從云計(jì)算思考未來數(shù)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展

伍天宇

摘要：云計(jì)算作為當(dāng)前炙手可熱的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)展現(xiàn)出了強(qiáng)大的生命力，是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，云計(jì)算技術(shù)所提供的強(qiáng)大數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)能力給數(shù)學(xué)學(xué)科應(yīng)用和發(fā)展提供了更為廣闊的應(yīng)用前景，本文以云計(jì)算和數(shù)學(xué)學(xué)科為題，從云計(jì)算概念、特點(diǎn)、數(shù)學(xué)發(fā)展于云計(jì)算的關(guān)系以及未來數(shù)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展等四個(gè)方面對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述，為更好的了解和掌握云計(jì)算和數(shù)學(xué)應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；數(shù)學(xué)；發(fā)展；計(jì)算數(shù)學(xué)

一、云計(jì)算機(jī)介紹

云計(jì)算（cloud computing）技術(shù)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)，提供動(dòng)態(tài)的、易于擴(kuò)展應(yīng)用的計(jì)算機(jī)技術(shù)。其核心技術(shù)包括虛擬化技術(shù)、并行計(jì)算技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展的主要方向之一。從目前云計(jì)算技術(shù)服務(wù)模式來看，主要分為三種類型：即，IaaS（Infrastructure-as-a- Service基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）提供可供用戶選擇的硬件服務(wù)器，用戶根據(jù)自身需求搭建相應(yīng)的操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序，具有高度的靈活性；PaaS（Platform-as-a- Service 平臺(tái)即服務(wù)）可以看作一類特殊的IaaS服務(wù)，提供用戶開發(fā)平臺(tái)，用戶根據(jù)系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)能夠快速實(shí)現(xiàn)自身的應(yīng)用，相對(duì)而言其靈活性較之IaaS相對(duì)較低，但應(yīng)用開發(fā)效率較高、SaaS（Software-as-a- Service 軟件即服務(wù)）服務(wù)商直接提供基于云平臺(tái)的應(yīng)用軟件，用戶直接操作應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)自身的業(yè)務(wù)需求，這是一種最為直接的應(yīng)用方式，靈活性最差，但最為便捷。

二、云計(jì)算技術(shù)特點(diǎn)

（一）超大規(guī)模

超大規(guī)模主要是指云計(jì)算技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于大量計(jì)算機(jī)資源的組合，就目前的主機(jī)類型而言既包括普通類型PC機(jī)、也有性能較好的服務(wù)器類型構(gòu)建的計(jì)算集群，將成千上萬臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)的形式組合在一起，上層由統(tǒng)一的軟件系統(tǒng)予以統(tǒng)一管理，構(gòu)建成的海量計(jì)算和存儲(chǔ)規(guī)模是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)性能無法比擬的，這是云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

（二）虛擬化技術(shù)的應(yīng)用

虛擬化技術(shù)作為云計(jì)算底層技術(shù)的核心，是對(duì)海量計(jì)算和存儲(chǔ)資源進(jìn)行虛擬化展示的一種形式，虛擬化實(shí)現(xiàn)了各類CPU資源的統(tǒng)一、存儲(chǔ)資源的統(tǒng)一、網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一，是實(shí)現(xiàn)彈性計(jì)算的基礎(chǔ)，更是按需服務(wù)和計(jì)費(fèi)的技術(shù)支撐，一定意義上離開了虛擬化技術(shù)，云計(jì)算就無從談起。

（三）高可靠性

高可靠性則主要是從云計(jì)算所提供云存儲(chǔ)和計(jì)算能力的角度予以分析的，各類數(shù)據(jù)資源通過多副本存儲(chǔ)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)容錯(cuò)的形式，保障了運(yùn)行在云文件系統(tǒng)中的主機(jī)資源具有可恢復(fù)性以及可替代性，這是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)所不具備的性能和可靠性保障優(yōu)勢(shì)。

（四）高可擴(kuò)展

高可擴(kuò)展性則是根據(jù)云計(jì)算服務(wù)提供的功能角度予以探討的，云計(jì)算系統(tǒng)根據(jù)用戶需求，基于基本的云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理模型（如常見的Map/Reduce模型），能夠極其便捷的構(gòu)建上層應(yīng)用，具有高可擴(kuò)展性，提供的服務(wù)也是豐富多彩的。

（五）按需服務(wù)

按需服務(wù)主要是對(duì)用戶計(jì)算和存儲(chǔ)資源的利用率予以監(jiān)視，一旦出現(xiàn)了性能瓶頸，服務(wù)提供商即可動(dòng)態(tài)的對(duì)用戶資源提供擴(kuò)充或者壓縮，資源的應(yīng)用水平實(shí)現(xiàn)了最大化，因此構(gòu)建于云平臺(tái)之上的服務(wù)更為廉價(jià)。

另外，云平臺(tái)技術(shù)同樣存在數(shù)據(jù)保密性的問題，這主要是對(duì)用戶和服務(wù)提供商而言的，用戶數(shù)據(jù)對(duì)服務(wù)提供商是無保密性的，一定程度上制約和限制了開放云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，也是目前私有云大量應(yīng)用的重要原因，值得相關(guān)從業(yè)機(jī)構(gòu)和人員的重視。

三、數(shù)學(xué)發(fā)展與云計(jì)算技術(shù)的關(guān)系

（一）借助于云計(jì)算實(shí)現(xiàn)海量計(jì)算

云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)，與各個(gè)學(xué)科緊密融合。就數(shù)學(xué)領(lǐng)域而言，海量計(jì)算是數(shù)學(xué)的領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的，傳統(tǒng)數(shù)學(xué)應(yīng)用在計(jì)算能力和計(jì)算速度的保障方面受到較多的限制，一些復(fù)雜計(jì)算（例如常見的航天航空計(jì)算、基因序列計(jì)算、天氣預(yù)報(bào)等等）計(jì)算量對(duì)傳統(tǒng)單機(jī)系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)，云平臺(tái)所實(shí)現(xiàn)的計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力為支撐大數(shù)據(jù)計(jì)算提供了強(qiáng)有力的資源支撐，同時(shí)造價(jià)相相較于大型超級(jí)計(jì)算機(jī)相對(duì)低廉，有助于數(shù)學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的受到計(jì)算資源制約的一些應(yīng)用的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

（二）通過云計(jì)算構(gòu)造數(shù)學(xué)模型

應(yīng)用數(shù)學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步，是基礎(chǔ)數(shù)學(xué)理論與相應(yīng)行業(yè)知識(shí)相互融合，其中核心部分就是相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，如金融數(shù)學(xué)模型、天氣計(jì)算模型、基因數(shù)據(jù)模型等，所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性和可靠性，是最終計(jì)算結(jié)果的有效保障，當(dāng)前借助于云計(jì)算資源能夠更加開放的實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型的構(gòu)建，減少了對(duì)于計(jì)算資源的考量、模型構(gòu)建者能夠在更為寬松的數(shù)據(jù)條件下進(jìn)行相應(yīng)模型的搭建，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用數(shù)學(xué)更為廣闊的應(yīng)用具有非常重要的意義，也是傳統(tǒng)計(jì)算過程所不具備的資源優(yōu)勢(shì)。

（三）云計(jì)算技術(shù)在統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)中的大量應(yīng)用

統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)是根據(jù)大量的統(tǒng)計(jì)資源，通過分析計(jì)算得出的一般性的數(shù)學(xué)規(guī)律，統(tǒng)計(jì)資源越龐大相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，這與云計(jì)算中大數(shù)據(jù)分析有著極其相似的構(gòu)建過程，大數(shù)據(jù)分析通過所提供（或收集）起來的數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，最終得出一般性結(jié)論，統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)除了總結(jié)一般性的規(guī)律，同時(shí)也能夠在一定范圍預(yù)測(cè)事物未來的走向，對(duì)于指導(dǎo)相應(yīng)的決策部署是極其關(guān)鍵的，這是統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)非常重要的應(yīng)用。總之，云計(jì)算為統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)更為有效的應(yīng)用提供了一定資源支撐和技術(shù)準(zhǔn)備。

四、從云計(jì)算思考未來數(shù)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展

（一）計(jì)算數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展

計(jì)算數(shù)學(xué)是一門交叉性學(xué)科，其涵蓋了數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、運(yùn)籌學(xué)與控制科學(xué)等學(xué)科，屬于應(yīng)用數(shù)學(xué)的范疇，旨在相關(guān)數(shù)學(xué)問題（邏輯問題）由計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行求解的研究，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域，通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，更加準(zhǔn)確的掌握事物發(fā)展的一般性規(guī)律。計(jì)算數(shù)學(xué)的研究重點(diǎn)在于相關(guān)數(shù)學(xué)理論和解決思路的研究，未來云計(jì)算技術(shù)強(qiáng)有力的支撐，提供更為有效的大數(shù)據(jù)分析，有助于計(jì)算數(shù)學(xué)學(xué)科的不斷發(fā)展，豐富和創(chuàng)新了傳統(tǒng)計(jì)算資源所不具備的資源整合能力，提供專業(yè)人員更為廣闊的應(yīng)用背景，具有劃時(shí)代的意義。在可預(yù)測(cè)的未來，計(jì)算數(shù)學(xué)領(lǐng)域中，云計(jì)算技術(shù)必將展現(xiàn)出其強(qiáng)大生命力，為更為廣闊的計(jì)算數(shù)學(xué)發(fā)展呢提供計(jì)算支撐。

（二）以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的計(jì)算模型的不斷創(chuàng)新

計(jì)算模型的發(fā)展創(chuàng)新是應(yīng)用數(shù)學(xué)的關(guān)鍵，各個(gè)行業(yè)與數(shù)學(xué)學(xué)科的關(guān)聯(lián)就在于計(jì)算模型的構(gòu)建，計(jì)算模型在氣象、控制、生物、金融等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，一些新興行業(yè)同樣需要計(jì)算模型予以分析，、信息檢索、數(shù)學(xué)分析、數(shù)學(xué)控制、數(shù)學(xué)決策是計(jì)算模型常見的構(gòu)建關(guān)鍵所在，數(shù)學(xué)學(xué)科自身的發(fā)展（如模糊數(shù)學(xué)）同樣得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步，云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)能夠更好的應(yīng)用和服務(wù)于易變事物的計(jì)算和分析，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型構(gòu)建過程往往在數(shù)學(xué)分析和統(tǒng)計(jì)方面的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備往往具有一定的局限性，云計(jì)算提供的海量數(shù)據(jù)分析能力，對(duì)于促進(jìn)現(xiàn)代化數(shù)據(jù)模型的科學(xué)構(gòu)建具有十分重要的意義，是未來數(shù)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展強(qiáng)有力的助推劑。

（三）理論驗(yàn)證的機(jī)械化發(fā)展

我國(guó)著名科學(xué)家吳文俊院士創(chuàng)立的機(jī)器證明定理的算法，實(shí)現(xiàn)初級(jí)幾何于微分幾何定力的的機(jī)器證明，標(biāo)志著數(shù)學(xué)機(jī)械發(fā)展壯大，是數(shù)學(xué)理論證明的創(chuàng)新應(yīng)用，更是計(jì)算機(jī)技術(shù)在數(shù)學(xué)方面應(yīng)用的重要途徑。計(jì)算機(jī)處理幾何數(shù)據(jù)的一般過程主要是“代數(shù)化（坐標(biāo)化）—>機(jī)器化—>自動(dòng)化”的思路，通過機(jī)器驗(yàn)證數(shù)序理論的方式，能夠大量節(jié)省腦力勞動(dòng)，未來數(shù)學(xué)機(jī)械證明的應(yīng)用伴隨著云計(jì)算技術(shù)和云計(jì)算平臺(tái)的發(fā)展，不僅僅局限于幾何數(shù)據(jù)的處理，在群論、邏輯數(shù)學(xué)、代數(shù)等諸多領(lǐng)域相信都會(huì)有突破，這無論是對(duì)于發(fā)展基礎(chǔ)數(shù)學(xué)領(lǐng)域和現(xiàn)代數(shù)學(xué)部分都具有十分重要的意義，數(shù)學(xué)定理驗(yàn)證從此邁入更為智能化的時(shí)代，這無疑是未來數(shù)學(xué)發(fā)展重大方向。

（四）數(shù)學(xué)對(duì)信息科學(xué)發(fā)展的反作用

云計(jì)算技術(shù)對(duì)于數(shù)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展影響不僅僅局限于上述幾個(gè)方面，未來云計(jì)算技術(shù)伴隨著云計(jì)算數(shù)據(jù)模型的發(fā)展和創(chuàng)新必然會(huì)更加靈活和便利，當(dāng)前云計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型更多是構(gòu)建于云文件系統(tǒng)之上的分散和集中數(shù)據(jù)處理（即常用的Map/Reduce模型），這種數(shù)據(jù)模型適合數(shù)據(jù)分析，但在處理高性能計(jì)算的上層計(jì)算模型還存在缺失，當(dāng)然這與各類計(jì)算模型的差異性有著直接的關(guān)系，相信隨著基礎(chǔ)數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展，對(duì)云計(jì)算技術(shù)平臺(tái)自我創(chuàng)新也是具有十分重要的推動(dòng)作用?？傊磥頍o論是云計(jì)算技術(shù)還是數(shù)學(xué)學(xué)科發(fā)展都是彼此融合的，互相促進(jìn)的。

五、小結(jié)

綜上所述，云計(jì)算為數(shù)學(xué)應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的計(jì)算支撐，未來數(shù)學(xué)發(fā)展必然朝著計(jì)算數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)模型創(chuàng)新、機(jī)械化數(shù)學(xué)證明等方面大踏步前進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉美林. 云計(jì)算中基于博弈論的任務(wù)調(diào)度算法研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2014.

[2]孫紅，屠僉煒，王曉婉，張建宏，吳錢忠，秦守文. 基于數(shù)學(xué)模型的云計(jì)算SaaS定價(jià)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（02）：199-204.

[3]劉燕. 高性能計(jì)算集群的建立及CdGa_2S_4性質(zhì)的計(jì)算[D].山西大學(xué)，2013.

[4]李金龍，朱杰，梁殿鵬. 基于Amazon彈性計(jì)算云的高性能計(jì)算平臺(tái)解決方案[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2011，7（28）： 7024-7026.