10个超酷的网络和IT研究项目

布法罗大学的几个学生在伊利湖测试水下无线网络, 感谢布法罗大学的Douglas Levere提供图片。

本文介绍了高等院校的顶级研究人员在无线、云计算、安全及其他技术创新领域取得的成果。

 

这年头,新的企业和消费者网络技术正在迅速涌现,这还得感谢有钱的创业公司,甚至比较传统的科技公司。不过全球各地高等院校的研究实验室才是孕育更前沿技术的摇篮。

不妨看一看几个比较引人入胜的项目,涉及从无线、安全、开源、机器人到云计算的广泛领域。

水下无线


美国布法罗大学和东北大学的研究人员正在开发让水下电信网络赶得上空中网络的软硬件。这个进步有望造福于搜救行动、海啸探测、环境监测及更多应用领域。

他们的研究工作得到了美国国家科学基金会(NSF)的支持,其工作在一份题为《软件定义的水下声学网络:打造高速率实时可重构的调制解调器》的报告中加以概述,这份报告发表在2015年年底的《IEEE通信杂志》上。

迪米特里斯·帕多斯(Dimitris Pados)博士是布法罗大学工程与应用科学学院电气工程系的Clifford C. Furnas教授,也是这份报告的作者之一。他说:“我们在陆基无线通信领域目睹的重大创新和发展还没有出现在水下传感网络领域,不过我们正在开始改变这种现状。”

水下使用的声波与空中通信使用的无线电波根本没法比,不过研究人员正在运用智能化软件定义无线电技术,并结合水下声学调制解调器。如果早期测试信得过的话,有望将速率提升十倍。

苹果手表不只是个玩具


宾夕法尼亚州立大学教育心理学副教授雷娜·斯珀林(Rayne Sperling)在研究学生的自我调节学习如何得益于可穿戴式技术和容易使用的技术,比如苹果手表,学生可以使用这两种技术来制作和使用内容。

斯珀林说:“我们将使用苹果手表作为一种新的机制,提供教学平台,以便学生密切关注其教学进度,另外提供学生在学习课程内容时可以使用的特定的学习策略。”

宾夕法尼亚州立大学的雷娜·斯珀林在实际操控苹果手表

斯珀林与该学校的信息技术服务(ITS)部门合作,帮助引导宾夕法尼亚州立大学最合理地利用技术,以支持广大师生。据ITS的技术教学部门声称,“使用苹果手表作为起点,我们正与雷娜合作,开发一种“教学型Fitbit”的自我调节方法,充分利用苹果手表,收集学生学习方面的数据,然后回过头来,以一种直观的方式将这些数据提供给学生,帮助他们思考什么学习策略有效,从而带来教学上的成功。”

机器人导师:没什么可害怕


早在严厉的Thomas Catherine修女吓坏我及天主教学校的其他天真无邪的三年级学生的那个年代,卡内基·梅隆大学的这些研究人员在哪里呢?

卡内基·梅隆大学的一个研究小组将目光投向了奖金总额达1500万美元的全球学习XPRIZE大赛的1000万美元大奖,大赛的目的是帮助孩子们通过平板电脑和软件之类的工具掌控自己的学习。这次大赛在2014年宣布,报名截至日期是11月。

研究人员实际上并不是试图取代修女及其他教师的岗位,而是着眼于在教师和学校奇缺的国家和地区帮助教育孩子。

杰克·莫斯托(Jack Mostow)是机器人研究所的名誉研究教授,也是卡内基·梅隆大学的“机器人导师”(RoboTutor)团队的主管,他在声明中说:“在卡耐基·梅隆大学,我们为解决重大问题而引以为豪;在世界上许多地方,缺乏正规教育是一个非常重大的问题。如果我们能研制出填补这一空白的教学技术,就能显著改善2.5亿儿童的生活,如今他们不会读、不会写,也不会做基本的数学运算。”

莫斯托在卡内基·梅隆大学名声显赫,他还在研制自动化的阅读导师(Reading Tutor)。

开源的力量


大约40年来, 图形处理器单元(GPU)一直让视频游戏机和电脑能够处理图形密集型应用程序,它是开源的最近受益者。宾厄姆顿大学的研究人员表示,他们已率先将开源GPU用于研究工作。

宾厄姆顿大学计算机学助理教授蒂莫西·米勒(Timothy Miller)表示,Nyami是一种综合的GPU架构模型,可用于通用工作负载和图形工作负载,它有望为其他研究人员研制自己的GPU铺平道路。

他说:“作为一名研究人员,拥有相应的工具,可以客观现实地评估有望改善性能和能效,并克服处理器架构其他难题的想法,这点很重要。”大家在积极测试GPU用于处理图形之外的其他对象,比如算法。

宾厄姆顿大学的蒂莫西·米勒在研制Nyami

这种开源GPU所能处理的工作不仅仅是图形处理。

你可以在一篇题为《Nyami:一种面向通用工作负载和图形工作负载的综合GPU架构模型》的论文中深入了解Nyami的细节,详见http://www.cs.binghamton.edu/~millerti/nyami-ispass2015.pdf。

对云抱以更大的期望


虽然云计算在成本和可靠性方面具有诸多好处,但性能保证方面有点成问题。华盛顿大学圣路易斯分校的计算机学教授们已获得了美国海军研究办公室下拨的为期三年共61万美元的专项资金,研究动态实时虚拟化和云计算,期望取得进展,从而加强云计算对物联网应用(比如汽车安全和交通信号系统)的支持。说得更具体点,他们期望构建一种可以管理和协调实时虚拟机的云计算平台。

吕晨阳(Chenyang Lu)正与同事克里斯托弗·吉尔(Christopher Gill)在开展这个项目,他们俩之前开发出了一款名为RT-Xen的实时开源调度软件,用于虚拟化环境。吕晨阳说:“今天的云计算系统速度慢,又不稳定。如果将一个任务发送到云计算平台,有时返回很快,有时返回很慢,原因是它与其他虚拟机共享你提交任务的那台机器。”

PowerCyber:保持电网正常运转


前不久,乌克兰的一起网络攻击搞垮了数十个变电站,导致数百座城市断电,这起事件向监管此类工业网络的人和此类工业网络服务的那些人敲响了警钟。衣阿华州立大学的研究人员正在构建一个网络安全测试平台,帮助保护电网。

PowerCyber实验室专门用来进行安全漏洞分析、风险评估、攻防评估以及其他工作。考虑到我们谈论的不仅仅是通信网络和软件,还有输电线、电力塔、传感器及其他部件,这个实验室很复杂。

衣阿华州立大学的马尼马兰·戈文达拉苏(Manimaran Govindarasu)和道格·雅各布森(Doug Jacobson)在领导团队研究电网网络安全,包括开发PowerCyber测试平台。

该测试平台得到了美国国家科学基金会(NSF)和国土安全部的支持,由衣阿华州立大学的道格·雅各布森和马尼马兰·戈文达拉苏主持,它接入了雅各布森的历经考验的ISEAGE网络,用于网络安全研究。该测试平台被用于工业培训和学生学习,还用于2月举行的网络防御大赛。

戈文达拉苏在声明中说:“我们可以利用这个测试平台来运行攻击,观察给电力系统带来的影响。如果导致停电,我们该如何缓解这种情况?我们还可以准备好应对这些攻击,作好防御准备。”

将光引入到微处理器


加州大学伯克利分校、麻省理工学院和科罗拉多大学博尔德分校的工程师们联手打造了世界上第一批结合电子和光子的微处理器,这为速度大幅提升的计算和通信铺平了道路。此外,他们在一家批量生成普通计算机芯片的代工厂完成了这项壮举,所以还有望以商业化生产速度来生产这种发光芯片。

研究人员在发表于去年12月的《自然》杂志上的一份论文中描述了这一技术突破。

弗拉基米尔·斯托扬诺维奇(Vladimir Stojanović)是加州大学伯克利分校的电气工程和计算机学副教授,他领导了开发这种芯片的工作。他说:“这是一个里程碑。它是利用光与外界进行通信的首款处理器。没有其他处理器在芯片里面有光子输入/输出。”

研究人员声称,这种节能芯片的带宽密度是每平方毫米300Gbps,比标准微处理器提升了10倍至50倍。这个研究项目得到了国防高级研究计划局(DARPA)的支持,已经催生出了几家初创公司,它们主攻更节能的数据中心。

制造噪音以保持匿名


有时候,像Tor这些匿名网络技术的匿名性不如用户可能希望的那么高。然而,麻省理工学院的研究人员表示,他们已发明了应该追查不到的文本消息发送系统,随带确保秘密性的统计保证机制,而且工作起来速度很快。

研究人员戏称他们的这一发明好比呜呜祖拉,那种声音洪亮的塑料喇叭在2010年南非世界杯足球赛上一举成名,因为该系统也会在网络上制造噪音,从而阻挠窥视者,那样他们就检测不出什么消息从一个人传送到另一个人。研究人员还公布了源代码。

《网络世界》杂志的蒂姆·格林(Tim Greene)在去年12月写道:“该系统使用加密和一组服务器来隐藏是不是有关方参与了基于文本的对话。”它并不需要对参与会话的实际参与者匿名化,因为“从客户机到服务器的所有通信内容都采用加密机制进行了三重包装,”他写道。

关于电子邮件的真相


研究人员已发布了一份报告,表明电子邮件安全在保护密码、财务数据及更多内容方面取得了长足进展,但是仍谈不上万无一失。

一个大问题是,添加到第一代互联网架构上的安全协议没有普遍实施到服务器上,尽管像谷歌等大厂商已采用了这类方法(注意:谷歌与密歇根大学和伊利诺伊大学的研究人员一同开展了这项研究)。连先进的加密技术也可能受到损坏。

伊利诺伊大学的协调科学实验室副教授迈克尔·贝利(Michael Bailey)在一份声明中说:“在我实验室完成的许多测量工作专注于我们如何激励个人或组织做出正确的决定,即采用这些安全协议。安全方面许多有意思的工作不仅仅在于为技术建模,还在于为使用该技术的组织建模。”

贝利承认:“我在开展工作时基于这种假设,我没有特别关注就发送的任何电子邮件拥有面向整个互联网的邮件分发列表。”

身兼两职的无线路由器


华盛顿大学的团队使用该无线路由器发出的环境信号,为低分辨率摄像头及其他设备中的传感器供电。

华盛顿大学的研究人员不喜欢无线路由器闲着没事干:这些设备有未利用起来的足够电能,可以用来给设备供电,而不是仅仅用来连接设备。

他们研发的无线供电(PoWiFi)系统收集来自无线信号的能源,为温度传感器、摄像头和健身跟踪器之类的物联网设备供电――没人想要非得将这类设备插入插座来充电。最棒的是,无线供电系统在充电的同时,根本不会降低无线通信的质量。

一篇题为《用无线技术为下十亿个设备供电》的论文解释了相关细节,详见https://homes.cs.washington.edu/~gshyam/Papers/powifi.pdf。

不久,研究人员可能期望让无线供电系统能够跨更远的距离来工作,可以同时为好多设备供电。目前的研究工作得到了美国国家科学基金会、高通和华盛顿大学的资助。

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