信息產業自主生態建設綜述
引 言
進入21世紀以來，信息技術和產業空前繁榮發展，為我們提供了信息產業發展的重要機遇。然而，縱觀世界局勢，矛盾、沖突、攻擊、打壓也層出不斷，迫切需要在關鍵科學和技術領域不斷自主創新[1,2]、掌握自主知識產權，從基礎理論、工程技術、標準規范、產品研發、應用服務、人員培訓等方面進行系統化研究和綜合建設，打造自主可控的信息產業生態[3-7]。
目前，信息產業國產化工程發展迅速，國產化遍布于芯片CPU、操作系統OS、數據庫、中間件、辦公軟件等多個領域[8-10]。其中，國產芯片CPU[11,12]的典型代表有：龍芯、兆芯、鯤鵬、飛騰、海光、神威等，龍芯CPU[13]是我國最早的國產CPU，也是國產化程度最高的芯片之一;鯤鵬920為性能最高的ARM架構服務器處理器芯片，華為正致力于打造基于鯤鵬處理器的計算產業生態，著力于在硬件領域、軟件領域、行業應用領域等3個關鍵領域發展鯤鵬計算產業[14]。操作系統是連接硬件和數據庫、中間件、應用軟件的紐帶，是以計算機為基礎的信息產業的生態環境重要組成部分，國產操作系統的典型代表有：中標麒麟[15-17]、銀河麒麟、紅旗Linux、普華OS、深度(Deepin)、中興新支點、神威睿思OS、凝思服務器OS等，其中，天津麒麟和中軟軟件合并后，新的銀河麒麟操作系統成為目前國產OS的龍頭;2020年5月，統信軟件發布了統一操作系統UOS[18-20]，UOS是首次全面支持各架構(AMD64、ARM64、MIPS64、SW64)通用CPU的操作系統產品，可支持龍芯、飛騰、兆芯、海光、鯤鵬等CPU芯片平臺的筆記本、臺式機、一體機、工作站和服務器。在國產數據庫[21]方面，主要的代表包括：武漢達夢DB、南大通用GBase DB、人大金倉DB、神舟通用DB等傳統數據庫，以及阿里Ocean Base、騰訊DB、華為Gauss DB等云數據庫，還有一些國產開源數據庫。中間件作為獨立的系統級軟件，連接操作系統層與應用軟件層，將不同操作系統提供應用的接口標準化、協議統一化，為應用軟件提供通信支撐、應用支撐和公共服務。國產中間件包括基礎中間件、集成中間件、云中間件等，有代表性的中間件廠商主要有：東方通(國產中間件龍頭)[22]、金蝶天燕、眾創股份、普元信息、寶蘭德等，另外，阿里、華為等開發的開源中間件技術棧也已比較完善，并有大量實際應用的支持。國產辦公軟件的龍頭企業當屬金山辦公，在政企領域占據絕對優勢;其它還有永中Office、中標普華Office、福昕科技PDF等。其中，福昕科技在全球PDF行業處于第一梯隊[23]，在全球4大PDF 企業中排名第3。以上這些國產化產品為信息產業自主生態建設奠定了堅實的基礎，但在產品協同能力和兼容能力方面還存在較多問題，不足以支撐整個信息產業體系。
信息產業包含海量軟硬件產品的研發、生產、集成、服務、培訓體系，其自主生態建設需要同時注重整體規劃、頂層設計和自主創新、廣泛參與。這就需要依靠統一細致的標準體系依據整體規范指導產品實現，規范各產品交互行為，使產品與產品之間，產品與培訓、服務之間能夠有效協同。
1. 信息產業自主生態包含的內容
根據信息產業自主生態所包含的內容和特征的不同，信息產業自主生態可分為狹義生態和廣義生態，分述如下：
1)狹義生態
從狹義上講，信息產業自主生態主要包含信息相關產品的制造、集成與服務。其生態結構如圖1所示。
圖 1信息產業狹義自主生態結構
從產業產品角度看，信息產業自主生態主要包括芯片設計/制造、計算機主板、CPU、存儲器、顯示器等I/O設備設計/制造、BIOS、OS、數據庫等基礎軟件開發、計算機整機生產、網絡設備/應用/外設研發、系統集成、用戶服務等環節。各環節自底向上，形成邏輯層次結構。下層為上層提供服務和接口，上層依托下層(通過接口調用)實現相應服務和功能。
2)廣義生態
從廣義上講，信息產業自主生態還應把支持上述產品與服務實現的技術、工具、人才的研發、制造、培養加入考量。以軟件產品開發為例，擴展后的軟件產業生態結構如圖2所示。
圖 2信息產業廣義自主生態結構
軟件產業生態以數學、物理等基礎科學為根基，并由此延伸到信息學、密碼學、通信、數據統計、電路設計等學科，以及計算機學科中的編譯原理分支。這里，我們著重展開編譯原理分支，由它逐步延伸到編譯工具和編程語言、開發工具、各種基本庫、中間件、開發框架、以及軟件設計理論、方法與標準規范等。以上各種科學與技術與作為基石的人才教育與培養體系，共同構成信息產業廣義自主生態環境。
目前，國內的學科建設、人才培養與國外相比還存在著不少差距，急需加大各基礎學科、專業學科、人才建設的發展力度，加快構建信息產業廣義自主生態環境。
一直以來，針對國產化信息產業生態的建設主要有兩種發展思路：一是自由發展、市場選擇：僅針對產品的生產者、產業鏈的國產化率提出要求，依賴市場機制進行選優和實現資源配置，等待生態的自然形成。二是體系規劃、政策引導：除國產化率外，統一制定包括功能、設計、接口在內的技術與產品標準，同時推動標準規范的培訓工作，引領產品技術路線，逐步向底層技術演進，形成良性迭代，最終具備技術上的自主能力。
我們認為第二種發展思路更切合我們當前的國情。目前國產化信息產業領域中有常見的不同CPU指令集5種、操作系統近10家、各種商業化的適配軟硬件產品上千種、海量定制開發的業務應用系統。這些服務和產品由于缺乏規范，存在廠商各自為政的情況。這造成了產業產品生態的混亂，導致國產信息設備研制生產、軟硬件產品開發適配、應用系統集成部署過程中存在著兼容性、穩定性、易用性、安全性等一系列問題，增加了應用系統開發、集成、維護、升級、擴展的難度和成本。只有通過構建規范、統一接口，才能實現OS廠商、軟硬件廠商、應用廠商、集成商等產業伙伴的協同互助，構建良性的產業產品生態。
目前廠商力量分散、各自技術體系不同，難以制定體系化的、科學統一的技術規范;企業間的競爭關系容易導致技術壁壘，制約技術規范推廣應用;對單一廠商而言，產品上的自主很難進一步轉換為理論、技術和能力上的自主，長期來看，缺乏成長潛力。所以，難以期望于廠商在競爭中自發形成統一的技術體制與規范指南，必須通過政策引導規制的形成，以達到以下建設目標：
1)軟硬件產品開發時，有標準規范可遵循、有協同機制可協商、有輔助工具可用，有技術支持和培訓服務;
2) 產品開發完成后，有檢測方法、檢測工具、適配測試驗證環境、技術體系支撐;
3) 產品集成、部署、升級時，成本和需要時間大幅降低、系統穩定性大幅提升;
4)基本解決國產軟硬件產品間兼容性問題，主要包括計算平臺兼容、原生應用/外設兼容(即系統軟硬件產品兼容)、B/S模式應用兼容;
5)在統一管理與組織下，聯合大量生態內廠商共同參與，形成能夠迭代、成長的技術和產品生態體系。
2. 信息產業自主生態建設方案與思路
目前，信息產業自主生態建設的主要目標是要研究構建基于國產計算平臺、配套軟硬件產品和B/S架構業務應用的安全可信生態體系，著重解決在國產信息設備研制生產、軟硬件產品開發適配、應用系統集成部署過程中的兼容性、穩定性、易用性、安全性等問題，降低應用系統開發、集成、維護、升級、擴展的難度和成本，構建信息產業自主技術體系、管理體系和生態基地，推動信息產業國產化工程和規模化應用的順利實施。
2.1. 技術和標準體系建設
在信息產業自主技術體系方面，面向計算平臺、系統軟硬件產品、應用系統等3個層次，應建立一系列自主技術和標準規范，主要包括：
1)提出國產計算平臺基礎服務及接口規范，涵蓋數據存儲/備份相關服務、身份鑒別相關服務、端口訪問相關服務、審計相關服務、軟件管理服務、遠程訪問服務、系統安全配置相關接口、外設訪問接口等規范;研制國產操作系統與適配軟硬件產品接口調用及資源使用合規性檢測技術和工具，檢測以上服務和接口的合規性、有效性。
目前，由專項支持的高端通用芯片、操作系統等在國產化工程推廣過程中遇到了產品開發缺乏統一規范，軟件版本升級難以協同，集成和兼容標準缺乏可靠驗證手段等問題，迫切需要研究、制定面向不同國產計算平臺(國產CPU/OS組合)的統一基礎服務列表和功能接口規范，統一軟硬件產品底層支撐接口，以便于產品集成安裝、部署升級，提高用戶使用體驗，加速國產軟硬件產品的推廣應用。
2)提出國產操作系統資源調用規范、國產計算平臺軟硬件產品間技術協同規范，涵蓋對網絡端口、系統調用號、設備ID、設備文件名稱、敏感文件路徑、外設接口和設備交互協議等的約束和規范;研制基于國產計算平臺開發軟硬件產品的操作系統資源調用合規性檢測技術和工具，檢測以上系統資源調用和軟硬件技術協同的合理性、有效性。
由于國產高端通用CPU、基礎軟件在應用過程中缺少統一的開發標準規范，導致開發成本畸高、定制版本繁多、互不兼容、集成困難、無法維護等問題。為此，需要研制適用于國產計算平臺軟硬件產品開發的操作系統的統一資源調用規范，制定基于不同國產計算平臺的軟硬件產品技術協同規范;協同不同領域軟硬件產品廠商，解決在信息設備研制生產、軟硬件產品開發適配、應用系統集成部署過程中的兼容性、穩定性、易用性問題，降低應用系統開發、集成、維護、升級、擴展的難度和成本，推動信息產業國產化工程和自主生態的建設。
3)提出國產計算平臺安全可信瀏覽器技術規范，涵蓋國產瀏覽器的安全可信技術要求、瀏覽器應用程序及配套接口規范等，至少對B/S架構應用提供的最小服務集合、框架性能、內核性能等進行約束。為基于國產瀏覽器的B/S架構應用提供技術支撐。提出基于國產瀏覽器的B/S架構應用規范，制定統一的B/S架構應用開發指南，對B/S架構應用HTML5特性、CSS3樣式、Javascript、應用調試方法等進行約束;制定B/S架構應用系統擴展/插件接口規范，對接口描述、接口使用方法、接口權限控制、擴展/插件調試方法等進行約束。研制基于國產瀏覽器的B/S架構應用系統合規性檢測技術和工具，檢測B/S架構應用開發系統的合規性。
目前，瀏覽器的應用生態較混亂，基于瀏覽器的B/S模式應用軟件開發過程中缺少統一的開發標準和接口規范，導致B/S模式應用軟件存在重復開發、版本混亂、互不兼容、難以維護，且各類應用插件難以實現對接和調用。需要研制基于國產瀏覽器的B/S架構應用規范，制定基于安全可信瀏覽器的B/S架構應用跨平臺開發指南、接口規范和技術實現方法，并定制化擴展接口，實現B/S模式應用的跨平臺兼容，為B/S應用的開發和資源使用提供指導和約束，提升適配性和兼容性;豐富網絡應用生態內容，提高網絡業務與信息交互效率，最終實現基于安全可信打造的網絡應用生態。
2.2. 產業化體系建設
信息產業的自主產業化體系建設，主要是指通過召集人制度指導廠商的產品實現，把技術落地為產品，保證產品間的協同性和兼容性，并由一系列完善的產品逐步形成產業鏈和產業化體系。
從層次化的角度看，信息產品可分為3個層次，主要包括：計算平臺、基礎軟硬件產品、應用軟件產品。
1)計算平臺：主要包括計算機主板、CPU、存儲器、顯示器等I/O設備，以及BIOS、OS等系統軟件。
2)基礎軟硬件產品：主要包括各種數據庫管理系統、編譯系統、軟件開發工具、中間件等基礎軟件，以及計算機整機。
3)應用軟件產品：主要包括各種辦公軟件、網絡軟件、安全服務軟件、管理工具，以及軟件商店中分門別類的應用軟件。
計算平臺、基礎軟硬件產品、應用軟件產品分別位于層次結構的最底層、中間層、最上層。下層為上層提供服務和接口規范;上層遵循下層的標準規范，通過接口調用實現相應服務和功能，并保證各軟件之間協同與兼容，形成國產信息設備研制生產、軟硬件產品開發適配、應用系統集成部署過程中自底向上的兼容性、穩定性、易用性的局面。計算平臺廠商、基礎軟硬件廠商、應用軟件廠商等3級廠商共同努力，由計算平臺廠商協同領域專家共同提供技術規范和管理保障機制，軟硬件廠商提供符合規范的軟硬件產品，應用廠商提供合規的應用系統，各級廠商相互支持，共同構建可持續穩定發展的產業化體系。
2.3. 管理體系建設
在國產環境下，應用軟件在開發建設、軟件適配、集成部署、運行維護、擴展升級等環節中存在著軟件來源難以證明、完整性難以校驗、缺少不同環節間的認證機制等問題，迫切需要構建適用于信息產業和安全產品的測評管控體系，研制領域公鑰基礎設施(PKI)和簽名驗證工具集，構建基于PKI簽名/驗證與測評的產品管理體系和管理保障機制，控制產品的來源、準入、發布等關鍵環節，保障體系內軟件產品的合規性和安全性，實現全流程可信管控。主要包括：
1)提出國產計算平臺公鑰基礎設施規范、簽名驗證規范，支持對軟件來源和完整性的驗證管理。公鑰基礎設施規范涵蓋對多級可信認證中心CA、數字證書格式、證書內容、證書鏈的要求，并規范證書的申請、分發、使用、更新、吊銷等證書生命周期的管理。基于公鑰基礎設施的簽名驗證規范，涵蓋對數字簽名格式、簽名/驗證策略和流程、證書有效性驗證方法、軟件來源和完整性驗證方法等的約束和規范;為軟件實體簽名服務提供數字證書生成及管理服務和相應接口。
2)提出公鑰基礎設施和簽名驗證測評規范，編制測評大綱，從測評管理的角度規范對公鑰基礎設施和簽名驗證機制的測評認證;搭建公鑰基礎設施和簽名驗簽工具集測評環境，開發驗證調試平臺、仿真驗證平臺和相應檢測/驗證工具，加強對相應軟硬件產品的測評和管控，使之既符合技術規范又滿足安全可信要求。
3)研制面向測評機構、信息設備示范基地、各類信息設備產品廠商、應用系統廠商、運維和服務廠商的統一數字簽名技術和管控體系，構建合規產品庫和產品管理庫，加強領域合規產品管理，對國產化軟硬件產品實現在全產業鏈條、全生命周期內的全流程(覆蓋產品開發、測試、適配、定型、發布)可信管理。
2.4. 服務體系建設
2018年，經國家行政管理部門授權，在技術總體單位和測評機構指導下，可信華泰與整機、操作系統、應用、外設等幾十家廠商聯合建設了應用示范基地，作為服務體系建設的先導。應用示范基地致力于國產化領域的生態建設服務工作，從標準宣貫與推廣服務、軟硬件生態服務、用戶服務等方面構建服務體系。
1)標準宣貫與推廣服務：為技術總體單位提供產品標準驗證服務，反饋適配問題，協助完善產品標準，成為國產化產品及標準宣講推廣平臺。
2)軟件生態服務：面向在高安全需求計算機上開發產品的軟件/外設廠商提供開發及調試環境、開發人員培訓及技術支持，并提供產品適配驗證服務。
3)用戶服務：提供產品版本的兼容性驗證、提供產品展示環境及宣傳推廣服務、提供用戶問題現場還原服務。
2.5. 人才培養體系建設
信息產業自主生態建設離不開科技人才，加速人才培養體系建設是確保信息產業自主生態建設和持續發展的根本。可從以下3方面著手，逐步構建人才培養體系，推動基礎學科、專業學科、行業應用等各方人才建設的發展。
1)由行業領軍專家引領方向，各類業務核心專家形成、企業技術骨干支撐、年輕技術人員參與，建立生態核心的傳幫帶培養機制，確保生態核心的支撐能力能夠健康、有序成長;
2)面向機關單位用戶、生態廠商管理人員、技術人員、運維人員、集成商進行廣泛培訓，為生態成長提供肥沃土壤;
3)依托高校資源、科研院所、企業、數據中心資源、網絡資源等多方資源，建設數據應用專區，構建開放創新的數字化人才培訓基地，形成人才培養體系。
3.結束語
我國信息產業自主生態建設正在展開一張廣闊的發展藍圖，需要充分發揮政府、行業間紐帶和橋梁作用，聯合國內產學研用各方力量，凝聚力量，加強合作。通過統一的政策規劃與引導，逐步建立技術鏈、產業鏈、服務鏈、管理鏈、人才鏈，最終形成由標準體系、基礎研究、科技創新與研發企業、人才培養、社會環境等有機融合的國產化信息產業生態系統，把我國建設為新時代的信息產業強國。
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【本文為51CTO專欄作者“中國保密協會科學技術分會”原創稿件，轉載請聯系原作者】
