第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 方 面, 体 现 在 联 网 节 点 数 量 上 当 今 上 网 的 用 户 有 多 少?10 亿 人 肯 定 是 有 的 但 如 果 没 有 物 联 网, 即 使 所 有 地 球 人 都 上 网, 平 均 每 人 几 台 上 网 设 备, 百 亿 或

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1 专 题 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 万 物 相 联 万 物 生 关 键 词 : 物 联 网 嵌 入 式 系 统 专 题 组 稿 人 : 刘 云 浩 清 华 大 学 我 第 一 次 看 到 Internet of Things(IoT) 这 个 词 的 时 候, 根 本 没 想 到 后 来 会 使 用 物 联 网 这 样 一 个 精 致 的 词 来 对 应 它 2007 年 在 一 个 并 非 学 术 圈 的 人 面 前 说 起 物 联 网 的 时 候, 我 直 接 被 作 为 口 齿 不 清 当 作 是 互 联 网 的 口 误 而 忽 略 了 2010 年 收 到 的 关 于 作 物 联 网 报 告 的 邀 请 超 过 我 此 前 收 到 的 所 有 邀 请 的 总 和 今 年 春 节 前 我 去 一 个 三 星 级 酒 店, 在 大 堂 的 咖 啡 厅 听 到 一 桌 几 个 中 年 人 兴 致 勃 勃 地 交 流 投 资 方 向, 忽 然 其 中 一 位 站 起 来 大 声 说 : 物 联 网 谁 不 知 道 啊, 既 无 新 意 也 无 卖 点! 网 络 嵌 入 式 系 统 和 物 联 网, 我 们 真 的 透 彻 理 解 了 么? 物 联 网 概 念 中 强 调 的 更 广 泛 而 全 面 的 互 联 互 通, 更 透 彻 的 感 知 和 更 深 入 的 智 能, 到 底 是 什 么? 或 者 说, 如 何 深 刻 理 解 这 三 个 更 字 呢? 首 先, 是 不 是 没 有 物 联 网 就 没 有 互 联 互 通? 显 然 不 是 100 多 年 前 发 明 的 电 话 早 就 把 人 们 的 通 信 和 联 系 定 义 在 世 界 范 围 内 了,20 世 纪 90 年 代 移 动 电 话 的 普 及 更 是 把 人 们 和 远 在 天 边 的 朋 友 随 时 随 地 的 联 系 起 来 进 行 交 流 1995 年 之 后 出 现 的 互 联 网 革 命 则 进 一 步 丰 富 了 交 流 的 手 段 : 从 单 纯 的 语 音 已 发 展 到 多 媒 体 数 据 而 物 联 网 要 带 来 的 是 更 广 泛 和 更 全 面 地 互 联 互 通 怎 么 广 泛 而 全 面? 其 一, 是 互 联 互 通 的 对 象 从 人 延 展 到 物 体, 不 仅 人 与 人 要 交 流, 物 和 物 也 要 互 通 从 技 术 角 度 来 说, 这 意 味 着 联 网 终 端 的 多 样 性 大 大 增 加 了 原 先 的 网 络 设 备, 通 常 都 是 智 能 化 程 度 较 高 的 如 移 动 电 话 PDA ipad, 甚 至 就 是 一 台 计 算 机 ; 而 物 联 网 中 物 体 所 附 带 的 网 络 设 备 ( 或 设 备 化 的 普 通 物 理 对 象 ), 其 智 能 往 往 比 较 低, 比 如 一 个 传 感 网 节 点, 其 计 算 能 力 和 存 储 量 远 远 不 能 和 前 述 设 备 相 比 未 来 更 多 的 上 网 设 备, 其 智 能 可 能 仅 仅 体 现 在 具 备 一 个 能 被 识 别 的 标 记 (ID) 万 不 可 小 看 这 个 被 识 别 的 能 力! 在 物 联 网 时 代, 能 主 动 认 知 和 控 制 自 己 之 外 的 对 象 的, 可 以 称 作 是 具 有 主 动 智 能, 而 有 能 力 使 得 自 身 被 智 能 主 体 所 认 知 和 控 制 的, 可 以 称 作 是 拥 有 被 动 智 能 被 动 智 能 也 是 智 能! 其 二, 是 互 联 互 通 方 式, 也 就 是 网 络 通 信 模 式 的 扩 展, 亦 即 更 深 层 次 的 广 泛 与 全 面 的 物 联 网 的 互 联 互 通, 有 可 能 仅 仅 是 一 天 当 中 只 有 一 分 钟 甚 至 一 秒 钟 接 入 了 网 络, 比 如 容 迟 网 (DTN) 的 模 式, 也 可 能 只 是 逻 辑 上 被 连 进 了 网 上, 比 如 一 个 节 点 A 和 另 一 个 移 动 节 点 B 每 小 时 都 有 一 次 固 定 数 据 交 换, 而 A 自 身 从 未 直 接 上 网, 但 是 由 于 移 动 节 点 B 每 天 都 移 动 到 一 个 基 站 把 它 所 有 获 取 来 的 数 据 上 传, 这 种 情 况 下 A 和 B 都 算 物 联 网 上 的 节 点 这 些 都 体 现 了 物 联 网 通 信 模 式 的 广 泛 性 在 物 联 网 之 前, 互 联 网 主 要 以 有 线 方 式 提 供 服 务, 而 眼 下 处 于 初 级 阶 段 的 物 联 网 虽 然 融 合 了 无 线 方 式, 但 通 信 模 式 主 要 以 Client/Server 为 主, 也 就 是 节 点 之 间 的 数 据 交 换 通 过 基 站 完 成, 就 像 我 们 所 熟 悉 的 移 动 通 信 网 络 射 频 识 别 标 识 (RFID) 系 统 等 确 切 地 说 这 还 不 能 算 严 格 的 物 物 相 连, 而 是 物 站 相 连 : 物 体 与 基 站 之 间 通 过 主 从 式 的 单 跳 的 方 式 进 行 数 据 通 信 真 正 自 组 织 网 络 (Ad Hoc Network), 也 就 是 以 对 等 网 (P2P) 的 模 式 实 现 物 与 物 的 多 跳 连 接, 必 然 是 物 联 网 下 一 阶 段 的 主 要 特 点 也 许 物 联 网 80% 的 功 能 用 客 户 端 / 服 务 器 (Client/Server) 方 式 就 可 以 完 成, 但 另 外 的 20% 却 因 画 龙 点 睛 而 不 可 或 缺 物 联 网 互 联 互 通 广 泛 而 全 面 的 另 一 个 8

2 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 方 面, 体 现 在 联 网 节 点 数 量 上 当 今 上 网 的 用 户 有 多 少?10 亿 人 肯 定 是 有 的 但 如 果 没 有 物 联 网, 即 使 所 有 地 球 人 都 上 网, 平 均 每 人 几 台 上 网 设 备, 百 亿 或 者 千 亿 量 级 也 就 是 极 限 了 但 物 联 网 的 时 代, 每 一 个 物 件 都 可 以 上 网, 每 一 个 物 件 都 可 控 制, 这 个 数 量 肯 定 不 是 千 亿 甚 至 万 亿 可 以 限 制 住 的 这 样 大 的 数 量 激 增, 对 于 网 络 技 术 所 带 来 的 冲 击 肯 定 是 天 翻 地 覆 的, 但 这 还 远 远 比 不 上 对 人 们 心 灵 上 的 冲 击 : 试 想, 有 一 天 你 身 边 所 有 的 物 件 都 拥 有 或 多 或 少 的 智 能, 那 岂 是 仅 仅 对 隐 私 泄 漏 的 担 忧? 正 是 有 了 更 广 泛 更 全 面 的 互 联 互 通, 物 联 网 的 感 知 才 更 透 彻 更 具 洞 察 力 我 们 已 经 知 道 传 感 器 是 一 百 多 年 前 就 有 的 设 备, 但 通 信 功 能 却 是 近 十 来 年 才 附 加 的 通 信 功 能 对 于 传 感 器 产 生 的 影 响, 几 乎 可 以 类 比 于 文 字 和 语 言 对 于 人 类! 当 人 类 可 以 使 用 语 言 交 流 并 使 用 文 字 记 载 的 时 候, 文 明 时 代 就 来 临 了 传 感 器 也 是 这 样, 单 独 工 作 的 传 感 器, 完 全 依 仗 人 们 预 先 布 设 的 工 作, 既 没 有 协 同, 也 做 不 到 自 适 应 我 们 来 重 温 一 下 大 家 所 熟 悉 的 瞎 子 摸 象 的 故 事, 之 所 以 每 个 人 摸 完 了 大 象 给 出 了 截 然 不 同 的 描 述, 就 是 因 为 他 们 没 有 ( 用 通 信 的 方 式 ) 相 互 协 同 如 果 每 个 人 在 摸 完 了 大 象 的 一 部 分 之 后, 和 其 他 伙 伴 交 换 自 己 的 位 置 以 及 观 测 角 度, 显 然 可 以 更 透 彻 地 完 成 对 大 象 的 感 知 再 举 一 个 小 例 子, 比 如 需 要 知 道 今 天 的 室 外 温 度, 你 拿 着 一 个 温 度 计 ( 你 也 可 以 称 作 温 度 传 感 器 ) 出 门 了, 找 到 一 个 合 适 的 地 方 放 上 温 度 计, 过 了 10 分 钟 给 出 一 个 读 数 这 个 读 数 在 多 大 的 程 度 上 可 以 代 表 这 个 地 区 的 温 度 呢? 先 抛 开 气 象 的 专 业 测 量 与 定 义 不 去 深 究, 至 少 大 家 都 明 白 这 个 温 度 计 放 在 树 阴 下 和 放 在 日 光 下 很 可 能 测 出 不 同 的 结 果 来 也 就 是 说 在 测 量 过 程 中 需 要 人 的 辅 助 才 能 有 效 定 义 这 个 测 量 的 真 实 含 义 假 如 不 是 人 拿 着 而 是 随 机 的 摆 放 这 个 温 度 传 感 器 呢? 显 然 如 果 你 不 知 道 它 摆 在 哪 里 了, 这 个 节 点 送 回 来 的 数 据 所 代 表 的 意 义 就 大 打 折 扣 了 这 还 是 我 们 假 设 设 备 本 身 并 没 有 出 现 工 作 异 常 的 情 况 为 了 减 小 误 差 我 们 可 以 做 这 样 一 件 事, 就 是 在 一 个 很 小 的 物 理 范 围 内 放 很 多 节 点, 比 如 10 个, 然 后 通 过 取 平 均 值 或 者 干 脆 去 除 异 常 点 的 方 法 来 校 正 测 量 结 果, 更 复 杂 一 些 的 是 近 来 学 术 界 很 火 的 不 确 定 数 据 处 理 (uncertain data processing), 如 果 上 升 到 理 论 高 度 就 是 考 量 数 据 质 量 (data quality) 问 题 但 是 这 是 测 量 一 个 日 常 所 熟 悉 的 环 境, 也 就 是 说 我 们 实 际 已 经 使 用 了 先 验 知 识 假 如 测 量 的 是 一 个 完 全 未 知 的 环 境, 当 随 机 布 设 了 10 个 传 感 器 的 时 候, 这 些 传 感 器 尽 管 相 距 非 常 近, 但 恰 好 有 8 个 在 水 里,2 个 在 水 外, 那 么 无 论 上 述 哪 种 方 法 都 不 可 能 获 得 我 们 真 正 想 要 测 量 的 结 果 有 了 更 透 彻 的 感 知, 自 然 就 有 了 更 综 合 更 深 入 的 智 能 最 早 提 出 的 传 感 网 经 典 应 用 当 中 就 有 将 温 度 传 感 器 应 用 于 森 林 防 火 如 何 从 传 感 器 连 续 不 断 的 枯 燥 乏 味 的 温 度 测 量 值 中 发 现 潜 在 的 火 灾 危 险 呢? 我 们 当 然 可 以 定 义 温 度 大 于 某 个 阈 值 是 发 生 火 灾 的 标 志, 这 可 以 算 是 最 简 单 的 事 件 检 测 算 法 进 一 步, 我 们 可 以 利 用 多 个 传 感 器 协 同 感 知, 避 免 由 于 单 个 传 感 器 故 障 造 成 的 误 警 或 漏 警, 提 高 火 灾 检 测 的 可 靠 性, 这 是 人 多 力 量 大 的 智 能 更 进 一 步, 我 们 可 以 利 用 湿 度 风 速 风 向 等 多 维 度 感 知 数 据, 判 断 森 林 火 灾 发 生 的 条 件, 提 供 森 林 火 灾 预 警 信 息 供 相 关 部 门 参 考, 将 灾 害 消 除 在 萌 芽 状 态, 这 是 防 患 于 未 然 的 智 能 如 果 能 从 长 期 的 温 度 数 据 中 挖 掘 模 式, 从 看 似 不 相 关 的 气 象 事 件 中 挖 掘 联 系, 探 索 厄 尔 尼 诺 现 象 对 全 球 气 候 带 来 的 影 响, 这 是 审 堂 下 之 阴 而 知 日 月 之 行 的 智 能 从 温 度 感 知 数 据 上 升 到 火 灾 事 件, 再 从 短 时 间 离 散 的 事 件 上 升 到 长 期 大 规 模 的 气 候 现 象, 体 现 了 智 能 的 不 断 深 入 这 个 例 子 还 可 以 引 申 到 日 常 生 活 中 你 明 天 上 午 从 北 京 去 天 津 开 会, 预 计 10 点 左 右 从 北 京 出 发, 12 点 左 右 抵 达 上 网 查 阅 之 后 知 道 可 以 坐 火 车, 坐 长 途 汽 车, 也 可 以 自 己 开 车, 相 比 之 下 似 乎 开 车 最 便 捷, 随 后 你 把 路 线 也 查 了,GPS 也 带 上 了 但 有 了 物 联 网, 它 可 能 建 议 你 乘 火 车 去, 为 什 么 呢? 你 身 上 的 体 域 物 联 网 (body area network) 检 测 到 你 最 近 工 作 压 力 大, 心 肺 功 能 不 大 稳 定 需 要 保 护, 而 道 路 物 联 网 发 现 明 天 你 去 的 地 方 将 路 过 一 个 修 路 段, 为 了 绕 行 你 将 不 得 不 穿 过 一 个 海 鲜 市 场, 9

3 专 题 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 拥 堵 的 人 群 加 上 你 对 海 鲜 的 过 敏 可 能 引 发 身 体 某 项 功 能 的 紊 乱, 因 此 建 议 你 还 是 乘 火 车 过 去 物 联 网 真 正 的 成 功, 不 靠 各 种 论 坛 讲 座 和 宣 传, 至 少 不 仅 仅 是, 而 是 实 际 的 系 统 但 我 们 还 是 要 边 干 边 想 边 讨 论 边 交 流 借 助 中 国 计 算 机 学 会 (CCF) 和 ACM 联 合 提 供 的 学 科 前 沿 讲 习 班 (ADL) 这 个 平 台, 图 灵 奖 获 得 者 斯 法 克 斯 (Joseph Sifakis) 教 授 和 我 一 起, 请 了 10 位 这 个 领 域 非 常 活 跃 的 国 际 国 内 的 著 名 学 者, 准 备 在 无 锡 开 一 个 研 讨 会 本 专 题 我 们 邀 请 国 外 的 5 位 讲 者 根 据 他 们 要 讲 的 内 容 写 了 4 个 短 文, 算 是 会 前 热 身 吧 看 了 Sifakis 教 授 的 文 章, 我 们 得 知 平 均 一 天 当 中 为 每 个 人 服 务 的 嵌 入 式 芯 片 有 230 块 之 多 当 年 Mark Weiser 提 出 普 适 计 算 时, 曾 用 过 Invisible Computing( 不 可 见 计 算 ) 这 个 词 曾 几 何 时, 他 预 见 的 场 景 已 出 现 在 我 们 身 边 他 回 顾 了 计 算 机 科 学 发 展 的 历 史 以 及 嵌 入 式 系 统 迅 猛 发 展 的 现 状, 提 出 了 物 联 网 必 然 成 为 计 算 机 科 学 发 展 史 上 一 座 新 里 程 碑 的 观 点, 也 因 此 将 计 算 机 科 学 中 系 统 ( 尤 其 是 嵌 入 式 系 统 ) 层 面 的 研 究 推 向 了 一 个 新 的 高 度 通 过 深 入 分 析 嵌 入 式 系 统 设 计 发 展 的 趋 势, 详 细 刻 画 并 描 述 了 目 前 严 谨 系 统 设 计 给 研 究 人 员 提 出 的 三 个 严 峻 挑 战, 对 计 算 机 科 学 的 发 展 从 作 为 科 学 本 身 包 含 的 研 究 以 及 教 学 等 三 个 方 面 一 一 进 行 了 展 望 美 国 工 程 院 院 士 加 州 大 学 伯 克 莱 分 校 的 阿 尔 博 托 (Alberto Sangiovanni Vincentelli ) 教 授 更 是 用 了 Frankstein 这 个 世 界 上 第 一 篇 科 幻 小 说 的 人 物 来 展 开 讨 论 他 告 诉 我 们 信 息 物 理 系 统 (CPS, 就 是 美 国 人 对 物 联 网 概 念 的 理 解 ) 将 在 不 远 的 未 来 支 持 不 可 想 象 的 社 会 大 规 模 应 用, 因 此 在 系 统 设 计 上 将 面 临 一 系 列 严 峻 挑 战 与 Sifakis 教 授 相 呼 应 的, 他 指 出 最 有 前 景 的 一 种 解 决 方 法 是 使 用 结 构 化 与 形 式 化 的 设 计 方 法, 并 讨 论 了 契 约 式 设 计 (contract-based design), 为 满 足 系 统 工 业 的 迫 切 需 求 指 出 了 一 个 方 向 葡 萄 牙 波 尔 图 大 学 路 易 斯 阿 尔 梅 达 教 授 认 为 物 联 网 基 础 设 施 的 建 设 需 要 全 新 的 通 信 抽 象 模 型, 在 保 证 开 放 性 和 实 时 性 的 同 时, 具 有 高 度 的 自 适 应 性, 这 样 才 能 够 更 有 效 地 利 用 网 络 带 宽 更 重 要 的 是, 阿 尔 梅 达 教 授 还 提 出 了 基 于 资 源 预 留 模 式 的 改 进 方 法, 为 未 来 信 息 物 理 系 统 的 构 建 指 出 了 一 个 合 理 的 发 展 方 向 瑞 士 联 邦 理 工 大 学 计 算 机 工 程 系 洛 萨 蒂 勒 (Lothar Thiele) 教 授 和 詹 布 泰 尔 (Jan Beutel) 教 授 协 作 完 成 的 文 章 简 要 介 绍 了 网 络 嵌 入 式 系 统 发 展 的 背 景 和 基 础, 并 从 能 量 受 限 等 角 度 详 细 分 析 了 网 络 嵌 入 式 系 统 的 发 展 瓶 颈 通 过 对 FlockLab 实 验 平 台 架 构 进 行 详 尽 的 解 析, 从 无 线 传 感 器 网 络 系 统 设 计 和 跨 学 科 合 作 应 用 两 个 方 面 对 极 端 环 境 下 物 理 环 境 监 测 等 研 究 进 行 了 探 讨 我 们 在 国 内 也 请 了 本 领 域 的 几 位 名 人 首 先 我 的 老 师 倪 明 选 教 授 将 要 来 会 上 给 我 们 介 绍 他 最 近 在 医 疗 物 联 网 上 的 进 展, 我 们 还 邀 请 千 人 计 划 归 国 工 作 的 胡 斌 教 授 和 基 金 委 杰 青 基 金 获 得 者 陈 贵 海 教 授, 分 别 在 生 物 计 算 和 数 据 中 心 与 物 联 网 的 联 合 运 用 上 给 我 们 带 来 惊 喜 基 金 委 信 息 学 部 的 肖 人 毅 博 士 也 要 来 介 绍 一 下 这 几 年 基 金 委 在 物 联 网 和 CPS 方 向 上 支 持 的 项 目 进 展 情 况 由 于 篇 幅 有 限, 这 次 的 专 辑 就 没 有 给 他 们 留 出 空 间, 我 们 期 待 他 们 的 演 讲 吧 在 史 元 春 老 师 的 反 复 催 促 下, 今 天 终 于 能 够 把 几 个 文 章 整 理 完 毕 了 忽 然 想 起 当 年 把 作 业 放 在 一 旁, 迫 不 及 待 地 打 开 千 辛 万 苦 借 来 的 机 器 猫, 一 边 深 深 地 鄙 视 一 事 无 成 的 野 比 一 边 无 限 憧 憬 着 他 形 影 不 离 的 机 器 猫 小 叮 当 神 奇 口 袋 里 的 宝 贝 是 那 么 的 不 可 思 议 英 国 作 家 布 莱 克 说 : 今 天 在 实 践 中 证 明 的 东 西, 就 是 过 去 在 想 象 中 存 在 的 东 西 希 望 我 们 的 每 一 次 探 索, 都 能 为 我 们 曾 经 的 想 象 加 上 一 双 可 以 踏 在 陆 地 上 的 脚 万 物 相 联, 万 物 生 1969 年, 因 特 网 尝 试 搭 建 1999 年, IOT 的 概 念 提 出 2012 年, 因 特 网 43 年, 物 联 网 13 年, 都 处 在 未 知 大 于 已 知 未 来 多 于 过 去 的 时 刻 刘 云 浩 CCF 国 际 合 作 部 主 任 ACM China 副 主 席 清 华 大 学 教 授 主 要 研 究 方 向 为 传 感 器 网 络 等 10

4 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 计 算 机 科 学 的 愿 景 系 统 发 展 观 关 键 词 : 计 算 机 系 统 计 算 机 科 学 的 演 变 计 算 机 科 学 是 一 门 年 轻 的 学 科, 它 的 出 现 可 追 溯 至 1936 年, 图 灵 (A.M. Turing) 和 哥 德 尔 (K. Gödel) 二 位 科 学 家 的 初 期 工 作 奠 定 了 学 科 发 展 的 基 础 在 过 去 的 70 年 里, 计 算 机 科 学 的 研 究 领 域 和 关 注 重 心 经 过 了 多 次 变 迁 最 早 期 的 计 算 机 主 要 应 用 于 军 事 防 卫 领 域 中 的 数 值 计 算 20 世 纪 70 年 代, 大 型 机 的 出 现 将 计 算 机 引 入 到 了 商 用 领 域 与 此 同 时, 大 规 模 集 成 电 路 的 发 展 也 促 进 了 计 算 能 力 的 指 数 级 增 长 ( 摩 尔 定 律 ) 80 年 代, 信 息 科 学 和 电 子 通 讯 技 术 的 融 合 开 辟 了 新 的 天 地, 网 络 服 务 互 联 网 以 及 信 息 化 社 会 应 运 而 生 到 了 90 年 代, 一 场 对 整 个 学 科 前 景 影 响 举 足 轻 重 的 变 革 悄 然 展 开, 那 就 是 嵌 入 式 系 统 的 广 泛 应 用 时 至 今 日, 全 球 生 产 的 芯 片 中 有 超 过 95% 的 部 分 为 嵌 入 式 应 用 这 些 集 成 了 必 需 的 软 件 和 硬 件 的 电 子 元 件 专 门 针 对 发 挥 着 关 键 作 用 的 特 定 功 能 而 设 计 它 们 藏 身 于 各 种 各 样 的 仪 器 设 备 之 中 : 如 移 动 电 话 照 相 机 家 用 电 器 汽 车 飞 机 火 车 医 疗 设 备 等 据 统 计, 在 2008 年, 平 均 每 人 每 天 用 到 将 近 230 块 嵌 入 式 芯 片, 其 中 家 用 电 器 80 块, 工 作 40 块, 汽 车 70 块, 移 动 设 备 40 块 可 以 预 见, 在 不 远 的 将 来, 作 为 嵌 入 式 技 术 和 互 联 网 融 合 的 结 果, 物 联 网 将 在 计 算 机 科 学 发 展 史 上 树 立 起 一 座 新 的 里 程 碑 数 以 亿 计 的 嵌 入 式 作 者 : 约 瑟 夫 斯 法 科 思 (Joseph Sifakis) 译 者 :GreenOrbs 绿 野 千 传 项 目 组 系 统 提 供 了 数 以 亿 计 的 零 散 服 务, 而 物 联 网 旨 在 使 用 互 联 技 术 来 整 合 这 些 服 务 为 了 达 成 这 一 目 标, 当 前 互 联 网 的 底 层 架 构 必 须 通 过 升 级 等 手 段, 使 之 变 得 更 安 全, 更 可 靠, 反 应 更 加 敏 锐 举 例 来 讲, 一 个 交 换 媒 体 文 件 的 简 单 服 务, 将 来 可 能 要 包 含 实 时 监 控 的 功 能 系 统 变 得 无 处 不 在 : 万 物 的 状 态 皆 可 感 知 测 量 监 控 ; 人 与 物 可 以 以 一 种 全 新 的 方 式 交 流 互 动 ; 智 能 系 统 使 得 各 种 事 件 的 预 测 更 加 容 易, 各 种 资 源 的 分 配 更 加 优 化 现 在 可 能 很 难 想 象, 计 算 机 科 学 在 20 年 后 将 有 怎 样 的 发 展 相 较 于 其 他 学 科, 计 算 机 科 学 的 发 展 更 有 赖 于 两 股 力 量 的 共 同 驱 动 : 实 际 应 用 和 成 指 数 级 增 长 的 技 术 进 步 而 伴 随 着 研 究 重 心 由 算 法 和 程 序 向 系 统 层 面 的 转 移, 计 算 机 科 学 涵 盖 的 范 围 亦 将 不 断 扩 大 从 程 序 到 系 统 我 认 为 在 计 算 机 科 学 的 发 展 史 上 有 两 大 里 程 碑 : 计 算 机 的 发 明 以 及 计 算 理 论 的 发 展 前 者 完 成 了 计 算 设 备 从 机 械 化 到 电 子 化 的 转 变, 使 计 算 变 得 更 加 快 速 和 可 靠 ; 而 后 者 发 展 了 一 系 列 的 便 于 人 们 研 究 算 法 程 序 以 及 性 质 的 计 算 模 型 这 无 疑 开 启 了 机 械 化 计 算 的 道 路, 处 理 的 中 心 问 题 是 函 数 是 否 以 及 何 时 能 通 过 计 算 模 型 得 到 计 算 更 为 重 要 11

5 专 题 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 的 是, 这 些 模 型 忽 略 了 物 理 时 间 和 物 理 资 源, 将 计 算 看 作 一 系 列 基 本 操 作 构 成 的 有 限 长 序 列, 而 是 复 杂 度 理 论 也 成 为 基 于 时 间 与 内 存 的 抽 象 表 达 程 序 与 算 法 本 质 上 是 关 联 的 抽 象 表 达, 而 这 种 关 联 与 物 理 资 源 是 完 全 独 立 的 在 这 个 意 义 上, 程 序 与 算 法 的 行 为 有 着 共 同 的 特 点 : 有 终 结 确 定 和 与 运 行 平 台 无 关 与 程 序 和 算 法 不 同, 系 统 会 对 外 界 进 行 反 馈, 换 言 之, 系 统 总 是 不 断 地 与 外 部 环 境 进 行 交 互 系 统 的 输 入 是 触 发 状 态 改 变 的 激 励, 而 计 算 输 出 结 果 的 过 程 又 可 能 改 变 环 境 的 状 态 系 统 的 行 为 可 以 抽 象 成 历 史 输 入 和 历 史 输 出 的 关 联 一 般 而 言, 系 统 没 有 终 结, 也 并 不 确 定 此 外, 系 统 的 行 为 是 与 平 台 相 关 的, 其 正 确 性 取 决 于 运 行 平 台 的 动 态 特 性 ( 比 如 运 行 次 数 ) 从 这 点 上 说, 计 算 理 论 的 本 质 决 定 了 它 在 对 系 统 的 研 究 上 派 不 上 太 大 的 用 场 即 便 我 们 充 分 掌 握 了 某 个 程 序 和 某 个 硬 件 平 台 的 全 部 特 性, 也 未 必 合 适 的 理 论 来 预 测 该 程 序 在 这 个 平 台 上 运 行 时 的 行 为 因 此, 计 算 的 理 论 亟 需 进 一 步 扩 展, 从 而 适 应 研 究 重 心 从 程 序 到 系 统 的 转 变 我 们 必 须 把 物 理 资 源 和 系 统 与 环 境 间 的 相 互 作 用 考 虑 到 计 算 模 型 中 来, 进 而 不 断 丰 富 和 完 善 计 算 模 型 系 统 设 计 趋 势 与 传 统 的 计 算 机 系 统, 例 如 台 式 计 算 机 和 服 务 器 等 不 同, 嵌 入 式 系 统 必 须 同 时 满 足 下 列 几 项 技 术 需 求 : 反 应 性 (reactivity) 响 应 延 迟 必 须 是 已 知 并 且 有 限 的 这 一 点 对 于 实 时 应 用 程 序 和 有 效 的 服 务 质 量 控 制 都 是 必 不 可 少 的 ; 自 主 性 (autonomy) 在 无 人 介 入 的 情 况 下, 提 供 连 续 的 服 务 尤 其 是 对 于 移 动 设 备 来 说, 系 统 应 当 不 需 要 手 动 重 启, 并 且 具 备 最 优 的 能 耗 管 理 策 略 ; 可 靠 性 (dependability) 具 有 抵 抗 攻 击 硬 件 故 障 软 件 运 行 错 误 等 威 胁 的 能 力 ; 扩 展 性 (scalability) 性 能 提 升 与 资 源 消 耗 的 匹 配 性 由 于 嵌 入 式 系 统 往 往 集 成 在 大 规 模 商 业 产 品 中, 使 得 嵌 入 式 系 统 必 须 有 最 优 的 性 价 比 可 是, 在 系 统 的 设 计 中, 实 现 最 佳 的 经 济 效 益 比 不 计 成 本 地 实 现 高 品 质 往 往 要 困 难 得 多 总 之, 嵌 入 式 技 术 对 开 发 系 统 的 能 力 提 出 了 新 的 挑 战 : 必 须 兼 顾 功 能 性 和 质 量, 同 时 要 把 成 本 控 制 在 可 接 受 的 范 围 内 我 们 付 出 了 很 高 的 代 价, 终 于 得 以 掌 握, 但 仍 然 不 能 有 效 整 合 以 下 两 类 系 统 : 一 类 是 低 复 杂 度, 但 确 保 极 高 安 全 性 与 可 靠 性 (safety and security critical) 的 系 统, 例 如 航 空 控 制 器 和 智 能 卡 ; 第 二 类 是 复 杂 度 非 常 高 但 是 仅 保 证 尽 量 好 的 服 务 质 量 (besteffort) 的 系 统, 例 如 电 信 系 统 和 互 联 网 上 的 万 维 网 (web) 应 用 等 前 者 强 调 可 靠 性, 而 后 者 则 更 倾 向 在 保 证 一 定 服 务 质 量 的 同 时, 寻 求 最 优 的 资 源 利 用 率 因 此, 对 于 未 来 的 系 统, 我 们 亟 需 实 现 下 列 目 标 的 技 术 : 核 心 关 键 系 统 成 本 的 有 效 控 制 在 运 输 医 疗 和 能 源 等 应 用 领 域 中, 嵌 入 式 技 术 通 过 提 供 全 新 的 服 务, 在 极 大 改 善 人 们 生 活 质 量 的 同 时, 也 进 行 有 效 的 资 源 管 理 例 如, 将 汽 车 的 油 门 和 刹 车 从 传 统 的 钢 缆 机 械 控 制 改 为 用 电 子 信 号 控 制, 可 以 降 低 生 产 和 操 作 的 成 本, 用 主 动 安 全 取 代 被 动 安 全 异 构 系 统 级 系 统 (systems-of-systems) 的 可 靠 集 成 通 过 开 发 整 体 化 的 服 务 系 统, 将 分 布 于 不 同 地 理 位 置 拥 有 不 同 技 术 特 性 使 用 不 同 通 信 媒 介 的 系 统 整 合 起 来, 为 此 我 们 必 须 掌 控 关 键 特 性 和 非 关 键 特 性 间 的 交 互, 并 确 保 系 统 的 容 错 性 举 例 而 言, 当 非 关 键 服 务 发 生 错 误 的 时 候, 如 何 避 免 这 种 错 误 祸 及 关 键 性 服 务 的 正 常 运 行? 因 为 缺 乏 指 导 性 理 论, 这 是 当 前 一 个 开 放 性 的 难 题 在 系 统 级 系 统 设 想 之 中, 通 过 连 接 日 常 物 件 来 提 供 整 体 化 服 务 的 物 联 网 最 具 代 表 性 我 们 可 以 举 出 很 多 例 子, 一 个 经 典 实 例 就 是 提 供 高 效 可 靠 能 源 管 理 的 智 能 电 网 ; 再 比 如 智 能 运 输 系 统, 其 宗 旨 是 增 进 交 通 安 全, 同 时 减 少 车 辆 损 耗 运 输 时 间 和 燃 料 消 耗 12

6 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 想 在 上 述 几 个 方 向 上 取 得 长 足 进 展, 必 须 在 系 统 设 计 的 基 础 性 研 究 方 面 花 大 力 气 虽 然 在 过 去 几 十 年 中, 在 理 论 方 法 和 工 具 上 都 取 得 了 一 定 的 进 步, 结 果 却 是 喜 忧 参 半 一 方 面, 大 规 模 集 成 电 路 和 电 子 通 信 技 术 的 发 展 带 来 了 多 核 处 理 器 和 传 感 网 络, 给 我 们 提 供 了 越 来 越 多 的 可 能 性 ; 另 一 方 面, 系 统 设 计 与 集 成 的 发 展 不 仅 没 有 与 时 俱 进, 差 距 反 而 越 来 越 大 实 际 上, 今 日 的 计 算 机 科 学 研 究 已 经 远 远 滞 后 于 日 益 增 [1, 2, 12, 13] 长 的 需 求 除 了 少 量 的 工 作 之 外, 在 广 大 计 算 机 科 学 研 究 人 员 的 研 究 日 程 和 计 划 上, 系 统 设 计 并 未 得 到 足 够 的 重 视 三 大 挑 战 追 求 严 谨 的 系 统 设 计 (rigorous system design) 也 同 时 给 我 们 提 出 了 三 大 挑 战 :(1) 物 理 世 界 与 计 算 世 界 联 姻 ;(2) 基 于 组 件 的 设 计 ;(3) 自 适 应 性 物 理 世 界 与 计 算 世 界 联 姻 我 们 需 要 一 整 套 理 论 和 模 型 来 涵 盖 连 续 和 离 散 的 动 态 性, 这 样 就 可 以 从 整 体 上 预 测 系 统 和 外 界 物 理 环 境 的 交 互 行 为 [1~2] 通 常, 在 应 用 软 件 的 开 发 和 实 现 过 程 中 往 往 受 到 以 下 两 点 限 制 : 硬 件 运 行 平 台 的 物 理 资 源 限 制 用 户 需 要 在 充 分 了 解 平 台 的 基 础 上 才 能 更 好 的 优 化 使 用 系 统 资 源 这 就 需 要 掌 握 好 上 层 软 件 和 底 层 硬 件 的 交 互, 特 别 是 掌 握 硬 件 电 路 的 实 时 动 态 性 对 软 件 设 计 带 来 的 影 响 系 统 的 物 理 环 境 限 制 这 通 常 和 用 户 的 使 用 习 惯 和 系 统 的 实 时 性 有 关, 例 如 任 务 的 截 止 时 间 和 实 时 的 外 界 扰 动 等 我 们 仍 然 缺 少 理 论 方 法 和 工 具 来 应 对 这 些 由 于 物 理 世 界 和 计 算 世 界 分 离 所 造 成 的 问 题, 因 此, 需 要 重 新 审 视 和 修 订 计 算 模 型, 把 电 子 工 程 和 控 制 论 模 型 整 合 进 来, 并 进 一 步 把 计 算 模 型 和 物 理 系 统 工 程 中 使 用 的 分 析 模 型 结 合 起 来 困 难 在 于, 物 理 分 析 模 型 中 使 用 大 量 的 微 分 方 程 和 线 性 近 似 来 描 述 电 子 机 械 系 统 的 行 为, 系 统 中 组 件 之 间 的 交 互 是 通 过 数 据 流 网 络 来 完 成 的, 不 断 地 将 并 发 的 输 入 数 据 流 转 换 成 输 出 数 据 流 ; 与 此 不 同 的 是, 计 算 模 型 往 往 是 过 程 化 和 顺 序 化 的, 组 件 之 间 的 交 互 通 过 控 制 流 完 成 ( 比 如 方 法 调 用 ) 我 们 并 没 有 切 实 可 行 的 理 论 来 整 合 这 两 种 模 型 虽 然 存 在 一 些 理 论, 如 混 合 动 力 系 统 论 [3], 已 经 在 语 义 层 ( 转 换 系 统 层 面 ) 建 立 了 两 种 模 型 的 关 联, 但 语 义 转 换 的 过 程 破 坏 了 两 种 模 型 原 有 的 结 构 因 此, 系 统 工 程 师 仍 旧 需 要 诸 如 能 将 Maltab/Simulink( com/products/simulink/) 和 过 程 化 的 编 程 语 言 结 合 的, 将 不 同 系 统 相 结 合 的 技 术 基 于 组 件 的 设 计 与 其 他 工 学 学 科 一 样, 计 算 机 科 学 也 需 要 理 论 方 法 和 工 具 来 降 低 成 本, 高 效 率 地 将 异 构 组 件 整 合 成 复 杂 的 系 统, 从 而 保 证 系 统 的 生 产 能 力 和 正 确 性 系 统 设 计 师 往 往 需 要 从 不 同 的 视 角 入 手, 处 理 结 构 迥 异 的 组 件, 进 而 反 映 系 统 的 各 个 方 面 目 前 通 常 使 用 一 些 语 义 无 关 的 形 式 方 法, 例 如 软 件 编 程 硬 件 描 述 和 模 拟 这 实 际 上 破 坏 了 设 计 流 程 的 连 续 性 和 统 一 性, 并 使 得 系 统 的 开 发 和 验 证 评 估 完 全 脱 节 我 认 为, 设 计 流 程 中 使 用 的 系 统 描 述 应 该 基 于 一 个 统 一 的 语 义 模 型 这 个 模 型 需 要 保 持 总 体 的 一 致 性, 保 证 每 一 步 的 描 述 都 与 前 一 步 的 关 键 性 质 相 吻 合 语 义 模 型 应 当 具 有 足 够 的 表 现 能 力 来 包 容 组 件 的 异 构 性 总 体 而 言, 目 前 有 三 种 异 构 性 的 分 类 [1] : 计 算 异 构 性 语 义 模 型 应 该 同 时 包 含 同 步 和 异 步 的 计 算, 特 别 是 能 够 对 软 硬 件 混 合 的 系 统 进 行 建 模 ; 交 互 异 构 性 语 义 模 型 应 该 能 够 自 然 而 且 直 接 地 描 述 多 种 执 行 调 度 机 制, 包 括 信 号 量 会 合 广 播 和 方 法 调 用 等 ; 抽 象 异 构 性 语 义 模 型 应 该 支 持 从 应 用 软 件 到 其 实 现 方 法 不 同 层 次 的 抽 象 13

7 专 题 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 现 有 的 整 合 理 论 框 架 都 是 基 于 单 一 的 运 算 : 如 自 动 机 的 乘 积 (product of automata) 函 数 调 用 等 这 些 框 架 可 能 由 于 表 达 能 力 不 够 丰 富 从 而 导 致 设 计 的 复 杂 化 例 如, 我 们 往 往 需 要 添 加 额 外 的 组 件 来 协 调 某 个 给 定 组 件 集 合 中 组 件 之 间 的 交 互 [4] 又 比 如, 通 过 一 些 强 同 步 方 法 整 合 组 件 时, 广 播 模 型 往 往 需 要 在 若 干 方 法 中 选 择 同 步 度 最 高 的 因 此, 需 要 一 些 提 供 组 合 操 作 的 框 架, 使 得 我 们 能 自 然 而 且 直 接 的 描 述 协 议 调 度 和 总 线 等 协 调 机 制, 并 且 这 些 框 架 应 该 包 括 一 个 统 一 的 组 合 范 式, 通 过 明 确 的 完 备 的 有 组 织 的 概 念 来 描 述 和 分 析 组 件 之 间 的 协 调 关 系 另 外, 这 些 框 架 还 应 该 具 有 可 行 的 方 法 来 确 保 构 造 的 正 确 性, 从 而 避 免 单 一 验 证 的 局 限 性 这 些 方 法 主 要 利 用 了 下 述 两 个 原 理 [5] : 复 合 性 原 理 (compositionality) 是 指 复 合 组 件 的 属 性 能 够 根 据 子 组 件 的 属 性 来 推 测 例 如, 如 果 各 个 子 组 件 都 是 防 死 锁 的, 那 么 ( 在 某 种 条 件 下 ) 它 们 组 成 的 整 个 组 件 也 应 该 是 防 死 锁 的 需 要 强 调 的 是, 复 合 性 原 理 应 该 考 虑 组 件 复 合 而 带 来 的 新 属 性 比 如, 若 子 组 件 的 操 作 都 是 符 合 原 子 性 的, 则 复 合 之 后 的 组 件 应 该 可 以 为 资 源 共 享 提 供 互 斥 访 问 的 机 制 一 种 特 殊 而 且 有 效 的 复 合 性 是, 在 组 件 之 间 能 够 达 成 一 致 的 行 为 等 价 性 [6] 在 这 种 情 况 下, 在 行 为 等 价 的 组 件 之 间 进 行 替 换, 仍 旧 能 够 得 到 一 个 等 价 的 系 统 模 型 但 如 今, 我 们 仍 然 缺 少 复 合 性 理 论 来 探 究 组 件 的 过 程 属 性 和 组 成 系 统 以 后 可 能 出 现 的 新 属 性 组 合 性 原 理 (composability) 是 指 当 各 个 组 件 复 合 时, 各 自 重 要 的 属 性 能 够 被 完 整 地 保 留 比 如 有 两 个 组 件, 它 们 由 同 样 的 组 件 集 复 合 而 成, 其 中 一 个 通 过 互 斥 访 问 机 制 来 共 享 某 个 资 源, 而 另 一 个 通 过 调 度 器 来 优 化 对 该 共 享 资 源 的 访 问 在 这 二 者 组 合 得 到 的 复 合 体 中, 互 斥 访 问 机 制 和 调 度 器 之 间 会 不 会 产 生 矛 盾 呢? 系 统 工 程 师 每 天 都 在 被 类 似 的 问 题 困 扰 虽 然 针 对 某 些 具 体 问 题, 他 们 可 以 利 用 现 有 的 解 决 方 案, 但 仍 然 需 要 能 够 灵 活 地 整 合 不 同 解 决 方 案 且 不 丢 失 重 要 特 性 的 一 些 方 法 电 信 系 统 的 特 征 交 互 网 页 服 务 的 相 互 干 扰 面 向 方 面 编 程 中 的 干 扰 都 是 系 统 组 合 性 缺 失 的 佐 证 自 适 应 性 与 不 确 定 的 环 境 交 互 时, 系 统 必 须 提 供 可 以 满 足 既 定 要 求 的 服 务 系 统 的 不 确 定 性 可 以 通 过 系 统 在 正 常 和 极 端 情 况 下 的 行 为 差 异 来 刻 画 不 可 确 知 的 物 理 环 境 加 剧 了 系 统 的 不 确 定 性 此 外, 分 层 模 型 缓 存 预 测 执 行 工 艺 缺 陷 和 老 化 带 来 的 平 台 差 异 性 均 会 导 致 运 行 时 间 的 差 异 这 种 不 确 定 性 直 接 影 响 了 分 析 技 术 的 可 预 测 性 对 于 某 一 个 属 性, 可 预 测 性 是 指 我 们 能 以 何 种 正 确 程 度 来 对 其 进 行 定 性 或 定 量 的 预 测 由 于 不 确 定 性 的 存 在, 系 统 模 型 一 般 用 来 表 示 实 际 系 统 行 为 的 可 靠 抽 象, 但 即 使 如 此, 还 是 可 能 包 含 附 加 的 难 以 实 施 的 执 行 序 列 再 者, 在 一 个 给 定 的 系 统 模 型 中, 由 于 不 是 所 有 的 重 要 属 性 都 是 可 计 算 的, 也 导 致 了 准 确 的 分 析 技 术 无 法 实 现 例 如, 一 条 指 令 的 执 行 时 间 依 赖 于 数 据 存 储 的 位 置 ( 高 速 缓 存 或 主 存 ) 以 及 数 据 的 大 小 [7], 因 而 同 一 条 指 令 的 最 好 情 况 执 行 时 间 (BCET) 和 最 坏 情 况 执 行 时 间 (WCET) 可 能 相 差 100 倍 遗 憾 的 是, 这 两 种 时 间 不 可 能 被 完 全 正 确 地 计 算 出 来, 时 间 分 析 工 具 又 只 能 提 供 各 自 的 上 界 和 下 界, 使 得 依 赖 于 分 析 工 具 的 近 似 计 算 的 表 现 可 能 会 很 糟 糕 不 确 定 性 和 可 预 测 性 的 缺 失 对 于 系 统 设 计 方 法 有 着 重 要 的 影 响 并 且 会 增 加 开 发 成 本 当 前, 主 要 存 在 两 种 不 同 的 设 计 范 式 关 键 工 程 范 式 是 基 于 对 所 有 潜 在 危 险 形 势 的 最 坏 情 况 分 析 设 计 者 们 通 过 静 态 分 析, 预 留 了 安 全 操 作 需 要 的 所 有 资 源 ( 内 存 时 间 ), 通 常 得 到 的 是 一 个 资 源 过 度 使 用 的 系 统 系 统 占 用 的 物 理 资 源 可 能 比 实 际 需 要 的 大 几 个 数 量 级, 经 常 导 致 很 高 的 生 产 成 本 和 能 量 损 耗 例 如, 实 时 系 统 中 的 任 务 反 应 时 间 必 须 有 一 个 确 定 的 上 界 和 一 个 通 过 近 似 计 算 最 坏 情 况 执 行 时 间 得 到 的 下 界 这 会 导 致 严 格 实 时 系 统 硬 件 平 台 的 资 源 被 浪 费 掉 关 键 工 程 范 式 的 另 一 个 原 则 是 使 用 大 量 冗 余 来 提 高 可 靠 性 但 冗 余 技 术 ( 例 如 TMR) 也 会 导 致 资 源 过 度 使 用 如 果 我 14

8 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 们 用 智 能 的 轻 型 监 测 和 错 误 恢 复 技 术 取 而 代 之, 则 会 带 来 很 多 好 处 最 佳 工 程 范 式 用 于 复 杂 的 非 关 键 系 统 中 它 基 于 的 是 平 均 情 况 分 析 和 动 态 的 资 源 管 理 设 计 者 使 用 服 务 质 量 管 理 技 术 来 优 化 速 度 内 存 带 宽 和 能 量 通 常 各 类 服 务 正 常 运 行 所 需 要 的 物 理 资 源 看 起 来 已 经 分 配 好, 服 务 质 量 也 是 可 以 保 证 的, 但 在 极 端 情 况 下 ( 比 如 服 务 请 求 被 阻 止 ), 系 统 服 务 质 量 就 可 能 下 降 甚 至 根 本 提 供 不 了 服 务 通 常, 通 过 强 调 每 个 系 统 分 类 的 关 键 属 性, 进 而 保 持 关 键 工 程 范 式 与 最 佳 工 程 范 式 的 分 离 是 我 们 克 服 系 统 的 不 可 预 测 性 的 一 种 手 段 但 是, 大 多 数 应 用 还 是 结 合 了 这 两 种 范 式 正 如 同 过 去 十 年 当 中 汽 车 制 造 业 所 经 历 的 那 些 磨 难 一 样, 两 种 范 式 的 结 合 带 来 了 许 多 难 以 解 决 的 问 题 有 两 种 预 期 的 途 径 可 以 解 决 当 前 技 术 的 局 限 性 : 途 径 之 一 是 通 过 确 定 性 来 提 高 可 预 测 性 其 核 心 思 想 是 简 化 硬 件 构 架 或 者 强 制 产 生 一 些 时 间 确 定 并 可 被 观 察 到 的 行 为 [8] ( 如 使 用 时 间 触 发 构 架 [9] ), 进 而 减 少 固 有 的 以 及 由 于 预 估 而 带 来 的 不 确 定 性 但 是, 这 将 带 来 严 重 的 性 能 下 降 并 要 求 在 应 用 程 序 编 写 方 面 有 重 大 改 变 [14], 因 此 我 并 不 认 为 这 是 一 个 切 实 可 行 的 方 法 途 径 之 二 是 通 过 自 适 应 协 调 关 键 和 最 佳 工 程 范 式 组 件 间 可 预 测 的 共 享 资 源, 来 满 足 系 统 的 关 键 性 质, 从 而 消 除 关 键 和 最 佳 工 程 范 式 之 间 的 鸿 沟 主 要 思 想 是 使 用 自 适 应 控 制 器 进 行 动 态 资 源 管 理, 为 关 键 性 质 分 配 更 高 的 优 先 级 使 其 得 到 保 障, 而 剩 下 的 资 源 可 以 被 最 佳 工 程 范 式 组 件 使 用, 这 就 避 免 了 不 必 要 的 资 源 保 留 并 且 不 需 要 非 常 精 准 的 工 具 来 分 析 最 坏 情 况 自 适 应 控 制 器 监 视 着 系 统 状 态 并 且 控 制 着 系 统 行 为 来 满 足 一 些 既 定 的 要 求 这 些 要 求 往 往 是 一 个 目 标 集 合, 如 对 截 止 时 间 等 的 严 格 约 束 和 对 资 源 最 优 利 用 的 约 束 等 它 将 学 习 函 数 目 标 管 理 函 数 和 计 划 函 数 以 层 次 化 和 结 构 化 的 形 式 整 合 在 一 起 根 据 系 统 状 态, 目 标 管 理 函 数 把 一 个 已 满 足 资 源 要 求 的 目 标 传 递 给 计 划 函 数, 后 者 计 算 出 一 个 可 执 行 的 计 划 并 以 此 来 驱 动 系 统 学 习 函 数 则 对 目 标 管 理 函 数 内 的 约 束 条 件 参 数 做 出 良 好 的 估 计, 如 执 行 时 间 的 最 坏 情 况 和 吞 吐 量 均 值 等 对 自 适 应 控 制 器 的 研 究 起 源 于 控 制 论 的 研 究 [10] 研 究 人 员 发 现 在 计 算 系 统 中 使 用 自 适 应 技 术 的 应 用 日 益 增 多, 如 多 媒 体 系 统 中 的 性 能 控 制 网 络 中 的 吞 吐 量 控 制 和 分 布 式 系 统 中 的 自 我 维 护 和 恢 复 等 这 使 得 针 对 自 适 应 控 制 器 的 研 究 浮 出 水 面 自 适 应 系 统 设 计 并 非 完 美 无 暇, 其 中 一 个 重 要 的 问 题 就 是 如 何 减 少 由 监 测 和 控 制 带 来 的 额 外 开 销 所 以, 为 了 有 效 的 管 理 资 源, 我 们 需 要 将 控 制 权 交 给 应 用 程 序 的 执 行 平 台 自 适 应 性 系 统 设 计 对 未 来 智 能 系 统 的 愿 景 完 全 不 同 于 以 往 的 人 工 智 能 后 者 认 为 人 类 智 慧 可 以 逐 渐 被 极 为 精 准 地 描 述, 从 而 最 终 被 机 器 来 运 行 而 自 适 应 性 系 统 设 计 是 使 用 基 于 控 制 的 方 法 来 处 理 不 确 定 性, 进 而 逐 步 实 现 系 统 的 正 确 性 计 算 机 科 学 展 望 作 为 科 学 本 身 计 算 机 科 学 具 有 自 身 独 特 的 概 念 和 范 式, 它 主 要 用 来 处 理 关 于 信 息 的 表 达 转 化 和 传 播 等 问 题 以 此 而 论, 它 是 研 究 从 计 算 模 型 到 软 件 和 计 算 装 置 设 计 等 与 计 算 息 息 相 关 的 各 个 方 面 的 一 门 科 学 信 息 作 为 一 种 区 别 于 物 质 和 能 量 的 客 观 存 在, 它 可 以 被 存 储 转 化 传 播 和 使 用 虽 然 信 息 是 无 形 的, 但 可 以 通 过 语 言 中 的 语 法 语 义 等 要 素 来 进 行 表 达 它 与 物 理 信 息 的 不 同 之 处 在 于, 后 者 存 在 于 物 理 系 统 中, 在 信 息 论 和 物 理 学 科 中 采 用 熵 进 行 描 述 诚 然, 与 任 何 科 学 一 样, 计 算 机 科 学 需 要 通 过 数 学 来 进 行 理 论 验 证, 但 我 们 不 应 该 把 它 理 解 为 数 学 的 一 个 分 支 重 要 的 是, 它 繁 衍 了 能 够 对 计 算 特 性 进 行 解 释 和 预 测 的 理 论, 同 时 能 通 过 实 验 的 方 法 来 验 证 计 算 机 科 学 对 比 物 理 学 虽 然 嵌 入 式 系 统 使 得 计 算 机 科 学 与 物 理 学 结 合 15

9 专 题 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 更 为 紧 密, 但 是 要 想 将 计 算 机 科 学 与 物 理 学 进 行 联 姻, 我 们 还 必 须 对 两 者 的 差 异 和 联 系 有 更 深 入 的 了 解 既 然 两 种 学 科 在 方 法 论 和 范 式 上 有 许 多 重 要 的 区 别, 那 么 我 们 能 否 像 定 义 时 间 实 体 存 储 器 或 能 量 一 样 来 定 义 计 算 模 型? 物 理 学 基 于 连 续 数 学, 而 计 算 机 科 学 却 植 根 于 离 散 数 学 物 理 学 的 研 究 对 象 是 给 定 的 现 实, 目 的 是 发 现 支 配 物 理 现 象 的 客 观 规 律, 计 算 机 科 学 的 研 究 对 象 是 计 算 系 统 只 不 过 是 人 类 的 发 明 而 已, 它 的 运 行 规 律 已 经 事 先 被 人 为 定 义 物 理 系 统 可 以 通 过 不 同 物 理 量 之 间 的 微 分 方 程 来 描 述, 在 很 大 程 度 上, 物 理 现 象 的 本 质 都 是 线 性 的, 或 者 更 进 一 步 说, 是 确 定 的 和 可 预 测 的 在 对 物 理 系 统 的 研 究 中, 综 合 法 (synthesis) 是 构 建 物 理 系 统 工 程 的 主 导 范 式 一 些 物 理 系 统 工 程, 如 桥 梁 或 者 集 成 电 路 的 搭 建, 均 能 够 通 过 行 为 描 述 微 分 方 程 的 求 解 来 解 决 然 而, 即 使 是 最 简 单 的 计 算 系 统 如 RS 翻 转, 也 很 难 用 任 何 基 于 有 限 集 上 的 微 分 方 程 来 描 述 因 而, 计 算 系 统 通 常 通 过 程 序 和 计 算 装 置 等 可 执 行 的 形 式 来 描 述 计 算 系 统 的 行 为 从 本 质 上 来 说 常 常 是 不 确 定 和 不 可 预 测 的, 难 以 用 综 合 法 解 决, 这 就 使 得 计 算 系 统 工 程 在 很 大 程 度 上 不 得 不 依 赖 于 校 验 和 测 试 总 体 说 来, 计 算 机 科 学 通 过 理 论 和 模 型 使 得 我 们 对 于 离 散 动 态 系 统 有 了 更 深 层 次 的 理 解 面 对 客 观 世 界, 它 提 出 了 一 种 构 建 性 和 操 作 性 的 视 角, 弥 补 了 物 理 学 中 传 统 的 陈 述 性 方 法 人 工 智 能 对 比 自 然 智 能 生 物 组 织 能 够 紧 密 融 合 影 响 它 们 发 展 和 演 化 并 相 互 作 用 的 物 理 和 计 算 现 象 一 方 面, 生 物 组 织 与 计 算 系 统 具 有 一 些 共 同 的 特 性, 比 如 说 对 记 忆 和 语 言 的 使 用, 具 有 软 硬 件 的 划 分 等 ; 另 一 方 面, 它 们 之 间 也 有 一 些 本 质 区 别 生 物 组 织 中 的 计 算 是 鲁 棒 的, 其 内 在 的 机 制 具 有 很 强 的 环 境 适 应 性 更 重 要 的 是, 它 具 有 抽 象 能 力 以 及 对 常 识 认 知 的 能 力 这 些 区 别 使 生 物 组 织 和 计 算 系 统 之 间 形 成 了 一 条 不 可 逾 越 的 鸿 沟 简 单 的 说, 鲁 棒 性 意 味 着 对 系 统 微 小 变 化 的 响 应 也 是 微 乎 其 微 的 然 而, 离 散 性 特 征 意 味 着 现 有 的 计 算 模 型 实 际 上 很 难 具 有 这 种 鲁 棒 性 尽 管 有 这 些 不 同, 在 计 算 机 科 学 和 生 物 学 中 仍 然 存 在 很 多 交 叉 甚 至 杂 交 的 机 会 比 如 说, 神 经 科 学 和 认 知 科 学 的 结 果 能 够 激 发 新 的 非 冯 诺 依 曼 体 系, 反 过 来, 合 成 生 物 学 也 能 从 计 算 机 科 学 中 的 计 算 机 辅 助 设 计 (CAD) 和 系 统 工 程 技 术 中 找 到 灵 感 计 算 机 科 学 的 研 究 不 幸 的 是, 当 前 计 算 科 学 领 域 的 研 究 范 围 和 焦 点 并 不 能 解 决 系 统 设 计 和 工 程 中 产 生 的 基 本 问 题 以 下 三 种 典 型 的 问 题 左 右 着 研 究 团 体 的 决 策 因 循 守 旧 (The business as usual syndrom) 依 循 惯 例 而 不 冒 险 去 探 索 新 的 思 路 是 在 所 有 科 研 团 体 的 研 究 者 中 普 遍 存 在 的 态 度 可 惜 的 是, 这 种 态 度 同 样 也 盛 行 于 计 算 机 科 学 的 研 究 中 夸 大 其 词 (The hype syndrom) 与 其 他 学 科 相 比, 计 算 机 科 学 领 域 内 的 专 家 们 似 乎 过 分 乐 观 地 估 计 了 解 决 困 难 问 题 和 克 服 障 碍 的 可 能 性 这 种 情 况 或 许 可 以 被 解 释 为 因 投 资 方 对 创 新 的 强 烈 需 求 和 激 励 以 及 因 应 用 和 市 场 的 广 泛 需 求 带 来 的 强 大 推 动 力 所 导 致 的 结 果 通 常 一 些 科 学 研 究 的 路 线 图 和 陈 述 见 解 的 论 文 会 为 我 们 提 出 所 谓 的 挑 战 和 对 现 实 的 希 望 然 而, 这 些 挑 战 往 往 只 是 描 述 了 一 种 愿 景, 真 正 的 科 学 挑 战 是 需 要 被 明 确 指 出 的, 是 阻 碍 着 知 识 的 发 展 及 其 在 一 定 领 域 的 有 效 使 用 的 重 要 障 碍 [11] 区 别 于 增 量 式 的 科 学 进 步, 在 科 学 挑 战 实 现 之 前 和 之 后 一 定 存 在 一 个 明 确 的 突 变 此 外, 科 学 挑 战 还 暗 含 一 些 正 面 的 内 涵, 比 如 它 必 须 遵 守 既 定 的 道 德 和 公 共 利 益 准 则 最 后, 不 同 于 那 些 描 绘 了 一 个 长 期 而 宽 泛 目 标 的 愿 景, 科 学 挑 战 至 少 需 要 满 足 以 下 准 则 中 的 一 条 : 16

10 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 明 确 定 义 (well-defined) 科 学 挑 战 要 么 是 明 确 定 义 的 一 个 单 独 的 问 题 ( 例 如 : 费 马 大 定 理 (Fermat s Last Theorem)), 或 者 是 明 确 定 义 的, 需 要 一 个 框 架 作 为 解 决 手 段 的 一 组 强 关 联 的 问 题 ( 例 如 : 相 对 论 ) 合 乎 情 理 (plausibile) 科 学 挑 战 需 要 兼 顾 现 存 的 知 识 体 系, 包 括 广 为 接 受 的 理 论 限 制, 如 复 杂 性, 可 计 算 性, 并 且 不 能 否 认 和 忽 略 实 验 证 据 有 意 义 (relevant) 完 成 科 学 挑 战 所 需 的 资 源 应 该 与 其 目 标 的 重 要 性 和 实 现 的 风 险 相 对 称 尽 管 如 此, 科 学 挑 战 能 够 ( 并 且 应 该 ) 在 不 考 虑 完 成 所 需 资 源 的 情 况 下 进 行 系 统 的 阐 述 和 规 划 人 工 智 能 第 五 代 计 算 机 程 序 综 合 和 并 行 处 理 等 问 题 都 曾 经 被 夸 大 为 重 大 的 科 学 突 破 但 是, 这 些 问 题 中 的 每 一 个 都 不 能 至 少 满 足 上 述 准 则 中 的 任 何 一 条 它 们 基 本 上 没 有 明 确 的 定 义 受 到 理 论 上 的 限 制 而 显 得 不 合 乎 情 理 理 论 与 实 际 的 失 衡 (The nice theory syndrom) 在 任 何 领 域, 理 论 的 目 的 是 构 建 出 能 准 确 描 述 真 实 系 统 的 模 型, 进 而 能 够 用 于 解 释 现 象 和 预 测 系 统 的 行 为 它 们 应 能 帮 助 系 统 创 建 者 更 好 地 完 成 工 作 一 种 常 见 的 态 度 是 研 究 数 学 上 较 为 简 洁 的 理 论 框 架, 而 不 管 它 们 与 实 际 有 多 少 相 关 性 诺 贝 尔 经 济 学 奖 得 主 保 罗 克 鲁 格 曼 说 : 在 学 术 界, 有 一 类 理 论 能 让 聪 明 但 缺 乏 创 造 性 的 年 轻 人 尽 可 能 地 展 现 他 的 聪 明, 而 这 类 理 论 往 往 更 能 吸 引 到 忠 诚 的 跟 随 者 在 计 算 机 科 学 领 域, 简 单 的 数 学 框 架 常 常 吸 引 了 最 才 华 横 溢 的 研 究 者, 产 生 出 枯 燥 的 和 真 正 的 计 算 毫 无 关 联 的 低 水 平 理 论 这 样 的 方 式 导 致 了 理 论 和 实 践 的 分 离, 进 而 伤 害 到 整 个 学 科 爱 因 斯 坦 曾 经 说 过 : 让 一 切 尽 可 能 简 单, 但 不 是 为 了 简 单 而 简 单 但 是 在 计 算 机 科 学 研 究 中, 有 人 持 相 反 的 态 度, 认 为 存 在 一 些 以 特 定 方 式 构 建 的 框 架 可 以 描 述 真 实 的 系 统, 如 UML 和 AADL 其 实, 它 们 包 含 了 大 量 和 语 义 无 关 的 结 构 和 元 素, 因 此 在 实 际 使 用 中 无 法 得 到 严 格 的 形 式 化 描 述, 进 而 也 不 能 在 这 些 框 架 上 建 立 有 用 的 理 论 我 们 需 要 的 理 论 框 架 应 该 是 有 足 够 的 表 达 能 力 来 直 接 包 含 描 述 系 统 的 高 等 概 念 和 元 素 的 极 小 集, 同 时 也 能 经 得 起 形 式 化 和 分 析 的 检 验 正 如 圣 埃 克 苏 佩 里 曾 说 : 最 终 达 到 完 美, 不 在 于 无 可 增 添, 而 在 于 无 可 删 减 那 么, 有 可 能 为 计 算 系 统 找 到 一 个 数 学 上 优 雅 并 且 实 用 的 理 论 框 架 吗? 我 们 知 道, 由 于 存 在 本 质 差 异, 无 法 期 待 拥 有 像 物 理 系 统 那 样 美 好 和 强 大 的 理 论 体 系 此 外, 还 有 一 个 更 为 深 刻 的 原 因 : 计 算 系 统 由 人 工 构 造, 而 物 理 系 统 却 经 历 了 漫 长 的 演 化 当 你 扔 出 一 块 石 头 时, 它 可 以 通 过 一 条 抛 物 线 来 描 述 但 是 却 不 存 在 这 样 清 晰 的 定 律 来 控 制 程 序 的 执 行 爱 因 斯 坦 曾 说 : 这 个 世 界 上 最 难 理 解 的 事 情 是 所 有 的 事 情 都 是 能 理 解 的 计 算 机 科 学 需 要 处 理 人 工 系 统 的 构 造 问 题 其 中 的 关 键 是 可 构 造 性, 即 能 有 效 地 构 造 正 确 系 统 的 能 力 [1] 根 据 需 求 合 成 复 杂 系 统 是 一 个 难 以 驾 驭 的 过 程, 这 就 要 求 我 们 去 研 究 从 组 件 构 造 正 确 系 统 的 原 理 这 样 做 的 目 的 是 尽 可 能 避 免 对 复 杂 系 统 进 行 庞 大 的 后 期 验 证 工 作 目 前 在 计 算 机 科 学 领 域 已 经 存 在 大 量 有 关 可 构 造 性 的 算 法 架 构 和 协 议 它 们 的 应 用 ( 几 乎 ) 能 无 代 价 地 确 保 简 单 系 统 的 正 确 性 而 针 对 一 个 复 合 系 统, 怎 样 才 能 从 其 组 件 的 特 性 有 效 地 推 断 出 全 局 特 性? 这 仍 然 是 一 个 古 老 却 亟 待 解 决 的 开 放 性 问 题, 目 前 还 没 有 令 人 满 意 的 答 案 这 将 成 为 系 统 集 成 的 一 个 限 制 性 因 素, 同 时 或 许 也 意 味 着 计 算 机 科 学 已 经 明 确 降 低 到 二 流 学 科 的 地 位 计 算 机 科 学 教 学 计 算 机 科 学 课 程 设 置 很 少 意 识 到 系 统 的 重 要 性, 并 且 忽 略 了 对 学 科 的 宏 观 描 绘 对 计 算 机 科 学 的 教 学, 我 有 以 下 一 些 建 议 : 教 学 生 怎 样 从 系 统 的 层 面 上 思 考 ( 设 计 过 程 工 具 用 户 和 物 理 环 境 的 交 互 ) 通 过 引 入 控 制 理 论 和 电 子 工 程 领 域 的 原 理 范 例 和 技 术 使 计 算 机 科 17

11 专 题 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 学 课 程 得 到 扩 展 和 丰 富 讲 透 原 理 ( 基 本 原 则 架 构 协 议 编 译 以 及 仿 真 等 等 ), 少 讲 具 体 实 现 通 常 课 程 都 为 学 生 讲 述 专 业 所 需 知 识 的 细 节, 而 这 些 知 识 是 可 以 从 今 后 的 职 业 生 涯 中 获 得 的 一 方 面, 学 生 应 该 有 能 力 去 应 对 这 些 由 科 技 和 应 用 而 带 来 的 不 断 变 化 ; 另 一 方 面, 他 们 也 应 该 能 认 识 到 现 存 计 算 理 论 的 局 限, 即, 理 论 通 常 都 会 做 出 一 些 将 现 实 过 分 简 单 化 的 假 设 重 视 信 息 和 计 算, 并 将 它 们 作 为 不 仅 仅 可 以 适 用 于 计 算 机 的 普 遍 性 的 概 念 ; 激 发 学 生 的 辩 证 思 考 能 力, 帮 助 他 们 理 解 和 掌 控 数 字 世 界 作 者 : 约 瑟 夫 斯 法 科 思 (Joseph Sifakis) 2007 年 ACM 图 灵 奖 获 得 者, 法 国 Verimag 实 验 室 创 始 人 和 研 究 总 监 译 者 :GreenOrbs 绿 野 千 传 项 目 组 GreenOrbs 绿 野 千 传 科 研 团 队, 率 先 发 起 面 向 长 期 大 规 模 无 线 传 感 网 系 统 开 展 研 究 实 验 部 署 和 应 用 项 目 组 的 工 作 始 于 2008 年, 在 林 业 碳 汇 城 市 碳 排 放 和 空 气 质 量 监 测 等 领 域 展 开 跨 学 科 研 究 实 践, 迄 今 为 止, 在 浙 江 临 安 天 目 山 自 然 保 护 区 和 江 苏 无 锡 高 新 技 术 开 发 区 部 署 了 数 千 个 节 点 的 多 跳 自 组 织 无 线 传 感 网 系 统 项 目 组 成 员 主 要 由 来 自 清 华 大 学 香 港 科 技 大 学 西 安 交 通 大 学 浙 江 农 林 大 学 北 京 邮 电 大 学 杭 州 电 子 科 技 大 学 哈 尔 滨 工 业 大 学 以 及 美 国 伊 利 诺 伊 理 工 学 院 等 参 考 文 献 [1] Henzinger T.A., Sifakis J., The Discipline of Embedded Systems Design, COMPUTER, 2007, 40, 36~44 [2] Lee E.A., Cyber Physical Systems: Design Challenges, 11th IEEE International Symposium on Object-Oriented Real-Time Distributed Computing (ISORC 2008) (5-7 May 2008, Orlando, Florida, USA) IEEE Computer Society, 2008, 363~369 [3] Alur R., Courcoubetis C., Halbwachs N., Henzinger T.A., Ho P.-H., Nicollin X., Olivero A., Sifakis J., Yovine S., The Algorithmic Analysis of Hybrid Systems, THEOR COMPUT SCI, 1995, 138, 3~34 [4] Sifakis J., A Framework for Component-based Construction, Aichernig B.K., Beckert B. (Eds.), 3rd IEEE International Conference on Software Engineering and Formal Methods (SEFM05) (7-9 September 2005, Koblenz, Germany) IEEE Computer Society, 2005, 293~300 [5] Bliudze S., Sifakis J., A Notion of Glue Expressiveness for Component-Based Systems, LECT NOTES COMP SCI, 2008, 5201, 508~522 [6] Milner R., A Calculus of Communication Systems, Springer-Verlag, Secaucus, NJ, USA, 1982 [7] Wilhelm R., Engblom J., Ermedahl A., Holsti N., Thesing S., Whalley D., Bernat G., Ferdinand C., Heckmann R., Mitra T., Mueller F., Puaut I., Puschner P., Staschulat J., Stenström P., The Worst-case Execution Time Problem Overview of Methods and Survey of Tools, ACM T EMBED COMPUT S, 2008, 7, 1,45 [8] Henzinger T.A., Kirsch C.M., The Embedded Machine: Predictable, Portable Real-Time Code, ACM T PROGR LANG SYS, 2007, 29 [9] Kopetz H., The Rationale for Time-Triggered Ethernet, Proceedings of the 29th IEEE Real-Time Systems Symposium (30 November - 3 December 2008, Barcelona, Spain) IEEE Computer Society, 2008, 3~11 [10]Astrom K.J., Wittenmark B., Adaptive Control, 2nd edition, Addison-Wesley Longman Publishing Co., Boston, MA, USA, 1994 [11]Gray J., What Next? A Dozen Information-Technology Research Goals, J ACM, 2003, 50, 41~57 [12]Sangiovanni-Vincentelli A., Quo Vadis, SLD? Reasoning About the Trends and Challenges of System Level Design, P IEEE, 2007, 95, [13]Caspi P. et al., Guidelines for a graduate curriculum on embedded software and systems, ACM T EMBED COMPUT S, 2005, 4, 587~611 [14]Lee E., Absolutely positively on time: what would it take?, COMPUTER, 2005, 38, 85~87 18

12 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 网 络 嵌 入 式 系 统 可 靠 架 构 搭 建 关 键 词 : 网 络 嵌 入 式 系 统 可 靠 架 构 作 者 : 詹 布 泰 尔 (Jan Beutel) 洛 萨 蒂 勒 (Lothar Thiele) 译 者 : 毛 续 飞 基 础 近 年 来, 由 于 受 到 网 络 化 持 续 增 长 的 显 著 影 响, 各 种 规 模 和 类 型 的 计 算 机 系 统 设 计 和 搭 建 已 经 不 再 局 限 于 一 个 处 理 器 加 上 内 存 的 独 立 配 置, 而 是 通 过 大 量 的 此 类 设 备 的 组 合 和 集 成 来 实 现 这 些 设 备 一 般 都 采 用 分 布 式 分 层 的 组 织 方 式 并 且 能 够 互 联 互 通, 通 常 支 持 全 球 范 围 的 连 通 性, 即 接 入 互 联 网 虽 然 使 用 高 性 能 服 务 器 和 工 作 站 的 商 业 计 算 机 系 统 在 一 定 程 度 上 充 分 发 挥 了 先 进 的 并 行 计 算 技 术 在 性 能 更 好 的 硬 件 ( 摩 尔 定 律 ) 上 应 用 的 优 势, 而 嵌 入 式 系 统 仍 然 面 临 着 特 殊 的 挑 战, 并 且 这 些 挑 战 在 网 络 环 境 下 变 得 更 为 严 峻 : 首 先, 大 规 模 的 分 布 式 操 作 往 往 基 于 不 可 靠 网 络 ( 无 线 ) 的 链 路 连 接, 伴 随 的 不 稳 定 性 往 往 对 系 统 的 可 预 测 性 和 可 靠 性 有 很 大 影 响 ; 其 次, 资 源 的 匮 乏 应 用 的 复 杂 性 和 多 种 多 样 的 定 制 需 求 也 产 生 了 不 合 适 及 不 充 分 的 系 统 架 构 而 且 这 一 事 实 往 往 在 设 计 阶 段 无 法 避 免, 直 到 实 际 应 用 中 才 逐 渐 显 现 目 前 大 量 由 电 池 供 电 的 便 携 式 设 备 引 发 了 一 种 将 能 量 作 为 系 统 层 面 上 主 要 优 化 目 标 的 趋 势, 已 经 成 为 新 的 研 究 焦 点, 为 新 的 模 式 和 设 计 方 法 带 来 了 巨 大 的 机 会 在 应 对 网 络 化 嵌 入 式 系 统 设 计 的 特 殊 挑 战 下, 特 别 是 在 考 虑 可 靠 性 的 背 景 下, 我 们 认 为 同 时 强 化 基 础 性 研 究 和 实 践 与 应 用 性 研 究 是 不 稳 妥 的 主 要 是 因 为 后 者 聚 焦 于 实 践 方 面 的 研 究, 必 然 使 得 跨 学 科 领 域 的 专 家 学 者 利 用 更 长 的 时 间 在 小 范 围 内 ( 最 小 临 界 数 量 上 ) 进 行 协 作 再 看 无 线 传 感 网 络 领 域, 目 前 的 应 用 正 处 于 一 个 日 臻 完 善 的 阶 段 这 些 应 用 包 括 工 业 过 程 监 测 控 制 环 境 监 控 后 勤 保 障 医 疗 应 用 和 交 通 流 量 监 控 等 对 其 中 很 多 应 用 来 说, 测 量 数 据 非 常 珍 贵 不 能 丢 失, 而 且 必 须 实 时 送 达 由 于 传 感 器 价 格 昂 贵, 传 感 器 网 络 部 署 和 维 护 更 新 都 需 要 耗 费 大 量 人 力 成 本, 因 此, 为 了 进 一 步 推 进 无 线 传 感 器 网 络 的 发 展, 必 须 创 建 具 备 已 知 和 可 预 测 属 性 的 高 质 量 系 统 工 具 接 下 来 我 们 将 给 出 关 于 新 模 型 和 方 法 的 概 述 这 些 模 型 和 方 法 能 够 协 助 实 现 可 预 测 的 高 效 的 网 络 化 嵌 入 式 系 统 例 如 形 式 测 试 和 测 试 基 础 架 构 太 阳 能 优 化 使 用 数 据 去 噪 方 法 网 络 拓 扑 发 现 和 传 感 器 校 准 等 此 外, 我 们 将 提 出 一 种 新 的 设 计 方 案 把 感 知 数 据 从 采 集 本 地 存 储 传 输 到 基 站 传 输 到 主 机 数 据 库 存 储, 到 最 终 的 数 据 包 过 滤 和 校 准 等 一 系 列 工 作 设 计 成 稳 定 的 端 到 端 系 统 我 们 将 通 过 一 些 大 规 模 长 期 部 署 工 作 在 恶 劣 环 境 下 的 无 线 传 感 器 网 应 用 ( 例 如 城 市 空 气 质 量 监 测 和 永 久 冻 结 地 带 的 环 境 感 知 应 用 等 ) 论 证 我 们 的 设 计 方 案 能 量 设 计 高 度 自 治 和 可 靠 的 网 络 系 统 要 考 虑 很 多 因 素, 其 中 一 个 主 要 的 因 素 是 如 何 持 续 有 效 地 供 能 以 及 在 保 障 性 能 条 件 下 的 低 能 耗 工 作 尽 管 对 于 软 件 开 发 来 说, 测 试 是 保 证 系 统 正 确 运 行 的 主 要 手 段, 但 是 基 于 能 耗 跟 踪 可 视 化 或 者 基 于 测 量 的 方 法 已 经 不 适 用 于 分 析 不 同 硬 件 平 台 和 不 同 测 试 环 境 中 具 有 19

13 专 题 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 Observation layer Sensor node GPIO/ IRQ Dedicated Pins Dedicated Pins Supply IRQ Tracing/ GPIO Programming UART w/flow Control Regulated Voltage Observer System layer ADC Measurements: -Voltage -Current Voltage Control: -Voltage regulation -Battery 图 1 FlockLab 系 统 和 软 件 架 构 众 多 属 性 的 软 件 产 品 所 以, 有 必 要 利 用 能 量 监 测 来 无 干 扰 地 探 测 运 行 系 统 的 软 硬 件 错 误 例 如 形 式 化 一 致 性 测 试, 即 检 测 在 实 际 硬 件 上 运 行 的 一 个 无 线 传 感 网 应 用 的 能 耗 轨 迹 和 该 系 统 期 望 状 态 之 间 的 一 致 性 [1] [5] 例 如 FlockLab 实 验 平 台 架 构 也 可 以 用 于 观 察 研 究 [3] 高 度 自 治 需 要 连 续 不 断 地 供 能 除 了 在 满 足 性 能 要 求 的 情 况 下 研 究 最 小 化 能 耗 的 方 法, 我 们 还 需 要 考 虑 如 何 利 用 有 限 时 变 的 能 源 优 化 应 用 程 序 的 性 能 例 如, 根 据 预 测 未 来 可 用 的 能 量, 程 序 可 以 调 整 其 参 数 和 工 作 模 式, 从 而 最 大 化 地 利 用 资 源 [2] 如 果 有 些 程 序 需 要 实 时 响 应, 那 么 这 个 节 点 上 的 任 务 调 度 则 需 要 考 虑 能 源 属 性 能 源 容 量 以 及 这 一 任 务 的 期 限 在 这 种 情 况 下, 调 度 程 序 需 要 综 合 考 虑 能 耗 和 时 间 的 限 制 [3] 但 在 嵌 入 式 网 络 系 统 中, 这 种 以 单 个 节 点 为 中 心 的 分 析 手 段 已 经 无 法 满 足 需 求 了 相 反, 通 信 和 网 内 处 理 是 达 到 能 耗 高 效 利 用 需 要 考 虑 的 因 素 : 即 基 于 计 算 的 能 耗 比 通 信 的 能 耗 少 几 个 数 量 级 的 假 设 下, 如 何 尽 量 减 少 需 要 传 输 的 信 息 量 同 时, 网 络 范 围 内 的 分 析 也 需 要 考 虑 端 到 端 的 时 间 限 制 [4] 无 线 传 感 器 网 络 系 统 设 计 通 过 系 统 建 模 和 精 准 分 析 来 预 测 未 来 的 系 统 行 为 通 常 是 前 期 设 计 的 选 择, 通 过 测 量 来 刻 画 实 际 运 行 的 系 统 则 是 不 可 或 缺 的 在 这 一 方 面,FlockLab [5] 实 验 平 台 架 构 扩 展 了 传 统 的 无 线 传 感 网 (M o- telab,twist) 的 反 向 通 道 模 型 它 基 于 一 套 功 能 强 大 的 观 察 者 和 目 标 的 平 台, 具 有 全 同 步 的 分 布 式 观 察 能 力, 不 受 单 个 数 据 收 集 节 点 带 宽 限 制 在 测 试 中, 类 似 于 无 线 传 感 器 节 点 这 样 的 设 备 可 以 被 观 察 者 平 台 局 部 增 强, 并 可 以 被 远 程 重 新 编 程, 详 细 地 记 录 日 志 激 励 能 量 控 制 和 能 耗 分 析 ( 图 1) FlockLab 平 台 中 的 观 察 者 可 以 适 应 四 种 不 同 的 硬 件 平 台, 以 此 满 足 不 同 用 户 的 要 求 苏 黎 世 联 邦 理 工 学 院 目 前 使 用 的 实 验 平 台 配 备 30 个 节 点, 分 布 在 校 园 建 筑 内 外, 与 人 工 气 候 箱 相 连 在 这 种 实 验 条 件 设 置 下, 可 以 将 环 境 对 无 线 通 信 的 影 响 与 强 大 的 逻 辑 数 据 获 取 能 力 结 合 起 来 要 实 现 远 程 观 测 真 实 情 景 下 的 环 境 和 系 统, 首 先 需 要 安 装 部 署 功 能 丰 富 的 节 点 有 了 这 样 能 充 分 满 足 需 要 的 测 试 性 部 署, 我 们 就 能 进 行 在 线 观 察 实 验 和 学 习 [6] 这 不 仅 让 我 们 有 机 会 从 实 际 部 署 中 获 取 经 验, 并 清 晰 彻 底 地 定 义 在 应 用 需 求 规 格 限 定 下 设 计 的 可 能 性, 也 使 得 我 们 能 够 在 构 建 第 一 个 具 体 的 应 用 原 型 之 前 就 有 可 能 对 系 统 的 性 能 进 行 概 要 分 析 因 此, 这 在 很 大 程 度 上 省 略 了 在 传 统 方 法 中 必 须 不 断 进 行 的 精 制 硬 件 的 过 程 为 了 推 进 这 种 研 究 方 法, 我 们 对 核 心 站 点 进 行 充 分 的 实 验 和 测 试, 使 其 具 有 很 高 的 灵 活 性 并 充 分 满 足 需 求 ( 图 1) 通 过 这 个 平 台 和 可 由 用 户 配 置 的 软 件 框 架, 我 们 可 以 不 断 地 对 低 功 率 节 点 专 用 的 高 速 率 传 感 器 ( 如 GPS 摄 像 头 等 ) 和 满 足 应 用 需 要 的 工 作 站 进 行 新 的 探 索 使 用 TDMA(time division multiple access, 时 分 多 址 ) 调 度 和 同 步 的 方 法 可 以 很 好 地 达 到 可 预 测 的 高 效 通 信 从 这 个 意 义 上, 我 们 正 在 开 展 同 步 的 20

14 第 8 卷 第3 期 2012 年 3 月 Design Feature-rich Platform Design Design Test/Revise Behavioral Data Test/Revise Refined Platform Specification Test/Revise Testbed 图2 传统的瀑布模型 左侧 采用不断细化的方式 利用功能丰富的核心站点从开发优化的X-Sense 无线GPS传感器的现场实验来得出详细的行为需求 系统架构和协议的研究 PermaDAQ[7]传感器节点架 项目合作 以加深彼此的了解 除了促进交叉学科 构使用非常粗粒度的局部同步过程实现关注点拆分 的研究 我们还获得了环境科学研究领域相关的许 [8] 来处理这个问题 相反 格罗斯 Glossy 则采 多研究成果 而如果没有使用最先进的无线传感器 用更彻底的方法对系统架构的所有层进行全局的同 环境科学技术 这一切是不可能实现的 步 底层网络同步机制相当的高效和快速 并且能 PermaSense财团关注多种工程及科学长期研究 智能地利用编码机制和相长干涉这些底层无线电的 项目 主要从事极端环境下 特别是在气候变化和 特殊属性为自己服务 自然灾害条件下 开创性的基础研究[10~11] 其中许 让人不易察觉的是 过去无线网络嵌入式系统 多研究都是在长年冻土的环境下进行的 在过去的 产生的原始数据并不是像设计和期望的一样正确 四年中 我们一直在设计并且在马特/采尔马特和瑞 这意味着采集的数据不仅存在由中断导致的空白 士少女峰/格林德瓦等极端环境中部署无线传感器网 [9] 还存在严重的序列顺序问题和数据重复 只有对 络 一边监测岩石冰川的群体运动 一边观察无线 原始数据进行全面的去噪 转化和映射操作之后 传感器网络在高山冻土中运行的稳定性[12~13] 该系 领域专家才能对这些数据进行分析 举例来讲 其 统需要适应恶劣的天气环境 能够提供可靠的服务 中一种数据去噪方法就是利用时间间隔来提供安全 并确保数据的质量和数量 界限 最终生成没有重复的 按照数据获取时间正 除了增强系统部署能力以提高整体性能架构 确排序的数据流 此外 不符合系统规格的数据也 这项研究活动还将极大地提升环境科学研究的水 会被除去 图3 平 如果没有超低能耗无线传感器网络在海拔3500 米高山冰川的长期部署 这些研究工作在从前都是 跨学科合作应用 无法想象的 我们最近的一个研究项目OpenSense 为了进一步获得专业知识 了解实际应用背 是为车队中的车辆安装诸 景 我们一直与环境科学研究领域的合作伙伴进行 如监控空气质量传感器 利用车辆的移动性以获 System Model 得更好的监控覆盖范围 通过充分利 Meta-data 用车队的运动 只需利用很少的传感 Raw Data Data Cleaning Data Conversion Data Publication Domain user processing 器就可以在空间和时间上对城市进行 很好地覆盖 [14] 这里的挑战在于移动 数据处理和如何更好地理解这些数据 Non-conforming data, i.e.,packet duplicates 的组成 校准行为不仅仅只是定期进 行 还可以通过两个或两个以上的移 图3 收集到的元数据首先需要结合数据生成和传递系统的形式 动传感器交叉数据检查的方式完成 化模型进行去噪 21

15 专题 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 Host Station fusion, processing, storage 泽 Clemens M o s e r 托尼 奥 赛尔 T o n i o InSAR Satellite Imaging G s e l l 罗马 林 姆 Roman Lim Wireless Sensors Base Station GPS Reference High Resolution Imaging 尔泽 C h r i s t o p h Crack Dilatation Temperature 和克里斯托夫 瓦 Solar Power W a l s e r 等 我 们的工作还得到 了Nano-Tera 项目 的X-感知项目 Non-moving position OpenSense项目以 及瑞士自然科学基 GPS Sensor 金资助项目MICS- Moving slope(rock glacier, debris) P e r m a S e n s e的支 图4 岩石地形走势的详细分析及使用的多种类型的传感器 从不同的时间和空间尺度 看信息融合 作者 詹 布泰尔 Jan Beutel 再比如 当车辆通过参考空气质量监测站的时候也 可以完成数据校准 [10] 苏黎世u-blox AG 研究兴趣包括设 计 测试和验证无线嵌入式网络系统 及其应用 小结 综上所述 我们依次描述了系统的设计原则 作者 洛萨 蒂勒 Lothar Thiele 适用于嵌入式网络系统开发 需要尽可能高质高量 瑞士联邦理工大学计算机工程系全职 教授 研究兴趣包括嵌入式系统设计 的模型 方法及软件工具 嵌入式软 件以及生物计算优化方法 数据的应用场景以及以低成本来保持系统可控性和 可见性的准则 我们所获得的经验主要源于极端条 件下的研发环境监测的无线传感器网络 见 译者 毛续飞 清华大学软件学院博士后 主要研究 方向为无线网络的算法设计与分析及 大规模无线传感器网络的应用研究 等 ch 以应用于建筑等安全性至关重要领域的传感器 网络 致谢 以上研究成果与研究小组的许多成员的努力密 不可分 特别是马蒂亚斯 凯勒 Matthias Keller 伯恩哈德 布什利 Bernhard Buchli 费德里科 法 拉利 Federico Ferrari 马尔科 泽姆林 Marco Zimmerling 奥尔加 索科 Olga Saukh 大 卫 哈森弗拉泽 David Hasenfratz 克莱门斯 莫 22 持 参考文献 [1] M. Woehrle, K. Lampka and L. Thiele: Exploiting timed automata for conformance testing of power measurements. Proc. Formal Modeling and Analysis of Timed Systems 2009, Springer, pages , September, 2009 更多参考文献

16 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 驯 服 弗 兰 肯 斯 坦 博 士 *: 设 计 网 络 嵌 入 式 系 统 关 键 词 : 网 络 嵌 入 式 系 统 作 者 : 阿 尔 博 托 西 欧 凡 尼 维 埃 洛 爱 (Alberto Sangiovanni Vincentelli) 译 者 : 董 玮 通 过 与 物 理 世 界 进 行 丰 富 的 连 接 ( 物 联 网 ), 信 息 技 术 已 经 迅 速 地 向 分 布 式 和 协 作 化 的 环 境 ( 云 ) 发 展 特 别 需 要 指 出 的 是, 预 计 到 2020 年 每 人 将 拥 有 数 千 台 设 备 这 些 设 备 会 使 计 算 无 处 不 在 并 支 持 超 乎 想 象 的 社 会 大 规 模 的 应 用 庞 大 的 计 算 会 给 我 们 带 来 很 多 困 难, 即 使 在 计 算 设 备 没 那 么 多 的 今 天, 我 们 在 设 计 安 全 的 应 用 程 序 时, 仍 面 临 着 一 系 列 严 峻 的 挑 战 设 计 复 杂 分 布 式 系 统 的 本 质 是 连 接 : 连 接 概 念 连 接 物 理 对 象 连 接 团 体 人 员 未 来 的 产 品 将 会 把 物 理 世 界 和 虚 拟 世 界 连 接 在 一 起 连 接 可 能 使 系 统 提 供 比 单 纯 的 组 件 叠 加 更 多 的 功 能, 但 也 可 能 提 供 更 少 的 功 能, 甚 至 可 能 由 于 组 件 之 间 不 恰 当 地 交 互, 使 得 整 个 系 统 根 本 无 法 工 作 而 且 这 种 情 况 的 发 生 几 率 是 存 在 的, 就 像 一 场 恶 梦 将 要 发 生! 要 高 效 地 管 理 一 个 大 系 统 各 组 件 间 的 关 系, 需 要 那 些 尖 端 设 计 方 法 的 共 性 原 则 我 们 来 探 讨 一 下 设 计 原 则 和 多 尺 度 系 统 的 演 变 过 程, 指 明 一 些 振 奋 人 心 和 不 断 精 进 的 分 布 式 系 统 设 计 领 域, 如 能 源 效 率 合 成 生 物 学 飞 机 和 汽 车 系 统 行 业, 包 括 汽 车 航 空 和 消 费 电 子 企 业 正 面 临 着 重 大 困 难 这 是 因 为, 一 方 面 产 品 本 身 的 复 杂 性 正 成 倍 上 升, 另 一 方 面, 用 户 对 产 品 功 能 正 确 性 以 及 上 市 时 间 的 要 求 越 来 越 紧 迫 由 上 市 时 间 推 迟 或 产 品 缺 陷 带 来 的 成 本 是 惊 人 的, 因 为 企 业 必 须 承 受 产 品 召 回 和 交 货 延 误 带 来 的 开 销 由 于 设 计 问 题 导 致 破 坏 性 影 响 的 例 子 不 胜 枚 举 这 些 问 题 的 具 体 根 源 是 复 杂 的, 涉 及 到 设 计 过 程 与 不 同 开 发 部 门 以 及 供 应 商 的 关 系 不 完 备 的 需 求 分 析 和 测 试 验 证 等 此 外, 在 工 业 界 中 有 一 个 广 泛 的 共 识 : 目 前 我 们 只 在 整 个 设 计 空 间 中 考 虑 了 一 个 很 小 的 集 合, 如 果 能 优 化 整 个 实 现 过 程, 将 对 我 们 大 有 裨 益 虽 然 一 些 在 更 高 效 的 设 计 空 间 探 索 方 面 的 尝 试 已 经 开 始, 但 是 仍 有 必 要 对 问 题 进 行 更 好 的 形 式 化 描 述, 并 且 有 效 融 合 供 应 链 上 的 不 同 参 与 者 子 系 统 在 设 计 期 间 传 递 给 系 统 组 装 器 的 信 息, 例 如 时 间 功 耗 尺 寸 重 量 以 及 其 他 物 理 特 征, 对 于 设 计 空 间 的 探 索 还 有 很 大 的 提 升 空 间 在 这 种 情 况 下, 一 个 系 统 设 计 方 面 的 错 误 会 造 成 巨 大 的 社 会 经 济 损 失, 并 危 及 到 整 个 公 司 的 存 亡 难 怪 人 们 热 衷 * 弗 兰 肯 斯 坦 博 士, 是 英 国 诗 人 雪 莱 的 妻 子 玛 丽 雪 莱 在 1818 年 创 作 的 小 说 弗 兰 肯 斯 坦 中 的 主 人 公 弗 兰 肯 斯 坦 被 认 为 是 世 界 第 一 部 真 正 意 义 上 的 科 幻 小 说 弗 兰 肯 斯 坦 的 全 名 是 弗 兰 肯 斯 坦 现 代 普 罗 米 修 斯 的 故 事, 中 译 本 也 翻 译 成 人 造 人 的 故 事 小 说 将 弗 兰 肯 斯 坦 刻 画 成 一 位 从 事 人 的 生 命 科 学 研 究 的 学 者, 他 力 图 用 人 工 创 造 出 生 命 美 国 工 程 院 院 士 加 州 大 学 伯 克 利 分 校 阿 尔 博 托 西 欧 凡 尼 维 埃 洛 爱 教 授 用 此 作 标 题 来 比 喻 物 联 网 这 个 人 造 的 事 物 带 来 了 巨 大 的 机 会, 同 时 也 给 我 们 科 学 工 作 者 带 来 了 要 解 决 的 难 题 23

17 专 题 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 于 利 用 风 险 管 理 手 段 来 评 估 由 于 设 计 失 误 发 布 延 迟 产 品 召 回 以 及 负 债 带 来 的 风 险 寻 找 合 适 的 应 对 策 略 来 降 低 风 险 并 且 制 定 应 急 方 案 是 如 今 大 型 项 目 采 用 的 主 要 方 法 目 前 的 首 要 问 题 是, 当 今 系 统 公 司 使 用 的 设 计 方 法 需 要 根 本 性 的 变 革 要 解 决 的 问 题 是 理 解 系 统 设 计 的 原 则, 理 解 设 计 方 法 的 必 要 改 进, 理 解 供 应 链 的 动 态 性 加 深 这 些 理 解 对 一 个 系 统 公 司 是 必 须 的, 这 样 公 司 才 能 更 好 地 服 务 客 户, 更 好 地 加 快 产 品 开 发 速 度, 更 好 地 提 高 产 品 质 量 本 文 的 关 注 点 是 网 络 嵌 入 式 系 统, 也 称 为 信 息 物 理 系 统 (cyber-physical system,cps) 信 息 物 理 系 统 集 成 了 计 算 和 物 理 过 程 由 嵌 入 式 计 算 机 及 其 组 成 的 网 络 对 物 理 过 程 进 行 监 控, 物 理 过 程 对 计 算 产 生 反 馈 回 路, 反 之 亦 然 新 兴 的 信 息 物 理 系 统 应 用 注 定 要 以 分 布 式 的 形 式 在 一 个 平 台 上 运 行 这 个 平 台 将 高 性 能 的 计 算 机 簇 ( 基 础 设 施 核 心 ) 和 大 量 的 移 动 通 信 设 备 协 调 在 一 起, 而 这 些 移 动 通 信 设 备 又 被 更 大 群 的 传 感 器 包 围 ( 从 宏 观 的 到 微 观 的 ) 大 部 分 这 样 的 新 兴 应 用 可 以 被 划 分 为 分 布 式 传 感 控 制 系 统, 这 类 系 统 从 本 质 上 已 经 远 远 超 出 了 传 统 意 义 上 的 计 算 或 者 通 信 范 畴 这 些 应 用 将 有 可 能 从 根 本 上 影 响 到 我 们 如 何 处 理 当 今 社 会 面 临 的 重 大 问 题 : 比 如 国 家 机 密 及 安 全 监 视 能 源 管 理 和 分 配 环 境 监 控 高 效 可 靠 的 交 通 有 效 的 医 疗 保 健 这 些 应 用 的 一 个 共 同 属 性 是 它 们 同 时 牵 涉 到 大 量 的 功 能 部 件 从 云 计 算 提 供 的 数 据 和 计 算 服 务, 传 感 器 上 的 数 据 收 集, 到 移 动 终 端 上 的 数 据 访 问 ; 另 一 个 属 性 是 系 统 跨 越 了 多 种 尺 度 有 空 间 尺 度 上 的 ( 从 非 常 大 的 到 非 常 小 的 ), 有 时 间 尺 度 上 的 ( 从 非 常 快 的 到 非 常 慢 的 ), 有 功 能 尺 度 上 的 ( 包 括 由 异 构 功 能 构 成 的 多 层 复 杂 架 构 ), 有 技 术 尺 度 上 的 ( 整 合 了 多 个 领 域 的 技 术 ) 这 个 分 布 式 平 台 的 每 个 组 件 ( 计 算 和 数 据 簇 移 动 便 携 设 备 以 及 传 感 器 系 统 ) 本 身 就 是 一 个 多 尺 度 系 统, 并 带 来 一 些 独 特 的 设 计 挑 战 如 今 的 工 程 师 们 在 多 个 不 同 的 行 业 成 功 地 设 计 了 信 息 物 理 系 统 但 不 幸 的 是, 这 种 系 统 的 研 发 成 本 非 常 大, 并 且 也 很 难 严 格 执 行 研 发 计 划 信 息 物 理 系 统 的 复 杂 性, 尤 其 是 为 了 提 升 性 能, 合 并 了 不 同 的 子 系 统, 增 加 了 整 体 设 计 和 验 证 的 难 度 随 着 这 些 系 统 复 杂 性 不 断 增 加, 我 们 可 能 会 无 法 对 这 些 物 理 和 网 络 方 面 间 的 交 互 进 行 严 格 建 模, 从 而 造 成 严 重 的 不 稳 定 性 系 统 将 变 得 不 安 全, 并 可 能 产 生 不 可 预 测 的 灾 难 性 后 果 实 现 和 运 行 这 些 多 尺 度 系 统 面 临 很 多 复 杂 的 挑 战, 并 且 覆 盖 了 很 多 尚 未 解 决 的 设 计 与 运 行 时 问 题, 包 括 建 模 与 抽 象 化 验 证 检 验 与 测 试 可 靠 性 与 弹 性 多 尺 度 技 术 整 合 和 映 射 能 耗 安 全 及 诊 断 和 运 行 时 管 理 等 如 果 不 能 以 一 种 恰 当 全 面 的 方 法 解 决 这 些 问 题, 即 使 不 会 导 致 这 些 新 技 术 不 被 采 用, 也 一 定 会 推 迟 这 些 新 技 术 的 广 泛 应 用 我 们 相 信 在 信 息 物 理 系 统 的 工 程 中, 最 有 前 景 的 一 种 解 决 方 法 就 是 使 用 结 构 化 与 形 式 化 的 设 计 方 法 这 种 方 法 能 够 无 缝 地 整 合 多 尺 度 设 计 空 间 的 不 同 维 度 ( 如 行 为 空 间 时 间 ) 正 因 如 此, 它 能 够 提 供 恰 当 的 抽 象 来 应 对 固 有 的 复 杂 性, 并 能 够 提 供 正 确 的 实 现 当 开 发 新 的 系 统 设 计 方 法 时, 必 须 解 决 以 下 技 术 问 题 : 1. 异 构 系 统 的 整 体 设 计 流 程, 包 括 技 术 上 和 组 织 上 的 设 计 我 们 认 为 跨 越 传 统 界 限 的 模 型 整 合 使 用 并 没 有 被 很 好 的 研 究 和 开 发 2. 复 杂 系 统 的 验 证, 尤 其 是 在 任 何 交 互 都 是 很 困 难 的 且 解 决 代 价 极 其 昂 贵 的 系 统 整 合 阶 段 的 复 杂 系 统 验 证, 在 国 防 和 自 动 化 以 及 其 他 工 业 中 都 是 很 常 见 的 一 种 需 求 3. 对 于 如 何 处 理 可 变 性 不 确 定 性 以 及 生 命 周 期 问 题 ( 比 如 一 个 产 品 系 列 的 可 扩 展 性 ), 使 用 现 有 的 系 统 工 程 方 法 论 和 工 具 并 不 能 很 好 地 解 决 4. 在 启 发 式 的 过 程 中, 系 统 需 求 的 采 集 和 分 析 占 了 很 大 比 重 目 前 使 用 的 非 正 式 文 本 和 基 于 自 然 语 言 的 技 术 在 启 发 式 的 过 程 中 面 临 很 严 重 的 问 题 形 式 化 的 需 求 工 程 还 处 于 起 步 阶 段, 必 须 开 发 相 应 的 数 学 模 型 形 式 化 分 析 技 术 和 与 之 相 联 系 的 系 统 实 现 24

18 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 5. 由 于 很 少 充 分 地 考 虑 设 计 空 间 的 探 索, 导 致 一 些 没 有 达 到 最 优 的 设 计 这 些 设 计 在 体 系 结 构 选 择 阶 段 没 有 考 虑 到 为 了 减 少 成 本 故 障 率 和 投 入 市 场 的 时 间 所 需 要 的 可 扩 展 性 重 用 性 以 及 容 错 性 针 对 设 计 工 艺 的 挑 战, 我 们 需 要 考 虑 的 不 是 仅 针 对 方 法 论 工 具 或 者 模 型 这 些 设 计 的 简 单 部 分 中 某 一 点 问 题 的 解 决 方 案, 而 是 处 理 整 个 设 计 的 全 过 程 解 决 这 样 的 挑 战 需 要 一 个 能 够 整 合 不 同 物 理 系 统 控 制 逻 辑 以 及 体 系 结 构 的 新 的 建 模 方 法 在 这 个 过 程 中, 必 须 保 证 现 有 的 方 法 模 型 和 工 具 都 能 得 到 兼 容 而 不 是 完 全 被 摒 弃, 这 样 才 能 保 证 设 计 人 员 不 会 反 对 设 计 改 革, 从 而 平 稳 地 过 渡 到 新 的 设 计 方 法 另 外, 必 须 开 发 一 个 设 计 平 台 来 承 载 新 的 技 术, 并 整 合 一 系 列 现 有 交 互 性 不 强 的 工 具 研 究 计 划 中 提 出 的 契 约 式 设 计 (contract-based design) 在 欧 美 是 一 个 比 较 普 遍 的 观 点, 它 形 成 了 广 泛 而 积 极 的 范 围 来 应 对 系 统 工 业 的 迫 切 需 求 当 原 始 设 备 制 造 商 必 须 和 他 的 提 供 商 就 需 要 交 付 的 子 系 统 或 者 零 件 达 成 一 致 时, 就 会 使 用 契 约 契 约 包 含 一 个 约 束 各 方 的 法 律 部 分 和 一 个 作 为 参 考 的 技 术 附 件, 由 供 应 商 提 供 完 整 的 参 考 当 为 同 一 家 公 司 开 发 不 同 的 子 系 统 或 者 一 个 系 统 的 不 同 方 面 时, 此 契 约 同 时 会 被 作 为 并 行 工 程 的 技 术 附 件 使 用 从 我 们 的 观 点 来 看, 契 约 可 以 应 用 在 任 何 地 方 以 及 系 统 设 计 的 所 有 阶 段, 从 需 求 的 获 取 到 嵌 入 式 计 算 基 础 设 施 以 及 具 体 设 计 ( 电 路 和 硬 件 ) 尤 其 是 契 约 明 确 地 处 理 了 合 作 内 容, 分 别 表 述 为 对 环 境 的 假 设 以 及 承 诺 建 立 在 这 些 假 设 上 的 系 统 一 个 契 约 还 可 以 形 式 化 地 描 述 为 =(, ), 其 中 = 假 设, = 承 诺 这 里 的 A 和 G 是 所 有 满 足 属 性 的 输 入 和 输 出 的 集 合 虽 然 假 设 和 保 证 的 推 理 已 经 被 发 现 了 相 当 长 的 一 段 时 间, 但 是 几 乎 只 被 用 作 设 计 软 件 时 的 验 证 我 们 的 目 标 更 为 远 大 : 基 于 明 确 假 设 的 契 约 设 计 是 一 个 设 计 哲 学 问 题, 必 须 遵 循 所 有 的 设 计 规 范 使 用 各 种 各 样 的 模 型 这 里 所 说 的 模 型 内 容 非 常 丰 富, 不 仅 包 含 配 置 类 型 和 数 据 分 类, 而 且 可 以 描 述 各 种 时 间 和 能 量 的 功 能 及 性 能 和 安 全 性 为 了 给 系 统 工 程 师 一 个 基 于 契 约 设 计 技 术 的 选 择, 我 们 必 须 开 发 : 1. 用 于 契 约 描 述 的 数 学 基 础 和 用 于 设 计 的 工 程 学 需 求 ( 架 构 和 工 具 ); 2. 一 个 系 统 工 程 架 构 以 及 与 之 关 联 的 方 法 论 和 工 具 集, 这 些 事 物 关 注 于 物 联 网 系 统 的 多 抽 象 层 的 系 统 需 求 模 型 契 约 规 格 和 验 证 ; 3. 一 个 针 对 交 叉 边 界 设 计 流 的 系 统 工 程 架 构, 主 要 解 决 契 约 设 计 的 组 织 上 影 响 和 随 时 间 演 化 系 统 的 配 置 和 管 理 在 这 次 表 述 中, 本 文 的 目 标 是 描 述 上 下 文 系 统 层 设 计 里 基 于 契 约 的 设 计 我 们 先 回 顾 了 需 要 应 对 的 挑 战 契 约 的 概 念 是 一 个 统 一 的 视 角, 就 是 怎 样 把 出 现 在 每 一 步 设 计 流 程 中 的 需 求 和 规 则 形 式 化 ; 然 后 提 供 一 个 简 洁 的 形 式 化 的 契 约 概 念 ; 带 着 这 个 想 法, 展 示 了 怎 样 去 结 合 契 约 和 基 于 平 台 的 设 计 来 囊 括 其 他 的 方 法, 并 提 出 了 一 个 简 单 的 控 制 问 题 来 展 示 上 述 方 法 论 的 使 用 ; 最 后, 提 出 了 一 个 可 以 使 契 约 广 泛 应 用 于 工 业 的 潜 在 发 展 方 向 作 者 : 阿 尔 博 托 西 欧 凡 尼 维 埃 洛 爱 (Alberto Sangiovanni- Vincentelli) 美 国 工 程 院 院 士 加 州 大 学 伯 克 利 分 校 电 气 工 程 和 计 算 机 科 学 系 教 授 译 者 : 董 玮 CCF 会 员 浙 江 大 学 讲 师 主 要 研 究 方 向 为 嵌 入 式 软 件 与 传 感 器 网 络 25

19 专 题 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 信 息 物 理 系 统 的 网 络 挑 战 关 键 词 : 信 息 物 理 系 统 CPS 作 者 : 路 易 斯 阿 尔 梅 达 (Luis Almeda) 译 者 : 杨 盘 隆 简 介 信 息 物 理 系 统 (Cyber Physical Systems, CPS) 的 概 念 从 产 生 到 现 在 还 不 到 十 年 它 的 诞 生 是 颇 具 争 议 的 它 和 目 前 现 有 的 研 究 领 域 都 有 部 分 重 叠, 如 嵌 入 式 系 统 实 时 系 统 控 制 和 模 型 驱 动 工 程 尽 管 由 于 缺 乏 准 确 的 定 义, 又 与 其 它 研 究 领 域 有 着 严 格 的 区 分 而 颇 受 非 议, 但 是 迄 今 为 止, 信 息 物 理 系 统 似 乎 已 经 被 认 定 是 上 述 各 个 领 域 的 交 叉, 同 时 又 是 上 述 领 域 的 推 广 与 泛 化 信 息 物 理 系 统 与 嵌 入 式 系 统 和 实 时 系 统 并 不 一 定 要 有 本 质 的 不 同, 但 是 已 经 超 越 上 述 研 究 领 域, 同 时 又 把 控 制 系 统 模 型 驱 动 工 程 和 其 他 学 科 融 合 进 来 通 过 建 立 模 型 的 物 理 过 程 和 计 算 平 台, 可 以 促 进 互 操 作 过 程, 更 好 地 了 解 系 统 状 态, 并 实 现 更 好 地 控 制 出 于 这 种 原 因, 在 一 些 场 况 下, 人 们 也 把 信 息 物 理 系 统 称 为 网 络 监 测 和 控 制 系 统 (network monitoring and control,nmc) 通 常, 信 息 物 理 系 统 包 含 了 嵌 入 式 实 时 控 制 系 统, 特 别 是 模 型 驱 动 的 相 关 的 设 计 技 术 从 体 积 小 的 系 统, 比 如 具 有 主 动 安 全 控 制 能 力 的 个 人 交 通 系 统 segway, 到 规 模 庞 大 的 系 统, 如 智 能 楼 宇 或 与 用 来 控 制 能 源 效 率 的 绿 色 工 厂 [1], 信 息 物 理 系 统 几 乎 无 处 不 在 然 而, 由 于 普 及 程 度 日 益 提 高, 信 息 物 理 系 统 越 来 越 依 赖 于 分 布 式 平 台, 特 别 是 更 广 泛 地 使 用 网 络 ( 图 1), 从 传 感 器 到 控 制 系 统 自 动 化 或 企 业 网 络, 网 络 能 够 将 无 数 不 同 类 型 和 用 途 的 节 点 有 效 互 连, 为 整 个 系 统 的 目 标 共 同 协 作 与 分 布 式 系 统 一 样, 网 络 在 支 撑 信 息 物 理 系 统 的 主 要 功 能 方 面 扮 演 了 不 可 替 代 的 角 色, 为 保 证 系 统 实 时 响 应 外 部 物 理 过 程 的 动 态 变 化, 起 到 了 至 关 重 要 的 作 用 因 为 建 立 可 靠 的 数 据 分 发 机 制 是 建 立 分 布 式 应 用 的 基 础 Feedback at many levels Sensor Actuator Sensor Actuator 图 1 信 息 物 理 系 统 的 体 系 结 构 Sensor Actuator Sensor Actuator All Levels networked 26

20 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 信 息 物 理 系 统 的 网 络 要 求 信 息 物 理 系 统 多 数 是 建 立 在 分 布 式 计 算 平 台 基 础 之 上, 依 靠 网 络 的 数 据 传 输 能 力 来 实 现 协 同 的 由 于 信 息 物 理 系 统 具 有 独 特 的 物 理 特 性, 系 统 的 计 算 和 通 信 行 为 都 需 要 满 足 实 时 性 的 约 束 不 仅 如 此, 信 息 物 理 系 统 经 常 应 用 于 资 源 配 置 有 限 的 动 态 场 景 中, 因 此 需 要 自 适 应 技 术, 以 避 免 资 源 紧 张 和 利 用 率 不 足 例 如, 一 组 自 主 监 测 的 机 器 人, 可 以 根 据 处 于 活 跃 状 态 的 机 器 人 数 量, 以 及 在 监 视 区 域 内 是 否 有 感 兴 趣 的 跟 踪 对 象 等 实 际 情 况, 来 自 适 应 地 调 整 通 信 频 率 此 外, 一 些 信 息 物 理 系 统 是 由 数 量 众 多 的 元 件 组 成 的, 且 分 布 广 泛, 例 如 工 厂 管 理 和 商 用 飞 机 还 有 一 些 系 统 是 在 不 同 地 点 工 作, 并 通 过 互 联 网 实 现 组 件 之 间 的 协 作, 例 如 智 能 电 网 和 远 程 交 互 因 此, 必 须 考 虑 系 统 的 可 扩 展 性 许 多 信 息 物 理 系 统 是 开 放 的, 例 如 在 工 厂 车 间 里 增 加 机 器 人, 灵 活 地 进 行 任 务 调 度 ; 或 者 是 一 些 并 非 信 息 物 理 系 统 的 应 用, 但 是 却 与 之 共 享 相 同 的 网 络 基 础 设 施 对 于 信 息 物 理 系 统, 除 了 时 效 性 适 应 性 可 扩 展 性 和 开 放 性 等 基 本 要 求, 其 他 方 面 如 可 靠 性 可 用 性 和 安 全 性 也 是 同 等 重 要 的 网 络 系 统 对 于 通 信 计 算 平 台 的 影 响 是 巨 大 的, 因 为 它 同 时 决 定 了 系 统 对 物 理 世 界 的 控 制 程 度, 以 及 对 物 理 世 界 状 态 表 示 的 精 确 程 度 平 台 的 核 心 作 用 如 图 2 所 示 图 2 同 时 还 说 明 了 信 息 物 理 系 统 应 用 程 序 的 一 个 基 本 特 征, 是 使 物 理 过 程 和 平 台 相 结 合 的 模 型, 可 以 提 高 系 统 的 状 态 控 制 和 获 取 知 识 的 准 确 性 网 络 控 制 领 域 提 供 了 一 个 很 好 的 例 子 来 说 明 融 合 模 型 的 重 要 性, 通 过 在 分 布 式 系 统 中 实 现 控 制 器, 结 合 平 台 和 物 理 过 程 的 融 合 模 型, 能 够 有 效 地 提 高 系 统 的 控 制 精 度 何 种 网 络 适 合 信 息 物 理 系 统 一 个 很 自 然 的 问 题 是 : 现 有 的 网 络 技 术 是 CPS application 否 足 以 支 持 我 们 刚 才 提 到 的 各 种 要 求? 答 案 是 否 定 的! 绝 大 多 数 现 有 的 实 时 通 信 技 术 是 基 于 固 定 部 署 的 嵌 入 式 系 统 这 些 系 统 都 是 基 于 开 发 成 熟 的 技 术, 系 统 形 态 和 通 信 需 求 都 需 要 事 先 确 定, 提 供 时 效 性 保 证 与 可 计 算 的 网 络 时 延 和 时 延 抖 动 上 限 像 TTEthernet 和 AFDX 的 技 术 就 是 很 好 的 例 子 然 而, 它 们 并 不 是 开 放 系 统, 也 不 能 有 效 地 适 应 环 境 变 化 在 某 些 情 况 下 甚 至 连 可 扩 展 性 都 可 能 会 受 到 限 制 相 反, 一 些 技 术 能 够 无 缝 支 持 动 态 的 通 信 需 求, 能 够 支 持 开 放 性 和 适 应 性, 但 通 常 没 有 时 序 分 析 和 准 入 控 制, 无 法 提 供 及 时 的 保 障 这 在 基 于 普 通 以 太 网 或 CAN(controller area network) 总 线 的 系 统 中 是 常 见 的, 因 为 在 这 样 的 网 络 中 运 行 时 无 法 附 加 任 何 额 外 的 通 信 需 求 反 观 大 型 网 络, 如 互 联 网, 尽 管 在 过 去 十 年 中, 具 有 扩 展 性 的 服 务 质 量 控 制 已 经 取 得 了 长 足 的 进 步, 但 通 信 的 基 本 能 力 还 是 以 提 供 尽 力 而 为 的 服 务 为 主 事 实 上, 有 许 多 技 术 可 以 在 互 联 网 的 核 心 层 提 供 带 宽 延 迟 和 抖 动 保 障, 如 采 用 第 3 层 的 以 太 网 交 换 技 术 或 采 用 2.5 层 交 换 技 术 的 资 源 预 留, 或 是 采 用 多 协 议 标 签 交 换 技 术 这 些 技 术 允 许 创 建 满 足 带 宽 和 时 延 要 求 的 虚 电 路 ( 也 称 隧 道 ) 然 而, 由 于 网 络 提 供 商 的 多 样 性 和 网 络 终 端 普 遍 缺 乏 QoS 控 制 能 力, 目 前 还 难 以 充 分 发 挥 这 些 技 术 的 优 势, 提 供 可 控 的 可 计 算 的 端 到 端 延 迟 和 延 迟 抖 动 能 力 上 述 技 术 提 供 了 相 当 程 度 的 系 统 自 适 应 性, 但 基 本 上 都 只 是 关 注 路 由 和 队 列 管 理 功 能, 而 没 有 考 虑 信 道 容 量 或 时 间 需 求 Models of the phy world Models of the platform Platform HW+SW+Comm+ Energy+... 图 2 平 台 的 作 用 是 协 调 信 息 物 理 系 统 应 用 程 序 和 实 际 物 理 过 程 此 外, 互 联 网 研 究 关 注 的 是 可 扩 展 性 或 吞 吐 量, 而 嵌 入 式 网 络 研 究 领 域 则 往 往 关 注 时 延, 却 没 27

21 专 题 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 有 太 多 考 虑 吞 吐 量 和 可 扩 展 性 方 面 的 要 求 这 些 不 同 的 研 究 领 域 各 自 为 战, 几 乎 没 有 交 叉 直 到 最 近, 由 于 信 息 物 理 系 统 的 出 现, 这 种 状 况 才 有 所 改 变 目 前, 特 别 需 要 根 据 可 扩 展 性 和 实 时 通 信 的 需 求, 建 立 统 一 的 网 络 体 系, 以 满 足 信 息 物 理 系 统 和 交 互 式 访 问 所 带 来 的 可 扩 展 性 和 时 延 的 要 求 信 息 物 理 系 统 所 面 临 的 网 络 挑 战 由 于 系 统 的 形 态 各 异, 覆 盖 了 网 络 研 究 中 非 常 广 泛 的 领 域, 使 提 供 一 个 满 足 信 息 物 理 系 统 要 求 的 通 用 网 络 变 得 异 常 困 难 然 而, 我 们 还 是 能 够 找 到 一 些 满 足 所 需 的 功 能, 为 将 来 的 设 计 产 生 积 极 影 响, 同 时 提 高 网 络 接 口 的 适 应 程 度 更 重 要 的 是, 网 络 功 能 应 独 立 于 特 定 的 底 层 网 络 协 议 支 持, 从 而 有 利 于 标 准 化 和 部 署, 这 有 点 类 似 于 多 协 议 标 签 交 换 (multiprotocol label switching,mpls) 网 络 或 是 互 联 网 服 务 提 供 商 但 在 系 统 适 应 性 和 对 终 端 系 统 的 改 造 方 面 要 远 远 优 于 他 们 的 表 现 因 此, 我 们 认 为 一 个 通 信 抽 象 应 该 具 有 如 下 特 点 : 首 先 要 易 于 与 更 高 层 协 议 工 作, 这 意 味 着 它 非 常 适 合 用 一 个 简 单 而 准 确 的 方 法 集 成 到 现 有 信 息 物 理 系 统 应 用 中, 例 如 采 用 虚 拟 信 道 与 指 定 的 带 宽 延 迟 和 抖 动 保 障 ; 提 供 QoS, 保 证 使 用 最 低 的 要 求, 例 如, 与 虚 电 路 交 换 ( 隧 道 ) 的 资 源 预 留 协 议 (resource reservation protocol,rsvp) 和 多 协 议 标 签 交 换 的 基 本 要 求 一 致 ; 采 用 分 层 组 合 的 方 式 扩 展 到 更 大 规 模 的 网 络, 支 持 信 道 级 的 整 合 ; 在 动 态 环 境 下, 考 虑 高 效 利 用 带 宽 的 适 应 性, 例 如, 利 用 时 序 约 束 和 松 弛 管 理 技 术 ; 对 系 统 过 载 连 续 失 败 和 拒 绝 服 务 攻 击 具 有 容 忍 能 力, 同 时 避 免 系 统 崩 溃 这 种 抽 象 依 赖 于 面 向 时 间 的 服 务 水 平 协 议, 并 直 接 利 用 2 层 交 换 技 术 支 持 资 源 预 留 和 自 适 应 队 列 管 理 ( 数 据 链 路 层 ) 此 外, 也 可 以 使 用 面 向 时 间 图 3 具 有 实 时 功 能 的 网 络 为 分 布 式 信 息 物 理 系 统 提 供 无 缝 融 合 支 持 的 流 量 调 度, 以 数 据 截 止 日 期 为 基 础, 考 虑 系 统 可 扩 展 性, 提 供 基 于 截 止 日 期 和 负 载 感 知 的 分 布 式 资 源 预 留 机 制 其 结 果 将 是 一 个 全 局 的 实 时 网 络, 可 以 无 缝 提 供 远 程 服 务 和 实 时 保 证, 即 具 有 实 时 处 理 能 力 的 云 ( 如 图 3 所 示 ) 一 种 可 能 的 路 径 随 着 互 联 网 的 进 化, 支 持 延 迟 敏 感 型 服 务 成 为 一 种 趋 势 可 以 预 见, 互 联 网 服 务 提 供 商 会 提 供 服 务 水 平 协 议 和 商 业 发 展 模 式, 包 括 明 确 的 时 钟 参 数, 而 不 是 仅 仅 提 供 带 宽 和 比 特 率 信 息 然 而, 在 互 联 网 边 缘 之 外, 终 端 网 络 ( 也 被 称 为 接 入 网 络 ) 必 须 支 持 所 需 的 实 时 性 属 性, 为 系 统 提 供 端 到 端 业 务 的 支 持 事 实 上, 目 前 大 多 数 的 信 息 物 理 系 统 除 了 在 远 程 监 控 和 系 统 维 护 时 会 使 用 互 联 网 进 行 系 统 的 控 制 操 作, 大 多 数 情 况 下 是 不 使 用 互 联 网 的 因 此, 我 们 集 中 考 虑 终 端 网 络 的 能 力, 采 用 自 28

22 第 8 卷 第3 期 2012 年 3 月 下而上的方法解决网络的挑战 我们 从一般嵌入式系统解决方案出发 增 Network 加开放性和适应性 根据需要扩展到 所需的范围 我们研究的网络模型如 图4所示 展示了一个具有虚拟电路或 虚拟通信能力的网络 通常根据虚链 路容量 延迟 业务周期和抖动的要 求而建立 可以灵活地建立 拆除或 在线调整 同时 多个虚电路可以通 过捆绑复用 以实现调整相关参数 并达到应用所要求范围 保证业务服 务质量 图4 动态虚拟电路交换网络模型 为了实现图4中的网络模型 我们一般采用两 到实时视频流 文件传输和通用的互联网接入业 种方法 主要取决于对网络行为控制水平的要求 务 这些通道可以创建 管理和撤销 并由相应的 对于控制要求非常高的场景 特别是复用有线网络 应用程序或第三方实体 如操作员执行 后一种选 实现接入的情形 我们建议采用灵活的时间触发 择可以支持传统的或通用的应用 可以提供所需 flexible time-triggered FTT 模式 结合时间触发 基本功能的虚拟网络 独立的虚拟通道能够有效 [2] time-triggered TT 中的在线流量调度方法 这 地切分网络容量 也使得灵活时间触发的协议 种方案可以在不同的DLL协议之上实现 但目前绝 特别适合支持所谓的混合优先级的应用中 因为 大多数都依靠CAN FTT - CAN 和灵活时间触发 在这样的应用背景下 不同优先级的业务共享相 式以太网 FTT - SE 来实现 我们可以按照图4中 同的通信链路 的设计模型 利用现有的商用以太网交换机实现灵 灵活时间触发式以太网使用一个独立的节点 活时间触发式以太网 图5显示了一个用灵活时间 即主控节点 通过分组调度实现周期性的流量控 触发式以太网支持时间上独立的虚拟通道的层次化 制 每一个周期被称为一个基本循环 每个节点将 模型 在这种设计下 系统能够支持多种类型的业 只发送周期调度允许的流量 在每一个基本循环 务流 从快速数据流形态下的短小的控制数据包 内 每个节点只发送流量调度所允许的流量 从而 Internet FTT EC NRT Traffic LAN Aynchronous Window (LAW) Synchronous Window (LSW) RT Traffic SM_1 Industrial Ethernet Camera Ethernet Switch SM_Z AM_1 RT+NRT Traffic Controler Nodes RT Traffic Control Sporadic Window (LNRTW) Sporadic Window (LSPW) SM_Z SM_Z ServerK ServerL AM_K AM_L NRTServer 1 NRTServer X NRTM_1 NRTM_X Virtual channels 图5 使用灵活时间触发的范例 设置时序上独立的层次化通道以支持多种流量需求 29

23 专 题 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 保 证 交 换 机 的 队 列 将 在 每 个 循 环 结 束 时 是 空 的 因 此, 流 量 在 经 过 基 本 循 环 的 调 度 后, 将 按 照 主 节 点 的 要 求 发 送 数 据 典 型 的 时 间 周 期 可 以 设 置 成 1 到 20 毫 秒 通 过 集 中 的 流 量 调 度 策 略, 所 有 现 有 的 策 略 都 可 以 执 行, 无 论 是 以 截 止 日 期 为 目 标 的, 以 优 先 级 驱 动 的, 或 是 基 于 服 务 器 响 应 的, 还 是 基 于 业 务 等 级 的, 均 可 以 很 好 地 支 持 特 别 是 部 署 流 量 调 度 策 略, 与 现 有 实 时 分 析 的 工 具 和 框 架 一 致, 利 用 阈 值 和 响 应 时 间 作 为 控 制 准 则, 进 行 有 效 的 网 络 计 算 灵 活 时 间 触 发 对 网 络 的 处 理 方 式 与 实 时 操 作 系 统 管 理 处 理 器 的 方 式 十 分 相 似, 均 支 持 周 期 性 的 同 步 任 务, 也 支 持 非 周 期 下 的 异 步 或 突 发 任 务 或 数 据 流 特 别 需 要 指 出 的 是, 与 所 有 的 时 间 触 发 方 法 类 似, 灵 活 时 间 触 发 的 协 议 本 身 通 过 相 对 相 位 控 制 支 持 同 步 流, 可 实 现 较 高 的 带 宽 利 用 率 和 较 低 的 时 延 抖 动 然 而, 灵 活 时 间 触 发 以 太 网 要 求 终 端 节 点 的 网 络 设 备 驱 动 程 序 上 执 行 各 自 的 适 配 程 序 但 是 以 HaRTES [3] 为 基 础 的 交 换 模 式 却 并 不 需 要 这 样 的 条 件, 它 是 由 一 个 普 通 嵌 入 式 以 太 网 交 换 机 和 一 个 快 速 时 间 的 主 节 点 组 成 旧 版 本 节 点 或 通 用 节 点 可 以 直 接 连 接, 并 通 过 交 换 机 实 现 自 适 应 调 整, 极 大 地 提 高 了 系 统 互 操 作 水 平 2 running robots: 3 running robots: 灵 活 时 间 触 发 的 协 议 采 用 循 环 的 同 步 框 架, 以 此 实 现 全 网 同 步, 并 支 持 相 对 相 位 控 制 然 而, 这 种 级 别 的 控 制, 有 时 却 过 犹 不 及 因 为 对 于 网 络 容 量 和 突 发 的 控 制 是 足 够 用 的, 但 在 相 对 相 位 控 制 方 面 却 无 能 为 力, 只 能 将 突 发 行 为 的 控 制 功 能 放 到 终 端 节 点 上 为 此, 我 们 最 近 提 出 了 在 终 端 节 点 使 用 Linux 的 流 量 控 制 方 法, 与 刚 刚 描 述 的 灵 活 时 间 触 发 的 协 议 类 似, 建 立 一 个 中 心 主 控 终 端 节 点, 完 成 [4] 在 终 端 节 点 建 立, 撤 销 或 更 新 虚 拟 通 道 的 任 务, 从 而 满 足 系 统 的 时 间 要 求 我 们 创 建 了 一 个 建 立 在 灵 活 时 间 触 发 以 太 网 和 Linux 的 系 统 之 上 的 特 定 发 布 - 订 阅 中 间 件, 使 得 两 个 系 统 之 间 应 用 程 序 移 植 图 6 具 有 适 应 性 和 可 重 构 能 力 的 TDMA 协 议 更 加 透 明 对 于 高 可 靠 性 的 应 用, 使 用 主 节 点 备 份 机 制 是 强 制 性 的 这 一 点 已 经 在 灵 活 时 间 触 发 的 CAN 总 线 系 统 中 实 现, 用 于 保 持 更 新 过 程 中 的 主 副 本 同 步 然 而, 这 一 点 必 须 在 基 于 以 太 网 的 环 境 下 做 出 改 变 可 扩 展 性 也 是 一 个 非 常 重 要 的 问 题 最 近 的 一 些 研 究 工 作, 分 析 了 不 同 的 方 法 实 现 灵 活 时 间 触 发 网 络 系 统 的 可 扩 展 性 主 要 做 法 包 括 使 用 多 个 ( 不 限 数 量 ) 的 网 络, 每 个 都 有 其 自 己 的 主 控 节 点 和 网 关, 并 且 在 多 跳 情 况 下 将 本 地 流 量 有 效 分 离 但 是 跨 越 多 个 网 络 的 资 源 预 留 和 同 步 机 制 仍 然 悬 而 未 决 的 问 题 传 统 方 法 无 法 在 同 一 网 络 上 为 不 同 类 型 的 应 用 提 供 服 务 保 障, 特 别 是 在 控 制 质 量 较 差 的 网 络 条 件 下 保 证 系 统 的 性 能 例 如, 在 无 线 网 络 上, 由 于 处 于 开 放 环 境, 会 受 到 信 号 干 扰 和 衰 减 的 影 响, 网 络 质 量 较 差 在 这 样 的 网 络 中, 在 有 线 网 络 中 使 用 的 流 量 控 制 方 法 会 由 于 较 长 的 延 迟 和 更 高 的 丢 包 导 致 无 法 执 行 我 们 研 究 的 重 点 是 为 自 主 机 器 人 提 供 基 本 的 通 信 手 段, 这 项 研 究 属 于 移 动 信 息 物 理 系 统 的 范 畴 为 此, 我 们 为 多 机 器 人 协 同 提 供 了 一 套 定 制 解 决 方 案, 机 器 人 能 够 定 期 分 享 他 们 的 状 态, 并 保 存 在 每 个 机 器 人 在 实 时 数 据 库 中 [5] 这 种 结 构 使 本 地 进 程 访 问 远 程 变 量, 就 像 本 地 访 问 一 样 方 便 采 用 本 地 存 储 的 图 像, 将 网 络 中 的 通 信 延 迟 考 虑 进 来, 将 有 助 于 机 器 人 对 合 作 行 为 做 出 有 效 的 判 断 和 分 析 在 基 于 TDMA 模 式 的 WiFi 无 线 通 信 背 景 下, 允 许 每 个 移 动 单 元, 在 专 用 时 隙 内 按 顺 序 广 播 剩 余 的 实 时 数 据 库 副 本 数 目 节 点 同 步 监 听 网 络 状 态, 而 30

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