云计算与计算思维发展刍议

吕兰兰　王荣

摘 要： 随着计算机网络的发展，计算机思维进入一个新的阶段——云计算。云计算是商业化的计算模式，它构造了新的运算思维逻辑，创新了网络架构，给传统的计算思维带来了巨大的冲击，改变了人们使用计算机的习惯和思维方式，实现了“无所不能的计算”和“无所不在的计算”的目标。

关键词： 云计算 计算思维 网络

1.引言

计算是人类生产生活中最重要的行为之一，随着人类对自然、对客观世界的认识加深和知识积累，人类的计算需求越来越复杂、难度越来越大，对高性能计算设备的需求愈发强烈。进入20世纪中叶，人类终于发明了电子计算机，实现了自动计算。计算机不但成为人类改造自然的有力武器，而且深刻地影响人们的思维方式。基于计算机的计算架构体系，经历了单机运算、并行运算（效用计算）、网络分布式处理、网格计算机等阶段，这反映了人类计算思维的发展过程。

2.计算思维的发展

自世界上第一台计算机发明以来，计算思维就在不断发展，与之相伴的是计算系统架构不断变化，二者相互作用、相互影响，体现出计算思维的发展进程。计算系统架构的发展大概分为四个阶段：

第一阶段：单机运算架构。1946年世界上第一台计算机问世，首次实现了自动进行运算。那时，人们盼望发明一台能够代替人脑进行运算的设备，因此计算机又被称作电脑。如果每个人能拥有一台计算机，就能减轻人们的计算负担。但是那个时代的计算机体积过于庞大，且运算能力不强，计算机工作过程需要多人干预和操控才能完成，根本无法做到一人一机，反倒是要多人操控一台计算机才能完成计算任务。

第二阶段：并行运算架构。1960年代，新一代计算机的运算能力已经非常强大，成本的降低和易用性的增强，使其进入实用化阶段。为了充分利用其计算性能，人们提出效用计算、并行处理的理念，开发主机/终端的计算机系统架构，主机是运算中心，终端相当于输入端和输出端。一台主机可以连接很多个终端，主机为多个终端共用，程序在主机中运行，数据在主机中集中存贮。主机/终端架构使运算能力得到分散共享，并实现“远程”计算。目前银行系统等大型机构仍然使用这种架构模式。

第三阶段：分布式处理架构。国家机关、商业连锁机构、公共事务管理部门等，由于其业务处理都是从分散到集中，因此需要分布式处理的计算架构。1980年代中期，新的计算机网络架构——客户机/服务器（C/S）架构被推向市场。这种架构下，客户机取代了传统的终端机，它本身具备独立的运算能力，可以单独运行，数据可集中于服务器端，完成更复杂的综合处理和运算。这是一种网络运算，每台计算机相互协作和配合，从而完成大型的数据处理工作。

第四阶段：网格计算架构。进入21世纪，随着互联网的发展，个人计算机、巨型机、大型机等都接入Internet网络，网络的总体计算能力显著提高。网格计算的理念正是在这种情况下提出的。网格好比把互联网络划分成许多社区，每一个社区根据计算需求配置网络资源，网格资源可以弹性配置，以适应不同的计算任务。但是由于种种社会壁垒和技术原因，网格计算没有得到真正推广应用。

3.云计算思维的产生与发展

经过多年的发展，现今的互联网已有了新的特点，一是网络规模与计算能力无限扩大；二是互联网中加入各种子网，如物联网、无线传感器网络等，网络信息资源更丰富，从而产生不同应用；三是移动互联网接入越来越普遍。接入网络的设备从巨型计算机到微机再到各种智能终端，个体性能有差异，但总体运算能力、存贮能力极其富裕。网速的提高，减少了网络延迟，提高了响应能力。在Internet网络世界里，每一台接入设备的周围有无数台性能各异的计算设备，它们就像一片云朵一样，呼之即来，人们把它概括为“电脑云”。电脑云是一个蕴含着巨大能量的弹性计算机体系，共享它即可获得无限的运算能力。在网络技术专家和IT巨擘看来，用户终端机的性能可以通过“云端”进行无限扩展，PC机、笔记本、手持设备等接入“云”，即可按自己的任务需求取用云资源，取得四两拨千斤的效果。

对云计算的定义，比较认同的说法有：（1）云计算是一种商业计算模型，它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算能力、存贮空间和信息服务。（2）云计算是一种通过Internet，以服务的方式提供动态可伸缩的虚拟化的资源的计算模式。（3）云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互（美国国家标准与技术研究院（NIST））。

无论哪一种说法，其定义中最核心的两点是：①云计算有很强的伸缩性和扩展性，可以随时进行，无所不在，无所不能；②云资源有弥漫性和社会性，不求所有，但求所用。在计算机业界，早就有“网络就是计算机”的说法，云计算使其到达一个新的高度。

云计算能够提供有效、灵活、用户友好的服务模式，包括软件即服务、平台即服务、基础设施即服务三种服务模式。云计算的四种部署模型具备独特的功能，能够满足用户的不同需求，分别为：公有云、私有云、社区云、混合云。云计算具有五个基本特征：按需自助服务、范在网络访问、独立资源池、快速弹性架构和服务可监控和量化。

云计算资源是客观存在的，但由于其归属不同的机构和个人，即便物理上具有分享的可行性和便利性，也必须体现出所有者的权益。有偿使用是解决这一问题的根本办法。在云计算架构下，各种计算中心可以转身为面向网络提供计算服务的机构，其硬件资源、软件资源都可以付费租用。云计算作为一种商业模式开发，是性价比的一次全面提升，它降低了社会的总体拥有成本，实现了计算资源的高度共享。在这种计算架构下，因为承担云计算任务，超级计算中心的功能被最大限度地开发利用，而性能弱小的各种终端又得到功能方面的弥补。业界认为，全面实现云计算，世界上仅需要5台计算机就够了。2008年，IBM先后在中国无锡和北京建立了两个云计算中心，中国移动研究院也建立起云计算试验中心。同年，中国电子学会专门成立了云计算专家委员会，并于2009年召开了两届云计算学术会议。当前，IBM、微软、亚马逊、谷歌、SUN及中国电信、中国移动等IT巨头，已在世界范围内规划或建成了云计算中心，初步搭建了云计算平台，其架构正在进一步成熟和完善。与此同时，我国政府选定北京、上海、深圳、杭州、无锡作为云计算试点城市，出台一些重大的政策，以保障和推动中国云计算技术和产业的发展。如今，简单的云计算在网络服务中随处可见，例如搜寻引擎、网络信箱及网盘、云杀毒、云游戏等，均是云计算的体现。

4.云计算的优越性

云计算自身的特点，使其具备下列诸多优越性：

（1）可以实现无所不在、无所不能的计算。

因为用户运算需要的资源全部在云端，只需要一个终端与云相连，即可调用云中的资源，开始或延续自己的计算任务。无论计算的复杂程度如何，无论自己身处何方，只要有网络，就能获取无限强大的计算能力，没有实现不了的运算。

（2）用户终端的性能不再成为瓶颈。

由于“云”的存在，使得我们可以根据自己的实际情况购置设备，不需要盲目追求高配置。用户完全可以在一大堆烂机器上取得高性能，用户终端不一定是最高级的、性能最好的，只要能连接“云”，其功能就是无限的。一台微机、一部手机，接入电脑云，就是一台巨型机，可获得无限的运行空间、无限的运算速度。

（3）计算资源“即插即用”。

云计算是一种理想的商业计算系统架构，无论硬件、软件、平台……都可以通过服务的方式获取。有了云计算，人们可以变购买硬件、购买软件为购买服务，有什么样的需求，就有什么样的服务。就像以前用电、用水一样，客户通过付费即可享受无限制的服务。

（4）计算无处不在，数据随身。

云存贮为每个用户提供了几乎无限的存贮空间，用户的文档、数据存储在云端，不怕丢失，不必备份，可以实现任意点的恢复，实现了数据随时随地的调用。我们再也不必担心丢失U盘、损坏移动磁盘给工作带来的麻烦，也不用担心文本在不同地点编辑后出现版本的不一致。云杀毒技术等云安全措施的引入，使得病毒在云端即被查杀，数据比存贮在个人计算机中还要安全。

（5）“瘦”客户端，性价比显著提升。

人们很早就提出“瘦”客户端的理念，但多年来这一理念并未得到很好的推广。在配置计算机的时候，盲目追求高配置、大容量，造成设备的闲置和功能的浪费。试想，如果一部手机即可实现用户的功能需求，为什么要配置一台电脑？微机时代认为的“每个家庭的桌面上都应该有一台”的观点已陈旧过时。软件可以安装在云端，每个用户不必花费巨额资金购买软件，也不必下载庞大的安装包和升级包，软件由云来提供，并在云端自动升级，使普通客户都能享受到最新和最可靠的软件功能服务。相信，云计算用户越多，服务越便宜，用户付出的成本越低，享受的服务越多样，性价比越高。

5.云计算给计算行为带来的变化

（1）资源配置由购买变为租用。

如前所述，以前用户要投入巨大资金购买硬件和软件，现在则是通过付费使用云资源。云资源有更大的选择性，而且可以以较低的投入获得较大的产出。

（2）用户的使用习惯以桌面为核心转变为以Web为核心。

在“云计算”模式下，以前在本机“桌面”完成的任务，现在可转为在“Web页”进行，所有任务都是“在线”操作。客户机上无须安装体积越来越大的应用软件，只需要一个WEB客户端即可，Web客户端将是每个运算任务的入口。客户端所需的软件安装空间、运行空间大为减少。

（3）不再需要软件授权许可。

在云计算架构之前，使用软件必须购买副本获得授权许可，现在软件安装在云端，对每个客户都是开放的，只要付费，任何软件就可使用。所有程序对用户都是开放的，对软件开发者来讲，软件安装在云端减少了被盗版的风险，更有利于知识产权的保护。

（4）服务更多样。

除了创建文档为目的的应用以外，云计算可以提供各种过程服务，比如语音识别可使一个计算机盲也能操纵网络；在线翻译可以让每个人都能参阅外语文献或与外国人交流；新闻、天气、邮件、快递、新产品等资讯即时可得；行驶中的汽车可以预知前方道路是否拥堵；每个人、每件物品都可进行地理定位等。云计算深刻影响电讯、物流、GPS定位、气象资讯、交通资讯、商业管理、社会管理等行业，满足人们多样的服务需求。

（5）减少对信息安全的担心。

在云计算架构下，用户身份可以进行更可靠的验证，用户文档可以存贮在虚拟目录当中，减少复制或恶意破坏的风险。杀毒软件在云端即可发现病毒，降低感染病毒的可能性。

（6）网络资源有了更好的逻辑架构，方便用户使用。

云计算中心成为网络行为的制定者，可以让网络资源组织更合理，符合大多数用户的使用习惯。定制出较统一的工作界面，方便用户理解，使网络上繁杂庞大的信息变为可检索的数据库，让搜索变得更容易。

总之，云计算是一种全新的运算模式，给传统的计算思维带来巨大的冲撞，将改变人们使用计算机的习惯和思维方式。中国的云计算发展起步较早，将立足世界前列，紧跟发达国家的步伐，甚至可能在某些关键技术上完成创新，成为国际标准的制定者，掌握云计算技术规则的发言权。当然，云计算的完全实现还有一段很长的路要走，其服务架构、技术支撑等方面还有一些难关需要攻克，人们的思维方式和观念还需要转变，但这些都不能阻挡云计算向前发展。我们有理由相信，云计算技术将会大行其道，成为网络计算的主宰，这种商业模式必将创造出巨大的市场，推动IT业的发展，使低迷的IT产业呈现出复兴的景象。

参考文献：

[1]牟琴，谭良.计算思维的研究及其进展[J].计算机科学，2011，03：10-15+50.

[2]夏磊，岳焱.基于多处理器虚拟化的云计算应用的安全研究[J].中国新通信，2013，11：62-64.

[3]朱培栋，郑倩冰，徐明.网络思维的概念体系与能力培养[J].高等教育研究学报，2012，02：106-108.