OpenHarmony啃論文成長計劃--分布式軟總線關鍵技術普適計算初探
我們來自OpenHarmony開發者成長計劃：啃論文小隊，我們在歐建深教練的帶領下啃論文。我們是TCCS團隊，全意為The Child Collecting Shells。“我并不知道我在世人眼中是什么模樣，對我來說，我似乎只像是一個在海邊玩耍的男孩，不時找一顆平滑的卵石，或是比較美麗的貝殼來取悅自己，而真理的大海則橫陳在我面前，一無發現。”——牛頓
本文4800字讀起來花不了幾分鐘，本篇緒論主要作者為TCCS團隊的張君豪，雖然我也什么都看不懂，但是我想就算你是一個什么也不懂的小白，我們也要讓你通過我們這系列文章讀懂分布式軟總線通訊，不僅要大受震撼，更要看懂，看懂且大受震撼是我的追求。
1、序言
我們知道(上一篇提到)，實現分布式軟總線通訊的整體步驟大概是以下這幾步!
也就是第一步是設備的發現與連接，將設備間手動的發現和連接進化成自發現。那么發現的前提就是首先需要硬件能力的虛擬化，因此本文從設備虛擬化展開，我們參考了幾篇paper，
2、何為虛擬化
為了更輕易的搞懂什么是虛擬化，自然首選就是去找一篇中文綜述，通過一篇中文綜述我們就可以輕而易舉的了解整個虛擬化技術的大致框架，這同時也使我們可以站在巨人的肩膀上看世界。首先我們找到了朱軍紅等人的一篇虛擬化技術分析[1]，通過對文章的閱讀我們知道虛擬化技術主要把計算機底層物理硬件資源、操作系統以及應用程序API資源進行抽象與集中管理，虛擬化技術作為連接上下層的中間件，通過上下層耦合提高架構靈活性。也就是說，虛擬化技術實現了對物理內存資源、存儲資源抽象管理與應用程序多任務共享操作管理。而虛擬化技術主要有平臺虛擬化、資源虛擬化、應用虛擬化三個技術。
平臺虛擬化分為全虛擬化、超虛擬化、硬件輔助虛擬化、部 分虛擬化、操作系統虛擬化 。全虛擬化主要是對CPU、內存、 存儲器等底層硬件資源進行完全虛擬，同時軟件資源與虛擬化 平臺進行無縫銜接，同時虛擬機可以直接訪問底層硬件資源， 不需要通過宿主操作系統實現訪問;超虛擬化主要是通過修 改部分宿主操作訪問級實現虛擬主機與宿主操作系統間的數 據交互;硬件輔助虛擬化主要是指硬件資源提供虛擬監視器結 構支持，實現虛擬機獨立運行;部分虛擬化是指通過VMM模擬內存地址空間，實現資源共享和線程獨立;操作系統級虛擬化是指多個虛擬機獨立運行在同一個宿主主機上，不同虛擬主機 間互不影響。
資源虛擬化技術是指在計算機底層硬件資源(磁盤、CPU、 電源等)上建立一個抽象層，通過該抽象層為上層應用提供服務，該層主要起到了平衡利用硬件資源的目的。常見的資源虛擬化技術有存儲虛擬化、網絡虛擬化、計算虛擬化。
應用虛擬化技術是指為應用程序虛擬出脫離操作系統的虛擬運行環境，對應用程序依賴的操作環境與硬件資源進行虛擬化處理，目前應用虛擬化技術主要有應用程序流、遠程桌面服務、桌面虛擬化。
好了，看了這么多，是不是發現看不懂?或者說感覺它和我們需要的設備虛擬化又像是有關系卻又像沒關系?或者說感覺像是方向偏離了那么一點?對的，那我們就來看一下另一篇文獻，這篇是張浩的設備虛擬化技術在家庭物聯網中的應用[2]。如果要把上面提到的所有虛擬化方面全部說清楚那就又是一個巨大的工程，而且這個過程已經偏離了我們的軌道，所以我們就直接轉向正確的方向去逐步挖掘，也希望大家通過我們的挖掘之路能給自己的研究提供一些啟發。
在科研理論方面，支撐物聯網發展的信息技術也不斷涌現，其中普適計算理論較為成熟。在普適計算所描述的環境中，日常生活中的各種具有計算和通信能力的物體都能夠從物理空間映射到信息空間并以普適服務的形式進行表達，然后再通過無縫融合、自發交互等。
形成一個智能空間。在這個空間里,存在著大量的不同系統平臺、不同通信協議、不同存儲模式以及不同生產廠商的設備。這些異構設備間的互聯互通互操作的實現，也正是當前物聯網技術需要解決的問題。
所以，其實設備虛擬化實現的主要技術方案是普適計算。
3、普適計算的來日與方長
1991年，前Xerox PARC首席科學家Mark Weiser最先提出了普適計算的概念，他強調了把計算能力嵌入到自然環境和日常生活中，讓人們把注意力集中到任務本身(這是不是和鴻蒙系統分布式軟總線子系統的目標是一致的?)，而參與任務的計算機則消失在人們的視線中。這也意味著，普適計算的目的是把傳統桌面計算的“顯式交互”變成未來的“隱式交互”。
90年代后期，MarkWeiser所提出的普適計算思想開始得到國際社會的廣泛關注和接受。而針對這一思想， 目前已經啟動了許多相關的研究計劃，并且普適計算也成為了當前極具影響力和活力的研究領域。但對于普適計算的準確定義，目前還沒有統一的標準。根據不同的研究方向和側重點有著不同的理解，但他們的目標都是-致的，那就是“建立一個具有通信和計算能力的環境，同時使得人和環境漸漸地融合在一-起”。而國內普適計算領域的專家、清華大學教授徐guang佑等人給出的定義是:“普適計算是物理空間與信息空間的融合，在這個融合的空間中人們可以隨時隨地、透明地獲得數字化的服務”。其中“隨時隨地”強調的是在任何時候、任何場所，我們不需要坐在電腦面前就可以獲取想要的服務;而“透明”指的是獲取服務的整個過程是不需要花費太多的時間和注意力的,整個服務的交互過程對使用者來說是透明的、蘊涵式的。例如:當我們下班回家站在門口的時候，門就會自動打開，并且將房間的燈也會打開。這就是一個典型的普適計算應用場景。總之，普適計算的目的就是讓人們從以計算機為中心的桌面計算時代中逃離，進入一個以人為中心的計算時代。
4、普適計算綜述研究的小插曲兒
上面我們已經了解到了普適計算的歷史，那么下面我們就來從技術的角度來探討一下普適計算的實現與關鍵點。首先我們先找到了一篇外文論文A SURVEY ON UBIQUITOUS COMPUTING(普適計算的調查)[3]，但是在我花了1個小時對這篇阿三(對印度大哥的愛稱)產出的論文進行研究以后，emmmm，我發現我浪費了1個小時。。。。。不過也不算浪費，至少還是有收獲的，我發現三哥提出的這個框架和分布式軟總線還是有相似之處的，只是三哥只提到了一個思路，并沒有對核心技術原理進行探究以及詮釋，反而搞了個社會調查。。。。。。下圖就是三哥提出來的架構圖!
說實話這個圖其實我并沒有很看懂，雖然論文下面也附了簡短的介紹說了一堆沒什么用的話，也歡迎大家來交流，原論文中對本結構解釋如下。
它包括各種類型的傳感器和執行器以及用于處理它們的驅動程序和控制器，它還包括各種配置文件，例如用于優化處理資源的資源配置文件、用于管理用戶設置和偏好的用戶配置文件、用于控制流程執行的執行配置文件。多任務調度器模塊用于高效地處理多個任務并支持應用程序中的多任務環境。多用戶輸入處理程序和虛擬用戶環境模塊提供對多用戶以及上下文和用戶設計管理的支持。用戶數據庫模塊有助于對用戶進行身份驗證。工具、監控、復制、通信、本地化等其他模塊支持泛在計算應用程序中的各種功能。
5、普適計算核心技術初探
這是我們這篇文章參考的第四篇論文：Ubiquitous computing: An overview of technology impacts [4]，這是一篇SSCI論文，比上面一篇更加權威一些。我們這次從這一篇開始進行研究。這篇文獻是2010年發出來的，所以迄今為止已經有一些年月了，所以我們只是選擇性的進行閱讀，而我們這篇文章如果想一下子就把這么大的一個方面說清楚也是很困難的，所以我們一步步來，各位觀眾姥爺一點點看。
這篇文章首先介紹了什么是普適計算，然后列舉了普適計算在各國的發展(當然這個發展截止到2010年)，然后介紹了普適計算的技術基礎，在隨后就是應用方面，以及法律、媒體如何看待這個技術了，而我們這篇文章重點就在于初步的發掘普適計算的技術基礎部分，通過這個部分希望能讓我們對普適計算有一個基礎的了解。當然如果大家對這篇文章的其他部分感興趣我也可以將論文分享給大家。
OK，Let‘s begin!是不是有英語課那味兒了?，“Communication technology, in particular mobile communication, is considered the key technology in ubiquitous computing.”，翻譯過來就是：通信技術，尤其是移動通訊技術是普適計算的關鍵技術。前面我們提到設備虛擬化的關鍵技術是普適計算，而文中提到普適計算的關鍵技術就是通信技術，除了移動通信技術外，我們現在還擁有許多強大的近距離通訊技術，比如鴻蒙分布式軟總線擁有的技術就包括上文提到的NFC、WiFi、紅外、USB等，再來看看我們之前的架構圖，我們就能明白，普適計算構建了底層硬件層面的基礎互聯，而實現普適計算的相關計算協議我們將會在下一篇推出來詳細的聊一聊相關物聯網協議。
從技術角度來看，普適計算將分為兩個階段來實現：
第一階段，也就是作者當時所處的階段：
In the present first phase, the possibilities of auto-ID technologies will be utilized above all, in particular in RFID, which contribute towards equipping objects in the real world and persons with information technologies. Especially in the business environment, this enables a seamless communication, which is the basis for a great variety of (new) applications.These are primarily utilized to control processes and material flows more efficiently. For the private user, new information services emerge in this phase, through which mobile devices will be upgraded. The technical preconditions for the new functions and features are an increased performance of the devices, further miniaturisation and the possibility of ad hoc networking。
簡明的來說就是，在當時所處的第一階段，首先借助例如RFID的自動識別技術，為現實中的人和物體進行匹配，特別是在商業環境中實現無縫通信，比如我們現在隨處可見的與自己手機配對的藍牙耳機、智能手表、擴展顯示屏等，初步將人與物關聯起來是做的第一步。
第二階段：
The second phase of ubiquitous computing is characterized by an increasing integration of previously separate solutions and individual end devices to a completely networked information system. This can lead to the replacement of conventional devices by specialized devices (e.g., wearables) or by ‘‘ambient interfaces” and ‘‘responsive environments” which will be jointly used by many users. The increased use of sensors will enable these systems to recognize their users and environment and thus to process recognized tasks autonomously to a certain extent。
簡而言之就是將以前與人配對好的一個個獨立的設備相互之間連接起來，集成到一個完全網絡化的信息系統中，他可能導致傳統設備被專用設備所取代，比如我們可能不再需要一個專門的電視來實現看電視而是接一個拓展屏實現視頻播放功能，身旁的音響來實現音頻播放功能，而這個連接過程是自動去實現的而不是自己去到處連接或者接線，同時可能會增加傳感器來區分用戶和任務而不是自己去切換調節，比如識別到你說播放電視就會給你播放學習視頻非誠勿擾，而你遠方4歲的表弟說播放視頻就會播放喜羊羊與灰太狼，這就是自主識別用戶和環境。
我們可以理解為普適計算的第一階段是連接單一的人和物品，而第二個階段就是將所有物品通過網絡相互連接起來，打通任督二脈，而實現所有物品相互連接就必然需要屏蔽不同協議之間的區別，那么不同協議又有什么異同呢?我們又該如何去打通去連接呢?我們下節就會通過去橫向分析不同網絡協議來對分布式軟總線進行抽絲剝繭的進一步探討!
參考文獻：
[1]朱軍紅,唐明根,孫學杉.虛擬化技術分析[J].電腦知識與技術,2016,12(04):229-230.DOI:10.14004。
[2]張浩. 設備虛擬化技術研究及在家庭物聯網中的應用[D].湘潭大學,2013。
[3]Meshram V, Meshram V, Patil K. A survey on ubiquitous computing[J]. ICTACT Journal on Soft Computing, 2016, 6(2): 1130-1135。
[4] Friedewald M, Raabe O. Ubiquitous computing: An overview of technology impacts[J]. Telematics and Informatics, 2011, 28(2): 55-65。
