國際上計算機科學與技術的最新發展趨勢及我國“十五”以來計算機領域的科技成果及技術創新性


1、雲計算

雲計算是一種基於網絡的提供動態資源池、虛擬化和高可用性服務的下一代計算模式,通過網絡上異構、自制的服務為個人和企業提供按需即取的計算。雲計算的模式有按服務分類和按歸屬分類.

1.1雲計算分類

1.1.1按服務分類

雲平台可分為IaaS、PaaS和SaaS。IaaS(Infrastructure as a Servive,基礎架構即服務)是雲計算服務的基礎層次,在這一層面,將計算、網絡、存儲等資源集中,通過虛擬化、動態化形成資源池,通過網絡向用戶提供計算資源、運行用戶業務系統。在IaaS之上是PaaS(Platform as a Servive,平台即服務),這一層面除了提供基礎計算能力外,還提供用戶業務的開發運行環境。最上層是SaaS(Software as a Servive,軟件即服務),在這一層,軟件是拿來即用的,不需要用戶安裝,一般ISP(互聯網服務提供商)處於這一層。

IaaS雲計算平台主要由7個部分組成:(1)計算虛擬化資源系統。(2)共享存儲資源系統。(3)融合網絡資源系統;在IaaS中心,使用網絡系統將其它組件聯通,結合為一個整體。根據位置和連接資源的不同,需要使用網絡系統進行連接的主要有:服務器到接入設備之間的連接;服務器到存儲設備之間的連接;接入設備到核心設備之間的連接,數據中心之間的互聯,數據中心與外部網絡的互聯。此部分主要通過網絡交換機和網絡虛擬整合軟件來實現。(4)安全防護系統;IaaS私有雲數據中心的安全防護有4個方面:接入防護、網絡防護、虛擬化防護和應用防護。(5)應用優化系統;典型的有應用負載均衡、鏈路負載均衡、全局負載均衡和應用加速等。(6)統一管理系統;指可以由一位管理員通過一套管理平台系統、完成整個業務的部署。(7)使用交付系統;作用是以邏輯資源形式將整合后的資源提供給終端用戶使用,終端用戶通過該系統得到自己所需的邏輯的計算、存儲與網絡資源。使用交付系統通常包括用戶認證授權、資源申請、資源使用和日志統計等功能模塊。

1.1.2按雲的歸屬分類

可分為公有雲、私有雲、混合雲。當企業既有私有雲、又采用公有雲服務時,兩種雲交互的部分即形成混合雲。

1.2雲計算技術

雲計算應用的技術主要包括:

(1)虛擬化技術

虛擬機,后台服務器虛擬化是雲計算重要的底層架構。在服務器虛擬中,虛擬軟件需要實現對硬件的支持,資源的平衡、分配和管理,虛擬機與宿主機操作系統及許多虛擬機之間的隔離等功能。目前典型的實現(基本成為事實標准)有Citrix Xen、VMware ESX Server和Microsoft Hype-V等。

(2)分布式海量數據存儲

目前數據存儲技術包括Google的GFS(Google File System,非開源)以及HDFS(Hadoop Distributed File System,開源)

(3)海量數據管理技術

雲計算的數據管理技術最出名的是谷歌的BigTable數據管理技術,同時Hadoop開發團隊正在開發類似BigTable的開源數據管理模塊

(4)編程方式

目前提出的“雲”計划的編程方式均基於Map-Reduce的編程模型。

(5)雲計算平台管理技術

1.3雲計算的劣勢

(1)雲計算面臨着網絡安全的問題

(2)雲計算面臨低速連接時效果差的問題

對於連接速度,也有比較高的要求,在帶寬比較低的國家和地區,會成為一個限制雲的應用的瓶頸。基於Web的應用程序往往需要大量的帶寬來下載,在處理大量的文檔時更是如此。

2、物聯網

通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備,按約定的協議,把任何物品與互聯網連接起來,進行信息交換和通訊,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。目的是讓所有的物品都與網絡連接在一起,方便識別和管理。核心是將互聯網擴展應用於我們所生活的各個領域。

2.1物聯網體系架構

物聯網體系架構由感知層、網絡層、應用層組成。感知層實現智能感知,包括信息采集、捕獲和物體識別。網絡層實現信息的傳送和通信。應用層則包括各類應用,如監控服務、智能電網、工業監控、綠色農業、智能家居、環境監控、公共安全等。目前物聯網主要應用在城市運行管理、醫療衛生領域、農業領域的應用、生態環境方面

2.2物聯網核心技術

物聯網核心技術包括

(1)射頻識別RFID技術

它是一種以非接觸方式工作的無線感應的自動識別技術,射頻識別又稱為電子標簽,數據存儲和數據檢索都是利用無線傳輸技術來實現,不需要與目標實體有直接接觸,在系統中,射頻識別的主要部件就是電子標簽和讀寫器,讀寫器是通過無線信號來讀取遠處目標的電子標簽內的信息,然后根據讀取到的信息來識別目標實體的信息。

(2)電子標簽

電子標簽分為兩種,工作時需要外接電源供電的叫主動標簽,工作時不需要外接電源供電,而是通過被動的電磁感應返回信息的叫被動標簽。

(3)讀寫器

用來對電子標簽進行識別並進行讀寫的功能部件,它主要通過天線與電子標簽進行無線方式的信息交換,在讀寫器內部有中央處理器、發送器、接收器、控制器等組成 。

(4)計算機系統

它和讀寫器相連接,用來處理由讀寫器獲得的電子標簽的數據,通過計算機系統對這些的處理,就可以實現后台控制的功能。

(5)無線傳感器網絡技術

它是由多個無線傳感器節點組成的自組織網絡系統,這些傳感器節點具有數據處理、無線通信和感知的性能。

(6)物聯網網絡技術

在物聯網中,設備和對象依賴於信息交換的通信協議並被唯一地識別,對象命名、身份管理、信息隱私、數據保密性和加密、網絡安全、互通性、光譜、物聯網的綠化都是物聯網將要面臨的問題。其中物聯網綠化是指數據傳輸速率和連接互聯網的邊緣設備在不斷增加,網絡的能量消耗也在高速地增加,因此,需要采取綠色技術使網絡設備盡可能地節能。

2.3物聯網的安全問題

在安全和隱私方面,物聯網感知層中RFID、GPS、M2M終端等設備通過無線網絡收集信息,容易被非法監聽、干擾和竊取,傳感網絡中可能存在的攻擊有

(1)直接攻擊;在直接攻擊中,攻擊者直接從用戶那里獲取信息,比如位置信息等。

(2)感知攻擊;攻擊者可以設定對象來收集有關環境的各種信息。

網絡層隱私安全分析中攻擊類型有

(1)中繼攻擊;即用戶個人信息在不被告知的情況下被公開。

(2)推理攻擊;通過使用其他攻擊類型中收集到的數據來建立一個反應社會活動、移動行為和其他實體移動規律的圖。

(3)自動入侵攻擊;在物聯網中,收集大量的信息后,自動化系統就可以結合數據並且進行數據挖掘或分析。

隨着技術的飛速發展,物聯網正在擴大互聯網的范圍。這種互相通信形成了物物間和人機之間信息的自主交換,它改變着人們的日常生活方式。

3、大數據

    大數據是無法在一定時間內用通常的軟件工具進行收集、分析、管理的大量數據的集合。一般用“4V”概括,即:Volume:數據量大;Variety:數據類型多;Value:數據的價值密度很低;Velocity:數據產生和處理的速度非常快。

3.1大數據的產生主要來源

(1)科學研究,包括天文學、生物學和高能物理等各種研究項目不間斷地獲取研究數據;

(2)智慧城市建設,包括市政交通管理、精細農業、智能家居和環保監察等;

(3)移動、電信和聯通等通信和互聯網運營商,實時采集網絡底層數據進行網絡優化,也會對所有用戶的消費行為進行深度挖掘;

(4)互聯網企業,包括百度、新浪、騰訊、阿里巴巴等,每天產生巨量的數據;

3.2大數據采集方法及共享方式

主要包括:系統日志采集、網絡數據采集、數據庫采集、其他數據采集等四種。

大數據共享主要通過數據集市和開放數據平台等方法實現,預處理是對數據進行清洗、填補、平滑、合並、規格化以及檢查一致性等處理,並對數據的多種屬性進行初步組織。從而為數據存儲、分析和挖掘做好准備,通常預處理包括三個部分:數據清理、數據集成和變換和數據規約。

大數據的存儲和管理技術主要分三類:分布式文件系統、數據倉庫和非關系型數據庫。大數據分析和挖掘主要基於人工智能、機器學習、模式識別、數據挖掘、統計學、數據庫等技術。大數據檢索主要利用數據庫實時檢索和實時搜索。大數據可以用來進行視頻搜索、內容分析、理賠分析、社交網絡分析、社會分析、社交媒體監控。

目前,MapReduce分布式處理方式已經成為大數據處理各環節的通用處理方法,最先由谷歌設計並實現,包括分布式文件系統GFS、MapReduce分布式編程環境以及分布式大規模數據庫管理系統Bigrable。

4、最新成果及技術創新

 “天河二號”成為全球最快的超級計算機。超級計算機是國家科研的重要基礎工具,在地質、氣象、石油勘探等領域的研究中發揮關鍵作用,也是汽車、航空、化工、制葯等行業的重要科研工具。

近年從數字城市到智慧城市建設也取得重大成果,並提出智慧城市建設與大數據戰略,城市大數據中最重要的信息是城市建設、環境、教育、醫療等的聚集,它將智慧城市的建設分為城市建設、信息、產業、管理等四個領域智能化,目前已經有二百多個城市在規划中提出建設智慧城市。

國家高性能計算應用服務環境關鍵技術與應用的設計思想先進,具有新型服務形態的國家高性能計算服務環境,支持環境運行和應用服務的網格服務軟件、萬核級大規模並行計算技術和高性能計算與網格應用等方面有重大創新,促進了我國高性能計算基礎設施與高性能計算應用的跨越式發展,整體技術水平處於世界先列。阿里巴巴,百度雲等,網格GIS都是近年的最新成果,都融合了國際最新發展趨勢,為用戶帶來極大方便,也節省了企業的開支。

Time:2014.10.15

 


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