普适计算论文.docx

普适计算论文.docx

《普适计算论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《普适计算论文.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

普适计算论文

现代网络新技术概论论文

普

适

计

算

概

述

院系：

xxxxxxxx

学号：

xxxxxxxx

专业：

xxxxxxxx

年级：

xxxxxxxx

姓名：

xxxxxxxx

2012年6月24日

摘要

计算技术在桌面计算模式下经历的20年的飞速发展正蕴育着一种革新性的计算模式———普适计算，普适计算是在网络技术和移动计算的基础上发展起来的，其重点在于提供面向客户的、统一的、自适应的网络服务。

普适计算具有以下环境特点：

在任何时间、任何地点、任何方式的方便服务，不同的网络、不同的设备、不同的个人偏好等。

本文讨论了在普适计算来临之际，普适计算概述，计算机时代变迁，计算模式的时代变迁，普适计算特性，普适计算的技术内容，普适计算研究方向，普适计算存在的不足，普适计算的典型研究项目，及未来的目标等方面做了概述。

关键字：

普适计算，计算机时代，计算模式

目录

一、普适计算概述1

1.1普适计算的产生1

1.2普适计算的含义1

二、计算机时代变迁2

三、计算模式的时代变迁3

3.1主机和桌面计算模式4

3.2新一代计算模式——普适计算4

四、普适计算特性6

五、普适计算体系结构7

5.1普适计算设备7

5.2普适计算网络7

5.3．普适计算中间件7

5.4．人机交互和觉察上下文计算8

六、普适计算的技术内容8

6.1移动通信技术8

6.2全球网络服务9

6.3嵌入式操作系统（EOS）9

6.4P2P对等计算10

6.5网格计算10

6.6蓝牙技术10

七、普适计算研究方向11

7.1开发针对普适计算的软件平台和中间件11

7.2建立新型的人与计算服务的交互通道12

7.3建立面向普适计算模式的新型应用模型13

7.4提供适合普适计算时代需求的新型服务14

八、普适计算存在的不足14

8.1以计算机为中心而不是以人为中心。

15

8.2计算资源是私有的，而不是共享的。

15

8.3计算是固定的，而不是随时可移动的。

16

8.4应用程序缺乏互通性。

16

九、普适计算的典型研究项目17

9.1Informedia数字图书馆系统17

9.2MIT的Galaxy系统18

9.3MIT的Oxygen计划18

9.4IBM的Transcoding服务体系19

十、未来的目标20

总结21

参考文献22

一、普适计算概述

1.1普适计算的产生

　普适计算最早起源于1988年XeroxPARC实验室的一系列研究计划。

在该计划中美国施乐（Xerox）公司PARC研究中心的MarkWeiser首先提出了普适计算的概念。

1991年MarkWeiser在《ScientificAmerican》上发表文章“TheComputerforthe21stCentury”，正式提出了普适计算（ubiquitouscomputing）。

MarkWeiser指出：

“Themostprofoundtechnologiesarethosethatdisappear.Theyweavethemselvesintothefabricofeverydaylifeuntiltheyareindistinguishablefromit.”

1999年，IBM也提出普适计算（IBM称之为pervasivecomputing）的概念，即为无所不在的，随时随地可以进行计算的一种方式。

跟Weiser一样，IBM也特别强调计算资源普存于环境当中，人们可以随时随地获得需要的信息和服务。

1999年欧洲研究团体ISTAG提出了环境智能（AmbientIntelligence）的概念。

其实这是个跟普适计算类似的概念，只不过在美国等通常叫普适计算，而欧洲的有些组织团体则叫环境智能。

二者提法不同，但是含义相同，实验方向也是一致的。

1.2普适计算的含义

普适计算是指在普适环境下使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的技术。

 从概念上说，普适计算是虚拟计算的反面。

虚拟计算致力于把人置于计算机所创造的虚拟世界里，而普适计算则是反其道而行之——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”（Anytime,Anywhere,Invisible）的计算环境。

在这样的环境中，计算不再局限于桌面，用户可以通过手持设备、可穿戴设备或其他常规、非常规计算设备无障碍地享用计算能力和信息资源。

普适计算模式将对人们享用计算和信息的方式带来另一场变革。

二、计算机时代变迁

技术的演化并不总是连续线性增长的，技术变迁过程中许多重大波动都从根本上改变了技术在我们生活中的位置，即这种波动的实质不是技术本身，而是技术与我们的关系。

在过去50多年中，计算与人类呈现过两种主要关系：

主机（Mainframs，MC）关系和个人计算机（PC）关系。

今天，Internet通过分布计算正把我们带向普适计算（PVC）关系。

表1给出计算机时代的变迁。

计算机的时代

计算机与我们的关系

1.主机时代MC

多人共享一台计算机

2.个人计算机时代PC

一台计算机，一个人

Internet+分布计算……过渡到……

3.普适计算时代PVC

多台计算机共享每一个人

表1.计算机时代的变迁

•主机时代：

计算机是稀有资源。

计算机一般放在密闭房子里由专家操作，其他大量用户是共享一台计算机。

•PC机时代：

计算机与人是一种个人关系，甚至是私人关系，你可以有自己的计算机，当进行个人计算时，你就不能再做其他事了，你可给它起名字，可以咒骂或抱怨它。

个人计算机就像私家汽车，你可以拥有若干辆汽车，带你到你想去的地方去，但需要相当注意地操纵。

•Internet和分布计算过渡期：

Internet深深地影响着人们的生活，成百万新的用户及其资料会被相互连接，同时也将主机时代和PC机时代的大量设备连在一起。

Internet是一种深刻的现象，出现了最好的创造发明家、最多的革新金融家和最大的多国合作。

今后，大量的信息联网结果将会浮现出新的计算关系。

•普适计算时代：

这是计算的第三波，它与个人计算的交叉点大约在2005~2020年（Weiser在1996年时的估计）。

PVC时代将有大量计算机共享我们每一个人，其中数百台计算机可以在几分钟的Internet浏览中被访问，其他计算机则嵌入在墙壁、椅子、衣服、电灯开关、汽车等一切东西中。

三、计算模式的时代变迁

随着计算机及相关技术的发展，通信能力和计算能力的价格正变得越来越便宜，所占用的体积也越来越小，各种新形态的传感器、计算／联网设备蓬勃发展;同时由于人类对生产效率、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，这就是计算模式的第三个时代——普适计算（Pervasive Computing或Ubiquitous Computing）时代。

3.1主机和桌面计算模式

计算模式（Computing Paradigm）对计算技术的发展有着至关重要的作用。

从图1.计算机时代的变迁中，我们可以清楚地发现，计算模式已经经历了主机计算（Mainframe Computing）和桌面计算（Desktop Computing）两个时代。

在主机计算时代，计算机是稀缺的资源，人与计算机的关系是多对一的关系，计算机安装在为数不多的计算中心里，人们必须用生涩的机器语言与计算机打交道。

此时，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。

20世纪80年代，PC开始流行，计算模式也随之跨入桌面计算时代。

这时，人与计算机的关系演变为一对一的关系。

随后，图形用户界面和多媒体技术的发展使计算机使用者的范围从计算机专业人员扩展到其他行业的从业人员和家庭用户，计算机也从计算中心步入办公室和家庭，人们能够方便地获得计算服务。

3.2新一代计算模式——普适计算

伴随着人类社会进入21世纪的脚步，计算模式也开始跨入普适计算时代。

 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现在的水、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，同时，计算机的受众也将从必须具有一定计算机知识的人员普及到普通百姓。

计算机不再局限于桌面，它将被嵌入到我们的工作、生活空间中，变为手持或可穿戴的设备，甚至与我们日常生活中使用的各种器具融合在一起。

此时，信息空间将与物理空间融合为一体，这种融合体现在两方面：

首先，物理空间中的物体将与信息空间中的对象互相关联，例如，一张挂在墙上的油画将同时带有一个URL，指向与这幅油画相关的Web站点;其次，我们在操作物理空间中的物体时，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。

早在20世纪90年代中期，作为普适计算研究的发源地，Xerox Parc研究室的科学家就曾预言普适计算设备（智能手机、PDA等）的销量将在2003年前后超过代表桌面计算模式的PC，这一点已经得到了验证。

据IDC统计，2001年美国和西欧的PC销量已经开始进入平稳期，甚至开始下滑，而在同期，手机、PDA的销量却大幅度攀升，在很多国家，手机的拥有量已经超过了PC。

PVC的基本特征是深度的嵌入计算，即连接现实世界中一切具有计算能力但规模大小不同的东西。

今天我们谈论供Internet用的价值数百美元的“瘦客户机”，而普适计算将寻求价值仅为数十美元或更低的“瘦服务器”。

可以将功能完善的Internet服务器放入每一个家用电器和办公设备中，并且需要IPv6协议，以便访问地球表面上每个多达数千台设备的节点。

嵌入式微处理器和Internet将是普适计算的两个先驱，只有将含有微处理器的各种设备加以联网，普适计算才有可能实现。

四、普适计算特性

在普适计算模式下，用于普适计算的终端设各通常具有如下基本特性：

形态多样。

用于普适计算的终端设备数量庞大，弥漫在人们的日常主活之中，其形态多样，既包括目前的SmartPhone、PDA，也包括可穿戴式计算机和智能家居设备，以从不同方面为入们提供所需要的服务，而人们却感觉不到计算机的存在；

自然的人机交互方式。

计算以人为中心，人机交互类似于人与人之间的自然交流方式（如语言，姿势，书写等入．网络连接特性。

普适计算终端能够通过网络连接，把终端同庞大的Internet或是专用网络连接起来，为用户提供内容丰富的服务；

无缝移动性（SeamlessMobility）。

使用户能够在移动中透明、连续地获得计算服务，而无需人为地配置系统；

智能特性。

普适计算终端具备上下文感知（Contextawareness）特性，能够感知到用户是谁、用户的喜好、用户在做什么、用户当前所处的位置和场合等，以及当前的使用环境，并据此做出相应的处理。

此外，还能根据终端所能够使用的资源进行自适应处理，为用户提供与资源可获得性相一致的服务；

相对的资源有限性。

同通常的桌面系统相比，普适计算终端的资源比较育限，如电池电源的连续使用时间、显示屏幕的大小和变化的网络连接特性等；

五、普适计算体系结构

普适计算体系结构主要包括普适计算设备、普适计算网络、普适计算中间件、人机交互和觉察上下文计算四个方面。

5.1普适计算设备

一个智能环境可以包含不同类型的设备，如传统的输入输出设备、无线移动设备和智能设备。

理想状态下，普适计算应该包括全球范围内嵌入的具有主动或者被动智能型的每一个设备，能够自动搜集、传递信息，并且根据信息采取相应行动。

5.2普适计算网络

随着计算机软硬件技术的发展，普适计算设备的数量将成倍增长，这对现有技术提出了更高的要求。

除了扩展基本结构以适应需要之外，全球化网络也必须修改现有的应用来完成普适计算设备到现实社会系统的集成。

5.3．普适计算中间件

除了分布式计算和移动计算，普适计算还需要中间件来完成网络内核与运行在泛化设备上的终端用户应用程序之间的交互。

普适计算中间件应从用户的角度出发协调网络内核和用户行为间的交互，并且保持用户在泛化计算空间的自然感。

5.4．人机交互和觉察上下文计算

普适计算使计算和通信能力无处不在的融合在人们生活和工作的现实环境中，人机交互的不可见性是必需的。

因此，普适计算提出了一种新的人机交互方式——蕴涵式人机交互，它需要系统能觉察在当时的情景中与交互任务有关的上下文，并据此做出决策和自动地提供相应的服务。

普适计算模式下上下文将随任务而变化，而且由于工作环境是现场，其中的背景情况不但复杂而且是动态变化的，使上下文的动态性问题更加突出。

六、普适计算的技术内容

普适计算是一个广泛的概念，集合了无线计算、游牧式计算、松散计算、日常计算、无所不知的计算等内容。

所涉及的技术支撑包括移动通信技末、全球网络服务、嵌人式操作系统、P2P对等计算、网格计算、蓝牙等。

6.1移动通信技术

通讯行业正在由2G向3G标准过度。

送营商普遍预计2年后能够达到3G（CDMA2000．WCDMA，“TDS－CDMA）。

第三代移动通讯时代，无线互联和掌上电脑两者必然结合.届时，掌上电脑都具备无线上网和语音通话功能，而手机必然具备数据通信和信息处理的能力，产品将统称为智能手持设备。

另外，广泛应用的蜂窝式移动通讯系统已经发展到比任何通信系统的覆盖能力及范围都要广．且价格低廉，支持了无线技术的实现。

6.2全球网络服务

普适计算实际上可以看作网络计算的自然延伸。

没有发展成熟的全球网络系统做基础，普适计算就只能是一个幻想。

MarkWeiser定义普适计算区别于主机计算或桌面计算的本质特点就是一个人可以享受多台计算机。

其中一些计算机资源是通过我们在几分钟内搜索因特网得到的，另一些则是嵌在墙宝、椅子、服饰、开关、汽车甚至一切物理设备里。

因此所有物理设备必须一直或间断地与Internet、Intranet及Extranet连搂，使用户能够随时随地获取相关的各种信恩并做出回应。

从这点夹看．全球网络服务的重要性不言而喻。

6.3嵌入式操作系统（EOS）

嵌人式操作系统是普适运算的关键．面向嵌入式系统的专用处理器可能为我们在普适计算软硬件方面的发展带来突破性机会。

嵌人式操作压统包括嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌人式操作系统以及特定的应用程序四部分，是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。

如今的普适计算已不满足于仅仅是嵌人式系统，而是要开发体积更小功能更强大的嵌入式操作系统。

其目的就在于利用嵌入式操作系统占用空间小和效率高等特点，力争在同样的硅片面织上实现更高的性能。

EOS是普适汁算深人生活工作各个细节的重要技术保障。

6.4P2P对等计算

P2P计算模式最初的设计理念是在节点之间宜接交换和共享文作与资源。

简单讲就是通过直接交换数据来共享计算机资源和服务。

P2P被用来通过网络实现数据分配、控制及满足负载平衡请求，消除了仅用单一资源造成的瓶颈间自。

P2P可应用在普适计算环境下对作用范围内计算机的所有要求进行响应，请求和响应范围和方式恨据具休应用程序不同而不同。

另外在电子商务、搜索引擎、网络社区、协同作业等领域的应用已日渐成熟。

6.5网格计算

网格计算技术主要是针对不同性质的网络、终端以及平台组成的普适环境提供统一的开发平合和应用服务，而网格计算是在普适环境下实现资源共享服务共享的一种有效形式。

网格计算的思路是将过剩的计算能力以及其它闲置的IT资源联系起来，以供给那在－定时间内需要高性能计算能力的部门。

简单说就是把互联网上的众多计算资源整合成一台虚拟的超级计算机，实现各种资源的全面共享。

6.6蓝牙技术

蓝牙（Bluetooth）是一种由众多移动通信公司与移动计算公司联合起来开发的取代数据电缆的短距离无线通信标准．主要实现邻近的电子设备无线连按，是硬件设备的无线互连协议。

用蓝牙可以在便携式计算机、移动电话以及其他的移动设备之间建立起一个小型、经济而又短距离的无线链路。

如今已标准化的UWB（超宽带）在与篮牙相近的通信距离内，其数据传输速度比蓝牙快了数百倍，耗电量仅为现有无线技术的1／100以下，且技术成本更低。

蓝牙技术的发展及其与UWB或Jini技术的结合将加快普适计算实现的进程。

七、普适计算研究方向

简单地对桌面计算模式下的理论和技术进行线性扩展已经不能满足普适计算模式的要求，必须建立一整套与之相适应的计算理论和技术，包括硬件、网络、中间件、人机交互、应用软件等。

通过国际上各研究团体几年的探索，普适计算模式中一些关键性的研究课题已经逐渐明确。

7.1开发针对普适计算的软件平台和中间件 

主机计算时代研究的重点是多人如何共享一台计算机，如分时操作系统技术等；进入桌面计算时代，研究的重点转为桌面操作系统、多媒体技术等；而在普适计算时代，人们关注的是如何让多个计算实体（进程或设备）互相协作，共同为人类提供服务。

屏蔽计算任务是由哪个计算实体具体执行的细节而展现出一个统一的服务界面，这是支持普适计算的软件平台和中间件研究要完成的任务。

具体来说，这方面的研究内容包括：

服务的描述、发现和组织机制、计算实体间通信和协作的模型、开发接口等。

相应的研究项目和实验系统有MIT人工智能实验室的MetaGlue、CMU的Aura、UIUC的Gaia OS、Microsoft的In Conert等。

7.2建立新型的人与计算服务的交互通道 

在桌面计算机时代，桌面计算机是人进入信息世界获取计算服务和信息服务的惟一途径;而在普适计算时代，人与计算服务的交互通道将变得更加多样化、透明和无处不在。

例如，“可穿戴计算”提出把计算设备和交互设备穿戴在身上，如此一来，人们就可以随时随地获得计算和信息服务，这对于在各种复杂和未知环境中工作的人来说是十分有用的。

而信息设备（Information Appliance）的研究则通过在日常生活中的各种器具中嵌入与其用途相适应的计算和感知能力，使我们在使用这些器具时可以直接获得计算服务，而不必依赖桌面计算机。

这方面的例子有IBM研究的可以数字化和存储手写资料的记事本、MIT媒体实验室研究的Things That Think等。

交互空间的研究则试图把计算和感知能力嵌入人们的生活和工作环境中，使人可以不必离开工作和生活的现场，也不必佩带任何辅助设备就可以通过自然的方式（如语音、手势等）获取计算服务，同时环境也可以主动地观察用户、推断其意图而提供合适的服务，这就是所谓的“伺候式（Attentive 或 Proactive）服务”。

这方面的研究项目有MIT人工智能实验室的Intelligent Room、微软的Easy Living、乔治亚理工大学的Aware Home等。

7.3建立面向普适计算模式的新型应用模型 

当一个人需要面对多个计算实体的时候，人的注意力就成为最重要的资源。

在这种情况下，如果各种应用还是延续桌面计算下的模型，这些应用模块的启动、连接、配置、基于GUI的对话本身等就会耗费大量的注意力资源，从而降低人的工作效率。

所以我们必须建立新的、关注人的注意力资源的应用模型。

为此，研究者们提出了感知上下文（Context -Awareness）的计算、无缝移动（Seamless Mobility）等概念。

上下文在人与人的交互过程中扮演着十分重要的角色，它可以大大提高交互的效率和准确率。

在目前的桌面计算模式中，应用程序很难获得关键的上下文因素，诸如用户是谁、用户的喜好、用户在做什么、用户现在所处的位置和场合等，因此这些应用基本上不考虑上下文因素。

但在普适计算模式下，无处不在的传感器和感知模块完全可以提供这些上下文信息，而支持普适计算的软件平台也使得这些信息的发布和获取变得十分容易，这就为开发感知上下文的应用提供了可能。

该领域的研究课题包括上下文的表示、综合、查询机制以及相应的编程模型。

无缝移动重点关注的是如何使人在移动中可以透明、连续地获得计算服务，而无需频繁地配置系统。

普适计算的基础设施为此提供了一个很好的基础，例如，用户手持设备可以通过与用户所处的交互空间的交互获得该空间中可以使用的服务列表以及用户的移动位置等信息。

7.4提供适合普适计算时代需求的新型服务 

在普适计算时代，由于计算资源、网络连接和人与计算服务的交互通道变得无所不在，因此我们可以提出一些在桌面计算时代无法实现的新型服务。

例如，有人提出了“移动会议（Mobile Meeting）”概念，即一个项目组的讨论可以不局限于一个固定的地方，而是可以通过各种手持设备或交互空间来随时随地地举行。

还有人提出“灵感捕捉（Notion Capture或 Experience Capture）”概念，即我们可以随时随地把我们脑海中闪现的灵感火花或我们经历的事件（如一堂课、一次会议）快速和方便地记录下来，并在以后根据时间、地点、参加者和场景等上下文线索进行快速检索。

此外还有“普遍交互（Universal Interaction）”概念，即所有家电的控制都可以通过基于Web的界面来完成，这样人们就可以随时随地对家里的设备进行操作。

在去年召开的UbiComp 2001会议上，人们提出了许多类似的新型应用服务，展现了普适计算时代计算机技术广阔的应用前景。

八、普适计算存在的不足

每一种计算模式都会带动适合其特点的计算机科学技术的发展。

主机计算模式促进了分时操作系统的发展；而桌面计算模式则带动了个人操作系统、图形用户界面、多媒体等技术的发展。

同样地，普适计算势必要求发展与其相适应的计算机科学理论和技术，而这绝不是对目前桌面计算模式孕育的现有理论和技术的简单线性扩展，因为现有的计算机技术还存在一些不足，因此难以满足普适计算模式的要求。

8.1以计算机为中心而不是以人为中心。

在桌面计算模式下，计算机占据主导地位，从某种程度上说，人是计算机的“仆人”，这主要表现在以下三方面：

第一，人必须主动使用计算机才能获得计算和信息服务；第二，人机之间的交互方式更适合机器而不是人;第三，人必须处理各种计算任务的细节才能获得所需结果，比如配置软件、硬件、记住数据的存放地点等。

然而，在普适计算时代，这种人机关系将是不可忍受的，因为到那时，人很可能需要同时面对数十台计算设备，如果每台机器都需要人投入如此多的精力，那么人的注意力将完全被计算设备而不是要完成的任务所占据。

要知道，人的注意力与计算资源不同，它不受摩尔定律的支配，所以在普适计算时代，人的注意力将成为计算机科学需要关注的稀缺资源。

计算机科学需要研究如何实现人机关系的逆转，使计算机真正成为人的“仆人”。

8.2计算资源是私有的，而不是共享的。

在桌面计算模式下，用户与计算机是一对一和直接占有的关系。

此外，一台计算机的计算环境（所连接的设备、可利用的服务）是事先绑定和固定的，由此发展起来的各种计算机技术也都以此为隐含假设。

而在普适计算模式下，计算资源和各种设备将趋向于公用和共享化，就像放在办公室里的纸和笔一样，谁都可以拿起来就用。

为了充分地利用这些无所不在的服务和资源，计算机科学必须建立与之相适应的新计算环境模型，这种模型没有固定形态和边界，可以随着用户所在环境中可利用设备和服务的变化而动态调整，同时又能保证安全性和私密性。

8.3计算是固定的，而不是随时可移动的。

移动性的提高是人类文明进步的重要标志，但目前的桌面计算模式对移动性的支持甚少。

这包括缺乏对任务上下文在不同计算环境中迁移的支持，以及缺乏对网络条件、计算能力、输入输出能力的变化和差异的处理机制。

例如，尽管用户在办公室有一台PC、家里有一台PC和一台Pocket PC，但如果希望能在上下班的过程中连续地完成一个任务，却是一件十分困难的事情，它需要用户自