（计算机应用技术专业论文）cscw系统中qos模型的研究和设计.pdf

中文摘要 计算机支持的协同工作，英文缩写为c s c w ，是在2 0 世纪8 0 年代中期发展 起来的。c s c w 这一概念一经提出，就收到了不同学科的人们的重视，经历了 1 6 年的发展，至今已成为一个多学科交叉的新兴的研究领域，有着广阔的应用 前景。 本文在已有通用c s c w 平台一- - b e a c o n 系统的砑究基础上，通过总结和分 析已有系统的特点和存在的不足，提出本文的研究方向：用户方的服务质量。 首先，本文在协作系统中首次引入了服务质量( o o s ) 的概念，从用户满意 度方面对协作系统进行进一步的完善。 其次，针对现有的协作应用和网络状况，提出动态自适应质量模型，并针对 其中若干关键技术展丌讨论。尤其是针对媒体数掘的传输，自适应反馈模型有效 地解决了媒体数据传输延迟大、数据质量不高等问题；并且在对成批控制数据的 传输方面还采用了c o r b a 技术中的事件通道的解决方案，有效地减轻了发送方 的负担，方便管理，提高了数据传输的可靠性。 最后，本文通过分析和实现一个简单的媒体应用，来进一步证实该质量模型 存在的必要性和可行性，也为协作系统的研究提供了有价值的思考方向。 结尾部分总结了论文所有的研究工作，并对工作进一步的发展做出了展望 指出了今后的研究方向。 关键词：c s c w q o s 动态自适应事件通道a g e n t r t pj m f a b s t r a c t c s c w , n a m e l yc o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ew o r k ，w h i c hi sap r o m i s i n g s t u d y i n gf i e l do f ac r o s s d i s c i p l i n e ，h a sb e e n a p p l i e dw i d e l y b a s e do nt h et o p i ca b o u tb e a c o ns y s t e m ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ef e a t u r e sa n d d e f a u l t so fa l lt h ew o r kw eh a v ed o n eb e f o r e ，t h e nr i s e sar e s e a r c hd i r e c t i o no nu s e r s q u a l i t yo f s e r v i c e f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et e r mo fq u a l i t yo fs e r v i c et ot h ec o l l a b o r a t i v e s y s t e m f o rt h ef i r s tt i m e s e c o n d l y , t h i sp a p e rp r o p o s e sad y n a m i ca d a p t a t i o no o sm o d e lt oa d a p tt ot h e l i m i t e dn e t w o r kr e s o u r c e sa n ds h a r er e s o u r c e s t h em o d e la l s o s u p p o r t s e v e n t c h a n n e lo fc o r b a t e c h n o l o g y t or e d u c et h eb u r d e no fu s e r s e f f e c t i v e l ya n di m p r o v e t h er e l i a b i l i t yo ft h ed a t at r a n s m i s s i o n f i n a l l y , b a s e do nt h ed e s i g n i n gm o d e l ，t h ep a p e rr e a l i z e sas i m p l em u l t i m e d i a a p p l i c a t i o nt op r o v e i t sw o r t h i n e s s t h el a s t p a r ts u m m a r i z e sa l lt h er e s e a r c hw o r ka n dg i v e ss o m ep r o s p e c tt ot h e f u r t h e rw o r k k e y w o r d s ：c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ew o r k ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，d y n a m i c a d a p t a t i o n ，e v e n tc h a n n e l ，a g e n t ，r e a lt i m ep r o t o c o l ，j a v am e d i af r a m e w o r k 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：泠导到l 签字日期：2 。；年月2 - 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘凄盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盎蓬盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：余占列l 签字日期：三口。s 年7 月2 7 r 翩躲别毒吁 签字日期：如。j 年1 月i6 日 第一章绪占 1 1 课题背景 第一章绪言 众所周知，人类社会是一个紧密协作的群体，人们在这个群体中相互影响， 相互依存。特别是在当今信息化社会中，更能体现人们的生活方式和劳动方式具 有群体性、交互性、分伟性和协作性的特点。 变化万千的信息构成了五彩缤纷的世界，一个人，一个群体。一个生物，一 个事件，一种环境乃至一种思维和感情等等，整个世界每时每刻都在产生着大量 的信息语言文字、声音、图形、图像和各种数据。它们都是我们人类活动的 反映结果。多媒体计算机技术的发展，大大提高了以计算机为工具收集、表示和 处理这种多样化信息的能力；作为计算机和通信技术飞速发展及其两者融合的产 物计算机网络，远远超越了计算机和通信技术它们各自独立存在而产生的功 效，所谓“n e t w o r k c o m p u t e r 或c o m m u n i c a t i o n ”，它大大缩小了事件和空间对 人类活动的限制，更有效地促进人类社会群体问有效的交互和协作，进一步扩大 信息技术的实际应用领域。“计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o s e d c o l l a b o r a t i v ew o r k ，简称c s c w ) ”f 是在这样一种社会背景和技术背景下发展 起来的。 c s c w 这一概念最早是在1 9 8 4 年由美国m i t 的i r e n eg r e i f 和d e c 的p a u l c a s h m a n 两位研究员在组织安排有关如何用计算机支持交叉学科的人们共同工 作的课题时提出来的。这一概念一经提出，就得到了各个领域的人们的重视，经 历了近二十多年的发展，至今已成为一个多学科交叉的新兴的研究领域，有着广 阔的应用前景。可以浇，c s c w 这一理念已经无处不在，而且将进一步影响甚至 改变人们的工作方式和生活方式，对2 1 世纪人类社会将会产生巨大而深远的影 响。 虽然各种c s c w 技术的研究和应用都取得了巨大的进步，但是仍存在许多问 题。首先，国内还没有优秀的成熟的系统设计理论，缺乏一套系统的丌发规范和 环境，不能完全实现关键代码的可复用性，从而造成了各种资源的重复浪费和丌 发的低效性；其次，也是最重要的一点，缺乏对c s c w 技术中存在的服务质量 问题的研究，这在国内外都还是一个尚未完全解决的难题。 为了避免这些问题的局部解决，在本文中我们引入服务质量这个较为成熟的 概念体系柬指导我们进行研究。 第一章绪高 服务质量( q o s ) 这个概念经过了若干年的发展已经较为成熟，并且一直是 业界关注的焦点，而且针对不同的领域它可以有不同的解释，但其核心都是为了 解决不同用户接收到的服务的满意度问题。在已有的协作系统b e a c o n 中，随着 i n t e r n e t 的迅猛发展，多媒体协作应用也变得越来越成为人类在协作过程中使用 最多和最自然的方式。从整体上讲。多媒体协作应用中主要涉及到三种数掘：音 频、视频和控制数掘，而这三种数据的q o s 衡量标准却又是大相径庭。音频数 据主要用于表示发言者的讲话声音，这罩的声音质量是一个很重要的衡量质量的 因素，因为对于一次比较成功的会议协作应用，视频图像传输发生延迟或图像质 量略有下降，对会议的进行都不会有太大影响，但如果发言者的声音由于技术问 题而断断续续，将会直接影响会议进程，甚至导致会议的暂停。因此在数据传 输中，一般都会考虑给音频数据以更高的q o s 优先级，确保声音的流畅和清晰。 而媒体中的视频主要指动态图像，可以使参与者用生动的表情语言和形象的身体 语言来表达自己的感情和观点，它对q o s 的要求要远远低于对音频数据的要求。 对于协作应用中的控制数据要求则是要保证数据的可靠性和一致性，从而达到一 种“你见即我见”的情景，而对实时性的要求就要略微低一些。所有这些数掘都 对o o s 提出了不同的要求，我们在考虑这些质量要求时也是要针对特定应用或 是特定用户的。 因此，我们不但需要构建一个具有通用性的软件平台，还需要该平台能够提 供一些基本的q o s 保证，以方便丌发人员在此基础上进行更加深入的研究和，f 发，也使得c s c w 真j f 成为我们工作和生活的一种基本环境和方式。 本文是在由i b ma s 4 0 0 基金和天津市科技重点攻关项目联合资助的科研项 目“通用c s c w 平台”的研究基础上，针对原有平台设计存在的某些缺陷和尚 未完成的技术要点进行的进一步研究。 1 2 相关工作回顾 目f i i f ，国内外对c s c w 通用平台的研究已有几年的时闯了，并且取得了一定 的研究成果。仅我们课题组了解和分析到的著名通用平台就有十余种，如美国国 家超级计算机中心研制的h a b a n e r o 平台，伦敦大学q u e e nm a r y & w e s t f i e l d 学 院设计的m u s h r o o m 系统平台，美国m i c h i g a n 州立大学计算机系研究的p a v i l i o n 系统，等等。 在深入研究现有c s c w 平台结构的基础上，本文作者曾经参与了“通用 c s c w 平台”的研究工作，并与课题组成员合作提出了一套基于事件流和组件 的平台设计方案，并进行了简单的测试。具体内容包括：对各种c s c w 关键技 2 始一带绪苦 术进行了研究和分析，并进行了相应的概括和总结：实际分析了许多不同类型的 c s c w 系统，对通用c s c w 平台进行相应的需求分析；概括出通用平台的设计 模式；设计了一个基于事件流和组件的平台方案；以此设计为基础，基本实现了 一个通用c s c w 平台一- - b e a c o n 系统，并进行了简单的测试。 然而通过实际测试和应用，发现该通用c s c w 平台本身还存在着些不足。 卣先，对多媒体技术的支持不够。随着网络的发展，以音频和视频技术为主要内 容的多媒体技术，在c s c w 系统中将占有越来越重要的地位。并且音频和视频 信息交流，也将成为人类在协作过程中使用最多和最自然的方式。为了通过 c s c w 应用系统支持人之问的协同工作，必须在c s c w 系统中支持音频和视频 信息交流。其次，没有能够提供有效而可靠的组群通信机制。在计算机协同工作 中，可靠的组群通信可以带来点到多点信息传送效率的大幅度提高。这些不足之 处，都促使我们改进现有c s c w 平台，为以后的研究工作提出新的发展方向和 基础。 针对现有的问题，本文将致力于构建一个动态自适应的q o s 模型来进一步完 善原有c s c w 平台，并且解决其中涉及到的相关技术难点。 1 3 本文的主要研究工作和创新 对c s c w 系统领域的研究在过去近二十多年中已经取得了显著成就，但是对 于在浚系统上进行q o s 方面的支持却还是刚刚起步。本文主要分析了在c s c w 系统中o o s 存在的必要性和可行性，分别针对有限的网络资源和共享资源身适 配而提出的动态自适应o o s 模型和事件通道的解决方案；在支持移动a g e n t 平 台的基础上，探讨了框架的实现方案，并进行了详细的描述和分析。具体工作如 下： - 通过对现有的c s c w 平台的分析，设计出一个通用平台的基本框架， 并概括总结出各个部分的有益研究成果。 - 通过实际测试和搭建现有的c s c w 通用平台，发现和总结了它存在 的一些缺陷，并进行了相应的分析。 - 把q o s 这个概念引入到c s c w 平台的完善中去，研究和设计出一个 资源动态自适应的模型。 - 以浚模型为基础，利用a g e n t 、j m f 和c o r b a 等多种技术束实现一 个简单的音频会议系统，并通过了测试。 本文在理论和应用上有如下创新性研究成果： 一对于目前一些通用c s c w 平台都没有能够很好的解决客户端的o o s 筘一章绪苦 问题，本文提出了一个以消息反馈为基础的自适应模型，尤其是针 对媒体数据的传输。 本文提出的设计方案支持组件化的丌发方式，这使得该模型可以有 效地扩展到各种应用中去。 - 基于c o r b a 的事件通道可以在组群通信时，有效地利用当前的网 络资源，方便事件管理。 利用移动a g e n t 技术来管理消息处理，有效地减轻了服务器的负担。 1 4 本文组织结构 本文以介绍现有的c s c w 平台的研究现状为起点，通过总结原有c s c w 平 台的缺陷，将q o s 概念引入c s c w 平台的研究中，并在此基础上分析研究策略， 得到一个模型并进行实现和测试。按研究工作完成顺序，论文的组织结构和章节 安排如下： 第一章为绪言，介绍本文的选题背景、研究工作的基础、创新之处和主要研 究工作。 第二章简单回顾了c s c w 的发展历史，并且对我们以自口研究的一个c s c w 通用平台一- - b e a c o n 系统进行系统的介绍和分析，最后引入q o s 的概念，并简 单论证o o s 提出的必要性和可行性。 第三章将详细介绍基于消息反馈的适配网络资源的设计方案的主要设计思 想，以及具体的实现细节。 第四章为根据浚设计方案实现和评测一个简单的音频会议系统。并详细介绍 所用到的关键技术。 第五章为全文的总结和研究工作展望。 4 第一帝c s c w 、r 弁时o o s 的需求 第二章c s c w 平台对q o s 的需求 2 1c s c w 系统综述 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 信技术与计算机及其网络技术相融合，产生了一个新的研究领域一一计算机支持 的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) r 简称c s c w 。它是信息化 进程发展的一种必然产物。它将提高人们的工作效率，促进社会生产力的发展， 深刻影响人类群体生产方式、工作方式和生活方式。 2 1 1概念、起源 早在2 0 世纪6 0 年代，美国的d 英格巴特发表了一篇题为“ac o n c e p t u a l f r a m e w o r k f o r t h e a u g m e n t a t i o no f m a n s i n t e l l e c t ”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 的研究丌发也起了丌创性的作用；到2 0 世纪 7 0 年代，德国斯图加特大学物理学家赫尔曼哈肯教授( h e r m a n n h a k e n ) 就提 出了“协同学”研究的概念：1 9 8 4 年m r r 的艾琳格雷夫( i r e n eg r i e f ) 和 d e c 的保罗卡什曼( p a u lc a s h m a n ) 两位研究员萨式提出了c s c w 的概念。这 是他们为f 在组织安排有关如何用计算机支持交叉学科的人们共同工作的课题 时提出来的。实际上，c s c w 技术的演化过程是与整个计算机应用的发展密切相 关的。图2 一l 展示了计算机应用系统4 0 多年来的发展历程。 我们把“计算机支持的协同工作”定义为：地域分散的一个群体借助计算机 及其网络技术，共同协调与协作柬完成一项任务。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 过建立协同工作的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 问上的相互分隔的障碍，节省工作人员的时问和精力，提高群体工作质量和效率， 从而提高企业、机关、团体乃至整个社会的整体效益和人类的生活质量，如共享 文件系统提供的资源共享能力，电子邮件和多媒体会议协同提供的人与人之问的 通信支持功能，工作流和决策支持系统的组织管理功能。一个企业如果有效地利 用这些基本工具，构造其企业协同管理信息系统，必将提高企业的管理水平和效 益。 c s c w 是一个多学科交叉的研究领域，它将计算机技术、网络通信技术、多媒 ：笙= 翌兰! 篁! ：! 鱼型竺! 塑至查 一一 体技术以及各种社会科学紧密地结合起来，为人们提供了一种全新的工作环境和 交流方式。 酗2 - 1c s c w 演化 2 1 2计算机协同工作技术的研究意义 计算机掷同工作技术将带来人们协作方式的变革，提高人们协作工作的整体 效率。计算机协同工作应用协同的发展和推广，将会改善人们交流信息，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。 如图2 2 所示，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 量豹用户都可方便地使用计算机时，计算机彳可能深入人们的工作和生活，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 在计算机支持下的人类协作方式，提高人们的协作效率。 图2 2 预示着我们，2 1 世纪，c s c w 将构成我们人类工作和生活的一种基本 环境和方式。今天业已流行的互联网i n t e r n e t 及其发生着的事件，也同益显示 出这种强劲趋势。这样一组数字可以充分反映这萃孛趋势；全世界i n e r n e t 用户 从1 9 9 4 年的3 0 0 力到1 9 9 8 年的1 5 3 亿，仅用了4 年对阃发展了1 5 亿用户； 电视s j t 年h 收音机则分别经过长达1 3 年和3 8 年时问，才达到5 0 0 0 万用户。 6 第一二章c s c w | ，青对q o s 的需求 t n t e r n e t 的采用不仅使它之前的所有技术都黯然失色，而且将对人类社会产生 深刻的影响，而c s c w 在i n t e r n e t 环境下将发挥更有效的作用。 时间 1 9 7 0 1 9 9 0 2 0 0 0 计算机在 作中的使“i 计算机与川 户间的盘! i i 介 熟悉计算机 的川户群 图2 - 2计算机、协同i 作与计算机川户 2 2b e a c o n 系统的关键技术 户 鉴于c s c w 的研究和应用现状，我们课题组从2 0 0 1 年初丌始对通用c s c w 平 台进行研究的。其目标有三个：第一，整理出一套系统的c s c w 设计理论；第二， 提出更为灵活、更为通用的c s c w 系统的体系结构；第三，开发出基于此体系结 构的一些工具或组件。在此基础上提出了一套新的平台设计方案，它具有很强的 扩展性、通用性、稳定性和开发灵活性。该方案支持组件化的开发模式，以事件 流的处理为核心，全面覆盖了从网络通信、群组通信、访问控制到并发控制等多 个环节，并在对象交互模型、事件处理和并发控制策略方面有所创新。 2 2 3平台设计方案 该设计方案属于中间件式平台，但是通过引入组件设计的思想很大程度上克 服了中问件式平台在扩展方面的不足。 平台分为应用层和核心层两个部分。应用层出多个应用构成，每个应用都是 个组件，面向不同的服务内容，如任务管理、用户管理等。实际上，每个应用 第一二章c s c w r 行对o o s 的需求 都由应用相关的数据、处理这些数据的方法以及负责显示和控制的界面等组成 的。每个应用要能够在协作的环境f 工作，就必须依赖于核心层。核心层构建在 流行的网络协议如t c p i p 协议簇之上，专门负责数据共享、访问控制、并发控 制、事件收发和处理以及网络通信等内容，是协作的管理、控制和执行部分，可 以被看作是一个中问件。核心层被分为五层，其中网络通信层负责向网络接收和 发送数据，协作感知层负责确定每个事件的收发目标和范围，事件处理层负责对 接收到的远程事件进行处理，多用户层分为两个子层，分别负责访问控制和并发 控制的管理与检测，协作适配层负责对应用层的共享数据和对象进行摘要和映 射。 蚓2 - 3事什流幽 应用层和核心层的合作是通过事件流连接在一起的。图2 3 描述了事件流动 所经历的各个环节，这有助于理解应用层和核心层各自的角色和工作内容。以流 入事件流为例说明，首先由网络通信层把事件接收下来，然后由协作感知层确定 j f 确的操作目标，事件处理层在调度访问控制和并发控制检测之后执行相应操 作。这里值得注意的是，操作是由事件处理层负责调度并执行的，但其内容是山 应用层提供的。 8 第一章c s c w r 舟对q o s 的需求 2 2 4对象共享流程 其中网络通信层负责向网络接收和发送数据，协作感知层负责确定每个事件 的收发目标和范围，事件处理层负责对接收到的远程事件进行处理，多用户层分 为两个子层，分别负责访问控制和并发控制的管理与检测，协作适配层负责对应 用层的共享数掘和对象进行摘要和映射。 当应用层的某个对象需要成为共享对象时，必须首先向所在系统节点的平台 核心层注册，然后爿能使用平台为提供的重重服务。注艇过程要牵涉到平台的核 心各层，如图2 4 ，注意到多处使用了“雇佣”这个词，这是因为与共享对象绑 定的m e t a 、c u r r e n t s t a t e 等对象都是由一个专门的管理器来创建并进行管理的， 它们与共享对象之阳j 是使用者与被使用者的关系。 幽2 - 4对象共享流科 应用层可以通过提供配置参数的方式影响注册过程。例如，第一，应用层可 以指定雇佣的c u r r e n t s t a t e 的各h o l d e r 数组的长度，以次束体现并发策略的定 制；第二，应用层可以确定是否为共享对象绑定一个操作适配器a c i t o n a d a p t o r 及相应的a c t i o n m a p ；第三，应用层可以决定是为该共享对象绑定一个新的 r o l e s p a c e 还是让其自动继承上级共享对象的r o l e s p a c e ；应用层还可以通过指 定具体的连接信息( 如连接类型t c p u d p c o r b a 或端1 ：3 等) 使网络通信层为i 幺共 9 第一帝c s c w 、r 青对o o s 的需求 享对象建立专门的事件接收信道。 利用共享对象注册过程的这种可配置性。应用层可以通过实现对核心层一定 限度上地调整和优化，以实现特定的目标。 2 3 服务质量( o o s ) 2 3 1概念的导入 对i r 什么样的系统爿算得上是个c s c w 系统，一直都没有明确的评判标准， 其实也不可能有。我们的c s c w 系统的设计方案是一个基于事件流和组件的平台 设计方案，它克服了目前些通用c s c w 平台太“窄”，太“专”的特点，具有更 加照好的通用性和扩展性，而且它支持组件化的丌发方式，提供了比较完整的功 能和服务，能有效降低目标系统开发的工作量和难度。但是由于当时时问的仓促 和考虑的某些方面的不周全，该c s c w 系统仍然存在着许多不足之处，具体内容 如下： 首先，该系统对网络通信层的设计只是笼统的提出了网络通信这一层的概 念，但是没有涉及到具体的解决方案或模型。而各种应用中的网络通信支持需要 考虑不同信息的特点，针对不同信息的组群通信，应该有不同的设计方案来提供 b e s te f f o r t 的通信服务。 其次，对多媒体技术的支持不充分。以音频和视频技术为主要内容的多媒体 技术，在c s c w 系统中占有重要的地位，而且他们也是人类在协作过程中使用最 多和最自然的方式，所以，该系统的设计应该考虑为不同用户提供较为优质的多 媒体服务。 最后，协作方式的单一和局限性。 怎样去完善这些缺陷呢? 如果单纯的为解决这些不足而想办法，这样很有可能会导致问题的局部解 决。个有效的办法就是我们引入一个较为成熟的理念来指导我们进行研究，这 就是q o s ( q o s ) 。 2 。3 。2 概念介绍 q o s 这个概念是一个较为古老的网络术语，经过了若干年的发展，基本上已 经形成了一套完整的概念体系。正如f l u c k i g e r 在网络多媒体文中提到的： q o s 是一种概念，所有的应用程序都不需要从他们所运行的网络上获得相同的性 笫一章c s c w 、i ，秆对q o s 的需求 能。应用程序在传输信息数据时，只需要网络能够提供它所需的特定的服务。 q e s 的英文全称是q u a l i t yo fs e r v i c e ，简称q o s 。它是网络上相互通信的 各用户之问关于信息传输与共享的质的约定。例如，传输延迟允许时间、最小传 输画面失真度以及声像同步等。它的主要量度是：r t t ( r o u n dt r i pt i m e ) 、d e l a y i i t t e r 、吞吐率、l , o s sr a t e 等。对于网络的每个层次上，q o s 的解释也不尽相 同。l p 层上的q o s 主要是指对网络路山的选择：t c p 层的q o s 主要是管理和调控 滑动窗口和r t t 时间，还是控制传输的平滑性与传输速率的稳定性和一致性；而 应用层上的o o s 则是针对特定应用或是特定用户，提出诸如接收缓存区等一些相 应的辅助设计手段。总之，所有的q o s 都是基于网络链路本身的特性( 例如高速 网络、无线网络) ，同时也是基于应用本身的特性的。 q o s 这一问题现在已成为业界关注的焦点。对于由q o s 控制来实现q o s 保证， 国际上不同组织和团体提出了不同的控制机制和策略，目前比较著名的是： r f c 2 1 1 1 5 ，r f c 2 1 1 7 以及1 9 9 8 、1 9 9 9 年提出的r f c 2 6 x x 系列中的综合服务模型 ( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 、差分服务模型( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 、多协议 标签交换m p l s 技术( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 、q o s 路由( o o s b a s e d r o u t i n g ) 等都用于解决网络的q o s 控制和管理。 综合服务模型：它的基本思想是通过资源预留来实现q o s 保障，该模型的核 心部分为一个资源预留协议r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 。r s v p 是 一种无连接方式的方法，保持着与i p ( 以及i pm u l t i c a s t ) 的兼容性。在综合 服务模型中除了“尽力而为”的服务之外，又引入了两类服务等级。一类用于要 求可靠传输、并且延时不显著地超过某个值的应用，例如，电子购物、电子银行、 多媒体等，这类服务称为控制负荷( c o n t r o l l e d l o a d ) 服务；另一类用于有实 时要求的应用如声音和视频信号的实时传输，这类应用中希望延时和延时抖动 有预定的限制范围，这类服务称为可保障( g u a r a n t e e d ) 的服务。但是该模型实 现起来较为困难，并且扩展性较差。 第帝c s c w 、r 舟对q o s 的需求 幽2 - 5资源预留协议 支持r s v p 的网兰笤 区分服务模型：出于综合服务模型和r s 、p 实现起来比较复杂，i e t f 提出另 一种o o s 的保障机制，区分服务i ) s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 。它是在i p v 4 报头中定义区分服务( d s ) 字节和服务类型( t o s ) 字节，在i p v 6 中定义通信类 ( t r a f f i cc l a s s ) 字节，并标记分组中的标准化d s 字节。使分组在每个网络 节点得到特定的转发处理或单中继段行为( p h b ) 。区分服务提供了一个框架，在 这个框架下，服务提供商们可以为客户提供各种网络服务，并根据性能柬区分每 一种服务。它提供一种简单并且粗糙的服务。如果链路上的路由器有的支持d s ， 有的不支持。不支持d s 的路由器忽视数据报中d s 域的标识，只给一般的服务， 但从整体性能来看，这种服务的性能要更好一些。 多协议标签交换：它是i e t f 提出的又一种q o s 保障机制，它位于i s 0 7 层模 型的第2 和第3 层之间。i p l s 通过一个协议来建立标志交换路径l s p s ( l a b e l - - s , i t c h e dp a t h s ) 。一个l s p 使一个从发送者到接收者的单向逻辑通道， 类似于a t 嬲中的虚通道。具有相周服务等级的多个数据流可以会聚在一起使用一 个l s p 。用户数掘包在支持m p l s 的网络的入口路由器中进行分类、并加入相应 的m p l s 包头，然后进入m p l s 网。m p l s 网内部的路由器只需要根据包头中的标 志查找传送表，并进行相应的处理，这比在一般i p 寻径中分析寻径表找寻最长 匹配的操作快捷得多。此外，由于数据包的m p l s 包头在m p l s 网的出口处被删除， 因此，m p l s 子网很容易与具有其他0 0 s 机制的子网进行互涟。 第一章c s c w1 l ，台对q o s 纳需求 幽2 - 6l s p 通道示例 随羞i n t e r n e t 走出象牙塔，发展到当前的大众化、商业化阶段，q o s 的重要 性逐渐增加。虽然q o s 从字面上看好像只是与网络相关，但实际上q o s 作为一个 整体概念，必须在系统设计的任何一个层次上得到全面体现。因此，q o s 机制实 际上是根据用户提出的q o s 规范，对可利用的资源进行配置和管理的机制。 本文作者认为把q o s 这个概念充分地应用到c s c w 系统中的各项关键技术中 去，将会为c s c w 技术带来一次深刻的变革，使c s c w 真f 成为我们人类工作和生 活的一种基本环境和方式。 2 3 3 设计目标 q o s 在计算机网络上为用户提供高质量的服务必须解决以下问题： 1 s 的分类与定义。对q o s 进行分类和定义的目的是使网络可以根据 不同类型的q o s 进行管理和分配资源。例如，为实时服务分配较大的 带宽和较多的c p u 处理时问等，另一方丽，对q o s 进行分类定义也方 便用户根据不同的应用提出q o s 需求。 2 准入控制和协商。即根据网络中资源的使用情况，允许用户进入网络 进行多媒体信息传输并协商q o s 。 3 资源预留。为了给用户提供满意的q o s ，必须对端系统、路由器及传 输带宽等相应的资源进行预约，以确保这些资源不被其他应用所使 用。 4 资源调度与管理。对资源进行预约之后是否能得到这些资源，还依 赖于相应的资源调度与管理系统。 在c s c w 系统中，q o s 主要体现在对有限资源( 主要是指c p u 处理能力、缓冲 区大小等) 的合理分配和使用上，最终目标是使尽可能多的用户都获得最大满意 的服务。系统中的有限资源就像资本市场中的资本一样，不可能为所有的有资本 第r 二常c s c w 卜舟对q o s 的需求 需求的部门都提供相同数量的资本，而只是为那些回报高( 服务级别高或付费 高) 、有发展| j 仃景( 最大限度的满足各种用户的需求) 的部门( 应用产品) 提供 较高的资本( 资源) 。其中有限资源主要包括两部分：网络资源和共享资源。网 络资源主要是针对实时多媒体传输提出的，而共享资源主要是指多个用户可以按 照某种方式协同操作的共享对象( 例如，音频会议中，某个时刻只能有一个成员 发言，发言权就是共享资源) 。本文将分布针对这两种有限资源，利用现有的技 术手段，提出相应的解决方案。 2 4 c s c w 平台对q o s 的需求分析 随着现在我f f ，通信方式和数据表现形式的增多，必然为协作系统的设计和实 现带来一定的复杂性，这些复杂性要求我们重新柬考虑协作系统中对o o s 需求的 重要性。由于对q o s 满意程度的最终评价者是人，因此，在一个协作系统中，q o s 的保证是用户对整个系统提供服务满意程度的问题，即该系统的整个流程的各个 环节均因浚具有相应的q o s 保障。 现有的q o s 结构还都存在羞这样和那样的缺陷，主要归纳为以下几点： 1 质量结构的不完全性：当前所丌发的应用系统所提供的程序接1 ：3 都不是 以q o s 为基础进行配簧的，并且只能为交互式协作应用数据流提供有限 的管理和控制。 2 q o s 保障机制的匮乏：协作系统的设计和丌发需要在分布式控制、监测 和质量维护方面进行研究，以便q o s 是可预测的和可保障的。 3 缺乏对o o s 整体框架的设计：现在虽然许多科研机构都已经认识到对协 作系统提供q o s 保障的重要性，但是真f 从一个整体枢架来建立和服从 于各种异构的网络状况和系统级出发来考虑q o s 的设计和使用，却鲜有 成果。 通过以上分析，我们可以从c s c w 平台的设计目标出发考虑，o o s 管理机制主 要由三部分组成： 1 q o s 监测( q o sm o n i t o r i n g ) ：搜集和整理原始数据，并监测在通信过程 中服务提供者是否能够提供约定的q o s ，所获得的数据作为资源管理和 控制的依据； 2 o o $ 维护( q o sm a i n t e n a n c e ) ：将监测到的q o s 与期望q o s 进行比较， 然后将比较的结果报告给系统中相关的模块，对相应部分的资源加以调 整，以保障所要求的q o s ； 3 o o s 缩放( q o ss c a l a b i l i t y ) ：如栗在通信过程中，由于某种原因使q o s 第帝c s c w r 台对q o s 的需求 下降，而且通过q o s 维护机制也无法将其调整到所要求的水平，则向用 户发出通知，和用户重新进行协商。 幽2 7协同组 从协作平台所要实现的性能水平方面来说： 1 满意程度( s a t i s f a c t j o n ) ：用户很乐意使用系统的程度，从主观上讲， 这一点是决定浚协作系统性能好坏的主要参数之一。主要是指用户获得 服务的满意程度，包括协作系统的易用性，数据延时是否在人的容忍极 限内，多媒体播放的连续性。 2 可靠性：这也是在协作过程中的一个非常重要的特性，保证重要数据的 可靠传输，避免数据的丢失和窃取；保证协作过程的一致性。 3 扩展性：规模扩展要求乎台能够有效的适应随着规模扩充而带来的各种 q o s 方面的问题；功能扩展要求平台能够提供有效的方式来支持功能的 进一步改进、扩充和完善。 第三章皋十消息反馈的适配m 络资源的改| 十方案 第三章基于消息反馈的网络资源适配的设计方案 3 引言 大部分协作系统对相应的网络环境有较高的需求。例如音频，实时视频，基 于文本的聊天室和各种共享应用( 如白板) 。显然，这些应用对网络环境并不需 要相同的性能要求，例如基于文本的聊天室要比实时视频所需要的带宽小得多， 我们就不必为所有的协作应用提供相同的网络资源面导致不必要的浪费。理想情 况下，如果能将某种“智能”植入协作系统，以这种方式来支持o o s ，使系统最 终能够为每种应用都提供合适的质量。 针对现有的有限网络资源和网络阳j 的异构性，通常采用网络级的保证服务和 应用级的适配服务来解决这个问题。网络级q o s 控制，通常在路出器上保证传输 的及时和准确，但是却具有较差的可扩展性，而且实现起来也较困难。应用缴 q o s 控制，是基于特定应用或终端用户的，主要有两种形式：q o s 过滤机制和分 层多播机制。 q o s 过滤机制是使用q o s 过滤器来满足一个数据流被传送到具有不同q o s 需 求的多个客户。但是该机制需要切始化过滤器完成特定条件下的协商，直到协商 完成数据流彳+ 能发送。因为无论过滤机制多么强大，都会有时间上的花销，所以 运不适合实时数据流的传输。 对于分层的多播机制，一个源可以同时传送若干层的数据流，每层都表现- - 种质量级别。最基本的层描述了一个最基本的质量级别。每增加一层都会增加数 掘的质量。每个接收者通过调整接收到的层数来调整本地的接收质量。但是如果 应用这种q o s 控制机制，我们需要知道媒体编码的具体过程，否则不可能建立这 样的分层编码流。 根据这种情况，本文就采用一种软件形式的反馈机制，来实现网络资源的动 念适配，保证协作系统的o o s 。系统的基本结构如图3 一l 所示。 1 6 第二三章皋十消息豆馈的适削m 络资源的殴汁方案 3 2 主要设计思想 幽3 - 1系统的基本结构 在本文中，我们的目标就是要提出一种软件模型，帮助开发者减少协作系统 中设计网络资源适配的复杂性，实现q o s 参数的协商。该动态自适应o o s 模型主 要包括三个方面的内容：首先，系统要能根掘当前的网络情况具有动态q o s 自适 应的能力：其次，系统要有一个智能q o s 需求处理算法来充分考虑接收者的需求 和当前网络状况，做出合适的q o s 适配决策；最后，每个接收者都具有o o s 适配 能力来充分表达对接收到的数据流的质量要求。该软件模型的流程圈如图3 2 所示。 笙三童鳖堂皇垦笪塑堕些型垫塑翌些丝生查墨 臣囵 _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ 一 m p m o n i t o r o o sr e c lh a n c l l e r 幽3 - 2q o s 模喇流科图 由于我们所要设计的模型要由o o s 这个概念体系进行整体上的指导，进行全 面系统的考虑，所以设计过程中要考虑以下几个原则，来支持q o s 框架的研究： 1 综合性原则：该原则提出q o s 必须是可配置的、可预测的和可维护的， 对所有结构来说都是为了满足端到端的q o s 。满足用户最大程度的q o s ， 包括各种资源( c p u ，内存、设备、网络) 的适配。 2 分丌性原则：媒体传输控制和管理都是在功能上不同的结构行为。该原 则认为这些结构行为应该被分开考虑。主要是针对区分指令流和媒体流 传输。数据流一般要求高带宽，低延迟，非保证的服务，而指令流要求 较低的带宽，可靠的服务。 3 透明性原则：提出协作应用应该和复杂的底层q o s 规范脱离，如q o $ 监 控和维护；透明性的另一个重要方面是基于q o s 的a p i 而提出的。透明 性的好处有三方面：首先，它减少了应用程序开发中嵌入q o s 功能的需 要；其次它隐减了底层q o s 服务规范的细节，降低了协作系统开发的 8 笙三主苎塑星垦堕竺垩墅型竺窒塑堕堂生立壅 一一 复杂性；最后，它在一定程度上代表了处理q o s 管理活动的复杂性。 4 ，异步资源管理原则：主要是指导在结构模块和属于控制与管理机制模块 删功能的差异。尤其是在分布式通信环境中，并行操作的时间约束是必 要的，因为分布式通信系统的状态是山不同的时问刻度束确定的。通信 系统的操作是通过异步算法传输到达的，他们需要周期性的彼此交互控 制数据。 5 性能性原则：该原则包含许多规则，总的来说是为了实现由q o s 驱动的 通信过程，指导通信协议的功能区分。 3 3 软件反馈机制 幽3 - 3软件反馈机制 我们知道，反馈现象无处不在，它在技术创新中起着不可或缺的重要作用。 软件反馈机制是用柬监视用户系统状态的一种反馈机制。可以根掘被观察到 的系统的当6 口状态，做出相应的控制和调整，以保证最终目标的实现。软件反馈 机制的基本原理如图3 3 所示。该机制主要包括两部分：反馈过滤器和控制算法。 一般来况，我们要测量出系统的当前状态和当前的网络状念，并产生一个反馈信 号。陔信号经过反馈过滤器过滤处理，去除相应的噪声干扰，提取出重要信息。 然后，控制算法根据一定的目标