jì)算資源，希望通過計(jì)算資源的整合，達(dá)到提高與普及的雙重目標(biāo): 提高就是用若干臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)得到一臺(tái)更高性能的計(jì)算機(jī)，普及是讓普通性能的計(jì)算機(jī)，通過聯(lián)網(wǎng)也能獲得高性能的計(jì)算能力。

數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識(shí)資源則是另一類資源，它可以不限量再生，理論上用戶的規(guī)?？梢浴安幌蘖俊痹鲩L(zhǎng)。所謂信息網(wǎng)格，共享的資源是信息，可以不考慮非再生資源的共享，更容易實(shí)現(xiàn)更廣泛地共享。進(jìn)入新世紀(jì)以來，有部份計(jì)算機(jī)專家轉(zhuǎn)向研究信息網(wǎng)格，并把網(wǎng)格的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向普及化，讓網(wǎng)格的理念同如何擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，最終實(shí)現(xiàn)“無處不在”的“普適計(jì)算（pervasive computing）”聯(lián)系起來。

如何整合信息資源？美國(guó)國(guó)防部的“全球信息網(wǎng)格”（GIG）提供一個(gè)重要的思路。2000年美國(guó)國(guó)防部在向國(guó)會(huì)提供的報(bào)告中說，如果向戰(zhàn)士提供過多的信息，無異于把他們淹沒于信息海洋之中，容易失去做出正確判斷的時(shí)機(jī)。GIG并不要求把所有的信息資源送給所有的用戶，只要求“在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)以適當(dāng)?shù)姆绞桨堰m當(dāng)?shù)男畔⑺徒o適當(dāng)?shù)娜藗儭保╣etting the right information to the right people at the right time in the right format）。

重新審視互聯(lián)網(wǎng)與廣播網(wǎng)

網(wǎng)格在英語中稱為grid，幾何上指橫縱兩組平行線正交形成的柵格圖形。

從圖4的柵格圖形，可以看出信息網(wǎng)格的供需關(guān)系。一根橫線代表一個(gè)信息資源，一根縱線代表一個(gè)用戶，而圖中不同形狀代表著不同的信息資源，M根代表信息資源的橫線與N根代表用戶的縱線橫縱交叉，形成方形柵格。兩線交叉處的“交點(diǎn)”代表按需連接，它的物理意義是指它所關(guān)聯(lián)的第n個(gè)用戶按需共享第m種資源。一般而言，M的數(shù)量表示資源品種的豐富程度，N的數(shù)量表示資源共享的廣泛程度。理想的共享希望做到: 任一資源都有機(jī)會(huì)為N個(gè)用戶提供服務(wù)，任一用戶也都有機(jī)會(huì)得到M個(gè)資源的并行服務(wù)。也就是說，我們應(yīng)該找到一種系統(tǒng)，它的M值和N值都不設(shè)上限，這樣，信息共享將進(jìn)入“各獻(xiàn)所知，各取所需”的理想境界。

用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來審視互聯(lián)網(wǎng)與廣播網(wǎng)，它們都存在一定的差距。

互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于M，信息資源的個(gè)數(shù)不設(shè)上限; 短處在于N，即用戶數(shù)目受到帶寬及服務(wù)質(zhì)量的嚴(yán)格限制。廣播網(wǎng)正相反，優(yōu)勢(shì)在N，短處在M，只要信號(hào)強(qiáng)度足夠，它支持用戶數(shù)目的自由增長(zhǎng)，支持共享服務(wù)普及邊遠(yuǎn)山村，但廣播不支持信息資源品種的自由增長(zhǎng)。

我們可從比較兩網(wǎng)的長(zhǎng)處與短處入手，引出建立兩網(wǎng)互助互補(bǔ)的建議。

大約五年前，大家都以為只要投資擴(kuò)大帶寬，“帶寬障礙”將迎刃而解。實(shí)踐征明，帶寬的增長(zhǎng)很難全面解決用戶增長(zhǎng)引發(fā)的一系列問題?！白畛跻还铩焙汀白詈笠还铩钡膶拵Щ惶峁┚徑饷艿谋匾獥l件，不是充分條件。要求所有用戶對(duì)所有資源的連接都無障礙，等于要求全國(guó)互聯(lián)網(wǎng)中許許多多串接的路由器、網(wǎng)關(guān)和纜線任何時(shí)候都不發(fā)生帶寬障礙，這是一個(gè)“無底洞”式的難題。

傳統(tǒng)的廣播網(wǎng)，更非理想的信息共享手段。從用戶角度（縱線）看上去，電臺(tái)的內(nèi)容是時(shí)間上串行播出的，信息資源在時(shí)間上時(shí)而出現(xiàn)，時(shí)而消失。什么時(shí)候廣播什么內(nèi)容完全由電臺(tái)決定，個(gè)人缺乏通過雙向互動(dòng)自由選擇的機(jī)會(huì)。

要讓廣播對(duì)理想的共享結(jié)構(gòu)做出貢獻(xiàn)，必須在接收端引入存儲(chǔ)技術(shù)。存儲(chǔ)器是一種時(shí)間積分裝置，積累不同時(shí)刻播出的內(nèi)容。用存儲(chǔ)器代替人，發(fā)送端可以同時(shí)播出幾十種乃至幾千種資源，不必顧慮用戶是否有空閑接應(yīng)。在接收端，把臨時(shí)性串行出現(xiàn)的信息資源變成永久性并行存在的信息資源。人們很容易對(duì)近處存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)雙向互動(dòng)，自由選擇享用時(shí)間的問題也就迎刃而解了。應(yīng)該說，“播存結(jié)構(gòu)”的資源品種比傳統(tǒng)廣播網(wǎng)有質(zhì)的飛躍。

“播存結(jié)構(gòu)”保留傳統(tǒng)廣播網(wǎng)普適性（pervaive）的潛在優(yōu)勢(shì)。廣播衛(wèi)星就像信息陽光，普照960萬平方公里的中國(guó)大地，柵格圖形上的每條橫線都能承受得起無限數(shù)目的連接，用戶再多也不會(huì)給廣播帶來麻煩。用戶數(shù)目很容易從1億人上升到幾億人，直至全國(guó)13億人。最近幾年在中國(guó)興起的“廣播電視村村通”，只要把廣播電視節(jié)目換成萬維網(wǎng)的網(wǎng)頁，就很容易實(shí)現(xiàn)Web資源低成本的廣泛共享。

對(duì)比兩網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)，我們萌生了一種變革信息服務(wù)的新思維: 先將廣播網(wǎng)改造成播存網(wǎng)，再用能夠包容海量資源的播存結(jié)構(gòu)去幫助互聯(lián)結(jié)構(gòu)克服帶寬障礙，爭(zhēng)取同時(shí)獲得M和N兩個(gè)數(shù)量的雙雙突破。

跨越“信息公路”概念

在互聯(lián)網(wǎng)中引入播存方式的次級(jí)結(jié)構(gòu)，也許在短時(shí)間內(nèi)很難取得網(wǎng)絡(luò)專家的認(rèn)同，原因是 “信息高速公路”概念已根深蒂固?！靶畔⒐贰崩砟钜呀?jīng)提出十幾年了，這個(gè)比喻是戈?duì)枺ㄋ母赣H老戈?duì)柺翘岢雒绹?guó)高速公路倡議的參議員）擔(dān)任副總統(tǒng)時(shí)期提出的，己經(jīng)深入人心，多年來都沒有其他概念對(duì)其形成挑戰(zhàn)，兩年前才由Barabasi等人在《科學(xué)美國(guó)人》上首次提出質(zhì)疑，但迄今為止，仍然有不少專家不知道Barabasi所提出的思路。

Barabasi在 “無尺度網(wǎng)絡(luò)”一文中，指出只有隨機(jī)分布的網(wǎng)絡(luò)才能用美國(guó)高速公路系統(tǒng)的性能來描繪?；ヂ?lián)網(wǎng)巳從隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演化為無尺度分布的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間的連接服從冪次定律，多數(shù)節(jié)點(diǎn)只擁有少數(shù)連接，只有少數(shù)節(jié)點(diǎn)才擁有極大的連接。這種系統(tǒng)的性能應(yīng)該用星爆形連接的美國(guó)航空網(wǎng)的性能來比喻（如圖5和圖6所示）。

不幸的是，人們依然習(xí)慣于用物質(zhì)共享的方法去解決信息共享的問題，習(xí)慣于用物流的“公路”理念來解釋信息共享，誤以為“車多路堵”和“人多網(wǎng)堵”同樣無法抗拒，而弱勢(shì)地區(qū)、弱勢(shì)人群難以平等共享信息的現(xiàn)象，也是天經(jīng)地義。人們?cè)凇皵?shù)字鴻溝”面前束手無策，看不見“信息共享本應(yīng)無沖突、享用的人數(shù)本可無上限”的光明前景。

互聯(lián)網(wǎng)從誕生的一刻起，就遵循“端對(duì)端“的原則，它的網(wǎng)絡(luò)層只提供“盡力而為之”的服務(wù)，可靠性與安全性要端系統(tǒng)自巳來保證。盡管“端對(duì)端”原則極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，但隨著網(wǎng)民、網(wǎng)頁規(guī)模的急劇擴(kuò)張，單純“端對(duì)端”結(jié)構(gòu)的負(fù)面效應(yīng)逐步顯現(xiàn): 除了網(wǎng)民規(guī)模難以擺脫帶寬限制、服務(wù)區(qū)域很難深入農(nóng)村地區(qū)之外，規(guī)模（scale）越大，可靠性與安全性越?jīng)]有保證。

當(dāng)然，是否可以依靠播存技術(shù)構(gòu)成次級(jí)結(jié)構(gòu)，也取決于廣播與存儲(chǔ)技術(shù)本身是否成熟。直到今天，廣播技術(shù)與存儲(chǔ)技術(shù)才發(fā)展到一個(gè)臨界點(diǎn)，達(dá)到足以直接平移大量萬維網(wǎng)網(wǎng)站內(nèi)容的能力。

2004年6月，清華大學(xué)力合公司接受我們的建議，通過衛(wèi)星進(jìn)行差分并播定比實(shí)驗(yàn)，判斷這種可能性。實(shí)驗(yàn)只利用DMB-S數(shù)十Mbps轉(zhuǎn)發(fā)能力中的0.5Mbps，故稱為定比下推（scaling down）實(shí)驗(yàn)。把0.5Mbps再劃分為16個(gè)子信道，每個(gè)子信道32Kbps。每一個(gè)子信道分工傳輸一種文化傳媒（一種報(bào)紙，一個(gè)網(wǎng)站或一門課件），看每24小時(shí)能把多少字節(jié)的文化內(nèi)容無差錯(cuò)地送到全國(guó)各地。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果令人鼓舞: 一個(gè)凈數(shù)據(jù)率大于32Mbps的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)頻道，每24小時(shí)有能力把超過345GB的網(wǎng)頁直接地送達(dá)全國(guó)城市的每一棟大樓和農(nóng)村的每一個(gè)自然村。

2005年中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)信息中心的研究人員統(tǒng)計(jì)，盡管中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)民巳超過1億人，國(guó)內(nèi)67萬個(gè)網(wǎng)站，每天新投入網(wǎng)頁的字節(jié)量總加起來，估計(jì)為40GB/天左右，這一狀況將維持幾年不變。

340GB/天遠(yuǎn)大于40GB/天，也就是說，中國(guó)人巳掌握這樣的衛(wèi)星廣播技術(shù)，有能力把所有網(wǎng)站一體化地轉(zhuǎn)到城鄉(xiāng)分布存儲(chǔ)。

播存結(jié)構(gòu)的具體案例

同其他信息系統(tǒng)一樣，設(shè)想中的文化網(wǎng)格由信源、信道與信宿三大部份組成，它們分別稱為“整合一體的資源平臺(tái)”、“覆蓋全國(guó)的廣播信道”和“透明計(jì)算的網(wǎng)格終端”。

如圖7所示，為了說明文化網(wǎng)格的具體工作原理，我們討論用衛(wèi)星廣播整體平移3330種網(wǎng)站的案例。

一、整合一體的資源平臺(tái)

用單一的載波整合數(shù)千網(wǎng)站。用戶只需通過單一的數(shù)據(jù)接口，便可以得到數(shù)千網(wǎng)站的主動(dòng)服務(wù)。

我們把提供信息內(nèi)容的報(bào)紙、期刊、課程內(nèi)容的單位（ICP）統(tǒng)稱為網(wǎng)站，它們都以Web頁面的形式提供服務(wù)。

3330個(gè)網(wǎng)站分散于全國(guó)各地，剛剛編輯出稿的新鮮網(wǎng)頁，通過互聯(lián)網(wǎng)FTP或電信網(wǎng)專線瞬間送到廣播中心，在廣播中心形成一個(gè)容納所有網(wǎng)站鏡象數(shù)據(jù)庫(kù)。廣播中心的碼分并播軟件（以后詳細(xì)介紹），從數(shù)據(jù)庫(kù)中有序地取出數(shù)據(jù)，通過單一載波，以適當(dāng)?shù)乃俾屎瓦m當(dāng)次數(shù)的重播，保征網(wǎng)頁在全國(guó)可靠落地。

廣播中心對(duì)幾千種網(wǎng)站平等相待。每一個(gè)網(wǎng)站都獨(dú)自掌握一定數(shù)量的子帶寬，有權(quán)在第一時(shí)間里向全國(guó)發(fā)布最新鮮、最重要的網(wǎng)頁，而不受其他網(wǎng)站工作狀態(tài)的影響。

衛(wèi)星數(shù)字廣播的總速率為32Mbps，每天都具備向全國(guó)同時(shí)推送超過340GB文件的能力。各個(gè)網(wǎng)站可根據(jù)編輯出稿能力（每天大約可以向網(wǎng)格提供多少字節(jié)的非重覆內(nèi)容），向廣播中心申請(qǐng)獨(dú)立享用子帶寬。全網(wǎng)32Mbps的數(shù)據(jù)速率，合理分配，可供30個(gè)巨型網(wǎng)站（內(nèi)容提供少于3GB/天，申請(qǐng)320Kbps的子帶寬）和300個(gè)普通網(wǎng)站（內(nèi)容提供少于300MB/天，申請(qǐng)32Kbps）MB以及3000個(gè)小型網(wǎng)站（內(nèi)容提供少于30MB/天，申請(qǐng)3.2Kbps）共同享用。根據(jù)初步調(diào)查，我國(guó)尚未出現(xiàn)日產(chǎn)超過1GB（不含視頻）內(nèi)容的網(wǎng)站，因此，以上估計(jì)是留有一定冗余的。

二、覆蓋全國(guó)的廣播信道

廣播中心通過同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，將網(wǎng)頁直接落地于全國(guó)城鄉(xiāng)。中途沒有路由轉(zhuǎn)接，沒有信道擁堵; 不分先后順序，立即到達(dá)、全部到達(dá)。地面的任務(wù)，只是根據(jù)統(tǒng)一內(nèi)容定位代碼，從中挑選出用戶有興趣的網(wǎng)頁下載存儲(chǔ)。

為什么信道可以如此簡(jiǎn)單，原因在于接收端擁有海量存儲(chǔ)能力。信道在存儲(chǔ)之前，而不是在后。

Web存儲(chǔ)是按“一次寫入、多次讀出”原理工作的，播存結(jié)構(gòu)在“存內(nèi)容于網(wǎng)站”的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)“存網(wǎng)站于本地”的變革，把存儲(chǔ)挪到通信的后邊。昨天、前天的網(wǎng)頁寫入終端存儲(chǔ)器，不再需要通過信道傳輸了，信道只需傳輸新鮮內(nèi)容或差分內(nèi)容。這種“差分信道”，與讀出無關(guān)，不介入讀者與網(wǎng)頁的雙向互動(dòng)，“一次廣播，一勞永逸”，比互聯(lián)網(wǎng)要簡(jiǎn)單多了。

三、透明計(jì)算的網(wǎng)格終端

播存網(wǎng)格中的終端，負(fù)責(zé)有選擇地下載、存儲(chǔ)廣播信道中的信息內(nèi)容，并向用戶提供實(shí)時(shí)的內(nèi)容服務(wù)。通過網(wǎng)格終端，用戶無需感知信息資源的具體所在，便可以得到多種信息資源的按需服務(wù)，如同只要插上電源，就可以得到電力網(wǎng)（Power Grid）的服務(wù)一樣，這本身就是一種“透明”的概念。

網(wǎng)格的終端，可以直接設(shè)在家中，利用PC機(jī)的硬盤作為終端存儲(chǔ)。但此時(shí)PC機(jī)必需24小時(shí)連續(xù)工作，否則會(huì)漏掉關(guān)機(jī)時(shí)間播出的網(wǎng)頁。為了實(shí)現(xiàn)低成本，比較現(xiàn)實(shí)合理的辦法是，存儲(chǔ)器設(shè)在離用戶不遠(yuǎn)的服務(wù)器中，幾家人或者幾十家人可以共用一個(gè)服務(wù)器，家庭中的客戶機(jī)可以非常簡(jiǎn)單。連續(xù)工作的存儲(chǔ)成本可以由大家來分擔(dān)，而且客戶機(jī)本質(zhì)上只是一種NC（網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)），任何顯示設(shè)備（包括家用電視機(jī)）只要添加一個(gè)小盒子就可以成為客戶機(jī)。

清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)研究小組研究和開發(fā)的透明計(jì)算環(huán)境，服務(wù)器不僅可以存儲(chǔ)信息資源，還存儲(chǔ)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的共享。而幾個(gè)或幾十個(gè)最終用戶，共享同一個(gè)服務(wù)器里存儲(chǔ)的多種資源，也使得用戶成本進(jìn)一步下降。

透明計(jì)算的網(wǎng)格終端服務(wù)器中存儲(chǔ)的信息資源有三類: 操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和已下載的信息內(nèi)容，這些信息內(nèi)容可以來自播存網(wǎng)格中的廣播信道，也可來自其他網(wǎng)絡(luò)，包括互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)等，因此，透明計(jì)算的網(wǎng)格終端本身也可以成為多種網(wǎng)絡(luò)整合的場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)信息資源的按需整合。

3 數(shù)字廣播面臨重大變革

廣播數(shù)字化遇到困難

傳統(tǒng)的廣播電視，盡管仍然是吸引“人時(shí)總數(shù)”最多的最大媒體，但從用戶的角度觀察，其資源在時(shí)間上是陣發(fā)性出現(xiàn)的，大部份時(shí)間內(nèi)用戶得不到這些內(nèi)容，只有電臺(tái)正在廣播的時(shí)間里，才有可能得到它的服務(wù)。廣播資源時(shí)間上的間歇性存在，造成傳統(tǒng)廣播若干固有的結(jié)構(gòu)性缺陷。

首先，它難以實(shí)現(xiàn)按需服務(wù)，內(nèi)容與時(shí)間由電臺(tái)決定，用戶對(duì)信息資源不能雙向互動(dòng)，缺乏自主權(quán)。其次，提供的資源品種不夠豐富，尤其是缺少靜態(tài)視覺的書刊、網(wǎng)頁，不能反映數(shù)字文化的博大精深。最后，缺乏形成產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)杠桿，傳統(tǒng)廣播很難形成產(chǎn)業(yè)，廣告收入之外，難以找到市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)支持，優(yōu)秀節(jié)目得不到正比于貢獻(xiàn)的回報(bào)。

廣播數(shù)字化的困難，從最近幾年數(shù)字電視進(jìn)展遲緩的過程中充分表現(xiàn)出來。原先預(yù)想: 我國(guó)2003年底使數(shù)字電視用戶達(dá)到3000萬戶，而實(shí)際只有十幾萬戶，2004底也只有百萬戶左右，因此2005年只能把指標(biāo)再次調(diào)低。進(jìn)度遲緩的情況在國(guó)外同樣存在，美國(guó)原定2006年切斷模擬電視，看來目標(biāo)也相差甚遠(yuǎn)，時(shí)間表只能后延，據(jù)說歐洲到2010年數(shù)字化率也只能達(dá)到五成左右。

當(dāng)廣播數(shù)字化遇到某種困難的關(guān)鍵時(shí)刻，不少專家獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，建議數(shù)字化不應(yīng)該停留在改善圖像質(zhì)量和增加電臺(tái)數(shù)量之上，應(yīng)該將終端引入雙向互動(dòng)的“客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）”結(jié)構(gòu)，完成廣播業(yè)服務(wù)方式變革。

在廣播終端引入海量存儲(chǔ)，可以積累不同時(shí)刻播出的內(nèi)容，把瞬態(tài)存在的廣播數(shù)據(jù)流，變成為時(shí)間上長(zhǎng)期存在的服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，向最終用戶提供雙向式按需服務(wù)。這就是所謂“播存結(jié)構(gòu)”。播存結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)電視節(jié)目的按需服務(wù)，還將承擔(dān)普及幾千種報(bào)刊網(wǎng)站和幾千門大中小學(xué)課程的任務(wù)，為科教興國(guó)營(yíng)造“存文化于民間”的環(huán)境。

基于播存結(jié)構(gòu)的下一代廣播

一、對(duì)下一代廣播的設(shè)想

下一代廣播，是根據(jù)“整合資源，廣泛共享”的“網(wǎng)格”思想設(shè)計(jì)的。如圖8所示，其中包括三種網(wǎng)格，即電視網(wǎng)格（整合上百種電視節(jié)目）、文化網(wǎng)格（整合幾千種報(bào)刊、網(wǎng)站）和教育網(wǎng)格（整合數(shù)千種大中小學(xué)課程）。終端采用海量存儲(chǔ)，用戶不但對(duì)極其豐富資源具有自由選擇的權(quán)力，而且全國(guó)城市的每一棟大樓，農(nóng)村的每一個(gè)自然村，都可以擁有這樣的資源。

下一代廣播，既是一個(gè)大的世界，也是一個(gè)小的世界，其分界在終端存儲(chǔ)器。

終端存儲(chǔ)之前，是由龐大的單向廣播系統(tǒng)所構(gòu)成的大世界。數(shù)以千計(jì)的各種信息資源，經(jīng)地面整合之后，形成DVB-S單一射頻載波，通過同步軌道衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，覆蓋中國(guó)國(guó)土，再通過地面有線（DVB-C）或地面無線（DMB-T）到達(dá)海量存儲(chǔ)的終端服務(wù)器。大世界采用大量成熟的硬件設(shè)備和少量創(chuàng)新的軟件（如差分并播程序、基于UCL的信息過濾代理等）技術(shù)。

終端存儲(chǔ)之后便是一個(gè)小范圍、短距離的“服務(wù)器/客戶機(jī)”雙向互動(dòng)系統(tǒng)。這是一個(gè)小世界，它只為百米之內(nèi)的百個(gè)以下的客戶機(jī)提供服務(wù)。正因?yàn)樗男『蜕伲?wù)器與客戶機(jī)之間幾乎沒有帶寬瓶頸，而且成本極其低廉。小世界采用透明計(jì)算模式?？蛻魴C(jī)盡可能簡(jiǎn)單（瘦身），普通電視機(jī)或手機(jī)上的顯示設(shè)備，只要增添一個(gè)“機(jī)卡分離”的插卡便可以成為客戶機(jī)。

迄今為止，大多數(shù)人主張“遠(yuǎn)互動(dòng)”，雙向通信需要跨越比較長(zhǎng)的距離。例如，IPTV就是把資源服務(wù)器設(shè)在電信局里，通過雙向工作的ADSL與客戶機(jī)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。這類方案存在兩個(gè)問題: 一是下行帶寬不足，只能支持分辨率較低的視頻服務(wù); 二是運(yùn)作成本太高，以電信業(yè)按時(shí)間或按流量方式收費(fèi)，即使資費(fèi)水平再有大幅度降低，普通居民也難以承受。

二、選擇終端存儲(chǔ)的理由

業(yè)界比較關(guān)注的是，運(yùn)算速度和通信帶寬進(jìn)步很快，但很少人注意到存儲(chǔ)成本下降更快。三十年來，每百萬字節(jié)數(shù)字存儲(chǔ)的價(jià)格下降已超過一千萬倍。如圖9所示，1973年百萬字節(jié)的存儲(chǔ)器售價(jià)幾十萬美元，相當(dāng)于一座小洋房，以后陸續(xù)下降，相當(dāng)于一輛汽車、一輛自行車……

2005年，中關(guān)村市場(chǎng)80GB硬售價(jià)已低于800元人民幣，百萬字節(jié)存儲(chǔ)成本已降到不到人民幣一分錢。更令人鼓舞的是，存儲(chǔ)器的成本還將持續(xù)下降?？茖W(xué)家已經(jīng)指出成本繼續(xù)下降的空間，只待工程師把它變成現(xiàn)實(shí)。

三、雙向互動(dòng)

不同時(shí)間、不同電臺(tái)播出的內(nèi)容進(jìn)入存儲(chǔ)器之后，串聯(lián)播出和瞬間存在的信息資源，變成永久存在和隨意調(diào)用的并列資源。人們?cè)僖膊皇堋皬V播節(jié)目時(shí)間表”束縛，隨時(shí)隨意點(diǎn)取自已有興趣的內(nèi)容。

廣播的按需服務(wù)從誕生一刻起就將是滿足“質(zhì)量保證（QoS）”需求的，萬維網(wǎng)的按需服務(wù)通過“存內(nèi)容于遠(yuǎn)處”實(shí)現(xiàn)，從網(wǎng)站與用戶之間要途經(jīng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的帶寬瓶頸都可能造成時(shí)間滯后，最終用戶所獲得的QoS難以保證，而播存結(jié)構(gòu)“存內(nèi)容于近處”，沒有帶寬瓶頸，沒有滯后環(huán)節(jié)，隨點(diǎn)隨得。

四、豐富內(nèi)容

海量存儲(chǔ)器除了收集電視節(jié)目和音頻節(jié)目之外，還可以增添直播衛(wèi)星轉(zhuǎn)播的、從萬維網(wǎng)精選出來的報(bào)刊、網(wǎng)站與課程，包括了數(shù)字文化全部常用內(nèi)容?？梢哉f，每一終端存儲(chǔ)器，就是一座數(shù)字圖書館，其內(nèi)容的豐富程度，達(dá)到相當(dāng)理想的程度，可以隨著存儲(chǔ)容量而線性增長(zhǎng)。如果城市的每棟大樓和山區(qū)的每一個(gè)自然村，都擁有一個(gè)這樣的數(shù)字圖書館，中國(guó)將迎來第二次“存文化于民間”的高潮（第一次高潮發(fā)生在一千年前畢升發(fā)明印刷術(shù)之后）。

五、形成產(chǎn)業(yè)

終端服務(wù)器是廣播網(wǎng)格公用設(shè)施的最后一部份，為幾個(gè)家庭所公用。任何客戶機(jī)從存儲(chǔ)器中取走內(nèi)容，服務(wù)器都將詳細(xì)記錄在案，準(zhǔn)確扣除交費(fèi)卡的金額。因此，可以把存儲(chǔ)器當(dāng)成是信息產(chǎn)業(yè)的零售商，看成是家門口自動(dòng)經(jīng)營(yíng)的文化超市，由內(nèi)容提供者標(biāo)明價(jià)格（包括標(biāo)明免費(fèi)），并直接得到用戶回報(bào)，網(wǎng)格公司只是從回報(bào)中提取固定比例作為服務(wù)費(fèi)。用這個(gè)辦法，兼容網(wǎng)格的公益性與產(chǎn)業(yè)性，并使廣播成為服務(wù)業(yè)的新內(nèi)容之一。

差分并播技術(shù)

傳統(tǒng)廣播采用時(shí)間上串列出現(xiàn)的“串播”。播存結(jié)構(gòu)取消“節(jié)目時(shí)間表”，實(shí)施各種內(nèi)容并列出現(xiàn)的“并播”。本質(zhì)上看，并播是一種時(shí)間復(fù)用，每一個(gè)網(wǎng)站占用一個(gè)子信道。各子信道按時(shí)分復(fù)用原理工作，速率有1倍速、10倍速和0.1倍速三種。以總速率為32Mbps，1倍速為32Kbps為例，一個(gè)廣播頻道共可容納3330個(gè)網(wǎng)站，其中有30個(gè)網(wǎng)站分享320Kbps、300個(gè)網(wǎng)站分享32Kbps、3000個(gè)網(wǎng)站分享3.2Kbps的子速率，所有的子信道并行工作，就像大規(guī)模并行計(jì)算中CPU并行工作那樣。

差分并播是并播的一種改進(jìn)?？紤]到網(wǎng)站編輯出稿新鮮網(wǎng)頁是陣發(fā)性的，時(shí)間上非均勻的。當(dāng)它出稿的網(wǎng)頁已被播出幾遍之后，地面各接收站都已正確收存，再重復(fù)廣播已經(jīng)沒有意義。于是，制定一種優(yōu)待新鮮（差分）內(nèi)容的“禮讓準(zhǔn)則”。例如，規(guī)定某網(wǎng)站文本數(shù)據(jù)重播超過五遍，語音超過二遍，視頻超過一遍之后，主動(dòng)退出對(duì)子信道的占用。因此，發(fā)送端不同時(shí)刻正在播出的網(wǎng)站數(shù)目是變動(dòng)的，每一個(gè)網(wǎng)站的下載速率也是變化的。只當(dāng)3330個(gè)網(wǎng)都有新鮮網(wǎng)頁需要播出的特殊情況下，各網(wǎng)站的速率才回落到最低值，即按預(yù)先約定的速率播出，大部份時(shí)刻，實(shí)際速率將大于預(yù)約值，甚至大大地大于預(yù)約值。

在播存結(jié)構(gòu)的接收端，用數(shù)據(jù)包包頭的UCL代碼確定是否下載，它本質(zhì)上是一種“碼分”接收，無論子速率多少，也不管有多少網(wǎng)站需要下載，數(shù)據(jù)包都不會(huì)丟失，這種方法又稱為“碼分并存”。

差分并播和碼分并存軟件是下一代廣播的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)家可以用兒十兆的帶寬整合全國(guó)數(shù)以千計(jì)的信息資源，地方城市用較小的帶寬整合數(shù)目較少資源。例如，用15Mbps的DMB-T無線廣播，除并列組織十幾種電視節(jié)目之外，再并列組織上百種滿足當(dāng)?shù)乩习傩杖粘Ｐ枨蟮膱?bào)刊網(wǎng)站，覆蓋一個(gè)大城市，用很少的投資就可把數(shù)字文化送到家家戶戶。

李幼平

中國(guó)工程院信息與電子工程學(xué)部院士，電子工程學(xué)家，也是我國(guó)核武器電子學(xué)領(lǐng)域的主要學(xué)科帶頭人之一，在無線電遙測(cè)、遙控和引爆控制系統(tǒng)的研究領(lǐng)域作出重要貢獻(xiàn)。

4 透明計(jì)算的網(wǎng)格終端

為什么引入透明計(jì)算

透明計(jì)算是一種計(jì)算模式，用戶在使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，無需感知操作系統(tǒng)、中間件、應(yīng)用程序和信息資源的具體所在，只憑用戶需求，通過網(wǎng)絡(luò)便可得到相應(yīng)的計(jì)算服務(wù)。

我們希望未來的信息網(wǎng)格能做到：只要用戶提出對(duì)信息內(nèi)容的要求，就可以得到相應(yīng)的網(wǎng)頁，無需感知網(wǎng)頁來自何種網(wǎng)絡(luò)。

引入透明計(jì)算的第二個(gè)原因，是我們希望能找到一種“最低成本”的終端方案。原則上說，在播存結(jié)構(gòu)中的單向廣播可以一直延伸到家庭，利用家庭PC機(jī)中的硬盤作為終端存儲(chǔ)，此時(shí)要求PC機(jī)需要“永不關(guān)機(jī)”，運(yùn)行成本較高。用“客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/ Server）”方式，由幾家人來分擔(dān)服務(wù)器、操作系統(tǒng)、中間件等軟硬件的固定成本和運(yùn)行成本，有利于降低用戶承擔(dān)的費(fèi)用。用戶費(fèi)用低，才能普及化，最終實(shí)現(xiàn)普適計(jì)算的目標(biāo)。

透明計(jì)算的核心思路

在計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程中，CPU、內(nèi)存、外存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備一直是計(jì)算機(jī)硬件的幾大主要部分，而操作系統(tǒng)（OS）和支持工具（中間件）以及相關(guān)應(yīng)用軟件則構(gòu)成了計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。迄今為止，盡管Web服務(wù)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)等為用戶提供了網(wǎng)上高層（應(yīng)用層）信息資源共享和應(yīng)用軟件的復(fù)用，但是計(jì)算機(jī)的硬件和OS一起才能構(gòu)成一臺(tái)可使用和操作的系統(tǒng)，這種方式造成了當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展中存在的幾個(gè)主要問題：即不斷升級(jí)問題、兼容性問題，和病毒及盜版問題。

如何解決上述問題？特別是在普適計(jì)算時(shí)代，針對(duì)那些內(nèi)存、外設(shè)都較小的各種各樣的計(jì)算設(shè)備，如何減少它們的升級(jí)換代，如何使它們能夠運(yùn)行不同的OS環(huán)境，為用戶提供不同的服務(wù)，如何進(jìn)一步減少病毒？使計(jì)算機(jī)變得更便宜一點(diǎn)，更安全一點(diǎn)，資源共享更容易一點(diǎn)，就是透明計(jì)算試圖解決的問題。

圖10是在一個(gè)基于透明計(jì)算模式的系統(tǒng)中，用戶可選擇Windows 2000、Linux及Windows 98的初始圖，在圖10中，用戶可任意選擇3個(gè)OS中的任一系統(tǒng)運(yùn)行。

從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開放性的角度來看透明計(jì)算，它其實(shí)也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)一步開放的必然結(jié)果。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的軟硬件的層次關(guān)系如圖11所示。應(yīng)用軟件依賴于下層的中間件工具和編程環(huán)境，中間件和編程環(huán)境依賴于下層的操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)依賴于硬件。在這樣的體系結(jié)構(gòu)下，計(jì)算技術(shù)的發(fā)展也是體系結(jié)構(gòu)不斷開放的過程。每一個(gè)更加底層的接口被開放，就意味著上層軟件可以自由開發(fā)和選擇，將極大地推動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

透明計(jì)算實(shí)際上是遵循開放的理念，將操作系統(tǒng)和硬件之間的接口開放，只要計(jì)算機(jī)CPU支持相關(guān)操作系統(tǒng)和硬件接口，該硬件系統(tǒng)就可以在開機(jī)運(yùn)行之前不裝操作系統(tǒng)，而是等待加電后透過網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器上下載該系統(tǒng)并隨后運(yùn)行，正是由于開放了這個(gè)底層的接口，才導(dǎo)致透明計(jì)算模式的實(shí)現(xiàn)。透明計(jì)算由客戶機(jī)/服務(wù)器模式組成，其拓?fù)溥B接示意圖如圖12所示。

圖12中的服務(wù)器既可以是單臺(tái)，也可以是多臺(tái)；其網(wǎng)絡(luò)既可以是有線網(wǎng)，也可以是無線網(wǎng)；既可以是局域網(wǎng)，也可以是廣域網(wǎng)。只是，其網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度必須滿足服務(wù)器與客戶機(jī)之間程序和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。透明?jì)算中的客戶機(jī)負(fù)責(zé)完成客戶端應(yīng)用程序的計(jì)算工作，服務(wù)器端只負(fù)責(zé)進(jìn)行資源存儲(chǔ)和管理，客戶機(jī)所需要的任何應(yīng)用程序、中間件及OS都通過動(dòng)態(tài)的請(qǐng)求調(diào)頁方式從服務(wù)器中獲得，服務(wù)器和客戶機(jī)的體系結(jié)構(gòu)如圖13所示。

綜上所述，我們可以總結(jié)出透明計(jì)算模式的幾個(gè)主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

1.客戶機(jī)上不預(yù)置任何OS，但用戶可在執(zhí)行時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)選擇所需要的、并與客戶機(jī)兼容的任何操作系統(tǒng)。

2.所選OS和應(yīng)用并不是一次全部下載到客戶機(jī)上，通過動(dòng)態(tài)調(diào)度，根據(jù)客戶機(jī)內(nèi)存大小，采用分頁調(diào)度方式，按計(jì)算需要分頁下載，從而減少了客戶機(jī)內(nèi)存和CPU需求。

3.所有的客戶機(jī)應(yīng)用計(jì)算都在客戶機(jī)上完成，資源和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)在服務(wù)器上，這使得資源共享更加容易。

4.使用和維護(hù)分離: 由于所有的資源都放在服務(wù)器上，因此，維護(hù)管理人員只需維護(hù)管理服務(wù)器則可; 客戶機(jī)主要提供給用戶使用，使用戶擺脫繁瑣的OS安裝、數(shù)據(jù)維護(hù)等工作。

透明計(jì)算作為網(wǎng)格終端

透明計(jì)算環(huán)境因其低成本、易管理、易操作、高安全性和高可靠性等特點(diǎn)，非常適合用于搭建播存網(wǎng)格的終端環(huán)境，為播存網(wǎng)格的終端用戶提供低成本的用戶環(huán)境和實(shí)時(shí)的內(nèi)容服務(wù)，如圖14所示。此時(shí)，透明計(jì)算服務(wù)器負(fù)責(zé)各種網(wǎng)絡(luò)的接入和整合，將來自不同網(wǎng)絡(luò)的信息資源統(tǒng)一存儲(chǔ)并管理起來。同時(shí)，透明計(jì)算服務(wù)器通過OS遠(yuǎn)程啟動(dòng)和管理模塊支持多種操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程系統(tǒng)。對(duì)于用戶來說，他首先在透明計(jì)算客戶機(jī)上自主選擇所需要的操作系統(tǒng)并啟動(dòng)，然后調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用軟件訪問已經(jīng)存儲(chǔ)在“近處”的信息資源，而不需關(guān)心操作系統(tǒng)本身、應(yīng)用軟件和信息資源的具體所在，這是一種“透明”的概念。

同時(shí)，透明計(jì)算在播存網(wǎng)格中的應(yīng)用也可以用柵格模型來描述（這方面內(nèi)容可參見前文《共享信息的網(wǎng)格》），如圖15所示。因此，透明計(jì)算本身也是一種“微網(wǎng)格”。由此，透明計(jì)算環(huán)境可以為播存網(wǎng)格提供多方面的條件和服務(wù)，主要包括：全天候的存儲(chǔ)終端、多種網(wǎng)絡(luò)的整合場(chǎng)所、低成本的服務(wù)環(huán)境，以及減免病毒垃圾的潔凈內(nèi)容。

總論

推進(jìn)三網(wǎng)和諧整合

中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)擁有超過一億的網(wǎng)民，僅次于美國(guó)成為全球第二互聯(lián)網(wǎng)大國(guó)。但是，網(wǎng)民數(shù)仍然只占全人口的不足8%，普及化水平只相當(dāng)全球平均水平的一半左右，相對(duì)而言，在固話、移動(dòng)通信和電視領(lǐng)域，我國(guó)的普及率都已超過全球平均水平，互聯(lián)網(wǎng)則因此更顯落后。

本期這一組文章的目的，正是在于說明一種“普及互聯(lián)網(wǎng)”的思路。

首先，運(yùn)用冪次定律，從幾十萬個(gè)網(wǎng)站中精選出數(shù)千種“主流信息資源”；其次，運(yùn)用衛(wèi)星數(shù)字廣播，一體化地把主流資源分布存儲(chǔ)于城市的大樓和每一個(gè)自然村，造成跨越數(shù)字鴻溝和“存文化于民間”的全國(guó)性態(tài)勢(shì)；最后，運(yùn)用透明計(jì)算模式，把服務(wù)器與客戶機(jī)都不發(fā)達(dá)可能做到低成本，向全體人民（包括不發(fā)達(dá)地區(qū)和弱勢(shì)人群）提供雙向按需服務(wù)。

播存結(jié)構(gòu)將帶來下列好處：

● 支持寬帶用戶持續(xù)增長(zhǎng);

● 數(shù)字文化上山下鄉(xiāng);

● 緩解現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的帶寬壓力;

● 窄帶電信接入重現(xiàn)生命力;

● 手機(jī)、電視機(jī)用戶變成互聯(lián)網(wǎng)用戶;

● 播存網(wǎng)格本身是一種“下一代廣播網(wǎng)”。

古人云：“君子和而不同，小人同而不和”，我們應(yīng)該借助古人和諧處世的思想，借助播存結(jié)構(gòu)作為手段，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、廣播網(wǎng)和電信網(wǎng)的相互幫助與和諧整合，如圖16所示。