分布式普适系统调研报告
摘要 ：普适计算是一种适合 21 世纪的新计算模式，它是信息定问与物理定问的融合。 本调研介绍了普适计算的概念、特征、用途及其相关技术，阐述了普适计算的发展和应用前景，然后阐述了当前的主要研究问题及其现状，并说明了涉及的一些关键性技术，并概述了普适计算的产品和应用情况。最后简述了普适计算面临的重要安全挑战。
关键词：普适系统；普适计算；人机交换；透明；安全挑战
随着移动和嵌入式计算设备的引入，出现了以不稳定行为特征的分布式系统-分布式普适系统。计算机及其相关技术的发展，通信能力和计算能力的价格正变得越来越便宜，各种新形态的传感器所占用的体积也越来越小。 由于对生产效率、生活质量的不懈追求，人们开始希望能随时随地、无困难地享用计算能力和信息服务，由此带来了计算模式的新变革，这就是计算机模式的第三代——普适计算时代。在普适计算时代，各种具有计算和联网能力的设备将变得像水、电、纸、笔一样，随手可得。人与计算机的关系将发生革命性的改变，变成一对多、一对数十甚至数百，计算机的使用不再局限于桌面，它将被渗透到我们的学习、工作、以及日常的生活空间中，变为手持或可穿戴的设备，与我们日常生活中使用的各种器具融合为一体。
1.普适计算的原理
1.1 普适计算的简介
普适计算的思想是由 Xerox 的首席执行官 MarkWeiser 在 1991 年提出的，是一种能包含各种设备的计算模式，其重点在于提供面向客户的、统一的、自适应的网络服务。在普适计算时代，计算机主要不是以单独的计算设备的形态出现，而是采用嵌入式将处理器、存储器、通信模块和传感器集成在一起，以信息设备的形式出现，在任何时间、任何地点都可以提供任何方式的服务。因此普适计算是指在普适环境下人们能够使用任意设备、通过任意网络在任意时间都可以获得一定质量的网络服务技术。
主要针对移动设备，比如信息家电或某种嵌入式设备，如掌上电脑、车载智能设备、笔记本计算机、手表、智能卡、智能手机（具有掌上电脑的一部分功能）、机顶盒、POS销售机、屏幕电话等新一代智能设备。普适计算设备可以一直或间断地连接着网络。与Internet、Intranet及Extranet连接，使用户能够随时随地获取相关的各种信息，并做出回应。
1.2 基本概念和特征
普适计算指的是无所不在、随时随地可以进行的一种计算方式，涉及的技术包括移动通信技术、小型/微型计算设备制造技术、微型操作系统技术及软件技术等。桌面计算致力于把人置于计算机所创造的虚拟世界里，而普适计算则是使计算机融入人的生活空间，形成一个“无时不在、无处不在而又不可见”的计算环境。普适计算的重点在于提供面向客户、无处不在的自适应计算环境。在普适计算环境中，人们可以“随时随地( 或无所不在)”和“透明”地获得数字化服务。也就是说，随时随地和透明性是普适计算最重要的两个特征。其中“随时随地”是指人们可以在工作和生活的任何场所获得服务，而不用端坐在计算机前。 “ 明” 是指获得这种服务的方式十分轻松自然，这种服务的访问甚至可以在用户没有觉察的情况下由系统主动提供。普适计算的另一个重要特征是自适应性，这也是人本计算的核心，实际上是强调如何有效感知物理空间、信息空间乃至设备位置和人的行为变化，以使系统动态调整自身的行为。由于计算能力的无所不在，由通信和计算机构成的信息空间将与人们生活和工作的物理空间融为一体，成为真正的智能空间。
普适计算可以降低设备使用的复杂程度，使人们的生活更轻松、更有效率。 在普适计算时代，计算机通常不是以单独的计算设备的形态出现，而是采用将嵌入式处理器、存储器、通信模块和传感器集成在一起，以各种信息设备的形式出现。 这些信息设备集计算、通信、传感器等具体功能于一身，能方便地与各种传统设备结合在一起。不仅如此，目前的各种日常设备届时也将演变成信息设备。信息设备可以轻易地通过无线网络互连并与互联网连接，按照用户的个人需求提供个性化服务。在普适计算环境中，每个设备都需要响应或预测用户的各种需求，同时每个设备和整个环境都需要保持对环境中每个用户的非妨碍状态，无需用户分散精力进行干预。如果有一天，计算和信息传递不再是一种工作或者技能，而成为人们日常生活中自然的一部分，那么就可以说，我们达到了普适计算的理想境界。
从软件系统的角度来讲，普适计算是指使用小型计算设备在位置不断移动的过程中或在地理位置分布很广的范围内，在不稳定的通信条件下实现联机事务处理和企业核心数据访问。 这些小型计算设备，具有多种通信手段，如移动通信网络、卫星等，能与互联网或企业内部网相连，但这种连接不是固定的连接，而是间断的连接。普适计算的软件技术使用户可以使用这些设备进行复杂的联机事务处理和信息访问，因为所使用的设备体积小，可用的计算资源(内存、存储设备和 CPU) 都相当有限，大部分处理工作由计算中心的数据服务器和应用服务器完成。
1.3普适计算技术的特点
普适计算的特点是将集计算、通信、传感功能于一身的各种信息设备通过无线网络与互联网连接有效的组织起来，并按照用户的个性需求进行定制，以嵌入式产品的方式呈现在人们的工作和生活中—— —或者手持，或者可穿戴，甚至是与人们日常生活中所碰到的器具融合在一起为人们提供一种随时随地、随环境自适应的各种服务，最终目标是将由通信和计算机构成的信息空间与人们生活和工作的物理空间融合为一体。这种融合体现在两个方面。首先，物理空间中的物体将与信息空间中的对象相互关联。 其次，人们在操作物理空间物体的过程中，可以同时透明地改变相关联的信息空间中对象的状态，反之亦然。在普适计算建立的这个融合空间中，人们可以“ 随时随地” 并“ 透明” 地获得数字化的服务，而不用端坐在计算机前。“ 透明” 是指获得这种服务的方式十分轻松自然，这种服务的访问方式甚至可以在用户没有察觉的情况下由系统主动提供。从某种意义上说，计算机好像隐身了——这也是普适计算最重要的特征。
2.计算模式的发展
第一代，主机型计算(Mainframe computing)是很多人共享一台大型机。在主机计算时代，人与计算机的关系是多对一的关系，信息空间与我们生活的物理空间是脱节的，计算机的应用也局限于科学计算领域。提高计算本身性能、功能是我们的工作重点。
第二代，个人机计算(personal computing)是一个人在一台电脑上。在桌面计算时代，人与计算机的关系是一对一的关系，信息空间和我们的生活有了一定的联系，计算机开始应用于企业管理、金融分析等领域。如何协调多个计算机工作以及如何共享和搜集、分类资料是我们的重点。
第三代，普适计算(pervasive computing)是许许多多的设备通过全球网络为许多人提供人格化(个性化)的服务。随着计算机技术的飞速发展，将要带来计算模式的第三次革命，即普适计算时代。在普适计算时代，人与计算机是一对多的关系;同时计算机主要不是以单独的“主机+显示器”的设备出现，而是采用将嵌入式处理器、存储器、通信模块和通信、传感功能于一身。不仅如此，信息设备还可以十分廉价地通过无线网络与Internet连接，并按照用户的个性需求进行定制，以嵌入式产品的方式呈现在人们的工作和生活中。结果是由通信和计算机构成的信息空间将与人们生活和工作的物理空间融为一体，人们再也不需要常常坐在电脑桌和计算机交互了。计算机已经从人们的视线中消失，变得空气、水、土壤一样重要
而且无所不在，但是你已经不大注它的存在了。计算机已经以你为中心，默默地提供你所需的服务。
每一种计算模式都会带动适合其特点的计算机科学术的发展。主机计算模式促进了分时操作系统的发展;而面计算模式则带动了个人操作系统、图形用户界面、多媒等技术的发展。同样地，普适计算势必要求发展与其相适的计算机科学理论和技术，而这绝不是对目前桌面计算模孕育的现有理论和技术的简单线性扩展，因为现有的计算技术还存在一些不足，因此难以满足普适计算模式的要求。
3.当前研究状况
3.1 一些著名的研究项目
普适计算的概念于20世纪90年代初提出，但当时并没有所需的硬件技术基础，只实现了一个原型。随着近十年技术的进步，普适计算的许多关键元件已有了商业产品，如手持和可穿载( wearable) 计算机、无线局域网、传感和控制家用电器的器件等。因此，90 年代末以后，一些著名大学和工业界相继出现了各种普适计算的研究项目，如MIT 的 Oxygen、CMU 的 Aura、Illinois 大学的 Gaia、美国加州大学 Berkeley的 Endeavour、Washington 大学的 Portalano、IBM 的 DreamSpace、Microsoft 的 EasyLiving、欧盟资助的Disappearing Computer、韩国科技部的 UT 项目和国内清华大学的 SmartClassroom等。
Oxygen 指出计算机在未来将普遍存在，就像我们呼吸的空气中的氧一样，以人为中心处理目标，并能自动适应用户的需求和工作的变化。Aura 指出在普适计算中“ 人的注意力” 是最为宝贵的资源，其目标是为每个用户提供一个不用关心位置的计算和信息服务的 “ 个人信息光辉( Aura)” 。Illinois 大学的 Gaia 项目将传统的计算机系统延伸到各种设备以及围绕机器的新型物理空间，并将这种物理 环 境 带 入 日 常 生 活 中 。 IBM Watson 研 究 中 心 的DreamSpace 项目允许用户在共享空间合作。系统可以“ 听”声音命令，“ 看” 手势和身体位置，像人那样进行人机交互。计算机能理解用户，用户可以自由地专注于理解和思考实际对象和信息，最小程度地被计算机限制和分散精力。Microsoft 的 EasyLiving计划建立智能环境，方便人与人、计算机和设备的交互，使计算机使用更方便。未来的居家和办公室里，计算机就像电灯一样自然，通过计算机视觉，保持跟踪人，响应声音和手势命令。
3.2 主要研究问题
目前，各国的研究主要集中在以下几个方面。
( 1)普适计算的理论建模
普适计算作为一种全新的计算模式，横跨多个研究领域如移动计算、嵌入式系统、自然人机交互、软件结构等，具有前所未有的复杂性与多样性。亟待一种统一完备的建模体系，准确、客观地表达普适计算所特有的普适服务的“ 无所不在”时空特性、“ 自然透明”的人机交互模式以及“ 以人为本” 的根本理念，从而为普适计算系统的分析、设计、实施、部署和评估等提供多方面的理论指导，为可扩展性、可维护性、自适应性、易用性及标准化等提供模型层面的支持。
( 2)自然人机交互
普适计算以人为中心的特点迫切需要和谐、自然的人机交互方式，即能利用人的日常技能进行交互，具有意图感知能力。与传统的人机交互方式相比，它更强调交互方式的自然性、人机关系的和谐性、交互途径的隐含性以及感知通道的多样性。普适计算环境中，交互场所将从计算机面前扩展到人们生活的整个三维物理空间，交互方式应适合于人们的习惯并且尽可能不分散用户对工作本身的注意力。和谐自然的人机交互是实现普适计算环境，使其脱离桌面计算模式的关键所在。从技术上看，键盘、鼠标、显示器等输入输出设备要实现多样智能化，首先需要实现与环境的良好交互，并且需要进一步研究语音识别、手写输入、电子纸、肢体语言识别(如人的手势、脸部表情)和多模式人机交互方式。
( 3)上下文感知
自动感知物理空间中对象与环境的状态信息及其变化是普适计算的重要特征。 感知上下文计算利用上下文信息向用户提供高效的信息交互，并提高服务的针对性。常见的上下文信息包括时间、位置、场景等环境信息，屏幕大小、处理能力等设备信息以及用户身份、操作习惯、个人喜好、情绪状态等用户信息。上下文感知技术是实现服务自发性和无缝移动性的关键，涉及上下文信息感知和表述、上下文建模和推理、上下文感知应用等多个方面，主要涉及环境内容和交换策略、管理和利用多媒体内容的适应性模型、自适应技术和结构等问题。
( 4)普适网络
普适计算环境是一种普遍互连的网络环境，这种网络环境中包括各种无线网络、互联网、电话网、电视网等，还包括 RFID网络、无线传感器网络、GPS网络等多种不同类型的网络。 普适计算网络支持异构环境和多种设备的自动互连，对环境的动态变化具有自适应性，提供无处不在的通信服务。 当前普适计算网络的研究主要集中在无线和移动网络、ad hoc 网络、无线传感器网络、P2P 等。
( 5)智能空间
智能空间是一个嵌入了计算机、信息设备和多模态传感器的工作空间，目的是使用户能够方便地访问信息和获得计算机的服务，进而高效地实现个人目标和与他人协同工作。 智能空间可以在不同尺度上得到体现，以家庭、办公室、教室、超市或机场等离散环境为基础，逐步实现互连并扩大至全球。
( 6)系统软件
普适计算的系统软件对普适计算环境中大量联网的信息设备、智能物体、计算实体进行管理，为它们之间的数据交换、消息交互、服务发现、任务协调等提供系统级支持。由于普适计算环境存在任务动态性和设备异质性等特点，普适计算系统软件需要解决设备与服务的发现与自适应等问题，实现对物理实体的管理以及模块间的协调机制，同时还要保证系统的鲁棒性和安全性。
( 7)信息捕获和传输
普适计算环境下，人们周围存在大量的信息，捕获采集有用信息，为用户提供服务是至关重要的。同样，信息传输也是必须解决的问题，这涉及信息传输策略、网络传输协议和网络带宽资源合理使用等问题。
( 8)硬件制造技术和电池技术
普适计算对硬件技术和电池技术提出新的要求。硬件方面，要求显示设备尺寸小型化，芯片要节能。同时，在普适计算环境下人们对小型、廉价、高能量电池的需求会越来越多。
( 9)安全隐私
在普适计算环境下，安全隐私显得更为棘手，因为无所不在的网络将随时随地为人们提供服务，反过来人的隐私和安全更加难以保障。传统的用户授权和访问控制方式无法适应分布式网络和普适计算的需要，必须提出不同的解决策略，包括硬件和软件方法。此外，通过立法、修改完善法律等手段约束和规范人们的行为，有效阻止犯罪。
4.关键技术
普适计算涉及的技术包括移动通信技术、小型计备制造技术、微型操作系统技术及软件技术等。普适主要针对移动设备，比如信息家电或某种嵌入式设掌上电脑、BP 机、车载智能设备、笔记本、手表、智能能手机、机顶盒、POS 销售机等新一代智能设备。
5.产品和应用情况
普适计算时代将产生覆盖全社会的有线、无线混合网络，称为普适网络，世界上的所有物品都将连接在普适网络之中。人们可以在任何地方，用各种方便的方式访问普适网络所提
供的信息资源。普适计算的目标之一是使得计算机设备可以感知周围的环境变化，从而根据环境的变化自动做出基于用户需要或者设定的行为。作为新一代的计算模式，普适计算的应用领域极其广泛，几乎涵盖了人们日常生活的各个领域。与此同时，普适计算带来许多新的机会，数字家庭就是其中之一，它将改变人们未来的生活方式。数字家庭能通过家庭网关将宽带网络接入家庭，家庭内部的网络可以是无线或有线的。在家庭内部，手持设备、PC 或者家用电器通过有线或者无线的方式连接到网络，从而提供了一个无缝、交互和普适计算的环境。 下面介绍几种与普适计算相关的具体产品和应用。
ZigBee 产品： 韩国手机制造商Curitel 公司在 2004 年底展示了该公司推出的 ZigBee 手机。ZigBee 是一种短距离、低速率无线网络技术方案，是一种介于 RFID和蓝牙之间的技术，主要用于近距离无线连接，是一种更加简单和实用的无线网络协议。ZigBee 的前身是 1998 年由 Intel、IBM等产业巨头发起的 HomeRFLite 技术。目前，ZigBee 的网络标准由 IEEE 802.15 工作组负责制订，被称作 IEEE802.15.4 技术标准。ZigBee 建立在 802.15.4 标准之上，使用直接序列扩频技术收发电波，利用 2.4 GHz频段、868 MHz频段、915 MHz频段。一次调制方式使用 O-QPSK时，最大数据传输速度为 250 kbit/s.
智能尘埃： 早在 20 世纪末，有关智能尘埃的报道就吸引了无数的眼球。美国加州大学 Berkeley开发出了一种新型侦察用微型探测器，取名“ 智能尘埃”。该探测器小到可装进一个阿斯匹林药片大小的塑料容器内，可用于侦察近距离敌方的活动情况。 这项研究目前已经到了实地测试阶段。实际上，除了军事用途之外，智能尘埃在技术上和工程上也有着广泛的应用。 1999 年美国加州大学一份研究报告声称，只需利用市场上现有智能尘埃产品，便可在 5 mm的体积内装上温度、湿度、大气压力、光强、倾斜、振动和磁场的传感器，双向无线电通信装置，微处理器控制器和电池，通信距离可达 20 m。智能尘埃的体积微小，具有无线联网能力，而且价格非常便宜。使用功能不同的智能灰尘可以迅速搭建一个灵活的智能化计算环境—— —普适计算环境。人们预测，2010 年左右，各种类似的产品会大量面市，在军事、商用和民用等领域发挥重要作用。
RFID 标签： 射频识别，又称电子标签( E-Tag)，是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术，具有快速、实时、可重复使用、穿透性强、环境适应性强、数据容量大等多种优点，可广泛应用于制造、零售、物流、交通等各个行业。通过给所有物体贴上电子标签，RFID实现了物理空间中物体与信息空间中对象的绑定，为构建普遍的智能物体提供了一种切实可行的途径，使其可能成为构建普适计算环境具有现实意义的重要基础技术。RFID 系统产生的数据蕴含了丰富的关于物理世界和人类行为的信息，具有重要的研究和应用价值。 在普适计算领域，RFID数据可以为应用提供丰富的上下文信息。RFID 技术可以用于位置感知，还可以用于实时感知物理空间中物体的存在并跟踪其流动；通过分析人们日常生活中与物品交互过程所产生的 RFID事件序列，还可以发现人的行为模式特征，为应用提供更高层次的上下文信息。
智能汽车： 在汽车上可嵌入小型计算、信息和传感设备，用来控制燃料的使用，并根据温度和气压调整发动机的运转。这些部件彼此相连，并把测出的数据作为汽车运行保养的分析基础数据。当汽车修理时，修理人员插入一个计算机连接器件，获取这些数据来进行分析。还可以增加复杂的数据连接功能，如连接到全球定位系统，让司机准确获知当前的位置，与电子地图相连，输入目的地，显示出到达目的地的最快路径，以及连上互联网其他信息，如天气预报、饭店的地址和电话等。完善的数据连接功能可以为用户提供更多的服务。
其他应用： 借助于普适计算提供的无所不在的信息服务，人们能在任何地点、任何时候访问信息服务网络，比如预定比赛门票，利用电子家庭解决方案令人们生活更方便舒适。纸质书本被廉价、轻便的交互式媒体所替代，学习方式也会有所变化。青少年在家可以和远方朋友实现面对面高质量影音交流；驾车将是一项更为轻松愉快的活动；嵌入GPS的汽车
可以帮助导航，提供旅游咨询，还有近乎完美的防盗服务等。目前，IBM已将普适计算确定为电子商务之后的又一重大发展战略，并开始了端到端解决方案的技术研发。IBM公司认为，实现普适计算必须让计算机学会理解人的表情、感受，最终让人以最自然的方式使用计算机。
6.普适计算面临的重要安全挑战
普适计算环境是信息空间与物理空间的融合，该环境需要将用户信息、基础设施、移动设备、通讯资源等相互融合，同时这些信息又需要有相应的安全保护。 然而现有的安全策略与安全控制机制已不能应对普适计算模式下的新挑战，这也正是普适计算环境强大、方便的特性带来的安全与隐私方面的脆弱性。在普适计算时代，可以采用新的安全访问和认证技术保护人们的隐私，监控人们的数据传输(如网络访问流量)以及防止人们的信息被盗用等。 但是很多人也可以采用这种技术去盗取目标的网络数据，攻击别人的私有信息(如散播电脑病毒、干扰别人的连接信号等)。因此在普适计算时代需要更高水平的数据网络安全。总体上，从普适计算的安全需求和其特性来看，主要面临着以下挑战：
( 1)移动性、动态性和自适应性。一个用户可能在移动中和多个设备进行交互并提出多个请求，请求和数据还可能随用户的移动而迁移，另外用户的需求有可能一直处于连接状态，也有可能频繁地连接与断线，这样一来，上下文切换、通信服务、设备等切换的需求对安全认证与控制等带来了新的挑战。
( 2)安全的普适性。透明特性使普适计算要求用户参与尽量少，让用户感觉方便自然，技术性的问题应变得不可见。然而，安全问题的解决方案同样需要这种普适性，以减少对用户的打扰。最简单的方案是实现一次认证即可使用多个服务和多个设备。 可是使用这种方法，一旦用户认证被盗取，所有的私人信息与服务权限将不再受保护。 因此，普适计算需要设计一种可以提供折衷方案的安全体系结构。
( 3)隐私问题。普适计算物理空间上的超越使得保护用户隐私成为特别困难的任务。用户处于感知器包围的世界，智能空间可以自动跟踪用户爱好等各种个人信息。这种能力可能被入侵者或内部恶意用户利用。甚至是好奇的网络管理员都可能全程跟踪某个特定用户。整个普适计算环境就是一个分布式的监视系统，并且具备采集过分细致的用户信息的能力。 在家庭和医院这样的场景，用户有大量的敏感信息、个人信息需要保护。 在某些特定的情形下，人们完全不想被跟踪，却被迫必须受普适环境下设备的监控，给人们的心理带来很大的压力。面对现有的社会安全形式，社会公众已接受在公共场合安装监视设备的做法。但对于普适环境里无处不在的位置感知器，用户的隐私信息将受到极大威胁。如何保护用户的隐私信息以及在危险情形下主动通知用户，让用户感知到危险，这都是普适安全下需要平衡的一个问题。
普适计算作为一种全新的技术系统，安全机制在这种系统中有极其重要的作用，只有解决了安全问题，普适计算才能真正地为人们服务。
7.结束语
普适计算已成为继桌面计算后的又一次计算模式的革命。 欧美各国的政府、学术界、工业界都已投入了巨大的人力、财力进行相关研究。与国外普适计算的科研水平相比，我国尚有很大差距，原因是多方面的： 第一，普适计算本身是建立在移动计算、无线通信、嵌入式系统、人机交互、数据管理等众多领域基础上的一种全新的计算模式，基础条件要求较高，尤其需要多学科交叉与合作；第二，普适计算也是实践性很强的学科领域，它需要一定的产业基础，需要与工业界的交流与合作；第三，普适计算所涉及的一些关键技术需要长期深入研究，更需要一些有远见、有力度的科研投入。变革也是一种机遇，我国的计算机界和产业界有必要、也完全可能在此领域中做出高水平的研究成果，从而在普适计算时代到来时更加主动，立于不败之地。