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邱實 牟承晉：未來網絡創新必須重視戰略科學之系統方法論

點擊：4059  作者：邱實 牟承晉    來源：昆侖策網【原創】  發布時間:2022-02-13 21:20:10

 

 

歷史表明，任何成功的技術演變，或是漸進式的，或是顛覆性的。但是，不同于陸基、海基、空基、太空的領域，網信空間（Cyberspace）是人創造的，不僅有自然屬性，而且有社會屬性和人文屬性。這些屬性寓于同一個網絡信息系統之中，形成為一個“開放的特殊復雜巨系統”，必須且應該研究和實踐正確的系統方法論。

隨著數字化時代的技術演變和轉型，不論漸進式發展，還是顛覆性創新，都必須不斷認知：“今天的科學已經不是自然科學那一點東西，而是人類認識客觀世界、改造世界的整個知識體系。”

 

一、開放的復雜巨系統及其方法論

 

1990年，錢學森先生在《自然雜志》聯名發表一篇論文：《一個科學新領域——開放的復雜巨系統及其方法論》。

▲ 其中指出：開放的復雜巨系統存在于自然界、人自身以及人類社會，只不過以前人們沒有能從這樣的觀點去認識并研究這類問題。

真正的封閉系統在客觀世界中是不存在的，真正的靜態系統在客觀世界也是不存在的。

▲ 其中定義：簡單系統是指組成系統的子系統數量比較少，它們之間的關系自然比較單純。不管是小系統還是大系統，研究這類簡單系統都可以從子系統相互之間的作用出發，直接綜合成全系統的運動功能。

如果子系統種類很多并有層次結構，它們之間的關聯關系又很復雜，這就是復雜巨系統。如果這個系統又是開放的，就稱作開放的復雜巨系統。

再上一個層次，就是以人為子系統主體而構成的系統，而這類系統的子系統還包括由人制造出來具有智能行為的各種機器。對于這類系統，“開放”與“復雜”具有新的更廣的含義。這里的開放性，指系統與外界有能量、信息或物質的交換。

▲ 其中強調：一個人本身就是一個復雜巨系統，現在又以這種大量的復雜巨系統為子系統而組成一個巨系統——社會。

人已經創造出巨大的高性能的計算機，還致力于研制出有智能行為的機器，人與這些機器作為系統中的子系統互相配合，和諧地進行工作，這是迄今為止最復雜的系統了。這里不僅以系統中子系統的種類多少來表征系統的復雜性，而且知識起著極其重要的作用。這類系統的復雜性可以概括為：

1）系統的子系統間可以有各種方式的通訊；

2）子系統的種類多，各有其定性模型；

3）各子系統中的知識表達不同，以各種方式獲取知識；

4）系統中子系統的結構隨著系統的演變會有變化，所以系統的結構是不斷改變的。

 

我們把上述系統叫作開放的特殊復雜巨系統，即通常所說的社會系統。

▲ 其中批評：有些人想得比較簡單，硬要把處理簡單系統或簡單巨系統的方法用來處理開放的復雜巨系統。他們沒有看到這些理論方法的局限性和應用范圍，生搬硬套，結果適得其反。

另外，也有的人一下子把復雜巨系統的問題上升到哲學高度，空談系統運動是由子系統決定的，微觀決定宏觀等。……他們沒有看到人對子系統也不能認為完全認識了。子系統內部還有更深更細的子系統。以不全知去論不知，于事何補？甚至錯誤地提出“部分包含著整體的全部信息”、“部分即整體，整體即部分，兩者絕對同一”，這完全是違反客觀事實的，也違反了馬克思主義哲學。

▲ 其中告誡：對策論今天所達到的水平和取得的成就，遠不能處理社會系統的復雜問題。原因在于對策論中已把人的社會性、復雜性、人的心理和行為的不確定性過于簡化了，以至于把復雜巨系統問題變成了簡單巨系統或簡單系統的問題了。

耗散結構理論、協同學的成功，也使得不少人過分樂觀，以為這種基于近代科學還原論的定量方法論也可以用到開放的復雜巨系統，從而碰壁！

▲ 其中總結：系統自發地從有序變到無序，而無序卻決不會自發地轉變到有序，這就是系統的不可逆性和平衡態的穩定性。

綜合分析方法（meta-analysis），對不同領域的信息進行跨域分析綜合，但還不成熟，方法也太簡單，而定性定量相結合的綜合集成方法卻是真正的meta-synthesis（圖1）。

三十多年前，錢學森先生開拓創建系統科學的過程，始終緊密聯系我國現代化建設，緊密聯系國內外科學技術的發展，始終強調“要從整體上考慮并解決問題”，“開放的復雜巨系統的整體行為描述，要用系統狀態（system state）這個概念”，其核心是：微觀混沌（就其無序意義來說）是宏觀有序的基礎，開放的復雜巨系統的行為需要一個新的概念來描述，即為系統本征態（system eigenstate）。

事實已充分證明，錢學森先生的系統科學思想不僅是有重要意義的理論創新，而且更有其重要的現實指導意義。

 

二、互聯網的宏觀與微觀之簡要回顧

 

互聯網（Internet），是1974年12月發布“互聯網絡傳輸控制程序（TCP）技術規范”（NIC 2/RFC 675）中定義的術語，是英文單詞“Internetwork”的縮略詞，或被作為“互聯網絡”的簡稱。以下統稱“互聯網”。

互聯網，從上世紀60年代起源于美國國防部的“阿帕網”（ARPAnet）；1981年，美國國家科學基金會（NSF）在此基礎上組織延伸構建“計算機科學網”（CSnet）；1990年，美國第一個商用化的通信網絡（PSInet）投入運營；2001年，“非對稱數字用戶線路”（ADSL）技術的應用，實現了終端用戶的寬帶接入，推動了互聯網的快速發展。

● 顯然，宏觀上，互聯網的沿革就是從一個“簡單系統”（ARPAnet）到一個“復雜系統”（CSnet）的發展過程；再從一個“開放的復雜巨系統”（普及并承載人類文化的互聯網），演變為（被政治化和武器化）“開放的特殊復雜巨系統”。

其間，1980年8月，美國科學家喬恩•波斯特爾（Jon Postel）主持制定了UDP協議（RFC 768）；1981年9月，美國國防部發布IP協議（RFC 791）和TCP協議（RFC 793）的標準；為了提供一個協調實現系統互聯的通用基礎標準，1984年10月，國際標準化組織（ISO）發布“開放式系統互聯”（OSI）參考模型（ISO/IEC 7498），1996年11月作了修正（ISO/IEC 7498-1）。

● 可見，微觀上，互聯網的發展是基于“TCP/IP”架構的協議族；而且所有的通信協議相互依存、相輔相成，形成了一個整體系統，即是“開放的特殊復雜巨系統”（互聯網）中的一個子系統。

 

三、互聯網是一個開放的特殊復雜巨系統之主要特征

 

縱觀互聯網的變遷，從技術驅動的“簡單系統”和“復雜系統”，到具備社會屬性和人文屬性的開放的特殊復雜巨系統，具體表現為“涌現”現象，而其特殊性在于被“政治化”所支配和操控。

一般而言，“涌現”（Emergence）指一個系統中個體間的簡單互動行為所造成無法預知的復雜樣態：

▲ “涌現”現象：

• 同一時期內突然、大量地出現規律性的群體行為，如圖2和圖3所示。

 

▲ “涌現”特點：

• 整體才有，個體不具備，為非還原性（非加和性）；

• 個體之間的相干效應，即結構效應和規模效應；

• 僅遵循簡單的法則：相互作用、相互補充、相互制約。

 

▲ “涌現”的統計特性：

• 小概率事件可能觸發一次相變，從而導致整個系統 的狀態變化；

• 規模群體遵從簡單規律的元素，而形成復雜的宏觀運動。

 

涌現理論的主要奠基人、美國科學家約翰•霍蘭德（John Henry Holland），是復雜理論和非線性科學以及遺傳算法的先驅，在其《涌現：從混沌到秩序》（1998年）一書中對“涌現”現象作了如下定義：

“在復雜的自適應系統中，‘涌現’現象俯拾皆是：螞蟻社群、神經網絡、免疫系統、互聯網乃至世界經濟等。但凡一個過程中的整體行為的復雜性遠超出其組成部分，皆可稱為‘涌現’。”

 

另一方面，還原論（Reductionism）認為，復雜的系統、事務、現象可以通過將其分解、拆解為各部分的方法加以理解和描述。還原論方法是迄今為止自然科學研究的最基本方法，人們往往習慣于以“靜止的、孤立的”的觀點，考察系統組成諸要素的行為和性質，然后將這些性質“組裝”起來形成對整個系統的描述。

這就是說，還原論方法（例如“分而治之”）由整體往下分解，研究得越來越細，這是它的優勢方面；但由下往上回不來，回答不了高層次和整體問題，又是它的不足一面。

尤其是，被強加在互聯網的“特殊性”（如“政治化”和“武器化”），伴隨著極大的不確定性和潛在的連鎖反應。大量的現實和事實使人們理性地認識到，“還原論及其方法的不足之處正日益明顯”，或一而再地為“以偏概全”付出了沉重的代價。“還原論”方法的局限和偏頗，是造成戰略判斷與決策失誤的重要因素之一。

因此，解決由下往上的問題，也就是復雜性研究中的所謂“涌現”問題，必須打通從微觀到宏觀的通路，把宏觀（定性）與微觀（定量）統一起來。

 

四、互聯網是一個開放的特殊復雜巨系統之典型范例

 

互聯網發展過程中的演變和狀況也充分證明，錢學森先生給出的“系統”分類和定義具備前瞻性和正確性。

1）從“復雜系統”到“開放的復雜巨系統”是一個不可逆過程

從1981年到1990年，互聯網的發展主要是校園網；美國和歐洲的大學及科研機構之間僅僅實現了有限的互聯互通，使數以萬計的計算機和設備的連通，構成了一個網絡化的“復雜系統”（或簡單巨系統）。也就是說，大多數國家和地區的通信網絡和互聯網的建設以及初始應用，都是以大學和科研機構為主導。

1990年開始的商用化通信網絡，使互聯網走出了校園；1997年1月，美國完成了互聯網13臺根域名服務器的部署（以及TCP/IP 協議族和相關技術的完善），逐步地實現了在全球范圍的互聯、互通和共享，極大地推動了技術創新、應用普及和社會變革，進而形成了互聯網開放的復雜巨系統。

顯而易見，無論（先發優勢的）美軍網絡和（后起之秀的）校園網絡，以及方興未艾的視聯網、云聯網、物聯網、5G網等的發展，都只是“開放的復雜巨系統”中的子系統（或是個體），并不具有復雜巨系統整體的開放特點和特征；且不可逆性地表現為：如果試圖把一個子系統（如校園網絡）的某個成功模式或案例強加給開放的互聯網絡，則是違背了客觀的發展現實和規律（如“涌現”），必將碰壁！

例如，“CERNET 2”被稱為是第二代中國教育和科研計算機網，是中國下一代互聯網示范工程CNGI最大的核心網和唯一的全國性學術網，是目前所知世界上規模最大的采用純IPv6技術的下一代互聯網的主干網。但是，中國教育和科研計算機網的“示范工程”并不意味著可復制、可復用到公共互聯網（即開放的復雜巨系統）。

事實上，“CERNET 2”的應用范圍、場景、用途、受眾等有其確定的邊界和范疇，其復雜性遠低于公共互聯網，而只是“開放的復雜巨系統”中的一個組成部分（或是其中的一個復雜系統），并不具有公共互聯網的一些基本特點和要素，如“開放性”和“非加和性”等。

2）互聯網的協議標準是自下而上的設計過程

2020年3月30日，美國創立的互聯網技術和標準組織“互聯網工程任務組”（IETF）發表主席聲明，就國際電信聯盟標準組織（ITU-T）標準化咨詢小組（TSAG）審議的“新IP協議”（New IP）提議中所涉及的技術問題作了逐一回應。

◣ 其中指出：未來標準化工作的成功，很大程度上取決于現實中不同供應商的實踐經驗能反饋到標準制定過程中，而不是試圖預測無法在互聯網規模上進行測試的需求和要求。

◣ 其中強調：IETF為了保障全球互操作性的權益，擁有對IP協議族技術規范的版權和更改控制權。

◣ 其中要求：對于社區中想要更改或擴展IETF技術的人們，ITU-T應鼓勵他們將需求和建議提交IETF，并且在IETF討論這些提案前，ITU-T應予以拒絕接受。

◣ 其中總結：我們認為，以這種自上而下的設計代替現有的IP協議技術規范的工作將是有害的。這樣做將很可能會分裂互聯網，破壞網絡互聯，并危害網絡之間的互操作性。自上而下的方法將無法滿足不斷發展的應用生態系統。

備注-1：國際互聯網協會（ISOC）和互聯網域名與數字地址分配機構（ICANN），也都就此做出了類似的官方分析和回應。

備注-2：目前，互聯網中所運行的所有的協議以及規范和建議都是通過IETF審議和發布，包括8種類別，共8,958個（RFCs）：

3）互聯網協議標準的可實施性仍必須經受實踐檢驗

DNSSEC（DNS安全擴展）是1999年3月發布的“擬議標準”（RFC 2535），作為域名系統（DNS）安全認證的機制，提供了一種對域名請求來源鑒定和數據完整性的擴展，但是并不保障域名的可用性、加密性和真實性。

2018年10月12日零點（北京時間），互聯網域名與數字地址分配機構（ICANN）進行了全球性的域名根區密鑰（KSK，密鑰簽名密鑰）翻轉，更換用于驗證DNSSEC響應一致性的單一信任根，這在互聯網歷史上是第一次。

然而，時至今日，根據亞太地區網絡信息中心（APNIC）的統計，全球互聯網的DNSSEC驗證率僅為26.61%；其中，中國的DNSSEC驗證率為1.04%。

ICANN推進實施DNSSEC（規范）的目的，是為了緩解由于早期互聯網體系結構設計遺留的問題，而導致在DNS應用中存在日趨嚴重的安全漏洞。但是，為什么響應甚寡、收效甚微？

2021年9月，歐洲電子通信監管機構（BEREC）舉辦了一場以“DNS開放性”為主題的研討會。亞太地區網絡信息中心（APNIC）的首席科學家杰夫•休斯頓（Geoff Huston）對DNS的“開放性”狀況做出詳細的定量和定性分析。

◣ 其中指出：每一個連接到互聯網的網民都必須首先訪問DNS，而沒有選擇性。事實上，這種屬性從本質上定義了什么是互聯網，即DNS就是互聯網（The DNS is the Internet）。

◣ 其中分析：DNSSEC的重要性與實際驗證率成顯著的反比（反差），是該規范在市場應用失敗的典型案例之一。主要原因包括：

• DNS服務器實施DNSSEC驗證，需要耗費更多的效能和時間；而且附加的數字簽名使得DNS響應報文的數據量增加，也會造成其他關聯的性能和效率問題。

• 由于實施DNSSEC的最終受益人是終端用戶，但大部分終端主機本身通常不執行DNSSEC驗證，這使得DNSSEC實際上是“半途而廢”。

• 對于提供域名遞歸解析的服務運營商，實施DNSSEC不僅需要資金、耗費時間，而且增加DNS服務出錯的風險，但是終端用戶卻并不能從中受益。

 

由此可見，互聯網是“開放的復雜巨系統”的一個重要特點，就是在整體上具有其組成部分所沒有的性質，這就是系統的整體性?；ヂ摼W的整體性意味著，即使對其組成部分都認識了，并不等于認識了互聯網整體，互聯網整體性不是其組成部分性質的簡單“拼盤”。

以互聯網組成部分的個性為依據，“盲人摸象”般的慣性思維和“自以為是”的行為過程，正如錢學森先生所批評的：“以不全知去論不知，于事何補？” 而為如此后果所不得不付出的代價和教訓，太慘痛了！

 

五、必須認識和澄清的一個嚴重誤區

 

“互聯網協議”，簡稱IP，是互聯網協議族中的一個協議，與其他協議相互依存、相輔相成。

一方面，“互聯網協議（IP）作為網絡服務的最小模式，除了不可靠的數據包傳遞之外，什么也沒有；其他的一切都留給被連網的終端主機。互聯網的真正主力一直是TCP協議。”

另一方面，雖然互聯網的協議是基于“TCP/IP”架構，但是并不是以此區分哪個協議重要或次要。

1992年，被譽為“互聯網之父”、時任谷歌副總裁兼首席互聯網布道者（Evangelist）的文頓•瑟夫（Vinton G. Cerf），穿著印有“IP on Everything”（一切以IP為基礎）的T恤衫主持IETF會議，以示作為對未來的詼諧預測（即TCP/IP成為全球化標準），引起了不小的轟動；因當時通信領域中對推廣TCP/IP應用，尚存較大的爭議，包括TCP/IP不能保證服務品質（QoS）。

今天，雖然TCP/IP確實“一統天下”，但是一個基本概念不能被混淆。這就是：“一切以IP為基礎”，并不是以一個“IP協議”為基礎。

Ø 從廣義的角度，“IP”代表了包括TCP在內的所有“互聯網協議”，也是互聯網整體性的外在功能集合；

Ø 從狹義的層面，“IP”僅是被定位在網絡層的一個協議。

備注-3：須注意，IETF擁有對IP協議族技術規范的版權和更改控制權；而且協議族（Suite）與協議棧（Stacks）是不同的兩個方面。

如果僅僅是將IPv6（或IPVÎ）當作是“下一代互聯網”或“未來網絡”，不僅有悖于系統的基本物理概念和發展事實，而且導致荒謬的技術和認識錯誤與混亂，甚至觸發潛在的法律糾紛（或訴訟）。

值得注意的是，這種“舍本逐末”的現象并不普遍。與上述典型范例中DNSSEC的狀況相類似，全球IPv6的應用始終沒有出現所謂的“進入快車道”。根據APNIC的即時統計，目前全球IPv6的平均應用率為29.97%；其中，中國的IPv6應用率僅為23.82%，低于全球IPv6平均應用率約6個百分點；約86%以上國家和地區的IPv6應用率達不到全球平均應用率；或不同的國家和地區有各自不同的需求和限制，不可能出現IPv6“一刀切”局面。

APNIC統計的238個國家和地區的IPv6應用率分布如下：

這個量化的狀態和客觀的事實證明：全球互聯網作為一個整體，IPv6將與IPv4（長期）共存，不可能將IPv4強制剝離或完全排斥；而且局部性的IPv6應用發展只要涉及互聯互通，就必須要為與IPv4共存付出高昂的代價——即本質上是涌現的特點，實質上是嚴肅的技術路線問題。

“錢學森之問”是關于中國教育事業發展的一道艱深命題，需要整個教育界、科學界、知識界乃至社會各界共同破解：“為什么我們的學校總是培養不出杰出的人才？”

換位探討：32年前錢學森先生就已奠定了復雜巨系統及其方法論；而在此后，中國的互聯網從無到有，雖然成為舉世矚目的網絡大國，但卻大而不強、受制于人、創新維艱。

不能不說，中國不是沒有杰出、優秀的人才，而是受盲目跟隨（即錯誤技術路線）的誤導，（被迫）沿著錯誤的戰略方向漸行漸遠。

 

六、互聯網與未來網絡之何從何去

 

當今的互聯網被稱為是“巴爾干化”（Splinternet），不僅成為全球化治理的爭論焦點和熱點，而且正在形成由地緣政治主導的博弈趨勢（例如，美國正在籌劃和實施“未來互聯網聯盟”）。

● 2019年11月1日，俄羅斯“主權互聯網法”生效，主要包括了三項被稱為“有深遠影響”的修正：

1）強制性安裝應對安全威脅的網絡設備；

 

2）在受到安全威脅時，對通信網絡進行集中性管理，并建立對跨境連接線路的控制機制；

 

3）實施國家域名系統（National DNS）。

 

● 2021年5月，由美國國家安全局（NSA）開發、測試和推廣的“防護性域名系統”（簡稱pDNS），通過美國國防部和國家網信安全與基礎設施安全局（CISA）發布。其中強調：

與許多互聯網協議一樣，DNS的設計和功能并不是 為了抵御惡意傷害或不良濫用。因此，不同于之前對DNS相關安全性的改進，pDNS被設想作為一種安全服務（而不是一種協議），利用現有的DNS協議和架構，分析DNS查詢并采取行動環節的安全威脅。

 

● 2022年1月12日，歐盟委員會發布了一個項目：“為骨干網配備高性能和安全的DNS解析基礎設施”。目前，該項目尚處于規劃階段，歐盟正在尋找合作伙伴來幫助建立一個龐大的、集中管理的域名系統基礎設施，以服務于所有27個成員國。該項目的目標是：在歐洲部署遞歸DNS解析服務基礎設施（簡稱 DNS4EU），為拉動歐盟的社會經濟發展以及為公共、企業和個人提供互聯網服務，并提供更高的可靠性以應對全球性和針對歐盟的網信安全威脅。

● 美歐日已將2030年作為“量子網絡”商用化的目標。2022年1月4日，福布斯雜志（Forbes）技術委員會發表專文，主題為：“2022年量子科學的五個趨勢”，包括：量子加密技術（QKD）更接近于實用。事實上，基于可用的光纖網絡、設備的可用性和可普及性以及信息技術和安全，專業人士早期寄希望于量子技術的遠見，正在成為快速上漲的新一輪“浪潮”，使“水漲船高”。

量子計算相對于電子計算是顛覆性的，其應用很可能是漸進的。但是，每一年量子計算的新技術都在逐步地向商用化應用靠近，而且已經開始看到新生的量子網絡正在構建和擴展。例如：

• 2021年10月21日，日本東芝（Toshiba）公司宣布，成功地研發出全球首個“QKD-on-a-chip”（在集成電路芯片上實現QKD系統）。

 

• 2021年秋季，NEC等日本企業共同開發了新一代海底光纜，稱為“多芯光纖”（multicore）。以往的光纖都是單芯，只有一個光信號通道，而新一代光纖有4根纖芯，使每根光纖的傳輸容量將達到目前的4倍，即每秒80太比特（Terabit）。

 

• 2022年1月，美國國家安全局（NSA）發布的先進技術?？校瑥娬{“摩爾定理不僅過時了，而且確實是壽終正寢了。”

 

NSA指出：自21世紀初以來，各種問題包括技術問題（如：功耗、漏電流、芯片上導線的電阻）以及非技術問題（如：晶圓廠設施和掩模成本上升、芯片制造和芯片設計復雜性），已經大大削弱了在改善計算機方面互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成電路擴展的價值。對新材料、新架構和新計算領域的基礎研究將推動未來幾年（用于下一代高性能計算）的進步。尤其是，任何指數型的發展都不可能永久地持續下去。

 

七、勢在必行的系統方法論

 

所謂的系統，是指由一些互相關聯、互相作用、互相影響的組成部分所構成的具有某些功能的整體。這樣定義的系統在自然界、人類社會包括人自身是普遍存在的。根據系統結構的復雜性，可將系統分為：

簡單系統、簡單巨系統、復雜系統和開放的復雜巨系統，以及開放的特殊復雜巨系統——互聯網（亦即社會系統）。

 

系統科學和已有的其它科學不同，它是從事物的整體與部分，全局與局部以及層次關系的角度來研究客觀世界的?？陀^世界包括自然、社會和人自身。能反映事物這個特征最基本的重要概念就是系統，所以，系統也就成為系統科學研究和應用的主要對象。系統方法，是研究和實踐系統的結構、特點、行為、動態、原則、規律以及系統間的聯系，并對其功能進行定量和定性的測量與描述、評估與決策。

同時，與自然科學、社會科學、人文科學等的不同還在于，系統科學能把這些科學領域研究的問題聯系起來作為系統進行綜合性整體研究。這就是為什么系統科學具有交叉性、綜合性、整體性和橫斷性的原因，也正是這些特點使系統科學處在現代科學技術發展的綜合性、整體化的方向上，需要不斷地感知和認知，繼往開來。

綜上所述，系統科學是戰略科學的基礎。方法論是關于發現問題所應遵循的途徑和研究路線，在系統方法論指導下形成解決問題的具體方法。如果方法論不對，再好的方法也解決不了基礎性、根本性、關鍵性的問題。

正因為此，我國建設網絡強國和創新未來網絡，必須高度重視戰略科學系統方法論的研究和實踐。

沒有戰略的戰術，無異于失敗前的喧囂；

沒有路線的技術，不過是迷茫中的自戀。

 

（作者：邱實，網絡信息安全技術專家；牟承晉，中國移動通信聯合會國際戰略研究中心主任、昆侖策研究院高級研究員。來源：昆侖策網【原創】，作者授權首發）