無尺度現(xiàn)象引發(fā)的網(wǎng)絡變革解讀

無尺度現(xiàn)象引發(fā)的網(wǎng)絡變革中國工程物理研究院李幼平2005.3.7深圳〔一〕萬維網(wǎng)演化為無尺度網(wǎng)絡網(wǎng)絡改變了文化傳播，大家已經(jīng)談了很多。今天，我們從無尺度現(xiàn)象談起，討論文化對網(wǎng)絡的反作用。十幾年之前，web效勞進入互聯(lián)網(wǎng)，開始了網(wǎng)絡的文化應用。正是從那個時候起，互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)站與網(wǎng)民才開始快速增長，網(wǎng)絡才有興旺興旺的今天。這是人類的文化活動影響網(wǎng)絡的第一種反作用。第二種反作用鮮為人知。最近幾年，美國科學家A.L.Barabasi等人用統(tǒng)計物理學的實驗方法發(fā)現(xiàn)，文化活動悄悄改變著網(wǎng)絡運作的數(shù)學模型，由原先正態(tài)分布的隨機模型轉(zhuǎn)變?yōu)閮绱畏植嫉臒o尺度模型?！盁o尺度”是什么意思？這里需要做一點解釋。原來，理論家把龐大復雜的網(wǎng)絡，分解為“節(jié)點”〔node〕和“連接”〔link〕兩大要素。提供內(nèi)容的網(wǎng)站和接受內(nèi)容的網(wǎng)民統(tǒng)稱為“節(jié)點”，內(nèi)容在節(jié)點間的運動稱為“連接”。一個網(wǎng)站的社會作用或文化地位，可以用該網(wǎng)站與外界的連接數(shù)k來衡量。如果某個網(wǎng)站很長時間也沒有人來連接，說明網(wǎng)站的社會影響不大，文化地位不高；反過來，如果連接頻繁，作用就大，地位就高。網(wǎng)民對網(wǎng)站的訪問，可以說是獨立、自由的，完全取決于網(wǎng)民本人的主觀意愿。在做大量統(tǒng)計實驗之前，科學家預測，連接數(shù)k應當服從泊松分布或正態(tài)分布，即每個網(wǎng)站的被訪問量差異不會太大，就像人類身高差異不會太大那樣。然而，實測結果推翻了這個預測。Barabasi等人設計了一種軟件，可以從一個節(jié)點跳到另一節(jié)點，收集并記錄網(wǎng)上的所有連接。在對幾十萬個節(jié)點進行統(tǒng)計之后，發(fā)現(xiàn)了令人驚異的結果：當絕大多數(shù)網(wǎng)站的連接數(shù)很少的情況下，卻有極少數(shù)網(wǎng)站擁有高于普通網(wǎng)站百倍、千倍甚至萬倍的連接數(shù)。就像在茫茫人海中突然發(fā)現(xiàn)假設干身高數(shù)百尺巨人那樣，令人意外。巨人的身高之大，已不能用普通人高度的尺度來度量，于是想出了“無尺度”的用詞，形容少數(shù)節(jié)點連接數(shù)大大超出普通節(jié)點的現(xiàn)象。上述實驗結果可以用冪次定律表達：出現(xiàn)連接數(shù)為k的概率p〔k〕，反比于k的n次方。其中，n稱為冪數(shù)，它是很接近于2的一個常數(shù)。冪次定律告訴我們，盡管萬維網(wǎng)提供內(nèi)容的網(wǎng)站很多很多，網(wǎng)頁更是天文數(shù)字，但是，有能力長時間吸引眾多網(wǎng)民大量訪問的網(wǎng)站，為數(shù)非常有限。我們用連接數(shù)作判據(jù)，可以把少數(shù)對社會奉獻特別大的熱門網(wǎng)站從茫茫無邊的信息海洋中別離出來。統(tǒng)計物理學家習慣于把服從冪律分布的現(xiàn)象稱為無尺度現(xiàn)象。也就是說，人類的文化活動已使萬維網(wǎng)演化成為無尺度網(wǎng)絡〔scalefreenetwork〕。我們在實際網(wǎng)絡中看到的現(xiàn)象正是如此。盡管中國向網(wǎng)民提供內(nèi)容的網(wǎng)站有六十萬個，但是，其中只有為數(shù)不多的網(wǎng)站，才擁有網(wǎng)民一次訪問難以窮盡的豐富內(nèi)容，擁有接納許多人同時訪問的足夠帶寬，有條件演化成熱門網(wǎng)站。擁有大連接數(shù)的熱門網(wǎng)站，除了新浪、Google、Yahoo等門戶網(wǎng)站外，就是己經(jīng)上網(wǎng)的報紙、期刊、通訊社、電臺之類的專業(yè)“網(wǎng)絡傳媒”。在某種意義上可以說，正是網(wǎng)絡傳媒的客觀存在，影響了網(wǎng)絡運作的數(shù)學模型。無尺度現(xiàn)象不僅僅出現(xiàn)在萬維網(wǎng)中，在神經(jīng)網(wǎng)絡、細胞網(wǎng)絡甚至人際網(wǎng)絡中均有表達?？梢哉f，凡有生命的地方，有進化、有競爭的地方都有不同程度的表達。社會學家所說的“馬太效應”，《新約》圣經(jīng)所說“凡有的，還要加給他，叫他有余”，同無尺度現(xiàn)象也有某種相通之處。〔二〕無尺度現(xiàn)象的信息學意義無尺度現(xiàn)象的成因，可以從多種角度解釋。Barabasi等人解釋，優(yōu)先連接性和網(wǎng)絡的成長性是兩個起因。所謂成長性指網(wǎng)民網(wǎng)頁急劇增加，優(yōu)先連接性指新網(wǎng)民總是優(yōu)先選擇前人經(jīng)常訪問的網(wǎng)站。隨著時間的演進，某些熱門的網(wǎng)站愈加熱門，不知名的網(wǎng)站愈加冷門。計算機仿真可以演示驗證，萬維網(wǎng)如何由相對均衡分布的隨機網(wǎng)絡逐漸演化為極不均衡分布的無尺度網(wǎng)絡。哲學家解釋：存在決定意識。某人選擇連接某一網(wǎng)站，雖然是一種個人意識。但人類生活在同一地球上，相同或者相似的客觀境遇，使得人群中有相同或相似的個人意識。大量的統(tǒng)計，把深藏于個性中的共性強烈地反響出來了。充分的自由民主，在一定條件下，有可能轉(zhuǎn)化為高度的集中統(tǒng)一，是“對立統(tǒng)一”的例證，一點也不值得奇怪。以DNA作例子，DNA雖然是個性的標志，但人與人之間的碼元，99%以上是相同的，說明個性中潛在共性。無尺度現(xiàn)象給信息科技工作者帶來很多啟示。首先，讓大家認識到，信息社會同時兼有“大世界”與“小世界”兩種屬性。一方面，網(wǎng)民、網(wǎng)頁、帶寬隨時間快速成長，使得萬維網(wǎng)成為名符其實的全球范圍內(nèi)的巨大網(wǎng)羅〔worldwideweb〕。另一方面，每個人一天之內(nèi)所能接受的信息，受到生理帶寬與生理精力的限制，又是一個不隨時間變化的小世界。大世界與小世界之間，技術世界同“以人為本”的人文世界之間，存在明顯的差異與矛盾。矛盾的主要方面在用戶端。用戶感覺到，數(shù)十萬網(wǎng)站和數(shù)百億網(wǎng)頁，猶如“信息孤島”，實在難以分別直接面對。他們希望能出現(xiàn)一種承大啟小的“中間代理”，用戶很容易對這個統(tǒng)一的中間代理表達自己的需求，有興趣的內(nèi)容又會通過中間代理主動地流入自己的家中。“中間代理”是什么？它正是無尺度現(xiàn)象所指出的、由熱門網(wǎng)站構成群體。由數(shù)百或數(shù)千資源構成的熱門群體，是網(wǎng)民通過民主的方法由大家“選舉”出來的，是人類文明進程的自然產(chǎn)物，值得我們倍加珍惜。無尺度現(xiàn)象還從理論層次啟發(fā)信息工信息共享和物質(zhì)共享存在本質(zhì)差異。信息共享的本質(zhì)，是信源母體不限數(shù)量〔scalefree〕的復制〔copy〕；物質(zhì)共享的本質(zhì)，只是資源母體有限量的瓜分〔share〕。這是人類對信息共享認識上的一次突破。在此之前，人類習慣于用“信息公路”比喻網(wǎng)絡中的信息共享。皆然是公路，“車多路堵、人多網(wǎng)堵”便是不可防止的。好似限制享用的人數(shù)是天經(jīng)地義的。當前不少專家仍舊認為，要增加享用人數(shù)，除了帶寬化，就沒有別的出路了。帶寬是一種物質(zhì)性資源，服從總量守衡，分給了你，別人可能就沒有了。不管怎么配，享用的人數(shù)總是有限。我們認為，必須用科學的語言，揭示“信息高速公路”比喻的局限性。在2003年第五期《SCIENTIFICAMERRICAN》發(fā)表的Barabasi等人的著名論文中，就用圖1美國高速公路和航空運輸?shù)膱D形差異，來說明隨機網(wǎng)絡與無尺度網(wǎng)絡的差異。〔圖1〕〔引用《科學》第七期47頁的圖〕也就是說，無尺度現(xiàn)象鼓勵我們?nèi)ふ乙环N沒有帶寬瓶頸、不限制網(wǎng)民人數(shù)的個性化效勞機制，把web效勞推向一個全新高度。當今互聯(lián)網(wǎng)的web效勞，包括執(zhí)行IPV6協(xié)議的下一代互聯(lián)網(wǎng)，盡管網(wǎng)民地址數(shù)根本不限量了，但沒有根本解決過多網(wǎng)民引起的帶寬瓶頸問題?！踩痴仙锨ЬW(wǎng)站，形成主流群體無尺度現(xiàn)象啟示我們打造國家級文化群體的靈感。只要把幾千個甚至幾百網(wǎng)站整合起來，就可以形成滿足社會上絕大多數(shù)人群需求的“普適化”主流媒體；如果技術上想出方法，能讓主流群體普及下去，普及到每個村莊或家庭，就可以在普及數(shù)字文化的進程中實現(xiàn)歷史性跨躍。下面簡單介紹目前國人正在做的一些工作。北京應用物理與應用數(shù)學研究所的幾位年青人，在水鴻壽、陳謀松研究員的帶著下，根據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)中心CNNIC發(fā)表的實測數(shù)據(jù)，初步建立我國萬維網(wǎng)網(wǎng)站連接數(shù)、網(wǎng)站數(shù)、分流比的數(shù)學模型，驗證了無尺度現(xiàn)象符合國情，并推算出冪律常數(shù)大約為2.124.依此模型推算，當99.5以上的網(wǎng)站連接數(shù)均低于100次時，卻有萬分之四的網(wǎng)站大于1000次，十萬分之三的網(wǎng)站超出100000次?？梢姡W(wǎng)站的社會作用與文化地位差異懸殊，只要把總數(shù)千分之五〔約三千個〕的、有群眾文化意義的網(wǎng)站整合起來，就可以形成某種主流文化群體，滿足99%以上的訪向需求。如果整合一千個網(wǎng)站大約能滿足95%的訪問要求。整合名列前茅的一千至三千個網(wǎng)站，相當是把全國最有影響力的報紙、期刊、網(wǎng)站、出版社統(tǒng)統(tǒng)并列起來，其內(nèi)容極其豐富多樣，每一個普通百姓，都可以從中找到自己有興趣的讀物，是一種普適〔pervasive〕于全民的新概念超級傳媒。如果我們能用現(xiàn)代科技手段，在2015年之前把這個巨無霸式的超級傳媒向全國傳播，對重振中華文化將有難以估量的戰(zhàn)略意義。〔四〕普及數(shù)字文化的網(wǎng)格年代人們把計算機的普及劃分為Net、Web和Grid三個時代。如圖2所示，縱座標p為普及指數(shù)〔pervasiveindex〕，代表參加聯(lián)網(wǎng)的計算機總數(shù)與人口總數(shù)之比。〔圖2，〕在互聯(lián)網(wǎng)誕生初期的Net時期，網(wǎng)絡僅僅作為科學家之間的一種聯(lián)絡工具，聯(lián)系數(shù)量不多的計算機。這個時期平均每一萬人才有一臺計算機，p值小于萬分之一。九十年代之后，Web的應用開始了網(wǎng)絡的公眾認可期，萬維網(wǎng)作為搜尋信息的文化工具，采用一對多的client/server結構，p值躍升到0.01至0.1。2005年之后，將逐漸進入廣泛應用計算機的Grid〔網(wǎng)格〕時代，目標是全人口通過計算機共享信息，采用pervasive/Grid結構，計算機成為一種普及化的工具，聯(lián)網(wǎng)的計算機總數(shù)將接近甚至超過人口總數(shù)，p接近或超過1。無尺度現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使人們認識信息共享與物質(zhì)共享存在本質(zhì)差異，認識到普及數(shù)字文化不應該像今天這樣艱難，為網(wǎng)格理想的早日實現(xiàn)堅決了信心。下面我們將進一步閘明，放棄僅僅依靠IP協(xié)議的單邊主義思維，不難發(fā)現(xiàn)：衛(wèi)星數(shù)字播送就是一種不限使用人數(shù)、滿足scalefree要求的技術手段，利用中間緩存環(huán)節(jié)，對最終用戶構成雙向互動的機制，就可以形成“規(guī)模無上限”的個性化效勞網(wǎng)格?！参濉承l(wèi)星播送定比實驗的結果2004年六月，清華大學力合公司接受我們的建議，通過衛(wèi)星進行碼分并播定比實驗。實驗只利用DMB-S數(shù)十Mbps轉(zhuǎn)發(fā)能力中的0.5Mbps，故稱為定比下推〔scalingdown〕實驗。把0.5Mbps再劃分為16個子信道，每個子信道32kbps。每一個子信道分工傳輸一種文化傳媒〔一種報紙，一個網(wǎng)站或一門課件〕，看每24小時能把多少字節(jié)的文化內(nèi)容無過失地送到全國各地。實驗說明：在三遍以上重覆播送條件下，每個子信道每天都能把超過100MB的多媒體內(nèi)容無過失鏡象落地。根據(jù)定比上推(scalingup)得知，每一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器每天有能力把總數(shù)達100GB以上的文化內(nèi)容無過失在全國鏡象落地。這是一個十分鼓舞人心的數(shù)據(jù)。因為，我國已經(jīng)在本世紀初根本完成“播送電視村村通”工程，只要把當今的視頻內(nèi)容改為符合多媒體格式的報刊、網(wǎng)站內(nèi)容，就可以克服數(shù)字鴻溝，把“播送電視村村通”變成“報刊網(wǎng)站村村通”。數(shù)字文化通過衛(wèi)星直接為全民效勞，包括直接為農(nóng)村、農(nóng)民、農(nóng)業(yè)效勞的理想，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機。剩下來需要答復的問題是：上千種報刊、網(wǎng)站，每24小時有多少兆字節(jié)的新增內(nèi)容〔日增量〕需要衛(wèi)星去鏡象落地？北京應用物理與計算數(shù)學研究所聯(lián)合國家圖書館，在對名列前茅的幾家大牌傳媒的日產(chǎn)量進行了考察之后，又研究了某些典型中、小媒體的日增量，得出一個猜想：全國主流傳媒的日增量小于30GB如果這個猜想能夠得到證實，就能證明通過衛(wèi)星播送與鏡象收存實現(xiàn)網(wǎng)格的理想是現(xiàn)實可行的。順便向大家報告，西南科技大學和綿陽九洲公司已經(jīng)在2004年度內(nèi)完成了大規(guī)模碼分并播研究的地面實驗工作，證明用一種被稱為“統(tǒng)一內(nèi)容定位”〔UCL〕代碼，可以有條不紊地把數(shù)千傳媒整合在一個DMB載頻上，地面用戶可以用UCL按自己的興趣選擇數(shù)量任意的部份傳媒下載鏡象。我們己經(jīng)非常接近于完成一種文化網(wǎng)格的設想方案?！擦澄幕W(wǎng)格的一種設想方案什么是網(wǎng)格〔Grid〕？說法有很多種，如電力網(wǎng)格、計算機網(wǎng)格、軍用網(wǎng)格等等，不管什么網(wǎng)格，核心思想都是“整合資源，廣泛共享”這八個大字。什么是文化網(wǎng)格？“整合資源、廣泛共享”思想在文化領域內(nèi)的表達。首先，要把分散于各地的文化資源整合起來。不僅是為了改變媒體資源互不相連的“孤島”或“煙囪”狀況，而且要形成“一體化”的“普適”〔pervasive〕界面，只要同這一個界面打交道，任何人都很容易找到適合于自己的讀物。其次是全社會廣泛享用。所謂廣泛，指網(wǎng)格一旦建成，就能在物理層面上克服數(shù)字鴻溝，讓全國960萬平方公里的城市鄉(xiāng)村都有可能享用。請見圖3，第一步，利用IP協(xié)議，把分散于全國各地的幾千個網(wǎng)站當天的新鮮網(wǎng)頁聚集于播送中心，形成一體化的普適資源；第二步，通過衛(wèi)星碼分并播的BP協(xié)議，把普適資源散發(fā)到全國城鄉(xiāng)，實現(xiàn)遍布式鏡象存儲；第三步，再依靠IP協(xié)議，讓已存儲的內(nèi)容對最終用戶實現(xiàn)雙向互動的按需效勞，構成IP-BP-IP的網(wǎng)格結構。DMBDMB主流資源碼分并播播送信道幾千種文化傳媒通過UCL鏡象存儲數(shù)億用戶雙向互動TVTVTVPCNCNCNC〔圖3〕文化網(wǎng)格的初步設想。鏡象存儲器同最終用戶幾乎是“零距離”，沒有帶寬瓶頸，雙向互動本錢極低。采用PC機作為終端的用戶，可以利用機內(nèi)硬盤作為鏡象存儲器。采用電視機作為終端的用戶，可以假設干臺電視機共用一臺帶硬盤的效勞器，現(xiàn)有的模擬電視機只需嵌入一個很簡單的NC〔網(wǎng)絡計算機〕，就可以通過無線或有線的小局域網(wǎng)與效勞器雙向互動。效勞器與各NC之間，可以按清華大學張堯?qū)W教授提出的“主動效勞與透明計算”的方法實現(xiàn)普及化運作。大容量存儲器的本錢過高，是阻礙實現(xiàn)圖3理想的一個障礙。這幾年，隨著存儲密度的進步，硬盤售價持續(xù)下降，市面上800GB硬盤