摘要：該文在論述云計算的概念、特點、優(yōu)勢以及服務(wù)方式與類型的基礎(chǔ)上，對云計算環(huán)境下的人機關(guān)系進(jìn)行了分析，提出以人為中心、計算機不可見、感知服務(wù)型的人機關(guān)系，其關(guān)鍵在于如何使計算機在提供服務(wù)的同時而不被人察覺，最后指出為實現(xiàn)這種嶄新的人機關(guān)系，應(yīng)設(shè)計基于需求驅(qū)動模型的非馮·諾依曼機，以突破傳統(tǒng)計算機的局限，并探討了這種非馮·諾依曼機的主要特點供進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：云計算；人機關(guān)系；感知服務(wù)；上下文；非馮·諾依曼機

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)01-0037-04

Human-Computer Relation and Computer Framework under Cloud Computing Environment

YU Tao

(Software and Service Business Unit, Inventec Group, Shanghai 200233, China)

Abstract: After the discussion of Cloud Computing including concepts, characteristics, advantages, services models and types, this paper analyzed the Human-Computer Relation under Cloud Computing Environment, proposed the Human-centered，Computer-invisible and Aware-service marked Human-Computer Relation，the key lies in how to make computer providing services to human imperceptibly，the last part argued that in order to realize this new Human-Computer Relation, Non-Von Neumann Computer based on demand-driv? en model should be design，to break through the limitations of traditional computer，the main features of this type Non-Von Neumann Computer were explored as well for further studies.

Key words: cloud computing; human-computer relation; aware-service;context; Non-Von Neumann Computer

1云計算概述

“云計算”（Cloud Computing）已成為目前最熱門、最時尚的大眾詞匯之一，尤其是在IT行業(yè)，人們幾乎逢面必談、逢會必談。關(guān)于云計算的定義，從網(wǎng)上能查到的已達(dá)數(shù)十種之多。例如：維基百科（Wikipedia）的定義是“一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需提供給計算機和其他設(shè)備”；高德納咨詢公司（Gartner Group）認(rèn)為云計算是一種開放的、靈活的、預(yù)先設(shè)計好的、標(biāo)準(zhǔn)的、虛擬化的并且是高度自動化的以及安全的、可信賴的基礎(chǔ)設(shè)施效用；美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（NIST）將云計算定義為一種能使用戶便捷、隨需應(yīng)變地對共享的可配置計算資源共享池（如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲器、應(yīng)用程序和服務(wù)）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問的模型。隨著時間推移，有關(guān)云計算概念的定義可能還會繼續(xù)增加，因為每個人都可以有自己的理解和認(rèn)識。但關(guān)于云計算的特點，卻逐漸趨向一致，主要包括：（1）虛擬化：即將所有的IT資源（如網(wǎng)絡(luò)、通信、計算、存儲等）抽象封裝到一個可共享的資源池中，并進(jìn)行內(nèi)部自動化管理，使用者可在任何時間、任何位置、任何終端根據(jù)需要來透明地訪問這些資源，而無須考慮實現(xiàn)細(xì)節(jié)；（2）動態(tài)分配：指監(jiān)控所有資源的使用情況，并根據(jù)預(yù)先定義的規(guī)則動態(tài)地部署資源，均衡負(fù)載；（3）彈性擴展：指高度的可伸縮性，可根據(jù)應(yīng)用規(guī)模迅速地、幾乎無限制地調(diào)整計算和服務(wù)能力；（4）按需付費：云計算服務(wù)是自助服務(wù)、按使用計費，用戶根據(jù)自己實際需要的服務(wù)來付費；（5）成本低廉：資源共享、動態(tài)分配、彈性擴展和按需付費，不僅大大降低了對IT資源的管理成本1，而且也大大降低了對服務(wù)的使用成本2；（6）超大規(guī)模：通常云都具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，包括成千上萬臺的服務(wù)器3，在松散耦合的環(huán)境下提供處理海量數(shù)據(jù)的能力，而且云的規(guī)模越大、提高效能的可能性就越大。

云計算作為一種以網(wǎng)絡(luò)為中心、簡單通用、支持大眾參與的新服務(wù)模式，其優(yōu)勢主要有：1）靈活敏捷，可迅速部署應(yīng)用服務(wù)；2）改善效能，通過資源整合在提高效率的同時，降低成本、節(jié)能減排；3）高可靠性，提供最安全的云數(shù)據(jù)中心；4）簡化管理，集中調(diào)度和維護(hù)資源，降低管理的復(fù)雜度；5）降低門檻，租賃模式使用戶尤其是中小企業(yè)獲得IT資源服務(wù)的門檻大大降低；6）易于共享，資源池化、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化使共享更加容易；7）促進(jìn)創(chuàng)新，使開發(fā)者更專注于利用新技術(shù)、提升差異化服務(wù)、聚焦核心競爭力；8）潛力無限，云的魅力就在于其是不確定的、是開放的，可以提供幾乎無限的計算資源和服務(wù)能力。

關(guān)于云計算的起源，一種較為流行的觀點認(rèn)為是由Google最先提出。實際上，美國國家科學(xué)基金會早在2003年就已經(jīng)投資830萬美元，用于支持由美國七所頂尖院校提出的“網(wǎng)格虛擬化和云計算VGrADS”項目，正式啟動了云計算的研發(fā)工作，后來在該項目基礎(chǔ)上，Amazon推出了簡單存儲服務(wù)（S3）和彈性計算云（EC2），Google推出了其云計算的三大核心技術(shù)GFS、MapReduce和Big? Table。而隨著IBM、Dell、Microsoft、Yahoo等企業(yè)的迅速跟進(jìn)和推動，終于掀起了一場席卷IT產(chǎn)業(yè)乃至整個社會的“云計算革命核暴”。云計算的驅(qū)動力包括技術(shù)進(jìn)步、服務(wù)創(chuàng)新、資源共享、統(tǒng)一管理、提高效率、降低成本、綠色節(jié)能等等，而從應(yīng)用角度看，可以認(rèn)為云計算是并行計算、集中計算、分布式計算、網(wǎng)格計算和軟件即服務(wù)（SaaS）等技術(shù)發(fā)展與演進(jìn)的商業(yè)實現(xiàn)。很多人支持這樣一種觀點，即云計算并非什么新生事物，因為其概念屬性、技術(shù)方法都有跡可循；但從服務(wù)的角度看似乎又一切都是新的，好比水廠、電廠把分散的水、電集中起來向所有用戶提供按需付費的服務(wù)一樣，云計算意味著傳統(tǒng)上分散的計算能力也能像水、電一樣，成為一種新的商品，供用戶按需取用，并且是基于網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)交易的——從這一點看，云計算將是IT產(chǎn)業(yè)又一次偉大的革命性創(chuàng)新，其本質(zhì)就是讓計算成為服務(wù)！作為一種服務(wù)創(chuàng)新，云計算突破了語言和時空的障礙，進(jìn)一步解放生產(chǎn)力，必將顛覆當(dāng)前的信息服務(wù)模式，促使信息服務(wù)向規(guī)?；?、集約化和專業(yè)化的方向加速演變，必將對社會的信息化發(fā)展起到基礎(chǔ)性推進(jìn)作用，必將對人們的工作和生活方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。比爾·蓋茨1990年就提出“信息就在指尖”的夢想，在云計算時代也終將實現(xiàn)。

2云計算的服務(wù)方式與類型

云計算服務(wù)的運營應(yīng)該是一種長期不間斷的持續(xù)提供模式，從服務(wù)方式來看，可以分為公有云、私有云、混合云三種基本類型。

圖2云計算的三種運營模式

1）公有云，指面向大眾提供服務(wù)的云，一般就在互聯(lián)網(wǎng)上，由第三方運營，可以隨時根據(jù)需要彈性地部署不同客戶提供的應(yīng)用，但對用戶而言所有的應(yīng)用都是透明的。2）私有云，指面向內(nèi)部用戶提供服務(wù)的云，一般在企業(yè)建筑內(nèi)部或主機托管場所，有防火墻保護(hù)，由企業(yè)自主運營，可根據(jù)內(nèi)部需求靈活改進(jìn)和創(chuàng)新，在達(dá)成協(xié)定的前提下，私有云也可開放提供給合作伙伴使用。與公有云相比，私有云可以做到更嚴(yán)格的控制，并且在提供內(nèi)部服務(wù)時，可以不受網(wǎng)絡(luò)帶寬、安全風(fēng)險和法規(guī)要求等限制。而針對公安、軍隊、銀行等特殊用戶，則需要部署僅供用戶單獨使用的“專有云”，以便對數(shù)據(jù)安全和服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行最有效的控制。3）混合云，提供把公用云模式和私有云模式結(jié)合在一起的云服務(wù)，在此模式下，用戶通常將非關(guān)鍵型服務(wù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至公有云處理，而將關(guān)鍵型服務(wù)和數(shù)據(jù)留在內(nèi)部掌控。云計算是按需付費，其計費模式可分為三種基本類型：一種是根據(jù)用戶實際消費的資源計費，例如每產(chǎn)生10K字節(jié)流量收1美分，每1萬次處理收費1美分等；第二種是根據(jù)時長計費，例如租賃一個虛擬的服務(wù)器，每小時計費50美分；第三種是定期付款，即訂購服務(wù)，云計算服務(wù)運營商可按月、季度甚至年度來提供有折扣的訂購套餐價，例如每租賃1GB的存儲服務(wù)每月收費15美分。

從服務(wù)類型看，云計算的體系結(jié)構(gòu)包含“軟件即服務(wù)”、“平臺即服務(wù)”、“基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)”等三個基本層次。

1）軟件即服務(wù)（SaaS：Software as a Service）

把應(yīng)用軟件封裝為服務(wù)統(tǒng)一部署在服務(wù)器端，用戶利用瀏覽器通過互聯(lián)網(wǎng)隨時隨地按需訪問和獲取。從用戶角度看，改“購買軟件”為“租用服務(wù)”，大大降低了使用成本，而且無須再考慮軟件維護(hù)、系統(tǒng)升級、IT人員招聘等問題；從服務(wù)提供商角度看，可更專業(yè)、更經(jīng)濟地面向多用戶做好服務(wù)工作，而且只需維護(hù)一套軟件版本即可，在提高服務(wù)穩(wěn)定性和用戶粘性的同時，也大大簡化了管理。對眾多中小企業(yè)而言，SaaS提供了低成本迅速采用最先進(jìn)技術(shù)的良好途徑。

2）平臺即服務(wù)（PaaS：Platform as a Service）

把開發(fā)環(huán)境和運行平臺封裝為服務(wù)統(tǒng)一部署在服務(wù)器端，用戶通過應(yīng)用接口（API）開發(fā)創(chuàng)建自己的軟件，然后通過網(wǎng)絡(luò)部署和提供服務(wù)。從用戶角度看，無須再關(guān)心開發(fā)環(huán)境和運行平臺的軟硬件配置，即可按照租用的方式來構(gòu)建更高水平的服務(wù)，從而更專注于面向應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)；從服務(wù)提供商角度看，可提供集成的、優(yōu)化的、高性價比的開發(fā)環(huán)境和運行平臺，以更好地支持高效的軟件開發(fā)、測試和運行。

3）基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（IaaS：Infrastructure as a Service）

把最基本的計算資源（如服務(wù)器、存儲器、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等）虛擬化封裝為服務(wù)，統(tǒng)一部署在服務(wù)器端，用戶按需租賃使用。從用戶角度看，可根據(jù)自己的實際需要通過互聯(lián)網(wǎng)彈性租用計算能力和存儲空間，而不必考慮底層計算資源的制約或限制；從服務(wù)提供商角度看，可靈活地整合分散的計算資源并通過網(wǎng)絡(luò)虛擬共享，以適應(yīng)從簡單計算到高性能計算的各類應(yīng)用需求。

3云計算環(huán)境下的人機關(guān)系

主機計算時代，人與計算機是“多對一”的關(guān)系，真實物理空間與計算機信息空間的區(qū)隔非常明顯、沒有相互融合的關(guān)系。桌面計算時代，人與計算機是“一對一”的關(guān)系，真實物理空間與計算機信息空間的區(qū)隔還比較明顯、但已開始出現(xiàn)融合的跡象，例如在桌面計算機游戲中，玩家可以把自己設(shè)定為游戲中的某個角色，參與游戲的虛擬事件。分布式計算正在向更加開放、更加分散對等、更加可靠的協(xié)同計算方向發(fā)展，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)性能、數(shù)據(jù)安全等是提高計算效率的關(guān)鍵。分布式計算時代，人與計算機是“一對多”的關(guān)系，真實物理空間與計算機信息空間的區(qū)隔仍然存在、但相互融合已經(jīng)越來越深入。云計算時代，人與計算機將是虛擬的“一對一”的關(guān)系（實際上可能是多臺計算機在為一個用戶服務(wù)），真實物理空間與計算機信息空間的區(qū)隔雖然還存在但開始逐漸淡化、相互融合愈加密切，并且由于計算機信息空間已經(jīng)開始對人及其社會活動產(chǎn)生影響，很多學(xué)者開始關(guān)注虛、實空間融合后產(chǎn)生的一些社會問題和心理問題，相關(guān)研究也逐漸展開。

在云計算環(huán)境中，要盡量讓計算機從人的注意力焦點中“消失”——或者說讓計算機不可見——這并不是簡單地縮小計算機尺寸、使其隱藏起來的問題，也不僅僅是設(shè)計新的人機交互界面的問題，不可見預(yù)示著一種完全嶄新的人機關(guān)系，其關(guān)鍵在于如何使計算機在提供服務(wù)的同時而不被人察覺（至少不被明顯地察覺）。提高人們的社會生活質(zhì)量是計算機技術(shù)發(fā)展的終極目標(biāo)，人們對計算服務(wù)的關(guān)心程度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對計算機本身的關(guān)心程度?？v觀科技發(fā)展史，計算機在大眾化應(yīng)用方面已經(jīng)發(fā)生過革命性的變化，比爾·蓋茨在1975年創(chuàng)辦Microsoft時的夢想：要讓每個人的桌面上都有一臺個人電腦，今天看來已經(jīng)不是什么狂言妄語。并且，計算機正以多態(tài)形式存在于人們的日常生活空間，從一種稀缺資源演化為隨處可得的日常資源，人機之間的數(shù)量對應(yīng)也開始步入“一人多機”，此時人們關(guān)注的焦點不再是有什么樣的計算機、有多少計算機等問題，而是在某個環(huán)境下能訪問獲得某種服務(wù)嗎？對普通大眾而言，重要的始終是服務(wù)而不是技術(shù)。

怎樣才能使計算機不可見？或者說使計算機在提供服務(wù)時不易被人察覺？最直接的思路就是不再把計算機看作計算機，而是看作周圍環(huán)境的普通組成部分，讓專家用戶操作計算機執(zhí)行任務(wù)的概念消失，取而代之的是大眾用戶任務(wù)執(zhí)行策略的概念——就象作家寫作一樣，不會把注意力放在鋼筆上，而是創(chuàng)作本身。作為環(huán)境組成部分的計算機，對用戶而言已經(jīng)非常熟悉、自然和習(xí)慣，用戶無需分散精力有意識地去尋找和操控，而是不知不覺地與之進(jìn)行“透明”交互：用戶提交服務(wù)請求后，不必直接操作便可以訪問所需的計算機資源，而且無需關(guān)心其位置、狀態(tài)和計算過程等細(xì)節(jié)，用戶雖然不能明確地感受到計算機的存在——計算機好像隱身了，但卻每時每刻都離不開其支持。

不可見使傳統(tǒng)的人機關(guān)系即操作執(zhí)行型——以計算機為中心，向普適的人機關(guān)系即感知服務(wù)型——以人為中心轉(zhuǎn)變。所謂感知服務(wù)，是指隨著環(huán)境中大量計算機的嵌入，物理空間被增強為智能空間，各種形態(tài)和功能的計算機將自動地對環(huán)境狀態(tài)、用戶行為及意圖進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，及時做出自適應(yīng)的智能服務(wù)。感知服務(wù)型的人機關(guān)系，要求計算機不僅能完成用戶有明確需求的任務(wù)，而且能主動完成符合用戶潛在需求的、隱含的任務(wù)。因此計算機對環(huán)境和用戶的情景狀態(tài)或者說上下文的實時探測，就成為實現(xiàn)的關(guān)鍵。

先舉幾個感知服務(wù)的例子：比如在汽車電子中廣泛采用的防滑剎車系統(tǒng)（ABS：Anti-skid Brake System），能夠?qū)崟r檢測車輪和車速狀態(tài)，自動分析是否會出現(xiàn)車軸死鎖的危險，并通過調(diào)節(jié)剎車壓力來主動避免死鎖現(xiàn)象；一個嵌入了微型計算機、傳感器和無線通信芯片的咖啡杯，可能根據(jù)當(dāng)前時間、用戶生活習(xí)慣數(shù)據(jù)等，智能地發(fā)出“午后需要喝杯咖啡嗎？”、“咖啡溫度適宜飲用了”等個性化提示；又如一些數(shù)字家電可以根據(jù)用戶預(yù)設(shè)條件和長期積累的家庭使用數(shù)據(jù)，提供自動服務(wù)或建議，比如冰箱可以提醒主人添購新鮮食品、購買檸檬除臭劑，空調(diào)可以在主人下班前自動啟動，使主人到家后就能享受適宜的室內(nèi)溫度和濕度。從這些例子中可以看出，感知服務(wù)是基于上下文自動進(jìn)行的，用戶的需求是隱含的（如行車安全）或潛在的（如適宜的室內(nèi)環(huán)境），在整個服務(wù)過程中，計算機好象消失不見了——用戶不會在意也不必在意提供服務(wù)的計算機之具體位置、如何操作、計算過程等，用戶只需要對計算機發(fā)出的信息進(jìn)行判斷和響應(yīng)。

4云計算環(huán)境下的計算機架構(gòu)

云計算環(huán)境是智能環(huán)境，計算機不可見、感知服務(wù)型的人機關(guān)系，把計算機放回到其原本應(yīng)該所在的位置，即重新定位于環(huán)境這一背景，以不分散人注意力的交互方式提供服務(wù)；而人則從不得不適應(yīng)機器、學(xué)習(xí)與機器交互的壓迫下解放出來，集中精力于思維、推理、判斷等更高級的智力活動。這對基于馮·諾依曼體系的傳統(tǒng)計算機提出了挑戰(zhàn)。馮·諾依曼設(shè)計體系的基本思想可以歸結(jié)為兩點：一是采用二進(jìn)制來表示指令和數(shù)據(jù)；二是采用程序存儲的方式自動執(zhí)行。這種計算機包括控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件，控制器、運算器構(gòu)成中央處理器。各部件之間的聯(lián)系通過數(shù)據(jù)流和指令流兩種信息流的流動而實現(xiàn)：①數(shù)據(jù)由輸入設(shè)備輸入運算器，再存入存儲器，運算過程中數(shù)據(jù)從存儲器讀入運算器處理，處理結(jié)果存入存儲器或由運算器經(jīng)輸出設(shè)備輸出；②控制流也以數(shù)據(jù)形式存于存儲器中，運算時由存儲器送入控制器，控制器解釋后產(chǎn)生指令流控制數(shù)據(jù)流的流向并控制各部件的工作，對數(shù)據(jù)流進(jìn)行加工處理。

馮·諾依曼機是一種基于數(shù)據(jù)共享和串行指令的計算機，存在結(jié)構(gòu)上的缺陷。首先是數(shù)據(jù)和指令放在存儲器內(nèi)，中央處理器通過總線訪問方式存取數(shù)據(jù)和指令，總線信息流傳輸?shù)男食蔀橛绊懴到y(tǒng)性能的“瓶頸”；其次以命令語言為對象、需要人工啟動任務(wù)，服務(wù)屬于被動式的控制驅(qū)動模型，對人的技術(shù)要求相當(dāng)高，人不得不學(xué)習(xí)、適應(yīng)計算機的溝通方式——這必然導(dǎo)致以計算機為中心。而云計算環(huán)境下，以不可見、感知服務(wù)為重要特點的計算機，恰恰相反，在大大降低對人的技術(shù)要求的同時卻全面提高了對計算機的要求，例如支持上下文感知、自適應(yīng)交互、互聯(lián)通信、自動配置、互操作、可伸縮等新的特性，還要讓人得到連續(xù)一致的服務(wù)體驗。很顯然，必須突破傳統(tǒng)馮·諾依曼機的局限才能滿足應(yīng)用要求。感知服務(wù)建立在一種主動式的人機關(guān)系基礎(chǔ)上，即計算機能夠根據(jù)傳感器探測發(fā)送的上下文數(shù)據(jù)，根據(jù)人的顯示或隱含需求主動提供計算服務(wù)，所以這種計算機是一種需求驅(qū)動模型的非馮·諾依曼機，其主要特點是：

1）具有上下文接收設(shè)備，能接收傳感器發(fā)送的上下文數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析、過濾、發(fā)送等處理

2）基于上下文自適應(yīng)地通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)各類資源主動提供計算服務(wù)，并能夠與其他計算機協(xié)同形成并行計算的能力

3）程序存儲可以是本地的，也可以通過網(wǎng)絡(luò)異地實現(xiàn)，本地計算需要某種特定程序時，可通過網(wǎng)絡(luò)從其他計算機快速移植到本地機上

4）數(shù)據(jù)共享可以是本地的，也可以通過網(wǎng)絡(luò)異地實現(xiàn)，本地計算需要某種特定數(shù)據(jù)時，可通過網(wǎng)絡(luò)從其他存儲器快速復(fù)制到本地機上

5）輸入/輸出設(shè)備、外存儲器等部件與中央處理器是松散耦合的，不必在同一個物理架構(gòu)中，需要時由中央處理器通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)并隨時重組為一個邏輯上完整的計算機

6）輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以符合人類自然交互的方式設(shè)計

5結(jié)束語

云計算正在快速地滲透到人類的發(fā)展進(jìn)程中并發(fā)揮極大影響，未來甚至因為泛在化而讓人感覺不到其存在，這對傳統(tǒng)的計算機架構(gòu)提出很大挑戰(zhàn)，非馮·諾依曼機是重要的對策之一，也還有許多關(guān)鍵問題如安全性、可靠性、可擴展性等等，有待進(jìn)一步深入研究。

注釋：

1.據(jù)統(tǒng)計，一般企業(yè)在新基礎(chǔ)設(shè)施上每花費1美元，就需增加8美元進(jìn)行維護(hù)工作，云計算使組織對IT資源的采購成本轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)營成本，消除了過量配置，并可根據(jù)實際需要隨時快速調(diào)整，因此成本大大降低。

2.例如，美國醫(yī)藥制造商Eli Lilly使用Amazon的云計算對某個開發(fā)中的藥物進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，支付服務(wù)費用89美元，但如自行分析，僅服務(wù)器就需購買25臺；又如Amazon提供1GB的云存儲僅收費15美分/月，服務(wù)器租用則是10美分/小時。

3.例如，Google的云已經(jīng)有100多萬臺服務(wù)器（其宣布目標(biāo)是發(fā)展到1000萬臺以上），Amazon、IBM、Microsoft、Yahoo等公司的云也均有數(shù)十萬臺服務(wù)器。

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