申聰聰，戴超凡

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息系統(tǒng)工程重點實驗室，湖南長沙410073)

信息與物理融合系統(tǒng)(Cyber-Physical System，CPS)概念一經(jīng)提出，便迅速成為全球技術(shù)研究的新熱點，被業(yè)界普遍認(rèn)為是未來經(jīng)濟和社會發(fā)展的革命性技術(shù)［1］。發(fā)達國家已陸續(xù)部署和啟動了CPS的國家級研究計劃［2-3］，我國也高度重視對CPS體系及其關(guān)鍵技術(shù)的研究，目前，研究人員已基于成熟的軟硬件技術(shù)，提出了多種基于下一代網(wǎng)絡(luò)的CPS體系結(jié)構(gòu)模型［4-7］。1999年以來，物聯(lián)網(wǎng)的概念日益成熟，圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)展開的探索性研究逐步深化［8-9］，為CPS的研究奠定了一定基礎(chǔ)。當(dāng)前，從相關(guān)研究成果來看，對CPS的研究仍處于明確概念及屬性、分析研究挑戰(zhàn)以及完善相關(guān)技術(shù)的階段，尚缺乏對CPS的整體把握，對CPS體系未有系統(tǒng)性闡述，到目前為止，并沒有一個能夠完全反映CPS特征的體系結(jié)構(gòu)。因此，CPS體系結(jié)構(gòu)研究是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題。

目前已有的CPS系統(tǒng)模型中，一般將傳感器、控制器等物理資源歸為物理感知層;而根據(jù)資源服務(wù)對象和領(lǐng)域的不同，將應(yīng)用平臺系統(tǒng)歸為應(yīng)用層［10-11］。這2層的劃分在各種CPS系統(tǒng)模型中基本相同，其不同之處則在于2層之間的中間層。例如:將網(wǎng)絡(luò)層與處理層分離的設(shè)計，強調(diào)了對不同類型的資源(包括無源CPS和有源CPS資源)、多元化的網(wǎng)絡(luò)接入(包括無線路由、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、Zigbee網(wǎng)絡(luò))分類處理的思想，導(dǎo)致在不同系統(tǒng)間無法進行一體化的標(biāo)識關(guān)聯(lián)，這就使得CPS資源尋址過程尚存在一定困難。

為有效解決上述問題，本文在對CPS體系結(jié)構(gòu)進行研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)CPS系統(tǒng)特性構(gòu)建了CPS三層體系結(jié)構(gòu)框架，并設(shè)計了CPS的Port層和體系結(jié)構(gòu)中各層間的關(guān)系。

1 CPS體系結(jié)構(gòu)和Port層構(gòu)建

在CPS中，物理世界經(jīng)由信息世界檢測與控制，為人類提供智能化的高效、優(yōu)質(zhì)、安全的服務(wù)。CPS既與用于感知信息收集的傳感器網(wǎng)絡(luò)不同，又與用于信息傳輸?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)相異，它是一個既具有環(huán)境感知功能，又具有深度融合計算、通信和控制能力，且可控、可信、可擴展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)。對物理環(huán)境變化進行感知并對物理世界作出反饋是CPS的顯著屬性，CPS也正是由此實現(xiàn)物理世界、信息世界以及人類社會三元世界的智能交互的。

由于CPS所連接的物理設(shè)備多種多樣，所遵循的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議各有不同，因此，本文在CPS的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中增加了中間件層即Port層，可將這些規(guī)模多樣的物理設(shè)備與各種通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)無縫集成，讓用戶能夠自如地對各種CPS資源進行無差別的一體化管控，就如獲取互聯(lián)網(wǎng)信息資源那樣，將IP技術(shù)向下延伸并應(yīng)用到物理感知層的技術(shù)路線，具有利于實現(xiàn)端到端的業(yè)務(wù)部署和管理的特點，無需協(xié)議轉(zhuǎn)換便能實現(xiàn)資源子網(wǎng)與核心網(wǎng)絡(luò)層的無縫連接，從而簡化復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［12］。現(xiàn)有的CPS節(jié)點未完全使用IP地址作為唯一標(biāo)識，故不能直接應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)的路由協(xié)議進行尋址。若通過IPv6地址對CPS節(jié)點進行標(biāo)識，則資源通過直接利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)進行路由和通信將成為可能，這將大大提升資源尋址效率，減少對下一代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投入，因此，Port應(yīng)著重針對當(dāng)前尚不能很好滿足的CPS資源通過IPv6地址接入的問題進行設(shè)計，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，逐步實現(xiàn)基于IPv6的一體化尋址與用戶和資源間的端對端通信。CPS一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)CPS的結(jié)構(gòu)特征，CPS體系結(jié)構(gòu)應(yīng)被分為3層:物理終端層、Port層和普適應(yīng)用層。物理終端層用于將異質(zhì)性的CPS資源和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)終端用戶一體化無差別地接入下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，物理終端層與Port層之間的連接將由接入標(biāo)識解析映射來實現(xiàn);Port層作為連接物理終端層與普適應(yīng)用層之間的橋梁，其通過對CPS資源動態(tài)分配IP地址和接入標(biāo)識解析映射，從而支撐用戶與CPS資源基于下一代網(wǎng)絡(luò)建立通信連接并實施管控;普適應(yīng)用層負(fù)責(zé)各種業(yè)務(wù)的會話、控制和管理，這些業(yè)務(wù)包括在中心服務(wù)器和CPS資源之間的多個服務(wù)連接及多種管控業(yè)務(wù)，它們一般由運營商或第3方增值服務(wù)商為用戶提供。由于不同的業(yè)務(wù)通過同一個普適應(yīng)用層承載，所以各種服務(wù)的統(tǒng)一描述和表示就迎刃而解。從用戶的角度來說，其面向的是由服務(wù)層提供的統(tǒng)一虛擬化服務(wù)平臺，而不必關(guān)心該CPS資源發(fā)生在物理終端層和Port層之間的具體過程，諸如所處地理位置、網(wǎng)絡(luò)地址、路由路徑與網(wǎng)絡(luò)選擇等。

圖1 CPS一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)

1.1 物理終端層模型

物理終端層連接物理世界，將CPS資源節(jié)點標(biāo)識符與定位符進行分離管理。具體而言，就是要求每一個接入物理終端層的CPS資源擁有一個接入標(biāo)識，以此來表示該資源的唯一身份信息，該接入標(biāo)識在所屬CPS資源整個生命周期中不再改變，然后在Port層實現(xiàn)接入標(biāo)識與交換路由標(biāo)識的一對一解析映射。也就是說，通過接入標(biāo)識解析映射，將多個交換路由標(biāo)識映射到多個接入標(biāo)識，實現(xiàn)交換路由標(biāo)識與接入標(biāo)識的分離和聚合。由于CPS資源具有異質(zhì)性，其資源編碼存在分散性與未知性，因此，需要根據(jù)CPS資源特點，將資源編碼與資源身份權(quán)限相結(jié)合，使得通信雙方通過接入標(biāo)識的識別來完成身份驗證，確保通信的安全性［13］。

與物聯(lián)網(wǎng)中所管控的資源相比，CPS中的資源具有更加復(fù)雜的分類和編碼特性。但由于CPS資源同樣存在于物理世界中，并非區(qū)別于物聯(lián)網(wǎng)資源而又新產(chǎn)生出來的，所以在分類和編碼功能上，可以借鑒現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)中物體分類與編碼的方式和方法。對于那些按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識的CPS資源，可以采用物聯(lián)網(wǎng)中已較成熟的 EPC、uCode、mRFID Code、CPC、ETC等編碼標(biāo)準(zhǔn)。擴展分級結(jié)構(gòu)信息是指將特定資源名稱的分級結(jié)構(gòu)進行擴展而生成的轉(zhuǎn)換信息，該轉(zhuǎn)換信息使擴展后的分級結(jié)構(gòu)在其對應(yīng)資源尋址系統(tǒng)的資源名稱的名字空間中具有統(tǒng)一規(guī)劃性，且每個資源名稱在該名字空間中是唯一的。另外，通過增加擴展前綴，可以將資源接入標(biāo)識擴展為具有統(tǒng)一性分級結(jié)構(gòu)的名字空間，資源接入標(biāo)識在這個新的名字空間中也具有唯一性。在這個體系中，同層間是并列關(guān)系，上下層構(gòu)成隸屬關(guān)系，同層次之間分類不能交叉重復(fù)。各層次逐次組合，形成多個碼段，構(gòu)成分類碼。例如:資源B1、B2是A的子類，A類是B1、B2的父類，B1與B2相對于A類為同層并列類，C11、C12是B1類的子類，其中B1∩B2=?，B1∈A，B2∈A。層次A、B、C 形成了具有3個層次的分類，包含3個碼段，其中A、AB1、AB2均表示分類，AB1C12表示一個具體的編碼對象。

1.2 Port層模型

設(shè)計Port層的目的就是為CPS資源提供多元化的網(wǎng)絡(luò)和終端接入能力。在Port層中，各種資源都將獲得用于接入網(wǎng)絡(luò)的交換路由標(biāo)識，使其能夠在核心網(wǎng)絡(luò)上進行廣義交換路由。數(shù)據(jù)包通過廣義交換路由算法選路傳輸，在到達通信對端的廣義交換路由器后，其交換路由標(biāo)識被映射回資源原來的接入標(biāo)識［14］。這樣，用戶的隱私性、網(wǎng)絡(luò)的安全性、可控可管性和移動性都得以較好實現(xiàn)。

當(dāng)資源進入Port的控制范圍后，資源向Port申請注冊，提交其“基本資料”，即用XML語言描述該CPS資源的3層字段:屬性段、狀態(tài)段、能力段。在資源與Port建立通信連接并成功注冊后，Port為該資源分配繼承上游ISP地址的IP地址，用戶通過該地址可以訪問到該Port。CPS資源與服務(wù)器之間也通過Port建立通信連接，實現(xiàn)資源信息的管控。

當(dāng)CPS資源在物理世界移動時，其表示唯一身份信息的資源接入標(biāo)識不會改變，而交換路由標(biāo)識發(fā)生變化。這樣，只需要改變交換路由標(biāo)識與接入標(biāo)識的映射關(guān)系，即可保證多元化資源盡可能無差別地接入網(wǎng)絡(luò)，并使得資源在移動中而通信不會中斷，還能實現(xiàn)通信雙方身份驗證的安全性功能。

Port層實現(xiàn)了完整的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧，通過Port層的支持在應(yīng)用層與互聯(lián)網(wǎng)進行連接，實現(xiàn)CPS與互聯(lián)網(wǎng)之間的通訊，以及CPS應(yīng)用與互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之間的互通、互連和互操作，如圖2所示。因此，不同功能類型的CPS可以采用滿足自身需要的聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，而簡化不必要的聯(lián)網(wǎng)功能，達到降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復(fù)雜性的目的。不同的CPS聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以采用適于各自應(yīng)用領(lǐng)域、在CPS單元之間進行連接的協(xié)議結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的連接。

圖2 物理終端層通過Port層與服務(wù)器互連結(jié)構(gòu)

1.3 普適應(yīng)用層模型

普適應(yīng)用層分為虛擬服務(wù)與虛擬連接2部分，提供服務(wù)標(biāo)識解析映射與連接標(biāo)識解析映射，用來實現(xiàn)對CPS各種業(yè)務(wù)的統(tǒng)一控制和管理。在虛擬服務(wù)部分，采用服務(wù)標(biāo)識對多種業(yè)務(wù)的服務(wù)進行描述和表示，并通過統(tǒng)一的XML語言對多樣化CPS的服務(wù)進行統(tǒng)一的分類命名標(biāo)識和描述，使得能夠?qū)PS中的資源進行無差別的統(tǒng)一服務(wù)調(diào)度。

為了建立服務(wù)連接，普適應(yīng)用層引入連接標(biāo)識的概念。連接標(biāo)識是指連接中的身份標(biāo)識，虛擬連接為每個業(yè)務(wù)提供多種連接。服務(wù)標(biāo)識解析映射將服務(wù)標(biāo)識映射到多個連接標(biāo)識，以實現(xiàn)對各種業(yè)務(wù)的統(tǒng)一控制和管理。在一次服務(wù)連接過程中，服務(wù)提供方和服務(wù)接受方分別產(chǎn)生一個連接標(biāo)識，構(gòu)成一個連接標(biāo)識對，唯一標(biāo)識一次服務(wù)連接。一個連接再通過連接標(biāo)識解析映射到一個或多個Port層選路，而多個選路就保證了連接的可靠性，體現(xiàn)了一次服務(wù)可對應(yīng)多個連接、多種路徑選擇的思想。同時，也提供負(fù)載平衡支持，使得服務(wù)的實現(xiàn)更加可靠，最終得以完成一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)下的一次普適服務(wù)。

1.4 CPS資源的尋址與認(rèn)證方式

CPS資源一體化標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)體系的尋址過程，區(qū)別于傳統(tǒng)的域名查詢和IP尋址過程，具體表現(xiàn)在以下方面。

1.4.1 動態(tài)域名注冊

所有移動資源都可以變更IP地址。一旦CPS資源移動到Port管控范圍之外，其IP地址就會改變，該CPS資源會立即給離開其管控范圍的域名服務(wù)器發(fā)送消息，以更新存儲在域名服務(wù)器上的交換路由標(biāo)識和接入標(biāo)識映射解析記錄。同時，該CPS資源向新進入管控范圍內(nèi)的Port申請注冊，以獲得新的IP地址和接入標(biāo)識解析映射，詳細(xì)過程如下:

1)移動資源節(jié)點A由Port 1管控范圍移動到了Port 2管控范圍后，Port 2中的路由會向節(jié)點A發(fā)送攜帶有本地鏈路前綴信息的廣播消息，節(jié)點A接收到該宣告消息后，檢測到自身發(fā)生了移動，根據(jù)接收到的IPv6地址前綴信息，通過地址自動配置，得到一個新的IPv6地址，也就是臨時地址(COA);

2)資源節(jié)點A發(fā)生移動后，會向Port 1發(fā)送一個信息包，通知現(xiàn)在的新地址;

3)當(dāng)訪問端B需要發(fā)送數(shù)據(jù)包給資源節(jié)點A時，它并不知道節(jié)點A已經(jīng)發(fā)生了移動，此時它會把這個數(shù)據(jù)包繼續(xù)發(fā)給節(jié)點A的原始地址(HA)，由Port 1接收;

4)訪問端B發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達Port 1后，Port 1發(fā)現(xiàn)有需要送到節(jié)點A原來IP地址的數(shù)據(jù)包，會利用隧道技術(shù)來截獲該數(shù)據(jù)包，然后在其上面加上一層IPv6報頭，再發(fā)送到節(jié)點A的新IPv6地址;

5)移動資源節(jié)點A收到Port 1轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)包后，通過檢查數(shù)據(jù)包的內(nèi)層源地址，得知是訪問端B想與自己通信，于是它會發(fā)送一個信息包給訪問端B，告訴它臨時地址;

6)訪問端B接收到這個數(shù)據(jù)包后，會記錄下資源節(jié)點A的臨時地址，之后的通信它會直接把數(shù)據(jù)包發(fā)給臨時地址。

通過以上動態(tài)域名注冊過程，實現(xiàn)了移動資源A與訪問端B之間的雙向直接通信。

1.4.2 基于接入標(biāo)識的尋址過程

用戶在對CPS資源查看和管控過程中，所有連接的發(fā)起過程必須經(jīng)由Port層的查詢和定位，對CPS資源所在Port的IP地址進行查詢。尋址過程為:用戶通過Web服務(wù)對資源進行搜索，通過選定標(biāo)簽所在部門來縮小尋找范圍，再通過選定所需的相關(guān)字段逐步縮小范圍，最終根據(jù)某一確定信息在搜索尋址層中確定資源，獲取其分類碼信息，通過已知的編碼分級結(jié)構(gòu)進行尋址，得到資源識別碼，在其頭部加前綴，通過轉(zhuǎn)換為合格的域名在DNS中進行尋址，得到CPS的交換路由標(biāo)識，經(jīng)過IP路由到達Port層，在Port中對CPS進行交換路由標(biāo)識到接入標(biāo)識的映射，從而對資源進行唯一識別，Port層將收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化為子網(wǎng)協(xié)議支持的數(shù)據(jù)格式，壓縮其首部并對數(shù)據(jù)包進行分片，從而建立對異構(gòu)資源的一體化通信。用戶可以通過資源的XML描述文檔，在用戶瀏覽器上動態(tài)生成可操控的按鈕控件。

同樣，CPS資源和服務(wù)器在向用戶提供服務(wù)的同時，也需要反向查找物理終端的IP地址和接入標(biāo)識，以確定對方的真實身份。

1.4.3 通過接入標(biāo)識進行多方認(rèn)證

在通信中，為了保證消息的安全性，要在物理終端與服務(wù)器之間、物理資源終端與域名系統(tǒng)之間、服務(wù)器與域名系統(tǒng)之間，通過接入標(biāo)識進行權(quán)限認(rèn)證后才能進行查看和管控，從而保證對方身份的合法性和可操作性。

2 基于CPS的智能家居系統(tǒng)框架

隨著科技的迅猛發(fā)展，智能物品越來越多地進入人們生活的環(huán)境，顯著地提高了人們的生活質(zhì)量。智能家居由最初的住宅電子化發(fā)展到住宅自動化，由于通信和信息技術(shù)的發(fā)展，通過總線技術(shù)對住宅中各種通信、家電、安防設(shè)備進行監(jiān)控和管理的商用系統(tǒng)應(yīng)運而生，這一系統(tǒng)被稱為 Smart Home。例如:通過監(jiān)視攝像頭、紅外感應(yīng)器和煙霧感應(yīng)器等設(shè)備組成的安防系統(tǒng)，能夠24小時不間斷地看家護院，供用戶遠(yuǎn)程查看家中的環(huán)境等。這些智能物品在一體化控制平臺的控制下，組成典型的CPS系統(tǒng)，可為用戶提供更智能化的家居生活。

在CPS智能家居一體化控制平臺中，包括多種參與角色，如位于物理終端層的智能家居CPS資源，位于Port層的域名服務(wù)器、接口標(biāo)識認(rèn)證服務(wù)器，位于普適應(yīng)用層的應(yīng)用與管理服務(wù)器、資源訪問控制服務(wù)器等。這些角色互相作用、有效配合，共同完成從用戶到智能家居CPS資源的訪問與控制過程。智能家居體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能家居體系結(jié)構(gòu)

智能家居CPS資源進入Port管控范圍后，與Port進行通信并注冊，Port層的網(wǎng)關(guān)為該CPS資源進行動態(tài)地址分配，也就是給該資源分配繼承上游ISP地址隨機請求的IP地址。該資源的接入標(biāo)識與IP地址的交換路由標(biāo)識，通過接入標(biāo)識解析映射進行連接，其接入標(biāo)識解析映射保存在Port中。

資源管理應(yīng)用平臺是直接聯(lián)系用戶和CPS資源管理與應(yīng)用的接口，提供用戶通過平臺監(jiān)視和控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。該平臺不僅能夠?qū)崟r監(jiān)視系統(tǒng)中各種資源的狀態(tài)信息，而且能夠通過Port和實時網(wǎng)絡(luò)對資源進行在線控制。同時，系統(tǒng)支持對資源運行歷史數(shù)據(jù)的在線統(tǒng)計分析，進而對資源的健康狀況進行評估，并發(fā)現(xiàn)異常行為，也支持對資源的搜索等。用戶通過驗證并進入系統(tǒng)后，可以點擊用戶所需要查詢的Port，系統(tǒng)則通過可視化模型對該Port內(nèi)部的資源進行界面展示。每個模型可以直接點擊查看或操作，Port在收到用戶訪問請求后，通過訪問控制安全管理器對用戶身份進行驗證。當(dāng)用戶通過身份驗證后，即可使用Port中的應(yīng)用管理服務(wù)器和接口模塊對該資源進行直接管控和通信。

當(dāng)用戶查看某個資源時，系統(tǒng)則將資源的模型和監(jiān)視信息顯示在系統(tǒng)界面上。用戶通過界面上的控制面板在對資源進行在線控制的同時，還顯示資源的屬性信息、當(dāng)前狀態(tài)信息和歷史數(shù)據(jù)信息。

3 結(jié)論

本文在對CPS資源的基本特性進行分析的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計Port層，支持資源的動態(tài)IP分配、資源位置上報、尋址定位以及建立通信連接與管理等功能，解決了IP地址的過載問題，在確保資源移動時通信不中斷的同時，又滿足了資源異構(gòu)性、移動性、安全性等要求，同時，還實現(xiàn)了CPS資源的訪問控制構(gòu)架。

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