（信号与信息处理专业论文）cscw协作控制机制的研究与实现.pdf

堕苎羔垡堡 文 ! 坠堡笙型! ! 型塑里塑兰墨翌! 一 摘要 自从1 9 8 4 年，m i t 的i r e n g r i e f 和d e c 公司的p a u lc a o h m a o 提 出c s c w 这一概念，这一主题很快在欧溯和亚洲科技界引起了广泛 的兴趣，并积极开展了相应的工作。c s c w 领域具有多学科交叉的 特色，涉及了许多的领域，如社会学、心理学、认知学和管理学等 自然科学领域和计算机网络技术、多媒体技术、数据库技术等计算 机和通信领域。】儿 本论文首先简要介绍了c s c w 一的基本概念，它的应用领域、发 展方向等。在此基础上，围绕着本论文所实现的c s c w 系统，先后 就协作控制机制、网络传输以及数据库技术在c s c w 系统中的应用 等问题加以研究和探讨。 在协作控制机制的研究中，首先提出了一个以数据库为核心的 支持多协作的c s c w 系统模型。为了保证协作用户信息的一致性， 重点对协作管理、同步机制和并发控制进行了研究。通过对协作中 成员角色的分配、成员加入，离开协作的控制、协作信息的管理来协 调成员对共享对象的操作。采用时间向量方法，在规定操作顺序方 面定义了一种新的字典全序，实现了失序纠正策略。在交互级协作 控制中，采用全互联的交互模式，由t c p 和u d p 共同完成点到点的 数据传输。 在处理视频时，使用u s b 接口的摄像头实现了视频信息的获取、 发送和播放。旦络传输主要探讨了s o c k e t 的工作原理，以及如何用 s o c k e t 实现信息传输。 研究数据库技术在c s c w 系统中的应用时，在介绍数据库知识、 访问数据库接口技术的基础上，主要介绍了本论文实现的c s c w 中 数据库环境的构建。 在理论研究基础上，作者将探讨结果应用于实际中，实现了具 有电子白板、聊天室、视频服务、数据库查询等多种功能的c s c w 实用系统。 i v 堕! 兰生堡兰 ! 丝堡丝型坐型竺婴窒! 壅里! 一一一 a b s t r a c t s i n c ek e n g r i e ff r o mm i ta n dp a u ic a o h m a o 行o md e cf i r s t i n t r o d u c e dc s c wc o n c e p ti n19 8 4 ，m a n yp e o p l eh a v ed e v o t e dt h e m s e l v e s t ot h er e l i e dr e s e a r c hw o r ki n t h i sf i e l d c s c wi n v o l v e sm a n yf i e l d s ， s u c ha ss o c i o l o g y , p s y c h o l o g y , n e t w o r k ，m u l t i m e d i a ，d a t a b a s ea n ds oo i l b a s i cc o n c e p t ，印p l i c a t i o nf i e l d sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fc s c w a r ei n t r o d u c e da tt h eb e g i n n i n g b a s e do nt h e s ei n t r o d u c t i o n s ，c o o p e r a t i v e c o n t r o lm e c h a n i s m n e t w o r kt r a n s m i s s i o na n da p p l i c a t i o no fd a t a b a s ei n c s c ws y s t e m sa r es t u d i e da n dd i s c u s s e db yt h i st h e s i s i nt h es t u d yo fc o o p e r a t i v ec o n t r 0 1m e c h a n i s m ad a t a b a s eb a s e d s y s t e mm o d e l i s p r e s e n t e d 1 1 1 em a n a g e m e n t s y n c h r o n i z a t i o na n d c o n c u r r e n c yc o n t r 0 1 i s e m p h a s i z e d t oa s s u r et h ec o h e r e n c e u s i n g u s e r r o l e m e m b e r si r g o u tc o n t r 0 1 t h ei n f o r m a t i o nm a n a m g e m e n tt o h a r m o n ya 1 1t h eo p e r a t i o n s b a s e do nt h el e x i c o g r a p h i ct o t a lo r d e r a r e o r d e r i n gs c h e m ew a sd e s i g n e d t h ef u l lm u t u a lm o d ei su s e dt or e a l i z et h e p o i n t t o p o i n tt r a n s m i s s i o nb vt c pa n du d p h o wt o a c q u i r e ，t r a n s m i ta n dd i s p l a yv i d i ow i t hu s bc a m e r ai s d i s c u e e e di nv i d e op a r t t h eu s a g eo fs o c k e tj st h ek e yo fn e t w o r k t r a n s m i s s i o n t h et e c k n o l o g yo fd a t a b a s e s u c ha st h ei n t e r f a c et oa c c e s st h e d a t a b a s e ，t h eb u i l d i n ga n dt h eu s eo fd a t a b a s ei st h e ns t u d i e di nt h et h e s i s t h a n k st oa l lo ft h e s et e c h n i q u e s ，ac s c w s y s t e mw i t hf u n c t i o n so f e l e c t r o n i cb o a r d ，c h a t r o o m ，v i d e o ，d a t a b a s ei sr e a l i z e d ， v 硕上学位论文悱作控制机制的研究j 实观 致谢 p 7 4 7 7 1 2 1 由于时间和能力所限，本论文还存在许多疏漏和不足之处，研 究深度和广度也有所欠缺，恳请各位专家、学者、老师和同学给予 批评指导，以求今后作进一步的完善和提高。 本论文的完成是与导师阮秋琦教授的悉心指导和关怀分不开 的。无论在科研工作、课程学习，阮教授都给了我极大的支持帮助 和深刻的教诲。阮教授渊博的知识、严谨求实的治学态度、开阔敏 锐的思维更将使我受益非浅。在此谨表示我衷心的感谢和诚挚的敬 意! 在论文工作过程中，王海滨、陆俊等同学都曾给予我许多有益 的启发和帮助，使我能够顺利完成硕士期间的学习和工作，在此一 并致以诚挚的谢意。 活中 位的 谢。 意 最后，再一次对各位师长、同学的支持和鼓励表示最衷心的谢 生学感 、士示 励硕表 鼓成们的完他上中向 神程绩 精过戍我的的予作异 给工优 们在加 他够更 是能和，我作 事使工 同，的和助力友帮努 朋的加中更人作以 家工将的和我 我怀，谢关习 感的学 堡! 兰丝丝壅 ! 坠堡丝型垫型竺竺壅兰壅墨生一 第一章综述 计算机技术的发展把人类社会带入信息化时代。随着信息化 进程的深入，通信技术与计算机及网络技术相融合，产生了一个 新的研究领域计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v ew o r k ) ，简称c s c w 。 第一节c s c w 的概述 c s c w 可以理解为地域分散的一个群体借助计算机及网络 技术，共同协调与协作来完成一项共同的任务。 1 1 1c s c w 的起源 计算机支持协同工作是在信息时代发展起来的一门新兴学 科。而计算机互连、互操作和协同工作构成的网络计算和协同计 算是实现c s c w 的基础。通信和计算技术的飞速进步及两者的 融合远远超过了它们单独所能产生的作用和效果。 事实上，早在6 0 年代，美国的d e n g l e b a r t 发表了一篇题为 人类智力增长的概念性框架的文章，不仅对于超文本的研究 起了重要作用，而且对于c s c w 的研究开发也具有开创性的意 义；到了7 0 年代，德国斯图加特大学物理学家h e r m a n nh a k e n 教授提出了协同研究的概念；1 9 8 4 年m i t 的i r e n eg r i e f 和d e c 的p a u lc a s h m a n 两位研究员正式提出了c s c w 的概念，用于描 述他们正在组织研究的如何借助于计算机支持来自不同学科的人 们协同工作的课题。 1 9 8 6 年1 2 月在t e x a s 召开了一次国际性学术会议，集中了 社会学家、人类学家、计算机科学家、办公自动化专业人员、人 员因素学者及编制设计者等多方面的专家学者，讨论了人类群体 工作的特性及计算机技术对群体工作的支持，从而将计算机科 学、社会学、编制科学、心理学等多个学科的成果综合起来，产 生了一个新的多学科研究领域c s c w 。 协同概念发展为c s c w 是人类社会进入信息时代的必然产 硕十学位论文 协作控制机制的研究与实现 物。它是现代社会中，以人们协同工作方式为背景，以计算机和 通信技术的发展与融合为基础，以具有广泛应用领域为前提而形 成和发展的。它的形成和发展有一定的必然性。 ( 1 ) 群体、交互、分布、协作的社会工作方式：信息化社会中 人的生活方式和劳动方式的本来特征群体性、交互性、分布 性和协作性等得到更充分的体现。 ( 2 ) 信息及其表达、传播的多样性：变化万千的信息构成了五 彩缤纷的世界，各种数据、语言文字、声音、图象等信息媒体将 呈现在我们面前。多媒体技术的发展，使我们以计算机为工具收 集、表示和处理信息多样性的能力大大提高。 ( 3 ) 强大的计算机学科发展的技术背景：计算机技术，并行处 理和分布式处理技术，多媒体技术，数据库技术和人工智能等。 ( 4 ) 计算机系统结构的发展创造了网络计算和协同计算的环境： 计算机结构是沿着“单机单用户一单机多用户一多机系统一计算 机网络一计算机互联、互操作和协同工作”这样一种方向发展的。 而计算机互联、互操作和协同工作构成的网络计算和协同计算， 是实现c s c w 的基础。 ( 5 ) 通信和计算机技术的飞速进步及其两者的融合远远超过了 他们单独能产生的作用和效果。高速、远程通信网络技术缩小了 “时空”加给人类的限制，迅速发展的i n t e r n e t 使全球范围内的 协同工作成为可能。 ( 6 ) 并行工程的概念几乎是和c s c w 的概念同期提出的。它是 一种关于系统集成、并行设计及相关过程的系统方法。这种方法 可以使开发者从开始就能考虑到从概念设计到产品更新换代的 整个生命周期的所有因素，可以提高质量，降低成本。尤其是大 型项目更需要并行技术的支持。 ( 7 ) 系统工程需要c s c w 的支持：c s c w 的发展将为系统工程 提供一整套的方法和技术支持，包括设计、建立、管理系统工程 的所有方面。信息是群体事物相互之间的纽带，这正是c s c w 的应用领域。 从上面这几点可以看出，如果计算机要在人类活动中发挥更 大的作用，就必须支持协作性的人类活动，因此建立计算机对人 类协作活动的支持的理论指导和相关的支持技术是非常重要的。 1 1 2 c s c w 的概念 、c s c w 的定义 硕士学位论文协作控制机制的研究与实现 c s c w 具体可以定义为：地域分散的一个群体在计算机及网 络技术的支持下( 即c s ) ，共同协调与协作来完成一项共同的任 务( 即c w ) 。它包括协同工作系统的建设、群体工作方式研究 和支持群体工作的相关技术研究、应用系统的开发等部分。通过 建立协同工作环境，改善人们信息交流的方式，消除或减少人们 在时间和空间上的相互分隔的障碍，节省工作人员的时间和精 力，提高群体工作质量和效率。 c s c w 是一个多学科交叉的研究领域，不仅需要计算机网络 与通信技术、多媒体技术等计算机技术的支持，还需要社会学、 心理学、管理科学等领域学者共同协作。计算机协同工作将计算 机技术、网络通信技术、多媒体技术以及各种社会科学紧密地结 合起来，向人们提供一种全新的工作环境和交流方式。 c s c w 的目的就是在计算机环境下提供对人们群体工作的支 持，因此说通信、合作、协调是c s c w 的三要素。 c s c w 的基础是通信，通信发生在地理上分布的用户之间f 本 地通信可以认为是分布系统的特例) ，因此网络通信是至关重要 的，并且在协作环境中处理多媒体数据的传输和控制是很复杂 的。而基于计算机的或者以计算机为媒体的通信，并没有完全和 其他的通信形式相结合。异步的基于文本的电子邮件和公告板与 同步的电话和面对面的交谈是不同的：人们不能在任意的两个电 话号码之间传送文件。把计算机处理技术和通信技术结合起来可 以帮助解决这个问题。 c s c w 的形式是合作，与通信相似，合作是小组活动的重 要内容。在群体活动中，任意一项活动都必须是多人合作完成。 有效的合作要求人们必须共享信息。但是当前的信息系统尤其是 数据库系统在很多情况下把人们互相隔离丌。比如，当两个设计 人员使用同一个c a d 数据库进行操作时，他们不可能同时修改 同一个设计物体的不同部分并且知道他的合作者所做的修改；他 们必须通过互相检查才能知道对方所做的工作。许多任务都需要 良好的共享环境，应该在适当的时候通知群组的活动信息以及各 个用户的活动信息。 c s c w 的关键是协调。如果一个组的活动是协调的，那么 它的通信和合作将会大大加强。一个不能很好地进行协调的工作 小组，它的成员之间势必会经常发生冲突和重复劳动。当几个部 分共同组成一个任务时，协调本身被看作是一个必不可少的活 动。当前的数据库应用提供了对共享对象的访问支持，然而大多 数软件工具只提供对单用户的支持，对支持小组的协调这重要 ! i j 学位论史阱作控制机制的研宄1 j 实脱 功能所做得却很少。 二、c s c w 系统的特点 c s c w 系统作为一个新兴领域，有如下的特点： ( 1 ) 7 r 放性：在协同中没有获得希望结果的固定方法不同人、 不同组的处理方法是不同的； ( 2 ) 异步性：协同中不同人具有自己不同的操作序列，即使同 组中的不同个人也具有自己独立的行为能力； ( 3 ) 信息共享与通信：信息共享是c s c w 的核心，通信是c s c w 的基础，系统应提供多种通信方式，以提供用户多种信息共 享的可能； ( 4 ) 并发性和一致性：系统应允许多用户同时操作，并保持共享 数据的一致性； ( 5 ) 分布性：不管协作是在同一地点还是在不同地点进行，本质 上都应该是一个分布式系统，并且应支持与协同无关的透明 性，如位置的透明性： ( 6 ) 异质性：异质性不仅表现在c s c w 系统的各个节点可能运行 在不同的硬件软件平台上，还体现在c s c w 系统内挂接的 异质数据源之间的互操作，乃至异种c s c w 系统之问的合 作。 三、c s c w 的分类 群体协作方式的多样性，为c s c w 研究提供了丰富的内容。 在c s c w 系统中，人们围绕共同的任务需要进行交互通信、 办 调、协作、协同等基本活动。因此可以根据c s c w 系统中的基 本活动方式、群体成员地理分布、使用的基本工具、工作环境和 应用等对c s c w 系统进行分类。 按协作组成员的时空关系分类，c s c w 可以分为如图11 所 示的四类： 同一时间不同时间 同一地点 不同地点 幽1 1 c s c w 系统时空分类图 ( 1 ) 异步交互系统：在不同时间、同一地点进行同一任务的协作 顾i ：学位论文饥作控制目【制的州f 究i 实脱 系统，如轮流作业等等； f 2 ) 同步交互系统：在同时间、同地点进行同一任务的协作 系统，如共同决策等； ( 3 1 分布式异步交互系统：在不同时间、不同地点进行同一任务 的协作系统，如电子邮件等： ( 4 1 分布式同步交互系统：在同一时问、不同地点进行同一任务 的协作系统，如视频会议系统等； 按使用的基本工具和工作环境分类，在c s c w 系统中所使 用的基本支撑环境和工具有电子邮件系统、电子布告栏、会议系 统、协同写作和编著系统等。 按c s c w 应用系统分类，可以分为协同科研系统、协同设 计系统、远程医疗系统、远程教育系统、协同决策系统和协同办 公系统等。 如下是几种常用的c s c w 系统： ( 1 ) 工作流管理系统：工作流是指在多人参与的办公事务中 所使用的一系列操作或步骤，这些步骤的发生可以是顺序的或并 行的。工作流管理系统对工作流的管理提供辅助支持，自动完成 有关信息交换，提高工作效率。i b mf l o w m a r k 及其基于m q s e r i e s 的后续版本m q s e r i e sw o r k f l o w 就是典型的工作流管理系统。 ( 2 ) 多媒体计算机会议系统：多媒体计算机会议系统可将不 同会场的与会人员活动情况、会议内容以及各种数据和信息及时 传递给每个与会者，实现实时多媒体信息交互，进行实时讨论和 共同设计。多媒体计算机会议需要处理音频、视频和协作数据等 大量信息，利用计算机强大的信息处理能力，可有效地进行协同 工作，在一定程度上取代传统会议，是一种快速高效、经济方便 且应用广泛的新工具。美国c o r n e l l 大学的c u s e e m e 系统和欧 洲的m i c e 系统就是典型的多媒体计算机会议系统。 ( 3 ) 协同写作和协同设计：该应用为在不同时间和不同地点 的用户，提供以协同工作方式完成多媒体文档写作和产品设计工 具。这些工具的出现将方便群体成员间的协作，提高协作工作的 效率。美国m i c h i g a n 大学的d i s t e d i t 就是一个典型的协同协作 系统。 1 1 3c s c w 的应用 随着企业及机构全球化意识的加强，能够支持协作的系统将 在规范管理、提高效率、降低成本等方面发挥无可替代的作用， 坝i j 学位论上 论作控制机制的f f j f 究i 实现 因此也将成为必不可少的信息设施。这种走向大规模协作的趋势 随着若干重要应用模式的出现而逐渐明朗。这些应用模式主要有 如下几个方面： ( 1 ) 远程教育。基于c s c w 的远程教学系统将提供一种新型的 教学方式，借助于计算机支持教师与学生之间以及学生之间的协 同工作和信息交流，将大大提高教学过程中相互协作和信息交换 的质量。这一系统不仅打破了时空对教学的限制，而且改变了传 统的教学模式，推行学生和教师之间的协作式的学习，从而能够 有力地提高教学质量。 ( 2 ) 办公自动化领域管理信息领域。在网络环境下进行协同工 作和决策，能够大幅度提高办公自动化的效率和质量。而如果在 管理信息系统中，应用多媒体技术及网络技术，进行面向管理信 息系统的c s c w 的研究和开发，将实现管理信息领域的智能化。 ( 3 ) 合作科学领域。随着现代科学技术的发展，科学工作者经 常进行多学科的交叉研究，协作工作越来越重要。而面向c s c w 的合作写作系统、共同编辑系统及电子会议系统将为不同学科的 科学家提供最有效的合作手段。在分布式网络环境下，人们可以 跨越地理位置的限制而共享资源，共同从事科研工作。 ( 4 ) 医疗领域。在医疗领域，人们已认识到应用计算机进行医 疗的重要性，+ 因为计算机就诊，特别是远程医疗不仅能及时而有 效地抢救患者，而且能使边远地区的病人获得和大城市相同的医 疗条件，从而有效地利用已有的医疗条件，提高医疗效果。 ( 5 ) 协同计算机辅助设计。在分布式网络环境支持下，设计小 组进行协同计算机辅助设计，将能提高设计效率、缩短周期、降 低成本。 ( 6 ) 电子商务与商业、贸易、金融的应用。电子商务是通过计 算机网络以电子方式进行的商务活动，通过计算机网络处理商 务、参与各方的各种协调和协作，是c s c w 在商业、贸易、金 融中的典型应用。这种应用将以不同形式出现，如网上支付、技 术服务和虚拟企业等。 ( 7 ) 电子政务与各级政府部门的协调和决策支持。正在迅速发 展的i n t r a n e t e x t r a n e t 技术和c s c w 技术，会在政府办公和企业 管理中发挥重大作用。电子政务或电子政府将成为一种未来的政 府办公重要手段。公安系统通过计算机网络协同侦破案件，将是 非常有效的手段。 我们相信这些应用模式将对未来社会人们的工作、学习与生 活等产生深远的影响。 潍作控制机制的f l j f 究2 。实腿 1 1 4c s c w 的研究方向 在当前的c s c w 研究中，许多关键技术还有待解决。对这 些关键技术的研究，是c s c w 应用出现飞跃的基础。 ( 1 ) c s c w 的系统模型和体系结构 我们可以把c s c w 系统理解成一个四层模型，如图1 2 所 示。“开放系统互联环境”提供开放的通信支持环境，保证协作 过程中有效的信息交流。“协同工作支持平台”解决协同工作所 需要的主要机制和工具，如信息共享、信息安全控制、群体成员 管理；基本工具包括电子邮件、会议系统、协同写作等。“协同 工作应用接口”需要提供协同应用的编程接口、人机接口等，使 上层的应用与下层的支撑平台具有相对的独立性；并提供有效灵 活的人机接口，以及在协同工作环境下协作各方的交互关系、规 则和策略等。“各种c s c w 应用系统”针对各种协同工作应用领 域，提供所需要的协作支持工具的剪裁和集成。 图1 2c s c w 典型系统框架 ( 2 ) 群体协作模式 c s c w 的目标是提高群体成员间的协调配合水平，因此必 须深入了解人类群体成员间的协作模式，以指导协同工作技术和 方法的研究。由于人类群体协作的层次性结构，以及多样性的特 征，协作可以采用集中式或分布式、同步或异步协作的协作模式， 以准确地抽象群体协作的特点，指导协同工作技术的研究。 ( 3 ) 协作控制机制 协作过程中需要遵循一定的规则，否则会引起协作的困难。 协作控制机制就是这些协作规则在c s c w 系统中的体现，讨论 在协作过程中产生的各类协作事件问的逻辑关系。这方面研究的 内容是协作规则的抽象和协作规则在c s c w 系统中的实现。 坐! ：兰垡堕兰 ! 坐堑竺型! ! 型堕型壅! ! 苎塑! 一一 ( 4 ) 同步机制 同步机制讨论协作过程中产生的各类协怍事件问的时序关 系，可以分为实时事件同步和连续媒体同步两类。同步机制的研 究难点在于同步关系的描述和实时服务的提供，缺少有效的同步 关系的描述手段。 ( 5 ) 多媒体技术 以音频和视频技术为主的多媒体技术，在c s c w 中占有主 要的地位。目前c s c w 应用系统中大量音频和视频信息的使用 会带来网络传输的拥挤，所以必须针对c s c w 系统的需求，研 究音频和视频的压缩算法以及协同工作、异构环境下的多媒体信 息的模型、一致性和互联互操作等问题。 ( 6 ) 应用共享技术 应用共享的目的是扩大已有的大量单用户应用程序，使之可 以由多个用户共同控制，实现协作。应用共享的基本方法是把单 用户应用程序的显示输出分发到各用户的机器上显示，并按一定 策略合并各用户的输入对应用程序进行控制。 另外，群组通信支持、安全控制、系统开发环境和应用系统 集成技术的也是c s c w 系统需要研究的重要内容。 1 1 5c s c w 的研究意义 c s c w 技术将带来人们协作方式的变革，提高人们协同工作 的整体效率。c s c w 的发展和推广，将会改变人们的信息交流、 进行协作的方式：计算机技术的发展，必然走向计算机协同工作 的方向。 计算机的发展从大型主机到通过网络互联的机器群体，走出 一条从相互没有联系或联系困难的独立计算机到相互可互联、互 操作甚至协同工作的计算机群体的道路，计算机协同工作是计算 机发展的必然趋势。计算机应用领域的拓宽和对群体协同工作的 支持必须建立在广泛的用户群基础上，只有当大量的用户都可方 便地使用计算机时，计算机才可能深入人们的生活和工作，并影 响到人们的协作方式，进而使计算机与我们的工作和生活融合到 一起，形成新的计算机支持下的人类协作方式，提高人1 f 的工作 效率。 倾i 学位论文 坍怍控制机制的研究。实现 第二节本论文实现的c s c w 的概述 本论文将在对c s c w 协同控制机制进行研究的基础上，实 现一个分布式的同步c s c w 系统。为协作成员提供一个具有电 子白板、聊天和音视频等协作工具的协作空间。 1 2 1 系统模型 早期的c s c w 是基于传统的c s ( 客户朋艮务器) 的两层模 型。服务器除了要和客户机一样处理本地信息、显示协作结果以 外，还要接受客户的服务请求，处理请求，并把处理结果发送给 其他客户，而且当多个客户同时发出请求时，服务器要进行并发 控制以维护数据的一致性。另外服务器还要提供协同工作的召 集、协作环境的初始化、协作者的登录、协作用户权限的赋予以 及共享数据库的存储与查询功能。这种模型对服务器的要求较 高，服务器的负担沉重。 传统的两层模型已经不能满足群件发展的需要，因此对传统 模型进行改进，系统结构如图1 3 所示。 图13 系统结构图 在传统的协作模型上构件数据库服务器，让数据库分担传统 服务器的部分工作，形成以数据库为核心的支持多协作、多用 户的系统模型。系统在数据库的支持下，能够同时进行多个协作。 成员不但能够参加协作，和其他协作成员进行多种形式的信息交 互，还能够在协作外进行用户信息、协作信息的创建、修改和信 息查询等操作。 9 坝l 学位论义 作拄制帆制的研究1 i 实现 1 2 2 体系结构 要设计一个c s c w 系统，首先需要根据所支持的拼作的性 质、系统赖以运行的软、硬件环境等因素，选择一种合适的体系 结构。目前被广泛采用的体系结构包括集中结构、分布结构和混 合结构。 一、集中结构 集中结构又被称做客户服务器结构，包括一个集中式的服 务器及多个与该服务器交互的用户，系统中所有的事件及对象将 由服务器来维护和管理。在协作中，协作用户的事件被发送给服 务器，由服务器按照某种调度方式依次对这些事件进行处理，并 将处理结果反馈给对这些事件感兴趣的成员，由协作成员根据这 些结果去刷新显示的内容。 集中结构的最大优点是简单和易于实现。由于所有的应用和 数据都存放在服务器上，所以易于实现存取管理和数据的一致 性，并且由于服务器能够直接把输出送给所有客户机，因此可以 方便地实现很细粒度的协同。但是该系统缺乏灵活性，而且健壮 性差。当服务器或充当服务器的客户机出现故障时，系统将无法 正常工作。在集中式系统中，所有的用户动作都必须经过服务器 的计算才能在成员的屏幕上显示动作的结果，在网络速度较慢或 并发用户较多的情况下，系统的响应时间很长。 二、分布结构 在分布结构中，各成员的在协作中的地位是平等。他们都能 够操作共享对象，并把操作发送给协作中的其他成员，而且每个 协作成员都能接受用户动作，计算动作结果，并把结果作用与共 享对象。 分布式结构允许每个用户定义自己的工作界面，响应时间 短。而且当其中一台或几台机器出现故障时，不会影响系统的工 作。但是该系统的主要缺点是难以解决协同工作的实时性和数据 的一致性问题，为了缩短响应时间，每个用户的输入首先在本地 机器上响应后再传送给其他用户，由于网络传输带来的延时，在 不同的机器上操怍的执行序列可能不同，从而造成操作结果的不 一致。分布式系统的另一个问题是用户的动态注册，即新用户如 何加入已经丌始的协作。在集中式系统中，由服务器接受新用户 的注册请求，并把当前的协作状态传递给新用户，而在分布式系 0 顺卜羊垃论文 曲- 什拧制h l 制的宄，实现 统中，没有统一的控制中心，动态注册的用户必须将自己的注册 请求通知给每一个分布用户，并根据每个用户的返回状态计算系 统的当前状态。 三、混合结构 混合结构实际上是将集中结构和分布结构进行综合，以发挥 其各自的优点，并避免他们的缺点。与分布结构类似，参与协作 的成员各自维护目标对象的一个拷贝。能够在本地完成的处理将 在本地执行。而对有可能造成不一致的操作，才借助于集中式服 务器进行统一调度，降低分布结构的一致性控制的复杂程度，同 时降低集中结构对服务器的依赖程度。 经过比较分析，决定在系统中采用以分布结构为主的混合结 构。使用分布结构使系统具有较好的灵活性和较短的响应时间， 允许用户定义自己的工作界面，又保证了系统的健壮性；使用集 中结构解决发言权的控制和用户加入协作时的信息同步问题，结 构模型如图1 4 所示。其中虚线部分为集中部分，实线部分为分 布部分。 幽i 4c s c w 系统的体系结构 协作中的各种信息交互、用户状态的更新均采用分布结构进 行处理，因此需要通过有效的同步机制和并发处理算法解决用户 界面的不一致性问题。 同时，对传统的集中结构进行改造。协作中并不指定固定的 服务器，而是从各协作站点中动态选择一台做i 临时服务器，负责 协作成员动态加入时协作信息的初始化工作和发言权的集中控 制a 当该临时服务器退出协作时，控制权就转交其他站点，提高 丁系统的健壮性。 胁作控制虮制的研究与实脱 1 2 3 网络环境及软硬件平台的选择 1 网络环境 随着i n t e m e t i n t r a n e t 的酱及，网络应用的丰富，传统的文本 方式已经满足不了人们信息交流的需要，网络上实时传输音频、 视频等信息的需求已经越来越大。网络带宽的扩大，网络传输速 率的提高，使多媒体信息在网络上的传输得以实现。 本论文选择i o m 或i o m 以上带宽的局域网为c s c w 系统 的网络环境。随着i n t e m e t 速率的提高和压缩技术的发展，能够 直接通过i p 协议实现与i n t e m e t 的连接。 2 软、硬件环境 c s c w 系统设计的一个主要原则是：提供支持用户协作的技 术而不要对用户有过多的限制。所以本系统选择软件、硬件平台 时以主要是从用户的可接受性( 包括价格、使用习惯等) 和将来 的发展趋势几个方面来考虑的。 硬件平台为用户最常用的p c 机，其他外围配置包括：一台 u s b 接口摄像机、麦克风、声卡、音箱和一个通信接口卡，使他 们共同完成数据的采集、传输和播放。 软件平台我们选用的是在p c 世界占统治地位的操作系统 t t in 9 x 、w i n d o w sn t 4 0 或w i n d o w s 2 0 0 0 。在数据库服务器上，需 要运行w i n d o w sn t 4 0s e r v e r 或w i n d o w s 2 0 0 0s e r v e r ，还需要 安装s o ls e r v e r 7 0 或以上版本的数据库。 1 2 4 系统功能 本论文实现的c s c w 系统将具有电子白板、聊天、视频和 数据管理、检索与查询的功能。主要包括： ( 1 ) 协作管理实现协作成员的管理、协作信息的管理以及协作 过程的管理。为用户指定协作权限，并处理成员动态加入 离开协作的请求； ( 2 ) 实现以分布式为主的混合式体系结构，通过同步机制、并 发控制机制来保证协作信息的致性。 ( 3 ) 使用安装方便的u s b 接口的摄像头获取视频信息，并进行 传输； ( 4 ) 白板共享类似于w i n d o w s 下的画板，所有有权限的协作成 f l l ； 【：学位论文 阶f 乍控制机制的研究。j 实现 员都可以对白板内容进行编辑，编辑内容都能被其他成员 所感知。 ( 5 ) 键盘对话为所有协作者提供了一个聊天的空间，所有有权 限的协作成员都都可以打丌对话窗口，或者进行交谈，或 者听别人交谈。 另外，系统将为音频、共享笔记本、文件传输和程序共享等 协作工具保留接口，为c s c w 系统的进一步完善提供空间。 1 2 5 研究重点 本论文在继承研究成果的基础上，重点研究在以下几点内 容： ( 1 ) 构架网络数据库，使所有协作在数据库的支持下进行，但 并不过分依赖数据库，使协作过程与数据库的相对独立： ( 2 ) 加入协作管理的概念，实现对协作成员、协作信息和协作 过程的管理； ( 3 ) 实现协作信息的分布式处理，采取有效的同步机制和并发 处理算法保证分布在各协作节点的数据的一致性，并通过 聊天室、电子白板等协作工具验证算法的有效性。 ( 4 ) 采用u s b 接口的摄像机，研究如何获取视频信息并进行 视频信息的传输与播放。 ( 5 ) 丰富数据库信息查询检索的功能，实现静态、动态信息的 有效共享。 第三节论文工作及结构安排 c s c w 系统是一个复杂的系统，所涉及的领域也很广泛，需 要研究的内容也很多。在该论文中，主要对c s c w 的协作控制 机制进行研究，并构架一个c s c w 系统。论文的安排如下： 第一章综述 本章介绍了c s c w 的起源、概念，并介绍了c s c w 在一些 实际领域中的应用，从而说明c s c w 是自然科学和社会科学发 展的必然结果。进而研究c s c w 的关键技术以及研究领域，确 定本论文所要研究的主要内容。明确系统要实现的功能，以及实 现这些功能所采用的系统模型和体系结构，同时提出了实现该系 硕l 学位论文协作控制机制的f o f s u - j 实现 统所需要的网络环境及软硬件环境。 第二章协作控制机制 本章在分析协作层次、协作模型的基础上，提出了协作控制 机制的总体框架。重点讨论了协调模型中的协作管理、同步机制、 并发处理等控制机制。在协作管理中，重点讨论了协作成员角色 的管理、成员加入离开协作的管理、协作信息的管理及信息的 数据模型等问题。在并发处理中，采用了时间向量方法，定义了 一种新的字典全序来规定操作顺序，实现了失序纠正策略。针对 不同的协作信息，采用相应的同步机制，在并发处理的配合下， 保证成员之间信息的一致性。在交互级的协作控制中，采用全互 连的交互模式，利用t c p 和u d p 协议共同完成点对点的传输。 第三章视频处理与网络传输 视频处理主要介绍了用u s b 摄像头的视频获取、传输和播 放的技术。网络传输研究了如何使用基于t c p 的流式套接字和基 于u d p 的数据报套接字来共同实现数据的传输。 第四章数据库支持 c s c w 系统是面向用户的，强调用户之间的协作性、信息 的共享性，这就决定了c s c w 系统必定会涉及到对数据资源的 操作，而数据库技术是管理数据资源的一种最新方法，它研究如 何组织数据，存储数据，如何能够高效地获取和处理数据的方法。 因此本章首先介绍了一些基本的数据库技术，接着主要介绍了在 应用程序中访问数据库的几种方法种，最后，重点结合本文实现 的c s c w 系统说明数据库的构造及其在c s c w 系统中的功能用 途。 第五章系统功能分析 在前面各章的基础上，本章将论文所实现的c s c w 系统的基 本功能和服务进行了总结。本系统具有的功能和提供的服务有： 用户登录、用户注册、创建修改删除协作信息、电子白板服务、 聊天室服务、视频服务、数据库查询服务等，并附以实例图。 第六章结束语 作为论文的最后一章，本章在总结的同时，主要对当前的c s c w 的一些相关技术发展情况作一简单介绍。相信不久的将来，随着 计算机网络技术的迅速发展，c s c w 的应用将会深a n 社会生活 顺l 学位论文 m 作控制h 【浩1 的倒f 究i 实观 的方方面面。 ：i ：本论文理论上的主要贡献： 1 提出了以数据库为核心的多协作、多用户的系统模型； 2 在以分布式为主的混合式体系结构中中，采用全互联的交互 模式。 3 突出了协作成员角色的作用，使所有协作成员在使用相同的 应用程序的情况下，通过不同的角色，完成协作中的不同任 务。 ：i ：本论文实践上的主要贡献： 1 实现了协作信息的分布式处理；实现了使用时间向量，基于 字典全序的失序纠正策略； 2 较全面地实现了协作管理的功能： 3 使用u s b 摄像头，实现了视频信息的直接传输，简化了协作 环境的准备工作； 4 提供了灵活的协作界面，用户可以按照自己的需要安排界面 使用自己惯用的协作工具进行协作； 5 丰富了数据库技术在c s c w 系统中的应用。 竺! ：兰些堡苎 ! 坠堡丝型! ! 型塑盟垄! 兰些生一 第二章协作控制机制 在协作过程中，需要遵循一定的规则，否则会引起协作的困 难。协作控制机制就是这些协作规则在c s c w 应用系统中的体 现。协作控制机制讨论协作过程中产生的各类协作事件间的逻辑 关系。 第一节协作控制机制的框架 c s c w 应用系统的协作控制机制要考虑到协作群体的组织模 型、群体成员在协作时的动作习惯和心理状态，向各成员提供所 需信息。目前，许多c s c w 应用系统提供一定的协作模型、信 息交流手段和工具，但没有体现协作规则，而由群体成员人为协 调各自的动作。理想的情况应是由系统而不是由人来协调各成员 的动作，使之遵守一定的协作规则。这方面的研究的主要内容是 协作规则的抽象和协作规则在c s c w 系统中的实现。 2 1 1 协作层次 c s c w 系统的交互和协作控制，按信息和数据共享、群体协 作关系的紧密程度，可以自下而上表示为5 个不同的层次和深 度，如图2 1 所示。 烈。 仂同 共孽7 孽 暑 合作 量 协调 甲 卅 x 信息通信 私有性 数据通信 图2 1 不同的协作层次 坐! 兰竺堡苎! 塑堡丝型! ! 型堕业壅! ! 茎些! 1 数据通信 数据的传送与交换。协作控制机制就是通信协议。虽然这 是协作得以进行的基础，但难以直接体现出协作群体之间的关 系。 2 信息通信 通过大量媒体或本地资源进行信息匿名通信，信息提供者 很少要知道谁是信息的接受者。例如通过广告板、w w w 等进 行信息交流。目前，i n t e m e t 上通过这种机制进行着大量的协作。 信息的提供者与接受者虽然有一定的信息交流和共享，但他们之 间不一定存在显式的协作关系，只不过信息已使数据具有特定的 含义。因此，严格地说数据通信和信息通信并不是协作，而是协 作群体之间实旌协作的基础。 3 协调 协作成员之间有某种认识，不一定有共同的工作目标，但共 同的利益或组织关系需要共享信息或资源，可能产生工作活动的 交叉、重复的努力或资源调度、时间或空间的差别等。这时成员 之间需要进行某种协作，我们把这种协作称之为协调。协调作为 协作的一个进程或过程出现，主要表现在一个个体的行动或动作 会影响其他个体的行动或动作，反之亦然。因此，同步机制是协 调的核心，它主要要解决个体行动或动作之间的同步，个体行动 或动作与整个过程之间的一致性。 4 合作 协作群体成员工作在一起，参与同一过程、执行某种行动， 合作的成功取决于合作成员的共同理解和共享知识与资源。每一 个协作成员是独立的，甚至分属于不同的团体，他们相互之间是 一种工作关系。但合作结果归属协作全体成员，而不标志某个个 体，尽管个体可有其自己的目标。 5 协同 协同是最高级别或层次的协作。在这一层次的协作、协作群 体共同目标代替了个体目标。协作群体是以整体而不是以个体核 定的。这时往往要做出共同决策，共同理解、共享知识、决策的 可信度和可靠性成为最重要的因素。 坝i 一学位论文协作控制机制的研究与实现 2 1 2 协作控制机制的总体框架 根据c s c w 系统的协作层次，把协作机制模型分解为群体 协作问题求解模型、协调模型以及交互与通信模型三部分，总体 框架如图2 2 所示。 组织级 协调级 协作交互级 图2 2c s c w 协作机制的总体框架 群体协作问题求解模型是c s c w 协作机制的最上层，是 c s c w 的主导。它主要完成协同工作任务的形式化描述和表示、 协同任务的分解、子任务的分配、组织及集成等工作，其目的在 于指导协作的有序、合理、规范和有目的地进行，并使得子任务 的结果易于集成，其结构如图2 3 所示。群体叻作问题求解模型 面向的是协作任务，描述它不仅仅需要计算机科学的知识，还要 借助人类学、心理学、社会学、认知科学、管理科学和其他学科 的研究成果和理论。群体协作问题属于系统组织级内容，不是本 论文研究的重点，因此，不做详细的介绍。 幽2 3 组织级结构 m 作控制机制的 l j f 究o 实脱) 本章后面的内容将重点介绍多任务协调模型和交互通信模 型中的关键技术的研究与实现。 第：二节多任务协调模型 多任务协调模型属于系统协调级范畴，是c s c w 系统的协 调与控制器。主要实现各个协作成员之间、各成员执行任务之间 以及c s c w 多个应用之间的协调，以保证共享信息和共享操作 等共享对象的一致性。从广义上讲，协调是指对协作成员的工作 进行调整和集成以完成群体工作目标。 c s c w 协调模型的核心问题是如何提供有效的协作支持， 使用计算机技术协同完成一个共同的任务和合作目标。在c s c w 系统中，信息共享是多用户协作的基础，它与分布式信息共享有 很大的差别。分布式系统是面向系统的，信息共享对用户而言是 透明的，每