（电路与系统专业论文）基于p2p技术的白板会议系统及其协同技术应用设计.pdf

摘要 摘要 随着i n t e m e t 互联网应用的普及，通过互联网举办远程虚拟会议已成为一种 便捷又经济的会议模式。目前市场上推出的各类网络会议系统一般是基于即时通 讯技术来实现的，主要有文本、数据、音视频等几中通讯交流形式，而实际会议 中经常使用的现场板书的交流却很难实现。因此，本硕士课题工作旨在开发一种 具有实用价值的白板会议系统。 为了具体说明本论文的工作成果，本文首先分析开发白板会议系统的几个关 键技术问题，并通过分析和仿真p 2 p 技术说明采用c h o r d 协议来设计白板会议 系统的优越性，同时再通过引入计算机支持的协同工作( c s c w ) 技术来解决白 板会议系统中各用户使用不同画笔进行不同绘画或板书的显示控制策略；然后， 通过确定白板会议系统的基本网络结构模型，设计系统的总体架构及各个功能模 块的具体实现形式，并予以编程实现；最后，说明如何将该白板会议系统应用于 w e b e d a 平台上。 本论文的主要创新点在于： ( 1 ) 采用第三代p 2 p 技术中的典型代表- - - - - - - c h o r d 协议，管理网络节点和 图元数据资源的分布，系统中的所有节点参与网络流量的分配，因此在较大规模 网络应用中，具有较好的自适应性和容错性。同时，由于p 2 p 网络中所有节点 在功能上是平等的，可以有效地解决网络的负载平衡和单点失效问题。 ( 2 ) 本文受到p 2 p 流媒体技术的启发，尝试改变以往的思维模式，在图元 资源从源节点传送到目的节点的过程中，数据不是由源节点主动发送到目的节 点，而是由目的节点发送查询请求并主动下载此数据，这样同一个数据资源就可 以有选择的从多个源节点那里下载。在网络环境较差的情况下，这种方式可以较 好地保证系统的实时性。 关键词：白板会议；p 2 p ；c h o r d ；协同技术； a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fi n t e r n e ta p p l i c a t i o n s ，i ti sc o n v e n i e n ta n de c o n o m i c a l t oh o l dv i r t u a lm e e t i n g st h r o u g hi n t e r n e t t y p e so fn e t m e e t i n g sc u r r e n t l ya v a i l a b l e di n t h em a r k e ta r eb a s e do nt h ei n s t a n tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi ng e n e r a l ，s u c ha st e x t , d a t a , a u d i oa n dv i d e oa n ds oo n ，b u ti ti sd i f f i c u l tt os i m u l a t et h ew h i t e b o a r d c o m m u n i c a t i o ni na na c t u a lm e e t i n ge n v i r o n m e n t t h e r e f o r e , t h em a i nw o r ki nt h i s a r t i c a li st od e v e l o paw h i t e b o a r dn e t m o e t i n gs y s t e mw i t l lp r a c t i c a lv a l u e i no r d e rt o s p e c i f yt h er e s u l t so fo u rw o r k , w ef i r s ta n a l y s i st h ek e yt e c h n i c a l i s s u e s ，a n dw eu s ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nm e t h o d st oc o n f i r m et h es u p e r i o r i t yo f u s i n gc h o r dp r o t o c 0 1 a tt h es a m et i m e ，w ea l s ou s et h ec o l o rd i s t i n c t i o nm e t h o di n c s c wt e c h n o l o g yt od i s t i n c td i f f e r e n tc l i e n t s ，i no r d e rt oc o n t r o lt h ep a i n t i n gs h o w o nt h es h a r e dw h i t e b o a r di n t e r f a c e t h e n , w ed e s i g nt h es p e c i f i ci m p l e m e n tf o r m so f o v e r a l ls y s t e ma r c h i t e c t u r ea n de a c hf u n c t i o n a lm o d u l eb a s e do nt h es y s t e mn e t w o r k m o d e l ，a n df i n a l l yu s ep r o g r a m m i n gt o o l st oa c h i e v et h e m a tl a s t ，w ed i s c u s sh o wt o a p p l yt h ew h i t e b o a r ds y s t e mo nt ot h ew e b - e d ap l a t f o r m t w oi n n o v a t i o n si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w eu s et h ec h o r dp r o t o c o lt om a n a g et h ed i s t r i b u t i o no fn e t w o r kn o d e sa n d g r a p h i c d a t ar e s o u r c e s ，a l ln o d e si n v o l v e da r e r e s p o n s i b l ef o r t h e d a t af l o w d i s t r i b u t i o n ，s oi th a sg r e a ta d a p t i v ea n df a u l tt o l e r a n c ea b i l i t i e si nl a r g e - s c a l en e t w o r k m e a n w h i l e , e v e r yn o d ei np 2 pn e t w o r kh a se q u a la b i l i t y , s oi tc o u l de f f e c t i v e l ys o l v e p r o b l e m so fn e t w o r kl o a db a l a n c i n ga n ds i n g l en o d ef a i l u r e ( 2 ) w i t ht h ei n s p i r a t i o no fp 2 ps t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y , w et r yt oc h a n g et h e p r e v i o u sm o d eo ft h i n k i n g d u r i n gt h et r a n s m i s s i o no fd a t ar e s o u r c ef r o mt h es o u r c e n o d et ot h ed e s t i n a t i o nn o d e ，t h es o u r c en o d ed o e sn o ts e n dd a t ar e s o u r c e a u t o m a t i c a l l y , b u ti ti su pt ot h ed e s t i n a t i o nn o d e sr e q u e s t t h i sm e c h a n i s mm a k e st h e d a t ar e s o u r c ec a nb ed o w n l o a d e df r o ms e v e r a ln o d e s ，w h e nn e t w o r ke n v i r o n m e n ti s p o o r ，w ec a ne n s u r et h er e a lt i m ea b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：w h i t e b o a r dc o n f e r e n c e ；p 2 p ；c h o r d ；c o l l a b o r a t i v et e c h n o l o g y 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：同2 - 翊7 年多月彩日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：阁录 加尹年彳月莎日 第l 章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 现在是信息科技时代，同时也是一个网络时代，几乎一切事情都可以通过网 络技术来解决，网络会议 1 2 】就是这其中的一种典型应用。当以数据交互为核心 思想的网络会议出现后，业内对它的评价是“通信概念的革命，通信概念经历 了从点对点逐渐演变到多点对多点，从简单的书信、语音逐渐演变到多媒体通信， 网络会议把这种概念进一步深化，并广泛地被商界和政府部门采纳为一种安全、 高效、节省开支的通信方式。 网络会议是一个以网络为媒介的多媒体会议平台，使用者可以突破时间和地 域的限制，通过互联网将连续活动影像、声音以及数据互传，达到及时且互动的 沟通。目前，网络会议提供集电话会议、数据交互及视频交互于一体的功能，为 用户提供高效快捷的沟通途径，有效降低公司的运营成本，提高企业的运作效率， 在运营市场获得了很大成功。其中，网络会议中的数据交互部分功能强大、服务 概念新颖，已经远远超出了传统电话会议和视频所能提供的功能 3 】。 白板系统【4 6 】就是网络会议中数据交互功能的一个典型应用。使用白板系统 允许多个远程参与者在各自的终端计算机上观看相同的视图窗口，当一个用户修 改了自身的视图数据，就要立即通知其他用户更新，并将结果反映在各自的白板 视图上，即所谓的“w y s i w i s ( w h a ty o us e ei sw h a tis e e ) 【7 9 】。这种形式 的会议模式可以避开地域限制，借助一块公共的白板界面让分布于异地的用户实 时的协同工作，缩短与会人员之间的距离，改善会议气氛，同时，它还提供绘画 或板书的功能，弥补了用户之间文字交流的不足。白板系统作为一个分享、展示 的平台，在现实应用中能够极大地提高工作效率，降低远距离会议的费用和开销， 具有很好的现实意义，其应用前景广阔。 目前，大多数白板系统都是基于c s ( c l i c n t s c r v o r ，即客户机朋艮务器) 架构 【1 0 - 1 1 或者b s ( b r o w s e r s e r v e r ，即浏览器服务器) 架构 1 2 】开发的，采用这两种 架构的系统其实现机制简单，由于数据资源集中，因此便于管理员的管理和维护， 且安全性较高。但是，随着现代网络技术的发展和计算机性能的级数级增长， c s 和b s 架构的缺点越来越多的暴露出来，本文从白板会议系统的应用角度出 第1 章绪论 发，对上述两种架构归纳出以下几种缺陷： ( 1 ) 限制系统的可扩展性。当网络节点数目大量增加时，服务器的负载也 随之线性增加，虽然服务器通常都是高性能计算机，但是性能再高的超级计算机 也没有办法应付网络规模的不断膨胀，这个缺陷不但限制了白板系统的可扩展 性，而且客户端的计算机性能也不能得到充分的利用。 ( 2 ) 影响数据资源的实时传输。c s 模式中，服务器是客户端获取数据资源 的唯一途径，如果服务器出现繁忙，将导致数据延时到达，更有甚的情况服 务器崩溃，将造成数据的永远不可达。而白板会议系统强调的是数据的实时性， 数据的延时或者不能正常到达，将会影响到与会人员对会议实际内容的理解。p 2 p 架构的引入恰恰解决了以上问题。 ( 3 ) 限制网络带宽的充分利用。c s 模式中，通常会因为服务器的忙碌，客 户端处于等待状态，因此客户端的网络带宽不能得到充分的利用，甚至服务器出 现故障将导致整个网络通信中断的情形。 ( 4 ) 高额的成本。服务器是高性能计算机，价格较高，维护成本也较高， 限制了c s 和b s 白板会议系统的应用范围。 综上所述，传统的中央服务器转发方式作为数据资源发布模式已经不能适应 人们对高性能、低成本的白板会议系统的要求。因此，本文针对白板系统存在的 问题，把p 2 p 机制引入到系统中，以其服务分散化、易于扩展、负载均衡以及 健壮性强等特点，进一步改善白板会议系统的性能，具体内容将在后续章节深入 研究。 1 2 协同白板会议系统的国内外发展现状 白板系统分为两种形式：基于开发板的硬件白板 1 3 1 4 和基于p c 操作系统 平台的软件白板 4 6 】。硬件白板系统用户之间的协同性较好，但是费用较高，同 时对网络带宽要求较高。而桌面型的白板系统，不需要特别的硬件支持，网络带 宽需求也很低，为一般远程用户提供了图形化的交流界面，同时具备价格上的吸 引力和使用的方便性，因此该软件具有广阔的应用前景。 硬件白板系统中比较知名的有日本h i t a c h i 公司的d i g i t a l b o a r d 系列和美国 m i c r o t o u c h 公司的i b i d 系列。这些系统一般提供专门的硬件屏幕、电子笔和檫除 2 第1 章绪论 设备，用户可以直接在屏幕上写和檫除。此系统可以独立运行，也可以通过串行 口( c o m ) 或u s b 连接到桌面p c 。这些系统提供的功能比较强大，各用户可 以较自然地进行协同工作，但需要专门的硬件和较宽的网络带宽支持，因此价格 比较昂贵 1 5 】。 随着计算机的普及，基于普通p c 操作系统平台和i n t e m e t 的白板系统也相继 出现。这种软件白板系统的体系结构有两种模式：一种是传统的基于c s 的模式， 其中具有代表性的是m i c r o s o f t 和i n t e m e te x p l o r e 一起提供的n e t m e e t i n g 系统 【1 6 】，总体来说此软件还是较成功的，但是由于没有提供协同感知的能力，在多 用户条件下难于把图形对象与此对象的操作人相对应。此外，还有一种基于b s 架构的白板系统【1 7 】，通过j a v a a p p l e t 实现，在w e b 服务器上运行白板服务器， 而客户端浏览器下载服务器端的a p p l e t ，然后通过共享白板与多个用户交流信 息。这种办法利用了j a v a 的特点，客户端不需要安装软件，连接过程也很简单， 而且与平台无关，但是客户运行白板前，必须先下载a p p l e t 程序，需要一定的 等待时间。 比较以上两种模式的白板系统的特点，c s 模式可以很好地解决交互性的问 题，并提供强大的功能，但是需要昂贵的中央服务器支持，限制了系统的可扩展 性；b s 模式可用在i n t e r n e t 上，系统的客户端不必安装专门的软件，只要有浏 览器就可以使用，同时，b s 本质上讲还是c s ，所以仍然存在同c s 模式一样 的问题，而且由于浏览器对安全性的限制，使得系统有很多功能无法实现1 1 8 。 针对目前市场上的白板系统存在的缺陷，有些学者试图把p 2 p 技术引入白板 系统 4 ，1 9 ，这种架构使得网络带宽和计算机闲置计算能力都得到充分的利用， 因此系统具有很高的扩展性，更加能偶满足如今i n t e r n e t 迅速发展的需要。同时， 由于它的成本低廉，也能够满足更多用户的需求。 1 3 关键技术问题及其发展现状 本文提出的协同白板会议系统是网络会议系统的一个分支。为了改善传统 c s 模式下系统存在的缺陷，我们在系统中引入了p 2 p 技术。同时，由于白板会 议中所有与会人员使用公共的共享自板执行绘图操作，对用户之间的协同感知要 求较高，因此也需要用到计算机支持的协同工作技术的内容。因此本文在开发过 3 第l 章绪论 程中遇到的三项关键技术如下： 1 3 1 网络会议技术 八十年代末，多媒体技术得到了迅速发展，多媒体技术和通信技术的紧密结 合，产生了网络会议这一崭新的应用技术。网络会议对数字化的视频、音频、文 本、图像、图形数据等多媒体信息进行综合处理、通过通信网络对多媒体数据进 行实时传输，利用计算机系统提供的良好交互功能和管理功能，模拟人与人之间 “面对面”交流的虚拟会议环境。然而，多年以来，网络会议的发展并未像专家 们预测的那样彻底颠覆传统的会议模式，整个行业的发展只是在不温不火地慢慢 演进。 直到9 1 1 事件发生，美国出现了企业集团、个人大规模采购与使用网络会议 系统的热潮，一时之间，网络会议成为了各大媒体谈论的话题。无论从产品角度、 价格角度还是应用角度，大家都有着一致的观点：网络会议将以前所未有的发展 速度快速得到人们的认可，为提高工作效率和降低差旅费用起着难以估摸的作 用。 相比之下，国内的网络会议发展相对缓慢，而2 0 0 3 年s a r s 疫情导致人们 需要采用智能化的通信手段来完成细致化的沟通与交流。中国的网络会议突破了 以往的平缓发展局面，开始步入稳步快速发展阶段。国际著名多媒体视频和通讯 领域权威市场调研机构w a i n h o u s er e s e a r c h 在针对中国市场的报告中指出，中国 可视通讯产业的后发优势正日益显现，中国已经发展成为了全球最大的网络会议 市场之一，而且国内的厂商在安全性和技术支持方面已经绝对胜出，诸多因素使 中国多媒体会议产业正迎来了一个高速发展的黄金时期。 传统的网络会议系统 2 0 】多是基于固定会议室的“电视会议系统”，所有与会 人员必须到专用会议室参加会议。但随着全球经济快速发展，这种硬件模式已经 无法满足商业竞争的快速要求。同时，伴随着互联网的发展和计算机硬件能力的 加强，应用灵活、成本低廉的软件网络会议解决方案逐渐显现出优势。与会人员 只要通过对电脑的简单操作，利用其丰富的数据协作、会议管理和控制功能，就 可以轻松完成会议部署和召开工作。采用这种模式最直接的效益是节省时间和各 种会议开销，并提高会议效率，改善和增进商务交流、客户服务、产品开发和产 4 第l 章绪论 品展示，能够更加灵活地满足用户需求。 网络会议系统可分为c s 模式 2 h 、b s 模式【2 2 】和p 2 p 模式 2 3 】三种，b s 架构是从c s 架构发展而来的，它们的本质都是c s ，而c s 模式存在诸多问题， 例如开发和维护成本高，服务器负载重，灵活性差，缺乏开放性，难以与 i n t e m e t i n t r a n c t 接轨等，造成系统使用和维护中的许多难题。b s 模式虽然开发 和维护较为容易，但服务器负载中，理论上会议参加者的数量可以很多，实际效 果并不令人满意，服务器成为会议系统的瓶颈。在网络状况较好并且与会人员数 量不多的情况下，系统能够提供令人满意的效果。但是不同与会者的网络带宽质 量参差不齐，随着与会者数量的增加，数据传输丢包率增加，甚至发生中断。丢 包严重将导致音视频质量下降，而更加严重的是，在协同白板会议系统中，一帧 数据的丢失都将会严重影响白板数据重现的效果。针对以上风险，一些学者提出 了基于p 2 p 技术的网络会议系统 2 4 2 7 ，这种模式下各个节点地位平等，功能 是分布的，减轻了网络的负担，提高了图像的传输质量，使得计算机之间的合作 非常容易，提高了系统的可扩展性。 1 3 2p 2 p 网络技术 计算机网络自诞生以来，其管理与控制就有两种不同的方式：集中式与分布 式。集中式系统( c e n t r a l i z e ds y s t e m ) 中的节点在功能上不是平等的，总会有一 些通常是少数的管理节点( s e r v e r ，服务器) 在系统中占据中心、主导地位，管 理其他从属节点( c l i e n t ，客户端) 可执行的操作，控制其他节点之间的信息交 换。分布式系统( d i s t r i b u t e ds y s t e m ) 将管理和控制分散到它的各个成员节点上， 节点之间的功能上是平等的。由于信息交换的自由、平等，分布式系统常常拥有 远远高于集中式系统的工作效率和规模的可扩展性。 p 2 p ( p e e r - t o p e e r ) 网络 2 8 】是分布式系统的一种形式，它打破了传统的 c l i e n t s e r v e r 模式，在网络中每个节点的地位都是对等的。每个节点既充当服务 器，为其他节点提供服务，同时也享用其他节点提供的服务。图1 1 描绘了随着 分布式系统规模的扩展，分布式计算的模式发生的相应改变【2 9 】。 5 第1 章绪论 系 统 规 模 事机l a nw a n 专网 i n t e r n e 图1 - 1 分布式计算模式与系统规模的关系 作为影响i n t e m e t 未来的四项科技z，p 2 p 技术白1 9 9 9 年起逐渐啦引了学 术界、工业界娃至商业界的注意力。如今p 2 p 训算已经不再是个简单的概念， 而成为个渗透八多个领域的混合体。从网络领域来看，p 2 p 足种分布式的对 等网络，运用了不同于传统c s 结构的网络模型。p 2 p 网络无衙使用特定的r | 1 央 服务器，嘲络巾的u 点都是对等实体，它们既足服务器端，又是客户端。所有节 点革j 帕同的日标其享自身所抛有的一部分资源( 计算能力、存储能力、嘲络连 接能力等软硬件资源) 。 p 2 p 技术在不断地发展，其应用领域正迅速蔓延，主要的应用领域如下 【3 0 3 1 ： ( i ) 文件共享 p 2 f 技术使在i n t e m e t 上的任意两台计葬机之间直接共享文档、多媒体和其 它文件成为了可能，而不需要使用任何一台中央月务器的支持。文件共享是f 2 p 应用的重点和主流，具有代表性的p 2 p 文件共享体系有很多，例如国外的 b i t t o r r e n t 、e d o n k e y 等，国内的有p p 点点通、m a z e 、百度下吧等。 ( 2 ) 多媒体传输 由于多媒体文件传输茸大且要求传输速率稳定，p 2 p 网络恰恰适应了多媒 体传输对网络带宽的巨量要求，因为巨大带宽被所有共享多媒体文件的用户分 飞 学晶 第1 章绪论 担，当用户数量增加时传输质量通常是变好而非变差。s k y p e 、p p l i v e 、a n y s e e 等是这方面应用的典型代表。 ( 3 ) 实时通信和协同工作 基于p 2 p 技术，网络上任意两台计算机建立共享虚拟空间，用户可以异地 进行协同工作，使得协同工作的电子商务团体形成灵活、强大而有效的工作群组， 提高了工作效率。例如g r o o v e 公司的g r o v ev i r t u a lo f f i c e 提供共享文件、管理 工程、创建解决方案等功能，2 0 0 5 年已被微软收购，作为o f f i c e1 2 的组件之一。 ( 4 ) 分布式计算 分布式计算将巨大的计算任务分解，交给许多台计算机分别执行，再将它 们的计算结果归纳和整合，从而利用了它们空闲的c p u 计算能力完成超级计算 机的任务，某些领域也因此技术而不再需要购买昂贵的超级计算机。这其中最有 名的计划是由u cb e r k e l e y 大学展开的寻找外星生命的s e t i h o m e 实验性分布 式计算系统，参与研究计划的人将利用计算机的闲置计算能力执行庞大复杂的计 算，然后再把结果传到s e t i ! h o m e 总部。 ( 5 ) 搜索引擎 p 2 p 技术的另一个优势是开发强大的搜索工具。传统目录是搜索引擎只能 搜索到2 0 到3 0 的网络资源，p 2 p 技术使用户能够深度搜索文档，而且这种搜 索无需通过服务器，也可以不受信息文档格式和宿主设备的限制，理论上将包括 网络上的所有开发的信息资源。可以说，p 2 p 为互联网的信息搜索提供了全新的 解决之道。 从以上的应用中可以看到p 2 p 技术在很多领域得到了广泛的应用。由于p 2 p 技术在对等计算、协同工作方面的强大优势，今后在这两方面会有迅速的发展。 随着人们对p 2 p 技术优越性的深入，将来可能会有更多方面的应用系统诞生。 1 3 3c s c w 技术 随着信息化的发展，通信技术与计算机以及网络技术的融合，计算机系统正 从传统的支持个体工作环境向支持群体协同工作环境的方向发展。作为一个新兴 的研究方向，计算机支持的协同工作( c s c w ，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 e 7 第1 章绪论 w o r k ) 3 2 3 3 】自8 0 年代中期提出至今，得到了迅速发展，并在某些领域得到了 成功的应用。 c s c w 目前还没有统一的定义，一般认为它是指分布在异地的某群体，在计 算机帮助下，得到一个虚拟的共享环境，相互磋商，快速高效地完成一个共同的 任务。c s c w 综合了计算机技术、网络通信技术、多媒体技术、人机接口技术、 管理学和社会学等学科的理论，通过一个共享的环境和接口，将时间上分离、空 间上分布而工作上又相互依赖的多个协作成员及其活动有机地组织起来，以共同 完成某一任务的分布式计算环境【3 4 】。c s c w 的实质就是在分布式环境下，利用 计算机支持用户之间的交互，而不是传统的用户与计算机之间的交互。 目前国外c s c w 的研究规模较大、进展很快。a c m 主办的c s c w ( 1 9 8 6 年 起每两年一次) ，s i g g r o u p 主持召开的g r o u p ( 1 9 9 7 年起) ，欧洲的e c s c w ( 1 9 8 9 年起) 就是一直在召开的几个国际顶级学术会议；i e e e 也开始主办协同 计算会议( c o l l a b o r a t e c o m ) ；1 9 9 6 年由国内和国际学者联合发起的计算机支持 的协同设计国际会议( c s c w d ) 在北京召开，并轮流在中国和欧洲举行，至今 已经成功举办1 0 届；还有一些其他的国际学术会议，也涉及协作技术，如协同 学习会议c s c l 等 3 5 】。 国内方面，自1 9 9 8 年开始的全国计算机支持工作学术会议( c c s c w ) 已成 功举办了5 届。c s c w 研究从早期的一枝独秀到花开满园，各大院校和科研机构 纷纷参加到c s c w 的研究中来。中国科学院、清华大学、复旦大学、上海交大、 浙江大学、国防科大、东南大学、中山大学、西安交大等科研机构都有专门研究 c s c w 的科研实验室，开展了大量与协同工作有关的课题研究 3 6 3 7 。目前国内 学术界和业界正在共同努力，准备成立更具广泛性和代表性的全国性的c s c w 学术团体。 绝大多数协同工作系统是基于集中式架构( c s 或者b s ) ，即个体的行为需 要通过“协同服务器 ，造成架构本身的特性与实际应用需求之间的不匹配。同 时，协同对象之间没有自我组织和自我管理的能力，而p 2 p 网络恰恰可以弥补 这一点，以更加自然和现实的方式来解决当前协同工作系统存在的问题。因此， 研究p 2 p 网络下协同的原理及其可行性非常必要。 8 第1 章绪论 1 4 论文工作内容及结构安排 本文的所研究的白板会议系统中，会议室的所有用户在一个虚拟的公共区域 同时执行绘图操作，并将绘图结果显示在各自的计算机终端上，实时地实现“你 所见即我所见的实现效果。本文通过引入p 2 p 技术，对目前基于c s 或者b s 架构的软件白板会议系统进行改进，使白板系统在较大规模的网络应用中做到网 络负载均衡。同时，本文对c h o r d 协议进行改进，加入多源下载机制，在网络不 稳定的情况下，以保证数据资源定位查询的成功率。为了以上目标，本文完成了 以下几方面的工作： ( 1 ) 对p 2 p 网络拓扑结构进行深入分析，比较各种算法的优缺点，确定适 合于本课题的p 2 p 拓扑结构- - - - c h o r d 协议，并通过p 2 p s i m 仿真工具验证了采 用c h o r d 协议的白板会议系统的优越性。 ( 2 ) 对c s c w 技术中的并发控制策略和协同感知技术进行总结分析，确定 使用加锁机制实现线程的并发控制，和使用颜色标识的方法区分不同用户的操 作，以实现多用户之间的协同感知。 ( 3 ) 分析基于p 2 p 技术，特别是c h o r d 协议的协同白板会议系统的网络模 型，并在此基础上，确定了系统的总体架构及各个功能模块的具体实现形式，并 予以编程实现。 ( 4 ) 将该白板会议系统应用于w e b e d a 平台上，为e d a 工具使用者提供 一个更好的协同交互平台。 为了具体分析本论文的工作内容，我们按以下章节结构来安排论文。第二章 首先阐述p 2 p 技术的优势，对各种p 2 p 拓扑结构进行分类比较，然后重点分析 本文所使用的结构化p 2 p 之c h o r d 协议的工作原理，最后采用p 2 p s i m 仿真工具 仿真验证其优越性；第三章研究计算机支持的协同计算原理，进而确定本课题所 涉及到的相关技术问题及其解决方法；第四章在前两章理论基础之上，构建白板 系统的网络模型并详细阐述其设计流程。第五章，根据第二、三章提出的关键技 术问题的解决方法和第四章系统网络模型设计流程，具体阐述系统各个模块的实 现过程。第六章将该白板会议系统应用于w e b e d a 平台上，为e d a 工具使用 者提供一个更好的交互平台。第七章对本文的工作进行总结与展望。 9 第2 ep 2 p m 镕拙术研究 第2 章p 2 p 网络技术研究 2 1p 2 p 相对于c s 结构的优越性 同前，绝大多数的i n t e n e t 服务采用c s 结构，这种结构需要在网络上有 个强大处理能力和高带宽的计算机作为服务器( s c r v e r ) ，服务器在集中处理数 据的h 时为连在它卜面的计算机( c l i e n t ) 提供服务。 c s 结构的主要缺点是容易造成网络计算和带宽负载的集中化，作为服务器 的计算机需要进行大量的运算和处理众多的客户端请求。当劂络巾的客户端增加 时，服务器的计算负载和带宽要求都要增加，因此当客户端过多时，容易造成服 务器对窖，1 端的响应变慢，甚至阻塞。由于c s 结构过于依赖服务器的能力，而 客户端仪仪是向服务器发送请求并等待服务器返刚结果，因而造成它们自身计算 能力和带宽的浪费。 p 2 p 网络的本质思想在于打破传统的c s 模式，小依赖于中央服务器提供服 务，网络中的任何个点兼具服务器和客户端的功能，不再有客p 端、服务器 之分。在对等网络巾每个网络节点在行为h 是自由的，功能上是平等的，琏接 上是瓦联的，所有节点分布式地白组织成一个整体州络，凼此，它能够极大程度 地提高网络效率，充分利用网络带宽，肝菠每个网络节点的能力。图2 - 1 是c s 结构与p 2 p 结构的比较图。 c l i e n t s e r v e r p p e e r - t o - p e e r 图2 - 1c s 结构与p 2 p 结构的比较 第2 章p 2 p 网络技术研究 2 1 1 提高网络工作效率 在c s 网络结构中，客户端的所有信令的交互都要通过服务器来完成，服务 器的繁忙或故障，使得信息无法正常到达指定位置，c s 模式固有的问题影响了 网络工作效率；而p 2 p 网络中，任意两个节点之间交换信息不需要经过一个固 定的服务器，因此就不存在服务器瓶颈问题。 同时，p 2 p 网络高效的另一个原因是它在网络应用层构建了一个有严格拓扑 结构的覆盖网( o v e r l a yn e t w o r k ) 【3 8 4 0 ，此网络构建于底层物理网络之上，依 赖于底层物理网络的支持( 比如底层m 网络的路由等) ，如图2 2 所示，并且通 常使用基于一致性散列函数的分布式散列表( d h t ) 4 1 - 4 2 ，将网络节点或数据 对象高效、均匀地映射到覆盖网中。覆盖网与分布式散列表的结合，使得p 2 p 网络具有很高的路由效率。 t c p 口协议栈 图2 2p 2 p 在网络模型中的位置结构 2 1 2 充分利用网络带宽 c s 模式中，通常会因为服务器的忙碌，客户端处于等待状态，甚至服务器 出现“单点失效( s i n g l ep o i n to f f a i l u r e ) 导致整个网络通信中断的情形。在p 2 p 网络中，任意两个对等节点之间平等地互联，在交换信息的过程中不受其他节点 的控制与影响，数据传输速度只取决于网络带宽，因此它可以充分的利用网络带 宽。 第2 章p 2 p 网络技术研究 2 1 3 开发每个网络节点的潜能 c s 模式以服务器为核心网络，数据集中存储在服务器上，绝大多数的计算 任务由服务器完成，客户端对网络计算能力和数据存储的贡献微乎其微。p 2 p 网 络中，网络核心从服务器转变为每一个网络节点，数据分散地存储在所有节点上， 计算任务由各个节点系统完成，所以说，p 2 p 网络开发了每个网络节点的潜力， 使得因特网的存储模式从“内容位于中心 转变为“内容位于边缘”，计算模式 从“服务器集中计算 转变为“分布式协同计算”。 2 1 4 具有非常高的可扩展性 c s 模式的缺陷在于它的难扩展性。当网络节点数目大量增加时，服务器的 负载也随之线性增加，虽然服务器通常都是高性能计算机，但是性能再高的超级 计算机也没有办法应付网络规模的不断膨胀。而在p 2 p 网络中，随着网络节点 的增加，随之增加的通信开销被更多的节点分担，所以每个节点承担的负载并不 会增加太多。 2 2p 2 p 网络的拓扑结构 按照时代划分，p 2 p 网络的拓扑结构大致可分为三代。第一代是集中式p 2 p 拓扑结构( c e n t r a l i z x i ) ；第二代为无结构化p 2 p 拓扑结构( d e c e n t r a l i z e d u n s t r u c t u r e d ) 和第三代：结构化p 2 p 拓扑结构( d e c e n t r a l i z e ds 仃u c t u l 硼) 。 2 2 1 集中式p 2 p 拓扑结构 集中式p 2 p 网络是最早出现的p 2 p 网络应用模式，这种网络可以无限制的扩 展，并且不会因为扩展而导致搜索时间的延长和费用的增加。它利用终端用户机 器的处理能力和网络带宽，使得本身的处理能力与网络的扩展成正比，即每增加 一个节点，p 2 p 网络的处理能力和带宽都相应增加。 1 2 第2 章p 2 p 网络技术研究 图2 - 3 集中式p 2 p 拓扑结构 。 一一资源下载 如图2 3 所示，集中式p 2 p 网络需要一个索引服务器来负责记录共享资源的 存放位置及数据目录等信息，终端节点之间的数据交互并不通过服务器，而是直 接进行。当用户需要获取资源时，首先向索引服务器发送请求，索引服务器对请 求数据进行快速查找，并返回最合适的一个或者多个目的节点，然后用户同资源 所有者直接建立连接，进而开始文件传输。典型的例子有n a p s t e r 4 3 】、 b i t t o r r e n t 4 4 】。 可以看到，集中式p 2 p 拓扑结构中，资源查询与资源下载是互相分离的，这 有效节省了中央服务器的带宽，降低了资源传输的时延。该体系易于维护、发现 效率高、发现算法灵活高效且能够实现复杂查询。 但是由于仍然存在服务器的概念，一旦服务器失效，整个系统都会瘫痪，可 靠性和安全性较低；而且，随着网络规模的扩大，对中央索引服务器的性能要求 会越来越高，实践表明，在n a p s t e r 中，当用户数量增加到1 0 5 或者更高时，n a p s t e r 的系统性能就会大大下降。 2 2 2 非结构化p 2 p 拓扑结构 “非结构p 2 p 网络”这一名称的由来是因为它的覆盖网“非结构，这里“非 结构”指的是覆盖网没有固定、严格的拓扑结构，而是一个随机生成、松散组织 的普通图，理论上这张图可以是任何形状的。 1 3 第2 章p 2 p 网络技术研究 在非结构化对等网络中，资源的存放位置与网络的拓扑结构无关，整个网络 被认为是一个完全随机图。各节点不断加入、离开，它们并不遵循预先定义好的 规则来构建拓# b 4 5 1 。这种网络结构实现简单，能够很容易适应节点频繁的加入 或离开，但是最大的缺点在于：在这种对等网络中，资源搜索、定位的效率是比 较低的，因为其资源的存放位置与网络拓扑无关，所以只能使用泛洪或随机查询 的方式 4 6 1 。当节点不断增多、网络规模不断扩大的时候，这种查询效率会越低， 而且会消耗大量的网络带宽，因而限制了非结构化对等网络的可扩展性。 非结构p 2 p 拓扑结构分为两种：全分布式拓扑和半分布式拓扑。 图2 _ 4 非结构化全分布式p 2 p 拓扑结构 一一资源下载 全分布式拓扑结构的p 2 p 网络是纯粹的p 2 p 系统，采用基于完全随机图的泛 洪式发现和随机转发机制，能够较快地发现目标节点，如图2 - 4 所示。当一个节 点发送查询请求时，它将查询请求泛洪式发送到本地列表中的所有节点，其它节 点接收到请求首先查询是否有该目标文件，有则将文件信息返回给请求节点；没 有则继续将请求泛洪式发送出去，直到t t l ( t i m et ol i v e ) 值减少到0 。该网络 扩展性较差，因此适用于较小的网络规模，查询效率很高。但是由于没有确定的 拓扑结构支持，无法保证查找资源的确定性 4 7 1 。典型的应用有g n u t e l l a 4 8 。 1 4 第2 章p 2 p 网络技术研究 图2 - 5 非结构化半分布式p 2 p 拓扑结构 半分布式拓扑结构融合了集中式p 2 p 与全分布式p 2 p 的特点，它是一个双层 结构，如图2 5 所示。选择存储、带宽等能力较强的节点作为超级节点( s n ， s u p e rn o d e ) ，超级节点之间建立一个全分布式的p 2 p 网络，采用泛洪式搜索算 法构成一个高速转发层，发现算法仅在超级节点之间转发。同时，超级节点具备 索引服务器的功能，它与它所负责的子节点之间构成混合式p 2 p 结构，采用目 录索引方式发现资源。半分布式拓扑中，数据转发仅在边缘节点上进行，不通过 超级节点转发。由于超级节点的存在，网络搜索效率也大大提高。但是对于超级 节点仍存在依赖性，容易受到恶意节点的攻击。典型的应用有k a z a a 4 9 。 2 2 3 结构化p 2 p 拓扑结构 非结构化拓扑结构最大的问题是随机搜索所造成低可扩展性，而结构化拓扑 则构造了一个高度结构化的系统，资源存放位置与网络的拓扑是相关的，它较好 地解决了资源定位的问题。结构化p 2 p 网络采用分布式散列表( d h t ，d i s t r i b u t e d h a s ht a b l e ) 将数据对象映射到相应的节点，以便在数据的存放与查找方面有很好 的扩展性。 所谓d h t 技术就是在p 2 p 应用层和网络路由层之间加入单独的d h t 层来 进行p 2 p 网络资源定位和查找。基于d h t 分布式哈希技术是与应用无关的技术， 1 5 第2 章p 2 p 网络技术研究 因为d h t 单独加入在应用层和下层通信层之间，可以不考虑具体的应用，只利 用d h t 层负责上层数据和下层通信节点之间查询和插入。利用哈希函数得到的 关键字并不能反映数据的含义，具体关键字的产生完全取决于应用层的开发。 i。跌曲u t e 阳r u c t u r e d p 2p o