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倪光南院士谈新技术发展环境下的电子政务建设

2010-11-2613:30

 中科院计算所研究员、博士生导师 倪光南

前言

当前电子政务建设应重视新一代信息技术发展趋势。国家领导人对此高度重视,不久前胡主席在两院院士大会上讲话指出:“互联网、云计算、物联网、知识服务、智能服务的快速发展为个性化制造和服务创新提供了有力工具和环境”。去年温家宝总理视察无锡,提出在无锡加快建立中国的感知中国中心,由此启动了全国范围内的物联网建设。在这些新兴技术中,我们尤其应积极采用云计算、物联网、开源软件等新技术、新模式,以便又好又快地推进电子政务建设,并更好地实现胡主席提出的“可靠、低成本信息化”的目标。

一、云计算

云计算是一新计算模式。自计算机发展以来,计算模式已经历了主机、个人计算机(PC)、互联网等阶段,现在云计算也被普遍认为是一新阶段(如图1所示)。

 

图1.计算模式的演进

最早的主机-终端模式是集中计算,一切计算资源都集中在主机上。到了PC时代,变成了分散计算,主要计算资源分散在各个PC上。互联网的出现将分散的PC联在了一起,部分计算资源虽然还分布在PC上,但已经越来越多地集中到互联网上。

云计算的出现实现了更高程度的集中,它继承和发展了网格计算、公用计算(又称效能计算)和SaaS等的优点(如图2所示)。它可将分布在世界范围内的计算资源整合为一个统一的资源为用户提供服务;另一方面,云计算又可按某个用户的需求分出所需的资源为他服务,从而使计算资源可以像电力和自来水一样,统一地实现按需服务。

 

图2. 云计算的演进

云计算的需求驱动来自多个方面。主要是:满足海量数据高速处理的需求,缓解当前信息时代“信息爆炸”的压力;适应业务需求和业务量的快速变化及软件服务化SaaS的趋势;大大提高IT资源的利用率,降低成本,满足绿色节能的需求。例如有人估计,云计算可以帮助节约大至80%的使用面积,60%的电源和制冷消耗,提升可高达三倍的设施利用率,使现有的资源更加高效。有数据表明,一般数据中心中,90%服务器、90%时间里的平均CPU利用率只有5%,而云计算公司CPU利用率可达60%;我国一般数据中心的能效比(总能耗/IT设备能耗)PUE=3,即通风冷却的能耗二倍于IT设备的能耗,而云计算公司的PUE只有1.2左右,基本上不需通风冷却。此外,云计算有利于集中管理,便于运营维护,最终也将增强信息安全。

云计算的主要支撑技术如下:

1.虚拟化技术

虚拟化可以在不同层次上实现。硬件(和OS)虚拟化可使一台计算机或服务器虚拟化为多台计算机或服务器,也可将分散的计算资源动态整合为一个强大的虚拟计算机并实现动态负载均衡。存储虚拟化可使分散的存储资源集中到一个大容量的存储池,统一管理并实现数据多份备份,提高可靠性。与网络相关的虚拟化既可将一个物理网络节点虚拟成多个节点增加连接数量,又可通过网络交换机或网卡虚拟化减少网络设备数量。应用或服务的虚拟化可按实际需求调配资源、快速部署应用。云端设备虚拟化可实现云端设备集中管理,支持丰富的云端设备类型,支持设备随时随地可用并相互同步。总之,虚拟化可使物理资源与服务需求之间的对应关系变得非常灵活,可实现1->N, N->1, N->M等等的任意映射关系,达到计算资源可变粒度,可伸缩、高利用率和高可用性等等要求。

2.海量分布式存储技术

 

图3. 世界范围内产生、获取和复制的数字信息量发展状况

由图3可知,世界范围内产生、获取和复制的数字信息量在近五年里增加为十倍。与此相应,存储器性价比最近五年里提高了25倍。在这种巨大的需求和快速的技术进步综合推动下,海量分布式存储技术应运而生。

 

图4. 存储器性价比最近五年里提高了25倍

这种技术采用大量分布的存储单元,以高可靠软件技术(包括冗余存储、虚拟化等等)实现低成本、高性能、高可靠性、高伸缩性的海量数据存储。传统的关系数据库对于管理结构化数据是很有效的,但当需要处理海量的结构化和非结构化数据时,需要发展新的数据管理技术,例如Google采用的GFS和BigTable技术和开源软件Hadoop采用的Hbase技术都是为了适应这类需求。一些公司也发展了专门的技术,使用户可以将现有的分散的存储资源整合为适应云计算的统一调度的海量分布式存储资源,如友友公司的数流平台和DataCell系列产品等等。

3.高效的分布式处理

这是采用大量通过网络联结的低成本计算机/计算机集群,实现高效的分布式事件和事务处理。运用动态的负载均衡、群组管理调配和容错技术,充分发挥这些计算机/计算机集群的计算能力并达到高可用性。云计算的分布式处理继承和发展了网格计算(Grid Computing)和效用计算(Utility Computing)技术。为了便于开发支持这类分布式处理的应用/服务,已发展出了一些并行编程模式,如基于开源Hadoop的HDFS和MapReduce就是一种流行的模式。这种技术的一个明显效益是使低成本的PC服务器集群可取代昂贵的小型机。

4.自动管理监控技术

云计算系统可能包含数以万计或十万计的服务器,它们分布在异地的多个数据中心中,运行着许多不同的应用。按统计规律,经常会发生某个硬件出错或失效的情况,因此系统应当具有自动管理监控能力,能快速发现故障并自动恢复,以提供不间断的服务,并能按照业务需求,方便地调整部署,使系统具有很好的可维性。数据表明,云计算的自动管理监控技术可以大大提高管理效率。例如一般数据中心的人均维护服务器<100台,而有的云计算公司的人均维护服务器可达3000台,效率高30倍。随着自动管理监控技术的发展,云计算的运维将越来越简单,成本也将越来越低。

5.云计算信息安全技术

云计算除了有一般信息系统的信息安全问题以外,还有它特殊的问题。一方面是规模巨大产生的新问题,包括计算资源,用户数量,网络结构,应用或服务种类等等,云计算都比一般信息系统有几个数量级的增加,对这样的复杂系统如何保障信息安全是一个难题。另一方面是计算模式变化产生的新问题,由于计算资源和数据已经不受用户的直接控制(对公共云),这就涉及到如何保障用户隐私权的问题。与此相关的还有法规和观念等问题,都有待于在今后的实践中逐步解决。

如同任何新事物一样,采用云计算也带来了新问题。如上所述,云计算需解决好信息安全和用户隐私问题。而且现在云计算还处在发展阶段,远没有成熟,所以还缺乏通行的标准,各家推的云计算方案/平台各不相同,各家云计算方案/平台上的服务可能互不兼容、不易迁移。在使用中还需考虑新旧系统过渡问题。因为业务往往不能中断,如何从旧的信息系统平滑地过渡到新的云计算架构的系统需要仔细规划、分步实施。

综上所述,云计算有利于整合信息资源、实现信息共享,促进政务信息化的发展。云计算提供丰富的云端设备,有利于移动办公等新业务的开展。云计算也符合当前节能减排、绿色IT的要求。在实施中,为保障信息安全,可采取私有云提供电子政务的内部服务,而对公服务可依托某个公共云进行服务,这样较易解决信息安全问题。我国政务信息化起步较迟,历史包袱较轻,过渡到云计算的代价较发达国家低,有后发优势。目前我国已有一批企业能够提供构建云计算(包括私有云、公共云)的核心技术,依托它们的技术不但能大大节省信息化开支,还能更好地实现信息系统的自主可控。

二、物联网

物联网是通过各种传感技术(RFID、传感器、GPS、摄像机、激光扫描器……)、各种通讯手段(有线、无线、长距、短距……),将任何物体与互联网相连接,以实现远程监视、自动报警、控制、诊断和维护,进而实现“管理、控制、营运”一体化的一种网络。

 

图5. 物联网将达到极大的规模

如图5所示,物联网将达到极大的规模,远超过目前的互联网。与物联网相联的各种传感器和设备将达到万亿数量级,今后物联网将无处不在。图6为物联网架构示意图,它可以分为三层或三个子系统,即末端设备系统、通信连接系统和管理应用系统,而其服务领域将覆盖公共安全、工业农业、交通运输、商业流通、能源环境、医疗卫生、消费电子、智能建筑、IT服务……

 图6. 物联网架构示意图

按照周洪波博士的意见,中国物联网有四大支柱产业群。包括:RFID(射频标签),它将使任何物件都有一个唯一的身份标识(ID),这将应用于各个领域;传感网,它是实现“感知中国”、“感知城市”的基础;M2M(Machine to Machine),它关注末端设备的互联和控制、管理,也将应用于各个领域; 两化融合,它主要应用于工业自动控制方面。应当指出,在实际的物联网中,上述几方面的技术往往是互相关联、共同发挥作用的。

物联网可以真正实现“数字城市”、“感知城市”。目前国家提出的“感知中国”计划,将推动物联网在全国各地电子政务建设中的应用。物联网的应用领域很广,尤其是与电子政务关系特别密切的城市管理、公共安全、智能交通、环境监测、远程医疗等等领域,物联网都可以大大提高政府工作和服务的效能。前些年在数字城市建设中,已建设了一些针对特定应用的物联网子系统,今后应当将它们扩展、提升、整合,实现资源共享,建成覆盖多领域应用的统一管理、控制、运营的一体化物联网,达到“感知城市”的目标。

目前制约物联网发展的重要因素是缺乏统一的标准,因而难以整合,我国已成立物联网标准联合工作组,希望能及早介入这一领域,尽快制订各项标准。

物联网和云计算是密切相关的。一方面,大规模物联网必然要依托云计算平台,它相当于物联网的“大脑”,它接受物联网众多设备传来的信息,通过处理后,再控制和管理这些物联网设备,实现特定的服务。另一方面,随着云计算的发展,它的服务领域正在不断扩大,将覆盖HaaS(硬件作为服务)、IaaS(基础设施作为服务)、PaaS(平台作为服务)、SaaS(软件作为服务)、DaaS(数据中心作为服务)、MaaS (物联网作为服务)、TaaS(一切事物作为服务)……,因此云计算的高级阶段将具有物联网服务能力。

三、开源软件

在PC时代,专有软件(Proprietary Software)是主导软件,而在当前互联网、移动互联网、云计算、物联网、SaaS等新一波IT浪潮中,开源软件有发展为主导软件的趋势。我们可以从下面一些事例中看到这种迹象:

1. 除微软外,以Google、Amazon、Yahoo、Wiki、Facebook等等为代表的全球90%以上的云计算均在开源软件之上运行。不过开软许可证(除AGPL外)并不要求提供Web服务的软件开放源代码,这些应用着的开源软件未必对外全部开源。

2. 2010年二季度全球智能手机操作系统中,开放源码类(包括Symbian,Android,Linux,共占60.8%),已超过封闭源码类(包括RIM,iOS, Windows Mobile,共占37.4%)。

3,Gartner预测,到2011年,至少80%的商业软件解决方案将包含实质性的开源软件。

4. 数量远超PC的云端和物联网设备软件平台大多将基于开源软件。

当前,开源软件已受到各国政府越来越大的重视。由于开源软件有许多优势,尤其是迎合了当前互联网、移动互联网、云计算、物联网、SaaS等IT新技术发展趋势,因而格外受到各国政府的重视。

一般说来,促使一国支持开源软件主要有三方面的需求:首先,是改进信息安全。采用开源软件可以改进信息安全,这是因为开源软件不存在后门,安全漏洞一般比专有软件(私有软件)少,也容易增强其安全性。其次,是发展软件业需求。对于软件业不发达并力图发展软件业的国家,支持开源软件是发展本国软件业的捷径。此外,是节省IT开支。采用开源软件可以大大节省IT开支并有利于推进开放标准、促进市场的公平竞争。表1列出了一些国家对开源软件的需求状况比较。显然,作为有14亿人口的发展中大国,综合这三方面,中国对开源软件比发达国家有更大的需求。

表1.一些国家对开源软件的需求状况比较

目前发达国家政府支持开源软件力度是很大的,例如:

美国政府在奥巴马上台后,由于他本人倾向于开源软件(被称为“开源总统”),就带动了美国各界包括政府各部门积极采纳开源软件,如白宫网站带头采用了开源的LAMP架构,就连以保守著称的美国国防部也在其指导性文件中规定“开源软件应该像其他软件产品一样被同等对待”,并列举了它为国防部带来的好处:迅速消除软件缺陷、易于修改、减少对厂商依赖、易于快速配置、降低成本和快速开发等等。

调查表明,法国企业使用开源软件的比例达24%,高居各国之首,这是因为法国政府一直大力支持开源软件,就在不久前,由法国总统萨科齐领导的一个经济委员会提议,要通过免税的方式来刺激更广范围内开源应用的普及。

俄罗斯正开发基于Linux的本土操作系统Russian OS。2007年,俄罗斯发布总统令,要求所有学校全部使用开源软件,并在各地举办各种学习班和培训班开展Linux培训。

据报道,欧盟成立了由15个成员国组成的“在公共治理部分推进开源软件协会(COSPA)”,来促进开源软件的发展与应用。对欧洲12国的调查情况显示,2007年约有49%的地方政府使用开源软件,这种应用还在进一步增长。

一些发展中国家也很重视开源软件。如印度总统阿卜杜勒•卡拉姆呼吁,印度的军方应该更多的使用开源软件,以提高网络安全。他表示:“尽管武器装备所需的软件可以由商业公司来完成,但是完全掌握这些技术专利与架构对于我们相当重要。”巴西一些州和市政当局已经通过法律要求公共行政部门优先选择开源软件。

中国政府支持开源软件最早可以追溯到1999年7月15日,原电子部曲维枝副部长主持召开了“Linux与中国软件产业研讨会”,这是中国政府首次明确支持以Linux为代表的开源软件。此后,国产厂商的开源软件发行版被视同为国产软件。中国的一些科技计划包括“核高基”重大专项,都大力支持基础软件,而基础软件中有相当大的部分是基于开源软件的,这为今后15年里开源软件在中国的发展铺平了道路。最近,科技部等继续将基础软件作为“十二五”规划中的重要课题。

上述情况表明,中国政府有关政策中已包含了对开源软件的支持,但与重视开源软件的发达国家相比,这种支持力度还不够大,旗帜也还不够鲜明,有待于今后加以改进。

现在看来,中国在推广开源软件方面还存在一些问题需要改进。如前所述,中国作为有14亿人口的发展中国家,比发达国家有更多理由支持开源软件,但实际上支持力度远小于发达国家,存在问题有:

1. 缺乏政策导向。虽然2004年底财政部会同信息产业部起草的《软件政府采购实施办法(试行)》中规定“根据国家利益和社会公共利益的需要,可以将本国供应商发行的源代码开放软件视同本国软件予以认定”,但并无政府正式行文明确开源软件的地位。

2. 很多部门对开源软件不了解,又受外国跨国公司恶意宣传的影响,怕使用开源软件有知识产权风险。

3. 受现有规章约束,国家科技项目的支持不能用于支持开源社区与开源个体开发者,使开源软件在中国变成“无本之木”,外界也称中国对开源软件是只使用、不贡献。

4. 缺乏开源软件人才。过去中国高校的IT教学偏向于Windows平台,这不利于培养学生自主创新能力,不利于推广开源软件,不利于发展自主软件业。为此,应努力使中国高校的IT教学从向Windows平台倾斜转到向开源软件平台倾斜。有关改进是:2005年教育部、科技部批准40所高等学校建设国家Linux技术培训与推广中心;最近国家人保部发出了《关于开展开源软件开发与应用能力测评试点工作的通知》,鼓励和引导各级各类院校毕业生、在职人员和求职者掌握开源软件的开发和应用能力。总的说来,开源软件人才培养情况已有所改进,但还远远不够。

如前所述,中国在推广开源软件方面已远远落后于发达国家,在互联网、云计算、物联网这新一波IT浪潮中,应抓住时机,大力推广开源软件。国际经验表明,采用或部分采用开源软件对电子政务建设特别有利,也可以对推广开源软件起到示范作用。主要是:开源软件安全性好,如只在内部使用,对其安全性的增强不需开放,更有利于保障信息安全;结合云计算、物联网等需求,本国软件公司可整合开源软件和自主开发软件,提供整套解决方案、实施全程服务;能大大降低成本,是一条实现可靠、低成本信息化的途径。

今后我国应仿效发达国家经验,有关部门可发布相应指导文件鼓励采用开源软件并在其品质保证、避免知识产权风险等方面给以相应的支持。

结束语

在我国电子政务建设中应积极采用云计算、物联网、开源软件等新一代信息技术,这样可以大大节省IT开支,给中国本国公司以更多的市场机会,使电子政务系统更切合自主可控与实现可靠、低成本信息化的要求,并带动中国软件和信息服务业的发展。

(来源:    作者:)

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