分布式普适系统调研报告

分布式普适系统调研报告摘要：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。本调研介绍了普适计算的概念、特征、用途及其相关技术，阐述了普适计算的发展和应用前景，然后阐述了当前的主要研究问题及其现状，并说明了涉及的一些关键性技术，并概述了普适计算的产品和应用情况。最后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；人机交换；透明；安全挑战随着移动和嵌入式计算设备的引入，出现了以不稳定行为特征的分布式系统-分布式普适系统。计算机及其相关技术的发展，通信能力和计算能力的价格正变得越来越便宜，各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，人们开始希望能随时随地、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，各种具有计算和联网能力的设备将变得像水、电、纸、笔一样，随手可得。人与计算机的关系将发生革命性的改变，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、以及日常的生活空间中，变为手持或可穿戴的设备，与我们日常生活中使用的各种器具融合为一体。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，是一种能包含各种设备的计算模式，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，计算机主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能够使用任意设备、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。主要针对移动设备，比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，使用户能够随时随地获取相关的各种信息，并做出回应。1.2基本概念和特征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，涉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创造的虚拟世界里，而普适计算则是使计算机融入人的生活空间，形成一个“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征。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用户没有觉察的情况下由系统主动提供。普适计算的另一个重要特征是自适应性，这也是人本计算的核心，实际上是强调如何有效感知物理空间、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。普适计算可以降低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，计算机通常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，以各种信息设备的形式出现。这些信息设备集计算、通信、传感器等具体功能于一身，能方便地与各种传统设备结合在一起。不仅如此，目前的各种日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，按照用户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用户的各种需求，同时每个设备和整个环境都需要保持对环境中每个用户的非妨碍状态，无需用户分散精力进行干预。如果有一天，计算和信息传递不再是一种工作或者技能，而成为人们日常生活中自然的一部分，那么就可以说，我们达到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断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核心数据访问。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用户可以使用这些设备进行复杂的联机事务处理和信息访问，因为所使用的设备体积小，可用的计算资源(内存、存储设备和CPU)都相当有限，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成。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、传感功能于一身的各种信息设备通过无线网络与互联网连接有效的组织起来，并按照用户的个性需求进行定制，以嵌入式产品的方式呈现在人们的工作和生活中———或者手持，或者可穿戴，甚至是与人们日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、随环境自适应的各种服务，最终目标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。这种融合体现在两个方面。首先，物理空间中的物体将与信息空间中的对象相互关联。其次，人们在操作物理空间物体的过程中，可以同时透明地改变相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用户没有察觉的情况下由系统主动提供。从某种意义上说，计算机好像隐身了——这也是普适计算最重要的特征。2.计算模式的发展第一代，主机型计算(Mainframecomputing)是很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。提高计算本身性能、功能是我们的工作重点。第二代，个人机计算(personalcomputing)是一个人在一台电脑上。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系，计算机开始应用于企业管理、金融分析等领域。如何协调多个计算机工作以及如何共享和搜集、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。随着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;同时计算机主要不是以单独的“主机+显示器”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，并按照用户的个性需求进行定制，以嵌入式产品的方式呈现在人们的工作和生活中。结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、土壤一样重要而且无所不在，但是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。主机计算模式促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、图形用户界面、多媒等技术的发展。同样地，普适计算势必要求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现有理论和技术的简单线性扩展，因为现有的计算技术还存在一些不足，因此难以满足普适计算模式的要求。3.当前研究状况3.1一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，只实现了一个原型。随着近十年技术的进步，普适计算的许多关键元件已有了商业产品，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年代末以后，一些著名大学和工业界相继出现了各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一样，以人为中心处理目标，并能自动适应用户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，其目标是为每个用户提供一个不用关心位置的计算和信息服务的“个人信息光辉(Aura)”。Illinois大学的Gaia项目将传统的计算机系统延伸到各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项目允许用户在共享空间合作。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。计算机能理解用户，用户可以自由地专注于理解和思考实际对象和信息，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，方便人与人、计算机和设备的交互，使计算机使用更方便。未来的居家和办公室里，计算机就像电灯一样自然，通过计算机视觉，保持跟踪人，响应声音和手势命令。3.2主要研究问题目前，各国的研究主要集中在以下几个方面。(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，横跨多个研究领域如移动计算、嵌入式系统、自然人机交互、软件结构等，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，准确、客观地表达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”的根本理念，从而为普适计算系统的分析、设计、实施、部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、易用性及标准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和谐、自然的人机交互方式，即能利用人的日常技能进行交互，具有意图感知能力。与传统的人机交互方式相比，它更强调交互方式的自然性、人机关系的和谐性、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可能不分散用户对工作本身的注意力。和谐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、显示器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，并且需要进一步研究语音识别、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征。感知上下文计算利用上下文信息向用户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用户身份、操作习惯、个人喜好、情绪状态等用户信息。上下文感知技术是实现服务自发性和无缝移动性的关键，涉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个方面，主要涉及环境内容和交换策略、管理和利用多媒体内容的适应性模型、自适应技术和结构等问题。(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各种无线网络、互联网、电话网、电视网等，还包括RFID网络、无线传感器网络、GPS网络等多种不同类型的网络。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。当前普适计算网络的研究主要集中在无线和移动网络、adhoc网络、无线传感器网络