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信息化规划要为未来留出迭代空间

2020年06月18日 19:31 CERNET 点击:[]

李星:信息化规划要为未来留出迭代空间
2020-05-14 中国教育网络


李星,清华大学电子工程系教授,中国教育和科研计算机网CERNET网络中心副主任

  回顾刚刚走过50年历程的互联网发展之路,我们会惊讶于那个漏斗或者说窄腰结构的强大生命力,互联网体系结构的无状态,松耦合,相对稳定的设计原理和可演进的构成模块,不求完美却留出足够快速迭代空间,正是其长盛未衰的最大秘密。作为信息时代最重要的基础设施和技术,互联网的这一特点,无疑可以被教育信息化十四五规划所借鉴。

要预留足够的可演进空间

  《中国教育网络》:您作为《教育信息化中长期发展规划(2021-2035年)》和《教育信息化“十四五”规划》编制专家组成员,同时正在研究“适应未来教育的新一代教育信息基础设施环境”的课题,从纯技术角度看,您认为未来教育信息化相关规划最重要的指导思想是什么?

  李星:一方面,科技进步和更新换代的加速度越来越大,之前的突破可能是以五年、十年为一个周期,之后则可能以一年或者季度来计量,甚至真的可能实现日新月异。尤其是当前科技发展正处于一个革命性演进的临界点,影响和改变信息化发展的可能性越来越多。

  另一方面,教育信息化的规划需要特别超前,你要站在用户的角度上去规划而不是在规划制定者的角度。现在我们这些做规划的专家基本上都是信息时代的移民,要为那些信息时代原住民们未来使用的信息化基础设施做规划,多少心里会有些惶恐。当然,一代人有一代人的责任,这也就需要我们尽可能摆脱时代的眼光局限,要为未来的变革留足空间。

  综上,我认为新规划最重要的指导思想就是耦合不能太紧,新规划一定是一个松耦合的东西。在信息技术领域,我们切忌完美无缺或者大而全的技术思路。这方面我们可以从刚刚走过50年历程的互联网发展中得到经验和教训。

  互联网体系架构是简单的,但不是完美的。例如TCP/IP在网络层没有流量控制,没有显式的跨自治域标识,没有准入控制,没有严格的源地址认证,等等。但正是容忍了这种不完美性,才获得了简单性,而由于简单性,带来了互联网的可扩展性和其他优点。

  在20世纪八九十年代,接连“爆发”了TCP/IP对决OSI的协议战争以及ATM的技术战争。OSI也罢,ATM也罢,在当时看来都是非常“完美”的模式,皆因为过于冗余复杂,追求面面俱到而被时代淘汰。

  互联网遵循“大道至简”的核心设计理念,它的设计理念就是无状态、松耦合,通过相对稳定的设计原理和可演进的构成模块,互联网才产生了蓬勃的生命力。这段历史对于我们做教育信息化规划很有意义,从某种程度上,学科分化和交叉使得中长期的科技演化的轨迹越来越难以把握,因此在新的规划中必须留出足够的快速迭代空间。

要正确认识我们所面临的挑战

  《中国教育网络》:面向未来,您认为教育信息化特别是信息化基础设施面临的挑战是什么?

  李星:挑战是无处不在甚至是突如其来的,比如这次新冠疫情的不期而至就使得中国的教育信息化经历了一次前所未有的“大考”,并对未来的教育信息化发展提出了更高要求,具体可以概述为以下几点:

  一是全球向信息化社会的演进趋势带来的服务质量的挑战,尤其是教育网络基础设施面临巨大的考验。

  此次疫情可以看成是教育信息化的“极端案例”。根据教育部的部署,战疫期间的基本原则是“停课不停学”。比起17年前非典时期居家的中小学生靠电视上课,当前网络已经成为支撑教育教学的核心平台,这是一个巨大的进步。但另一方面,平时人们普遍认为已经“够用”的网络,在疫情中的在线教学却频频出现丢包、掉线、崩溃的情况,当然,这其中并非全都是网络的问题,但我们已然明了,当前网络所提供的服务质量仍然是比较粗放的,如何提供更加精细化的服务,如何通过教育基础设施的建设满足大规模的教学需求、满足个性化的学习需求、满足智能化的交互需求、满足沉浸式的体验需求,是一项迫切而艰巨的挑战。

  二是网络空间安全和隐私保护带来的安全威胁挑战。

  由于互联网的规模越来越大,网络空间安全的挑战是非常明显的。一方面,安全保护不足。类似于黑客攻击等网络威胁涉及网络空间的各个层面,包括计算系统方面、网络方面、应用方面等,大规模的攻击,域名的劫持和假冒,路由的劫持和假冒,这些问题在互联网中每天都在发生,因此而衍生的隐私泄露等问题不容小觑。另一方面,通用支撑不足。在互联网中,所有传输的数据,是根据目的地来进行路由选择,对源地址是不认证的,这种机制使得可以假冒,可以仿照,劫持,带来的安全问题是巨大的,这涉及到用户验证、服务合规以及可溯源机制的加强。

  三是我国特殊国情所带来的叠加挑战。

  相比国际,我国的教育平台建设和创新还面临着用户数量最多、学习环境最复杂、资源供给规模最大、学习服务最多样等一系列艰巨的挑战,使得教育信息化的相关问题愈加复杂和突出。

新一代教育信息基础设施架构

  《中国教育网络》:为了应对这些挑战,新一代教育信息基础设施的基本架构是如何设计的呢?

  李星:可以用“网络基础设施,数据服务设施”和“教学平台,科研平台,创新平台”来概括。

  在最底层是以教育专网为代表的网络基础设施,其上是以云服务为代表的数据服务设施,它们通过技术的整合和演进为上层平台提供越来越强的通讯能力、计算能力和存储能力。在支撑运行体系和绿色安全体系的赋能之下,全面支持科研平台、教学平台和创新平台这三大应用平台的建设和发展。

  《中国教育网络》:每个部分的发展方向是什么?

  李星:网络基础设施未来的发展,将以更全面的接入能力和更高的传输能力为目标。

  数据服务设施将成为构建未来教育生态系统的关键组成部分,提供标准的、系统的、开放的计算资源和存储资源。

  科研平台、教学平台和创新平台这三大应用平台是直接面向教育用户的集成软环境,将通过标准和开放的访问入口和工具集,聚合异构分散的教育资源,实现资源的无缝接入、访问传递和任务协同。

  安全防护体系将为设施,平台和应用等提供安全支持。

  运行管理体系将为设施,平台和应用等提供运维管理。

“教育专网”的六大融合

  《中国教育网络》:去年首次从国家层面提出“教育专网”以来,这个概念就不断被赋予新的内涵,庚子年初至今的新冠疫情则凸显了“教育专网”建设的紧迫性,您认为教育专网建设的发展趋势是什么?

  李星:“教育专网”的提出充分借鉴了海外发达国家的建设经验并贴合了本国国情,这是中国教育信息化划时代的大事,我认为它将体现以下几大趋势:

  第一,通用和专用的融合。

  公网是通用的,提供的信息资源是海量的,鱼龙混杂,属于典型的无差别粗放型供给,除了难以保证教育专属的服务质量,对于未成年的中小学生来说,也缺乏一个适应身心发展的信息净土。

  教育专网是专用的,对于特定的用户,信息资源和应用可以保证服务质量,也能保证适应于未成年人的信息资源。

  但是,由于疫情所带来的居家学习、在线教学情况,使得我们必须更加深入思考教育专网的内涵:教育专网是仅仅部署在教室里,还是也要扩展到全社会每一个家庭?从技术上来说,教育专网进入每一个家庭是可以实现的,相当于某种形式的虚拟专网,但是规模很大,要覆盖全国。再往前走一步,互联网需要大规模地引入切片(slicing)的概念,实现按需连网,即不管在什么地方,每一个群体都有符合自己需求的不同的专网可以连接。

  第二,网络和数据的融合。

  从信息时代到大数据时代以及可预见的AI时代,数据的重要性正在呈几何级别增长,并成为包括教育领域在内的各行各业最重要的资产。然而,在学科、技术领域越来越细分的情况下,当前做数据的人未必真正懂得网络,懂网络的人不一定真正懂数据,造成了数据与网络交互上的问题。未来网络基础设施和数据服务设施之间的交互会加强,未来需要既懂网络又懂数据的交叉人才。

  第三,虚拟和现实的融合。

  如今,物理环境与虚拟环境混合,使用增强现实、虚拟现实、全息技术等技术的,沉浸式虚拟体验的环境正在对教学和科研产生越来越大的影响。比如莱顿大学在医学教学中推进增强现实应用,我国部分国家虚拟仿真实验教学项目使用虚拟现实技术等。疫情期间,线下的实验室关闭,有学生通过虚拟实验室做实验也见诸报端。随着网速的提升、5G和WiFi6的普及,必然会产生更多像训练飞行员的飞行模拟器这样的成熟应用,虚拟现实的应用场景和方式将更加灵活多样,在医学、工科、理科,乃至人文社科的教学中实现更多的可能。

  第四,科学与人文的融合。

  科学与人文的割裂由来已久,尤其是19世纪以来鸿沟日渐加深。科学创造不仅仅只是运用理性、逻辑和数学的过程,它还需要直觉、灵感和想象等人文因素的积极参与。人文创造也不仅仅只是直觉、灵感和想象的过程,它也需要理性、逻辑和数学等科学因素的积极参与。从小处说,两者的割裂对于个人的教育和成长会造成缺陷,往大处说,盲目崇拜科学的力量将人类带向更加危险的境地。

  通过教育专网更低的学习门槛、更加丰富的资源、更加良好的环境,可以有效地助力通识教育,弥补学生在整个学习过程中的缺憾。另外,通过人工智能、大数据等技术对于人文文献的分析、鉴别,有助于人文科学更好地发展。

  第五,教学与科研的融合。

  虽然学校一再强调科研与教学相融合的人才培养模式,但不少高等院校出现了“重科研、轻教学”的现象。科研与教学融合的程度较低,其原因很多,但很重要的一点在于缺少以科研促教学和以教学促科研的并轨之路。教育专网所提供的网络空间恰恰可以作为其中的纽带,促进智力资源共享和师生的互动协作,为他们提供创新教学、个性化学习、社会交互的学习环境,促进师生知识建构、个性化发展和集体智慧合作,这对于高校“以研带学”也是一种新的思路。

  第六,科研与创新的融合。

  充分发挥科技创新的作用,一个关键环节是科技成果转化。可以说,科技转移转化水平是一个国家科技实力的重要体现。如何将教育专网这个集中了优质教育资源、优质科研资源、优质人力资源、优质数据资源的“集智空间”与社会需求打通,成为科技成果转化的桥梁和“活水”,是很重要的一个研究课题。

  《中国教育网络》:如果想要达到这六种融合,教育专网本身要具备哪些能力呢?

  李星:首先是“服务质量的可测性”。去年8月,国务院常务会议确定加快建设教育专网,到2022年实现所有学校接入快速稳定的互联网。如何可以称之为快速稳定,需要可量化,可监测。面对新的网络环境,我们需要知情,这样才能区别是网络问题还是系统问题,如果是网络的问题,需要搞清楚是网络的哪一部分出了问题--是有线接入还是无线接入?是4G还是Wi-Fi?是互联互通的瓶颈还是云的调度的问题?如果是系统出了问题,也要搞清楚是系统的哪些环节出了问题--是服务器端,还是客户端?是控制平面,还是数据平面?这样才能有的放矢,不断有针对性地提升服务质量。

  其次是“安全风险的可控性”。在网络空间之中,没有绝对的安全,但必须要有趋近安全极限的决心和手段。正常情况下做好升级和防御,出现风险时可以及时全面控制和解决。

  三是“应用演进的可行性”。这也就是一开始说的,要留足可演进、快速迭代的空间。设想一下,如果我们将专网“从头到脚”方方面面都想好是个什么样子,未来运转都按照既定的规则和流程来运行,那根据现在信息技术发展速度,很有可能当我们建成规划中的网络基础设施的第二天起就落后了。

  互联网之父温顿·瑟夫曾经总结了互联网体系结构的力量:(1)不为任何特定的应用设计;(2)可以运行在任何通信技术之上;(3)允许边缘的任何创新;(4)可扩展性强;(5)对于任何新协议、新技术、新应用开放。

  我认为,这既是互联网生命力之源,也是我们未来教育专网规划之道。

  作者:王世新。

文章来源:中国教育和科研计算机网网络中心

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