分布式普适系统调研报告

分布式普适系统调研汇报摘要：普适计算是一种适合21世纪的新计算模式，它是信息定问与物理定问的融合。本调研简介了普适计算的概念、特性、用途及其有关技术，论述了普适计算的发展和应用前景，然后论述了目前的重要研究问题及其现实状况，并阐明了波及的某些关键性技术，并概述了普适计算的产品和应用状况。最终简述了普适计算面临的重要安全挑战。关键词：普适系统；普适计算；人机互换；透明；安全挑战伴随移动和嵌入式计算设备的引入，出现了以不稳定行为特性的分布式系统-分布式普适系统。计算机及其有关技术的发展，通信能力和计算能力的价格正变得越来越廉价，多种新形态的传感器所占用的体积也越来越小。由于对生产效率、生活质量的不懈追求，人们开始但愿能随时随地、无困难地享用计算能力和信息服务，由此带来了计算模式的新变革，这就是计算机模式的第三代——普适计算时代。在普适计算时代，多种具有计算和联网能力的设备将变得像水、电、纸、笔同样，随手可得。人与计算机的关系将发生革命性的变化，变成一对多、一对数十甚至数百，计算机的使用不再局限于桌面，它将被渗透到我们的学习、工作、以及平常的生活空间中，变为手持或可穿戴的设备，与我们平常生活中使用的多种器具融合为一体。1.普适计算的原理1.1普适计算的简介普适计算的思想是由Xerox的首席执行官MarkWeiser在1991年提出的，是一种能包括多种设备的计算模式，其重点在于提供面向客户的、统一的、自适应的网络服务。在普适计算时代，计算机重要不是以单独的计算设备的形态出现，而是采用嵌入式将处理器、存储器、通信模块和传感器集成在一起，以信息设备的形式出现，在任何时间、任何地点都可以提供任何方式的服务。因此普适计算是指在普适环境下人们可以使用任意设备、通过任意网络在任意时间都可以获得一定质量的网络服务技术。重要针对移动设备，例如信息家电或某种嵌入式设备，如掌上电脑、车载智能设备、笔记本计算机、手表、智能卡、智能手机（具有掌上电脑的一部分功能）、机顶盒、POS销售机、屏幕电话等新一代智能设备。普适计算设备可以一直或间断地连接着网络。与Internet、Intranet及Extranet连接，使顾客可以随时随地获取有关的多种信息，并做出回应。1.2基本概念和特性普适计算指的是无所不在、随时随地可以进行的一种计算方式，波及的技术包括移动通信技术、小型/微型计算设备制造技术、微型操作系统技术及软件技术等。桌面计算致力于把人置于计算机所发明的虚拟世界里，而普适计算则是使计算机融入人的生活空间，形成一种“无时不在、无处不在而又不可见”的计算环境。普适计算的重点在于提供面向客户、无处不在的自适应计算环境。在普适计算环境中，人们可以“随时随地(或无所不在)”和“透明”地获得数字化服务。也就是说，随时随地和透明性是普适计算最重要的两个特性。其中“随时随地”是指人们可以在工作和生活的任何场所获得服务，而不用端坐在计算机前。“明”是指获得这种服务的方式十分轻松自然，这种服务的访问甚至可以在顾客没有察觉的状况下由系统积极提供。普适计算的另一种重要特性是自适应性，这也是人本计算的关键，实际上是强调怎样有效感知物理空间、信息空间乃至设备位置和人的行为变化，以使系统动态调整自身的行为。由于计算能力的无所不在，由通信和计算机构成的信息空间将与人们生活和工作的物理空间融为一体，成为真正的智能空间。普适计算可以减少设备使用的复杂程度，使人们的生活更轻松、更有效率。在普适计算时代，计算机一般不是以单独的计算设备的形态出现，而是采用将嵌入式处理器、存储器、通信模块和传感器集成在一起，以多种信息设备的形式出现。这些信息设备集计算、通信、传感器等详细功能于一身，能以便地与多种老式设备结合在一起。不仅如此，目前的多种平常设备届时也将演变成信息设备。信息设备可以轻易地通过无线网络互连并与互联网连接，按照顾客的个人需求提供个性化服务。在普适计算环境中，每个设备都需要响应或预测顾客的多种需求，同步每个设备和整个环境都需要保持对环境中每个顾客的非阻碍状态，无需顾客分散精力进行干预。假如有一天，计算和信息传递不再是一种工作或者技能，而成为人们平常生活中自然的一部分，那么就可以说，我们到达了普适计算的理想境界。从软件系统的角度来讲，普适计算是指使用小型计算设备在位置不停移动的过程中或在地理位置分布很广的范围内，在不稳定的通信条件下实现联机事务处理和企业关键数据访问。这些小型计算设备，具有多种通信手段，如移动通信网络、卫星等，能与互联网或企业内部网相连，但这种连接不是固定的连接，而是间断的连接。普适计算的软件技术使顾客可以使用这些设备进行复杂的联机事务处理和信息访问，由于所使用的设备体积小，可用的计算资源(内存、存储设备和CPU)都相称有限，大部分处理工作由计算中心的数据服务器和应用服务器完毕。1.3普适计算技术的特点普适计算的特点是将集计算、通信、传感功能于一身的多种信息设备通过无线网络与互联网连接有效的组织起来，并按照顾客的个性需求进行定制，以嵌入式产品的方式呈目前人们的工作和生活中———或者手持，或者可穿戴，甚至是与人们平常生活中所碰到的器具融合在一起为人们提供一种随时随地、随环境自适应的多种服务，最终目的是将由通信和计算机构成的信息空间与人们生活和工作的物理空间融合为一体。这种融合体目前两个方面。首先，物理空间中的物体将与信息空间中的对象互相关联。另一方面，人们在操作物理空间物体的过程中，可以同步透明地变化有关联的信息空间中对象的状态，反之亦然。在普适计算建立的这个融合空间中，人们可以“随时随地”并“透明”地获得数字化的服务，而不用端坐在计算机前。“透明”是指获得这种服务的方式十分轻松自然，这种服务的访问方式甚至可以在顾客没有察觉的状况下由系统积极提供。从某种意义上说，计算机仿佛隐身了——这也是普适计算最重要的特性。2.计算模式的发展第一代，主机型计算(Mainframecomputing)是诸多人共享一台大型机。在主机计算时代，人与计算机的关系是多对一的关系，信息空间与我们生活的物理空间是脱节的，计算机的应用也局限于科学计算领域。提高计算自身性能、功能是我们的工作重点。第二代，个人机计算(personalcomputing)是一种人在一台电脑上。在桌面计算时代，人与计算机的关系是一对一的关系，信息空间和我们的生活有了一定的联络，计算机开始应用于企业管理、金融分析等领域。怎样协调多种计算机工作以及怎样共享和搜集、分类资料是我们的重点。第三代，普适计算(pervasivecomputing)是许许多多的设备通过全球网络为许多人提供人格化(个性化)的服务。伴随计算机技术的飞速发展，将要带来计算模式的第三次革命，即普适计算时代。在普适计算时代，人与计算机是一对多的关系;同步计算机重要不是以单独的“主机+显示屏”的设备出现，而是采用将嵌入式处理器、存储器、通信模块和通信、传感功能于一身。不仅如此，信息设备还可以十分廉价地通过无线网络与Internet连接，并按照顾客的个性需求进行定制，以嵌入式产品的方式呈目前人们的工作和生活中。成果是由通信和计算机构成的信息空间将与人们生活和工作的物理空间融为一体，人们再也不需要常常坐在电脑桌和计算机交互了。计算机已经从人们的视线中消失，变得空气、水、土壤同样重要并且无所不在，不过你已经不大注它的存在了。计算机已经以你为中心，默默地提供你所需的服务。每一种计算模式都会带动适合其特点的计算机科学术的发展。主机计算模式增进了分时操作系统的发展;而面计算模式则带动了个人操作系统、图形顾客界面、多媒等技术的发展。同样地，普适计算势必规定发展与其相适的计算机科学理论和技术，而这绝不是对目前桌面计算模孕育的既有理论和技术的简朴线性扩展，由于既有的计算技术还存在某些局限性，因此难以满足普适计算模式的规定。3.目前研究状况3.1某些著名的研究项目普适计算的概念于20世纪90年代初提出，但当时并没有所需的硬件技术基础，只实现了一种原型。伴随近十年技术的进步，普适计算的许多关键元件已经有了商业产品，如手持和可穿载(wearable)计算机、无线局域网、传感和控制家用电器的器件等。因此，90年代末后来，某些著名大学和工业界相继出现了多种普适计算的研究项目，如MIT的Oxygen、CMU的Aura、Illinois大学的Gaia、美国加州大学Berkeley的Endeavour、Washington大学的Portalano、IBM的DreamSpace、Microsoft的EasyLiving、欧盟资助的DisappearingComputer、韩国科技部的UT项目和国内清华大学的SmartClassroom等。Oxygen指出计算机在未来将普遍存在，就像我们呼吸的空气中的氧同样，以人为中心处理目的，并能自动适应顾客的需求和工作的变化。Aura指出在普适计算中“人的注意力”是最为宝贵的资源，其目的是为每个顾客提供一种不用关怀位置的计算和信息服务的“个人信息光辉(Aura)”。Illinois大学的Gaia项目将老式的计算机系统延伸到多种设备以及围绕机器的新型物理空间，并将这种物理环境带入日常生活中。IBMWatson研究中心的DreamSpace项目容许顾客在共享空间合作。系统可以“听”声音命令，“看”手势和身体位置，像人那样进行人机交互。计算机能理解顾客，顾客可以自由地专注于理解和思索实际对象和信息，最小程度地被计算机限制和分散精力。Microsoft的EasyLiving计划建立智能环境，以便人与人、计算机和设备的交互，使计算机使用更以便。未来的居家和办公室里，计算机就像电灯同样自然，通过计算机视觉，保持跟踪人，响应声音和手势命令。3.2重要研究问题目前，各国的研究重要集中在如下几种方面。(1)普适计算的理论建模普适计算作为一种全新的计算模式，横跨多种研究领域如移动计算、嵌入式系统、自然人机交互、软件构造等，具有前所未有的复杂性与多样性。亟待一种统一完备的建模体系，精确、客观地体现普适计算所特有的普适服务的“无所不在”时空特性、“自然透明”的人机交互模式以及“以人为本”的主线理念，从而为普适计算系统的分析、设计、实行、布署和评估等提供多方面的理论指导，为可扩展性、可维护性、自适应性、易用性及原则化等提供模型层面的支持。(2)自然人机交互普适计算以人为中心的特点迫切需要友好、自然的人机交互方式，即能运用人的平常技能进行交互，具故意图感知能力。与老式的人机交互方式相比，它更强调交互方式的自然性、人机关系的友好性、交互途径的隐含性以及感知通道的多样性。普适计算环境中，交互场所将从计算机面前扩展到人们生活的整个三维物理空间，交互方式应适合于人们的习惯并且尽量不分散顾客对工作自身的注意力。友好自然的人机交互是实现普适计算环境，使其脱离桌面计算模式的关键所在。从技术上看，键盘、鼠标、显示屏等输入输出设备要实现多样智能化，首先需要实现与环境的良好交互，并且需要深入研究语音识别、手写输入、电子纸、肢体语言识别(如人的手势、脸部表情)和多模式人机交互方式。(3)上下文感知自动感知物理空间中对象与环境的状态信息及其变化是普适计算的重要特性。感知上下文计算运用上下文信息向顾客提供高效的信息交互，并提高服务的针对性。常见的上下文信息包括时间、位置、场景等环境信息，屏幕大小、处理能力等设备信息以及顾客身份、操作习惯、个人喜好、情绪状态等顾客信息。上下文感知技术是实现服务自发性和无缝移动性的关键，波及上下文信息感知和表述、上下文建模和推理、上下文感知应用等多种方面，重要波及环境内容和互换方略、管理和运用多媒体内容的适应性模型、自适应技术和构造等问题。(4)普适网络普适计算环境是一种普遍互连的网络环境，这种网络环境中包括多种无线网络、互联网、电话网、电视网等，还包括RFID网络、无线传感器网络、GPS网络等多种不一样类型的网络。普适计算网络支持异构环境和多种设备的自动互连，对环境的动态变化具有自适应性，提供无处不在的通信服务。目前普适计算网络的研究重要集中在无线和移动网络、adhoc网络、无线传感器网络、P2P等。(5)智能空间智能空间是一种嵌入了计算机、信息设备和多模态传感器的工作空间，目的是使顾客可以以便地访问信息和获得计算机的服务，进而高效地实现个人目的和与他人协同工作。智能空间可以在不一样尺度上得到体现，以家庭、办公室、教室、超市或机场等离散环境为基础，逐渐实现互连并扩大至全球。(6)系统软件普适计算的系统软件对普适计算环境中大量联网的信息设备、智能物体、计算实体进行管理，为它们之间的数据互换、消息交互、服务发现、任务协调等提供系统级支持。由于普适计算环境存在任务动态性和设备异质性等特点，普适计算系统软件需要处理设备与服务的发现与自适应等问题，实现对物理实体的管理以及模块间的协调机制，同步还要保证系统的鲁棒性和安全性。(7)信息捕捉和传播普适计算环境下，人们周围存在大量的信息，捕捉采集有用信息，为顾客提供服务是至关重要的。同样，信息传播也是必须处理的问题，这波及信息传播方略、网络传播协议和网络带宽资源合理使用等问题。(8)硬件制造技术和电池技术普适计算对硬件技术和电池技术提出新的规定。硬件方面，规定显示设备尺寸小型化，芯片要节能。同步，在普适计算环境下人们对小型、廉价、高能量电池的需求会越来越多。(9)安全隐私在普适计算环境下，安全隐私显得更为棘手，由于无所不在的网络将随时随地为人们提供服务，反过来人的隐私和安全愈加难以保障。老式的顾客授权和访问控制方式无法适应分布式网络和普适计算的需要，必须提出不一样的处理方略，包括硬件和软件措施。此外，通过立法、修改完善法律等手段约束和规范人们的行为，有效制止犯罪。4.关键技术普适计算波及的技术包括移动通信技术、小型计备制造技术、微型操作系统技术及软件技术等。普适重要针对移动设备，例如信息家电或某种嵌入式设掌上电脑、BP机、车载智能设备、笔记本、手表、智能能手机、机顶盒、POS销售机等新一代智能设备。5.产品和应用状况普适计算时代将产生覆盖全社会的有线、无线混合网络，称为普适网络，世界上的所有物品都将连接在普适网络之中。人们可以在任何地方，用多种以便的方式访问普适网络所提供的信息资源。普适计算的目的之一是使得计算机设备可以感知周围的环境变化，从而根据环境的变化自动做出基于顾客需要或者设定的行为。作为新一代的计算模式，普适计算的应用领域极其广泛，几乎涵盖了人们平常生活的各个领域。与此同步，普适计算带来许多新的机会，数字家庭就是其中之一，它将变化人们未来的生活方式。数字家庭能通过家庭网关将宽带网络接入家庭，家庭内部的网络可以是无线或有线的。在家庭内部，手持设备、PC或者家用电器通过有线或者无线的方式连接到网络，从而提供了一种无缝、交互和普适计算的环境。下面简介几种与普适计算有关的详细产品和应用。ZigBee产品：韩国手机制造商Curitel企业在年终展示了该企业推出的ZigBee手机。ZigBee是一种短距离、低速率无线网络技术方案，是一种介于RFID和蓝牙之间的技术，重要用于近距离无线连接，是一种愈加简朴和实用的无线网络协议。ZigBee的前身是1998年由Intel、IBM等产业巨头发起的HomeRFLite技术。目前，ZigBee的网络原则由IEEE802.15工作组负责制定，被称作IEEE802.15.4技术原则。ZigBee建立在802.15.4原则之上，使用直接序列扩频技术收发电波，运用2.4GHz频段、868MHz频段、915MHz频段。一次调制方式使用O-QPSK时，最大数据传播速度为250kbit/s.智能尘埃：早在20世纪末，有关智能尘埃的报道就吸引了无数的眼球。美国加州大学Berkeley开发出了一种新型侦察用微型探测器，取名“智能尘埃”。该探测器小到可装进一种阿斯匹林药片大小的塑料容器内，可用于侦察近距离敌方的活动状况。这项研究目前已经到了实地测试阶段。实际上，除了军事用途之外，智能尘埃在技术上和工程上也有着广泛的应用。1999年美国加州大学一份研究汇报声称，只需运用市场上既有智能尘埃产品，便可在5mm的体积内装上温度、湿度、大气压力、光强、倾斜、振动和磁场的传感器，双向无线电通信装置，微处理器控制器和电池，通信距离可达20m。智能尘埃的体积微小，具有无线联网能力，并且价格非常廉价。使用功能不一样的智能灰尘可以迅速搭建一种灵活的智能化计算环境———普适计算环境。人们预测，年左右，多种类似的产品会大量面市，在军事、商用和民用等领域发挥重要作用。RFID标签：射频识别，又称电子标签(E-Tag)，是一种运用射频信号自动识别目的对象并获取有关信息的技术，具有迅速、实时、可反复使用、穿透性强、环境适应性强、数据容量大等多种长处，可广泛应用于制造、零售、物流、交通等各个行业。通过给所有物体贴上电子标签，RFID实现了物理空间中物体与信息空间中对象的绑定，为构建普遍的智能物体提供了一种切实可行的途径，使其也许成为构建普适计算环境具有现实意义的重要基础技术。RFID系统产生的数据蕴含了丰富的有关物理世界和人类行为的信息，具有重要的研究和应用价值。在普适计算领域，RFID数据可认为应用提供丰富的上下文信息。RFID技术可以用于位置感知，还可以用于实时感知物理空间中物体的存在并跟踪其流动；通过度析人们平常生活中与物品交互过程所产生的RFID事件序列，还可以发现人的行为模式特性，为应用提供更高层次的上下文信息。智能汽车：在汽车上可嵌入小型计算、信息和传感设备，用来控制燃料的使用，并根据温度和气压调整发动机的运转。这些部件彼此相连，并把测出的数据作为汽车运行保养的分析基础数据。当汽车修理时，修理人员插入一种计算机连接器件，获取这些数据来进行分析。还可以增长复杂的数据连接功能，如连接到全球定位系统，让司机精确获知目前的位置，与电子地图相连，输入目的地，显示出抵达目的地的最快途径，以及连上互联网其他信息，如天气预报、饭店的地址和电话等。完善的数据连接功能可认为顾客提供更多的服务。其他应用：借助于普适计算提供的无所不在的信息服务，人们能在任何地点、任何时候访问信息服务网络，例如预定比赛门票，运用电子家庭处理方案令人们生活更以便舒适。纸质书本被廉价、轻便的交互式媒体所替代，学习方式也会有所变化。青少年在家可以和远方朋友实现面对面高质量影音交流；驾车将是一项更为轻松快乐的活动；嵌入GPS的汽车可以协助导航，提供旅游征询，尚有近乎完美的防盗服务等。目前，IBM已将普适计算确定为电子商务之后的又一重大发展战略，并开始了端到端处理方案的技术研发。IBM企业认为，实现普适计算必须让计算机学会理解人的表情、感受，最终让人以最自然的方式使用计算机。6.普适计算面临的重要安全挑战普适计算环境是信息空间与物理空间的融合，该环境需要将顾客信息、基础设施、移动设备、通讯资源等互相融合，同步这些信息又需要有对应的安全保护。然而既有的安全方略与安全控制机制已不能应对普适计算模式下的新挑战，这也正是普适计算环境强大、以便的特性带来的安全与隐私方面的脆弱性。在普适计算时代，可以采用新的安全访问和认证技术保护人们的隐私，监控人们的数据传播(如网络访问流量)以及防止人们的信息被盗用等。不过诸多人也可以采用这种技术去盗取目的的网络数据，袭击他人的私有信息(如散播电脑病毒、干扰他人的连接信号等)。因此在普适计算时代需要更高水平的数据网络安全。总体上，从普适计算的安全需求和其特性来看，重要面临着如下挑战：(1)移动性、动态性和自适应性。一种顾客也许在移动中和多种设备进行交互并提出多种祈求，祈求和数据还也许随顾客的移动而迁移，此外顾客的需求有也许一直处在连接状态，也有也许频繁地连接与断线，这样一来，上下文切换、通信服务、设备等切换的需求对安全认证与控制等带来了新的挑战。(2)安全的普适性