无线传感网络

    东方科技论坛第47次学术研讨会于2004年12月10日在上海沪杏科技图书馆举行。本次论坛由同济大学承办，论坛主题为"网格计算与下一代网络"。同济大学电子与信息工程学院院长蒋昌俊教授和中国科学院计算技术研究所副所长徐志伟研究员共同主持了本次会议。
一、会议背景

    什么是网格技术呢？网格就是互联网技术即将迎来的第三次发展浪潮，简单的说就是在互联网上用户能实现所有资源的全面连通和共享。将来用户使用互联网上的所有资源就像从电网中使用电能那样简单方便。
    IPV6与网格计算将成为下一代网络中的核心技术。 IPv6将使目前的互联网变成一个性能更高、成本更低的全球互联网。
    网格计算被视为21世纪的新型网络基础架构以及未来10年中IT商业应用的主流。网格计算的建设和应用会产生大量的对硬件和软件产品的需求，带动大量的相关产品的生产和消费，会激发无数的服务提供和服务消费。网格计算蕴涵着巨大的商机。据《Forbes ASAP》预测，网格技术将在2005年达到高峰，并带来因特网的新生。如果网格技术能促使市场按预期17%年增长率持续增长的话，那么在2020年将会形成一个年产值20万亿美元的大产业。
    网格计算不仅仅是一种崭新的计算模式和理念、一项新技术或是一种新方案，同时它也带来了更为广阔的IT发展市场。随着技术的进一步发展，以及服务提供商的共同努力，网格计算会迅速渗透信息技术市场，应用于更广阔的领域及行业，必将对计算机网络技术的应用以及国民经济建设的发展产生巨大而深远的影响。
    本次研讨会对复杂网络和网络智能、网格计算的现状与发展趋势、交通信息网格、基于下一代网络的存储技术、基于无线宽带网和下一代互联网的移动IP技术应用开发及智能传感网在城市信息化建设中的应用等问题展开了深入广泛的讨论，本次研讨会的召开对网格计算技术在中国的应用和发展将产生深远的影响。


二、会议简况

    上海市科委陈克宏副主任、同济大学杨东援副校长出席了开幕式并致辞。来自同济大学、中国人民解放军第61研究所、美国德克萨斯技术大学、国家高性能计算机工程技术中心、中科院上海微系统与信息技术研究所、上海市信息委技术中心、上海市超级计算中心、中科院计算研究所、上海市科委、国家自然科学基金委、总参56所等单位以及相关企业的40多位专家和学者出席了本次研讨会。
    会上多位专家先后就我国的网络智能、网络存储、网格计算以及智能传感网的应用等专题进行报告并展开热烈地讨论，学术气氛浓厚。


三、会议内容

    中国人民解放军第61研究所李德毅院士作了题为"复杂网络和网络智能"的报告。现实世界中许许多多网络都是复杂网络，充满了不确定性，用传统的随机图论研究复杂网络的拓扑结构达40年之久，存在一定的局限性。上世纪末，人们发现复杂网络常常具有"小世界"和"无尺度"的双重特性，如：因特网，HTTP网，万维网，交通网，航空网，电力网，科学合作网，科学引文网，人际关系网，生物神经网，细胞网，新陈代谢网，金融关系网，等等。甚至像语言学这样的问题，都可以转化成复杂网络进行研究，成为不同学科共同关心的热点。
    "小世界"和"无尺度"的特性可以通过度分布、集聚系数、平均连接度等去研究。但是，具备什么样的数学前提才能形成小世界网络，具备什么样的数学前提才能形成无尺度网络，至今并不清晰。作者在确定性人工智能研究的基础上，对规则分布、幂律分布、正态分布、泊松分布之间的相互关系进行了初步研究并用云发生器进行了模拟。
    现实世界中的复杂网络，尤其是下一代因特网中，除了节点和连接外，还有距离、流量、带宽等重要因素，要考虑计算资源、通信资源、软件资源、存储资源、乃至信息资源的管理与控制，要考虑网格计算和对等计算共存，寻找无序中的有序性，不确定性中的确定性，竞争中的协同性。
    中国科学院计算技术研究所徐志伟研究员作了题为"网格计算的现状与发展趋势"的报告。徐志伟研究员对什么是网格计算？它有什么用？网格是一个很快就会过时的时髦名词、一个泡沫、还是一种重要的创新技术？网格技术离我们有多远？是不是要等十年以后才能使用？现在有没有成功的应用实例？网格对信息技术市场会有什么影响？国内外网格的研究、开发和应用现状如何？网格计算有什么主要的发展趋势？等一系列困扰人们的热点问题一一做了解释。1）网格计算及其与分布式计算、服务计算、下一代网络的关系--网格是继万维网之后出现的一种新型网络计算平台，目的是为用户提供一种全面共享包括网页在内的各种资源的基础设施。网格是一个在地理位置上广泛分布的基础设施，用户数量巨大，资源千差万别，需求种类繁多，应用功能各异。网格要给用户、资源提供畅通的渠道，提供安全、高效、高质量的服务，须具备如下基本特点：虚拟性、共享性、集成性和协商性。网格计算与分布式计算、服务计算和下一代网络之间存在着相互继承、相互借鉴和相互发展的关系；2）有关网格计算的市场数据与应用案例--现在，网格计算主要被各大学和研究实验室用于高性能计算的项目。这些项目要求巨大的计算能力，或需要接入大量数据。网格计算的应用非常广泛：卫星图像的快速分析、先进芯片的设计、生物信息科学研究、超级视频会议、制造业的设计与生产、电子商务、数字图书馆及一般的商务应用。网格计算在IT中的最早用于支持所有行业的电子商务应用。例如，飞机和汽车等复杂产品的生产要求对产品设计、产品组装和产品生命周期管理进行计算密集型模拟。其他应用实例还包括对复杂金融环境的模拟，以及生命科学领域的许多项目。目前，网格计算已逐步被企业和政府用于IT优化、分析和加速、信息访问、工程设计和设计协作等。世界上富有影响力的几大网格工程主要包括:SETI＠HOME计划、Globus，以及D2OL项目等；3）中国、美国、英国、荷兰与日本的网格研究计划--目前，网格的研究已经从美国和欧洲推广到了世界各个大洲，各个国家和地区都投入了大量的资金进行网格技术研究和网格基础设施建设。英国政府已投资超过1亿英镑，建设英国国家网格；美国政府用于网格技术基础研究经费已超过5亿美元；欧洲联盟也投入巨资建设欧洲数据网格和欧洲网格；亚洲的中国、日本、泰国、韩国、马来西亚等国也开始了网格研发和建设工作；4）中国科学院计算技术研究所的织女星网格进展--中国科学院计算技术研究所从1996年开始了网格技术的研究开发工作。2000年，开发了连接国内8个曙光计算中心的网格。中国科学院计算技术研究所把网格研究当作一个长期、重要、具有发展潜力的研究方向。2001年提出了织女星网格计划，该计划包括从低到高的网格操作系统、信息网格、知识网格三个层次。三个层次的研究齐头推进，并在三个层次上都取得了一定的成绩。在网格硬件层面，计算所主要工作是研究下一代曙光高性能计算机，它将是面向网格的超级服务器。在网格系统软件层面，计算所正在研究开发一个网格计算协议栈，以及有效支持网格计算的织女星网格操作系统。在网格应用层面，计算所主要开展了信息网格和知识网格的研究工作。与国内外其它网格研究项目相比，织女星网格的最大特点是"服务网格"的概念；5）网格技术与科学发展观--网格就是把电网作为比拟的对象而开始建立和发展的，将分布在不同地理位置上、用通信媒介联机起来的各种资源连成一体，为用户提供恰到好处的服务。1990年左右出现的网络操作系统和分布式操作系统，1993年出现了异构计算，1995年出现并行分布式计算等，都为网格的产生提供了基础，而元计算的研究最终导致了现在的网格。到目前为止，网格发展已经历了三个阶段：萌芽阶段、试验阶段和迅速发展阶段。网格之所以得到人们的关注，迅速发展起来，是因为：（1）网格可以将现有资源集成起来，给网格用户或上层应用提供访问网格中各种资源的统一接口，从而实现资源的有效共享；（2）网格还可以帮助人们节约自然资源；（3）网格给人们带来更强大的生产力；（4）网格能够使信息领域的生产者和消费者之间建立一种和谐的关系。
    由于网格不仅可以提供万维网所没有的许多功能，又可以给人们带来许多的好处，因此网格作为一种新生事物正以势不可挡的力量冲击着我们的生活，预示着人们对未来美好生活的向往。
    同济大学电子与信息工程学院院长蒋昌俊教授作了题为"交通信息网格"的报告。社会应用需求既是科学研究和技术开发的原动力，又是科研过程的指导和技术成果的检验。交通信息网格是上海信息网格总课题的典型应用。交通服务需求分析是交通信息网格的主要任务，通过对现有城市智能交通信息系统的了解，就会发现已有许多交通信息服务正在发挥一定的作用，如停车诱导、电子计费、公交换乘等，它们通过现有的网络技术便能够解决。本课题希望用信息网格技术解决交通信息服务行业内用户急需、有成效、面广，且利用目前技术又难解决的问题。针对信息网格的分布性、动态性、协同性、自治性等，开展典型应用研究。"城市动态最优出行方案"服务是首选的对象，具体研究内容包括：动态最优出行方案服务的对象、方式、需求；实现动态最优在功能、性能、技术、经济上可行性程度；在网格环境中，交通信息服务子系统的数据流关系；城市动态最优出行方案的子功能、子模块分解等。交通信息网格的研究还包括多源交通数据采集、城市交通动态建模、并行仿真、海量分布数据处理、区域路况预测、服务点播与展示等。预期达到总目标是：实时采集GPS车辆动态交通数据，在应用关键技术支撑下，利用上海信息网格平台，构建交通应用网格和领域应用框架，集成现有交通领域的应用系统并向信息网格平台移植，在信息网格平台上进行多源交通信息的高速采集和整合，协同开展中心城区交通并行仿真和交通分析预测，并在广泛的城市信息发布媒体（Internet、手机、触摸屏）上展示和发布交通信息，从而建立一整套基础交通网格技术的城市交通信息处理、融合、仿真、分析与发布，实现网格技术的生产性运行，满足广大公众，包括移动或因特网用户的交通信息服务需求，并为交通管理部门提供辅助决策管理的技术支持。
    美国德克萨斯技术大学林漳希教授作了题为"基于无线宽带网与下一带互联网的移动IP技术应用开发"的报告。互联网与移动通信代表着过去十年信息技术应用的两大主流，现正走向统一。据预测到2005年全世界至少有7.5亿移动电话用户接入互联网。为此，基于互联网接入的第三代移动通信（3G）的运营商正积极推动3G的应用。并已投入共约1000亿欧元来取得运营许可。我国近年内也积极推动3G应用。国家计委于2003年9月将基于TD-SCDMA 的3G技术应用列入四大IT重点发展项目之一。另一方面，无线宽带网作为互联网的接入技术正迅速崛起。据市场调查公司Analysis报道，到2007年基于IEEE802.11系列标准的Wi-Fi（无线局域网）市场将由2003年的0.109亿美元增长到26亿美元；而基于IEEE802.16系列标准的无线城域网的WiMAX将在2008年拥有4000万用户。据Senza Fili公司的研究报告（http://www.senza-fili.com/），2009年美国以WiMAX为龙头的无线宽带服务市场收入将达到37亿美元。
    最近的研究表明，无线宽带网的发展不仅仅是用无线代替有线作互联网接入服务，更重要的是这将带来通信业的一场重大变革--由无线宽带网支持的移动IP电话将可能取代3G而成为网话一体化的最终主流，这意味着通讯技术将可能跳过3G而直接进入由无线宽带网支撑的第四代移动通讯（4G，即IP与蜂窝通讯的集成）。甚至有人认为，将来的网话一体化系统将由互联网全面替代现有的手机移动通讯系统。此外，基于无线宽带网的互联网将成为网格（Grid）技术真正成为无所不在的基础，而网格则被称作是互联网的将来。
    无线宽带通讯技术包括了4大类标准：IEEE 802.15 （个人局域网），IEEE 802.11x（无线局域网，又称Wi-Fi，为Wireles-Fidelity的缩写），IEEE 802.16x（无线城域网，又称WiMAX，为Wireless Interoperability for Microwave Access 缩写），及最新提出的IEEE 802.20（又称Mobile-Fi, 或MBWA 为Mobile Broadband Wireless Access的缩写）。
    无线城域网WiMAX目前有三个互补的标准。IEEE802.16是基于视距的静止无线网；802.16a则允许非视线接入；而802.16e是面向移动通讯的协议。第一版的无限城域网标准 802.16（10-66 GHz）于2001年12月推出。作为Wi-Fi的扩展802.16仅提供可视范围内的连接。2003年3月推出的802.16a（2-11 GHz）则提供了非视距的接入能力。预定于今年推出的802.16e标准将提供移动接入功能。WiMAX可以弥补Wi-Fi的不足。性能方面，WiMAX提供50公里的无线接入半径，高速数据传输率，以及移动接入能力。经济性方面，一个WiMAX基站建设费用在两万美元以下，可让60个企业用户同时以T1（1.544Mbps）速率接入。 这使得它能令人满意地解决"最后一英里"的互联网接入问题。
    目前，许多公司开始投向WiMAX技术开发。由Nokia, Ensemble 和OFDM 联盟发起的WiMAX联盟（http://www.wimaxforum.com）于2001年成立，致力于WiMAX研究，推广与协调。WiMAX联盟现已有101个成员公司。它计划在2005年实现为家庭和企业用户推出WiMAX认证的固定宽带无线接入服务，在2006年实现为笔记本电脑用户推出WiMAX认证的可携带的宽带无线接入服务。Intel 于2003年开始开发WiMAX芯片。预计移动版的芯片将于2004年底投放市场。
    新近提出的以移动通讯为主要目的802.20标准，又称Mobile-Fi，可支持时速达250公里的移动接入。802.20使用3.5GHz的频段，在高速移动接入时可提供1Mbps-4Mbps 的数据速率。802.20支持多种新的物理层协议，在数据传输方面充分优化。与现有的蜂窝技术比较，802.20时延少，效率高，十分适合互联网应用以及VoIP（Voice over IP）服务。802.20的标准尚在完善之中，并将与802.16e竞争。
    下一代互联网IP协议（IPng）的标准选择是移动IP技术研究的关键。目前广为应用的IPv4的地址用32位二进制表示，理论上地址空间为42.9亿，地址分配极不均衡，空间分配效率极低。特别是无法满足移动IP应用系统的一机一址的需求。下一代互联网技术能有效地解决IPv4地址空间不够的问题。特别是在安全保密与服务质量方面提供了有效的保证。
    目前，我国的下一代互联网技术主流应用研究由清华大学教育科研网（CERNET）网络研究中心牵头，走在世界前列。基于IPv6的我国CERNET2已于今年投入试运行，是目前所知世界上规模最大的采用纯IPv6技术的下一代互联网主干网。它的开通，标志着中国下一代互联网研究取得重要进展。在上一代IPv4互联网上，美国等少数国家占得先机，以互联网为代表的信息产业给美国经济带来了少有的持续繁荣。但在下一代互联网研究与建设上，我国与发达国家在技术上的差距已经不再明显了。　2004年1月15日，包括美国Internet2、欧盟GEANT和中国CERNET在内的全球最大的学术互联网，在比利时首都布鲁塞尔欧盟总部向全世界宣布同时开通全球IPv6下一代互联网服务。 这比CERNET2晚了近半年。
    国家高性能计算机工程技术研究中心许鲁教授作了题为"面向下一代网络以存储为核心的系统设计"的报告。存储作为计算机的一部份，正日益受到越来越多的关注。随着计算机网络和应用技术的发展，I/O子系统，特别是存储子系统日益成为网络服务器系统的主要瓶颈。计算机系统设计在经历了以CPU为核心和以内存为核心的两个阶段之后，已经转变为以存储系统为核心。与此同时，一方面，网络技术的发展大大推动了因特网的普及和应用，从而对于高性能计算机系统提出了更为广泛的需求；另一方面，网络技术的发展也导致了存储技术的革命，即网络化的存储系统。近年来，随着千兆以太网络的普及和万兆以太网络的推动，基于IP网络的网络存储系统的研究和开发也发生了突破性进展。与传统的存储系统相比，网络存储系统，特别是IP网络存储系统，在可扩展性、可管理性、可配置性等方面都具有明显的优势。研究网络存储技术对于传统计算机系统结构的影响及该技术的新型服务是非常重要的。
    与此同时，面向网络应用的网络服务器的研究和应用也随着社会的需求在不断发展。相对于大型机具有很大性价比和扩展性优势的集群服务器系统已逐渐成为网络服务器使用的一种普遍形式。集群技术在很大程度上已成为高性能计算机的核心技术，并将随着应用需求而得到不断的发展。在体系结构上，面向网络存储的集群系统因其特殊的数据存储方式，与传统的集群系统有所不同。一个真正符合面向网络存储的集群系统自身的特点的体系结构是面向网络存储的集群系统的基础，对于面向网络存储的集群系统的发展有着重要意义。
    中国科学院微系统与信息技术研究所刘海涛研究员"智能传感网及其在城市信息化建设中应用"的报告介绍说，智能传感网是集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于一体的网络信息系统。多种软复合传感器采集信息，以无线、有线、公网、专网多种通信方式进行信息传输，采用智能化方法进行信息处理与判决控制，其基本组成单位是节点，这些节点集成了传感器、微处理系统、无线通信模块等部分。
    智能传感器网是关系国民经济发展和国家安全的重要技术。2000年，美国国防部将传感网络列为国防5个尖端领域之一；2002年，美国0AK实验室断言：IT时代正在从"The network is computer"向"Sensor is the network "转变；2003年，美国MIT《技术评论》和德国《经济周刊》一致认为：无线网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首，目前世界已掀起传感网的研究热潮，处于新兴产业大发展的前期。九十年代末期，国家863、973、国家基金、军方等先后作了大量的传感网研究部署。2002年无线传感网被列为国家中长期规划重大工程--龙网工程四子网之一；智能传感网是中科院微系统中心的重要发展方向，被中科院列为信息技术领域的三大方向之一（信息功能材料、微电子和传感网络）。经过多年积累，上海微系统所已经拥有了一流的传感网络的研究环境，斥资建成了价值4亿元的仿真、测试、工艺加工三大平台。已研制出五大传感专网，可有线、无线公网互联互通形成天地一体化综合传感网络。
    智能传感网络是城市的信息源泉，城市智能化的基础。城市信息化目的在于优化资源配置以提高社会经济效益，通过建立信息网络，实现城市的信息自动采集，自动分析处理，自动决策反应。城市信息化发展可以概括为四个阶段：畅、晓、感、判。畅：建立在以通信畅通的电话网络基础上的；晓：知晓天下，建立在互联网基础上的，这两个阶段就是信息港、数字化城市建设；感：就是感知天下，建立在无所不在的智能传感网络基础上的；判：判决天能城市已成为城市信息化的新目标、新热点。通过智能传感网获取的信息，形成决策或辅助决策，这两个阶段就是智能城市建设。     传感网广泛应用于城市信息化建设中，如政府决策支持系统、交通信息采集系统、市容环卫监控系统、公共安全系统、生产安全系统、应急指挥系统、灾难预防系统、民用和工程设施的安全性监测系统、生物医学监测、诊断或治疗系统等，具有极大的发展前景。


四、会议目的及收益

    会议就我国网格计算与下一代网络等问题展开了广泛地讨论。希望能通过本次大会及各界的努力推动我国在科学研究、环境资源、制造业、服务业中建设若干大型行业应用网格；研制面向网格计算，具有良好的应用开发环境的高性能计算机，装备网格结点，促进高性能计算机的研究和产业化；研究以网格软件为代表的网格核心技术，在网格体系结构和网格软件、网格应用技术、网格服务模式、网格安全以及网格管理和运行机制等方面突破一批关键技术；推动网格计算的产业化进程。与会者认为，此次研讨会的召开将来自各机构各部门的科研人员、应用研究人员凝聚在一起，形成良好的梯队，充分发挥各自的优势，对网格计算技术的发展现状、面临问题及关键技术做了详细的探讨，必将对网格计算技术在中国的应用和发展产生深远的影响。


五、专家共识

    随着网格技术的不断发展和应用，将会遍及家庭、交通、生命科学、高性能计算机、气候、地质科学、环境保护、大众传媒以及军事等各个领域。这其中，网格的研发和实施更是关系到公众生活的各个方面，电子商务、电子政务、公众信息发布和各领域的应用服务都将在网格平台上实现质的飞跃。特别是网格的发展和应用对我国的信息化建设具有重要的现实意义，同时必将带来巨大的经济效益和社会效益。因此，呼吁上级有关部门以及各界对网格计算技术的研究与发展给予大力支