無尺度現(xiàn)象引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)變革解讀

無尺度現(xiàn)象引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)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(luò)網(wǎng)絡(luò)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(duì)網(wǎng)絡(luò)的反作用。十幾年之前，web效勞進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)，開始了網(wǎng)絡(luò)的文化應(yīng)用。正是從那個(gè)時(shí)候起，互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)站與網(wǎng)民才開始快速增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)才有興旺興旺的今天。這是人類的文化活動(dòng)影響網(wǎng)絡(luò)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(xué)家A.L.Barabasi等人用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)，文化活動(dòng)悄悄改變著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作的數(shù)學(xué)模型，由原先正態(tài)分布的隨機(jī)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(diǎn)解釋。原來，理論家把龐大復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，分解為“節(jié)點(diǎn)”〔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(diǎn)”，內(nèi)容在節(jié)點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)稱為“連接”。一個(gè)網(wǎng)站的社會(huì)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(gè)網(wǎng)站很長(zhǎng)時(shí)間也沒有人來連接，說明網(wǎng)站的社會(huì)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(duì)網(wǎng)站的訪問，可以說是獨(dú)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(jì)實(shí)驗(yàn)之前，科學(xué)家預(yù)測(cè)，連接數(shù)k應(yīng)當(dāng)服從泊松分布或正態(tài)分布，即每個(gè)網(wǎng)站的被訪問量差異不會(huì)太大，就像人類身高差異不會(huì)太大那樣。然而，實(shí)測(cè)結(jié)果推翻了這個(gè)預(yù)測(cè)。Barabasi等人設(shè)計(jì)了一種軟件，可以從一個(gè)節(jié)點(diǎn)跳到另一節(jié)點(diǎn)，收集并記錄網(wǎng)上的所有連接。在對(duì)幾十萬個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)之后，發(fā)現(xiàn)了令人驚異的結(jié)果：當(dāng)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(shè)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(diǎn)連接數(shù)大大超出普通節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以用冪次定律表達(dá)：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(gè)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(zhǎng)時(shí)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(duì)社會(huì)奉獻(xiàn)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(jì)物理學(xué)家習(xí)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(dòng)已使萬維網(wǎng)演化成為無尺度網(wǎng)絡(luò)〔scalefreenetwork〕。我們?cè)趯?shí)際網(wǎng)絡(luò)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(gè)，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(shí)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(bào)紙、期刊、通訊社、電臺(tái)之類的專業(yè)“網(wǎng)絡(luò)傳媒”。在某種意義上可以說，正是網(wǎng)絡(luò)傳媒的客觀存在，影響了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作的數(shù)學(xué)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(luò)、細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)甚至人際網(wǎng)絡(luò)中均有表達(dá)?？梢哉f，凡有生命的地方，有進(jìn)化、有競(jìng)爭(zhēng)的地方都有不同程度的表達(dá)。社會(huì)學(xué)家所說的“馬太效應(yīng)”，《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?！捕碂o尺度現(xiàn)象的信息學(xué)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(luò)的成長(zhǎng)性是兩個(gè)起因。所謂成長(zhǎng)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(shí)間的演進(jìn)，某些熱門的網(wǎng)站愈加熱門，不知名的網(wǎng)站愈加冷門。計(jì)算機(jī)仿真可以演示驗(yàn)證，萬維網(wǎng)如何由相對(duì)均衡分布的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)逐漸演化為極不均衡分布的無尺度網(wǎng)絡(luò)。哲學(xué)家解釋：存在決定意識(shí)。某人選擇連接某一網(wǎng)站，雖然是一種個(gè)人意識(shí)。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(gè)人意識(shí)。大量的統(tǒng)計(jì)，把深藏于個(gè)性中的共性強(qiáng)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(duì)立統(tǒng)一”的例證，一點(diǎn)也不值得奇怪。以DNA作例子，DNA雖然是個(gè)性的標(biāo)志，但人與人之間的碼元，99%以上是相同的，說明個(gè)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(rèn)識(shí)到，信息社會(huì)同時(shí)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(shí)間快速成長(zhǎng)，使得萬維網(wǎng)成為名符其實(shí)的全球范圍內(nèi)的巨大網(wǎng)羅〔worldwideweb〕。另一方面，每個(gè)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(gè)不隨時(shí)間變化的小世界。大世界與小世界之間，技術(shù)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(shí)在難以分別直接面對(duì)。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(duì)這個(gè)統(tǒng)一的中間代理表達(dá)自己的需求，有興趣的內(nèi)容又會(huì)通過中間代理主動(dòng)地流入自己的家中?！爸虚g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(gòu)成群體。由數(shù)百或數(shù)千資源構(gòu)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(jìn)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(fù)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(duì)信息共享認(rèn)識(shí)上的一次突破。在此之前，人類習(xí)慣于用“信息公路”比喻網(wǎng)絡(luò)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(dāng)前不少專家仍舊認(rèn)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(rèn)為，必須用科學(xué)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(yùn)輸?shù)膱D形差異，來說明隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無尺度網(wǎng)絡(luò)的差異。〔圖1〕〔引用《科學(xué)》第七期47頁的圖〕也就是說，無尺度現(xiàn)象鼓勵(lì)我們?nèi)ふ乙环N沒有帶寬瓶頸、不限制網(wǎng)民人數(shù)的個(gè)性化效勞機(jī)制，把web效勞推向一個(gè)全新高度。當(dāng)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(jí)文化群體的靈感。只要把幾千個(gè)甚至幾百網(wǎng)站整合起來，就可以形成滿足社會(huì)上絕大多數(shù)人群需求的“普適化”主流媒體；如果技術(shù)上想出方法，能讓主流群體普及下去，普及到每個(gè)村莊或家庭，就可以在普及數(shù)字文化的進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)歷史性跨躍。下面簡(jiǎn)單介紹目前國人正在做的一些工作。北京應(yīng)用物理與應(yīng)用數(shù)學(xué)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(shí)測(cè)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(xué)模型，驗(yàn)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(dāng)99.5以上的網(wǎng)站連接數(shù)均低于100次時(shí)，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。可見，網(wǎng)站的社會(huì)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(gè)〕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(gè)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(gè)網(wǎng)站，相當(dāng)是把全國最有影響力的報(bào)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(gè)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(jí)傳媒。如果我們能用現(xiàn)代科技手段，在2015年之前把這個(gè)巨無霸式的超級(jí)傳媒向全國傳播，對(duì)重振中華文化將有難以估量的戰(zhàn)略意義?！菜摹称占皵?shù)字文化的網(wǎng)格年代人們把計(jì)算機(jī)的普及劃分為Net、Web和Grid三個(gè)時(shí)代。如圖2所示，縱座標(biāo)p為普及指數(shù)〔pervasiveindex〕，代表參加聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)總數(shù)與人口總數(shù)之比?！矆D2，〕在互聯(lián)網(wǎng)誕生初期的Net時(shí)期，網(wǎng)絡(luò)僅僅作為科學(xué)家之間的一種聯(lián)絡(luò)工具，聯(lián)系數(shù)量不多的計(jì)算機(jī)。這個(gè)時(shí)期平均每一萬人才有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，p值小于萬分之一。九十年代之后，Web的應(yīng)用開始了網(wǎng)絡(luò)的公眾認(rèn)可期，萬維網(wǎng)作為搜尋信息的文化工具，采用一對(duì)多的client/server結(jié)構(gòu)，p值躍升到0.01至0.1。2005年之后，將逐漸進(jìn)入廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)的Grid〔網(wǎng)格〕時(shí)代，目標(biāo)是全人口通過計(jì)算機(jī)共享信息，采用pervasive/Grid結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)成為一種普及化的工具，聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)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(rèn)識(shí)信息共享與物質(zhì)共享存在本質(zhì)差異，認(rèn)識(shí)到普及數(shù)字文化不應(yīng)該像今天這樣艱難，為網(wǎng)格理想的早日實(shí)現(xiàn)堅(jiān)決了信心。下面我們將進(jìn)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(shù)手段，利用中間緩存環(huán)節(jié)，對(duì)最終用戶構(gòu)成雙向互動(dòng)的機(jī)制，就可以形成“規(guī)模無上限”的個(gè)性化效勞網(wǎng)格?！参濉承l(wèi)星播送定比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果2004年六月，清華大學(xué)力合公司接受我們的建議，通過衛(wèi)星進(jìn)行碼分并播定比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。把0.5Mbps再劃分為16個(gè)子信道，每個(gè)子信道32kbps。每一個(gè)子信道分工傳輸一種文化傳媒〔一種報(bào)紙，一個(gè)網(wǎng)站或一門課件〕，看每24小時(shí)能把多少字節(jié)的文化內(nèi)容無過失地送到全國各地。實(shí)驗(yàn)說明：在三遍以上重覆播送條件下，每個(gè)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(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器每天有能力把總數(shù)達(dá)100GB以上的文化內(nèi)容無過失在全國鏡象落地。這是一個(gè)十分鼓舞人心的數(shù)據(jù)。因?yàn)椋覈呀?jīng)在本世紀(jì)初根本完成“播送電視村村通”工程，只要把當(dāng)今的視頻內(nèi)容改為符合多媒體格式的報(bào)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(bào)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(jī)。剩下來需要答復(fù)的問題是：上千種報(bào)刊、網(wǎng)站，每24小時(shí)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(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所聯(lián)合國家圖書館，在對(duì)名列前茅的幾家大牌傳媒的日產(chǎn)量進(jìn)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(gè)猜想：全國主流傳媒的日增量小于30GB如果這個(gè)猜想能夠得到證實(shí)，就能證明通過衛(wèi)星播送與鏡象收存實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的理想是現(xiàn)實(shí)可行的。順便向大家報(bào)告，西南科技大學(xué)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shè)想方案。〔六〕文化網(wǎng)格的一種設(shè)想方案什么是網(wǎng)格〔Grid〕？說法有很多種，如電力網(wǎng)格、計(jì)算機(jī)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(gè)大字。什么是文化網(wǎng)格？“整合資源、廣泛共享”思想在文化領(lǐng)域內(nèi)的表達(dá)。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(gè)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(huì)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(qǐng)見圖3，第一步，利用IP協(xié)議，把分散于全國各地的幾千個(gè)網(wǎng)站當(dāng)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(shí)現(xiàn)遍布式鏡象存儲(chǔ)；第三步，再依靠IP協(xié)議，讓已存儲(chǔ)的內(nèi)容對(duì)最終用戶實(shí)現(xiàn)雙向互動(dòng)的按需效勞，構(gòu)成IP-BP-IP的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。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(chǔ)數(shù)億用戶雙向互動(dòng)TVTVTVPCNCNCNC〔圖3〕文化網(wǎng)格的初步設(shè)想。鏡象存儲(chǔ)器同最終用戶幾乎是“零距離”，沒有帶寬瓶頸，雙向互動(dòng)本錢極低。采用PC機(jī)作為終端的用戶，可以利用機(jī)內(nèi)硬盤作為鏡象存儲(chǔ)器。采用電視機(jī)作為終端的用戶，可以假設(shè)干臺(tái)電視機(jī)共用一臺(tái)帶硬盤的效勞器，現(xiàn)有的模擬電視機(jī)只需嵌入一個(gè)很簡(jiǎn)單的NC〔網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)〕，就可以通過無線或有線的小局域網(wǎng)與效勞器雙向互動(dòng)。效勞器與各NC之間，可以按清華大學(xué)張堯?qū)W教授提出的“主動(dòng)效勞與透明計(jì)算”的方法實(shí)現(xiàn)普及化運(yùn)作。大容量存儲(chǔ)器的本錢過高，是阻礙實(shí)現(xiàn)圖3理想的一個(gè)障礙。這幾年，隨著存儲(chǔ)密度的進(jìn)步，硬盤售價(jià)持續(xù)下降，市面上800GB硬盤