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老教授漫谈计算机学科发展 CCF YOCSEF——专题论坛 关键词:计算机学科 软件工程 发展历史 老教授们激情燃 烧的学术生涯既是对 一段历史的见证,更 是可供我们后生学习 与挖掘的宝贵经验财富 。 学习和了解历史可让 我们更好地展望未来。 关于计算机学科的发 展这一话题,一直为我 们所关注。计算机学科 的发展历史是怎样的? 对现在年轻的一代也 许还有很多未人所知。围绕这一问题,CCF YOCSEF 于 2012 年 6 月 3 日在湘潭举办了 “老教授漫谈计算机学科发展”的专题论坛。 论坛邀请了加拿大皇家学会院士、工程院院 士、IEEE Fellow、ACM Fellow,加拿大渥太 华大学 Gregor v. Bochmann 教授,国防科技 大学原副校长齐治昌(演讲题目《软 件 工 程学 科与教育 》),国防科学技术大学吴 泉源教授(演讲题目《加强信息网络技术 研究,推动计算机学科发展》)三位同龄 老专家为特邀嘉宾。三位老专家根据自身经 历从程序语言与通信协议研究、软件工程学 科与教育以及信息网络技术研究等方面同 大家一起进行了回顾与深入探讨。

程序语言与通信协议研究

加拿大渥太华大学 Gregor v. Bochmann

康国胜 刘建勋 湖南科技大学

教授的演讲题目为“Research issues in the areas of programming languages and communication protocols: A life long experience since the 1970s”。演讲主要内容 总结为如下三个方面: 1)程序设计语言回顾 上 世 纪 50 年 代 出 现 了 Fortran、Cobol、Algol、Lisp 几种最初的高级 计算机语言;于是,到 60 年代有了计算机 语言和编译器的相关理论,同时有了对操 作系统、资源共享和分时系统的研究;到 70 年代,开始对计算机网络进行研究,实现 了对远程计算机的访问,同时出现了支持 并发进程的计算机语言;80 年代,随着计 算机语言的进一步发展,出现了面向对象 编程语言。此时,伴随着超媒体技术的发展, 出现了各种多媒体系统,如:电视、电话等。 同阶段,人工智能已发展到以推理技术、知 识获取、自然语言理解和机器视觉研究为主 的阶段,当时日本研制出了第 5 代计算机 专 家 系 统 , OSI (Open System Interconnection) 协议标准也是在这一时期 形 成 的 ; 90 年 代 , 大 规 模 用 户 使 用 Internet;2000 年后,Web 2.0 也进入了大 规模应用阶段。无线网络、P2P 系统有了新 的发展,同时开放源代码得到了持续的发 展。


2)计算机科学发展的重要因素 上世纪中期后,计算机科学的飞速发 展主要有以下几个因素:1、摩尔定律。它 是由英特尔名誉董事长戈登·摩尔经过长期 观察发现提出的,其内容为:集成电路上 可容纳的晶体管数目,约每隔 18 个月便会 增加一倍,性能也将提升一倍,这一定律 揭示了信息技术进步的速度。数字网络中的 传输带宽也有类似的发展定律。2、抽象接 口。随着抽象接口这一思想的提出,带来了 一系列诸如程序调用接口(面向对象、远程 过程调用等)、基于构件的软件设计与重用、 分层系统架构(如:操作系统、通信协议 等)等相关技术的发展。3、虚拟化技术。虚 拟化是资源的逻辑表示,它不受物理限制 的约束,如虚拟机、虚拟内存,虚拟链接 (通信服务)、虚拟中断、计算机仿真、云计 算等。资源可以是各种硬件资源,如 CPU、 内存、存储、网络;也可以是各种软件环境, 如操作系统、文件系统、应用程序等。虚拟化 的主要目的是对基础设施、系统和软件等 IT 资源的表示、访问和管理进行简化,并为这 些资源提供标准的接口来接收输入和提供 输出。虚拟化的使用者可以是最终用户、应 用程序或者服务。4、标准化。国际或国家组 织在计算机科学技术上的标准化使得基础 设施能更好地重用和兼容,同时也增加了 工业界和企业界的竞争,使得成本减低、应 用增值。 3)研究成果与研究问题 程序语言与通信协议的研究目前已有 相当成熟的理论。Gregor v. Bochmann 教授 通过改编语义属性的概念对程序语言的语 义方面的形式化做出突破性的研究工作。同 时,在通信协议方面,Gregor v. Bochmann 教授对通信协议的描述、验证、实现和测试 做了大量的实质研究,为通信协议及其标 准化的系统开发奠定了基础,他在通信协 议方面的多项研究已在实际中得到了广泛 的应用。他的研究成果至今产生着的巨大的 影响,具体的研究成果主要体现以下几个 方面:通信协议的层次架构、分布式系统的 模型验证、UML 的符号表示及相关工具、基 于 模 型 的 系 统 开 发 。 期 间 , Gregor v.

Bochmann 教授与很多学者进行过合作,如: 1974 年,他与 Louis Pouzin 一起合作分析 交替比特协议,提出了关于协议验证的可 达性分析方法。同时,利用同样的方法对 X.25 协议进行了验证;1977 年,他和 Jan Gecsei 合作提出了可扩展的状态机模型; 他还和 Carl Sunshine 一起研究了协议和服 务的形式化表示等等。 Gregor v. Bochmann 教授指出程序语言 在发展过程中主要经历了两大方面的研究 问题:1、程序语言的定义。程序语言是一组 用来定义计算机程序的语法规则。程序语言 的语法规则不断扩充和丰富,发展到今天 的高级程序设计语言。高级语言的出现使得 计算机程序设计语言不再过度倚赖某种特 定的机器或环境。因为高级语言在不同的平 台上会被编译成不同的机器语言,而不是 直接被机器执行。程序语言在发展过程中出 现了各种程序语言:面向过程调用和递归 的语言(Algol、LISP)、面向对象和垃圾回 收机制的语言(Simula、Smalltalk、JAVA)、 非常高级的语言(APL、Setl)。2、描述技术 与语言处理。包括程序语言语法、词法和句 法分析、自动的编译书写系统、程序语言语 义的定义。对语言的处理主要是使用语义属 性来定义语言的语义。而通信协议是计算机 通信或网络设备的共同语言,使得计算机 之间可相互通信。通信协议的发展经历了协 议的标准化到统一制造商的协议架构再到 协议的应用这一系列问题。因此,通信协议 的发展促进了计算机网络的发展。20 世纪 70 年代左右,出现了以美国的 ARPANET 网络、英国的 NPL 网络和法国的 Cyclade 网 络为代表的最初的实验计算机网络。之后, 计算机网络随着通信协议的标准化和企业 应用的驱动得到迅速的发展。

软件工程学科与教育


软件工程的发展伴随着计算机体系结 构的发展而逐渐发展。随着软件工程的发展, 需要重新认识“软件和软件工程”的定义。 一般认为软件是能够完成特定功能和性能 的程序,及相关的数据和文档,即:软件= 程序+数据+文档,程序=算法+数据结构。然 而,上述理解忽略了软件是知识载体的特 征,应扩充为:软 件 =知 识 +程 序 +数 据 +

在网以及图像显示二维到三维的发展提供 了良好的支撑。其次是丰富多彩的社会需求, 主要体现在以下方面:在强大的硬件环境 支持下,信息时代的软件工程要为国民经 济和社会信息化提供高质量的软件;机械、 冶金、交通、轻纺等现有产业的信息技术改 造;金融、商贸、物流、电子商务等领域的信 息化服务;电子政务、教育、科研、卫生等社 会事业的信息化水平提高;生活类电子产 品丰富人类文化生活;动漫产业和数字电 影的发展;按照新军事变革的要求,建设 信息化军队等等。当前我国软件工程的主要 任务是发展基础软件、嵌入式软件和面向领 域的应用软件。为此,国家对软件工程的发 展高度重视。2000 年 6 月 24 日国务院出台 的《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若 干政策》(简称 18 号文),中国软件产业 进入了快速发展的黄金十年。2011 年 1 月 28 日国务院发布了 18 号文的延续和升级——

文档。而通常,我们认为软件工程是将系统 的、规范的、可度量的方法应用于软件的开 《进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展 发、运行和维护的过程,侧重于工程的实施。 的若干政策》(简称 4 号文),该政策催生 然而,这一项工程的实施需要理论和方法 中国软件产业步入第二个黄金十年。同时, 的指导,因此软件工程的定义应该加上对 随着数字信息的爆炸式增长,软件工程面 上述方法的研究,使得软件工程成为一个 临着构建超大复杂系统的挑战,如:物联 完整可实施的体系。 网、云计算、典型的软件服务系统和超大系 1)软件工程的回顾与挑战 统的构建。 当今信息社会的创建与发展依靠软件, 2)软件工程学科 而软件的开发与应用则依靠软件工程。影响 软件工程发展的要素繁多,其中关键要素 主要包括:软件方法学和工具、人和团队、 软件项目管理和过程改进、桌面计算技术、 平面显示器、微电子芯片、网络、投入市场时 间和社会需求。在现今信息时代,计算机世 界应该为现实世界服务,而现实世界反过 来则映照计算机世界。从领域的需求到设计 分析,再到编码实现,最后到软件的运行 形成了信息时代的软件工程过程。 在这个新时代,软件工程将遇到新的 机遇和挑战。首先是强大的硬件环境。目前, CPU、GPU、SOC 各种芯片均已在市面上得 到了应用,体积越做越小,性能越来越高。 且据预计,2022 年与 2007 年相比特征尺寸 将缩减 11/13,集成度增长 31 倍,时钟频 率提高 2.05 倍。同时,强大的硬件环境为泛

计算机学科慢慢发展成为计算学科,涵 盖了更多的领域和知识域。之间经历了三个 过程:1965-1990,计算(机)学科形成与 发展;1991-2000,计算学科的形成;20012005,计算学科的发展。那么,计算学科毕 业生应具备哪些能力呢?我们希望毕业生 能够具备以下某一种或几种或更多的能力 1、算法;2、计算机程序设计;3、应用构造; 4、应用程序的设计与使用;5、硬件/设备的 设计与实现;6、人机界面创建;7、信息系 统开发;8、数据库系统开发;9、制定 IT 计 划;10、设计、实现智能系统;11、开发、管 理网络和通信系统。其中,计算机程序设计 的能力包括:小规模程序设计 、大规模程序设计、系统程序设计、开发新的 软件系统、创建安全攸关系统、管理安全攸 关项目。对于硬件/设备的设计与实现方面


的能力包括:设计嵌入式系统、实现嵌入式 系统、设计计算机外围系统、设计复杂传感 器系统、设计芯片、芯片编程、设计计算机。 而软件工程学科是计算学科的一个方向, 它的创建需要具备以下三方面的条件:创 建学科知识体、培养的人有明确的就业岗位、 没有其他学科可替代,同时得到学术界的 公认。其中,学科知识体包含三个层次结构: 知识领域、知识单元和知识点。软件工程知 识体(SWEBOK)包含了丰富的知识域, 其中大致可分为十个知识域:软件需求、软 件设计、软件构造、软件测试、软件维护、软 件配置管理、软件工程管理、软件工程过程、 软件工程工具和方法、软件质量。软件工程 学科是通用学科,传统软件工程以计算机 科学为基础,涉及计算机工程、数学、管理 工程、管理学、系统工程、项目管理等学科。 而信息时代的软件工程涉足的应用领域广 泛,构建超大系统需要物理学、微观经济学、 生物学、社会学、城市规划、人类学、博弈论 等学科的支持。2011 年,经国务院学位委员 会批准我国建立软件工程一级学科。 3)软件工程教育 软件工程教育 知 识 体 ( SEEK ) 分为三个层次结 构,如右图所示。 从 右 图 可 看 出 SEEK 与 SWEBOK 的不同之处。软件工程本科毕业 生应具备的能力和计算学科相比有其特殊 的侧重点,主要包括:小/大规模/系统程序 设计、开发新的软件系统、创建安全攸关系 统、管理安全攸关项目、创建软件用户界面、 开发图形和游戏软件、实现信息系统、设计 数据库管理系统、实现信息修复软件、实现 自动推理系统、实现智能系统、实现通信软 件。SEEK 的应用知识域包括各种应用系统 开发技术。 然而,软件工程教育还需进一步扩展和 创新,需要有鲜明的领域特色。同时,要加 强计算机科学基础教育。因此,软件工程教 育要走专业与普及相结合的道路,同时也 要重视安全问题对软件工程教育的挑战。

信息网络技术与云计算漫步

胡锦涛主席于 2010 年 6 月 7 日在两院 院士大会上指出,信息网络技术的广泛应 用不断推动生产方式发生变化,互联网、云 计算、物联网、知识服务、智能服务的快速发 展为个性化制造和服务创新提供了有力工 具和环境。会上,胡主席指出要大力发展信 息网络科学技术,以信息化带动工业化, 发展和普及互联网技术,并按照可靠、低成 本信息化的要求,构建泛在的信息网络体 系,使基于数据和知识的产业成为重要新 兴支柱产业,推进国民经济和社会信息化。 由此可看出政府对信息网络化构建的高度 重视。 1)云计算漫步 云计算(Cloud Computing)作为一种 新的信息网络模式,将计算任务分布在由 大量计算机所构成的资源池(云)上,使 各类应用系统能根据需要从(云)中获取 计算能力、存储空间和各种数据与软件服务。 云计算是互联网上一种创新的网络计算商 业模式。从用户角度看,在云计算模式下, 用户不再关心如何根据自己的业务需求去 购买服务器、软件和解决方案,而只需关心 如何通过互联网从云端获取能满足自己需 要的各种信息资源服务。从系统角度看, “分久必合”,云计算把分布在网络上的各 种基础设施、平台、应用软件等计算资源逻 辑上整合在一起,聚集到称为资源池的云 中加以集中管理,并以虚拟化的服务方式 向外发布。 作为软件服务化、计算虚拟化、位置透 明化、终端普适化的一种商业模式,云计算


的服务设施不受客户端的局限,其规模和 能力也就不可估量,它把用户的计算任务 从桌面延伸到了互联网。云计算之所以用 “云”描述计算,是因为计算设施不在本 地而在网络中,用户不需要关心这些设施 所处的具体位置,于是就用网络图中常用 的一朵云来代替了。在云计算模式下,应用 所需的大量资源尽管远在称为“资源池” 的云端,却犹如近在身边,尽管不为我所 有,但能为我所用,因而客户的数据不怕 丢失,应用无需下载,客户也不会受到云 层中的资源升级以及网络演化的影响。 2)云计算与网格计算的区别 云计算与曾风云一时的网格计算 (Grid Computing)均属于网络计算,尽管 它们在许多技术上是相通的,但是,云计 算比起网格计算有许多明显的优点。逻辑结 构:松散耦合、无限可扩展,更能适应网络, 特别是互联网的开放性;处理对象:以数 据处理和信息服务为主,更符合当前信息 技术的主流应用;功能上:面向随需自助 服务,更能满足不同用户的服务需求。特别 是,云计算模式来自主导计算机技术发展 的商业社会,它可望成为具有强大生命力 的一种网络计算创新应用模式。对于这种创 新应用模式,有人甚至认为:未 来 计 算 = 云计算+端计算+浏览器。 3)云计算技术 从技术上看,云计算是资源聚合、虚拟 化、服务化和效用计算等技术跃升的产物, 即:云计 算 =资源 聚 合 +虚拟 化 +服务 化 + 效用计算。其中,资源聚合是云计算的基 础 , 虚拟 化 是 云计 算 的 核心 , 服 务化 是 云 计 算的 灵 魂 ,效 用 计 算则 是 云 计算 的 宗旨。资源聚合和资源池的构建,需要进行 多层次的系统集成与资源共享的技术研究 特别要关注海量数据存储、资源按需聚合等 技术。虚拟化是将实体计算资源进行逻辑抽 象而创建虚拟计算资源的过程。虚拟资源通 常比实体资源具有更丰富的功能、更灵活的 可配置性或更友善的应用接口,因而更适 于应用。云服务分为基础设施即服务、平台 即服务和软件即服务。因此,服 务 化是 当 今信息社会资源共享的主要商业模式 ,

也 是 云 计 算 的 灵 魂 ,构 成 了 云 计 算 的 基 本 概 念 框 架 。效 用 计 算 或 多 承 租 效 用 计 算 是 云 计 算 的 重 要 特 点 。云 计 算 的 宗 旨 是要最大限度地发挥聚合资源的作用 , 为多租户提供优质的共享服务。 4)如火如荼的云计算 目前,云计算不再是一个新的概念和 话题。我国云计算得到了从企业到用户,从 科学家到政府的热捧。我国政府,包括国家 发改委、工信部、科技部,以及地方各级政 府,在国民经济和社会发展信息化“十二 五”规划中,云计算都列入了重点工程的 主要建设内容。针对云计算,我国已成立专 门的学术组织,每年都有专业性的学术年 会。不少知名 IT 企业,如中国移动、中国电 信、华为、腾讯、阿里巴巴等信息网络服务供 应商都已投入重兵,整合资源,有的还成 立了云专业公司或云计算中心。IBM 公司也 在我国无锡成立了 IBM 中国云计算中心。 正是风起云涌,一派五彩缤纷的景象。

结语 社会的应用需求永远是牵引计算机 学科发展的不竭动力。其中,企业是技术 创新的主体。IT 的企业家们主导着信息技术 和计算机技术的发展。同时,国民经济与社 会发展信息化呼唤信息网络科学技术。从智 慧地球,感知中国,到数字城市,以网络 化、普适化、智能化软件服务为核心的云计 算和物联网,正在开创软件服务工程与信 息网络技术应用的创新模式。

致谢 本次活动由湖南省海外名师项目资助。 感谢本次论坛的特邀讲者:加拿大渥太华 大学教授,加拿大皇家学会院士、工程院院 士 、 IEEE Fellow 、 ACM Fellow Gregor v. Bochmann,国防科技大学计算机学院教授, 博士生导师齐 治 昌 ,国防科学技术大学计 算机学院教授,博士生导师吴 泉 源 ,以及 国防科技大学计算机学院教授毛 新 军 ,湖 南大学信息科学与工程学院教授李 肯 立 等 嘉宾。


康国胜 CCF 学生会员,湖南科技大 学助理研究员。主要研究方向 为服务计算与云计算。 guoshengkang@gmail.com

刘建勋 CCF 会 员 , YOCSEF 长 沙 主 席。湖南科技大学教授。主要 研究方向为服务计算与云计 算、工作流管理的理论与应用 知识与语义网格等。 ljx529@gmail.com

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