物联网与CPS技术

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1、物联网与CPS技术沈苏彬南京邮电大学2010-6-192主要内容 物联网的定义与内涵 物联网与传感器网络 CPS的定义与内涵 CPS与物联网的关系 物联网和CPS的概念模型 结论2010-6-193ITU关于物联网的定义 ITU于2005年11月发表的报告：http:/www.itu.int/osg/spu/publications/internetofthings/ 物联网主要解决物品与物品(Thing to Thing, T2T)，人与物品(Human to Thing, H2T)，人与人(Human to Human, H2H)之间的连接。2010-6-194从NGN角度给出的定义 IT

2、U从下一代网(NGN)的定义: A new dimension has been added to the world of information and communication technologies (ICTs): from anytime, any place connectivity for anyone, we will now have connectivity for anything NGN是在任何时间、任何地点，互连任何物品，提供多种形式信息访问和管理的网络。2010-6-195提出了物联网的隐私保护 提出了物联网应用最重要的挑战是：隐私和数据保护。 当传感器和智能标

3、签能够跟踪人们的活动、习惯和喜好时，物联网将会使人感觉不自在，不安全。 这种信息的传递已经不是传统意义的上数据“请求/许可”的交互模式，而是T2T或H2T之间持续的、不易察觉的交互2010-6-196提出了物联网生态环境 物联网将产生新生态环境，其中包括人、人体、物品、互联网、以及现有的社会层次: 行政机构、产品和产业、消费者、研发机构等。 这种新生态环境还是以“人”为核心，所以，研究物联网必须采用“以人为本”的战略。2010-6-197NIC研究报告中的物联网 美 国 国 家 情 报 委 员 会 ( N a t i o n a l Intelligence Council, NIC)资助SR

4、I研究未来15年具有破坏性的民用技术，通过对102项技术的识别、评价、研究和实验，2008年4月鉴别出了在2025年前后对美国国家实力(地理政治、军事、经济、社会稳定)可能提升或降低的六项技术： 生物长寿技术，能源存储材料，生物燃料和生物化学制品，清洁煤技术，服务机器人，The Internet of Things: 物联网。2010-6-198NIC给出的物联网定义 “物联网”这个术语最早是由RFID研发社区在2000年前后提出的，其含义表示通过浏览某个特殊的RFID对应的因特网地址或数据库项，发现该标记物体(object)的可能性。 随后有识之士采纳“物联网”这个术语，并扩展了“物品(th

5、ings)”的概念，表示那些通过因特网，可读、可识别、可定位、可寻址、可控制的日常物体，无论是通过RFID、无线局域网、广域网或者其他通信手段。 日常物体不仅包括日常遇到的电子装置，高技术产品，例如车辆和设备，还包括传统意义上不属于电子类的物品，例如食物、服装和帐篷；材料、零件和装配件；商品和奢侈品；地标、边界和路碑；以及所有商业和文化的用品。2010-6-199NIC给出的物联网发展预测 2005年：快速仓储后勤管理等供应链应用 2010年：安防监控、医疗卫生、食品安全、交通、文档管理 2015年：人和日常物体的定位等泛在定位 2020年：远程监测和控制远地物体的物理世界WEB。2010-6

6、-1910NIC对物联网担忧和分析 NIC对物联网主要担忧：由于日常物体都具有信息安全的风险，则物联网将比互联网更加广泛地扩散这种风险。 有益方面：如果处理明智，物联网将为美国经济和军事带来长远益处：降低物流和后勤成本、提高效率、减少人工劳动；融合分布物体上传感器数据，可以阻止犯罪和不对称战争；泛在定位可以定位遗失和被盗物品。 不利方面：无法拒绝敌方、罪犯和恶作剧者对传感器网络、被控对象远程访问；国外制造商可以成为关键物联网连接物品的单一供应源和单故障点；开放的市场只能满足商业利益需要，却成为罪犯和间谍识别可攻击目标的手段，将危害社会稳定。2010-6-1911物品万维网 (WoT)体系结构

7、WoT定义了一种面向应用的物联网，把万维网服务嵌入到系统中，可以采用简单的万维网服务形式使用物联网，这是一个以用户为中心的物联网体系结构。 数据面主要用于数据分组的传递；控制面通过向数据面发送配置报文，优化数据面的吞吐量以及可靠性；知识面提供网络信息视图并提炼网络系统知识；管理面协调和管理数据面、控制面和知识面的交互。 2010-6-1912物品万维网协议栈 STP/SP协议栈和智能层取代传统的TCP/IP协议栈，STP表示智能传送协议(Smart Transport Protocol)和SP表示智能协议(Smart Protocol)；物联网结点的智能层主要用于协商交互结点之间STP/SP的

8、选择，用于优化无线链路之上的通信和数据传送，满足异构物联网设备之间的联网的需求。 2010-6-1913产品电子代码(EPC)网络物流仓储的物联网应用都依赖于产品电子代码(EPC)网络。2010-6-1914EPC网络分层（1）实体和内部层次，该层由EPC，射频标识(RFID)标签，RFID阅读器，EPC中间件组成。这里的EPC中间件实际上屏蔽了各类不同的RFID之间的信息传递技术，把物品的信息访问和存储转化成为一个开放的平台。（2）商业伙伴之间的数据传输层，这层最重要的部分是EPC-IS，企业成员利用EPC-IS服务器处理被ALE(应用层事件)过滤的信息，这类信息可用于内部或者外部商业伙伴之

9、间的信息交互。（3）其他应用服务层，这层最重要的部分是ONS(对象名字服务)，ONS用于发现所需的EPC-IS地址。EPCglobal(全球EPC管理机构)委托全球著名的域名服务机构VeriSign（威瑞信）公司提供ONS全球服务，全球至少有10个数据中心提供ONS服务。2010-6-1915物联网的总体视图 Luigi Atzori, Antonio Iera, Giacomo Morabito. The Internet of Things: A survey, Computer Networks (2010), doi:10.1016/net.2010.05.010 文章提出了物联网总体

10、视图：面向物品、面向互联网、面向语义。2010-6-1916无线传感器网络与物联网 流行的观点：物联网 = 无线传感器网络 + 互联网 ？ 按照“任丰原, 黄海宁, 林闯. 无线传感器网络. 软件学报. 2003, 14(7): 1282 1291”论文的定义： 无线传感器网络是一种“随机分布的集成由传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点，通过自组织的方式构成网络”，它可以“借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号”，并且“传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求.前者以数据为中心,后者以传输数据为目的”。 无线传感器网络 传感器网络 物联网接

11、入网！ 物联网 = 传感器网络 + 物联网核心网！2010-6-1917CPS定义的来源 CPS官方定义源于2007年美国总统科学技术咨询委员会(PCAST)的报告。 该报告把CPS作为建议联邦政府在未来重点投入的“网络与信息技术(NIT)”八个领域中首先优先资助的领域。2010-6-1918PCAST建议优先资助的领域 见2007年8月PCAST报告第31页： The PCAST concludes that eight areas deserve priority by the Federal government: NIT Systems Connected with the Physi

12、cal World; Software; Data, Data Stores, and Data Streams; Networking; High-End Computing; Cyber Security and Information Assurance; Human-Computer Interaction; and NIT and the Social Sciences. As new funding becomes available, the first four areas should receive disproportionately larger funding inc

13、reases because they address issues for which progress will have both the greatest effect on important applications and the highest leverage in advancing networking and information technology capabilities.2010-6-1919PCAST的CPS定义与内涵PCAST于2007年8月发布的报告中定义：NIT (Networking and Information Technology) syste

14、ms connected with the physical world also called embedded, engineered, or cyber-physical systems are essential to the effective operation of U.S. defense and intelligence systems and critical infrastructures (e.g., air-traffic-control, power-grid, and water-supply systems). Cyber-physical systems ar

15、e also at the core of human-scale structures such as vehicles and clinical and home health-care devices as well as large-scale civilian applications such as environmental monitoring, industrial process control, and ground transportation management. These NIT systems, in which computing and networkin

16、g are deeply integrated into other engineered systems, are connected to the physical world through sensors and actuators to perform crucial monitoring and control functions safely and dependably.2010-6-1920CPS的提出和定义 随着处理器、存储器、网络带宽等成本的下降，嵌入式系统广泛应用于许多领域，特别是广泛应用于各类物理设备中，例如飞机、汽车、家电、工业装置、医疗器械、监控装置和日用物品。

17、国际上把利用计算技术监测和控制物理设备行为的嵌入式系统称为网络化物理系统(CPS, cyber-physical systems)或者深度嵌入式系统(deeply embedded systems)，CPS也可以翻译为“信息化物理系统”、“物理设备联网系统”。 2010-6-1921PCAST提出的CPS应用实例 PCAST提出的一个基于传感器和计算机系统的自动防空系统。 这种系统要求准确、稳定、可靠、安全。2010-6-1922PCAST对CPS的分析 CPS的设计、构造、测试和维护难度较大、成本较高，通常涉及到无数联网软件和硬件部件，在多个子系统环境下的精细化集成。 在监测和控制复杂的、快

18、速动作的物理系统(例如医疗设备、武器系统、制造过程、配电设施)运行时，CPS在严格的计算能力、内存、功耗、速度、重量和成本的约束下，必须可靠和实时地操作。 绝大部分CPS系统都是安全关键的系统，必须在外部攻击和打击下能够继续正常工作。 2010-6-1923CPS是一种革命性技术 网络化物理系统(CPS)是信息领域的网络技术、信息技术、通信技术、计算机技术，与物理系统中控制技术、自动化技术的融合。 CPS可以连接原来完全分割的虚拟世界和现实世界，使得现实的物理世界与虚拟的网络世界连接，通过虚拟世界的信息交互，优化物理世界的物体传递、操作和控制，构成高效、智能、环保的物理世界。 从这个角度看，C

19、PS技术是可以改变未来经济和社会发展的革命性技术。 2010-6-1924信息材料就是一种CPS技术 材料技术与信息技术融合构成的信息材料技术本身就是一种CPS技术，信息材料将成为虚拟世界与实现世界连接的桥梁，具有感知的、可穿戴的服装就是信息材料的一种。 信息材料是最为基础的网络化世界与物理世界连接的技术。 小型化、低成本、环保节能的新型材料传感器、显示器等，都是CPS发展中的关键技术。 2010-6-1925CPS是计算技术与控制技术的融合 为了把网络世界与物理连接，CPS必须把已有的处理离散事件的、不关心时间和空间语义的计算技术，与现有的处理连续过程的、注重时间和空间语义的控制技术融合起来

20、，使得网络世界可以采集、处理物理世界与时间和空间相关的信息，进行物理装置的操作和控制。 传统的计算技术只能处理离散的、与时间无法的计算过程，计算技术与控制技术的融合要求重新构造具有时间和空间计算逻辑的计算技术。这是CPS技术在理论上面临的一项重大挑战。 2010-6-1926CPS要求开放的嵌入式系统 CPS系统中的计算技术主要是嵌入式系统，CPS中的嵌入式计算系统不是传统的封闭性系统，而是需要通过网络，与其他信息系统进行互联和互操作的系统。 CPS要求的嵌入式系统是一种开放的嵌入式系统，需要提供标准的网络访问接口和交互协议，标准的计算平台和服务调用接口，标准的计算环境和管理界面。 传统嵌入式

21、系统的正确性和可靠性主要依赖于穷举法测试，作为封闭的传统嵌入式系统可以穷举所有的可能事件，在开放环境下无法做到。开放的CPS的安全性和稳定性是一个技术难题。2010-6-1927CPS要求高安全性和高可靠性 CPS把计算技术带入了与国家基础设施、人们日常生活密切相关的领域，CPS大部分应用领域类似于军事、医疗、食品卫生这样的安全敏感的领域，CPS的技术和产品需要经过政府严格的安全监督和认证。 原来信息技术领域习以为常的“免责”条款将不再适用，CPS技术和产品必须成为高可靠的、行为确定的产品，CPS技术要求可靠和确定的嵌入式系统。 CPS真正要求可信计算、可信软件和可信网络！这是的“可信”表示行

22、为可以预测的。 2010-6-1928CPS中的科学问题 控制颗粒度的矛盾，即离散事件与连续过程之间的矛盾。现在采用线程/进程的计算抽象体系无法满足于物理系统连续控制的颗粒度要求 离散事件调度控制机制与微积分方程控制模型 时间与速度的矛盾，缺乏时间语义的编程语言，无法满足物理系统实时控制和处理的要求 现有的计算要求时间越短越好，时间不具有语义，时间只代表性能；现有的物理系统不能慢、也不能快，需要限定的时间语义。2010-6-1929物联网与CPS 流行的观点：“物联网包含于CPS” 在应用领域，我们把可以信息/网络技术连接物理世界物体的系统称为物联网； 在技术研发领域，我们把实现物理世界的物体

23、与虚拟世界的信息关联的技术体系称为网络化物理系统。 物联网是IoT这类网络系统的外在表现形式，CPS是IoT这类网络系统的技术内涵。这是从两个不同角度对未来一种特定网络的描述。 我们的观点：物联网与CPS是虚拟世界与物理世界融合的不同侧面，两者不存在包含关系。2010-6-1930一种物联网概念模型 我们提出了一种物联网概念模型，我们认为，目前较为混乱的物联网研发是由于不同视图造成的混乱。2010-6-1931虚拟与现实世界融合 物联网与CPS属于虚拟与实现世界融合的不同侧面，工业的信息化是一个实例。2010-6-1932结论（1）虚拟世界与现实世界融合是社会发展的必然趋势（2）物联网是虚拟世界与现实世界融合的实际系统。（3）CPS（网络化物理系统）是虚拟世界与现实世界融合的核心技术。（4）物联网意境是：车在互联网中，每个车辆成为物联网的一个移动结点；人在互联网中，每个人都成为物联网中的一个移动结点。（5）物联网一定依赖于传感器，但传感器网络并不等于无线传感器网络；传感器网络属于物联网的组成部分，而无线传感器网络主要用于信息采集和传递。 2010-6-1933谢谢！若观点或论据存在偏差，敬请批评指正！