文/龐貝 張宇

無極計算 無極時空

文/龐貝 張宇

無極計算在數(shù)據(jù)、主機、軟件、交互等計算基本元素的層面上實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的徹底分離和封裝，通過邏輯層屏蔽資源的物理屬性，再加上基于虛擬組織的安全、信任等方面的技術(shù)保證，通過不同的流程管理機制實現(xiàn)計算元素的自主聚合，最終目標是達到應(yīng)用執(zhí)行在任意時間和空間上的無限延伸，解決Anytime，Anywhere，Any Application(A4)的問題，實現(xiàn)分布式計算的終極目標，符合技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)化的大趨勢，最終完成無極時空的愿景

你在家中想繼續(xù)完成一個工作計劃，打開筆記本發(fā)現(xiàn)要編輯的文件在公司的電腦中；你想?yún)⒖歼^去幾天的會議記錄和一些零星的想法，發(fā)現(xiàn)這些都在手機的備忘錄中；你用Word完成了計劃想以PDF的格式提交，發(fā)現(xiàn)你的電腦里沒有安裝Adobe的軟件；你用Matlab進行模擬仿真計算，發(fā)現(xiàn)你的計算機運行的速度不夠快……你發(fā)現(xiàn)你的工作只能在上班時間，坐在公司的辦公室里完成——只能在特定的時間和地點完成特定的工作，為什么不能在任意時間、任意地點完成任意工作呢？這就是通常所說的Anytime，Anywhere，Any Application(A4)的問題。在計算機、網(wǎng)絡(luò)、通信等信息技術(shù)如此發(fā)達的今天，應(yīng)對這些看似簡單的需求還是捉襟見肘。

清華大學信息技術(shù)研究院曹軍威研究員和他的團隊長期從事分布式計算技術(shù)的研究，指出要解決A4問題，需要徹底解決支持應(yīng)用和計算完成的所有因素的跨域共享問題，而這是傳統(tǒng)的計算模式所不能支持的。問題的根本在于需要從技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)(Infrastructure)化的角度重新審視和反思計算技術(shù)的發(fā)展，和傳統(tǒng)意義上成熟的基礎(chǔ)架構(gòu)(如電網(wǎng)、交通、通信、互聯(lián)網(wǎng)等)相比，計算技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)化進程還遠沒有實現(xiàn)。為此，曹軍威早在美國麻省理工學院工作期間就根據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)化的一般趨勢，提出無極計算的理念，并致力于開發(fā)相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)將應(yīng)用延伸到任意時間和空間的終極目標，完成無極時空的愿景。

無極計算——計算技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)化

1996年曹軍威本科畢業(yè)，成為清華大學國家計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)工程技術(shù)研究中心研究生，一開始接觸的科研工作就是基于分布式計算技術(shù)的制造業(yè)應(yīng)用集成。1998年，他赴英國攻讀計算機博士學位，進行網(wǎng)格計算的資源管理和調(diào)度方面的研究，畢業(yè)后又在歐美從事了多年網(wǎng)格計算應(yīng)用方面的開發(fā)工作。這些經(jīng)歷都促使他不斷地從更加本質(zhì)的視角反思分布式計算技術(shù)的發(fā)展。

其實，網(wǎng)格計算最具啟發(fā)性的就是它從基礎(chǔ)架構(gòu)的角度對其理念和初衷進行了清晰和透徹的闡述。為什么計算資源不能像電網(wǎng)一樣做到按需使用？簡單的問題實際上直指技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)化的核心。雖然現(xiàn)在看起來網(wǎng)格計算在實際應(yīng)用中遇到種種困難，但其計算資源基礎(chǔ)架構(gòu)化的初衷仍然是符合技術(shù)發(fā)展趨勢的，仍然是目前包括云計算等在內(nèi)的計算技術(shù)發(fā)展的終極目標。曹軍威對于基礎(chǔ)架構(gòu)的思考和認識逐漸清晰起來，要將應(yīng)用延伸到任意時間和空間，需要徹底解決支持應(yīng)用和計算完成的所有因素的跨域共享問題，徹底實現(xiàn)計算技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)化，為此曹軍威提出無極計算的理念。

根據(jù)百度百科的解釋，“無極”原指“無邊際，無窮盡”，出自《莊子?逍遙游》，也指一種古代哲學思想，指稱道的終極性的概念。從計算技術(shù)而言，不同方面的科學研究人員或技術(shù)開發(fā)人員從不同角度提出了很多未來的分布式計算模式，如對等計算、網(wǎng)格計算、軟件即服務(wù)、云計算等。借助無極的概念，是否能在一個統(tǒng)一的架構(gòu)下實現(xiàn)這些不同的計算模式呢？這就需要對現(xiàn)有技術(shù)進行總結(jié)和反思，在對計算系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)化的認識和把握基礎(chǔ)上，從一個更加準確的視角理解未來計算系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，因此無極計算不是全新的計算技術(shù)理念。

傳統(tǒng)的All-in-one(全內(nèi)置設(shè)計)模式將支持應(yīng)用的各種元素(主機、數(shù)據(jù)、軟件和交互)集中在一起。系統(tǒng)對所有元素進行集中的統(tǒng)一的維護和管理，這樣在操作系統(tǒng)的管轄下形成獨立存在的單位，能夠完成獨立的任務(wù)并通過網(wǎng)絡(luò)與外界進行信息交換，這是傳統(tǒng)模式下應(yīng)用元素的組織方式。曹軍威研究員所提出的無極計算(elop computing)模式在元素層實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的跨域共享(見圖1)，進而通過一系列的上層服務(wù)徹底解決A4問題，實現(xiàn)計算和應(yīng)用的無極限。具體如下：

曹軍威于清華

圖1.無極計算——網(wǎng)絡(luò)化計算模式

元素層(e|element)：元素層是無極計算基礎(chǔ)架構(gòu)的最底層，其基本功能是封裝整個應(yīng)用架構(gòu)最基本的元素，完成元素間無縫的互操作、共享、訪問控制與透明管理功能。

邏輯層(l|logic)：邏輯層實現(xiàn)對基本元素的邏輯描述，將元素與具體物理地點解耦，實現(xiàn)異構(gòu)屏蔽和統(tǒng)一的訪問操作機制，使得上層應(yīng)用能夠不用關(guān)心具體元素的位置、性能等詳細信息。

組織層(o|organization)：組織層實現(xiàn)邏輯層所代表元素的合理組織與安全訪問，提供認證、授權(quán)、信任機制等方面的支持。

流程層(p|process)：流程層是應(yīng)用使能的最上層，在組織機制的保證下將邏輯元素以流程的形式進行說明、支持聚合、運行和監(jiān)測。

無極計算希望在計算基本元素的層面上實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的徹底分離和封裝，通過邏輯層屏蔽資源的物理屬性，再加上組織上安全、信任等方面的技術(shù)保證，通過不同的流程實現(xiàn)計算元素的自主聚合，最終目標是達到應(yīng)用執(zhí)行在時間和空間上的延伸。這樣一來，以往的計算模式成為無極計算的一個側(cè)影，網(wǎng)格計算嘗試將主機和數(shù)據(jù)元素分離出來，軟件即服務(wù)是只將軟件分離出來等等。

無極計算的基礎(chǔ)在于對底層元素的構(gòu)建，如何建立合理的、完善的、完整的計算元素以適用于各個領(lǐng)域應(yīng)用的需求是首先需要解決的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題，關(guān)系到元素之上各層次的設(shè)計方式。除此之外，還需要定義統(tǒng)一的通信協(xié)議和接口標準，使得元素層的的規(guī)劃按照這種特有的專用模式來進行。對于計算和數(shù)據(jù)資源的封裝可以借鑒網(wǎng)格計算中的做法，對于軟件的封裝可以借鑒網(wǎng)構(gòu)件的思想，利用虛擬化的思想可以簡化人機界面與應(yīng)用的分離和遠程訪問的問題，這些需要在無極計算的框架下統(tǒng)一進行。

曹軍威(前排左二)和他的團隊

無極時空——物聯(lián)時代的應(yīng)用解決方案

2006年回國后，曹軍威對基礎(chǔ)架構(gòu)的研究開始有了另一方面的理解。既然像網(wǎng)格計算這樣的數(shù)字空間需要基礎(chǔ)架構(gòu)化實現(xiàn)資源的深度共享，為什么這一理念不能延伸到物理世界呢？各行各業(yè)的資源都會有一個互聯(lián)、整合和共享的需要，這一想法也被近年來興起的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用所印證。曹軍威認為，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的內(nèi)在動因是新一輪的基礎(chǔ)架構(gòu)化進程對數(shù)字和物理資源深度互聯(lián)的需求，而無極計算的理念和技術(shù)實現(xiàn)同樣適應(yīng)物聯(lián)時代的應(yīng)用需求。

自1999年，由MIT的AUTO-ID CENTER首先提出物聯(lián)網(wǎng)的概念時起，“物聯(lián)網(wǎng)”在十多年的時間里逐漸為人熟知。隨著互聯(lián)網(wǎng)的巨大成功和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，通過二者的結(jié)合，把現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)延伸并連接各種信息傳感設(shè)備，進行信息交換和通信，從而實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，導致了物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生。

物聯(lián)網(wǎng)是繼個人計算機、互聯(lián)網(wǎng)及移動通信網(wǎng)絡(luò)之后全球信息化的第三次浪潮，是傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)(移動通信)、云計算，以及智能信息處理等信息技術(shù)發(fā)展到一定階段，在應(yīng)用需求和供給創(chuàng)新的雙輪驅(qū)動下，通過水平分層與垂直整合技術(shù)脈絡(luò)與產(chǎn)業(yè)鏈條而形成的全球性信息系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)概念從最初以R F I D(radio-frequency identification)為特征，經(jīng)以信息感知的傳感器為特征，到目前以在前兩者基礎(chǔ)上的智能處理為特征，目的是把物理世界與信息世界緊密耦合在一起，形成感知——傳輸——處理——決策——控制的閉環(huán)系統(tǒng)，更好地為人們的生產(chǎn)、生活提供更加智慧的服務(wù)。

曹軍威和他的團隊近年來開發(fā)了無極計算軟件工具包和硬件系統(tǒng)，以此為基礎(chǔ)快速形成了物聯(lián)時代特點的應(yīng)用解決方案(見圖2)，希望以此實現(xiàn)無極時空的愿景。

圖2.無極計算架構(gòu)下的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用解決方案

無極物聯(lián)網(wǎng)接入器的實現(xiàn)因為要和以傳感器為主的數(shù)據(jù)源打交道，因此對實時計算的要求比較高。曹軍威和他的團隊開發(fā)了基于ARM嵌入式平臺的無極物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備(見圖3)。接入設(shè)備的主要功能是數(shù)據(jù)集中與分發(fā)，自動或被動地去收集下層大量布置的數(shù)據(jù)傳感器上的采樣數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行分級處理，并做相應(yīng)的記錄，再匯集到上層的數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)從“物”(設(shè)備)到“網(wǎng)”(互聯(lián)網(wǎng))的連接功能。

圖3.無極物聯(lián)網(wǎng)接入器

無極物聯(lián)網(wǎng)接入器的一個主要任務(wù)是對收集到的采樣數(shù)據(jù)做分級處理。采樣數(shù)據(jù)種類繁多，傳感器數(shù)量又很大，在處理時要充分考慮占用空間小、處理流程簡單清晰、處理時間短這樣的方式。首先是將數(shù)據(jù)從傳輸報文中提取，然后判斷該數(shù)據(jù)是實時數(shù)據(jù)還是歷史數(shù)據(jù)；屬于哪種類型，是屬于一般等級還是優(yōu)先等級；是完全歸數(shù)據(jù)集中器分析處理，還是要繼續(xù)上傳給數(shù)據(jù)中心分析處理；有沒有存儲或者做記錄的必要，以及對該數(shù)據(jù)生命周期的管理。這是一個完整的統(tǒng)籌規(guī)劃的過程，依靠應(yīng)用行業(yè)的類別，制定專門的處理規(guī)約，接入器的處理程序要依據(jù)這樣的規(guī)約來設(shè)計。

與無極物聯(lián)網(wǎng)接入器將物理系統(tǒng)傳感數(shù)據(jù)接入相對應(yīng)，無極云平臺接入器通過虛擬桌面的嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)，將用戶交互部分接入系統(tǒng)(見圖4)。云平臺接入器需要負責接收標準的遠程顯示協(xié)議(RDP)的命令數(shù)據(jù)，然后負責給出一種RDP命令數(shù)據(jù)到平臺接口的映射機制以到達提供機制而非實現(xiàn)的目的。用戶交互一般對移動性的要求比較高，接入器的選取還要做到價格低、體積小、使用方便等，只要能滿足良好的圖形處理能力就可以作為用戶側(cè)的云平臺接入器，所以利用嵌入式設(shè)備實現(xiàn)人機界面在終端上的推送是一個可行性更高的方案。

圖4.無極云平臺接入器

云服務(wù)器主機的實現(xiàn)一般是聚集計算和存儲資源的集群數(shù)據(jù)中心，通過虛擬化技術(shù)可以實現(xiàn)無極計算底層主機的封裝形成虛擬主機，通過無極接入器與其他元素相連接，在無極軟件架構(gòu)的管理下支撐上層應(yīng)用，最終實現(xiàn)嵌入式計算的實時性、數(shù)據(jù)中心的高效能和終端設(shè)備的移動性的完美結(jié)合。

目前曹軍威和他的團隊主要基于無極計算架構(gòu)下的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用解決方案開展智能電網(wǎng)廣域監(jiān)控方面的基礎(chǔ)理論、仿真研究和應(yīng)用示范，這方面的工作獲得了國家973基礎(chǔ)研究計劃物聯(lián)網(wǎng)課題的支持。同時他們還與國家重點行業(yè)企業(yè)密切合作，加強無極時空解決方案在政府部門以及制造、石化等行業(yè)的推廣應(yīng)用。

總之，從無極計算到無極時空，曹軍威和他的團隊堅信只要把握住信息和計算技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)化的大趨勢，針對不同時代的應(yīng)用需求特點，依托清華大學雄厚的科研實力和技術(shù)積累，快速反應(yīng)構(gòu)建滿足應(yīng)用需求的解決方案，就能在基礎(chǔ)研究、成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)合作各個層面作出應(yīng)有的貢獻。

曹軍威，博士，清華大學信息技術(shù)研究院研究員、院務(wù)委員會副主任，美國麻省理工學院訪問科學家。1991年至1998年，清華大學自動化系本科、碩士；2001年英國Warwick大學計算機博士；2002年至2006年先后在德國NEC歐洲實驗室和美國MIT/LIGO實驗室任Research Scientist；2006年回清華工作至今，主要從事先進計算技術(shù)及其應(yīng)用研究。曹軍威長期致力于基礎(chǔ)架構(gòu)科學、技術(shù)與應(yīng)用研究，從事應(yīng)用集成、網(wǎng)格計算、海量數(shù)據(jù)分析、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等方面的基礎(chǔ)研究、成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)合作，致力于從基礎(chǔ)架構(gòu)的獨特視角總結(jié)其中的一般規(guī)律，開發(fā)共性關(guān)鍵技術(shù)，并在教育、制造、電力、石化等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用；發(fā)表學術(shù)論文110余篇(SCI檢索50余篇)，編著學術(shù)論著3本，被國際國內(nèi)同行引用2200次以上，單篇最高引用達300次以上；應(yīng)用方面的合作成果發(fā)表在Nature等國際著名期刊上。