信息物理系统的网络挑战

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1、26 专题 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 作者 路易斯 阿尔梅达 Luis Almeda 译者 杨盘隆 信息物理系统的网络挑战 简介 信息物理系统 Cyber Physical Systems CPS 的概念从产生到现在还不到十年 它的诞生 是颇具争议的 它和目前现有的研究领域都有部分 重叠 如嵌入式系统 实时系统 控制和模型驱动 工程 尽管由于缺乏准确的定义 又与其它研究领 域有着严格的区分而颇受非议 但是迄今为止 信 息物理系统似乎已经被认定是上述各个领域的交 叉 同时又是上述领域的推广与泛化 信息物理系 统与嵌入式系统和实时系统并不一定要有本质的不 同 但是已经超越上述研

2、究领域 同时又把控制系 统 模型驱动工程和其他学科融合进来 通过建立 模型的物理过程和计算平台 可以促进互操作过程 更好 地了解系统状态 并实现更好 地控制 出于这种原因 在一 些场况下 人们也把信息物理 系统称为网络监测和控制系统 network monitoring and con trol NMC 通常 信息物理系统包含 了嵌入式 实时控制系统 特 别是模型驱动的相关的设计技 术 从体积小的系统 比如具 有主动安全控制能力的个人交 通系统segway 到规模庞大的 系统 如智能楼宇或与用来控 制能源效率的绿色工厂 1 信 关键词 信息物理系统 CPS 息物理系统几乎无处不在 然而 由于普

3、及程度日益提高 信息物理系统 越来越依赖于分布式平台 特别是更广泛地使用网 络 图1 从传感器到控制系统 自动化或企业 网络 网络能够将无数不同类型和用途的节点有效 互连 为整个系统的目标共同协作 与分布式系统一样 网络在支撑信息物理系统 的主要功能方面扮演了不可替代的角色 为保证系 统实时响应外部物理过程的动态变化 起到了至关 重要的作用 因为建立可靠的数据分发机制是建立 分布式应用的基础 图1 信息物理系统的体系结构 Sensor Actuator Sensor Actuator Sensor Actuator Sensor Actuator Feedback at many levels

4、 All Levels networked 27 第 8 卷 第3 期 2012 年 3 月 信息物理系统的网络要求 信息物理系统多数是建立在分布 式计算平台基础之上 依靠网络的数据 传输能力来实现协同的 由于信息物理 系统具有独特的物理特性 系统的计算 和通信行为都需要满足实时性的约束 不仅如此 信息物理系统经常应用于资 源配置有限的动态场景中 因此需要自适应技术 以避免资源紧张和利用率不足 例如 一组自主监 测的机器人 可以根据处于活跃状态的机器人数 量 以及在监视区域内是否有感兴趣的跟踪对象等 实际情况 来自适应地调整通信频率 此外 一些 信息物理系统是由数量众多的元件组成的 且分布 广

5、泛 例如工厂管理和商用飞机 还有一些系统是 在不同地点工作 并通过互联网实现组件之间的协 作 例如智能电网和远程交互 因此 必须考虑系 统的可扩展性 许多信息物理系统是开放的 例如 在工厂车间里增加机器人 灵活地进行任务调度 或者是一些并非信息物理系统的应用 但是却与之 共享相同的网络基础设施 对于信息物理系统 除 了时效性 适应性 可扩展性和开放性等基本要 求 其他方面如可靠性 可用性和安全性也是同等 重要的 网络系统对于通信计算平台的影响是巨大 的 因为它同时决定了系统对物理世界的控制程 度 以及对物理世界状态表示的精确程度 平台的 核心作用如图2所示 图2同时还说明了信息物理系统应用程序

6、的一 个基本特征 是使物理过程和平台相结合的模型 可以提高系统的状态控制和获取知识的准确性 网 络控制领域提供了一个很好的例子来说明融合模型 的重要性 通过在分布式系统中实现控制器 结合 平台和物理过程的融合模型 能够有效地提高系统 的控制精度 何种网络适合信息物理系统 一个很自然的问题是 现有的网络技术是 否足以支持我们刚才提到的各种要求 答案是 否定的 绝大多数现有的实时通信技术是基于固定 部署的嵌入式系统 这些系统都是基于开发成熟的 技术 系统形态和通信需求都需要事先确定 提供 时效性保证与可计算的网络时延和时延抖动上限 像TTEthernet和AFDX的技术就是很好的例子 然 而 它们

7、并不是开放系统 也不能有效地适应环境 变化 在某些情况下甚至连可扩展性都可能会受到 限制 相反 一些技术能够无缝支持动态的通信需 求 能够支持开放性和适应性 但通常没有时序分 析和准入控制 无法提供及时的保障 这在基于普 通以太网或CAN controller area network 总线的系 统中是常见的 因为在这样的网络中运行时无法附 加任何额外的通信需求 反观大型网络 如互联网 尽管在过去十年 中 具有扩展性的服务质量控制已经取得了长足的 进步 但通信的基本能力还是以提供 尽力而为 的服务为主 事实上 有许多技术可以在互联网的 核心层提供带宽 延迟和抖动保障 如采用第3层 的以太网交换

8、技术或采用2 5层交换技术的资源预 留 或是采用多协议标签交换技术 这些技术允许 创建满足带宽和时延要求的虚电路 也称隧道 然而 由于网络提供商的多样性和网络终端普遍缺 乏QoS控制能力 目前还难以充分发挥这些技术的 优势 提供可控的 可计算的端到端延迟和延迟抖 动能力 上述技术提供了相当程度的系统自适应 性 但基本上都只是关注路由和队列管理功能 而 没有考虑信道容量或时间需求 此外 互联网研究关注的是可扩展性或吞吐 量 而嵌入式网络研究领域则往往关注时延 却没 图2 平台的作用是协调信息物理系统应用程序和实际物理过程 Models of the phy world Models of the

9、 platform Platform HW SW Comm Energy CPS application 28 专题 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 几乎没有交叉 直到最 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 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

10、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 因此 我们认为一个通信抽象应该具有如下 特点 首先要易于与更高层协议工作 这意味着 它非常适合用一个简单而准确的方法集成到现有信 息物理系统应用中 例如采用虚拟信道与指定的带 宽 延迟和抖动保障 提供QoS 保证使用最低的要求 例如 与 虚电路交换 隧道 的资源

11、预留协议 resource res ervation protocol RSVP 和多协议标签交换的基本 要求一致 采用分层组合的方式扩展到更大规模的网 络 支持信道级的整合 在动态环境下 考虑高效利用带宽的适应 性 例如 利用时序约束和松弛管理技术 对系统过载 连续失败和拒绝服务攻击具有 容忍能力 同时避免系统崩溃 这种抽象依赖于面向时间的服务水平协议 并 直接利用2层交换技术支持资源预留和自适应队列 管理 数据链路层 此外 也可以使用面向时间 的流量调度 以数据截止日期为基础 考虑系统可 扩展性 提供基于截止日期和负载感知的分布式资 源预留机制 其结果将是一个全局的实时网络 可 以无缝提供

12、远程服务和实时保证 即具有实时处理 能力的云 如图3所示 一种可能的路径 随着互联网的进化 支持延迟敏感型服务成 为一种趋势 可以预见 互联网服务提供商会提供 服务水平协议和商业发展模式 包括明确的时钟参 数 而不是仅仅提供带宽和比特率信息 然而 在互联网边缘之外 终端网络 也被称 为接入网络 必须支持所需的实时性属性 为系统 提供端到端业务的支持 事实上 目前大多数的信 息物理系统除了在远程监控和系统维护时会使用互 联网进行系统的控制操作 大多数情况下是不使用 互联网的 因此 我们集中考虑终端网络的能力 采用自 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 29 第 8 卷

13、 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 加开放性和适应性 根据需要扩展到 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 务质量 为了实现图4中的网络模型 我们一般采用两 种方法 主要取决于对网络行为控制水平的要求 对于控制要求非常高的场景 特别是复用有线网络 实现接入的情形 我们建议采用灵活的时间触发 fl e

14、xible time triggered FTT 模式 结合时间触发 time triggered TT 中的在线流量调度方法 2 这 种方案可以在不同的DLL协议之上实现 但目前绝 大多数都依靠CAN FTT CAN 和灵活时间触发 式以太网 FTT SE 来实现 我们可以按照图4中 的设计模型 利用现有的商用以太网交换机实现灵 活时间触发式以太网 图5显示了一个用灵活时间 触发式以太网支持时间上独立的虚拟通道的层次化 模型 在这种设计下 系统能够支持多种类型的业 务流 从快速数据流形态下的短小的控制数据包 到实时视频流 文件传输和通用的互联网接入业 务 这些通道可以创建 管理和撤销 并由相

15、应的 应用程序或第三方实体 如操作员执行 后一种选 择可以支持传统的或通用的应用 可以提供所需 基本功能的虚拟网络 独立的虚拟通道能够有效 地切分网络容量 也使得灵活时间触发的协议 特别适合支持所谓的混合优先级的应用中 因为 在这样的应用背景下 不同优先级的业务共享相 同的通信链路 灵活时间触发式以太网使用一个独立的节点 即主控节点 通过分组调度实现周期性的流量控 制 每一个周期被称为一个基本循环 每个节点将 只发送周期调度允许的流量 在每一个基本循环 内 每个节点只发送流量调度所允许的流量 从而 图4 动态虚拟电路交换网络模型 Network 图5 使用灵活时间触发的范例 设置时序上独立的层

16、次化通道以支持多种流量需求 Industrial Ethernet Camera Controler Nodes RT Traffic RT Traffic RT NRT Traffic NRT Traffic Ethernet Switch LAN Internet Control FTT EC Synchronous Window LSW Aynchronous Window LAW SM 1SM Z Sporadic Window LSPW Sporadic Window LNRTW SM Z SM Z NRTServer 1 NRTServer X NRTM XNRTM 1 ServerL ServerK AM 1 AM KAM L Virtual channels 30 专题 第 8 卷 第 3 期 2012 年 3 月 保证交换机的队列将在每个循 环结束时是空的 因此 流量 在经过基本循环的调度后 将 按照主节点的要求发送数据 典型的时间周期可以设置成1 到20毫秒 通过集中的流量调 度策略 所有现有的策略都可 以执行 无论是以截止日期为目标的 以优先级驱 动的 或是基于服