普適環(huán)境下智能模型的研究

（1.河南理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 河南 焦作454000; 2. 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京 100083)

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摘 要：

通過分析智能環(huán)境信息交互的特點和研究模型要實現(xiàn)的功能，定義一個動態(tài)智能空間四級模型，在涉及數(shù)據(jù)信息傳遞方面使用MPLS技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)、傳遞過程中達(dá)到了低時延、低丟包率效果；在涉及用戶信息的隱私保護(hù)方面，定義了一種隱私保護(hù)的模型，對用戶在不同身份下的隱私信息提供保護(hù)。

關(guān)鍵詞：普適計算； 智能空間四級模型； 多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)； 隱私保護(hù)模型

中圖分類號：TP 393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)02-0693-03

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Research of intelligent model in pervasive environment

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JIA Zong-pu1， LI Gang1， QIAO Xiao-dong2

(1. School of Computer Science Technology， He’nan Polytechnic University， Jiaozuo Henan 454000， China;

2. School of Mechanical， Electronic Information Engineering， China University of Mining Technology， Beijing 100083， China)

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Abstract:Analyzed the characteristics of information interaction and studied the function that model required， the paper proposed a dynamic intelligent space four levels model， used MPLS technology in the area of data information transmission to realize low time delay and low packet loss rate in the transfer process of data packets; defined a privacy protecting model in the area of users’ information protecting to realize privacy protection for users in their different identities.

Key words：pervasive computing; intelligent space four levels model; MPLS technology; privacy protecting model

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0 引言

普適計算，也稱無處不在計算(ubiquitous computing)。它集移動通信、計算技術(shù)、小型計算設(shè)備上的操作系統(tǒng)及軟件技術(shù)等多種關(guān)鍵技術(shù)于一體，通過將普適計算設(shè)備嵌入到人們生活的各種環(huán)境中，使得通信服務(wù)以及其他基于信息網(wǎng)絡(luò)的各種“以人為中心”的計算和信息訪問服務(wù)在任何時候[1]、任何地點都成為可能，使許許多多的計算設(shè)備通過全球網(wǎng)絡(luò)為使用者提供更加人性化的服務(wù)。普適計算技術(shù)將徹底地改變?nèi)耸褂糜嬎銠C(jī)的傳統(tǒng)方式，不再強(qiáng)迫必須使用鍵盤或鼠標(biāo)等設(shè)備去操縱計算機(jī)，而是讓人與計算環(huán)境更好地融合在一起，不知不覺中達(dá)到計算機(jī)為人服務(wù)的目的。

普適計算的促進(jìn)者希望無論走到哪里，無論什么時間，都可以根據(jù)需要獲得計算能力。通過嵌入到環(huán)境或日常工具中去的計算能夠使人更自然地與計算機(jī)交互。而普適計算的顯著目標(biāo)之一則是使得計算機(jī)設(shè)備可以感知周圍的環(huán)境變化，從而根據(jù)環(huán)境的變化做出自動的基于用戶需要或者設(shè)定的行為。比如：智能手機(jī)感知現(xiàn)在用戶正在開會這個環(huán)境而自動切換為靜音模式，有電話時能夠自動答復(fù)來電者主人正在開會。

基于普適計算的智能空間模型反映了信息空間與物理空間的融合。各種信息設(shè)備、技術(shù)與所處的環(huán)境空間本身融合在一起，使人們在方便享受各種信息帶來的方便時，并不需要去留意技術(shù)或設(shè)備本身。這種智能空間具有了空間的伸縮性，并沒有限定空間的范圍，既可以是一間辦公室或一間教室，也可以是一幢建筑，或者可以大到一個小區(qū)[2，3]、一個城市，在互聯(lián)網(wǎng)這個范疇上還可以指整個世界。但是研究受研究能力和實驗條件的限制，從一個小空間開始。隨著信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，研究的智能空間模型將多個信息技術(shù)大量應(yīng)用于普適計算，包括無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、嵌入式技術(shù)等。

1 智能空間模型的研究

通過分析智能環(huán)境信息交互的特點和研究模型要實現(xiàn)的功能，本文提出智能空間模型來實現(xiàn)智能環(huán)境對信息交互的不同要求。該模型通過對信息單元的分析，提供信息交互機(jī)制并分為四級，即面向信息環(huán)境[4]、面向設(shè)備、面向安全校驗機(jī)制和面向終極用戶。此模型具有在四級信息交互級別上進(jìn)行平滑過渡的特點，充分滿足了智能環(huán)境的要求。

模型的核心是不同級別的動態(tài)信息單元(dynamicinformation unit， DIU)；通過在分級的DIU上建立的聯(lián)系，模型使智能環(huán)境可以在不同的情景模式下轉(zhuǎn)換。給信息單元形式化定義，DIU為一個五元組：DIU= (Iscene，R，ability，context， SV)。其中：Iscene為某種信息表示形式，如溫度信息的文本表示形式或語音表示形式等；R是可以接受或處理Iscene的服務(wù)，如基于語音服務(wù)器的移動語音服務(wù)等; ability是設(shè)備能力，如背投的顯示能力或語音能力；context是Iscene的使用上下文，如相對安靜的會議環(huán)境或需要安全保障的駕駛環(huán)境或在光線暗淡的室內(nèi)看投影的環(huán)境等;SV（security verify）是確保模型中信息安全可靠的校驗機(jī)制，如對交互來的信息進(jìn)行校驗后認(rèn)為不可靠，則向設(shè)備發(fā)出報警信號。動態(tài)信息空間的DIU信息單元具有四個級別：DIU1(Iscene，R)、DIU2 (Iscene ，R，ability)、 DIU3(Iscene ，R，ability，SV)和DIU4(Iscene ，R，ability，context，SV)。圖1是四個DIU的映射關(guān)系。

2 MPLS技術(shù)在模型中的研究

2. 1 MPLS技術(shù)的分析

多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)[5]是一種基于定長標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，在基于MPLS的移動IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下設(shè)計低時延、低切換分組丟包率和具有錯誤恢復(fù)能力的切換方案，對確保模型要求的保證信息準(zhǔn)確、快速傳遞顯得尤為重要。定義交叉路由CR(crossing router)。在層次MAP結(jié)構(gòu)中，交叉路由CR是指CAR和TAR共同使用的一個最鄰近的上層節(jié)點。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

移動節(jié)點MN在移交切換前，先通過當(dāng)前接入路由器CAR收集其他接入路由器AR的網(wǎng)絡(luò)信息NI(network information)，建立預(yù)測信息表，該信息表包括網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志、區(qū)域轉(zhuǎn)交地址RCoA、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載是AR自身給出的參數(shù)，而不是其他節(jié)點給出的評價參數(shù)，用數(shù)字表示，數(shù)字越大，負(fù)載越重。移動節(jié)點根據(jù)自身對服務(wù)的要求(如負(fù)載較輕)，從預(yù)測信息表中選擇一個適合自己的節(jié)點作為移交切換的目標(biāo)接入路由器TAR，并將選擇信息發(fā)送給當(dāng)前接入路由器CAR。若MN移交切換失敗，它將回到CAR下，重新向CAR發(fā)起移交請求，CAR計算MN前后移交切換請求的時間差，決定重新收集其他AR的網(wǎng)絡(luò)信息還是直接將已建立的預(yù)測信息表發(fā)送給MN。

2. 2 預(yù)測式MPLS移交切換算法及切換流程

while (MN有切換需求){

a)MN向CAR發(fā)送移交請求，請求CAR收集其他AR的網(wǎng)絡(luò)信息NI；

b)if(MN是首次發(fā)送移交請求‖與上次移交請求時間差>T)/* T為路由更新時間，在目前采用的新路由算法中，一般每10 s更新一次。

{ CAR收集NI，更新預(yù)測信息表，并將信息表發(fā)送給MN；} else轉(zhuǎn)f)；

c)MN根據(jù)預(yù)測信息表選擇一個TAR，并發(fā)送給CAR；

d)CAR向TAR發(fā)送移交請求；

e)TAR查找其與CAR的CR節(jié)點，建立TAR與CR之間的LSP(圖2)；

f)MN進(jìn)行切換，在MN從CAR脫離至連接到TAR期間，CN或HA發(fā)送MN的數(shù)據(jù)包被CR截獲，并發(fā)送給TAR，TAR將數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存；

g)if(MN切換成功){ MN和TAR完成綁定更新BU工作；}else MN回到CAR，轉(zhuǎn)步驟a）；//切換失敗

h)TAR進(jìn)行應(yīng)答，并將CN或HA發(fā)往MN的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給MN；

}

在移動MPLS網(wǎng)絡(luò)中，預(yù)測式移動MPLS切換流程如圖3所示。MN向CAR發(fā)送移交請求，請求CAR收集其他AR的網(wǎng)絡(luò)信息NI。CAR收到移交請求后，通過逐級鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制收集NI，建立預(yù)測信息表，并將信息發(fā)送給MN；MN根據(jù)自身對服務(wù)的要求(如負(fù)載較輕)，從預(yù)測信息表中選擇一個適合自己的節(jié)點作為移交切換的目標(biāo)接入路由器TAR，并將選擇信息發(fā)送給當(dāng)前接入路由器CAR。CAR根據(jù)MN的選擇信息向TAR發(fā)送移交請求，告訴TAR不久會有一移動節(jié)點移至其下。TAR收到CAR的請求后立即進(jìn)行應(yīng)答，并查找TAR與CAR的交叉路由 CR節(jié)點，提前建立好TAR與CR之間的LSP(圖2)，然后等待MN的切換。MN從CAR脫離至連接到TAR期間，CN或HA發(fā)送MN的數(shù)據(jù)包被CR截獲，并發(fā)送給TAR，TAR將數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存。根據(jù)L2觸發(fā)機(jī)制，MN從TAR的路由廣播中得知自己所在的鏈路層地址LCoA，并向TAR發(fā)送綁定更新BU；TAR進(jìn)行應(yīng)答，并將CN或HA發(fā)往MN的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給MN，此后MN就可以與CN通信了。

2. 3 仿真分析

在RedHat Linux 9.0操作系統(tǒng)下，在NS-2.27仿真器上加裝Hierarchical MPLS補(bǔ)丁開發(fā)本文所需要的MPLS模塊功能進(jìn)行仿真。CN(HA)至AR的鏈路配置是：分組的傳輸延遲為10 ms，帶寬為10 Mbps；無線鏈路采用802.11協(xié)議，鏈路帶寬為2 Mbps，延遲為64 μs；移動節(jié)點在MAP域內(nèi)和域間來回移動12次，移動速度v是變化的，發(fā)送恒定比特率(CBR)的間隔時間為10 ms。

在圖4(a)中，本文方案的切換時延約為250 ms，比MMPLS(550 ms)和MIPv4(400 ms)分別降低了300和150 ms。這是因為本文方案通過定義預(yù)測信息表和預(yù)測式MPLS移交切換算法，使得移動節(jié)點MN在移交切換前，選擇目的接入路由器TAR，TAR提前完成其與交叉路由器CR的LSP建設(shè)，節(jié)約了時間。圖4(b)中，本文方案的丟包率比MMPLS和MIPv4都低，約0.5％。在MN以較慢的速度移動時，區(qū)別最明顯。且新鏈路上LSP的建設(shè)在MN移交之前就完成了，所以丟包率隨MN移動速度變化不大。

3 隱私保護(hù)在模型中的研究 

3. 1 隱私保護(hù)的需求

在普適計算的環(huán)境下，由于其自身所具有的動態(tài)特性，使得進(jìn)行隱私保護(hù)[6]具有一定難度。因為所進(jìn)行的操作既要達(dá)到一種真正的不可見和無處不在，與外界不發(fā)生任何相互作用，又要滿足用戶的需求，這對用戶來說也是至關(guān)重要的。為了實現(xiàn)這些要求，環(huán)境中的信息設(shè)備通過對系統(tǒng)內(nèi)其他信息實體進(jìn)行資源的獲取和共享使其本身具備大量的信息，包括所有用戶的個人信息。因此，當(dāng)包括用戶個人信息在內(nèi)的資源被信息設(shè)備進(jìn)行檢索、傳遞、共享時，用戶本人也許并不知情。

隨著信息設(shè)備存儲、感知等能力的增強(qiáng)，以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)展，而在普適環(huán)境下計算機(jī)對人們服務(wù)時進(jìn)行的操作是透明的方式，這就對用戶的隱私信息構(gòu)成了威脅。針對這些威脅和侵害，在設(shè)計四級空間模型時在第三層面向安全校驗機(jī)制中嵌入隱私保護(hù)模型。

3.2 隱私保護(hù)模型的設(shè)計

考慮普適環(huán)境下各種因素的動態(tài)變化，包括不同用戶在不同環(huán)境下因身份的不同對需要的隱私保護(hù)的級別與機(jī)制也不同；包括不同環(huán)境下因社會、法制及道德規(guī)范的約束尺度不同對隱私保護(hù)的限制程度也不同；包括不同的場景中涉及到的信息設(shè)備及設(shè)備所能提供的信息量的不同對所能實現(xiàn)的隱私保護(hù)的結(jié)果也不同，等等。

在綜合考慮了訪問控制方法和各個對隱私保護(hù)能夠產(chǎn)生影響的因素之后，筆者提出了基于優(yōu)先級別的隱私保護(hù)模型（preferred privacy level protect model）：

PPLPM=user ((L、M、S)，T，C，UI，IV，IR，IU)

其中：L代表法律(law)；M代表市場道德標(biāo)準(zhǔn)(market moral norms ); S代表社會環(huán)境(social surroundings); T代表應(yīng)用的技術(shù)方法(technology); C代表一組上下文相關(guān)的變量(a set of contextual variables); UI代表用戶信息(user information)；IV代表信息的準(zhǔn)確性(information veracity); IR代表信息的接收者(information receiver); IU代表信息的用途(the type of information use)。這些參數(shù)相互聯(lián)系、相互依存，通過各自不同的選配，能夠?qū)崿F(xiàn)實時環(huán)境下動態(tài)的隱私保護(hù)機(jī)制，為各個用戶在不同環(huán)境中、不同的時間段提供隱私保護(hù)。隱私保護(hù)模型如圖5所示。

M教授是某研究部門的研究員，在工作地點M教授的移動設(shè)備PDA會通過與研究室的信息設(shè)備建立聯(lián)系，獲得最新的工作信息。在這個環(huán)節(jié)中，身份集合反映的是他作為研究員的身份，(L、M、S)集合會生成相應(yīng)此環(huán)境的信息保護(hù)的要求，通過上下文變量建立信任機(jī)制，判別M教授這個用戶的優(yōu)先級別，選用相應(yīng)的保護(hù)辦法，最終實現(xiàn)對M教授的隱私保護(hù)；如果M教授在辦公地點通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與外界進(jìn)行聯(lián)系， (L、M、S)集合對此生成的隱私保護(hù)的要求會發(fā)生改變，相應(yīng)的其他參數(shù)也會發(fā)生變化，如信息的接收方是誰、信息的用途、信息的準(zhǔn)確性等，保護(hù)辦法還要涉及對M教授所處物理地址的保護(hù)。

用戶使用的每個身份管理設(shè)備[7]中，允許這些設(shè)備依靠上下文關(guān)系顯現(xiàn)不同的關(guān)于用戶身份的集合。在普適環(huán)境下，這些設(shè)備在整個操作環(huán)境中應(yīng)該與其他設(shè)備相互聯(lián)系進(jìn)行相互作用，因此設(shè)備不會僅限于與某個用戶發(fā)生聯(lián)系。在這種基于上下文引導(dǎo)的普遍適應(yīng)的身份管理中，用戶可以察覺到他沒有設(shè)置的操作的發(fā)生，并進(jìn)行相應(yīng)的控制，以此來實現(xiàn)隱私保護(hù)。

為了對用戶身份的集合進(jìn)行準(zhǔn)確的顯現(xiàn)，對管理設(shè)備的構(gòu)造有如下要求：a)具有上下文感知能力；b)能夠合理選擇用戶的身份；c)能夠準(zhǔn)確地設(shè)定相關(guān)參數(shù)來反映環(huán)境；d)能夠滿足相應(yīng)的服務(wù)。

4 結(jié)束語

本文為普適計算環(huán)境下的智能空間設(shè)計了一個四級模型，在數(shù)據(jù)等信息傳送方面采用了MPLS技術(shù)，即定義了預(yù)測信息表和預(yù)測式MPLS移交切換算法，以及對LSP結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，實現(xiàn)移動節(jié)點在移交切換前就建立好目的接入路由TAR與交叉路由CR之間的LSP。這使得數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)、傳遞過程中達(dá)到了低時延、低丟包率的效果，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的快速、準(zhǔn)確傳遞；嵌入了隱私保護(hù)模型，使得在普適環(huán)境中用戶的隱私信息可以得到保護(hù)。這個四級模型不僅能夠應(yīng)用于小范圍的智能空間，如智能教室、智能會議室等，而且為在普適環(huán)境下將智能模型應(yīng)用于更廣闊的空間和領(lǐng)域創(chuàng)造了可能。在不久的普適計算時代，人們能夠充分地享受到計算機(jī)給人類帶來的更大的方便、快捷和舒適。

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