P2Pnet:
Autonomous P2P Ad-Hoc Group Communication Systems
自治式P2P隨意型群組通訊系統

⊕ MANET and P2Pnet

⊕ Potential Applications

災區救難行動資訊系統
(Mobile Information Management System for Disastrous Earthquake Emergency)

戰場之行動資訊系統
(Mobile Information Management
System for Battle Field)

行動警政資訊系統
(Mobile Information Management System
for Police)

行動學習系統
(Mobile Learning Environment)

⊕ P2Pnet 在地震災區救災的應用

黃金救難時間通訊資訊溝通不良,喪失救人良機

黃金救難時間內災區之通訊問題

P2Pnet 提供緊急救難之通訊系統

黃金救難時間緊急救難決策系統

Notebook PC 供電問題

Internet 接取問題

環境限制及系統需求

P2Pnet與其他緊急通訊系統在黃金救難時間內之可用度分析比較

⊕ Overall Architecture

層次 功能模組
Application Systems
Disaster Rescue Info Sys Mobile Learning Sys.Battle Field Manage. Sys.
Application Modules
FTP/HTTP/Telent/etc. PTT VoIP P2P StreamingLocation-Aware Applications
Transport
TCPUDPPartial-Reliable TCPPartial-Reliable UDP Hop-by-hop TCP P2P Multicasting
Network Service
Uncontrolled Single-Hop Group Communication Network
(U1net)
Uncontrolled K-Hop Group Communication Network
(UKnet)
Controlled K-Hop Group Communication Network
(CKnet)
Network Routing
Ad Hoc NetworkMesh NetworkVANET
Physical
WiMAX Wi-FiRFIDRF Positioning System

⊕ 研究議題

PTT Over P2Pnet
VoIP Over P2Pnet
IM Over P2Pnet
Partial Reliable TCP/UDP over P2Pnet
Hop-By-Hop TCP over P2Pnet
Linear Heuristic Path Planing
P2Pnet Over VANET
Uncontrolled and Controlled P2Pnet

⊕ 子計畫

P2Pnet Over VANET/WiMAX

張宏慶老師

P2Pnet Over Mesh Network

蔡子傑老師

Serverless VoIP over P2Pnet
(Include Network Layer protocol)

連耀南老師
TBD 陸行 老師
TBD 實踐會計資訊系 梁直青 老師

⊕ Systems to be demonstrated

地震災區救災資訊及通訊系統 包括 救災資訊系統, PTT, VoIP, P2P Video streaming Service
行動學習系統 (NCCU-MLP)  
黃金救難時間通訊資訊溝通不良,喪失救人良機

    當大型災難發生時,受困於災難現場的人員,必須在72小時內搶救出來,否則 生還機會極為微弱,因此災難發生之初,最重要之救難工作乃在集中所有 救難資源搶救受困人員,這段時間稱為「黃金救難時間」。如果發生類似 921 集集大地震的大規模災難時,如何 緊急建立一個暢通的通訊系統讓救災人員有彼此之間可以無間的協調合作,以及 將救難資源在最短期間內以最恰當 的方式分配到最需要的地區去便成為一個非常重要的問題。

    在 921 集集大地震中我們學到一個很慘痛教訓: 在災難發生急需搶救受困人員的黃金救難時間內,由於通訊聯絡不良,資訊缺乏, 資訊無法交流等諸多因素,導致救難工作缺乏效率與救難資源之嚴重錯置, 因而喪失了很多可以救人一命的機會,許多生靈因資訊 溝通不良而喪失即時獲救之機會,令人扼腕。茲舉數例如下:

大部分的全國性救災資源都投入於震央南投地區,而傷亡人數最多 的台中縣東勢、石岡、新社地區,卻因通訊中斷而遲至三天後才得到地區外的支援, 令人扼腕,主事者只是被動的跟著媒體跑或仰賴瀕臨癱瘓的各級通報系統回報災情 ,而沒有運用現有資訊技術及資源協助救災資源之整合及分配,實在難以自稱 「資訊大國」。

國外具特殊專長與特殊救難器材之救難團體被分配到不適當的災區,而急需支援 的地方卻得不到救援。例如具備搜尋生命跡象精密儀器的團隊被送到已經確知無 生還者而以挖掘屍體為主的災難地區。

在某些倒塌大樓現場,各救難團體因通訊協調困難,導致 救難能力互相抵銷之負面作用。例如某個團隊要利用超高靈敏度之 聲納系統收集受困人員之微弱心跳聲音,現場必須維持靜音降低 背景雜音之干擾時,其他團隊卻在進行爆破,或以震動機械進行挖掘工作。

曾發生過遠道而來投入救災的醫療人員因集中於災情輕微之地區而過剩,而 急需醫療人員之地區卻無法得到支援。有些地方有醫療人員卻無足夠之 消耗性醫療器材,如繃帶,注射針筒等。

費盡千辛萬苦從倒塌房屋中搶挖出來的傷者因無法即時徵用救護車而耽誤 送醫時間,以致以輕傷致命,殊為可惜。

有些醫院人滿為患,而某些醫院仍有空床,救護車輾轉送院,耽誤就醫時間。

交通系統嚴重受損,救災車輛盲目自尋道路,以致有限的交通資源被堵塞, 嚴重影響救災資源之輸送。

維生資源不符所需且分配不均,例如泡麵衣服過剩而帳蓬奇缺。有人挑嘴, 卻有人嗷嗷待哺。過剩資源除了無法物盡其用之外,更引發排擠其他資源 之負面影響。例如浪費搬運及整理之人力資源,以及交通運輸資源。

由於交通之嚴重受損,錯置之救難資源投入某災區之後,很難退出,再即時 分配到其他有需求之災區。

黃金救難時間內災區之通訊問題

♦ 在 921 集集大地震中我們赫然發現,原以為比固網電話更能應付緊急情況的行動 電話竟然不堪一擊,無法支援災區緊急應變之需。影響行動電話可用度 的諸多因素如下:

基地台遭強震摧毀
基地台連接公眾網路的固定網路線路損毀
基地台或交換機房因電力中斷且備用發電機因油料告罄而失去電源
基地台或交換機房所需冷卻水供應中斷,而儲水桶遭強震震毀
手機電池因電力中斷無法充電
倖存之電訊系統因區外湧進之大量話務而擁塞癱瘓,無法應急

    以上所列任一事件發生即足以癱瘓災區的行動通訊系統, 由921 集集大地震中多數災區內之行動通訊系統全面中斷即可印證 行動通訊系統其實是極為脆弱,由於受到諸多外在 因素的連累,建造強固的基地台與交換機房仍是無濟於事, 無法大幅提升系統可用度。

    雖然行動電話公司備有行動基地台可緊急架設臨時基地台供客戶使用, 但基於下列因素,仍然不一定能解決所有問題:
    1. 並非所有的行動電話公司都能在每一個災區都配備有行動基地台, 導致部分人員之手機法使用,影響群組通訊所需之 member coverage。
    2. 一般人在緊急狀況下隨身所帶的手機並未攜帶充電器,部分可以通訊的手機 卻因電池電量耗盡而無法使用。 (相對而言,一般人的 Notebook PC 手提袋中均備有充電器,較無此種問題。)
    3. 災區內的救難人員大部分是臨時志願參加,彼此之間互不認識,在緊急狀態下, 彼此交換電話號碼之機會極難,因此,即使部分手機雖可透過行動基地台 對外通訊,卻因彼此不知對方電話號碼而無法藉由手機通訊。

    在緊急災變情形下,最有效的通訊工具應為俗稱 Walki-Talki 之 無線電對講機,不需基地台,彼此之間也不需知道電話號碼。 可惜,Walki-Talki 在我國並不普遍,無法依賴。

    在沒有行動通訊系統的支援下,救難工作只能靠原始的面對面 方式進行溝通,無奈因地形阻隔,交通不便,效率極差, 甚至同在一棟倒塌大樓之各團隊都無法面對面溝通。 例如豐原市永照大樓倒塌,橫倒在街道中央, 大樓兩邊的救難團體被倒塌的大樓分隔成兩半,彼此無法溝通, 一面在用聲納搜尋受困人員,另一面卻在用怪手進行挖掘工作。

P2Pnet 提供緊急救難之通訊系統

    近年來,除了需要基地台的行動電話之外,具有無線區域網路功能的 筆記型電腦的普及性已經遠遠超過其他的通訊系統,當自然災害來臨時, 災區內外的志願救災人員最有可能攜帶的電子設備為(1)行動電話、 (2)收音機、(3)筆記型電腦、(4)數位照相機、(5)數位攝影機。 當行動電話失效時,只有筆記型電腦可以作為通訊工具之用。 而且如前所述,即使行動電話系統仍然正常運作,也因手機的充電問題及 彼此不知電話號碼而無法完全發揮通訊功能。 我們將以具有無線區域網路功能的筆記型電腦及具有 Wi-Fi 能力的PDA手機 建構成災區緊急通訊系統,在這個系統上面提供 VoIP, Push-to-Talk (PTT), 以及資訊系統供災區人員彼此通訊及做救災資訊平台之用。

⊕ 本系統之建置

♦ 本系統將分成基本模組及高階模組,均可放置於國家防災中心網站以供下載, 在預知災變來臨之前,防災人員可事先下載於自身所使用的Notebook PC 中,當災變發生後,即可散佈於所有參與救災人員的 Notebook PC 上。 若災變無預警驟至,例如大規模的地震災變,從災區外進入災區的救難人員 可事先設法上網下載本系統,於進入災區時再散佈於其他救災人員。
可是若類似921 地震發生,在災區之外仍然受制於電力中斷網路不通的問題, 不一定能即時上網下載。為應付此類情況,可考慮於Notebook 出廠時,即預先附載基本模組,所佔空間不大。當災變發生時,即可啟動 臨時以基本模組架構簡單的 MANET,支援基本的通訊需求。俟連上對外的 Internet時,再下載高階模組。

⊕ 如何啟動本系統

♦ 本系統之基本模組可以運作在救災指揮中心成立之前,完全自治式,只要配備有 基本模組之Notebook 開機啟動本模組之後,基本的 MANET 即可自動架設完成,當然只有非常基本的功能可以使用,例如, 通訊只能以沒有特定對象的廣播方式為之,而不能以有特定對象的 Anycast 為之。
當基本模組啟動之後,擁有系統的救災人員即可互相通訊,成立 臨時救災指揮中心,此時可以在救災指揮中心的協助下,啟動全功能 的高階模組。例如,救災指揮中心可以手動或架設DHCP伺服器自動發放 IP,使得 Anycast 的網路服務可以開通。
黃金救難時間緊急救難決策系統

♦ 一個理想的緊急救難決策系統可提供的支援舉例如下:

救難主事者可以主動根據即時及既有資料研判各地災情, 據以整合並分配救難資源,以免出現類似921地震中所出現的東勢地區 受到忽略的情況,錯失救人良機。例如:比較氣象局提供之即時地震測報系統 所提供之即時地震強度資料與資料庫中的斷層分佈圖、 人口分佈、地區建築特性、與地質資料,全國救災指揮中心即可據以研判 各災區受損之程度分佈,供救難資源主動分配及調度救難資源之用, 避免資源之錯置與浪費。例如:東勢地區位於車籠埔斷層、人口密集, 舊街多為土磚老舊房屋,將氣象局所提供之即時地震測報系統所測得各地震度, 與這些資料做比較,不難研判斷層沿線各人口密集地區的災情, 不必被動等各級通報系統回報。此外,也可在災區中使用本系統, 提供更為詳細之災情研判。 921 地震中,台中縣的中橫山區死傷慘重, 即使東勢鎮內於數天後得到外界支援,很多山區仍然因災情無法傳出而 得不到即時的救援。本系統應可提供救難人員主動研判地區性的受災地區災情。
整合與分配醫療資源讓寶貴的醫療資源能發揮最大之功效。
整合與分配特殊救難器材與能力資源,例如:礦坑坑道架設專家、救難犬、 聲納、紅外線、地鼠隊、大型吊車、鋼筋油壓剪、氧氣等。
整合與分配維生資源

⊕ 系統設計

    災區救難資訊系統乃由下列相關子系統所組成:
    • 災情評估子系統
    • 最快救災途徑分析子系統
    • 醫療資源整合子系統
    • 傷患後送管理子系統

災情評估子系統 平時蒐集地震災區分布、活動斷層分布、人口分布及建築物概況等資料。 發生災難後,根據上述資料評估最有可能發生災情的地區, 並把相關地區的最快救災途徑分析結果、醫療 資源整合結果和傷患後送管理結果附加在內,以利我們在最短時間內, 主動派員聯絡與實地勘查,以便研擬救災對策。
最快救災途徑分析子系統 內建有災區的道路資源現況,諸如:道路資料、 道路區段資料及道路交會點資料,配合最 快救災途徑分析的動態資料,計算出最短的救災途徑, 供給救災單位參考以利救災資源之 運輸,以減少傷亡人數,做出最有效的災區救援。
醫療資源整合子系統 建立醫療資源、救災人員、避難所及維生資源的資料庫, 協助救災指揮中心,蒐集各方資源的統計數據、即時資訊,經過整合分析, 針對災區所缺乏的資源,給予適當的支援來分配、調度。
傷患後送管理子系統 有了醫療資源整合子系統之後,我們就可以建立傷患後送管理系統,
Notebook PC 供電問題

♦ 在地震災區,電力公司的供電系統極可能已經癱瘓,加油站雖有存油但 有時可能因交通癱瘓導致加油車無法進入特定災區因而無法獲得持續供油。 Notebook PC 的供電問題可有下列方式為之:
可攜式發電機 我國因為攤商非常普及,多有使用小型可攜式發電機,當災變發生時, 民間可以輕易獲得此類發電機,提供Notebook PC 之用,因 Notebook PC 耗電量不高,應極有機會獲得充足的電力。
若無法從加油站獲得供油時,可抽取車輛油箱內之存油使用。
軍用手搖發電機 若所有油料告罄,可設法借用軍方所有之手搖發電機。 陸軍營級以上部隊都配備有手搖發電機,緊急借用當無問題。

Internet 接取問題

    現階段最常見的行動數據通訊有公眾Wi-Fi、GPRS、HSDP等系統。 當災區內的通訊系統癱瘓時,在救災現場自然無法藉由這些系統 連上 Internet。所以我們必須假設災區現場可能沒有接取Internet 的能力,即使有,亦極為有限。

♦ 接取Internet 的可能方式

行動基地台 如果有某家行動通訊公司緊急架設行動基地台,可以提供 GPRS/HSDP 的行動數據服務。此時在我們建構的 P2Pnet 中也許有部分的 Notebook PC 可以藉由數據通訊上網 (例如: UBS GPRS卡),這些 Notebook PC 可以作為 Mobile LAN 的 AP, 幫助其他的 nootbook PC 連上 Internet.
Very Small Aperture Terminal (VSAT)
小型固定衛星通訊
VSAT 利用同步衛星作為中繼進行通訊, 碟型天線直徑在三公尺以下(通常在小於1.2公尺),非常容易架設,頻寬 在 4 Mbit/s 以下。 國產的VSAT 的地面接收設備已經可以縮小到裝入小提箱內,被CNN運用在 即時報導美伊戰爭的新聞上。 VSAT 因為使用同步衛星作為中繼,無線電信號往返需時 400ms 以上, 影響語音通訊品質。

    以上兩種對外通訊設備,即使在災區緊急架設,由於頻寬極為有限, 將無法順暢的承擔原有常見的網路服務。 例如:Skype/MSN 等網路電話或Instant Message服務都因為無法順利連接某些關鍵 server 或 super node 而 無法使用。 因此有必要另行設計能在我們的 P2Pnet 上運作的網路服務。 我們將採用先前研發的 MANET 技術建構群組行動電腦網路。

環境限制及系統需求

⊕ 目標使用者

⊕ 環境限制

對外通訊中斷,或極窄的頻寬
沒有伺服器可用
大部分 Notebook PC 沒有對外通訊能力,配備有 WiFi 等級的無線區域網路
所有需要 Internet 伺服器的網路服務(例如Skype, MSN)無法使用
災區一片兵荒馬亂,大部分資訊設備的使用者無法從容的學習操作 複雜的動作

⊕ 系統需求

不需繁複的設定及學習即能操作資訊設備
人機介面必須具備高度親和性
系統必須具備高強固性,不能因為操作不當而當機
功能簡單,具備基本功能即可,不必強求高階功能
品質要求可以稍低於平常使用之品質
設計原則以簡單為主

    前三項的的需求其實並不容易達成,在有限的開發資源之下,此類功能 比擁有豐富開發資源的商用系統更難達成。因此,後三項需求變成極為關鍵 的因素,畢竟欲以有限資源在開發一個在艱難環境下仍能好好運作的系統, 其功能及品質是遠遠不及於商用系統的。 因此,盡量以簡單的功能及稍低的品質要求來換取系統的穩定性及方便性。

P2Pnet與其他緊急通訊系統在黃金救難時間內之可用度分析比較

⊕ 其他緊急通訊系統

    市面所供應中的緊急通訊系統有 Motorola 的緊急行動通訊系統 或簡單的無線對講機(Walki-Talki),但是由於下面的因素, 所能提供的協助有限:

Motorola 的緊急行動通訊系統,造價昂貴(每套系統以百萬美元計價), 全國僅能提供數套備用,無法支援大規模災難之用。 每套系統所能提供之手機也因造價昂貴,數量有限,僅能提供少數 高層關鍵人員使用。再者,此種系統之操作需要事先經過短期訓練,在緊急時 無法臨時訓練足夠的操作人員,有再多的設備也是枉然。
Walki-Talki 雖然簡單方便,但是並非非常普遍,國內擁有 Notebook PC 的人遠比擁有Walki-Talki 的人多。
各單位例如軍方與警方的無線對講機不一定能互通,這個問題在 美國Katrina 颶風在New Orland 造成大災難時變成阻礙救災效率的一大因素, 美國政府因此下令,各單位之無線電通訊系統必須使用 Soft Radio 技術,以便萬一有需要時,可以不受相容性之阻礙而迅速建置統一的通訊系統。

⊕ 本系統 (P2Pnet)

♦ 本計畫所提供的行動電腦網路可克服上述困難,支援黃金 時間緊急救難資訊系統之用:

本系統內部 Intranet 不需依賴任何行動通訊系統,全部以 行動電腦(Notebook PC 及 WiFi 手機)配備無線區域網路組成相容性極高 的 Intranet。
而行動電腦之電池所需充電電力不多,以一個小型可攜式發電機即可 應付一組系統使用,而所需油料不多,即使災區油源供應中斷, 也可抽用汽車油箱內之油料即可應付,若無發電機時, 也可以從汽車發電機獲得電源供應。(根據921 地震中所觀察到的經驗是,大部分的汽車都有相當存油,在72小時內油料 告罄而加不到油的汽車比例相當低。由災區外進入災區的救災車輛 也都會預先加滿油箱,甚至會額外攜帶預備油料。因此提供行動電腦 充電所需能量應不致造成大問題。
本架構可在 mobile gateway 上配備 VSAT 或 Direct PC 或衛星行動通訊系統 直接對外通訊,即使一般行動電話系統斷訊,亦能保持對外網路之暢通。 (原已奄奄一息之衛星行動通訊系統因在 Katrina 颶風中成為唯一可用的通訊系統而獲得起死回生的機會。)
本系統所需之行動電腦極為普遍,不需特殊規格,我國民間將普遍擁有 Notebook PC,常備救難單位不需耗費大量經費儲備大量電腦或通訊設備, 平常只需準備罕用零件,系統軟體,及資料庫。當災難發生時, 可鼓勵志願救災人員自備Notebook PC,若有不足, 可少量徵用民用Notebook PC。 這些 Notebook PC 裝上其他必要配備,灌入系統軟體及資料庫,即可 快速建構一個系統。如此,平時閒置之備用資源可降至最低,而災難發生時 可迅速且大規模的架設本系統在黃金救難時間內支援救災行動, 發揮緊急救難之功能。
我國既為筆記型電腦之生產大國,可在電腦出廠時預先裝設一個小的啟動程式, 在緊急時使用者可啟動之,自動建構一個最基本的通訊網路, 然後再設法交換資訊建構更高階的系統(亦即,bootstrapping)。
本系統可以設計成高度自動化自我建構,不需受過專業訓練即可建構出本系統, 在大規模災難發生時,不虞專業人員之缺乏。