次世代コンピューティング環境 “Smart Space” の実現に向けて 大越匡、杉田洋介、土田泰徳、若山史郎 西尾信彦、池田靖史、徳田英幸 慶應義塾大学大学院 政策・メディア研究科 慶應義塾大学 環境情報学部 IPSJ Computer System Symposium 2000 発表概要 概要： PostPC時代の知的空間“Smart Space” とユーザ のインタラクションに基づくコンピューティング環境 を構築している。 1.研究背景 2. SSLabプロジェクト 3. (1)SSLab物理環境: “Box-in-the-Box” 4. (2)ヘテロジニアス・ネットワーク 5. (3)ミドルウェアとアプリケーション IPSJ Computer System Symposium 2000 1. 研究背景 PC時代→Post PC時代へ 計算能力をもった多様なデバイスの登場 携帯端末、WC、情報家電、センサなど 多様なネットワークを介したそれらの相互接続 IEEE802.3Ethernet、IEEE802.11無線LAN、 IEEE1394、IrDA、Bluetooth… Sensor Sensor IPSJ Computer System Symposium 2000 従来のコンピューティング環境 情報処理能力は主にユーザの端末に存在 ユーザ 自らの端末を通しての入出力 端末の能力に依存したコンピューティング環境 i i i IPSJ Computer System Symposium 2000 新しいコンピューティング環境 空間中に情報処理能力が遍在する 空間の情報処理能力にも動的に依存可能 i Sensor i i i i i i i i i 知的な空間：Smart Space IPSJ Computer System Symposium 2000 i Seamless Integration Intelligence around users Intelligence in “Space” Common Infrastructure Network Sensor User’s Mobile Devices sense Sensor Sensor Sensor Sensors AVs Household PCs Appliances Embedded Devices and Sensors manipulate Sense Behave IPSJ Computer System Symposium 2000 “Smart Space” 研究課題 空間への機器埋め込み (物理環境) 多様な機器の、多様なネットワークによる相 互接続 Smart Space環境を実現するミドルウェア アーキテクチャ、アプリケーション IPSJ Computer System Symposium 2000 2. SSLab プロジェクト SSLab: Smart Space Laboratory Smart Space実現への研究課題 物理環境 ネットワーク環境 ミドルウェアアーキテクチャとアプリケーション 特徴 物理環境からアプリケーションまでの縦断的な 研究開発 他分野(建築)とのコラボレーション IPSJ Computer System Symposium 2000 研究構成 A:物理環境サポート SSLab実験装置の構築: “Box-in-the-Box” B:ネットワーク環境サポート 多様な機器、ネットワーク (LAN, センサ, A/V, 照明等) ヘテロジニアス・ネットワークの実現 C:ミドルウェアとアプリケーションサポート 関連プロジェクトで研究開発アーキテクチャの実証評価 Wearable Network (WN) 仮想情報家電VNA (Virtual Networked Appliances) 統合センサネットワーク 等 IPSJ Computer System Symposium 2000 App App VNA App WN SensorNet Middleware Architectures C.ミドルウェアとアプリケーションサポート 透過的通信機構 ヘテロジニアス ネットワーク B.ネットワーク環境サポート SSLab実験装置 Box-in-the-Box A.物理環境サポート IPSJ Computer System Symposium 2000 Sensor Sensor 3. A: SSLab物理環境 SSLab実験装置への要件 デバイス埋め込み機能 壁、床、天井といった空間内への、機器、ネットワー ク配線の埋め込み 拡張性 多様な機材設置の要求にこたえる、実験装置本体、 および機材設置に関する拡張性 再構成性 多様な利用用途ごとの物理環境への要求に応じた、 壁面や，部屋の構造等の容易な再構成 (“Sophisticated Appearance”) IPSJ Computer System Symposium 2000 設計： “Box-in-the-Box” 建築の室内に建設する、籠状の実験装置 → “Box-in-the-Box” 特徴：モジュール化された設計 建材：展示会ブース等の建設に使われる再利用型エキ ビジョンシステムを利用 要件を実現するための各機構 二重壁、床、天井 モジュラー壁面、床面、天井面 モバイル壁面 汎用機器取り付け金具 IPSJ Computer System Symposium 2000 Ancient Handwritten Figs. (1) (Approx. A.D.2000.1.31) ←“Double W/C/F” IPSJ Computer System Symposium 2000 Ancient Handwritten Figs. (2) (Approx. A.D.2000.1.31) ←“Mobile Wall” IPSJ Computer System Symposium 2000 Ancient Handwritten Figs. (3) (Approx. A.D.2000.1.31) ←“Universal Device Attachment” IPSJ Computer System Symposium 2000 Box-in-the-Box (CG) IPSJ Computer System Symposium 2000 Inner View (CG) IPSJ Computer System Symposium 2000 施工 慶應義塾大学 湘南藤沢キャンパス デジタルメディアラボ棟内 徳田研究室 外寸: 7.3m x 6.6m x 2.75m(高) 内寸: 5.4m x 5.4m x 2.4m(高) 建材: 独BURKHARDT LEITNER Constructiv社 PILAシステ ム 協力 設計協力 施工 IPSJ Computer System Symposium 2000 慶應大学 池田靖史教授 池田靖史建築計画事務所 株式会社 秀光 慶應SFC デジタルメディアラボ棟 IPSJ Computer System Symposium 2000 室内の様子 2.4m 5.4m 5.4m IPSJ Computer System Symposium 2000 二重壁、床、天井 35cm Inner Ceiling Level 45cm IPSJ Computer System Symposium 2000 開閉式壁面パネル IPSJ Computer System Symposium 2000 二重壁面裏側 (BinB外側) (1) IPSJ Computer System Symposium 2000 二重壁面裏側 (BinB外側) (2) IPSJ Computer System Symposium 2000 モジュラー壁面パネル 90cm 60cm IPSJ Computer System Symposium 2000 パネル 90cm (幅) 60cm (高) 種類 ホワイトボード 木 (MDF) ガラス 開閉機構付 再構成が可能 MMF: Mobile Modern FUSUMA(襖) BinB内任意の位置に 設置可能な壁面 木 (MDF) ホワイトボード 部屋の再構成を実現 IPSJ Computer System Symposium 2000 施工の様子 (2000/7/25 – 8/2) IPSJ Computer System Symposium 2000 4. B: ネットワークサポート 多様なデバイスとネットワーク PC, 小型FC(DUONUS),小型Webサーバ(TINI)、 AV機器、照明、空調、センサ（位置情報、温度 等） Ethernet, IEEE1394, IrDA, RS-232C “リージョン” と “プレーン” 異種混在型ネットワークにおけるプロトコル 透過な通信の実現 IPSJ Computer System Symposium 2000 Controller Lighting Plane Light PDP& TouchPanel A/Vs Audio/Visual Plane Camera LCD& Touch Panel Sensor Plane Motion Processor Illuminometer Speaker Mike Location Sensor thermometer PC(L) FC3 Backbone (LAN) FC5 FC2 PC2 PC5 PC3 WaveLAN Base Station Region Servers (PC & FC) “Regions” In SSLab IPSJ Computer System Symposium 2000 2 FC4 FC1 3 5 1 LAN Switch PC1 4 PC4 Sensor Network (e.g. RS-232C) LAN (e.g. Ethernet) 22 ℃ Bluetooth 36 ℃ IrDA Embedded Wireless Network (e.g. Piconet) IEEE1394 Digital A/V Network (e.g. IEEE1394) USB, IrDA, IEEE1394, Ethernet Mobile Hosts and Equipments 研究課題： 移動透過的な通信の実現 Mobility Support Communication Continuity Support etc.. 多様なプロトコルに透過的な通信の実現 Heterogeneous Communication Support ETL (Enhanced Transport Layer) 動的なネットワーク構成の実現 Ad-hoc Network Support Routing Protocol → MANET IPSJ Computer System Symposium 2000 3. Approach Network階層モデルのどこで実現するか？ 共通のNetwork Layer Transport Layer上部 L5 Application Layer Proxies, GIOP L4 Transport Layer ETL IP-Masquerade L3 Network Layer NAT, IP over L2 Datalink Layer L1 Physical Layer IPSJ Computer System Symposium 2000 x Layers Layer 7 Layer 6 ISO OSI Reference Model The Internet (TCP/IP) Model Application Layer Application Layer Application Presentation Layer Session Layer Layer 5 Enhanced Transport Layer (ETL) Transport Network Datalink Physical TCP/UDP/IP IEEE1394 Ethernet IEEE802.3 Wireless Etc… IEEE802.11 IrDA アプローチの特徴 多様なL1-4プロトコルへの適応性 L1-4プロトコルには変更を加えない →多様なネットワークへの適応性 既存のL1-4プロトコル利用による実装の軽 量化 →多様なホスト(処理能力、記憶領域の制限) →移植性 IPSJ Computer System Symposium 2000 ETLの設計 Communication between Applications Host(2) Host(3) Host(1) Host(4) Application ETL L5 L4 L3 L2 IrTTP IrTTP TCP/UDP TCP/UDP 1394 Trans 1394 Trans IrLMP IrLMP IP IP 1394 1394 IrLAP IrLAP Datalink Datalink Host Addressing Ethernet Ethernet Communication Endpoint Identifier L1 Palm IrDA IPSJ Computer System Symposium 2000 Routing/Connection Redirecting TCP/IP IEEE1394 Interface for Applications ETLの設計(2) Host Addressing ALN-HostAddress for each host Allocated by hand Ex. “VAIO-Server-Dad” Communication Endpoint ID (ALN-HostAddress, ALN-PortName) Port guarantees uniqueness inside a host Ex. (“VAIO-Server-Dad”, “VODServer”) Routing Interface to Applications IPSJ Computer System Symposium 2000 ETLの設計(3) Routing Reactive routing protocols for Ad-hoc Network Interface to Applications Virtual Circuit Datagram IPSJ Computer System Symposium 2000 Practical Communication Virtual Circuit Transport Host-1 Host2 Host-3 A A1 ETL TCP/IP TCP/IP TCP/IP TCP/IP IP(1) IP(2) IP(3) Dest. Gtw, Dest. Gtw, H5 H2 IP(4) IP(2) H1 H5 H3 IP(1) IP(4) IP(4) IPSJ Computer System Symposium 2000 A5 4 3 ETL Host-5 A A 2 ETL Host-4 ETL ETL 1394 IrDA IrDA IP(4) FW-1 FW-2 IR(1) IR(2) Dest. Gtw, Dest. Gtw, Dest. H2 IP(3) H1 IP(3) H5 FW-2 H4 FW-2 H3 H1 H5 FW-1 FW-1 IR(2) H4 H1 1394 Gtw, IR(1) IR(1) Route Discovery (1) Route Request Host-1 Host2 A A1 Host-4 ETL ETL TCP/IP TCP/IP TCP/IP TCP/IP IP(1) IP(2) IP(3) IP(4) FW-1 Route to H5? Gtw, Dest. H1 Route to H5? Gtw, IP(1) IPSJ Computer System Symposium 2000 A5 4 3 ETL Host-5 A A 2 ETL Dest. Host-3 Dest. 1394 ETL 1394 IrDA IrDA FW-2 IR(1) IR(2) Route to H5? Route to H5? Gtw, Dest. Gtw, Dest. H2 IP(3) H1 IP(3) H3 H1 FW-1 FW-1 H4 H1 Gtw, IR(1) IR(1) Route Discovery (2) Route Reply Host-1 Host2 Host-3 A A1 ETL ETL TCP/IP TCP/IP TCP/IP TCP/IP IP(1) IP(2) IP(3) IP(4) FW-1 IP(4) has R-to-5 Dest. Gtw, Dest. H5 H2 IP(4) IP(2) H1 H5 H3 I have R-to-5 Gtw, IP(1) IP(4) IP(4) IPSJ Computer System Symposium 2000 A5 4 3 ETL Host-5 A A 2 ETL Host-4 Dest. 1394 ETL 1394 IrDA IrDA FW-2 IR(1) IR(2) I have R-to-5 I have R-to-5 Gtw, Dest. Gtw, Dest. H2 IP(3) H1 IP(3) H5 FW-2 H4 FW-2 H3 H1 H5 FW-1 FW-1 IR(2) H4 H1 Gtw, IR(1) IR(1) 実装の現状 Platform: Linux-2.2, FreeBSD3.x, 4.x Cアプリケーション用 Cサーバ + Cライブラリセット Linux2.2… TCP/IP, IrDA, + (RS-232c) FreeBSD3.x… TCP/IP, +(IrDA, RS-232c) Object size: 約100KB IPSJ Computer System Symposium 2000 Application Server Application ALN-Port Manager Route Manager Port Table Routing Table Main Thread Client Application libHCL ServerSocket Route Exchanger th. Connection Redirector Parent th. Networks Connection Redirector Child th. Connection Redirectors Client Socket Internal Server th. Connection Server th.s Internal Server Child th.s ALN Transport Interface User Level ALN-HCL-Server L1-4 (unix_ip) L1-4 (linux_irda) L1-4 (unix_serial) Multiplexer L1-4 (internal_unix) Socket(AF_INET) Socket(AF_IRDA) Device File Socket(AF_UNIX) TCP/IP IrTTP/LMP/LAP Com Port IPC Ethernet IrPHY Serial Kernel L1-4 Interfaces (Library) 5. C: ミドルウェアと アプリケーションサポート 関連プロジェクトにて研究開発中のミドル ウェアアーキテクチャ・およびアプリケーショ ン Wearable Network アーキテクチャ PPP(Personalizing Public Place) デモ Networked Appliances Universal Remote Access デモ IPSJ Computer System Symposium 2000 Universal Remote Access Box-in-the-Box 内の家電機器に対する多様 な利用形態を実践 IPSJ Computer System Symposium 2000 背景 至る所にコンピュータが存在し、ネットワーク化された家電機 器をはじめとするデバイスによって、人間の行動が支援される 空間の実現を目指す 従来の家電機器は… •機器固有の操作インターフェース •配置場所に拘束されている •異種の機器間での連携や協調が考えられていない •ユーザによる明示的な操作が必要 その実現に必要なコンピュータには… •小型で、強度が必要 •ネットワーク接続や家電制御のための多様な入出力が必要 IPSJ Computer System Symposium 2000 システムの設計 提供する機能 １．BinB内の機器による相互操作機能 ⇒機器固有の操作インターフェースによる拘束を緩和 ⇒部屋の機器の操作部を一箇所で集中管理したりできる ２．遠隔地からの機器の操作機能 ⇒機器の配置場所による拘束を緩和 ⇒外出先から部屋の機器を操作したり、 部屋の状態を把握したりできる ３．センサ情報を基にした機器の動作機能 ⇒ユーザによる操作量の軽減 ⇒機器による連携、協調動作の実現 ⇒ユーザの嗜好に合わせた環境を自動的に設定したり、 部屋の中で起きた変化をユーザに知らせたりできる IPSJ Computer System Symposium 2000 システム構成図 家電機器類 2 ｵｰﾃﾞｨｵ 空調 遠隔地 機器による からの利用 １ 携帯端末 相互操作 照明 i-mode ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ 2遠隔地 Duonus Network Duonus (制御PC) からの利用 (制御PC) GW 3 ｾﾝｻ情報を 基にした 機器の動作 HTTP サーバ ｾﾝｻ監視 サーバ 位置ｾﾝｻ 温度ｾﾝｻ センサ類 BinB内部 IPSJ Computer System Symposium 2000 嗜好DB 制御ｽｸﾘﾌﾟﾄ インターネット PDA デモ概要(1) 照明 管理ﾎｽﾄ Network 操作内容の 反映 ｵｰﾃﾞｨｵ機器 機器操作 サーバ 照明器具 ｵｰﾃﾞｨｵ 管理ﾎｽﾄ Box in the Box 操作 ユーザ ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾌﾗｯﾄ ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ 操作用 ｲﾝﾀｰﾌｪｰｽ の表示 ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ 管理ﾎｽﾄ I-MODE 操作内容の通知 操作 HTTPサーバ IPSJ Computer System Symposium 2000 デモ概要(2) 照明 Network 管理ﾎｽﾄ ｵｰﾃﾞｨｵ機器 照明器具 Box in the Box 入室を感知 ｵｰﾃﾞｨｵ 管理ﾎｽﾄ 設定内容 を反映 嗜好情報 管理ｻｰﾊﾞ ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾌﾗｯﾄ ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ 嗜好情報の検索 位置ｾﾝｻ 管理ﾎｽﾄ 位置ｾﾝｻ IDの取得 IPSJ Computer System Symposium 2000 入室を通知 ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ 管理ﾎｽﾄ Wearable Network ＆ Personalizing Public Place Box-in-the-Box 内の計算機的能力を生かし、 ユーザの利便性および可搬性を高める IPSJ Computer System Symposium 2000 背景 従来のコンピューティング環境 すべての機能をひとつに詰め込む “All-in-one”型 Wearable Network環境(WN) 環境側の計算機的能力を活用 超分散コンピューティング環境 Personalizing Public Place WNにおいて、環境の資源をある個人用にカ スタマイズする。 IPSJ Computer System Symposium 2000 IPSJ Computer System Symposium 2000 システム設計 移動時の作業状態の持続 ユーザが移動した先の環境においても 作業可能。 ユーザは作業・通信状態の保存や復元を意 識することなく持続的な作業が可能。 周辺機器の適応的利用 ユーザ周辺リソースの変化に応じて使用する リソースを切り替える。 ユーザの要求をその環境においてより高品質 で処理することが可能。 IPSJ Computer System Symposium 2000 PPPデモ Adaptive Telecommunication リージョンA: Audioデータのみ ヘッドフォンから リージョンB: Audio & Video スピーカーと ディスプレイから IPSJ Computer System Symposium 2000 まとめ 遍在する計算機による知的空間 “Smart Space”の実現へ向けて 物理環境サポート… “Box-in-the-Box” デバイス埋め込み機能、拡張性、再構成性 ネットワークサポート 多様なデバイス、多様なネットワーク プロトコル透過型通信機能 ミドルウェアとアプリケーション: URA, PPP IPSJ Computer System Symposium 2000 宣伝 MST2000 “ブース U-03” にて デモおよびビデオを展示中 (是非お越しください) IPSJ Computer System Symposium 2000 The end of presentation IPSJ Computer System Symposium 2000 8. Project Schedule 2000.1 2 3 4 5 6 7 8 9 Initial Design (A) Phy. Str. Support Design Construction (B) Network Support Design Configure (C) Middleware & App. Support Design & Implementation Configure Demonstration @ ORF(Open Research Forum) Exhibition IPSJ Computer System Symposium 2000 t Embedded Computation in Smart Space Application Support App Users’ Computation App App App App Middleware Adaptive Support Middleware Network Support Adaptive Middleware Software Platform Net(a) …… Adaptive Middleware Software Platform Net(b) Software Platform Diverse devices Net(c) Wired / Wireless Network with Heterogeneity and Dynamism Physical Structure Support IPSJ Computer System Symposium 2000 “Box-in-the-Box” 2.“Smart Space” Ratio of Computational Intelligence Sensor i i i 100 : 0 100 : 100 ? i IPSJ Computer System Symposium 2000 i 100 : 10000? 4. B: ネットワークサポート “Region” Approach 5 Separated Areas in SSLab Units for distributed management Suitable for “Mobile” demonstration Devices PCs, Java-FCs (Region Servers) Sensors (Location, Illuminometer, Thermometer, Motion Processor…) A/V equipment (DV, D-VHS, DVD, PDP…) SoftBoard Lighting Equipment IPSJ Computer System Symposium 2000 6. B: Distributed Network Support Networks LAN Plane (100Base-TX & IEEE802.11) (Backbone) Sensor Plane (RS-232C) A/V equipment Plane (IEEE1394, RS-232C) Lighting Equipment Plane (RS-232C) IPSJ Computer System Symposium 2000 Extensibility Support X X X Lighting Plane Lights Lights Sensor Plane Sensor A/V Plane LAN (Backbone) Plane X X … Lights Lights Sensor … Sensor Sensor A/V A/V … A/V A/V PC PC … PC PC Region 1 Region 2 … Region n Region n+1 IPSJ Computer System Symposium 2000
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