40、基于UPnP的协作式NCP设计与3DLife项目：节能与媒体互联网创新

基于UPnP的协作式NCP设计与3DLife项目：节能与媒体互联网创新

1. 协作式NCP设计与实现

协作式网络连接代理（NCP）是一种允许高功耗网络主机在空闲时进入睡眠状态，同时通过低功耗网络实体维持其虚拟存在的有效方法。NCP的功能流程如下：

graph LR
    A[主机] -->|注册代理请求| B[代理]
    B -->|检测主机电源状态| C{主机是否进入睡眠模式}
    C -- 是 --> D[代理开启数据包嗅探和代理功能]
    D -->|转发嗅探数据包| E[数据包处理单元]
    E -->|分析并确定操作| F[执行相应操作]
    C -- 否 --> G[继续检测]

在实现方面，协作式NCP在标准PC的Linux操作系统上实现。NCP软件使用C++编程语言和QT库编写，QT库提供了丰富的函数，便于进行网络编程。UPnP控制点（CP）和设备（CD）使用Herqq UPnP（HUPnP）库实现，该库符合UPnP规范v1.1。

网络主机和代理都包含CP和CD，以实现双向UPnP通信。代理使用PCAP库嗅探发往睡眠主机的数据包。网络主机开发了一个Linux内核模块，用于自动检测电源状态的变化，并将这些变化通知给主机的CD，CD会修改相应的状态变量。主机的CD通过UPnP事件通知消息向代理的CP更新状态变量的值。主机的CP用于在代理的CD上注册所需的操作。

代理实现了ARP欺骗功能，通过广播免费ARP回复数据包，将其MAC地址与睡眠主机的IP地址绑定在网络主机/路由器的ARP表中。代理将嗅探到的数据包转发到数据包处理单元，该单元分析数据包并确定相应的操作。代理还实现了基本网络存在和管理协议（如ARP、ICMP回显等）的响应数据包，以及唤醒局域网（WOL）数据包，当代理嗅探到需要主机资源的数据包（如新建TCP连接尝试）时，会发送WOL数据包唤醒睡眠主机。

为了评估NCP的性能，进行了不同场景的测试。测试结果表明，NCP在不同场景下的性能表现良好，能够有效减少网络设备的能耗。

事件类型	交换的数据包数量	交换的总字节数	平均数据包大小（字节）
发现与描述	130	34678	266.75
稳定状态	650	68154	104.85
操作注册	46	5976	129.91
电源状态通知	43	4929	114.62
注销	80	17508	218.85

不同场景下的ICMP回显测试和唤醒连接测试结果如下：
|场景|ICMP回显测试（WTS丢失的PING响应数）|ICMP回显测试（STW丢失的PING响应数）|ICMP回显测试（WTS重复的PING响应数）|ICMP回显测试（STW重复的PING响应数）|唤醒连接测试（SSH响应时间，秒）|唤醒连接测试（主机唤醒时间，秒）|唤醒连接测试（NCP延迟，毫秒）|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|场景1|4|2|0|0|6.35|5.88|0.71|
|场景2|0|0|1|4|10.89|10.69|0.74|

不同设备在ACPI S0和S3状态下的功耗测量结果显示，设备在睡眠状态下的能耗明显低于开机状态。

网络主机	ACPI S0状态功率需求（W）	ACPI S3状态功率需求（W）
PC1：SuperMicro X8DAH + -F主板，两颗Intel Xeon X5650 CPU，6GB RAM	146	8
PC2：P5QPL - M主板，Intel E5400 CPU，4GB RAM	55	3
PC3：Intel Atom D510，1GB RAM	22	3
笔记本1：Dell Inspiron 910	19	1.2
笔记本2：Dell Latitude D531	23.5	2
笔记本3：Toshiba Satellite A205	21.4	1.46

通过计算平均功耗值，预计未来在网络中部署NCP可以为台式计算机每年平均节省438 kWh的能源，为笔记本电脑每年平均节省102 kWh的能源，相应的费用节省分别为每年96.36欧元和22.5欧元。

测量/估计值	台式机	笔记本
开机功率（W）	80	22
睡眠功率（W）	5	2
功率节省（W）	75	20
实际使用时间（小时/天）	8	10
实际使用时间（小时/年）	2920	3650
全时开机时间（小时/年）	8760	8760
全时开机能耗（kWh/年）	700.8	192.72
实际使用 + 空闲时睡眠能耗（kWh/年）	262.8	90.52
单台设备节省能耗（kWh/年）	438	102.2
单台设备节省费用（欧元/年）	96.36	22.5
10000台设备节省费用（百万欧元/年）	0.96	0.225
全球节省费用（十亿欧元/年）	78.5	3.7

2. 3DLife项目：推动媒体互联网发展

3DLife是一个欧盟FP7卓越网络项目，于2010年1月启动，旨在促进联合研究，整合欧洲领先的研究团队，为解决当前媒体互联网碎片化研究问题创造长期的创新力量。该项目汇集了来自欧洲和韩国的七个研究团队：
- 伦敦大学玛丽皇后学院（英国）
- 都柏林城市大学（爱尔兰）
- 法国电信学校集团（法国）
- 德国弗劳恩霍夫海因里希赫兹研究所（德国）
- 日内瓦大学（瑞士）
- 希腊信息学与电信研究所（希腊）
- 韩国大学（韩国）

3DLife的研究议程聚焦于从各种内容源生成3D信息的新技术，以推动新型媒体互联网应用的发展。其研究领域包括：
- 用于3D数据生成的媒体分析，即集成图像和音频处理技术的工具，以稳健地提取从粗粒度3D信息到细粒度人体运动分析的3D数据。
- 用于生成虚拟世界、物体和最重要的人类的3D计算机图形技术，以实现新的真实感水平。
- 用于创建分布式沉浸式虚拟世界的工具，包括媒体网络技术，旨在根据用户的个人内容重新创建现有位置并创建新的想象位置。

3DLife的工作计划旨在通过提供一系列支持，促进这些领域的合作，包括短期和长期研究奖学金、资源优化和共享，以及收集和维护免费可用的研究资源。在项目的前三年，3DLife支持了19次博士短期交流和15次高级研究人员交流。该项目还设计并安装了一个技术基础设施，以促进人员和技术的整合活动，支持合作伙伴之间共享和交换研究资源，包括设备、教学资源、工具、接口和测试数据。截至2012年底，整合框架维基列出了来自各个感兴趣领域的24个软件工具，以及14个数据集，包含超过23.4小时的录制音频和视频。

为了确保3DLife的长期可持续性，建立了一个专门的卓越中心——EMC2：媒体计算与通信卓越中心。EMC2是一个非营利性法律实体，位于伦敦大学玛丽皇后学院。其使命是整合合作伙伴的能力、知识和专业知识，通过合作项目、联合研究出版物和技术转让促进研发，包括：
- 学术界与产业界的对接，以促进技术转让，特别是向中小企业转让。
- 对未来企业家的指导、辅导和培训。
- 开设具有创业重点的MC2领域博士课程。
- 塑造国家和欧洲的研究议程。

3DLife和EMC2都认识到需要超越现有的创始项目和相关联盟成员。因此，它们发起了一个关键的联合目标，即通过ACM多媒体大挑战系列活动，与更广泛的社区建立联系，提高学术和工业界参与者的意识，并促进他们之间的互动。3DLife组织并共同赞助了该系列的三个挑战：
- 2009 - 2010年3DLife/Technicolor体育活动分析相机网络大挑战
- 2010 - 2012年3DLife/华为在线虚拟环境真实交互大挑战
- 2013年3DLife/华为多主动和被动传感器移动人体3D重建大挑战

3DLife项目与行业赞助商密切合作，共同定义挑战，并投入项目资源创建所需的数据集，以促进大挑战的开展。

综上所述，协作式NCP在网络节能方面具有巨大的潜力，而3DLife项目则在媒体互联网创新领域取得了显著的成果。这两个项目都为相关领域的发展提供了重要的参考和借鉴。

3. NCP与3DLife项目的综合影响

NCP和3DLife项目虽然聚焦于不同的领域，但它们都对网络和媒体技术的发展产生了积极的影响。

从节能角度来看，NCP通过让高功耗网络主机在空闲时进入睡眠状态，有效降低了网络设备的能耗。以不同设备在ACPI S0和S3状态下的功耗数据为例，台式计算机和笔记本电脑在睡眠状态下的能耗大幅降低。通过在网络中部署NCP，不仅可以为单个设备节省大量的能源和费用，从全球范围来看，也能带来可观的经济节省。这对于当前倡导的绿色网络和可持续发展具有重要意义。

而3DLife项目则在媒体互联网领域推动了创新。它整合了多个国家的研究团队，在3D信息生成、虚拟世界创建等方面开展研究，为新型媒体互联网应用的发展奠定了基础。通过组织和赞助ACM多媒体大挑战系列活动，激发了研究社区的创新活力，促进了学术和工业界的交流与合作。

两者之间也存在一定的关联。随着媒体互联网的发展，网络设备的能耗问题日益突出。NCP的节能技术可以为3DLife项目中涉及的大量网络设备提供节能解决方案，确保在实现媒体互联网创新的同时，降低能源消耗。而3DLife项目所推动的媒体互联网应用的发展，也可能会对NCP的功能提出更高的要求，促使其不断优化和完善。

4. 未来展望

对于NCP而言，未来的工作可以聚焦于以下几个方面：
- 功能扩展 ：开发能够保存睡眠网络主机开放TCP连接的NCP，以满足更多网络应用的需求。
- 应用独立 ：由于网络应用类型繁多，具有不同类型的心跳消息，未来需要开发与应用无关的NCP，提高其通用性和适应性。

对于3DLife项目和EMC2卓越中心，未来可以继续加强以下工作：
- 社区拓展 ：进一步扩大与学术和工业界的合作范围，吸引更多的参与者，共同推动媒体互联网的发展。
- 技术创新 ：持续投入研究资源，探索新的3D信息生成和虚拟世界创建技术，为媒体互联网带来更多的创新应用。

以下是一个简单的mermaid流程图，展示NCP和3DLife项目未来发展的方向：

graph LR
    A[NCP] --> B[功能扩展]
    A --> C[应用独立]
    D[3DLife/EMC2] --> E[社区拓展]
    D --> F[技术创新]

总体而言，NCP和3DLife项目为网络节能和媒体互联网创新提供了重要的思路和实践经验。随着技术的不断发展，它们有望在未来发挥更大的作用，为相关领域带来更多的突破和发展。

项目	未来发展方向	具体内容
NCP	功能扩展	开发保存睡眠网络主机开放TCP连接的NCP
NCP	应用独立	开发与应用无关的NCP
3DLife/EMC2	社区拓展	扩大与学术和工业界的合作范围
3DLife/EMC2	技术创新	探索新的3D信息生成和虚拟世界创建技术

通过对NCP和3DLife项目的研究和实践，我们可以看到在网络和媒体技术领域，节能和创新是相辅相成的。未来，我们期待这些项目能够不断发展和完善，为我们的生活和社会带来更多的便利和价值。