摘要:在云計(jì)算的研究和應(yīng)用中一些熱點(diǎn)問題比較突出，如：如何理解計(jì)算資源及其虛擬化、云計(jì)算與網(wǎng)格計(jì)算的差異、云計(jì)算中心與高性能計(jì)算機(jī)的關(guān)系、云安全和云標(biāo)準(zhǔn)等。文章對此給出了一些見解：計(jì)算資源的虛擬化促使信息服務(wù)走向規(guī)?；⒓s化和專業(yè)化；網(wǎng)格計(jì)算是“多為一”，而云計(jì)算是“一為多”；部署于高性能計(jì)算中心的高性能計(jì)算機(jī)未必適合云計(jì)算；云安全已經(jīng)將傳統(tǒng)安全問題發(fā)展為服務(wù)方和被服務(wù)方之間的信任和信任管理問題；在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，云計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)將需更加關(guān)注服務(wù)的互操作等。

關(guān)鍵字:云計(jì)算；虛擬化；網(wǎng)格計(jì)算；云安全；云標(biāo)準(zhǔn)

英文摘要:In the study of cloud computing and its applications, topics such as understanding computing resource utilization, differences between grid and cloud computing, relationship between high performance computers and the cloud computing centre, and security and standards have attracted intense research interest. This paper analyzes these topics and concludes that virtualization provides Internet users with intensive, large-scale professional services; grid computing involves utilizing many computers for one large-scale computing task, while cloud computing involves one platform for many services. A high performance computer in the high performance computer center may be unsuitable for a cloud computing; security in cloud computing focuses on trust and trust management between service suppliers and consumers; and based on existing standards in cloud computing, new standards should be developed to realize interoperability between services.

英文關(guān)鍵字:cloud computing; virtualization; grid computing; security of cloud computing; standards of cloud computing

作為一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大眾參與的計(jì)算模式，云計(jì)算以服務(wù)的方式提供計(jì)算資源(包括計(jì)算能力、存儲能力和交互能力等)，形成了一種動態(tài)可伸縮虛擬化的新型計(jì)算資源組織、分配和使用模式。這種模式使得計(jì)算資源成為向大眾提供服務(wù)的社會基礎(chǔ)設(shè)施，與傳統(tǒng)利用桌面計(jì)算資源的模式有很大不同，將可能會對信息技術(shù)本身及其應(yīng)用產(chǎn)生深刻影響。軟件工程、網(wǎng)絡(luò)與端設(shè)備的資源配置、獲取信息與知識的方式等[1]，無不因云計(jì)算的發(fā)展而產(chǎn)生重要變化。自從2007年云計(jì)算概念被提出以來，經(jīng)過科研和產(chǎn)業(yè)界一段時(shí)間的推進(jìn)，云計(jì)算正在逐步從理想走向?qū)嵺`。但是，也正因?yàn)樵朴?jì)算所產(chǎn)生的影響將會非常深刻，其技術(shù)手段和實(shí)現(xiàn)方法的完善必將會是一個較為長期的發(fā)展和演進(jìn)過程。云計(jì)算有一些重要的基本熱點(diǎn)問題正在被廣泛討論[2-7]，涉及云計(jì)算的技術(shù)基礎(chǔ)、服務(wù)模式和商業(yè)運(yùn)作等各方面。本文從對計(jì)算資源虛擬化的理解、網(wǎng)格計(jì)算與云計(jì)算的差異、云計(jì)算中心與高性能計(jì)算機(jī)的關(guān)系、云安全和云標(biāo)準(zhǔn)等熱點(diǎn)入手加以探討并發(fā)表看法。

1 計(jì)算資源虛擬化問題

維基百科將虛擬化定義為“對計(jì)算資源的抽象[8]”。從技術(shù)的發(fā)展歷史來看，虛擬化技術(shù)早已存在。如操作系統(tǒng)弱化了軟件應(yīng)用環(huán)境與硬件平臺之間的依賴，甚至完全隔離；中間件弱化了應(yīng)用軟件對軟件運(yùn)行的依賴，甚至完全隔離；它們都可以說是采用了虛擬化技術(shù)。進(jìn)一步，在由單機(jī)向互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境轉(zhuǎn)變的背景下，虛擬化技術(shù)催生了云計(jì)算的雛形。如Web郵箱通過瀏覽器收發(fā)和管理海量的電子郵件，而郵箱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)被虛擬化了；搜索引擎服務(wù)于個性化搜索請求，但是搜索和匹配的細(xì)節(jié)被虛擬化了；網(wǎng)絡(luò)相冊用于存儲和分享照片，而存儲中心的動態(tài)管理被虛擬化了；網(wǎng)上開店已成為我們的日常生活，而網(wǎng)上交易、支付被虛擬化了等等。

我們可以將虛擬化的對象——計(jì)算資源歸納為3個主要類別：計(jì)算能力、存儲能力和交互能力，恰好對應(yīng)于傳統(tǒng)的單臺計(jì)算機(jī)的CPU、存儲和輸入輸出等資源。但是計(jì)算資源虛擬化促使我們不能單純地把計(jì)算看作是主體。若把計(jì)算看作主體，主體就是計(jì)算中心；若把存儲看作主體，主體就是存儲中心；也可以把交互看作主體，而計(jì)算和存儲可為其輔助。大眾用戶可用更加自然的交互方式呈現(xiàn)出個性化服務(wù)的強(qiáng)勁需求，無需關(guān)心特定應(yīng)用軟件的服務(wù)方式，如是否被他人同時(shí)租用；無需關(guān)心計(jì)算平臺的操作系統(tǒng)以及軟件環(huán)境等底層資源的物理配置與管理；無需關(guān)心計(jì)算中心的地理位置。分別滿足于這3方面要求的恰為互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的虛擬服務(wù)：軟件即服務(wù)(SaaS)、平臺即服務(wù)(PaaS)和基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)。由他們實(shí)現(xiàn)動態(tài)可伸縮的計(jì)算資源組織、分配和使用。

互聯(lián)網(wǎng)資源配置的變遷如圖1所示。大量服務(wù)器的使用促使了服務(wù)器托管的出現(xiàn)以減輕各機(jī)構(gòu)自身維護(hù)的成本負(fù)擔(dān)，而簡單的托管并不能對服務(wù)器實(shí)施更好的集約化使用，如果能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬化服務(wù)，將服務(wù)器變成“服務(wù)”，則服務(wù)提供方就可以進(jìn)一步地整合各類計(jì)算資源。

從虛擬服務(wù)的演變過程可以看出，云計(jì)算以服務(wù)的方式提供計(jì)算資源是必然的。這與工業(yè)化革命促使傳統(tǒng)制造業(yè)的大生產(chǎn)向集約化、規(guī)模化、專業(yè)化轉(zhuǎn)變的趨勢極其相似。今天，信息產(chǎn)業(yè)也正在走向信息服務(wù)的規(guī)模化、集約化和專業(yè)化。計(jì)算資源的虛擬化有利于資源的合理配置，并可有效提高利用率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，服務(wù)器的實(shí)際利用率只有15%，而在服務(wù)器集群系統(tǒng)中其利用率則可能提高到80%以上，這甚至直接促進(jìn)了節(jié)能減排和綠色計(jì)算的實(shí)現(xiàn)[9]。

2 云計(jì)算與網(wǎng)格計(jì)算的差別問題

在云計(jì)算的概念被提出之前，網(wǎng)格計(jì)算[10]作為一個熱門研究領(lǐng)域已有10余年歷史，并得到了廣泛關(guān)注。在云計(jì)算剛被提出的一兩年間，不少人的印象是：云計(jì)算在企業(yè)界熱，在學(xué)術(shù)界不熱，而網(wǎng)格計(jì)算則相反，在學(xué)術(shù)界熱，在企業(yè)界不熱。云計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的差別在哪里？概括地講，網(wǎng)格計(jì)算是“多為一”多臺計(jì)算機(jī)構(gòu)成網(wǎng)格，為一個特定的大型計(jì)算任務(wù)服務(wù)；云計(jì)算是“一為多”，互聯(lián)網(wǎng)上一個個集約化、專業(yè)化的云計(jì)算平臺依托網(wǎng)絡(luò)形成規(guī)?；姆?wù)。

網(wǎng)格技術(shù)的開創(chuàng)者Ian Foster將之定義為“在動態(tài)、多機(jī)構(gòu)參與的虛擬組織中協(xié)同共享資源和求解問題”。網(wǎng)格計(jì)算依托專網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，將處于不同地域、不同領(lǐng)域的多個閑散計(jì)算機(jī)資源組織起來，通過統(tǒng)一調(diào)度來組成一臺虛擬的“超級計(jì)算機(jī)”，共同完成一個較為復(fù)雜的任務(wù)，如要求大量計(jì)算處理周期和大量數(shù)據(jù)的科學(xué)計(jì)算問題?？梢?，網(wǎng)格計(jì)算的基本應(yīng)用場景就是將跨地域的、不同所有人的計(jì)算資源結(jié)合起來，以形成更為強(qiáng)大的計(jì)算能力。

云計(jì)算傾向于利用互聯(lián)網(wǎng)上某些節(jié)點(diǎn)強(qiáng)大的計(jì)算資源(包括計(jì)算能力、存儲能力和交互能力等)，以服務(wù)的方式將這些資源變成可被廣大用戶使用的動態(tài)、可伸縮的虛擬資源。云計(jì)算強(qiáng)調(diào)用戶主導(dǎo)、按需服務(wù)、即用即付、服務(wù)完即散。云計(jì)算的基本應(yīng)用場景直接面向互聯(lián)網(wǎng)，通過同一個相對集中的計(jì)算資源池，以服務(wù)來盡量滿足大量的、分散的終端用戶的需求。

兩者最大的相似點(diǎn)在于“資源共享”和“虛擬計(jì)算”，即都強(qiáng)調(diào)以某種虛擬化方法對互聯(lián)網(wǎng)上的資源進(jìn)行共享并提供給用戶，以獲得更合理的資源利用率。關(guān)于其差別，可以將其細(xì)化為5個方面：

(1)云計(jì)算以集群計(jì)算為主，其中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)自主、自治，面向不同服務(wù)對象；網(wǎng)格計(jì)算以并行計(jì)算為主，依托網(wǎng)絡(luò)將跨地域的計(jì)算機(jī)組織起來，并通過統(tǒng)一的調(diào)度系統(tǒng)將作業(yè)分解到不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)中并行處理。

(2)云計(jì)算承認(rèn)異構(gòu)，即承認(rèn)節(jié)點(diǎn)在原理、規(guī)模和能力上的差異性，用服務(wù)的互操作來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的資源共享；網(wǎng)格計(jì)算需要在更高層屏蔽異構(gòu)，即用中間件屏蔽異構(gòu)系統(tǒng)，使用戶面向同一環(huán)境來共享資源。

(3)云計(jì)算面向完成持久性、多樣化的服務(wù)，互聯(lián)網(wǎng)上不同的云計(jì)算中心通常提供大量多樣化的、持久的面向特定領(lǐng)域的服務(wù)；網(wǎng)格計(jì)算往往用于完成一次性特定任務(wù)，且要完成的任務(wù)是預(yù)先設(shè)定的。

(4)云計(jì)算采用商業(yè)式運(yùn)營，即向用戶提供盡力而為質(zhì)量的多租賃的服務(wù)，用戶按租使用、按用付費(fèi)；網(wǎng)格計(jì)算依賴于組織之間的協(xié)作式運(yùn)營，能夠提供帶寬保證、性能保障，沒有明顯的商業(yè)模式。

(5)云計(jì)算更多的是服務(wù)于大眾用戶的需求，大眾參與計(jì)算與交互，相互溝通交流，需具備語義處理、不確定性處理等能力；網(wǎng)格計(jì)算面向科學(xué)計(jì)算任務(wù)，按規(guī)定要求和程序輸入/輸出，存在確定的交互，人通常不主動參與。

可見，云計(jì)算與網(wǎng)格計(jì)算分別適應(yīng)于不同應(yīng)用場景，兩者有著不同應(yīng)用目標(biāo)，在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域和為大眾用戶服務(wù)兩個方向上各自發(fā)揮著潛能。

3 云計(jì)算中心的計(jì)算機(jī)性能問題

云計(jì)算中心以集群計(jì)算為主，其中大量的節(jié)點(diǎn)通過互操作形成面向用戶的虛擬服務(wù)器。但是，目前很多機(jī)構(gòu)已經(jīng)購置高性能計(jì)算機(jī)、搭建起高性能計(jì)算中心。那么，高性能計(jì)算機(jī)是否可應(yīng)用于云計(jì)算中心？云計(jì)算中心是不是高性能計(jì)算中心？高性能計(jì)算機(jī)和云計(jì)算中心的虛擬服務(wù)器之間是什么關(guān)系？

從目前流行的規(guī)?；?、集約化、專業(yè)化的云計(jì)算中心，如Google、Amazon與Salesforce等來看，并沒有使用全球Top10的高性能計(jì)算機(jī)構(gòu)成服務(wù)器集群。據(jù)分析，Google計(jì)算中心的服務(wù)器集群可能是由至少分布在25個地方、超過45萬臺的普通計(jì)算機(jī)組成的，而Amazon和Salesforce的計(jì)算中心則可能分別運(yùn)行著由約10萬臺和千余臺普通計(jì)算機(jī)組成的集群系統(tǒng)[11-12]。正因?yàn)樵朴?jì)算服務(wù)于大眾用戶相對獨(dú)立的需求，服務(wù)器集群用于響應(yīng)不同用戶請求的任務(wù)的依賴性、交叉性也大為降低，這種松耦合的任務(wù)甚至使得云計(jì)算中心可以“使用尼龍拉鏈將計(jì)算機(jī)固定在高高的金屬架上，這樣一旦出現(xiàn)故障便于更換”[13]。但是，通過集群之間的協(xié)作，對于涉及到“微處理器工作幾十億次”和閱讀“幾百兆字節(jié)數(shù)據(jù)”的一個搜索任務(wù)而言，通常仍然可以在零點(diǎn)幾秒內(nèi)即可完成。

高性能計(jì)算機(jī)的服務(wù)對象是各個科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域，應(yīng)用領(lǐng)域集中在能源、制造、天氣預(yù)報(bào)、核爆、流體力學(xué)和天文計(jì)算等[14]。目前排名第一的XT5(Jaguar)高性能計(jì)算機(jī)部署在Oak Ridge National Laboratory，在Linpack測試中獲得了1.75 PFlops的性能分?jǐn)?shù)，采用了近25萬個計(jì)算核心，理論峰值計(jì)算速度可達(dá)2.3 PFlops0。高性能計(jì)算機(jī)重要的追求目標(biāo)是提高計(jì)算處理的速度，在Linpack測試中取得更高的性能參數(shù)。

云計(jì)算中心的服務(wù)往往需要面向大眾用戶的多樣化應(yīng)用，包括大規(guī)模搜索、網(wǎng)絡(luò)存儲和網(wǎng)絡(luò)商務(wù)等，其應(yīng)該更多地具備為數(shù)以千萬計(jì)的不同種類應(yīng)用提供高質(zhì)量服務(wù)環(huán)境的能力，并且能有效地適應(yīng)用戶需求和業(yè)務(wù)創(chuàng)新。與超級計(jì)算中心相比，云計(jì)算完成了從傳統(tǒng)的、面向任務(wù)的單一計(jì)算模式向現(xiàn)代的、面向服務(wù)的規(guī)模化、專業(yè)化計(jì)算模式的轉(zhuǎn)變?？梢?，部署于高性能計(jì)算中心的計(jì)算機(jī)，適合解決要求高并發(fā)計(jì)算的科學(xué)問題，但是未必就適合云計(jì)算模式。

4 云安全問題

資源共享的云計(jì)算，促使人們尤其關(guān)心云安全：我的信息放在你那里安全嗎？

首先云計(jì)算不是為了解決安全問題的新式武器。作為一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算模式，云計(jì)算在提供服務(wù)的同時(shí)也將不可避免地出現(xiàn)諸如安全漏洞、病毒侵害、惡意攻擊及信息泄露等既有信息系統(tǒng)中普遍存在的共性安全問題。因此，傳統(tǒng)的信息安全技術(shù)將會繼續(xù)應(yīng)用在云計(jì)算中心本身的安全管理上，而云計(jì)算本身的信息安全技術(shù)手段也在不斷發(fā)展中。

但是，云計(jì)算中虛擬服務(wù)的規(guī)?；?、集約化和專業(yè)化改變了信息資源大量分散于端設(shè)備的格局，云計(jì)算本身可以通過安全作為服務(wù)(SECaaS)的形式為改善互聯(lián)網(wǎng)安全作出貢獻(xiàn)。云計(jì)算中心可實(shí)現(xiàn)集約化和專業(yè)化的安全服務(wù)，改變當(dāng)前人人都在打補(bǔ)丁、個個都在殺病毒的狀況；還可以將備份作為一種服務(wù)形式，實(shí)現(xiàn)專門的云備份服務(wù)等。因此，大眾用戶在使用云服務(wù)的過程中所關(guān)注的云安全焦點(diǎn)將會進(jìn)一步地轉(zhuǎn)移到信任管理上來，傳統(tǒng)的信息安全將會進(jìn)一步發(fā)展為服務(wù)方和被服務(wù)方之間的信任和信任管理問題?？梢哉f，人們普遍關(guān)心的云安全，實(shí)際上更多的是云計(jì)算中的信任管理。

如何理解云服務(wù)中心與大眾用戶之間的信任關(guān)系？在從傳統(tǒng)的、自有的數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)向云計(jì)算中心的過程中，用戶所面臨的信任問題，可以用銀行存款的發(fā)展過程來打一個通俗的比方。過去的人可能認(rèn)為把銀元放在自家的某些隱蔽處最安全、最放心。但隨著銀行服務(wù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)很少有人自己來保藏大量的財(cái)富了，大家更多的是與銀行簽訂服務(wù)契約，把財(cái)富存在銀行里，由銀行來專門負(fù)責(zé)自己的財(cái)富安全。個人或者企業(yè)的敏感信息也具有某種相似性。為什么可把最敏感的數(shù)據(jù)交給云服務(wù)中心去管理？在缺乏信任管理、機(jī)制和技術(shù)保障的單機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)前期，恐怕大多數(shù)人都不放心。因?yàn)橐乐箶?shù)據(jù)的意外泄露，隱私被掌控，獲取、傳輸和交流困難等，所以此時(shí)數(shù)據(jù)還是放在自有的信息系統(tǒng)中，用戶自己來負(fù)責(zé)安全，如安裝防火墻、殺毒軟件、數(shù)據(jù)備份等。但是，隨著云計(jì)算的快速發(fā)展，就不見得還一定要把敏感信息放在自己身邊。云計(jì)算的核心模式是服務(wù)，服務(wù)的前提是用戶和服務(wù)提供方建立信任。建立這種用戶使用云計(jì)算服務(wù)所需要的信任的社會關(guān)系，最基本、最重要的保證在于互聯(lián)網(wǎng)的民主性所形成的由下而上的力量。事實(shí)上，信任不是一次性測試出來的，也不是依靠一套固定指標(biāo)測出來的，它是云計(jì)算運(yùn)作過程中累積出來的品質(zhì)，是消除一個個不可信要素的過程。如何更好地抽象、應(yīng)用這種應(yīng)用演化中所涌現(xiàn)出來的信任，是云安全中信任管理的關(guān)鍵問題之一。云計(jì)算中信任的建立、維持和管理可以通過社會與技術(shù)手段相結(jié)合的方式來推動。

5 云計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化問題

云計(jì)算的本質(zhì)是為用戶提供各種類型和可變粒度的虛擬化服務(wù)，而實(shí)現(xiàn)一個開放云計(jì)算平臺的關(guān)鍵性技術(shù)基礎(chǔ)則是服務(wù)間的互聯(lián)、互通和互操作。互聯(lián)、互通、互操作是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在整個發(fā)展過程中所必須具備的基本特性。各種局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)協(xié)議讓計(jì)算設(shè)備互通，傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議(TCP/IP)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)際互聯(lián)。在萬維網(wǎng)時(shí)代，超文本傳輸協(xié)議(HTTP)和超文本鏈接標(biāo)記語言(HTML)等實(shí)現(xiàn)了終端與Web網(wǎng)站間的互操作，使得任何遵從這些協(xié)議的Web瀏覽器都能自由無縫地訪問萬維網(wǎng)，Web服務(wù)與面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)開啟了服務(wù)計(jì)算的大門。

云計(jì)算下任何可用的計(jì)算資源都以服務(wù)的形態(tài)存在。目前，許多商業(yè)企業(yè)或組織已經(jīng)為云計(jì)算構(gòu)建了自己的平臺，并提供了大量的內(nèi)部數(shù)據(jù)和服務(wù)，但這些數(shù)據(jù)和服務(wù)在語法和語義上的差異依然阻礙了它們之間有效的信息共享和交換。云計(jì)算的出現(xiàn)并不會顛覆現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，例如Web服務(wù)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)：簡單對象訪問協(xié)議(SOAP)、Web服務(wù)描述語言(WSDL)與服務(wù)注冊與發(fā)現(xiàn)協(xié)議(UDDI)等。但是，在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，云計(jì)算更加強(qiáng)調(diào)服務(wù)的互操作。如何制訂更高層次的開放與互操作性協(xié)議和規(guī)范來實(shí)現(xiàn)云(服務(wù))-端(用戶)及云-云間的互操作十分重要。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/IEC JTC1 SC32制訂了ISO/IEC 19763系列標(biāo)準(zhǔn)——互操作性元模型框架(MFI)，從模型注冊、本體注冊、模型映射等角度對注冊信息資源的基本管理提供了參考，能夠促進(jìn)軟件服務(wù)之間的互操作。其中，中國參與制訂的ISO/IEC 19763-3本體注冊元模型已正式發(fā)布。2009年ISO/IEC JTC1 SC7與ISO/IEC JTC1 SC38還分別設(shè)立了兩個云計(jì)算研究組，其主要任務(wù)是制訂云計(jì)算的相關(guān)術(shù)語、起草云計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化研究報(bào)告。

此外，云安全聯(lián)盟[15]、開放云計(jì)算聯(lián)盟[16]、云計(jì)算互操作性論壇[17]等行業(yè)組織也積極致力于建立相關(guān)云計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，包括虛擬機(jī)鏡像分發(fā)、虛擬機(jī)部署和控制、云內(nèi)部虛擬機(jī)之間的交流、持久化存儲、安全的虛擬機(jī)配置等。這些行業(yè)組織建立云計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的步伐超前于國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，中國云計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟亦要在標(biāo)準(zhǔn)化方面早做貢獻(xiàn)。

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李德毅，中國電子系統(tǒng)設(shè)備工程研究所研究員，中國工程院院士；主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)工程、人工智能和指揮自動化。

陳桂生，中國電子系統(tǒng)設(shè)備工程研究所高級工程師，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄?、云?jì)算。

張海粟，解放軍理工大學(xué)助教，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)工程。