CB海量信息的协同性和可生存性的理论与实践研究.doc

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项目名称：

海量信息的协同性和可生存性的理论与实践研究

首席科学家：

李未北京航空航天大学

起止年限：

2005.12至2010.11

依托部门：

教育部

一、研究内容

本项目以二十一世纪我国信息基础设施的建设为背景，从海量信息协同性和可生存性基础理论、高协同和高可存的海量信息系统软件结构与方法以及试验环境和典型应用三个层次入手，开展海量信息的协同性和可生存性的理论与实践研究。

2.1两个关键科学问题

本项目在海量信息的协同性和可生存性的基础研究层面，将着重研究两个基本科学问题。

1、海量信息的协同性。

基于先进网络的海量信息的协同性是通过先进网络，使用不同类型的通信协议交换信息，规划、协调和监控海量用户的计算行为和通信行为，实现不同地域、不同性质的资源共享，合作完成某项任务（Mission）或服务的行为特征。

海量信息的协同行为由微观和宏观两个层面组成。

海量协同信息系统不是一般意义上的通信系统，而是能够创造性地进行大规模协同合作和知识创新的网络应用系统。

海量信息系统良好的协同能力是实现高质量任务的保证和高可信基于内容的资源共享的必要条件，是提高服务质量的关键。

保证协同能力的鲁棒生存和有效扩展是海量信息可生存性和可扩展性问题的核心。

海量信息宏观的协同性是建立在微观协同性基础之上。

现有的基于计算机和因特网技术的微观协同行为都是计算机进程间的通信（CSP），由发送、接收和同步或异步三个基本要素组成,通常是在操作系统、通信协议中实现的。

现有的通信理论，如CCS、CSP和Petri等，对协同行为的研究都局限在微观层面上，所得到的结论不足以解释海量信息协同中宏观层面的整体特征，而且涉及不到宏观协同过程中的语义问题，所以不能从根本上解决海量信息协同中有关服务质量、正确性、可靠性、有效性、协同性的关键科学问题。

为此必须建立新的海量信息协同性理论。

本项目的目标正是要以海量信息系统的协同行为为主要研究问题，在微观层面，建立基于内容的信息传输理论；在宏观层面，建立具有统计特征的基于内容的信息传输、协同、同步的科学规律；解决传输、同步和协同的语义问题，构造新的协同语义理论；设计宏观层面海量信息协同的组织、处理和传输的高效、可靠算法，研究海量信息的同步协同服务协议，研制面向内容的开放式协同软件。

2、海量信息的可生存性。

先进网络环境下海量信息系统的可生存性是指受到网络攻击、发生事故、出现故障以及系统规模扩展过速的冲击下，部分功能受损、系统仍能继续完成任务的核心活动、并恢复某些受损功能的行为特征。

鲁棒的生存能力是以可承受的方式完成协同任务的保证，海量信息系统协同任务的可生存性问题是海量信息可生存性的核心问题。

海量信息的可生存性可分为微观和宏观两个层面。

微观层面是指单个通信行为或计算进程的可生存能力；宏观层面是指海量信息系统在多个组成部分受损的情况下的可生存能力，即多个业务逻辑或分布于不同地域的功能在部分受损的情况下，继续完成基本任务所需的功能的恢复和增强能力。

海量信息的可生存性是一个尚未解决的科学问题，它与信息安全，特别是大型分布式信息系统的信息安全紧密相关，但是又具有本质的区别。

信息安全在微观层面上通常是指对于单个通信和计算行为通过编码和加密等手段，对所传输的信息和计算结果进行保护；从宏观层面上讲对于大型分布式系统而言是通过使用专网、加密卡、防火墙等手段，对不同的业务逻辑和分布在不同地域的功能上采用统一的安全策略，实现统一的安全措施，对系统的整体进行保护。

对信息安全而言，安全策略和措施的实现可以独立于业务逻辑，并且更侧重于网络和平台层面。

系统整体安全性取决于组成系统的各个部件的安全性，系统的安全性不可能高于其组成部分的安全性。

因此信息安全通常具有整体的统一性、安全措施与业务逻辑的分离性和整体与局部的关联性。

与之相比，海量信息系统在微观层面上的可生存性除了信息安全所需要的保护功能外，还必须加入单个通信和计算行为在受损情况下恢复功能的能力，而这种能力是通信和计算行为的组成部份，另一方面，对于海量信息系统的每一个组成部分而言，可生存性策略和措施的实现与业务逻辑不可分，是业务逻辑的组成部分，这就是海量信息可生存性的内在性特征。

由于海量信息系统没有大型分布式系统那样明确的边界，它的组成部分可能采用不同的可生存性策略和实现机制，因此难以通过自顶向下的设计，采取统一的策略和实现机制形成系统的可生存能力，所以海量信息系统的可生存性是由组成此系统的各个部分的可生存性所呈现出的一种统计特征。

这就是海量信息可生存性的概率性。

第三，可生存性是海量信息系统的整体特性，系统整体的可生存性设计的好，有可能比某些组成部分的可生存性强，某些功能甚至可能不具备可生存性，但整个系统仍有良好的可生存性，这就是可生存性的集成性特征。

总之，海量信息的可生存性具有内在性、统计性和集成性。

本项目将以海量协同系统的可生存性为主要研究对象，建立海量信息系统在微观和宏观层面上关于可生存性的数学模型；对上述可生存性的内在性、统计性和集成性进行形式化的描述，提出有关可生存性的协议、算法和实现机制，研究可生存性与协同性的关系；研究具有可生存性的软件设计方法；从大型分布式软件系统入手，建立分布式软件系统的可生存性的需求分析方法、评估框架；研究可生存的海量信息系统中涌现（emergent）算法的设计方法；设计增强系统可生存性的可生存策略，研究其实现技术和机制以及其正确性的测试技术。

2.2六项主要研究内容

1、海量信息的协同性以及信息通信行为的信息科学特征研究

在先进网络环境下，对海量信息进行高效、可靠的组织、处理、传输和存储，尤其是高质量的信息传输，是解决海量信息的协同性和可生存性问题的基础。

近年来，随着海量信息系统应用和协同在深度和广度方面的广泛发展，网络承载的信息流量越来越大，在信息的组织、处理、传输和存储方面，人们日益受到网络传输拥塞、服务质量不高、安全性差、病毒流行等问题的困扰。

对于一个先进网络环境下的海量信息系统，一个任务的完成需要大量用户或用户群的协同合作。

而协同性及可生存性的获得取决于系统微观层面通信协议的设计和在宏观层面上协同及可生存性机制的实现。

人们的研究越来越证明，这些协议和机制问题的解决不仅仅是算法设计和程序设计技巧问题，它们需要基本原理和定律的指导。

而这些原理和定律是客观存在的，它们是信息科学意义下的原理和定律。

这些原理和定律是通过对网上传输的信息进行大量观测后提炼出来的，它们的正确性要通过实验才能被验证。

这些原理和定律对提高海量信息系统协同质量和可生存性起着根本的指导作用。

需要用物理学的研究方法来寻找这些原理和定律，进而解决协同性和可生存性的问题。

海量信息在网络上的传输和存储，与空间中的量子运动相比，具有一定的相似性。

量子具有确定的动量，其运动具有随机性但服从确定的概率分布。

相比之下，数据包是信息传输中的基本单元，在因特网上传输的数据包具有确定的语义，其运动在因特网整体上具有随机性但遵从确定的概率分布。

基于这种相似性，采用物理学的研究方法，通过观测手段，在微观和宏观两个层次上来开展对海量信息传输协同性和可生存性所遵循的基本物理学定律的研究，才能有效地指导协议的设计和宏观机制的实现。

本项目拟在海量信息的协同性和可生存性的信息科学方面开展的研究内容包括：

（1）分析不同的传输协议和控制算法在吞吐量、时延、丢包率等方面的微观特征，找到网络环境下海量信息产生和流动以及整个系统状态的不确定性所遵从的信息科学规律，建立基于内容的信息包传输理论；

（2）研究海量信息的协同行为中，信息内容与通信效率的关系、信息的误差传播规律，建立海量信息的协同语义理论；（3）在IPv6和CNGI的环境中对海量信息传输行为、协同行为和可生存行为与带宽分配、节点拓扑结构的关系，进行大规模观测研究，采用统计方法对测量结果进行分析，发现海量信息传输和协同性的统计规律；（4）研究适用于连续流媒体的信息传输协议、海量信息协同行为的测量方法，并在现有测量技术的基础上，研究基于网络时间和空间、针对海量信息协同性和可生存性问题的全面、系统的测量方法和测量工具；（5）通过对世界IPv6网络的观测和CNGI上的流媒体试验，研究可生存性的统计特征和集成特征。

2、海量音视频信息协同中资源调度算法及其复杂性研究

海量音视频信息协同中的资源调度是一个典型的NP完全问题，其求解的复杂性随规模的增大而指数增长，这是海量信息协同性研究所面临的挑战之一。

在数学模型上，资源调度问题可表示为约束满足问题（简称CSP）。

在上一个973计划项目（G1999032700）的支持下，以本项目学术骨干为主的研究团队在CSP模型及其相变现象等问题的研究中取得了一系列原创性的成果，形成了具有特色的研究方向，引起了国内外的广泛关注并产生了较大影响。

本项目将在此基础上对海量音视频信息协同中的资源调度算法及其复杂性进行深入的研究。

拟开展的研究内容包括：

（1）通过对海量信息系统中资源调度的行为和规律进行分析，提出海量信息协同中资源调度的实时CSP模型，研究实时CSP模型解的统计特征与分布规律；研究求解CSP问题的近似算法和分布式求解算法，探讨如何利用元搜索方法提高求解CSP问题的效率，在此基础上设计求解CSP问题的快速算法；

（2）分析CSP相变的结构特征与复杂性规律，研究如何构造具有挑战性的CSP测试样例，在此基础上提出测试CSP算法的理论与方法；（3）以上述研究为基础，面向覆盖网络等具体应用，设计并实现海量信息协同中资源调度的快速算法，研究资源调度算法的复杂性分析方法，提出资源调度算法的实用测试方法并开发相应的测试环境。

3、实时流媒体协同可生存的海量信息系统的试验和验证平台

本项目将在科学和技术层面针对海量信息实时协同系统建设中所面临的实际问题，并集成本项目有关科学问题的研究成果，在973计划“网络环境下海量信息的组织与处理的理论与方法研究”项目开发和部署的基础上，研制一个既与国内外主流网格和协同技术互联互通，又实现独立部署和形成协同社区的实时流媒体协同可生存海量信息系统试验和验证平台。

该平台将提供多种手段和工具，支持海量信息协同性和可生存性的理论研究，检验理论成果，实现和验证各项技术成果，支持示范性应用的运行。

实时流媒体协同可生存的海量信息系统试验和验证平台也将为后继八六三计划研制海量信息系统开发平台和各类信息基础设施的开发提供科学和技术支持。

实时协同可生存的海量信息系统试验和验证平台的主要研究内容包括：

（1）海量实时协同服务网络的体系结构。

在复杂网络理论，海量信息传输算法和软件工程方法等已有研究成果的基础上，提出并实现一个海量协同服务的软件网络体系架构。

该架构采用以P2P和覆盖网为主的虚拟网络通信体系结构，以提升系统规模；采用以面向服务计算方法为主的虚拟软件互操作体系结构，以扩充和集成系统功能和服务。

（2）实现基于内容的海量协同服务。

开展海量流媒体协同的语义学和相关服务工具的研究，包括：

虚拟视频合成，基于对象的视频带宽自适应，自动流媒体导播,流媒体协同标注，会议流媒体内容查询等等。

（3）可生存的协同服务网络。

研究软状态协议、随机通信算法和Peer-to-Peer模式在海量协同的可生存性维护机制方面的应用；结合海量存储和通信服务，维护各服务部件保存局部的系统状态和通信信息，研制协同的重演或反演服务机制，实现系统的自恢复能力；研制服务监测和管理工具，为系统管理员人员的宏观协作调控提供帮助，确保关键性协同任务的高度可生存性。

（4）面向复杂协同网络的试验平台。

研究相关的数据收集方法和测量工具，以可视化的方式建立描绘协同网络结构图，检验和验证海量协同网络的统计规律，观察协同社区的动态演化过程和突变影响，研究海量协同系统的性能模型和性能评价等问题。

4、可生存的海量信息系统设计理论

在可生存的海量信息系统设计理论方面，将主要研究下述几方面内容：

（1）海量信息系统可生存性和无界网络环境的侵扰的双规范理论。

项目将提出用于描写软件生存性和环境侵扰模式的双规范语言