luda 2016年是“信息论之父”克劳德埃尔伍德香农(Claude)。
埃尔伍德
香农)诞辰100周年。
信息论对社会信息化的作用
——纪念Shannon百年诞辰
■ 王育民
1916年4月30-2001年2月26日，享年84岁。
1948年Claude E. Shannon发表的《通信的数学理论》文章[2]，创建了信息论，这是一篇20世纪少有的几篇对科学和工程，乃至对人类社会发展产生了重要影响的著作，是可与牛顿力学相媲美的不朽之作，也是他最重要的科学贡献。这一年他32岁，这篇文章使他成为信息论之父。作为数学家，他为数学开辟了一个工程应用的新领域。近七十年过去了，这篇论文至今仍然闪烁着智慧的光芒，它将照耀人类今后的数个世纪。
信息论萌发了整个通信领域的（数字化）革命，是这一革命的理论基础，为通信工程师们的探索指明了方向，1946年的计算机和1947年晶体管的诞生和相应技术的发展，则是这一革命的物质基础。
几十年来，人类社会在数字化、网络化和智能化三大技术的强有力的推动下，逐步由工业化社会发展到信息化社会的新阶段。在信息化社会中人类不仅在物理空间中生存竞争，还要学会在新的虚拟数字空间（又称赛伯空间——Cyberspace）中生存竞争。
本文将介绍几十年来，在专业道路上学习和认知信息论的一些体会和感悟，供业内参考。对这一问题的认识历来就有很多激烈的争论，这正是科学技术前进的动力。很希望得到批评指正意见。
（一）Shannon和Wiener的信息观
信息是一个非常泛的概念和词语
客观事物是多种多样、五花八门的，事物的状态和变化是多姿多彩、变幻无穷的，因而会给出不同的信息。在信息前面可冠上难以计数的定语构成不同的信息，如自然信息、科技信息，经济信息、商务信息、军事信息、体育信息等等[6]。
Shannon和Wiener所理解的信息
首先，他们都是从系统论的高度来看待信息，认为信息是构建任何系统的三大要素之一，即物质、能量和信息。
Wiener：“信息就是信息，不是物质也不是能量。”[1]。
这是第一次将“信息”的重要性提到了空前未有的高度，与物质和能量并列的重要地位，这对于我们认识世界具有划时代意义。
物质（Substance）：构成实在世界的基本原料。运动是物质的根本属性。时间和空间是运动着的物质的存在形式。
能量（Energy）：虽然是一个很常用和非常基础的物理概念，但同时也是一个非常抽象和难于定义的物理概念。能量被定义为一个系统能够释放出来的、或者可以从中获得的、用以做功的能力。
物质和能量是客观存在的、有形的，信息是抽象的、无形的。物质和能量是系统的“躯体”，信息是系统的“灵魂”。
信息要借助于物质和能量才能产生、传输、存储、处理和感知；物质和能量要借助于信息来表述和控制。
物质、能量和信息在一切系统中是三足鼎立的关系，缺一不可，我们绝不能过分突出某个要素，贬低其它要素的作用。
爱因斯坦已经揭示了物质与能量之间的转换关系，对此也有不同的看法，认为“质量和能量根本就是完全不同的两个概念。质量是物质多少的量度，能量是运动多少的量度，不能互相转换。”[7]
但迄今为止还不知道信息与物质或能量之间是否存在转换关系。
（二）Shannon和Wiener的信息量
信息是可以感知的，但并不是所有的信息都可以定量计数的。因此，我们要区分信息和信息量的不同之处。
若要将信息提升到科学进行研究，第一步就是要给出信息的科学测度。但这并非易事。有人曾做过总结，数学上已给出的信息量的定义已有100多种。
人对一切事物的感知和认知首要的是要知道发生了什么事，而事物的发生是随机的，具有不确定性，观测和通信的目的就是要获取信息，以解除其中不确定性，（如新闻要回答凤凰卫视的5W+H，即何人、何事、何处、何时、何因、如何？）。这是信息的最基本的属性，Shannon和Wiener的高人之处就是认识到这点，并引入概率论来处理这个问题。
Shannon和Wiener的信息是不确定信息，其量度被定义为熵差。通信观测所得到的信息量是减小（或解除）的不确定性的量[1，2]。
信息量不是熵本身，而是熵差。熵是不确定性的量度，而熵差才是信息的量度。这点Wiener在《控制论》一书中已强调指出，Shannon的著作中则给出了全面的、严格的数学论证，成为一个完整的信息理论体系。
附1：信息的多样性和Shannon信息论的局限性
客观事物是多种多样、五花八门的，事物的状态和变化是多姿多彩、变幻无穷的，属性不同就出现了不同的信息，需要给出不同的信息定义，从而可创建不同的信息理论。
●信息的不确定性引出概率信息和Shannon信息论。
●信息的模糊性引出模糊信息和模糊信息论。
●信息的量子属性引出量子信息和量子信息论(这是有争议的)。
●信息的复杂性引出信息复杂度和复杂度的信息理论。
●信息的感知属性引出感知信息和感知的信息理论。
●信息的美学属性引出美学信息和美学的信息理论。
等等，不一而足。
附2：信息量度定义的困难性
在众多不同属性的信息中，只有少数几种信息有了合适的量度，如不确定信息。大多数信息是可以感知、但无法度量，因为还未找到合适的信息量的定义，因而也就建立不起来像Shannon信息论那样的理论。例如，我们对情感信息中的喜、怒、哀、乐、爱、恨、恩、怨等人都能够感知，但我们还难于度量它们，我们还只能用一些比较模糊的形容词来描述不同程度的感情。如“你问我对你的爱有多深，我爱你有几分，你去想一想，你去看一看，月亮代表我的心。”我们还不能确切地给出“这份爱”有多少“比特”，“那份爱”比“这份爱” 又多多少比特。对于美学、味觉、嗅觉以及食品的风味等信息也是难于给出客观的定量描述。只能以“多数人觉得好才是真好”来评价。
另外，这类信息具有很强的主观性，这就更增大了给出客观量度定义的困难性。
由于客观事物的多样性，彼此差异巨大，变幻无穷，要想给出一个能够包罗万象、统一的信息的定义，在此基础上建立起一种统一的信息理论似乎是不大可能的。信息的广泛含义、应用和渗透，形式和内容各异，这正是要给出一个广泛认可的信息定义、建立统一信息理论的障碍所在。甚至有人曾给出所谓“三难推理（Capuro trilemma）”，证明不可能给出一个正式的信息的定义。[6]
这正证明，信息是可以感知，但难于定义的概念。迄今为止，还没有一个为大家所公认的、明确的“信息”定义。实际上我们仍然不知道信息是什么？这有点像电视连续剧《过把瘾》片尾曲“糊涂的爱”对“爱”所做的诠释：“这就是爱，说也说不清楚”、“这就是爱，糊里又糊涂”。
附3：不确定性信息理论的普适性
Shannon的不确定性信息理论有其局限性，不能表述信息的其他属性，也不能代替其他信息量度和信息理论的研究。
但是，不确定性信息论的研究又是研究其它信息类信息属性的基础。因为通信的基本目的是“在此时彼地或彼时彼地精确或近似地重现信源的输出”。这句话是对Shannon原话作了一点修正，使其不仅包括了信息传输，也包括了信息的存储问题。
我们只要看看连续消息的有失真信源编码问题就不难理解了。为了保证声频或视频的清晰度，我们必须加大不确定性信息的传信率。只要保证了不确定性信息的传输质量要求，也就能满足“美学”信息的传送要求了。至于每个人如何感受则是另外的问题了，Shannon的信息论回答不了。
附4：五花八门的信息理论
已经提出了各式各样的信息理论，得到了众多不同的结果，都宣称取得的了成功。[6]
Shannon的统计信息论、语义（Semantic）信息论、动态（Dynamic）信息论、定性（Qualitative）信息论、经济（Economical）信息论、效用（Utility）信息论、算法 （Algorithmic）信息论、模糊（Fuzzy）信息论、量子（Quantum）信息论等等。
此外还有如信息生态学（Ecology）、信息经济学（Economics）、信息代数、信息几何、信息逻辑、信息微积分学（Calculus）、信息物理学、生物信息学等。
附5：语法信息、语义信息、语用信息和全信息理论
Shannon的信息理论只讨论了广泛信息概念中的一类信息，即不确定性信息，利用概率论给出了这类信息的量度，全面阐述了一切信息系统（包括通信、雷达、遥控、遥测、计算机、生物、考古、宇宙探测等信息系统）中的信息传输、存储、处理和接收问题。Shannon有意避开众多含混不清、无从着手、找不到合适数学工具进行研究的信息问题，这正表明他的睿智和大师风范，在他的一生中不止一次显露出他的这种处理问题时的高明过人之处。
有人提出“语法信息、语义信息、语用信息和全信息理论”来使Shannon信息论“回归科学”，实现“信息的‘形式、内容、价值’三位一体”。这里有很多疑问值得提出研究，首先语法信息、语义信息、语用信息和全信息理论所需量度的定义是什么？如果给不出来又如何能将这些信息纳入科学？其次，语法是信息表示问题，从不确定信息的角度看，语法是一系列表示信息的确定规则，没有不确定性问题，也就没有不确定性意义下的信息量可言。从广义信息来谈，说话、文字表述有声调、语气、语境不同而能传达不同的意思或信息，但我们对此又如何能定量地进行描述？对于语义信息也同样有类似的困难。至于语用信息就更难于对付了，同样的语言，对于不同的人有着很不相同的意义、很不相同的理解和判断，因而就会有不同的用场。对于这类强烈有赖于人主观因素的信息属性我们有什么办法应对，并能将其纳入科学？对于形式的东西比较容易用数学逻辑处理，但对于涉及内容和价值的东西就没那么容易了。
在已提出的众多致力于推广Shannon信息、信息量概念的方案中，1965年由美籍俄裔学者Zadeh在“Information & Control”杂志上提出的模糊集、模糊逻辑和模糊信息最为有名，有人将其称之为“模糊信息论”，并写出了几本专著。日本的电子工程师将这一理论用于设计地铁运行控制系统，实现了停车位置的精确控制，他们还将其用于洗衣机的控制，实现高效节约电能。如果仔细研究Zadeh所提出的模糊集概念就会发现，它实质上是对概率空间的一种划分，因此所谓模糊信息本质上是属于不确定信息，在概念上并未超出Shannon信息论，这也可能是IEEE Trans. on Information Theory上很少发表涉及模糊信息文章的一个原因吧。
（三）Shannon信息论的核心思想1——信息传输、处理
有效性和可靠性的编码
如前所述，Shannon和Wiener所研究的信息属不确定信息。不确定信息的量度被定义为熵差。通过观测所得到的信息量是减小（或解除）的不确定性的量。
I(X; Y) = H(X)–H(X/Y)
H(X)：发送消息概率空间X中事件出现不确定性的均值；
H(X/Y)：观察到接收消息概率空间Y条件下，发送消息概率空间X仍保留的平均不确定性。
I(X; Y)是定义在概率空间中的泛函：
当给定信道，即给定X到Y转移分布的条件下，改变输入分布，即信道编码，可使I(X; Y)达到或接近极大值，此极大值即信道容量。
当给定信源，即消息X的概率分布，在满足失真度需求下，可通过改变X到Y转移分布，即信源编码，使I(X; Y)达到或接近极小值，此极小值即率失真函数。
1. 信道编码的目的：是在保证接收消息恢复质量条件下，适当增加冗余度，以保证能够抗击信道干扰所造成的信息损失。
2. 信源编码的目的：是在满足接收消息恢复质量准则下，控制降低信源输出的冗余度，实现有效传信。
最近又提出
3. 网络编码，是在保证各接收节点消息恢复质量下，对源节点发送的消息，进行适当复制和选择多个路径传送(即适当增加冗余度)，以保证能够抗击路线失效所造成的损害。网络编码是多用户信息论的编码理论的延伸[17]，杨伟豪、蔡宁等提出的线性网络编码方案荣获了IEEE信息论学会最佳论文奖[18]，最近蔡宁、杨伟豪和李硕彦又因网络编码的研究获国际电气与电子工程师协会2016年度埃里克·萨姆纳奖。
可见，Shannon信息论指出[2][8]，为了实现有效和可靠通信，要走数字化和编码的道路。编码和译码本质上是控制和利用冗余度的问题，因此我们可以将各种编码归结为冗余控制编码。如何控制冗余度的增加或减少，就是编码中的核心问题，由此发展出各种各样的编码理论。
寻求各种条件下最佳编码的问题本质上也是求解泛函I(X; Y)的优化问题。
几十年来，经过无数科技工作者的努力，不仅在数学上严格地证明了Shannon编码定理，而且发现了各种具体可构造的有效编码理论和方法（信源、信道编码），可以实现Shannon指出的极限。
信息论这一抽象而完美的理论，对实际通信系统的设计已产生了深刻的影响，创造巨大丰富而令人惊叹的技术成果。通信工程师在信息论方面的基础对他们事业的发展有重要的作用。
附录1：正交码、双正交码与沃什（Walsh）函数[32]
Shannon极限是在AWGN下，代数编码理论中的一颗明珠——正交码（可由Hadamard矩阵导出），当码长趋于无限时所达到的极限性能，但其译码复杂度趋于无穷大，而无法实现，这将所有代数编码引向死胡同!
20世纪70-80年代曾在世界的通信界Walsh函数热了几年，还出版了好几本书，似乎可以为通信解决大问题。读过Peterson“纠错码”一书的都知道，Walsh函数其实就是Hadamard矩阵导出的和双正交码一种特例（n=2m）。20世纪60年代美军曾将双正交码用于遥测系统，后被淘汰，信息论教研组的全西成老师也曾指导过学生做课程设计。
附录2：分组码与卷积码[8]
分组码的构码有美妙的代数工具，但其译码问题远不够理想，译码器的复杂度随码长成指数增加。
卷积码的构码至今还没找到像分组码那样美妙的代数工具，但它的译码问题解决的要比分组码好的多。
五十年代后期提出了序列译码，其译码复杂随码长增加呈线性增长，六十年代中期，实用的序列译码的约束长度达到60-80比特；九十年代初，Turbo码的约束长度已达数千比特；最近，LDPC的约束长度已达16200比特，甚至64800比特（此为2003年Hughes Networks建议的LDPC，已纳入新一代数字卫星电视广播标准DVB-S2中。所用的码相当于在PC机上用了40000天仿真才找出的。）Turbo码和LDPC所实现的编码性能逐步逼近Shannon限，长为107比特的不规则LDPC在码率为1/2时距0.187dB的Shannon限仅有0.0045dB的距离了，而相应的译码算法的复杂度（在现有技术条件下）为可接受。
附录3：信道编码的Joke定理[8]
因此，纵观近60年来的编码理论和技术发展，50年代的序列译码、60年代的Viterbi译码、80年代的TCM和BCM、90年代初的Turbo码、90年代后期的LDPC码的成就都应当归功于译码算法的突破，而不是构造好码，特别不是代数编码理论的成就。译码所需的少量好码可以通过计算机搜索、筛选得到，而且无需计较计算成本。
未来呢？如何继续向Shannon定理逼近？从Shannon理论本身可以清晰看出，在技术可实现条件下，寻求进一步可以处理的更长码的译码算法，是一条明智的选择。Shannon在建立理论时，经常利用随机码的思想来处理问题，他始终没有涉足于代数编码理论的研究工作，这不正说明Shannon是天才，是先知，是最先感悟到这点的人吗！
可见，更深入研究Shannon的信息论所提出的思想和方法是多么重要啊!
代数编码理论还有用吗?在追求“最佳码”的代数编码理论研究中，人们所发展的很多概念，如最小Hamming距离等，在利用随机选择的码的筛法中，可以用代数编码理论所提供的准则来迅速剔除一些明显的坏码、恶性码。
还应当指出，LDPC算法所能用的码的传信率是极低的，所要求的系统带宽是较大的，我们仍然还未能真正实现Shannon信道编码定理的理想！我们还不能陶醉于目前的编码理论界的成就，我们不能让编码Joke定理继续嘲弄我们，我们还应当在追求接近Shannon极限性能的时候保持码的传信率为一个足够大的值，同时要使译码算法可以实现。
附录4：欧氏空间编码（TCM、BCM与COFDM）
功率受限、带宽不受限信道的纠错码采用Hamming距离构造最佳码。功率带宽均受限信道需要在欧氏距离构造最佳码，即TCM（Trellis Coded Modulation网格编码调制）和BCM（Block Coded Modulation分组编码调制），可得到更好的性能。
COFDM（编码正交频分复用）体制是在功率、带宽均受限信道下实现Shannon信道编码定理的又一途径。它在DAB、HDTV、ADSL、HDSL等系统中已有广泛的应用。
附录5：Turbo码和迭代译码
Turbo码是两个卷积码经由一个随机交织器的级连，采用迭代软判决Viterbi译码算法(SOVA)，充分利用接受序列中的有关发送符号的信息。它包含了级连码概率译码的原始想法。在编码速率为0.5、误码率为10－5时，Turbo码的译码器所需的Eb/N0值为0.9 dB，距Shannon极限不到0.7 dB。编码速率为0.9时，采用简单的Hamming码或Gallager的低密度一致校验码，所需的Eb/N0值接近0.27 dB的Shannon极限。
（四）Shannon信息论的核心思想2——
信息保密性和隐匿性的编码
信息保密性和隐匿性虽然不等同于信息的不确定性，但我们将会看到它们和不确定性密不可分，且都可化为对信息进行编码问题。
1949年Shannon公开发表的《保密系统的通信理论》[3][12]开辟了用信息论研究密码学的新方向，使他成为近代密码理论的奠基人和密码学的先驱。这篇文章是他在1945年为贝尔实验室所完成的一篇机密报告《A Mathematical Theory of Cryptography》[4中的[24]]。Boston环球报称此文将密码从艺术变成为科学。此文发表后促使他被聘为美国政府密码事务顾问。
这一工作的背景是1941年他在贝尔曾从事密码学研究工作，接触到SIGSALY电话机，是一种马桶大小的语言置乱设备，供丘吉尔和罗斯福进行热线联系。这一电话保密机所用的密码就是在今天也破译不了[4中的[24]]。
SIGSALY电话机
《保密系统的通信理论》奠定了现代密码理论的基础。可以说，最近几十年来密码领域的几个重要进展都与Shannon这篇文章所提出的思想有密切关系。
密码系统与传信系统的对偶性
传信系统需要对抗系统中存在的干扰（系统中固有的或敌手有意施放的），实现有效、可靠传信。
Shannon说：“从密码分析者来看，一个保密系统几乎就是一个通信系统。待传的消息是统计事件，加密所用的密钥按概率选出，加密结果为密报，这是分析者可以利用的，类似于受扰信号。”
密码系统中对消息的加密变换的作用类似于在通信系统下向消息注入噪声。密文就相当于通信系统经过有扰信道得到的接收消息。密码分析员相当于有扰信道下通信系统的接收者。所不同的是，这种干扰不是信道中的自然干扰，而是发送者有意加进的、可由己方完全控制、选自有限集的强干扰（即密钥），目的是使敌方难于从截获的密报中提取出有用信息，而己方可方便地除去发端所加的强干扰，恢复出原来的信息。密钥的随机性将成为关键所在。
传信系统中的信息传输、处理、检测和接收，密码系统中的加密、解密、分析和破译都可用信息论观点统一地分析研究。密码系统本质上也是一种传信系统，是普通传信系统的对偶系统。
Shannon以概率统计的观点对消息源、密钥源、接收和截获的消息进行数学描述和分析，Shannon深刻揭示了冗余度在密码中的作用，用不确定性和唯一解距离来度量密码体制的保密性，阐明了密码系统、完善保密性、纯密码、理论保密性和实际保密性等重要概念，从而大大深化了人们对于保密学的理解。这使信息论成为研究密码学和密码分析学的一个重要理论基础，宣告了科学的密码学时代的到来。
正确区分信息隐藏和信息保密[10]
Shannon在引论中就明确区分了信息隐藏（隐信息的存在，将信息藏匿于足够复杂的信息环境中，使对手难于觉察出它的存在）和信息保密（隐匿信息的真意，使对手虽然知道它的存在，但难于明了它的真意），以及模拟保密变换和数字信号加密（密码）的不同之处。Shannon称后者为真保密系统（True secrecy system）。
隐匿技术本身不是一项新的技术。但是，随着计算机的普及和多媒体，特别是图像和声音数据的介入，产生了针对图像或声音处理的很多有效的隐匿算法的技术实现，使得该技术获得了重新复兴，成为网络安全研究和现代密码技术的重要组成部分，在军事领域，网络通信，商业领域有着不可估量的应用前景。
信息论是研究和评估保密和认证系统的安全的重要工具，也是研究和评估隐匿系统重要工具。
可以用熵和信息量研究隐匿系统。引入信息理论意义上的安全性（如果不管攻击者怎样努力也不能肯定他的假设有信息被埋入）等。
Shannon信息论是现代密码的理论基础
现代密码学的两个重要标志：一是美国数据加密标准DES的公布实施，二是Diffie和Hellman提出的公钥密码体制。
20世纪60年代末开始了通信与计算机相结合，通信网迅速发展，人类开始向信息化社会迈进。这就要求信息作业的标准化，加密算法当然也不能例外。标准化对于技术发展、降低成本、推广使用有重要意义。
DES标准的公开对于分组密码理论和算法设计的发展起了极大的促进作用。另一方面，DES（Data Encryption Standard）、EES（Escrowed Encryption Standard）、AES（Advanced Encryption Standard）的曲折发展历史过程也为全世界如何制定适于信息化社会公用的密码标准算法提供了有益的启示。
制定信息化社会所需的公用标准密码算法的正确途径是公开、公正地进行，公开地证集算法的方案，公开、公正地评价和选定标准算法，最后要完整公布选定的标准算法。这样集众人智慧的算法强度能比较有保证。只有这样才能使应用算法的人相信它能够保护自己的隐私和数据的安全，也才能在较大范围，如全国甚至在世界范围推广使用，为Internet中的安全地互联互通和电子商务提供支持。
再有，美国开发EES作为要替代DES的一个标准算法虽然是失败了，但它却发展了密码的可控性理论和技术，大大推进了密钥托管和密钥恢复技术的发展。这类技术在当今电子商务和电子政务系统中有重要作用。
DES及后来的许多分组密码设计中都充分体现了Shannon在1949年的论文中所提出的设计强密码的思想。
●组合（Combine）概念：由简单易于实现的密码系统进行组合，构造较复杂的、密钥量较大的密码系统。Shannon曾给出两种组合方式，即加权和法和乘积法。
●扩散（Diffusion）概念：将每一位明文及密钥尽可能迅速地散布到较多位密文数字中去，以便隐蔽明文的统计特性。
●混淆（Confusion）概念：使明文和密文、密钥和密文之间的统计相关性极小化，使统计分析更为困难。
Shannon曾用揉面团来形象地比喻“扩散”和“混淆”的作用，密码算法设计中要巧妙地运用这两个概念。与揉面团不同的是，首先密码变换必须是可逆的，但并非任何“混淆”都是可逆的；二是密码变换和逆变换应当简单易于实现。分组密码的多次迭代就是一种前述的“乘积”组合，它有助于快速实现“扩散”和“混淆”。
分组密码设计中将输入分段处理、非线性变换，加上左、右交换和在密钥控制下的多次迭代等完全体现了上述的Shannon构造密码的思想。可以说，Shannon在1949年的文章为现代分组密码设计提供了基本指导思想。
公钥密码学教父
Shannon在1949年就指出：“好密码的设计问题，本质上是寻求一个困难问题的解，相对于某种其它条件，我们可以构造密码，使其破译它（或在过程中的某点上）等价于解某个已知数学难题。”这句话含义深刻。受此思想启发，Diffie和Hellman提出公钥密码体制。因此，人们尊称Shannon为公钥密码学教父（Godfather）。
●1976年Diffie和Hellman提出公钥（双钥）密码体制。所有双钥密码算法，如RSA、Rabin、背包、ElGamal、ECC、NTRU、多变量公钥等都是基于某个数学问题求解的困难性。
●可证明安全理论就是在于证明是否可以将所设计的密码算法归约为求解某个已知数学难题。
●破译密码的困难性，所需的工作量，即时间复杂性和空间复杂性，与数学问题求解的困难性密切相关。计算机科学的一个新分支——计算复杂性理论与密码需的研究密切关联起来了。
感想和建议
几十年来，随着信息化社会的发展，密码应用越来越广，密码的作用越来越大，已成为每个人都不可少的一种生存工具。
但是从密码的基本理论上看，密码理论的几个重要进展都离不开Shannon信息理论和密码思想。
因此，不论是从事通信还是从事密码或信息安全技术方面的工作，都应当认真研读Shannon的两篇经典文献，深入发掘他的一些思想，这将使我们不仅能学到一些有关信息论和密码的知识，还可能会悟出一些深层的道理，这对于我们打好基础，并能有所创新会有很大帮助。
（五）Shannon信息论的核心思想3——
信息认证性、可信性和完整性的编码
经典密码系统模型仅考虑了被动攻击者，即对截获密报进行破译的密码分析者。在现代网络空间环境下，密码系统中除了被动攻击者外还有主动攻击者，他们主动对系统进行窜扰，采用删除、增添、重放、伪造等手段向系统注入假消息，达到利己害人的目的。为此，现代密码学除了研究和解决保密性外，还必须研究和提供认证性、完整性、可信性、不可否认性，并要保障密码系统的可用性。
信息的认证性、完整性、可信性、不可否认性等，虽然不等同于信息的不确定性，但和信息保密性一样，它们和不确定性密不可分，且都可化为对信息进行编码问题。
为了解决网络空间提出的新的信息安全问题，密码学中出现了一些新的分支，如数字签名、认证码、Hash函数、可信计算等
认证系统的信息理论
二十世纪八十年代G. J. Simmons系统地研究了认证系统的信息理论，他将Shannon信息理论用于认证系统，分析了认证系统的理论安全性和实际安全性、性能极限、以及认证码设计需要遵循的原则。
从信息论来看，认证码、杂凑函数与检错码有很深的内在关系，他们都是用增加冗余度来实现认证性、完整性检验和检错的。不难用信息论给出他们的理论分析能力。
数字签名的伪造问题也是一种认证码的检伪问题，可以用认证码的理论阐述。由此我们可以联想，可证明安全问题，可能会与认证码的理论联系起来。
可信性是在网络空间中生存竞争的重要保证
可信性（Trust）是构建人类社会的基础，它深刻影响人们如何做出决定和人们之间的关系，可信最终是要在人们的脑海中建立起来的认识。可信性越高人类社会就越安全、稳定、和谐。
赛伯空间和物理空间可信性同等重要，现代人的很多事务是在赛伯空间中处理完成的，没有赛伯空间可信性，也就无信任性。如何建立、递送、维系赛伯空间可信性是需要解决的重大课题。
可信性的研究涉及很广，含可信性的描述、定量评价、建模、追踪、管理、法律、规定、政策等。
（六）数字化革命之路不容动摇
人们对数字化的认识并非一致，由于技术发展水平的限制，一些数字化方案的优点还显现不出来，常被认为过于复杂、成本高而被否定或搁置。
1988年汉城奥运会时，日本抢先推出高清电视(HDTV)大屏幕实况试播，令世人震惊。
由日本官方主管部门主持的HDTV标准采用了模拟-数字混合体制，一台这样的TV终端的成本很高，用户难以承受而不能推向市场。日本官方鼓动Sony等几家主要电视研发公司，投资近百万美元都付诸东流。
与此同时，美国和欧洲研发机构也在积极研究HDTV技术，他们制定技术标准的方法不同于日本，不是由官方主导决定，而是采用科学、民主的方式，由业内精英们进行研究论证，提出标准草案，有关标准化机构多次研究论证，表决通过后公诸于世，广泛征求意见，再修改通过后才成为正式标准。日本消费业公司也只好跟进。
美国制定的是一种串行编码体制，欧洲选用一种叫COFDM的编码体制，两种体制都是全数字化的编码方案，理论上的效率也都相近。经过业界的努力，分别都攻克了相应的关键技术。随着VLSI技术的进展，当前价廉物美的全数字化的宽屏电视已走进千家万户。
数字化道路上的另一个范例是3G手机的调制编码方案选择问题。1G手机采用模拟频分体制，俗称大哥大，笨重、耗电、价高达1-2万元人民币，只有显阔的大款用的起，早被淘汰了。2G手机的多址采用数字时分体制，芬兰的GSM手机最为成功。20世纪80年代中期，世界著名信息论和编码理论家，卷积码Viterbi译码算法的发明者A. J. Viterbi开始关注3G手机的编码体制，他用信息论观点深入分析了码分多址(CDMA)体制的性能时发现，用伪随机(PN)序列作为用户地址码的多址系统，其他用户地址码对此用户所造成的串扰，当系统中的用户数足够大时，将近似为高斯分布的干扰，这正好满足了Shannon定理的条件，而能实现最有效传信的目的。从而得出CDMA将是3G手机的编码体制的最佳选择。
为了推这种体制，他积极参与组建Qualcomm（高通）公司，并撰文在重要国际通信会议和学术杂志上广泛宣传这一新体制。
记得1990年电子学会的信息论学会和通信学会的通信理论学会在湖北宜昌联合招开年会，由北邮周炯磐教授代病中的蔡长年教授主持会议，他安排了半天时间专门讨论3G手机的编码体制。参会的人对信息论都较为熟悉，多数人都人都认可Viterbi的观点。但这在当时，通信界的大多数工程技术人员一方面由于不大理解信息论，认识不到CDMA的优越性，另一方面也由于CDMA实现上的复杂和困难性而却步。Viterbi却早已指出，依靠VLSI技术完全可以将CDMA手机的收、发电路用一个芯片实现。
瑞典Erission和美国Qualcomm耐心地对有关第三代(3G)蜂窝系统进行了长时间的争论，终于达成一致意见。这就打开了通向第三代全球蜂窝电话标准之路，两个公司都同意支持基于Qualcomm的CDMA技术作为第三代全球蜂窝电话标准。
这两个范例充分证明，全数字化是通向信息化社会的康庄大道！
（七）信息化社会之路——网络化-1
互联网
数字化开创了人类通向信息化社会之路，网络则是构建人类信息化社会的物质基础。多用户信息论是网络通信的基础理论，Shannon 1961就提出两路通信系统，成为多用户信息论的奠基人。
宇宙中的信息空间
在系统论中，宇宙是一个巨型系统，无所不包，但它仍然是由三个要素：物质、能量和信息所构成的，宇宙中所有存在的信息就构成了与宇宙同在的信息空间（Information Space）,并随宇宙不断演化而改变中。
计算机对通信发展的巨大作用
近几十年来，对于通信的发展具有重要意义和巨大作用力的事情就是始于上个世纪六十年代，大致成于九十年代的通信与计算机相结合（C & C）。通信这一老学科，从计算机这一新兴学科获取了新的基因和新的思想。诞生了以计算机为核心的控制、管理网络，程控交换机替代了步进式交换机，灵活、高效的分组数据传输代替了低效的线路交换，TCP/IP协议的提出创生了Internet，Web的出现，信息高速公路（NII）的提出和建设，最终为人类提供了一个新的生存空间，即赛伯空间（Cyberspace），为信息化社会的形成提供了物质基础。
消息分组交换（message block switching）
1961年蓝德公司Paul Baran提出了“消息分组交换”概念，革新了电信传统采用的线路交换（circuit switching）技术,这种虚拟的数字交换可适用于各种不同类型的线路、不同类型计算机和中端设备之间更有效地传送消息。1969年美国建立了第一个分组交换网：ARPANET。其它一些计算机和通信巨头，如IBM、欧洲许多机构也开始了构建消息分组交换网络。1971年法国Cyclades发布了分组交换计划。1974年IBM发布了称之为系统网络结构（Systems Network Architecture）的分组交换。1976年CCITT公布了X.25建议，采用“虚拟线路”的分组交换标准。
随着分组交换网络的发展，各网络之间的互联问题也就提到了日程。如何实现网络的互联互通，人们探索了两条路，OSI的7层协议和TCP/IP协议。
开放系统互联（OSI，Open Systems Interconnection）标准
从1972年成立了国际网络工作组，到1990左右国际通信界的主流都间将精力和资源投入开放系统互联七层协议标准。
值得提及的是，1975年Cerf和Pouzin曾向审查电信标准的国际组织提出他们的协议，但被以通信工程师为主体的国际电报电话咨询委员会（CCITT, the International Telegraph and Telephone Consultative Committee）拒绝。这令Cerf和Pouzin等非常失望。
互联网传输控制协议/互联网协议（TCP/IP，Internet’s Transmission Control Protocol and Internet Protocol）
与此同时，1975年从事ARPA工作的一些人，如Cerf和Bob Kahn继续致力于数据报设计，为“Internet”提供了技术基础，即后来ARPA所采用的TCP/IP，他们两人在ARPA所提供的小范围网络环境发展了互联网协议。
1983年1月ARPA停止支持ARPANET主机协议，规定连网者采用TCP/IP协议。这个日子被看作是“Internet的诞辰”。温顿·瑟夫和卡恩·鲍勃(Vint Cerf and Bob Kahn)被誉为互联网之父。
1992年7月Internet设立了Internet Activities Board and Engineering Task Force，指导Internet标准的开发。1992年美国科学基金会改变政策，允许商用业务通过Internet。1991年Tim Berner宣布WorldWideWeb正式启用，OSI经过10年的发展，在解决异构网间的互联上远不如TCP方便、灵活和廉价，使OSI标准的前景出现了不确定性。
而TCP/IP协议的互操作性、方便、灵活、免费使用，征服了大多数用户，战胜了组织机构庞大、委员会和研究组林立、周密策划、得到大多数业内权利机构支持的OSI。到1990年代中期，Internet事实上已成为全球计算机网的标准。
“OSI是一场美梦，而TCP/IP则充满生机。”（Einar Stefferud, Internet主要鼓吹者）到了1990年代中期OSI的美梦告终。
开放性和连通性是Internet的灵魂，符合人们在赛伯空间中生存的最基本的需求，而TCP/IP技术则是实现开放性和连通性的根本保障，这正是TCP/IP成功的主因。
TCP/IP胜出了，OSI已被人遗忘。但我们追朔这段历史还是很有教益的。同时也应注意到OSI虽然失败了,但人们所研究的许多技术成果还是可以在Internet中运用的。
IP地址概念的提出
1969年美国军方开始了一个去中心化通信系统的研究项目——阿帕网（ARPANET），采用分组数据包交换方式传送信息。时年30岁的工程师雷·汤姆林森（Ray Tomlinson）参与了这一工作，他提出采用“@”符号给出统一的格式化表示用户（计算机）在虚拟网络空间中的地址的关键想法，在符号@之前写出用户名，后面写出用户在网络中的位置（地点），成为归一化表示用户在网络位置的编码方法就是我们所称的IP地址。电子邮件和IP地址就是物理空间中的邮件和地址在虚拟网络空间中的映像。
1982年IP成为电子邮件发送规范，1994年汤姆林森被尊为“电子邮件之父”[19]
Internet的诞生与发展
Internet是将各种实体：通信终端、计算机、网络等通过TCP/IP协议所连成的一种虚拟网络，它不是物理实体，而是信息空间中的一个子集，承载它的是物理空间中的各种电信和计算机网络。
Internet是从通信网行业中“异化”出来，成为是传统电信的“叛逆者”。Internet一出现就表现了强大的生命力，充满了活力，为最广大用户提供了最方便的服务而得到最广大用户的支持和青睐。成了建立自由，平等的新型社会的巨大引擎，引导世界走向理想的大同社会。当然，尚有很长的路要走，但这些年来的发展至少使我们已看到了一些曙光，给我们一点希望。
到了九十年代Web的出现，大大增强了Internet的服务能力，为用户提供了极丰富、极方便的信息服务，使Internet为全人类构建了一个新的生存空间——Cyberspace（赛伯空间）。将人类推进到一个新的信息化社会阶段。
自Internet出现以来，其“母体”电信网络界却扮演了一个“九斤老太”的角色，它对Internet这个“丑小鸭”总是“看不惯”，“容不得”，但是又“斗不过”，对于Internet网的发展中的一些问题横加指责，设置各种障碍来限制、阻碍Internet的发展，但都不太奏效；迟迟认识不到“everything over IP”之路。2000年以后虽然最终不得不承认这一现实，但又提出一些新的控制、限制、改造Internet的方案，如“后Internet”、“第二Internet”等，甚至提出将Internet建成或改造成为一个可信、可控、安全可靠的网络，这是一种空想乌托邦！试问Internet属于哪个国家或组织管理和控制？在物理世界中，有谁能将整个世界管理起来，能控制和保证它的安全？同样又有谁能保证赛伯空间的安全、可信和可控？
在信息化社会中，人们既要在物理空间中生存和竞争，又要在虚拟的信息空间中生存和竞争。长期以来，人们对于物理空间中的安全已有了深刻认识，并积累了丰富的经验来强化物理空间中的安全性，以保证人们能从事各种正常的社会活动，过上安宁幸福的生活。但是，虽然人类经过了几千年的努力奋斗，物理空间中生存的安全性还远未得到完满的解决。
这里要特别提醒大家，虚拟的赛伯空间中的许多事物和问题大多是物理空间中的事务和问题在虚拟的赛伯空间中的映像，因此，理解、思考和解决赛伯空间中的安全问题常常可以借鉴物理空间中的安全问题的解决方法和经验。
另一方面，我们也要清楚认识赛伯空间中信息安全问题的特殊性，明确区分赛伯空间中信息安全和物理空间中的安全的不同之处。
信息安全是一个非常大而复杂的问题，它涉及社会、人性、法律、管理、技术等多方面、多层次的问题，是信息化社会中人类必须面对、很好研究和解决的新问题。
Internet的本性是“连通性”、“自由性”，它不是由那个国家，那个公司所建，而是全人类共建的网络。
任何人、单位、政府都可以享用Internet所提供的互连、互通和丰富多彩的信息服务，但同时也要承受来自Internet的安全威胁，有时甚至是严重的威胁，付出的代价也是惨重的。
1. 任何通信网只要与Internet连通就将有一部分成为Internet的一部分。
2. 完全与Internet隔离是解决安全性的重要途径。如军用网。“911”以后，美国强调了这类网的构建。
正如物理空间一样，它是人类的一个虚拟生存环境。人类虽然可以在一定条件下去控制和改造环境。但绝不能按个人主观意志去改造它。更为可取和更为有效的应是“顺应”天、地之规律，求得生存和发展。
我们能够做的是将我们的内部用的内域网（Intranet）建设得更安全和可信，特别是我们独立于Internet的专用网实现安全和可信，此外我们还可以与其它方合作使我们共享的外域网（Extranet）变得比较安全和比较可信。
Internet的特点
●基于IP技术，实现方便、快捷的互连、连通。
●倚重Web技术（20世纪九十年代后），为用户提供丰富、方便、快捷的信息服务。
●面向P2P，每个用户都是对等的，都有平等的权利。
●无中心。
Internet的问题
●信息安全性无保障。
●QoS无保障。
●无政府状态。
●难于管理和控制。
赛伯空间
赛伯空间是由Internet、Intranet、Extranet和孤立网4者构成，这四类网络空间都是人类创建的，Intranet和Extranet采用TCP/IP协议，是Internet的子空间，孤立网或专用网与Internet无关联，但它们的信息所形成的虚拟空间属于赛伯空间。
赛伯空间是数字化革命中人类创造了赖以生存的第二个空间，属于宇宙中早已存在的信息空间。信息空间与物理空间是密切相关的，其中的很多事物是相互映射关系，但它们之间绝非是等同的。
网络空间是物质的，属于物理空间范畴，赛伯空间是宇宙信息空间中的子集，它是抽象的、无形的，将空间译为网络空间是值得商榷的。网络空间的安全与赛伯空间的安全虽是密切相关，但也是有区别的，不能等同起来。
“911”事件以来，赛伯空间中发生的事件，从维基泄密（WikiLeaks）到斯诺登触发的“棱镜门”，对全球政治形势的影响也在加大。赛伯空间对人类的生存的影响将会与日俱增。
无线网、移动网的蓬勃发展[23]
通信的发展是向5W的理想境界前进，5W：Whoever（任何人）、Whenever（任何时候）、Wherever（任何地方）、Whomever（与任何人）、Whatever（任何形式）。无线化、移动化和小型化是实现5W的技术保证。
卫星通信曾使人们忽视短波无线通信，到了上一世纪80年代，由于新的处理技术的应用，如编码、信道自适应测量和跟踪技术，短波无线通信可以保证较高速率、接近24小时全天候的可靠通信，而得到复苏。手机的广泛应用和其无线连网接入方式，使无线移动通信得到大发展，成为人类通信的重要网络。
互联网发展的新阶段——社交网络
互连网提供的信息服务由浏览器到达WWW（万维网），开创了Web时代的第一个重要阶段。Web时代的第二个重要阶段是Google阶段。现在到了第三个重要阶段，以Facebook(脸书)、Twitter(推特)和Google(谷歌)的YouTube为代表的社交媒体（Social media）阶段，或社交网络（Social networks）阶段[14]。
信息时代经历过多种争战，大型机（Mainframe）与微机（Micros）；RISC（Reduced Instruction-Set Computer）与CISC（Complex Instruction-Set Computer）；Windows与Unix等。当前IT业的一场巨大而复杂的争斗正在激烈展开，Facebook、Twitter、Google等谁将成为社会网络时代的领衔者尚未分晓。
Facebook（脸谱、脸书、面书）的出现带来了赛伯空间中的社交理念，将Web推向了一个新的发展阶段，Google虽然在全力猛攻社交领域，但它迟了一步，创办脸谱的年轻人：马克·朱克伯格(Mark Zuckerber赢得了“社交”。但者还不是最终结果，Google还有它的巨大优势，Facebook和Google的争战还在进行中，这是当代最伟大的技术冲撞。
现在Facebook的注册人数早已突破4亿，市值达1800亿美元，而朱克伯格也成为全球最年轻的自行创业亿万富豪。他是比尔·盖茨之后，IT业乃至世界经济的新传说。
向探索更远的天际和更久远的过去发展
航空、航天、星际探测、宇宙和人类起源、考古等都要求信息技术向更广阔的时空进军[26][27]。
1990年美国发射的哈勃（Hubble）太空望远镜将人类观察宇宙的能力扩大到银河系以远，带来天文观测史上的一场革命。2014年美国又发射功能更强大的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST，James Webb Space Telescope，替代哈勃太空望远镜。它可以按照天文学家的指令去观测宇宙中的任意星体。使我们的观测距离扩展到130亿光年的宇宙，同时使我们可以追寻到137亿年前，宇宙大爆炸以来的宇宙的形成和演变的历史。太空望远镜就是一个复杂的光探测或感知系统，也是一个无线光通信系统。下一步是建造巨型太空望远镜的Atlas T计划，要到2020至2025年才可能运转[27]。
中国也正在贵州平塘加紧建造“观天巨眼”——FAST，我校段宝岩院士团队和清华大学承担了天线馈源动态控制跟踪系统。
太空望远镜仅是形形色色的传感器中的一例，还有许多各种不同类型的传感器，仅用于人体的就有可佩带、可吞咽和可植入的三大类。利用这些传感器，通过无线信道可以和计算机、网络连接，组成了无线个域网（WPAN，Wireless Personal Area Networks）或无线体域网（WBAN，Wireless Body Area Networks），为研究人体生理和心理的奥秘，疾病诊断和治疗提供了极为有效的手段。
人类对于物理世界的观察、实验是受人的感认知能力、实验设备技术水平、可持续观测时间等的限制。除了努力改善观测工具外，更要依靠人的心智世界的永不泯灭的好奇心、大胆的怀疑精神、不懈的探索功夫、丰富的想象力、严谨的逻辑推理判断力，在柏拉图世界中创造美的数学模型，在物理世界中去验证。
（八）信息化社会之路——网络化-2
互联网、物联网、物连网与传感网
Shannon在1948年文章中所给出的通信系统模型就明确指出，信源和信宿既可以是人，也可以是物。这就是说，存在着人-人、人-物、物-物之间的通信系统。长期以来我们主要研究和发展人与人之间的通信，在控制系统中会涉及人与物间的通信，但很少提到物与物之间的通信。这主要是因为物不具有对周围环境的感知能力，也不具有与外界通信交流的能力。传感器技术的发展和推广应用，使人们可以给物绑定一个对周围环境能感知并可与外界进行交流的传感器，从而使物能方便地与人、与其他物进行互联。这就是物连网兴起的背景。
物连网与物联网
物联网（Internet of Things）的定义是物的互联网，而互联网是利用TCP/IP协议构建的虚拟网。因此，许多物与物之间相连的网络并非属于互联网，更多的是一些通过传感器所构建的传感器网络（Network of Sensors），这些网络大多是为完成特殊任务的专用网络。可将这类网称之为物连网（Networks of Things），而将采用TCP/IP协议构建的涉及物的通信网称之为物联网。
其实人和人之间经由网络的通信也是借助于传感器（送话器、受话器，以及智能器件如PC机、手机等）实现的，从实现通信来看，“人”和“物”并无本质上的区别，Shannon还是有先见之明的。当然，人是能够发明创造所需的工具强化自己的感知、通信等能力，而物是由人赋予它们各种所需的能力，完成人类让它们去做的事情。
将物联网和物连网说成是超越互联网的一个新时代、新阶段等都似乎有点过誉了。物联网只是互联网的扩展而已，而物连网也是早已存在的事物，如宇宙探测、探矿、军事应用等。
感知技术的发展[25]
感知技术的发展对于满足人们获取所需信息起了重要作用。人类区别于一般动物之处是能够不断地发现、发明和制造新的工具，扩大自己感知时空的能力，由用自己能力有限的感官去看、去听、去闻、去嗅、去品尝、去抚摸、去感受，到用听诊器、望远镜、显微镜、超声探测仪、X射线、CT断层扫描……间接感知。使用工具大大延伸了人能感受的时空领域，强化了我们探索自然、社会、和我们自己生理和心理的能力。
物理空间中的一切事物，不管它是生物还是非生物、是动物还是植物、也不管它是移动的还是固定的，都可以采用这种办法，给它绑定或嵌入一个传感器，就可以将它送入信息空间中，作为其中的一个虚拟成员。
传感器可为无源RFID器件，现在已出现多种有源芯片，如Dash7的无线网接入，运行在433 MHz，波长约为70厘米，这个波段的优点是可以穿透像水泥墙一类的障碍，能工作在有大量金属堆积的环境中。有源RFID芯片采用小电池，功耗低，可长期工作。通信距离可达几百米，条件好时甚至更远些。Dash7适用于低功耗、低带宽数字通信，成本仅为5美分，美军将其成功用于战场上。
有源传感器的供电是一个具有挑战性的问题。在人体、钢筋混凝土建筑、化工厂危险内部机构中的有源传感器，难于为其更新电池。目前，即使用在要害节点，有源传感器的电池也仅能维持几年。当前急需寻求无需外部供能的有源传感器解决途径。
发展物联网和物连网的关键技术是传感器和能源，而不是通信技术，其所用的通信技术大多是已成熟的ICT（信息通信技术）。
宇宙信息空间中的各种人工虚拟信息空间
信息空间是宇宙有史以来一直都存在着的，包含宇宙中的所有信息构成的空间，其中有宇宙生成和发展的历史、地球出现生命、人类社会发展、现有动植物等的信息。
赛伯空间，确切地说它是由人类利用计算机和通信设备所构建的一切通信网络中的信息所形成的虚拟空间，人类在信息化时代的第二生存空间。
互联网利用TCP/IP协议所构建的虚拟网络，其中包括物联网（是物连网中采用TCP/IP协议的网络）、内域网和外域网中采用TCP/IP协议的部分。
基于上述的认识，我们将信息空间中的各种组成部分表示如下图。
（九）信息化社会的高级阶段——智能化
Shannon是最早倡导智能化的学者
Shannon是最早倡导智能化的学者，而且喜欢制作智能化机器，他制作了按罗马数字运算的计算器Throbac和一种玩六连棋的机器Hex。他也是一位喜欢玩计算机的人，计算机下棋、老鼠走迷宫、杂技演员最多能控制多少个球，要抛多高才行？用机器解魔方问题，以及用计算机研究和进行股票投资等。他不仅仅是消遣，而且在这些方面都提出了深刻的见解，做出了重要贡献。他曾在贝尔的长廊骑着独轮自行车手里还耍着三个网球的杂技。他制作了不少机器，但都未给他创造财富。
Shannon对于机器人的发展前景的看法是比较乐观的。他说：“我不知道机器将来是否能替代人，这是一个难回答的问题。再有一个世纪或更长些，机器将会在几乎每件事上做得比我们好。有许多事它们已经做得比我们好了，例如，可以将汽车在街上开得比人驾驶的要快得多，很多工厂的活也能做得比我们好。还会出现更高智能的机器人，这不会令我感到惊奇”。“首先，我是一个无神论者，我相信进化论，也认为我们基本上都是机器，但属一类很复杂的机器，要比迄今制作的任何机器人要复杂得多，我们是机器装置中的一种极端，我不认为机器就是金属的。”当问到未来足够复杂的机器人能成为人的朋友时，Shannon说：“我想是可能的，但还远得很”。“我认为机器的能力没有限制，微芯片会越做越小，速度会越来越快，可能将比我们更好。”
在谈到编码时Shannon说：“令人十分困惑的是大脑如何利用各类元件将管理做得如此之好，在它们的连接中一定使用了某种冗余度。我们知道大脑有100亿个神经元，它可以忍受各种损害，可以对特定的神经元进行手术仍然能相当好地处理事情，所以一定有冗余度来对付误操作。但是他是如何进行这类工作的是更深奥和更困难的问题。”
人机大战
1997年超级计算机“深蓝”在棋盘上击败国际象棋大师卡斯帕罗夫。
2011年2月8日美国著名智力竞答电视节目《危险边缘》曾组织IBM的超级计算机“沃森”与两个传奇赢家：肯·詹宁斯和布拉德·鲁特尔之间的人机对决大赛，“沃森”获胜。《危险边缘》堪称美国历史上最受欢迎的智力问答节目。
“沃森”是按IBM的创始人托马斯·沃森的名字命名的，它利用一个庞大的并联网络，与2000到3000个Power 7计算核心相连，这些计算核心被放置在7个冰箱大小的容器里。IBM已经为“沃森”上传了所有得到许可和公开的知识内容，以便打造一个巨大的语义索。
“沃森”会运用百科全书、字典、新闻报道、书籍、网络内容等资源。但在参加《危险边缘》节目时它不能与互联网连接。
“沃森”与詹宁斯和鲁特的对决，冠军奖金为100万美元，亚军为30万美元，季军为20万美元。詹宁斯和鲁特将拿出一半奖金捐给慈善组织，“沃森”的奖金则将全部捐出。
今年3月9日-17日，谷歌的计算机AlphaGO借助所收购英国DeepMind公司的人工智能围棋软件，与韩国围棋国手李世石进行了人机大战，AlphaGO以4︰1获胜，赢得100万。
几次人机大战都有华人计算机科学家参与。
计算机下棋还只是涉及人脑智慧中数学逻辑推理，“沃森”参加《危险边缘》竟答所涉及的人脑智慧还有语言理解、知识检索等。这类“人机大战”充分展示了人工智能的成就，当然这种无生命计算机的智能距离人类的能自主运行、自由思想的智慧还很遥远。
大数据——自动化到智慧化[23]
人类步入了信息化社会，时刻有被数据洪流吞没的危险，如何在数据大海中弄潮？就要靠“大数据”技术。
“大数据”是人类创造的一种能在浩瀚数据大海中发现问题，对其进行分析、推断、处理的新科学方法，是人类创造的一种智慧工具。它对人类社会发展的影响深远，对网络安全的冲击作用巨大。造就“大数据”的物质基础是超高速巨型计算机、网络空间、大规模的网络计算和存储资源。“大数据”的关键技术是智慧化搜索、处理软件。
“大数据”是人类在信息时代发明的一种新型虚拟显微镜和望远镜，能在网络空间中观察、搜索、发现纷繁的现象和复杂莫测的问题，并对其进行分析和推断，将会带来科学研究方法的更新[23]。
“大数据”使机器进入了智慧化阶段[23]
长期以来，科学发现依赖科学家的知识、灵感，从有限的成果、资料搜寻问题间的关联，提出合乎逻辑的假设，并通过实验验证。大数据时代，科学研究发展到一个新的阶段——智慧化机器阶段。
“大数据”是人类发明创造的一种工具。它会帮助人来完成力所不及的任务，减轻人的体力和脑力劳动，但决不能够完全替代人的智慧和人的作用。我们还应当看到，这种虚拟的望远镜和显微镜与物理空间中的望远镜和显微镜不同之处是它们是智能型机器，随着这类工具的改进，它们的智能终究会接近于人类的智慧，而得到人类的认同。
“大数据”严重威胁和逐步剥夺人们的隐私权，在信息化社会中生存的人们将逐步丧失隐私，在虚拟的赛伯空间中无奈地“裸奔”。
人们的一举一动，无时无刻不在被监视和跟踪着，哪有什么隐私可言！“零隐私”（Zero privacy）将随着采用技术的进步成为社会不可逆转的趋势[22]。
密码理论在保密上是成功的，但在保护隐私上还称不上是灵丹妙药，已设计的一些系统，如DRM都还未被市场广泛接受。另一方面，像911后，美国大力推进“信息全面觉察（TIA，Total Information Awareness）”计划，DARPA于2002年11月建立了信息觉察局（IAO，Information Awareness Office），领导发展新技术，秘密研究e-DNA、“人脑阅读机”或“未来属性筛选技术”（FAST，Future attribute screening technology）等技术，不仅要发现、记录、跟踪人们在赛伯空间的活动，还要直接窥测人的所想、人的久远的深层记忆、甚至人的内心世界。技术的发展方向有时是非常可怕的！人类甚至有时都会失去了对它们的控制能力！
在信息化社会中人类赖以生存的信息工具是什么？
20世纪90年代中期有PC、与TV+PC之争。比尔·盖次主张的PC机获胜，众多大公司如Sun公司主张的网络计算机NC落败，西安黄河机械厂试制的TV+PC大概白烧了2000万人民币而告吹。
当前，是未来5G智能手机还是更灵巧的PC机尚待时日分晓。乔布斯所创建的苹果公司的手机似乎有希望夺冠。
5G智能手机不论在理论上，还是在实际性能上都已达到了相当高的水平，能较全面地满足人们在未来信息化社会中生存的需求。
采用多种先进技术的5G能达到的技术水平：数据率为20 Gb/s，是4GLET20倍；频谱利用率4.5 b/s/Hz，网络的数据处理能力10Mb/s/km2，是4G的100倍；网络可联通器件密度1Mb/km2，是4G的10倍；移动性，运动速度在500km/h下可接收数据，4G仅为350km/h；传输时延仅为4G的1/10；能量利用率较4G提高100倍，4G传递1000-bit的数据组耗能1毫焦耳，5G可传100组。
虽然5G智能手机将可改进成为人类前所未有精致制品，但它仍有一些困难问题，如电池的供电时长、快速和无线充电、摄像光学镜头远不如单反像机、数据处理引擎能力和显示屏远不如PC机等[20]。
（十）量子在系统论中扮演的角色
明确量子和它在系统论中扮演的角色，就不难认清处“量子信息”、“量子通信”“量子密码”之类的基本概念。
量子本身是能量，属于物理范畴。爱因斯坦说：“上帝不掷骰子”，但当将量子看作波时，量子就是一粒尚未掷出的“骰子”，可以用薛定谔的波函数描述，可称此类“骰子”为“昆”；当将量子看作是一个粒子时，我们实际观测到的就是这粒“骰子”被“掷”出的(亦即波尔所说的“塌缩”)结果。薛定谔“猫”，描述的是“昆”的特例，即只有两种可能的结果，此时“骰子”退化为“硬币”了。
迄今,我们的技术水平还不可能观测“掷昆”或量子“塌缩”的全过程,也许从原理上就不可能实现这种观测。
作为实体的量子，可以作为信息的载体，也可以作为计算、处理信息的媒质。但它不是一种信息。Weiner说过：“信息就是信息，不是物质，也不是能量。”说什么量子信息？请问这和Shannon的不确定信息有何区别？如果所指的是一个量子所载荷的信息量的多少是可以的，但这里的信息就是Shannon所研究的信息，难道还存在有所谓不同于Shannon所研究信息的“量子信息”吗？
虽然原则上，一个“昆”可以载荷任意多比特信息，但受量子检测技术水平限制，目前只为1～2比特。
以上述观点来看，当前所提出的各类量子密码系统、实质上都还算不上是Shannon信息论意义下的密码。
当前所称的量子密码系统实质上就是为一个常规密码通信系统的发端和收端配置的一对相互同步产生随机数的器件，可作为常规密码系统的密钥生成器的一种选择方案。
利用量子密钥交换方法所获得的密钥如果不重复使用的话，就可实现Shannon所说“一次一密（one time pad）”的完善保密，但完善保密并不等于超级绝对安全，更不是绝对安全，在唯密文破译条件下它是无条件安全的，但这并不等于绝对安全。量子密钥交换并非是实现唯密文破译下无条件安全的唯一方法，上个世纪六、七十年代美、苏首脑热线就用常规密码实现了“一次一密”保密通信。“一次一密”的密钥成本太高，不可能广泛使用。
什么是密码系统，Shannon在1949年的经典文章[2]中明确提出，是借助密钥控制下的加密和解密变换所实现秘密通信的系统。因此我们说现有的所谓“量子密码系统并未涉及密钥控制下的加密和解密变换，还不能称其为一种密码系统，而只是一种密钥交换方法。
现有的量子密钥生成（或交换、或分配）方法还有待深入研究和完善。有如下几点值得提出：
●所生成的随机数的质量是否满足密码安全性的要求，需要做全面深入研究论证。
●这类量子密钥交换系统在原理和实现技术上是否存在安全隐患？
●这类量子密钥交换系统实施中在多大程度上要依赖于常规通信系统递送辅助数据（如BB-84方案）？
●这类量子密钥交换系统生成密钥的效率？是否能满足实时通信的需求？
●这一量子密钥交换系统的成本多大？是否已能成熟推广实用？
用系统论观点，所谓量子通信系统应当是利用量子来载荷信息，并通过量子信道递送信息，实现异地信息交流的系统。到目前为止，这一技术还远未成熟。目前所实现的量子密钥交换系统，它既不是一个量子密码系统，更不能称之为量子通信系统。
（十一）智能科学的终极目标——人工脑
宇宙是所有系统中最大的一个不断演化着的复杂系统，它无所不包，人脑是最复杂的一个小的生命系统。当前人类正在全力探索这两个系统，揭密这两个系统是对人类认知能力的极限挑战任务。
我们仍然要用系统论的观点来探讨，要用控制论和信息论来认识系统中物质和能量如何在信息（知识、智慧）控制下维持系统的高效运行。这正是我们所坚守的系统科学观。
人脑的复杂性[29][30]
中科院院士、脑科学研究专家杨雄里教授列出一组数据：人脑组成单元神经细胞数量达上千亿，与银河系已知星体总数相当；而作为神经细胞的连接点“突触”数量，又是神经细胞的1000倍，达到10的14次方，每秒完成千万次动态链接；人类大脑可储存的信息相当于美国国会图书馆藏书总量的50倍……正是这些数字构成的神经网络令人类得以产生感觉、接收信号、形成意识、获得逻辑、发出指令、学习、拥有记忆。也正由此，揭示脑的奥秘成为现代科学面临的最大挑战。
地球上的人不可能将自己举起来，但是人类依靠聪明才智，发明创造了飞行工具，不仅能让人们翱翔于天空，而且还能飞行于星际。人类能用自己的头脑认清自身，特别是自己的脑袋吗？也许有某种“力”的作用，使我们难于认识清楚我们自己的意识、精神方面的问题，但我们是否也可以创造出某种“认识工具”能够帮助我们认识清楚我们的意识和精神？这是一个比将自己举起要困难和复杂的多的挑战！
人类不畏艰险，对脑的奥秘的探究从未停止，随着科技的进步，人们对脑的研究已形成一门新学科——脑科学，并被列入各国重大科学研究计划。将数学、物理、计算机、信息、控制及生物学中许多新兴学科：神经解剖学、神经生理学等方面的专家汇合成探索脑科学的大军。
美国最早制定脑的研究计划：“脑的十年”（1990-2000）。欧盟委员会2013年春颁布实施“欧盟脑计划”。2013年4月7日美国正式公布新“美国脑计划，即尖端创新神经技术脑研究（BRAIN）”。日本与德国“脑科技”的战略重点则是机器人和数字化。中国脑计划更为实际，以“健康脑”为导向，希望在未来十年、二十年能够有完善的早期诊断和早期干预方法，以延缓发病，减少社会负担。在宏观与微观间“架桥”，中国脑计划牵头人蒲慕明院士强调了脑科学很重要的是在介观层面上去了解脑的机制。介观，介于微观与宏观之间[29][30]。中国脑计划跨了中科院9个研究单位共有23个研究团队参加，这是个庞大的脑科学国家代表队。
脑保健和脑疾病治疗
脑保健和脑疾病治疗是脑科学研究中最具现实意义、最具经济效益、直接的研究方向。
具体的研究项目：神经遗传学、神经功能的恢复、记忆减退及记忆障碍等，可直接用于重点保护脑、防治脑疾病，提高对大脑的理解，有望在预防和治疗神经系统疾病，如帕金森病（PD）、AD、老年痴呆症、抑郁症、精神分裂症等方面获得实质性突破。
医疗设备开发研究。
人脑建模之路——人工脑与生物脑[28]
人工脑（Artificial brains）研究，是利用计算机科学和人工智能技术，由硅片、纳米等材料构建人脑的基本框架，尤如一个具有智力的超强计算机，并构建基于人脑功能的数学模型，通过软件实现人脑功能的仿真，近似实现人脑模型。
在神经生物学方面有一个有名的大脑建模即“蓝脑计划”（Blue brain Project），想最终揭开哺乳动物智力、意识和精神产生之迷。
IBM向他们提供了世界最强大的计算机之一——“蓝色基因”（Blue Gene/L，体积为4台电冰箱大，有8000个处理器，每秒可进行22.8万亿次运算。而“走鹃”的运算能力达1000万亿次/秒，占地557 m2，功率3兆万瓦，维护成本达300万美元/年。而人脑侧面积只有0.01 m2，能耗约为一只20瓦灯泡。IBM承诺10年内将优惠提供4台越来越强大的超级计算机），这是“蓝脑计划”名称之源。[25][29]
生物脑（Bionic brains）[31]，研究生物脑的基本构造、工作原理，搞清人为什么能产生意识、精神、思想？如何存储数据？如何接受外界信息、进行判断和响应？个人的性格又是如何形成的？如何用生物材料构建人造生物脑？等等。
对于这两个方向能走多远，能否最终实现预定的目标，专家们各有自己的看法。
对于第一个方向，我觉得最困难的是，用现有的图灵计算机模型来仿真生物脑的所有功能，是否能够成功？这是个未知的问题。人脑的有些功能，如计算、逻辑分析，已由灵图计算机成功地仿真实现了，有些方面计算机可能已超过人脑，如下国际象棋。但是人脑的很多功能并不是都适用于由图灵计算机仿真，如图像识别等。这些功能的数学模型是什么样的？还远未搞清楚，至于到意识层面，精神、个性等就需要走更长的路了，生物脑专家们常常会笑这个方向的想法太天真了! 如诺贝尔奖获得者，San Diego神经科学研究所所长Gerald Edelmann说，奇点论者大大低估了脑的复杂性了，不仅每个人脑是唯一的，而且它还会适应新的经验而不断变化。用同样的特定输入刺激一个生物脑，人们不会看到两次完全一样的响应信号。有人从歌德尔定理和钱德拉塞卡极限说明这条路走是走不通的[北大马兆远教授博文]。
对于第二个方向，最困难的是生物脑的工作不仅伴随电磁过程，而且伴随生化过程，对于电磁过程我们有较好的手段进行观测，已取得很多成果，弄清了不少有关生物脑的工作机理问题，但对于生化过程、对于活体的湿件（Wetware）是如何工作的以及如何在活体上进行分析和检测还有很多难题，我们还有待努力，是否可行？目前所知还甚少。
智能、生物智能和人工智能
何谓“智能”?《现代汉语词典》的解释：“智能，就是智慧和能力”，“智能”=“智慧”+“能力”，“智慧”属于信息范畴，是抽象的，而“能力”是属于物质范畴，是具体的。“智能”就是在智慧指挥、控制和支配下的能力。
智能和本能不同，《现代汉语词典》说，本能是“人类和动物不学就会的本领”，“机体对外界刺激不知不觉地、无意识地（做出的反应）”。
不能将人类的智能和动物的本能混为一谈，人类的智慧远高于一般动物，但在能力上常不及一些其他动物，而其他动物虽缺少甚至谈不上有什么智慧，但在某种能力上常会超过人类。
这说明对“智”和“能”要作区分，不能将其合为一个整体看成仅是“智”的延伸，而略去“智能”中不可缺少的“能”的部分。
智能早已存在于高等动物，特别是人的系统中，只是到了信息时代才被人们深切地意识到，并进行深入研究。
智能属于有生命能力的生物，特别是属于高等动物——人类。无生物所具有的“智能”只能是“人工智能”，不具有生命力，仅当“人造生物”出现后才可会发展出非人力所赋予的“智能”。
人工智能中的能是人通过设计和制作所赋予机器的，而生物智能中的能是生物体中的生物能。动物的生物能是由其自身的消化系统和输能系统提供的，植物的生物能是直接或间接地通过光合作用从太阳能转化来的。
生物人和机器人
人工造的智能人可分为两类，一类是用普通材料打造的，即机器型智能人，另一类是用全新的生物材料制造的生物型智能人。前一类已经有很多产品，但我们说这种机器型智能人不会有真正人类的创造力和想象力的智慧，另一类生物型智能人目前还没能制作出来，但已开始有了一些部件，如用各种肝细胞通过用人工培育出的脏器官，至于最终是否能制作出来生物型智能人还是未知的。
至于说到意识、情感与智能的关系，显然“深蓝”计算机既没有意识，也没有情感，但它具有强大的逻辑推理能力，这种能力不能不说是一种智能，当然这和人类相比还差的很远。
意识是“人的头脑对于客观物质世界的反映，是感觉、思维等各种心理过程的总和，其中的思维是人类特有的反映现实的高级形式。”[《现代汉语词典》，p.1618]
情感是“对外界刺激肯定或否定的心理反应，如喜欢、愤怒、悲伤、恐惧、爱慕、厌恶等。”[《现代汉语词典》，p.1116]可见，有些情感甚至不涉及知识、智慧，因而也算不上智能，在动物界更多的表现为本能。
智能和意识、情感是有关系的，但绝不是一种因果关系。
至于未来机器型智能人对于生物人的威胁是可能出现的，虽然他们的智能永远也不可能超过人类中最聪明人的智慧，但有最聪明人所设计出来的机器型智能人的智能可能会超过人类中的绝大多数，例如人类中在下国际象棋上可能只有少数几位大师能胜过“深蓝”，如果在很多工作上都可能出现这种情况，就会出现严重的就业问题，到那时就会提出大多数人的存在还有什么价值？
另外，当具有高度智能的机器人出现后，它们除了作为人的助手外，会不会成为人的朋友、伴侣？到那时它们有没有和生物人同样的平等权利？
至于生物型智能人能否出现还是遥远的将来的事，一旦出现时人类就没有理由，甚至也没有本钱歧视它们了。
人脑的意识、心灵、精神之迷
当前，意识（Consciousness）、精神（Mind）等的研究开始进入信息科学领域，信息科学的研究正在向神经学、生理学、心理学、生命科学以及哲学等领域渗透和溶合。
人类最不可捉摸的意识活动，科学开始揭示它的庐山真面目。
“世界上最浩瀚的是海洋，比海洋更浩瀚的是天空，比天空更浩瀚的是人的心灵。”（雨果）
“人的心灵对研究者来说，犹如一个黑箱，可以控制‘输入’的资料，也可以看到‘输出’的结果，剩下的就只是所谓‘理论’了。”情况正在发生变化，人们开始从细胞和分子水平上研究精神活动的本质。这是让我们颤栗而又令我们期待的事，黑箱能被打开吗？
如果雨果活到那一天，他也许会把自己的名言修改为：“世界上最浩瀚的是海洋，比海洋更浩瀚的是天空，比天空更浩瀚的是人的心灵，比人的心灵更浩瀚的是科学的法力。”[《新发现》，No.3, 2007, p.8]
我们能否揭示意识之迷？
虽然从系统论的观点来看，构建生物人和生物脑是可以实现的，但有很多认识上和技术上的困难问题要解决。
第一，要搞清大脑的生物结构、生理功能、电生理和生化过程，还要搞清其心理过程。这些需要数学家、物理学家、化学家、生物学家、计算机科学家、哲学家、心理学家等长期努力工作才有可能实现由仿真脑产生意识的目标。
第二，对于描述大脑的机理，我们已有一个图灵式计算模型，它在描述人脑的逻辑和数学计算上是很成功的，但在其他很多方面，如图像认知、动作协调和控制、心理的感知等很多方面效率很低，甚至是无能为力。正如Rodney Brooks所认为的，对于人脑来说，计算并不是一个正确的比喻，人脑所包含的可能远远超出形式计算，例如人的自然精神功能(Natural mind function)。寻求对付这些问题适用的数学模型远还未解决。
第三，如果用硅、纳米材料等硬件、软件和固件都不能很好地解决构建人造脑的问题，如何构建能支持生化过程、生理过程的湿件。目前我们对此所知还甚少。
路漫漫其修远兮，吾将上下而求索
人类的探索精神是永恒的，面对“脑科学”的终极目标能否实现是一个尚难定论的问题。单一种类神经细胞的供能和信息递送、处理、存储机制已相当复杂，目前已有一些初步成果，但对涉及海量多种神经细胞群体所连成的复杂的动态网络的工作机制尚束手无策。人脑的可塑性、随年龄和环境动态变化性，以及对外界环境反映的多种可能性更增大了认识它的困难性。
对此，人类只能更加努力，决不会放弃！
结束语
本文展示了人类在Shannon等众多先驱者的指引下，在建设信息化社会所取得的伟大成就。当前，信息化革命还在深入进行中，数字化、网络化、智能化的新技术不断涌现，人类的信息化社会还在发展完善中，信息化社会的高级阶段尚有很长的路！
致谢：深深感谢我们的老师陈太一和胡征二位教授。早在60年代初，在他们所领导的信息论和编码讨论班，就为年青人创造了一个平等、自由和民主的学术讨论环境。讨论班使我们受益匪浅，对终生的研究工作都具有决定性的影响。这一好传统一直延续到今天。我还要特别感谢肖国镇教授及他所领导的“密码讨论班”的梁传甲、王新梅教授和参加讨论班的研究生们。多年来，我们在这个集体中共同探索信息论和密码学的新思想，新理论和新技术，不仅使我们增长了知识和能力，而且在精神上也得到了很大的鼓舞和支持。
诚挚感谢樊昌信、张卫国、杨克虎、高新波教授，他们仔细阅读了本文的初稿，提出了不少有益的改进意见。
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来源西安电子科技大学新闻网