下一代互聯(lián)網(wǎng)的信息物理融合發(fā)展綜述

周楊，秦嘉杭

（南京財(cái)經(jīng)大學(xué) 信息學(xué)院，南京 210046）

引 言

現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)地址缺乏，協(xié)議不完善，安全問題嚴(yán)重，已經(jīng)成為人們的共識(shí)，但是僅僅改善這幾個(gè)方面，就可以稱為“下一代”互聯(lián)網(wǎng)嗎？很明顯，針對(duì)現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的修補(bǔ)與完善，無(wú)論是技術(shù)上還是結(jié)構(gòu)上都不是革命性的，稱之為“下一代互聯(lián)網(wǎng)”有些牽強(qiáng)。而集計(jì)算、通信與控制功能于一體的信息物理系統(tǒng)，不僅使物與物緊密相連，也可以使人與物實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的互動(dòng)，突破虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的界限，同時(shí)也突破了現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的局限，使之更接近“下一代”互聯(lián)網(wǎng)的定義。本文介紹了CPS（Cyber Physical System，信息物理融合）的概念、研究熱點(diǎn)以及最新應(yīng)用。

1 CPS簡(jiǎn)介

CPS作為計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，是集成計(jì)算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)間的互聯(lián)互通。CPS的概念最早是由美國(guó)國(guó)家基金會(huì)在2006年提出，并在2007年由美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)顧問委員會(huì)（PCAST）將CPS作為網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)領(lǐng)域的第一提案。2008年，美國(guó)CPS指導(dǎo)小組在《CPS執(zhí)行綱要》中，把CPS應(yīng)用放在交通、國(guó)防、能源、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和大型建筑設(shè)施等方面?？梢娒绹?guó)將CPS作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，投入大量資金扶持相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

而在歐洲，為了在未來(lái)成為智能電子系統(tǒng)的世界領(lǐng)袖，歐盟計(jì)劃在嵌入智能與系統(tǒng)的研究與技術(shù)（ARTMEIS）上投入54億歐元，可見其對(duì)CPS的重視程度。

在國(guó)內(nèi)，CPS也受到了重視，國(guó)家自然科學(xué)基金、“973計(jì)劃”與“863計(jì)劃”都將其列為重點(diǎn)。西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)CPS的研究也剛剛起步，所以我國(guó)完全可以在此領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)關(guān)鍵技術(shù)的主導(dǎo)權(quán)。

2 研究熱點(diǎn)

CPS是圍繞現(xiàn)實(shí)世界中的人與物構(gòu)建的一個(gè)龐大的、復(fù)雜的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，人們可以通過這個(gè)系統(tǒng)感知世界，還可以對(duì)所有連接這個(gè)系統(tǒng)的物體發(fā)出指令?？梢?，擁有眾多復(fù)雜功能的CPS系統(tǒng)是多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，其中的研究熱點(diǎn)包括網(wǎng)絡(luò)融合、節(jié)點(diǎn)接入與管理、系統(tǒng)安全等。

2.1 網(wǎng)絡(luò)融合

CPS系統(tǒng)的一個(gè)主要功能是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界物與物之間的互聯(lián)，以及人與物的互動(dòng)，這樣的功能其實(shí)就是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。CPS既要提供同一網(wǎng)絡(luò)的水平通信，也要提供不同網(wǎng)絡(luò)的垂直通信功能。

現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，如公共電話網(wǎng)、蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)、Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、Wi－Fi、WiMAX、無(wú)線傳感網(wǎng)等，因?yàn)槊糠N網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模都很大，且結(jié)構(gòu)與通信方式皆不同，所以幾乎不存在使用一種網(wǎng)絡(luò)將其他網(wǎng)絡(luò)替代的可能，以達(dá)到互聯(lián)互通的目的。因此，如何使各種網(wǎng)絡(luò)通過一種統(tǒng)一的方式連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，是CPS系統(tǒng)的一個(gè)難點(diǎn)，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

目前網(wǎng)絡(luò)融合研究的重點(diǎn)只集中于少數(shù)幾種網(wǎng)絡(luò)，著重于網(wǎng)關(guān)選擇與網(wǎng)絡(luò)切換。但CPS網(wǎng)絡(luò)具有異構(gòu)性、深度嵌入、業(yè)務(wù)種類多、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，且不同的網(wǎng)絡(luò)占用頻率不同，數(shù)據(jù)率有著巨大差異，現(xiàn)有的研究成果還不能解決上述問題。統(tǒng)一的物理層和MAC層協(xié)議，使底層對(duì)上層“透明”，是未來(lái)的研究重點(diǎn)和趨勢(shì)。

2.2 節(jié)點(diǎn)接入與管理

在無(wú)線通信中，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)是不可避免的。如移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)中，用戶從一個(gè)小區(qū)到另一個(gè)小區(qū)，需要經(jīng)過切換、注冊(cè)、更新等一系列動(dòng)作，才能重新獲得服務(wù)。WiMAX中的跨區(qū)切換與蜂窩移動(dòng)通信類似，不過更加復(fù)雜一些，因?yàn)閃iMAX網(wǎng)絡(luò)中使用的是IP地址，跨區(qū)切換時(shí)需要保證地址的唯一性，而蜂窩移動(dòng)通信中用戶的設(shè)備ID是唯一的。WLAN雖然不支持高速移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，但是也允許節(jié)點(diǎn)的自由移動(dòng)，且與WiMAX和蜂窩移動(dòng)通信使用的頻率需要政府發(fā)放牌照不同，WLAN使用的是免許可頻率。

現(xiàn)有的解決節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的方法一般使用網(wǎng)絡(luò)層漫游技術(shù)，即改變移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的IP地址，如移動(dòng)IP（MIP）、蜂窩IP（CIP）等，但移動(dòng)IP與蜂窩IP都不適用于大型網(wǎng)絡(luò)。

節(jié)點(diǎn)的拓?fù)淇刂埔彩荂PS網(wǎng)絡(luò)待解決的難點(diǎn)之一。在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，大量節(jié)點(diǎn)的頻繁進(jìn)出會(huì)導(dǎo)致鏈路斷裂、路由失效，影響節(jié)點(diǎn)之間的通信。如前所述，CPS網(wǎng)絡(luò)本身就是一個(gè)開放式的網(wǎng)絡(luò)，允許各種網(wǎng)絡(luò)、各種節(jié)點(diǎn)自由接入、退出網(wǎng)絡(luò)，且相對(duì)于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，CPS網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模更大，所以如何定位節(jié)點(diǎn)、如何快速得到節(jié)點(diǎn)的拓?fù)?、如何快速路由是CPS網(wǎng)絡(luò)通信的難題。

同網(wǎng)絡(luò)融合一樣，當(dāng)前對(duì)節(jié)點(diǎn)的接入與管理也只是局限于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)管理的研究還很少。筆者認(rèn)為，解決節(jié)點(diǎn)的接入與管理問題可以在網(wǎng)絡(luò)融合的基礎(chǔ)上進(jìn)行，若網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)使用統(tǒng)一的底層協(xié)議，則整個(gè)CPS網(wǎng)絡(luò)則也可以像一個(gè)同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)一樣運(yùn)行，CPS網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)接入與控制的復(fù)雜性則相應(yīng)得到大大簡(jiǎn)化。

2.3 安全性問題

與互聯(lián)網(wǎng)類似，CPS網(wǎng)絡(luò)也面臨傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)威脅，因此安全與隱私問題也是目前的研究熱點(diǎn)。像現(xiàn)有的拒絕服務(wù)攻擊、僵尸網(wǎng)絡(luò)、身份欺騙、信息竊取等網(wǎng)絡(luò)攻擊手段，都是CPS可能遇到的問題，現(xiàn)有的解決方法也可以引入到CPS網(wǎng)絡(luò)中。且由于CPS網(wǎng)絡(luò)涉及各種物理節(jié)點(diǎn)（如傳感器等），攻擊者也可以針對(duì)物理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攻擊，使系統(tǒng)接收到虛假信息，這是傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)沒有涉及的問題。筆者建議在設(shè)計(jì)CPS網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡可能多地考慮當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)所遇到的問題，使攻擊者無(wú)法或者難以入侵CPS網(wǎng)絡(luò)，這一切都應(yīng)該建立在網(wǎng)絡(luò)融合的協(xié)議基礎(chǔ)上。

3 CPS應(yīng)用

一種新技術(shù)的誕生可以對(duì)現(xiàn)有的行業(yè)產(chǎn)生沖擊，并催生出新的行業(yè)。如果它是革命性的，則將極大地影響人們的生活。就像互聯(lián)改變了人類的生活方式，并產(chǎn)生了互聯(lián)網(wǎng)這一新生事物一樣，CPS網(wǎng)絡(luò)的誕生也將改變?nèi)祟愂澜?，其?yīng)用包括智能電網(wǎng)系統(tǒng)、智能交通、智能醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制等。下面將介紹一些CPS的最新應(yīng)用。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)談?wù)撟疃嗟氖俏锫?lián)網(wǎng)，但實(shí)質(zhì)上它只是CPS的一個(gè)簡(jiǎn)約應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)的概念最早在1999年被提出，指的是物與物相連的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其實(shí)質(zhì)是利用射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、GPS等感應(yīng)與定位設(shè)備，按照預(yù)先設(shè)定的協(xié)議，將任何物品接入網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)物品識(shí)別、定位、監(jiān)控等功能。物聯(lián)網(wǎng)的核心仍然是互聯(lián)網(wǎng)，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行有限的擴(kuò)展，使物品可以方便地接入網(wǎng)絡(luò)，便于使用者使用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理。與前述CPS網(wǎng)絡(luò)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)只是CPS網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)簡(jiǎn)化版，因?yàn)楣δ茌^少且技術(shù)復(fù)雜度相對(duì)較低，物聯(lián)網(wǎng)可以看做是CPS大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)鋪墊。

3.2 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)一般是指將測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)化與智能控制技術(shù)運(yùn)用到現(xiàn)有的物理電網(wǎng)中而形成的新型電網(wǎng)。當(dāng)前，我國(guó)的風(fēng)力、太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展迅速，不僅環(huán)保，而且資源利用率高。但是因?yàn)檫@些分布式電源的發(fā)電能力不穩(wěn)定，會(huì)隨著外部環(huán)境發(fā)生極大的波動(dòng)，而電網(wǎng)必須平穩(wěn)，且需要匹配當(dāng)?shù)仉娏π枨?，一旦發(fā)生波動(dòng)，容易產(chǎn)生電網(wǎng)中斷或負(fù)荷過載等問題。如何使用CPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能，使各種分布式電源精確、安全地接入電網(wǎng)，是典型的CPS應(yīng)用。由于涉及物理設(shè)備眾多，且安全性要求很高，智能電網(wǎng)的應(yīng)用是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

3.3 智能交通

在國(guó)內(nèi)，隨著城市化進(jìn)程的加快、人們生活水平的不斷提高，城市日益擁堵，各種事故的發(fā)生也日漸頻繁。依靠擴(kuò)修道路、建設(shè)高架、鼓勵(lì)公共交通等傳統(tǒng)手段，已無(wú)法有效解決上述問題。發(fā)展智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transport System，ITS）已成為不二選擇。在智能交通系統(tǒng)中，道路、橋梁、路口、交通信號(hào)等信息都會(huì)被實(shí)時(shí)監(jiān)控，這些海量信息都通過系統(tǒng)進(jìn)行分析、發(fā)布、計(jì)算，使道路上的車輛能夠?qū)崟r(shí)共享道路信息，而道路管理人員也可以通過該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控各重點(diǎn)路段的情況，必要時(shí)甚至可以發(fā)布消息引導(dǎo)車輛行駛，從而改善現(xiàn)有的城市交通狀況。當(dāng)然，智能交通系統(tǒng)只是CPS應(yīng)用的一部分，在研究人員的設(shè)想中，其目標(biāo)是零交通事故，不僅使車輛駕駛?cè)藛T受益，也使步行的人能夠借助該系統(tǒng)避免交通事故，真正做到人與物的融合。

3.4 醫(yī)療系統(tǒng)

下一代的醫(yī)療系統(tǒng)是使用有線或者無(wú)線連接方式將各種醫(yī)療設(shè)備連接在一起的安全的、可靠的網(wǎng)絡(luò)，可以為人們提供高質(zhì)量的服務(wù)。例如：當(dāng)進(jìn)行一個(gè)手術(shù)時(shí)，病人的完整病歷信息就會(huì)被所有的醫(yī)療設(shè)備讀取，需要注射某種藥物時(shí)，注射設(shè)備會(huì)自動(dòng)檢測(cè)該病人是否會(huì)對(duì)該藥物過敏。諸如此類的自動(dòng)檢測(cè)會(huì)大大提高治療的安全性，提供更好的個(gè)人護(hù)理方案。在進(jìn)行治療時(shí)，治療方式和病人的所有反應(yīng)都會(huì)以某種方式傳送給醫(yī)生或其他相關(guān)人員，以便診斷。當(dāng)出現(xiàn)特殊病例時(shí)，醫(yī)療專家會(huì)使用遠(yuǎn)程系統(tǒng)查看相關(guān)信息，并使用遠(yuǎn)程醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程手術(shù)操作等。從以上描述可見，下一代醫(yī)療系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)融合為基礎(chǔ)，以各種醫(yī)療設(shè)備為節(jié)點(diǎn)的CPS網(wǎng)絡(luò)，還涉及各種信息的融合與分派，且對(duì)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量要求很高，不僅傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，而且要求實(shí)時(shí)性，這是由醫(yī)療系統(tǒng)的特殊性決定的，也是當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的瓶頸，如何解決這一問題是醫(yī)療系統(tǒng)與CPS網(wǎng)絡(luò)的共同難題。

結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)的研究與運(yùn)用已經(jīng)有些成果，而CPS的研究卻剛剛開始。作為CPS網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化版，物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)有成果都可以為CPS借鑒；而作為CPS網(wǎng)絡(luò)的模型，物聯(lián)網(wǎng)則可以盡可能地?cái)U(kuò)展，做盡可能多的嘗試，使其接近CPS網(wǎng)絡(luò)的定義，為CPS網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展有一些成果，這是我國(guó)在研究CPS系統(tǒng)方面的優(yōu)勢(shì)，如何利用現(xiàn)有成果搶占未來(lái)的技術(shù)制高點(diǎn)，筆者認(rèn)為這是一個(gè)需要關(guān)注的領(lǐng)域。

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