网络信息理解与信息共享技术-PowerPointPre

网络信息理解与信息共享技术马建国西南科技大学信息工程学院教授工学博士[e-mail]主要内容研究背景信息共享技术与信息共享网络的理论模型大规模并播技术UCL技术广播型网格移动网格课题背景带宽瓶颈信息垃圾语义障碍数字鸿沟课题来源国家自然科学基金项目：“共享信息的第二类网络”（编号：60272014）国家863计划项目：“第五媒体物理链路传输协议研究”(编号：2002AA121063)教育部研究项目：“基于UCL技术的精品课程平台研究”（教高司2003-218）四川省应用基础研究项目：“基于UCL的大规模数据广播传输协议封装技术研究”（课题编号：03JY029-017-2）研究体系结构信息共享理论信息共享网络并播技术UCL技术信息理解网格技术广播型网格互补结构UCL协议文化网格教育网格UCL代理MIS-Grid网络层理论层技术层结构层应用层信息共享技术与信息共享网络的理论模型信息共享技术与信息共享网络的理论模型物质共享与信息共享信息系统的传输代价信息网络的结构特征典型信息网络分析理论模型--物质共享与信息共享世界是由物质组成的，质量、能量和信息是物质世界的三个重要属性。人们早已认识到，物质的质量和能量是满足守恒定律的。物质共享物质不灭定律指出：物质既不能消亡也不能创造，只能从一种物质转化为另一种物质。根据这个原理，对于某一物质质量为M的系统，被n个受体分成n份，则满足以下的守恒定律：M=（2-1）niim1理论模型--物质共享与信息共享能量共享同样能量也是既不能创造，也不能消灭。对物质系统间的能量转换可由热力学第一定律描述。其数学表达式为：Q=E2-E1+A（2-2）在没有与外界交换能量的封闭系统中，对于一个能量为E的封闭系统，j个子系统的能量分配满足如下的守恒定律：E=（2-3）ljje1理论模型--物质共享与信息共享e1e2e4e3…elm1m2m3m4…mn图2-1总能量为E的系统能量分配图2-2总质量为M的系统质量分配理论模型--物质共享与信息共享图2-3说明了信息的共享并不是对母体的瓜分，可以是无失真的复制。更一般的情况下，可以把信息的共享看成是某种方式的映射关系。原像：A复制2：B2复制1：B1复制3：B3复制n：Bn图2-3信息的共享——复制定义2-1：设映射fi：X→Yi,AX,BiYi。记：（2-5）称为映射下信息集A的一个像，或称信源集A在关系下的一个信宿。记：（2-6）称为映射fi下Bi原像或信源。注解：(1)在映射fi下Bi的原像是唯一的，因为信源是同一的。(2)映射fi的映射关系改变，可以在同一信源下生成不同信宿。(3)映射fi是在理想信道下的情况，没有考虑编码和传输的失真。理论模型--物质共享与信息共享)(;:)(xfyAxYyyAfiiiiii)(Afiifif)(;:)(1xfyByXxxBfiiiii)(1iBf)(1iBf理论模型--物质共享与信息共享定义2-2：当映射fi的映射关系成为某种特殊的有序的1-1映射时，即不改变原像的信息量和次序，称为这种信息的保形映射或信息复制。显然，信息复制是不改变信源的次序与信息量的一种特殊映射关系。定义2-3：信源通过某种映射关系形成信源的像的过程称为信息的共享。注解：(1)信息的传输可以看成是一种信息的映射或信息的复制。(2)信息的共享并不会损失或者改变信息的原像。理论模型--物质共享与信息共享定理2-1：信息的共享不会损失或者改变信源的信息量和信息次序。证明：设信源X与信宿Yi构成信息共享关系。由定义2-3可知，X与Yi形成信息的共享关系，必然会成为一种映射关系，设它们之间满足映射fi：X→Yi,AX,BiYi。且（2-7）为映射下信息集A的一个像。由式（2-7）可知，映射并不改变原像或信源,且原像或信源式由（2-8）表示，（2-8）由定义（2-1）注解（1）可知，此原像或信源唯一。证毕。)(;:)(xfyAxYyyAfiiiiiiifif)(1iBf)(;:)(1xfyByXxxBfiiiii理论模型--物质共享与信息共享性质1：信息的共享不同于物质的质量和能量共享，不是一种分配关系，而是一种映射关系。信息的共享不会对信源造成任何信息的损失。性质2：信息的共享中信宿的数量是没有上限的。因此，从理论上讲对信息共享者并没有数量上的限制。理论模型--物质共享与信息共享)(),(),(),(),(),(,pISnISmISlISkISjISiISISutilizedisplaysavetransmitcodecopySource在式（2-9）的信息系统中，对信息的分配、编码、传输、存储、表示和使用环节中，唯有在信息的传输过程中容易受信道影响，引入信息的失真，因此根据1948年香农对通信系统的描述可抽象为图2-4所示[8]。理论模型--物质共享与信息共享图2-4描述的通信系统实际上是将一般信息系统抽象成信源、信道与信宿三个部分。理论模型--物质共享与信息共享可以简化成式（2-10）的形式：（2-10）由2.1.1的讨论可以知道，在信息系统中信源部分与信宿部分并不会对信息的共享造成任何障碍，唯一可能给信息共享造成障碍的就是信息的传输过程。下面就分析信息传输过程对信息共享的限制问题。)(),(,pISlISiISISutilizetransmitSource信息传输的能量代价[8]Eb=0.693KT（焦耳）（2-24）称为比特传输的能量极限公式。假设全球50亿人，每人每天需要的信息为1Gbyte，则信道分别传输这些信息需要消耗的总能量仅为焦耳21231087.23001038.1693.0只相当于1个1W的电灯泡闪亮0.115秒。这是一个非常小的能量。焦耳115.0)108()1087.2()105(9219理论模型--物质共享与信息共享信息共享与物质共享的差异为物质共享的本质是母体的分配或瓜分；而信息共享的本质是母体（比特）的复制或再生。由于复制的份数没有上限，因此信息共享本当无冲突，享用的人数也应当无上限。在信息的传输过程中由于噪声信道对信息传输的能量消耗也是非常微小的。现代科学技术已经提供了复制比特的途径：通过点对面的电磁辐射，在空域上远程复制比特，也就是我们通常说的广播，营造无冲突共享的“信息阳光”，回避用户数目受限问题，满足了人们对共性(高热度信息)信息的需求。典型信息网络分析万维网良好信息交换结构，不是最佳的信息共享结构。广播网数字电视带动数字广播网络发展，如何充分利用DVB网络提供增值服务。网格资源广泛整合，尽快投入应用。信息网络IP数据报应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层Internet物理层传输层网络接口层报文或数据流功能概念性的层次通过层间的对象传输协议分组特定网络的帧OSI七层协议参考模型TCP/IP的层次结构信息网络物理层通信层语义层应用层物理层通信层语义层应用层物理层通信层管理机制管理机制图2-10具有语义的网络信息分层模型信息网络的结构特点信息的交换方式随机网络与无尺度网络科学家惯于将所有的复杂网络看作是随机网络。随机网络中绝大部分节点的连结数目会大致相同，节点与其它节点的连结数的概率分布方式遵循“钟”形的泊松分布与之相反，美国航空网则是无尺度网络的代表。它存在拥有大量连结的集散节点。在这种结构的网络中，节点与节点之间的连结分布遵循幂次方律，其中大部分的节点只有少数连结，而少数节点则拥有大量连结。从这种意义上来说，这种网络是“无尺度”的。（Scale-FreeNetworks）随机网络例子—高速公路网无尺度网络例子—航空网互联网结构特点--无尺度特性无尺度网络安全的两面性无尺度网络在遭受意外故障的强韧性能要优于随机网络无尺度网络在遭受蓄意攻击（攻击集散点）的强韧性却非常低数字系统中的知识金字塔数字形式的文本、图像、音频称为数据；赋以语义的数据称为信息；智慧知识信息数据数据数据知识信息知识是信息在时间与空间积累的某种结果；智慧则是通过对过去知识和新信息的巧妙整合，形成决策的能力。从应用层看网络的发展应用计算机网页应用网页计算机网格Web因特网小结信息的语义特征是目前信息研究的重要内容，网络的层次模型应该依据网络技术的发展制定新的符合现代网络技术发展的层次模型。网络的层次模型中应该包括语义层。信息的共享并不是物质的瓜分。信息的共享是信息的复制，它主要受到传输信道中热噪声的限制。从理论上讲，信息的共享并没有障碍。互联网是一个无尺度网络。正是互联网络的“无尺度性”才使得互联网在网络安全方面有两面性，即网络在遭受意外故障的强韧性能要优于随机网络，无尺度网络在遭受蓄意攻击(攻击集散点)的强韧性却非常低。小结万维网是一种很好的信息交换结构，但并不是很好的信息共享结构。万维网目前遇到的“带宽瓶颈”、“信息垃圾”、“语义障碍”和“数字鸿沟”几大难题，很难完全依靠万维网自身来消除。正在走入家庭的数字电视具有巨大的市场。如何利用这些传输网络为广大用户群提供多种数字媒体和数据的服务在理论和技术上都是值得学术界重视的问题。网格技术是计算机网络的重要发展里程。网格技术的核心就是广泛的资源整合，变“一对一”的client/server模式为pervasive/grid模式。并播技术并播技术—基本概念定义3-1：将数据广播的一个信道(在一个8M有线模拟带宽上传输数据广播信息)划分成若干的独立经营的子信道，从而形成的相互独立经营的竞争机制，称大规模并播技术。定义3-2：数据广播的一个信道所包含的所有带宽资源称为总带。并播技术—基本概念定义3-3：一个基本的带宽资源称子带。以总带为32Mbps，子带带宽为32kbps为例32Mbps=4MB/s=14.4GB/时=345.6GB/天如果把32Mbps分给1024个ICP，每个ICP32Kbps=4KB/s=14.4MB/时=345.6MB/天每一个ICP都拥有32Kbps永不断线的常在带宽，经时间的累积，可以推送大量的数据进入用户终端。并播技术—基本概念定义3-4：传输各子带UCL元数据信息的专有信道称元带，或称语义信道。带宽一般与子带相同。定义3-5：包含一些子带的集合称群。本文定义包含32个子带的集合，如果子带宽度为32Kbps，一群的带宽正好为1Mbps。定义3-6：ICP独立使用的信道称路。可以为一个子带或N个子带。并播技术的特点高效利用数字电视网络，容易形成国家规模的文化、教育等公共信息资源服务体系，最大限度地实现全民信息共享。基础设施平台与ICP分离，实现经营运作分开，信息内容提供者ICP可以获得独立经营的环境，可以形成良性竞争机制的可持续发展的经营体系。便于优秀文化、教育资源的广泛整合。并播技术—两级复用模型一级数据处理-第一群节目源1节目源2节目源32一级数据处理-第N群节目源1节目源2节目源32一级数据处理-第二群节目源1节目源2节目源32二级数据处理中心(32-/TS)接收终端1接收终端2接收终端i接收终端n图3-5大规模并播的两级复用系统结构并播技术—数据复用协议栈1:n32:132:1节目源提供者ApplicationDIPUDP/TCPIPEtherFrameTSDVBApplicationDIPDIPUDP/TCPIPEtherFrameMDMPUDPIPEtherFrameMDMPUDPIPEtherFrameTSDVB一级数据处理中心二级数据处理中心接收终端图3-7数据复用协议栈结构MDMP数据复用的双循环复用器信源32信源5信源4信源3信源2信源1去第二级复用器双循环FIFO线性FIFOTP（1，m）TP（2，m）TP（3，m）TP（4，m）TP（5，m）TP（32，m）TP（1，2）TP（2，2）TP（3，2）TP（4，2）TP（5，2）TP（32，2）TP（1，1）TP（2，1）TP（3，1）TP（4，1