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次世代コンピューティング環境 “ Smart Space ” の実現に向けて

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. 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

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次世代コンピューティング環境 “ Smart Space ” の実現に向けて

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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

  3. Sensor Sensor 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…

  4. i i i 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

  5. i i i Sensor i i i i i 知的な空間：Smart Space 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 i i

  6. Sensor Sensor Sensor Sensor Intelligence around users Intelligence in “Space” Seamless Integration Common Infrastructure Network HouseholdAppliances PCs Sensors AVs Embedded Devices and Sensors User’s Mobile Devices sense manipulate Sense Behave “Smart Space”

  7. 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

  8. 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

  9. 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

  10. Sensor Sensor App App App Middleware Architectures VNA WN SensorNet 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

  11. 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”)

  12. 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

  13. Ancient Handwritten Figs. (1)(Approx. A.D.2000.1.31) ←“Double W/C/F”

  14. Ancient Handwritten Figs. (2)(Approx. A.D.2000.1.31) ←“Mobile Wall”

  15. Ancient Handwritten Figs. (3)(Approx. A.D.2000.1.31) ←“Universal Device Attachment”

  16. Box-in-the-Box (CG)

  17. Inner View (CG)

  18. 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 慶應大学 池田靖史教授 池田靖史建築計画事務所 • 施工 株式会社 秀光

  19. 慶應SFC デジタルメディアラボ棟

  20. 2.4m 5.4m 5.4m 室内の様子

  21. 35cm Inner Ceiling Level Free AccessFloor Panels 45cm 二重壁、床、天井

  22. Devices Sensors 開閉式壁面パネル

  23. 二重壁面裏側 (BinB外側) (1)

  24. 二重壁面裏側 (BinB外側) (2)

  25. 90cm 60cm モジュラー壁面パネル • 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

  26. 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

  27. 施工の様子 (2000/7/25 – 8/2)

  28. 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

  29. Controller Lighting Plane Light PDP&TouchPanel A/Vs Audio/Visual Plane Camera Speaker LCD&Touch Panel Mike Sensor Plane LocationSensor Motion Processor thermometer Illuminometer PC(L) LAN Switch PC3 FC3 Backbone(LAN) PC4 PC5 WaveLANBase Station FC4 FC5 PC2 PC1 FC2 Region Servers(PC & FC) FC1 3 4 “Regions” In SSLab 5 2 1

  30. 22 ℃ 36 ℃ Sensor Network(e.g. RS-232C) Bluetooth LAN (e.g. Ethernet) IrDA Embedded Wireless Network (e.g. Piconet) IEEE1394 Digital A/V Network (e.g. IEEE1394) USB, IrDA, IEEE1394, Ethernet Mobile Hosts and Equipments

  31. 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

  32. 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 ETL L4 Transport Layer IP-Masquerade NAT, IP over x L3 Network Layer L2 Datalink Layer L1 Physical Layer

  33. Layers ISO OSI Reference Model The Internet (TCP/IP) Model ApplicationLayer ApplicationLayer Layer 7 Application Layer 6 PresentationLayer SessionLayer Layer 5 Enhanced Transport Layer (ETL) Transport TCP/UDP/IP IEEE1394 IrDA Network Datalink EthernetIEEE802.3 WirelessIEEE802.11 Etc… Physical

  34. 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

  35. Palm Host Addressing Communication Endpoint Identifier Routing/Connection Redirecting Interface for Applications ETLの設計 Communication between Applications Host(2) Host(3) Host(4) Host(1) Application ETL L5 L4 IrTTP IrTTP TCP/UDP TCP/UDP 1394 Trans 1394 Trans L3 IrLMP IrLMP IP IP 1394 1394 L2 IrLAP IrLAP Ethernet Ethernet Datalink Datalink L1 IrDA TCP/IP IEEE1394

  36. 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

  37. ETLの設計(3) • Routing • Reactive routing protocols for Ad-hoc Network • Interface to Applications • Virtual Circuit • Datagram

  38. Dest. Dest. Dest. Dest. Dest. Gtw, Gtw, Gtw, Gtw, Gtw, H2 IP(3) H3 FW-1 H4 IR(1) H1 FW-1 H1 IR(1) H1 IP(3) H5 IP(4) H5 IP(4) H5 FW-2 H3 IP(4) H4 FW-2 H2 IP(2) Practical CommunicationVirtual Circuit Transport Host-1 Host2 Host-3 Host-4 Host-5 A5 A1 A2 A4 A3 ETL ETL ETL ETL ETL TCP/IPIP(1) TCP/IPIP(2) TCP/IPIP(3) TCP/IPIP(4) 1394FW-1 1394FW-2 IrDAIR(1) IrDAIR(2) H1 IP(1) H5 IR(2)

  39. Route to H5? Route to H5? Route to H5? Route to H5? Dest. Dest. Dest. Dest. Dest. Gtw, Gtw, Gtw, Gtw, Gtw, H2 IP(3) H3 FW-1 H4 IR(1) H1 FW-1 H1 IR(1) H1 IP(3) Route Discovery (1)Route Request Host-1 Host2 Host-3 Host-4 Host-5 A5 A1 A2 A4 A3 ETL ETL ETL ETL ETL TCP/IPIP(1) TCP/IPIP(2) TCP/IPIP(3) TCP/IPIP(4) 1394FW-1 1394FW-2 IrDAIR(1) IrDAIR(2) H1 IP(1)

  40. IP(4) has R-to-5 I have R-to-5 I have R-to-5 I have R-to-5 Dest. Dest. Dest. Dest. Dest. Gtw, Gtw, Gtw, Gtw, Gtw, H2 IP(3) H3 FW-1 H4 IR(1) H1 FW-1 H1 IR(1) H1 IP(3) H5 IP(4) H5 IP(4) H5 FW-2 H3 IP(4) H2 IP(2) H4 FW-2 Route Discovery (2)Route Reply Host-1 Host2 Host-3 Host-4 Host-5 A5 A1 A2 A4 A3 ETL ETL ETL ETL ETL TCP/IPIP(1) TCP/IPIP(2) TCP/IPIP(3) TCP/IPIP(4) 1394FW-1 1394FW-2 IrDAIR(1) IrDAIR(2) H1 IP(1) H5 IR(2)

  41. 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

  42. Application ALN-HCL-Server ServerApplication ClientApplication ALN-Port Manager Route Manager Main Thread Port Table Routing Table libHCL Networks ServerSocket Client Socket Route Exchanger th. User Level Internal Server th. ConnectionRedirector Child th. Connection Redirector Parent th. ConnectionServer th.s Connection Redirectors ALN Transport Interface Internal Server Child th.s L1-4 Interfaces (Library) L1-4 (unix_ip) L1-4 (linux_irda) L1-4 (unix_serial) L1-4 (internal_unix) Multiplexer Socket(AF_INET) Socket(AF_IRDA) Device File Socket(AF_UNIX) TCP/IP IrTTP/LMP/LAP Com Port IPC Kernel Ethernet IrPHY Serial

  43. 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

  44. 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

  45. 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

  46. 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

  47. システム構成図 家電機器類 2 遠隔地 からの利用 １ 携帯端末 ｵｰﾃﾞｨｵ 空調 機器による 相互操作 i-mode PDA 照明 ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ 2 遠隔地 からの利用 Duonus (制御PC) Network GW 3 ｾﾝｻ情報を 基にした 機器の動作 Duonus HTTP サーバ (制御PC) インターネット ｾﾝｻ監視 サーバ 嗜好DB 位置ｾﾝｻ 温度ｾﾝｻ センサ類 制御ｽｸﾘﾌﾟﾄ BinB内部

  48. デモ概要(1) 照明 管理ﾎｽﾄ 操作内容の 反映 Network ｵｰﾃﾞｨｵ機器 機器操作 サーバ 照明器具 Box in the Box ｵｰﾃﾞｨｵ 管理ﾎｽﾄ 操作 操作用 ｲﾝﾀｰﾌｪｰｽ の表示 ユーザ ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾌﾗｯﾄ ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ I-MODE ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ 管理ﾎｽﾄ 操作内容の通知 操作 HTTPサーバ

  49. デモ概要(2) Network 照明 管理ﾎｽﾄ ｵｰﾃﾞｨｵ機器 設定内容 を反映 照明器具 嗜好情報 管理ｻｰﾊﾞ Box in the Box ｵｰﾃﾞｨｵ 管理ﾎｽﾄ 入室を感知 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 入室を通知 位置ｾﾝｻ ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ 管理ﾎｽﾄ IDの取得

  50. 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

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