下一代互聯網的信息物理融合發展綜述

周楊，秦嘉杭

（南京財經大學 信息學院，南京 210046）

引 言

現有互聯網系統地址缺乏，協議不完善，安全問題嚴重，已經成為人們的共識，但是僅僅改善這幾個方面，就可以稱為“下一代”互聯網嗎？很明顯，針對現有互聯網的修補與完善，無論是技術上還是結構上都不是革命性的，稱之為“下一代互聯網”有些牽強。而集計算、通信與控制功能于一體的信息物理系統，不僅使物與物緊密相連，也可以使人與物實現實時的互動，突破虛擬世界與現實世界的界限，同時也突破了現有互聯網的局限，使之更接近“下一代”互聯網的定義。本文介紹了CPS（Cyber Physical System，信息物理融合）的概念、研究熱點以及最新應用。

1 CPS簡介

CPS作為計算進程和物理進程的統一體，是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統，實現多個系統間的互聯互通。CPS的概念最早是由美國國家基金會在2006年提出，并在2007年由美國總統科學與技術顧問委員會（PCAST）將CPS作為網絡與信息技術領域的第一提案。2008年，美國CPS指導小組在《CPS執行綱要》中，把CPS應用放在交通、國防、能源、醫療、農業和大型建筑設施等方面。可見美國將CPS作為基礎設施建設，投入大量資金扶持相關產業。

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

在國內，CPS也受到了重視，國家自然科學基金、“973計劃”與“863計劃”都將其列為重點。西方發達國家對CPS的研究也剛剛起步，所以我國完全可以在此領域競爭關鍵技術的主導權。

2 研究熱點

CPS是圍繞現實世界中的人與物構建的一個龐大的、復雜的實時系統，人們可以通過這個系統感知世界，還可以對所有連接這個系統的物體發出指令。可見，擁有眾多復雜功能的CPS系統是多學科交叉的前沿研究領域，其中的研究熱點包括網絡融合、節點接入與管理、系統安全等。

2.1 網絡融合

CPS系統的一個主要功能是實現現實世界物與物之間的互聯，以及人與物的互動，這樣的功能其實就是一個復雜的網絡系統。CPS既要提供同一網絡的水平通信，也要提供不同網絡的垂直通信功能。

現有的網絡，如公共電話網、蜂窩移動通信網、Ad hoc網絡、Wi－Fi、WiMAX、無線傳感網等，因為每種網絡的規模都很大，且結構與通信方式皆不同，所以幾乎不存在使用一種網絡將其他網絡替代的可能，以達到互聯互通的目的。因此，如何使各種網絡通過一種統一的方式連接起來，實現互聯互通，是CPS系統的一個難點，也是當前的研究熱點。

目前網絡融合研究的重點只集中于少數幾種網絡，著重于網關選擇與網絡切換。但CPS網絡具有異構性、深度嵌入、業務種類多、數據量大等特點，且不同的網絡占用頻率不同，數據率有著巨大差異，現有的研究成果還不能解決上述問題。統一的物理層和MAC層協議，使底層對上層“透明”，是未來的研究重點和趨勢。

2.2 節點接入與管理

在無線通信中，節點的移動是不可避免的。如移動蜂窩通信網中，用戶從一個小區到另一個小區，需要經過切換、注冊、更新等一系列動作，才能重新獲得服務。WiMAX中的跨區切換與蜂窩移動通信類似，不過更加復雜一些，因為WiMAX網絡中使用的是IP地址，跨區切換時需要保證地址的唯一性，而蜂窩移動通信中用戶的設備ID是唯一的。WLAN雖然不支持高速移動節點，但是也允許節點的自由移動，且與WiMAX和蜂窩移動通信使用的頻率需要政府發放牌照不同，WLAN使用的是免許可頻率。

現有的解決節點移動的方法一般使用網絡層漫游技術，即改變移動節點的IP地址，如移動IP（MIP）、蜂窩IP（CIP）等，但移動IP與蜂窩IP都不適用于大型網絡。

節點的拓撲控制也是CPS網絡待解決的難點之一。在Ad hoc網絡中，大量節點的頻繁進出會導致鏈路斷裂、路由失效，影響節點之間的通信。如前所述，CPS網絡本身就是一個開放式的網絡，允許各種網絡、各種節點自由接入、退出網絡，且相對于Ad hoc網絡，CPS網絡的規模更大，所以如何定位節點、如何快速得到節點的拓撲、如何快速路由是CPS網絡通信的難題。

同網絡融合一樣，當前對節點的接入與管理也只是局限于同構網絡中，對于異構網絡的節點管理的研究還很少。筆者認為，解決節點的接入與管理問題可以在網絡融合的基礎上進行，若網絡融合技術使用統一的底層協議，則整個CPS網絡則也可以像一個同構網絡一樣運行，CPS網絡中節點接入與控制的復雜性則相應得到大大簡化。

2.3 安全性問題

與互聯網類似，CPS網絡也面臨傳統的網絡威脅，因此安全與隱私問題也是目前的研究熱點。像現有的拒絕服務攻擊、僵尸網絡、身份欺騙、信息竊取等網絡攻擊手段，都是CPS可能遇到的問題，現有的解決方法也可以引入到CPS網絡中。且由于CPS網絡涉及各種物理節點（如傳感器等），攻擊者也可以針對物理節點進行攻擊，使系統接收到虛假信息，這是傳統互聯網沒有涉及的問題。筆者建議在設計CPS網絡的體系結構時，應盡可能多地考慮當前互聯網所遇到的問題，使攻擊者無法或者難以入侵CPS網絡，這一切都應該建立在網絡融合的協議基礎上。

3 CPS應用

一種新技術的誕生可以對現有的行業產生沖擊，并催生出新的行業。如果它是革命性的，則將極大地影響人們的生活。就像互聯改變了人類的生活方式，并產生了互聯網這一新生事物一樣，CPS網絡的誕生也將改變人類世界，其應用包括智能電網系統、智能交通、智能醫療、環境監測、工業控制等。下面將介紹一些CPS的最新應用。

3.1 物聯網

現在國內談論最多的是物聯網，但實質上它只是CPS的一個簡約應用。物聯網的概念最早在1999年被提出，指的是物與物相連的網絡系統。其實質是利用射頻識別（RFID）、紅外感應器、GPS等感應與定位設備，按照預先設定的協議，將任何物品接入網絡，以實現物品識別、定位、監控等功能。物聯網的核心仍然是互聯網，在現有的網絡協議與體系結構上進行有限的擴展，使物品可以方便地接入網絡，便于使用者使用網絡進行實時監控與管理。與前述CPS網絡對比，可以發現物聯網只是CPS網絡的一個簡化版，因為功能較少且技術復雜度相對較低，物聯網可以看做是CPS大規模應用的一個鋪墊。

3.2 智能電網

智能電網一般是指將測量技術、通信技術、自動化與智能控制技術運用到現有的物理電網中而形成的新型電網。當前，我國的風力、太陽能發電發展迅速，不僅環保，而且資源利用率高。但是因為這些分布式電源的發電能力不穩定，會隨著外部環境發生極大的波動，而電網必須平穩，且需要匹配當地電力需求，一旦發生波動，容易產生電網中斷或負荷過載等問題。如何使用CPS系統實時監測、遠程控制等功能，使各種分布式電源精確、安全地接入電網，是典型的CPS應用。由于涉及物理設備眾多，且安全性要求很高，智能電網的應用是一個極大的挑戰。

3.3 智能交通

在國內，隨著城市化進程的加快、人們生活水平的不斷提高，城市日益擁堵，各種事故的發生也日漸頻繁。依靠擴修道路、建設高架、鼓勵公共交通等傳統手段，已無法有效解決上述問題。發展智能交通系統（Intelligent Transport System，ITS）已成為不二選擇。在智能交通系統中，道路、橋梁、路口、交通信號等信息都會被實時監控，這些海量信息都通過系統進行分析、發布、計算，使道路上的車輛能夠實時共享道路信息，而道路管理人員也可以通過該系統實時監控各重點路段的情況，必要時甚至可以發布消息引導車輛行駛，從而改善現有的城市交通狀況。當然，智能交通系統只是CPS應用的一部分，在研究人員的設想中，其目標是零交通事故，不僅使車輛駕駛人員受益，也使步行的人能夠借助該系統避免交通事故，真正做到人與物的融合。

3.4 醫療系統

下一代的醫療系統是使用有線或者無線連接方式將各種醫療設備連接在一起的安全的、可靠的網絡，可以為人們提供高質量的服務。例如：當進行一個手術時，病人的完整病歷信息就會被所有的醫療設備讀取，需要注射某種藥物時，注射設備會自動檢測該病人是否會對該藥物過敏。諸如此類的自動檢測會大大提高治療的安全性，提供更好的個人護理方案。在進行治療時，治療方式和病人的所有反應都會以某種方式傳送給醫生或其他相關人員，以便診斷。當出現特殊病例時，醫療專家會使用遠程系統查看相關信息，并使用遠程醫療設備進行遠程手術操作等。從以上描述可見，下一代醫療系統是以網絡融合為基礎，以各種醫療設備為節點的CPS網絡，還涉及各種信息的融合與分派，且對網絡的服務質量要求很高，不僅傳輸的數據量大，而且要求實時性，這是由醫療系統的特殊性決定的，也是當前互聯網的瓶頸，如何解決這一問題是醫療系統與CPS網絡的共同難題。

結 語

物聯網的研究與運用已經有些成果，而CPS的研究卻剛剛開始。作為CPS網絡的簡化版，物聯網的現有成果都可以為CPS借鑒；而作為CPS網絡的模型，物聯網則可以盡可能地擴展，做盡可能多的嘗試，使其接近CPS網絡的定義，為CPS網絡的發展提供經驗。我國的物聯網發展有一些成果，這是我國在研究CPS系統方面的優勢，如何利用現有成果搶占未來的技術制高點，筆者認為這是一個需要關注的領域。

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