信息物理系统的网络挑战

5星(超过95%的资源)
所需积分/C币:11 2012-05-15 17:13:05 886KB PDF
75
收藏 收藏
举报

大牛做的综述,值得一看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。
专题(中阔讲算我惨通第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,儿乎没有交叉。直到最 写罗 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。 由于系统的形态各异,覆盖了网络研究中a 信息物理系统所面临的网络挑战 RT-enabled clou d 常广泛的领域,使提供一个满足信息物埋系统要求 的通用网络变得异常困难。然而,我们还是能够找 OON 到一些满足所需的功能,为将来的设计产生积极影0 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的流量调度,以数据截止日期为基础,考虑系统可 特点 扩展性,提供基于截止口期和负载感知的分布式资 首先要易于与更高层协议工作,这意味着源预留机制。其结果将是一个全局的实时网络,可 它非常适合用一个简单而准确的方法集成到现有信以无缝提供远程服务和实时保证,即具有实时处理 息物理系统应用中,例如采用虚拟信道与指定的带能力的云(如图3所示)。 宽、延迟和抖动保障; 提供Q,保证使用最低的要求,例如,与一种可能的路径 虚电路交换(隧道)的资源预留协议( resource res- ervation protocol,RSVP)和多协议标签交换的基本 随着互联网的进化,支持延迟敏感型服务成 要求一致; 为·种趋势。可以预见,互联网服务提供商会提供 采用分层组合的方式扩展到更大规模的网服务水平协议和商业发展模式,包括明确的时钟参 络,支持信道级的整合 数,而不是仅仅提供带宽和比特率信息。 在动态环境下,考虑高效利用带宽的适应 然而,在互联网边缘之外,终端网络(也被称 性,例如,利用时序约東和松弛管理技术; 为接入网络)必须支持所需的实时性属性,为系统 对系统过载、连续失败和拒绝服务攻击具有提供端到端业务的支持。事实上,目前大多数的信 容忍能力,同吋避免系统崩溃。 息物理系统除了在远程监控和系统维护时会使用互 这种抽象依赖于面向时间的服务水平协议,并联网进行系统的控制操作,大多数情况下是不使用 直接利用2层交换技术支持资源预留和自适应队列互联网的。 管理(数据链路层)。此外,也可以使用面向时间因此,我们集中考虑终端网络的能力,采用自 28 中計算令逼第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 开放性和适应性,根据需要扩展到 、 Network 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,保证业务服图4动态虛衩电路交换网络模型 务质量。 为了实现图4中的网络模型,我们一般釆用两到实时视频流、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问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,Frr)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 ( 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,但目前绝特别适合攴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 FTT EC NRT Traffic LAN LAW RT Traffic Sporadic window 三(的 (LNRTW) NRTM → RTM X RT+NRT Traffic Control Virtual channels Controler 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 专题(中阔讲算我惨通第8卷第3期2012年3月 保证交换机的队列将在每个循 环结東时是空的。因此,流量 running robots 在经过基本循环的调度后,将 按照主节点的要求发送数据。 Tt 典型的时间周期可以设置成1o: 到20毫秒。通过集中的流量调 度策略,所有现有的策略都可图6具有适应性和可重构能力的TDMA协议 以执行,无论是以截止日期为目标的,以优先级驱更加透明。 动的,或是基于服务器响应的,还是基于业务等级 对于高可靠性的应用,使用主节点备份机制是 的,均可以很好地攴持。特别是部署流量调度策强制性的。这一点已经在灵活时间触发的CAN总线 略,与现有实时分析的工具和框架一致,利用阈值系统中实现,用于保持更新过程中的主副本同步。 和响应时间作为控制准则,进行有效的网络计算。然而,这一点必须在基于以太网的环境下做出改 灵活时间触发对网络的处理方式与实时操作系变。可扩展性也是一个非常重要的冋题。最近的- 统管理处理器的方式十分相似,均支持周期性的同些研究工作,分析了不同的方法实现灵活时间触发 步任务,也支持非周期下的异步或突发任务或数据网络系统的可扩展性。主要做法包括使用多个(不 流。特别需要指出的是,与所有的时问触发方法类限数量)的网络,每个都有其自己的主控节点和网 似,灵活时间触发的协议本身通过相对相位控制支关,并且在多跳情况下将本地流量有效分高。但是 持同步流,可实现较高的带宽利用率和较低的时延跨越多个网络的资源预留和同步机制仍然悬而未决 抖动。 的问题。 然而,灵活时间触发以太网要求终端节点的 传统方法无法在同一网络上为不同类型的应用 网终设备驱动程序上执行各自的适配程序。但是以提供服务保障,特别是在控制质量较差的网络条件 HaRtEs为基础的交换模式却并不需要这样的条下保证系统的性能。例如,在无线网络上,由于处 件,它是由一个普通嵌入式以太网交换机和一个快于开放环境,会受到信号干扰和衰减的影响,网络 速时间的主节点组成。旧版本节点或通用节点可以质量较差。在这样的网络中,在有线网络中使用的 直接连接,并通过交换机实现自适应调整,极大地流量控制方法会由于较长的延迟和更高的丢包导致 提高了系统互操作水平。 无法执行。我们研究的重点是为自主机器人提供基 灵活时间触发的协议采用循环的同步框架,以本的通信于段,这项硏究属于移动信息物理系统的 此实现全网同步,并支持相对相位控制。然而,这范畴。 种级别的控制.有时却过犹不及。因为对于网络谷为此,我们为多机器人协同提供了一套定制 量和突发的搾制是足够用的,但在相对相位控制方解决方案,机器人能够定期分享他们的状态,并 面却无能为力,只能将突发行为的控制功能放到终保存在每个机器人在实时数据库中。这种结构 端节点上。为此,我们最近提出了在终端节点使用使本地进程访问远程变量,就像本地访问一样方 Linux的流量控制方法,与刚刚描述的灵活时间触便。采用本地存储的图像,将网络中的通信延迟 发的协议类似,建立个中心主控终端节点,完成考虑进来,将有助于机器人对合作行为做出有效 在终端节点建立,撤销或更新虚拟通道的任务,的判断和分析。 从而满足系统的时间要求。我们创建了一个建立在 在基于TDMA模式的WiFi无线通信背景下,允 灵活时间触发以太网和 Linux的系统之上的特定发许每个移动单元,在专用时隙內按顺序广播剩余的 布-订阅中间件,使得两个系统之间应用程序移植实时数据库副本数目。节点同步监听网络状态,而 30 中計算令逼第8卷第3期2012年3月 无须全局时钟同步,时隙数量是动态变化的,根据致谢 目前网络中活跃单元的数目而定(图6)。因此, 需要进行配置的参数只有TDMA时隙的周期和各个 本文的思想和内容与强大的团队协作密不可 单元的惟一标识。节点单元能够发起初始化进程,分。我在这里要特别向下列同事表示感谢,他们是 从崩溃中恢复,或在任何时候离开网络。在实践圣保罗佩特雷亚斯、里卡多马劳、瑞·桑托斯、弗 中,该协议已被证明是有效的,它不仅能够减少队雷德里科桑托斯和路易斯臭利维拉。■ 列丢包,同时提高了协同行为的效率。我们也已在 简单的周期模式下对协议进行了理论分析。由于进 作者:路易斯·阿尔梅达(Luis 行了一些近似处理,性能表现略有保守。这个协议 Almeda 已经成功用于验证一个小规模的,包含10~15个机 茼萄牙波尔图大学教授。 器人成员的群组。如果应用于一个较大的机器人群 组,需要一个合适的聚类方法。月前此问题尚无法 解决。需要注意的是群组的概念需要,这能够使保 证群组成员之间配置的一致性。我们可以把一个接 译者:杨盘隆 CCF会员。中国人民解放军理工大学 入点范围内的所有成员定义成一个群组。最近, 副教授。主要研究方向为无线传感网 协议扩展到ad-hoc模式,支持动态拓扑结构,同时 技术,认知无线电技术和嵌入式网络 支持 Zigbee相对定位中的应用6 系统设计。panlongyang@gmail.com 结论 参考文献 本文介绍了网络对于各种类型信息物理系统的 支撑情况,分析讨论了网络研究对信息物理系统的 [1] Giese, H etal. (Eds )(2011)Science and Engineering of Cyber-Physical Systems. Dagstuhl Reports 1(11): 1-22 作用,为有效地支持分布式信息物理系统提出了一 http://drops.dagstuhl.de/opus/volltexte/2012/3375/pdf/ 系列设计要求。同时认为现有技术无法满足上述设 dagrep_v001_1011_po01_sl1441 pdf 计要求,特別强调必须考虑从终端系统到互联网, [2] The Flexible Time-Triggered paradigm, available online 都要具备及时性、开放性和适应性的特点。除了互 athttp://www.fc.uppt/ftt [3 The hartes Ethernet (FTT-enabled)switch, available 联网之外,我们采用自底向上的方法,从嵌入式系 onlineathttp://www.ieeta.pt/lse/hartes 统角度出发建立信道抽象模型。如灵活时钟触发 [4]Mario Sousa, Luis Silva, Ricardo MaraLl, Luis Almeida A Real-Time resource manager for linux based 协议和 Linux流量控制网络,还包括为无线状态共 Distributed Systems. Work-in-Progress session of RTSs 享所提出的具有适应性和可重构TDMA时隙分配技 2011. Vienna Austria. November 30. 2011 术。同时,我们也提出了月前亟需解决的问题。我 [5]A Real-Time Database (rtDB) middleware for collaborativeroboticsavailableonlineat:http:/icode 们认为,所提到的方法都会为建立分布式信息物理 google. com/p/rtdb/ 系统提供一定程度的支持,包括在互联网边缘运行[6] Luis oliveira, Luis almeida, and Frederico santos 的,具有实时控制能力的协议,也包括那些运行于 A Loose synchronisation protocol for Managing RF Ranging in Mobilc Ad-Hoc Nctworks Robo Cup 大范围部署的专用网络协议,如智能电网和远程交 Symposium 2011, Istanbul, Turkey. July 11. 2011 互网络。

...展开详情
试读 6P 信息物理系统的网络挑战
立即下载 身份认证后 购VIP低至7折
一个资源只可评论一次,评论内容不能少于5个字
dbdemonhunter 不错,很具体
2013-06-10
回复
您会向同学/朋友/同事推荐我们的CSDN下载吗?
谢谢参与!您的真实评价是我们改进的动力~
关注 私信
上传资源赚钱or赚积分
最新推荐
信息物理系统的网络挑战 11积分/C币 立即下载
1/6
信息物理系统的网络挑战第1页
信息物理系统的网络挑战第2页

试读结束, 可继续阅读

11积分/C币 立即下载