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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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 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 多様なネットワークを介したそれらの相互接続
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

4 従来のコンピューティング環境 i 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

5 新しいコンピューティング環境 i i i i 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
知的な空間：Smart Space i Sensor i i i

6 Intelligence around users Intelligence in “Space” Seamless Integration
Common Infrastructure Sensor Sensor Network Sensor Sensor Household Appliances Sensors AVs PCs User’s Mobile Devices Embedded Devices and Sensors 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 特徴
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 B:ネットワーク環境サポート C:ミドルウェアとアプリケーションサポート
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 Middleware Architectures
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 Sensor ヘテロジニアス ネットワーク Sensor 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 拡張性 再構成性
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
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 室内の様子 5.4m 2.4m

21 二重壁、床、天井 35cm Inner Ceiling Level Free Access Floor Panels 45cm

22 開閉式壁面パネル Devices Sensors

23 二重壁面裏側 (BinB外側) (1)

24 二重壁面裏側 (BinB外側) (2)

25 モジュラー壁面パネル パネル 90cm 90cm (幅) 60cm (高) 種類 ホワイトボード 木 (MDF) 60cm 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 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
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 Lighting Plane Audio/Visual Plane Sensor Plane Backbone (LAN) 3 4
Controller Lighting Plane Light PDP& TouchPanel A/Vs Audio/Visual Plane Camera Speaker LCD& Touch Panel Mike Sensor Plane Motion Processor Location Sensor thermometer Illuminometer PC(L) LAN Switch PC3 FC3 Backbone (LAN) PC5 PC4 FC5 WaveLAN Base Station FC4 PC2 FC2 Region Servers (PC & FC) PC1 FC1 3 4 “Regions” In SSLab 2 5 1

30 22 36 Sensor Network (e.g. RS-232C) Bluetooth LAN (e.g. Ethernet) IrDA
℃ Sensor Network (e.g. RS-232C) Bluetooth 36 ℃ 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 多様なプロトコルに透過的な通信の実現 動的なネットワーク構成の実現 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
Application Layer Proxies, GIOP ETL L4 Transport Layer IP-Masquerade NAT, IP over x L3 Network Layer L2 Datalink Layer L1 Physical Layer

33 Enhanced Transport Layer (ETL)
Layers ISO OSI Reference Model The Internet (TCP/IP) Model Application Layer Application Layer Layer 7 Application Layer 6 Presentation Layer Session Layer Layer 5 Enhanced Transport Layer (ETL) Transport Application Layer approach of ALN means that - functionalities of ALN is built in the application layer or layer 5. - uses the functionalities of from physical to transport layer. And it provides its functionalities, hetero-comm and mobile-comm To applications. TCP/UDP/IP IEEE1394 IrDA Network Datalink Ethernet IEEE802.3 Wireless IEEE802.11 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 既存のL1-4プロトコル利用による実装の軽量化 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 ETLの設計 Application ETL L5 L4 L3 Host Addressing L2
Communication between Applications Host(1) Host(2) Host(3) Host(4) Application Communication Endpoint Identifier Routing/Connection Redirecting Interface for Applications Host Addressing ETL L5 L4 IrTTP IrTTP TCP/UDP TCP/UDP 1394 Trans 1394 Trans L3 IrLMP IrLMP IP IP 1394 1394 When a application on host1 starts the communication with a appliation on host4. Actual connection is established like this blue line. At every intermediate host of the communication, HCL redirects the two layer1-4 connections. Redirecting the communication above the transport layer, HCL enables the transparent communication on the heterogeneous networks. Out HCL consists of 4 key designs, A, B, C, and D L2 IrLAP IrLAP Ethernet Ethernet Datalink Datalink L1 Palm IrDA TCP/IP IEEE1394

36 ETLの設計(2) Host Addressing Communication Endpoint ID Routing
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 Interface to Applications
Reactive routing protocols for Ad-hoc Network Interface to Applications Virtual Circuit Datagram

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

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

40 Route Discovery (2) Route Reply
Host-1 Host2 Host-3 Host-4 Host-5 A1 A5 A2 A3 A4 ETL ETL ETL ETL ETL IP(4) has R-to-5 I have R-to-5 I have R-to-5 I have R-to-5 TCP/IP IP(1) TCP/IP IP(2) TCP/IP IP(3) TCP/IP IP(4) 1394 FW-1 1394 FW-2 IrDA IR(1) IrDA IR(2) Dest. Gtw, Dest. Gtw, Dest. Gtw, Dest. Gtw, Dest. Gtw, H5 IP(4) H2 IP(2) H1 IP(1) H2 IP(3) H1 IP(3) H3 FW-1 H1 FW-1 H4 IR(1) H1 IR(1) H5 IP(4) H3 IP(4) H5 FW-2 H4 FW-2 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 Connection Redirectors
Application ALN-HCL-Server Server Application Client Application ALN-Port Manager Route Manager Main Thread Port Table Routing Table libHCL Networks ServerSocket Client Socket Route Exchanger th. User Level Connection Redirector Child th. Internal Server th. Connection Redirector Parent th. Connection Server 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 2 １ i-mode PDA 2 3 家電機器類 携帯端末 Network センサ類 BinB内部 ｵｰﾃﾞｨｵ 空調
遠隔地 からの利用 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 Duonus ｾﾝｻ情報を 基にした 機器の動作 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) Box in the Box Network 照明 管理ﾎｽﾄ 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 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) Box in the Box Network 嗜好情報 管理ｻｰﾊﾞ 位置ｾﾝｻ 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

51 背景 従来のコンピューティング環境 Wearable Network環境(WN) Personalizing Public Place
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。

52

53 システム設計 移動時の作業状態の持続 周辺機器の適応的利用 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。

54 PPPデモ Adaptive Telecommunication リージョンA: リージョンB: Audioデータのみ ヘッドフォンから
Audio & Video スピーカーと ディスプレイから What can I realize using current implementation? One answer is Adaptive Telecommunication. First, the user is in Room A, and try to communicate with someone over the network. Mission mechanism start telecommunication application built with Wapplet Framework. Using ASAMA directory server, Mission Engine search the available service which Wapplet Application requires. It recognizes that only Headphone Service is available and use it to hear the voice. When the user move to Room B, ASAMA notify to the Mission Engine that new service providers, Audio and Display, are available. Mission Object try to use new Service Provider, controls and migrates Wapplet Module. And the user can hear and see the Audio and Image continuously because Commutext Migration guarantee the communication state consistency.

55 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

56 MST2000 “ブース U-03” にて デモおよびビデオを展示中
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)

57 The end of presentation

58 8. Project Schedule t 2000.1 2 3 4 5 6 7 8 9 Initial Design
ORF(Open Research Forum) Exhibition Initial Design (A) Phy. Str. Support Design Construction (B) Network Support Design Configure (C) Middleware & App Support Design & Implementation Configure

59 Wired / Wireless Network with Heterogeneity and Dynamism
Embedded Computation in Smart Space Users’ Computation Application Support App App App App App …… Middleware Support Adaptive Middleware Adaptive Middleware Adaptive Middleware Network Support Software Platform Software Platform Software Platform Net(a) Net(b) Net(c) Diverse devices Wired / Wireless Network with Heterogeneity and Dynamism Physical Structure Support “Box-in-the-Box”

60 i 2.“Smart Space” Ratio of Computational Intelligence i i i ? i
Sensor i i i 100 : 0 100 : 100 ? i i 100 : 10000?

61 4. B: ネットワークサポート “Region” Approach Devices 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

62 6. B: Distributed Network Support
LAN Plane (100Base-TX & IEEE802.11) (Backbone) Sensor Plane (RS-232C) A/V equipment Plane (IEEE1394, RS-232C) Lighting Equipment Plane (RS-232C)

63 Extensibility Support
X Plane Region n+1 PC A/V Sensor Lights … Lighting Plane Lights Lights Lights … Sensor Plane Sensor Sensor Sensor … A/V Plane A/V A/V A/V … LAN (Backbone) PC PC PC … Region 1 Region 2 Region n