周杨，秦嘉杭

（南京财经大学 信息学院，南京 210046）

引 言

现有互联网系统地址缺乏，协议不完善，安全问题严重，已经成为人们的共识，但是仅仅改善这几个方面，就可以称为“下一代”互联网吗？很明显，针对现有互联网的修补与完善，无论是技术上还是结构上都不是革命性的，称之为“下一代互联网”有些牵强。而集计算、通信与控制功能于一体的信息物理系统，不仅使物与物紧密相连，也可以使人与物实现实时的互动，突破虚拟世界与现实世界的界限，同时也突破了现有互联网的局限，使之更接近“下一代”互联网的定义。本文介绍了CPS（Cyber Physical System，信息物理融合）的概念、研究热点以及最新应用。

1 CPS简介

CPS作为计算进程和物理进程的统一体，是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统，实现多个系统间的互联互通。CPS的概念最早是由美国国家基金会在2006年提出，并在2007年由美国总统科学与技术顾问委员会（PCAST）将CPS作为网络与信息技术领域的第一提案。2008年，美国CPS指导小组在《CPS执行纲要》中，把CPS应用放在交通、国防、能源、医疗、农业和大型建筑设施等方面。可见美国将CPS作为基础设施建设，投入大量资金扶持相关产业。

而在欧洲，为了在未来成为智能电子系统的世界领袖，欧盟计划在嵌入智能与系统的研究与技术（ARTMEIS）上投入54亿欧元，可见其对CPS的重视程度。

在国内，CPS也受到了重视，国家自然科学基金、“973计划”与“863计划”都将其列为重点。西方发达国家对CPS的研究也刚刚起步，所以我国完全可以在此领域竞争关键技术的主导权。

2 研究热点

CPS是围绕现实世界中的人与物构建的一个庞大的、复杂的实时系统，人们可以通过这个系统感知世界，还可以对所有连接这个系统的物体发出指令。可见，拥有众多复杂功能的CPS系统是多学科交叉的前沿研究领域，其中的研究热点包括网络融合、节点接入与管理、系统安全等。

2.1 网络融合

CPS系统的一个主要功能是实现现实世界物与物之间的互联，以及人与物的互动，这样的功能其实就是一个复杂的网络系统。CPS既要提供同一网络的水平通信，也要提供不同网络的垂直通信功能。

现有的网络，如公共电话网、蜂窝移动通信网、Ad hoc网络、Wi－Fi、WiMAX、无线传感网等，因为每种网络的规模都很大，且结构与通信方式皆不同，所以几乎不存在使用一种网络将其他网络替代的可能，以达到互联互通的目的。因此，如何使各种网络通过一种统一的方式连接起来，实现互联互通，是CPS系统的一个难点，也是当前的研究热点。

目前网络融合研究的重点只集中于少数几种网络，着重于网关选择与网络切换。但CPS网络具有异构性、深度嵌入、业务种类多、数据量大等特点，且不同的网络占用频率不同，数据率有着巨大差异，现有的研究成果还不能解决上述问题。统一的物理层和MAC层协议，使底层对上层“透明”，是未来的研究重点和趋势。

2.2 节点接入与管理

在无线通信中，节点的移动是不可避免的。如移动蜂窝通信网中，用户从一个小区到另一个小区，需要经过切换、注册、更新等一系列动作，才能重新获得服务。WiMAX中的跨区切换与蜂窝移动通信类似，不过更加复杂一些，因为WiMAX网络中使用的是IP地址，跨区切换时需要保证地址的唯一性，而蜂窝移动通信中用户的设备ID是唯一的。WLAN虽然不支持高速移动节点，但是也允许节点的自由移动，且与WiMAX和蜂窝移动通信使用的频率需要政府发放牌照不同，WLAN使用的是免许可频率。

现有的解决节点移动的方法一般使用网络层漫游技术，即改变移动节点的IP地址，如移动IP（MIP）、蜂窝IP（CIP）等，但移动IP与蜂窝IP都不适用于大型网络。

节点的拓扑控制也是CPS网络待解决的难点之一。在Ad hoc网络中，大量节点的频繁进出会导致链路断裂、路由失效，影响节点之间的通信。如前所述，CPS网络本身就是一个开放式的网络，允许各种网络、各种节点自由接入、退出网络，且相对于Ad hoc网络，CPS网络的规模更大，所以如何定位节点、如何快速得到节点的拓扑、如何快速路由是CPS网络通信的难题。

同网络融合一样，当前对节点的接入与管理也只是局限于同构网络中，对于异构网络的节点管理的研究还很少。笔者认为，解决节点的接入与管理问题可以在网络融合的基础上进行，若网络融合技术使用统一的底层协议，则整个CPS网络则也可以像一个同构网络一样运行，CPS网络中节点接入与控制的复杂性则相应得到大大简化。

2.3 安全性问题

与互联网类似，CPS网络也面临传统的网络威胁，因此安全与隐私问题也是目前的研究热点。像现有的拒绝服务攻击、僵尸网络、身份欺骗、信息窃取等网络攻击手段，都是CPS可能遇到的问题，现有的解决方法也可以引入到CPS网络中。且由于CPS网络涉及各种物理节点（如传感器等），攻击者也可以针对物理节点进行攻击，使系统接收到虚假信息，这是传统互联网没有涉及的问题。笔者建议在设计CPS网络的体系结构时，应尽可能多地考虑当前互联网所遇到的问题，使攻击者无法或者难以入侵CPS网络，这一切都应该建立在网络融合的协议基础上。

3 CPS应用

一种新技术的诞生可以对现有的行业产生冲击，并催生出新的行业。如果它是革命性的，则将极大地影响人们的生活。就像互联改变了人类的生活方式，并产生了互联网这一新生事物一样，CPS网络的诞生也将改变人类世界，其应用包括智能电网系统、智能交通、智能医疗、环境监测、工业控制等。下面将介绍一些CPS的最新应用。

3.1 物联网

现在国内谈论最多的是物联网，但实质上它只是CPS的一个简约应用。物联网的概念最早在1999年被提出，指的是物与物相连的网络系统。其实质是利用射频识别（RFID）、红外感应器、GPS等感应与定位设备，按照预先设定的协议，将任何物品接入网络，以实现物品识别、定位、监控等功能。物联网的核心仍然是互联网，在现有的网络协议与体系结构上进行有限的扩展，使物品可以方便地接入网络，便于使用者使用网络进行实时监控与管理。与前述CPS网络对比，可以发现物联网只是CPS网络的一个简化版，因为功能较少且技术复杂度相对较低，物联网可以看做是CPS大规模应用的一个铺垫。

3.2 智能电网

智能电网一般是指将测量技术、通信技术、自动化与智能控制技术运用到现有的物理电网中而形成的新型电网。当前，我国的风力、太阳能发电发展迅速，不仅环保，而且资源利用率高。但是因为这些分布式电源的发电能力不稳定，会随着外部环境发生极大的波动，而电网必须平稳，且需要匹配当地电力需求，一旦发生波动，容易产生电网中断或负荷过载等问题。如何使用CPS系统实时监测、远程控制等功能，使各种分布式电源精确、安全地接入电网，是典型的CPS应用。由于涉及物理设备众多，且安全性要求很高，智能电网的应用是一个极大的挑战。

3.3 智能交通

在国内，随着城市化进程的加快、人们生活水平的不断提高，城市日益拥堵，各种事故的发生也日渐频繁。依靠扩修道路、建设高架、鼓励公共交通等传统手段，已无法有效解决上述问题。发展智能交通系统（Intelligent Transport System，ITS）已成为不二选择。在智能交通系统中，道路、桥梁、路口、交通信号等信息都会被实时监控，这些海量信息都通过系统进行分析、发布、计算，使道路上的车辆能够实时共享道路信息，而道路管理人员也可以通过该系统实时监控各重点路段的情况，必要时甚至可以发布消息引导车辆行驶，从而改善现有的城市交通状况。当然，智能交通系统只是CPS应用的一部分，在研究人员的设想中，其目标是零交通事故，不仅使车辆驾驶人员受益，也使步行的人能够借助该系统避免交通事故，真正做到人与物的融合。

3.4 医疗系统

下一代的医疗系统是使用有线或者无线连接方式将各种医疗设备连接在一起的安全的、可靠的网络，可以为人们提供高质量的服务。例如：当进行一个手术时，病人的完整病历信息就会被所有的医疗设备读取，需要注射某种药物时，注射设备会自动检测该病人是否会对该药物过敏。诸如此类的自动检测会大大提高治疗的安全性，提供更好的个人护理方案。在进行治疗时，治疗方式和病人的所有反应都会以某种方式传送给医生或其他相关人员，以便诊断。当出现特殊病例时，医疗专家会使用远程系统查看相关信息，并使用远程医疗设备进行远程手术操作等。从以上描述可见，下一代医疗系统是以网络融合为基础，以各种医疗设备为节点的CPS网络，还涉及各种信息的融合与分派，且对网络的服务质量要求很高，不仅传输的数据量大，而且要求实时性，这是由医疗系统的特殊性决定的，也是当前互联网的瓶颈，如何解决这一问题是医疗系统与CPS网络的共同难题。

结 语

物联网的研究与运用已经有些成果，而CPS的研究却刚刚开始。作为CPS网络的简化版，物联网的现有成果都可以为CPS借鉴；而作为CPS网络的模型，物联网则可以尽可能地扩展，做尽可能多的尝试，使其接近CPS网络的定义，为CPS网络的发展提供经验。我国的物联网发展有一些成果，这是我国在研究CPS系统方面的优势，如何利用现有成果抢占未来的技术制高点，笔者认为这是一个需要关注的领域。

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