無極計算 無極時空

文/龐貝 張宇

無極計算 無極時空

文/龐貝 張宇

無極計算在數據、主機、軟件、交互等計算基本元素的層面上實現基于網絡的徹底分離和封裝，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、信任等方面的技術保證，通過不同的流程管理機制實現計算元素的自主聚合，最終目標是達到應用執(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，實現分布式計算的終極目標，符合技術基礎架構化的大趨勢，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)現要編輯的文件在公司的電腦中；你想參考過去幾天的會議記錄和一些零星的想法，發(fā)現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)現你的計算機運行的速度不夠快……你發(fā)現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、網絡、通信等信息技術如此發(fā)達的今天，應對這些看似簡單的需求還是捉襟見肘。

清華大學信息技術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的研究，指出要解決A4問題，需要徹底解決支持應用和計算完成的所有因素的跨域共享問題，而這是傳統的計算模式所不能支持的。問題的根本在于需要從技術基礎架構(Infrastructure)化的角度重新審視和反思計算技術的發(fā)展，和傳統意義上成熟的基礎架構(如電網、交通、通信、互聯網等)相比，計算技術的基礎架構化進程還遠沒有實現。為此，曹軍威早在美國麻省理工學院工作期間就根據技術基礎架構化的一般趨勢，提出無極計算的理念，并致力于開發(fā)相關技術，實現將應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——計算技術的基礎架構化

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(CIMS)工程技術研究中心研究生，一開始接觸的科研工作就是基于分布式計算技術的制造業(yè)應用集成。1998年，他赴英國攻讀計算機博士學位，進行網格計算的資源管理和調度方面的研究，畢業(yè)后又在歐美從事了多年網格計算應用方面的開發(fā)工作。這些經歷都促使他不斷地從更加本質的視角反思分布式計算技術的發(fā)展。

其實，網格計算最具啟發(fā)性的就是它從基礎架構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一樣做到按需使用？簡單的問題實際上直指技術基礎架構化的核心。雖然現在看起來網格計算在實際應用中遇到種種困難，但其計算資源基礎架構化的初衷仍然是符合技術發(fā)展趨勢的，仍然是目前包括云計算等在內的計算技術發(fā)展的終極目標。曹軍威對于基礎架構的思考和認識逐漸清晰起來，要將應用延伸到任意時間和空間，需要徹底解決支持應用和計算完成的所有因素的跨域共享問題，徹底實現計算技術的基礎架構化，為此曹軍威提出無極計算的理念。

根據百度百科的解釋，“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。從計算技術而言，不同方面的科學研究人員或技術開發(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、網格計算、軟件即服務、云計算等。借助無極的概念，是否能在一個統一的架構下實現這些不同的計算模式呢？這就需要對現有技術進行總結和反思，在對計算系統基礎架構化的認識和把握基礎上，從一個更加準確的視角理解未來計算系統的發(fā)展趨勢，因此無極計算不是全新的計算技術理念。

傳統的All-in-one(全內置設計)模式將支持應用的各種元素(主機、數據、軟件和交互)集中在一起。系統對所有元素進行集中的統一的維護和管理，這樣在操作系統的管轄下形成獨立存在的單位，能夠完成獨立的任務并通過網絡與外界進行信息交換，這是傳統模式下應用元素的組織方式。曹軍威研究員所提出的無極計算(elop computing)模式在元素層實現基于網絡的跨域共享(見圖1)，進而通過一系列的上層服務徹底解決A4問題，實現計算和應用的無極限。具體如下：

曹軍威于清華

圖1.無極計算——網絡化計算模式

元素層(e|element)：元素層是無極計算基礎架構的最底層，其基本功能是封裝整個應用架構最基本的元素，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)：邏輯層實現對基本元素的邏輯描述，將元素與具體物理地點解耦，實現異構屏蔽和統一的訪問操作機制，使得上層應用能夠不用關心具體元素的位置、性能等詳細信息。

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

流程層(p|process)：流程層是應用使能的最上層，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基于網絡的徹底分離和封裝，通過邏輯層屏蔽資源的物理屬性，再加上組織上安全、信任等方面的技術保證，通過不同的流程實現計算元素的自主聚合，最終目標是達到應用執(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影，網格計算嘗試將主機和數據元素分離出來，軟件即服務是只將軟件分離出來等等。

無極計算的基礎在于對底層元素的構建，如何建立合理的、完善的、完整的計算元素以適用于各個領域應用的需求是首先需要解決的關鍵基礎問題，關系到元素之上各層次的設計方式。除此之外，還需要定義統一的通信協議和接口標準，使得元素層的的規(guī)劃按照這種特有的專用模式來進行。對于計算和數據資源的封裝可以借鑒網格計算中的做法，對于軟件的封裝可以借鑒網構件的思想，利用虛擬化的思想可以簡化人機界面與應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一進行。

曹軍威(前排左二)和他的團隊

無極時空——物聯時代的應用解決方案

2006年回國后，曹軍威對基礎架構的研究開始有了另一方面的理解。既然像網格計算這樣的數字空間需要基礎架構化實現資源的深度共享，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、整合和共享的需要，這一想法也被近年來興起的物聯網技術與應用所印證。曹軍威認為，物聯網發(fā)展的內在動因是新一輪的基礎架構化進程對數字和物理資源深度互聯的需求，而無極計算的理念和技術實現同樣適應物聯時代的應用需求。

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

物聯網是繼個人計算機、互聯網及移動通信網絡之后全球信息化的第三次浪潮，是傳感網、互聯網(移動通信)、云計算，以及智能信息處理等信息技術發(fā)展到一定階段，在應用需求和供給創(chuàng)新的雙輪驅動下，通過水平分層與垂直整合技術脈絡與產業(yè)鏈條而形成的全球性信息系統。

物聯網概念從最初以R F I D(radio-frequency identification)為特征，經以信息感知的傳感器為特征，到目前以在前兩者基礎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，更好地為人們的生產、生活提供更加智慧的服務。

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，以此為基礎快速形成了物聯時代特點的應用解決方案(見圖2)，希望以此實現無極時空的愿景。

圖2.無極計算架構下的物聯網應用解決方案

無極物聯網接入器的實現因為要和以傳感器為主的數據源打交道，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網接入設備(見圖3)。接入設備的主要功能是數據集中與分發(fā)，自動或被動地去收集下層大量布置的數據傳感器上的采樣數據，對這些數據進行分級處理，并做相應的記錄，再匯集到上層的數據中心，實現從“物”(設備)到“網”(互聯網)的連接功能。

圖3.無極物聯網接入器

無極物聯網接入器的一個主要任務是對收集到的采樣數據做分級處理。采樣數據種類繁多，傳感器數量又很大，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。首先是將數據從傳輸報文中提取，然后判斷該數據是實時數據還是歷史數據；屬于哪種類型，是屬于一般等級還是優(yōu)先等級；是完全歸數據集中器分析處理，還是要繼續(xù)上傳給數據中心分析處理；有沒有存儲或者做記錄的必要，以及對該數據生命周期的管理。這是一個完整的統籌規(guī)劃的過程，依靠應用行業(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這樣的規(guī)約來設計。

與無極物聯網接入器將物理系統傳感數據接入相對應，無極云平臺接入器通過虛擬桌面的嵌入式系統實現，將用戶交互部分接入系統(見圖4)。云平臺接入器需要負責接收標準的遠程顯示協議(RDP)的命令數據，然后負責給出一種RDP命令數據到平臺接口的映射機制以到達提供機制而非實現的目的。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的云平臺接入器，所以利用嵌入式設備實現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

云服務器主機的實現一般是聚集計算和存儲資源的集群數據中心，通過虛擬化技術可以實現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，在無極軟件架構的管理下支撐上層應用，最終實現嵌入式計算的實時性、數據中心的高效能和終端設備的移動性的完美結合。

目前曹軍威和他的團隊主要基于無極計算架構下的物聯網應用解決方案開展智能電網廣域監(jiān)控方面的基礎理論、仿真研究和應用示范，這方面的工作獲得了國家973基礎研究計劃物聯網課題的支持。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基礎架構化的大趨勢，針對不同時代的應用需求特點，依托清華大學雄厚的科研實力和技術積累，快速反應構建滿足應用需求的解決方案，就能在基礎研究、成果轉化和產業(yè)合作各個層面作出應有的貢獻。

曹軍威，博士，清華大學信息技術研究院研究員、院務委員會副主任，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及其應用研究。曹軍威長期致力于基礎架構科學、技術與應用研究，從事應用集成、網格計算、海量數據分析、云計算、物聯網、智能電網等方面的基礎研究、成果轉化和產業(yè)合作，致力于從基礎架構的獨特視角總結其中的一般規(guī)律，開發(fā)共性關鍵技術，并在教育、制造、電力、石化等行業(yè)獲得廣泛應用；發(fā)表學術論文110余篇(SCI檢索50余篇)，編著學術論著3本，被國際國內同行引用2200次以上，單篇最高引用達300次以上；應用方面的合作成果發(fā)表在Nature等國際著名期刊上。