（计算机应用技术专业论文）普适计算中基于移动代理的任务资源管理方案研究.pdf

i i i i i i i i i iii1 1 1 1 1i i1 111 11 1 i i l y17 5 5 0 2 2 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学、计算机应用技术 研究方向：计算机通信与网间互连技术 作者：2 0 0 7研究生雌 指导教师：杨庚教授博导 题目：普适计算中基于移动代理的任务资源管理方案研究 英文题目：r e s e a r c ho nt a s kr e s o u r c em a n a g e m e n tm o d ei n p e r v a s i v ec o m p u t i n gb a s e do nm o b i l ea g e n t 主题词：普适计算，移动代理，域管理系统，资源管理，域信 息数据库，资源仲裁 k e y w o r d s ：p e r v a s i v ec o m p u t i n g ，m o b i l e a g e n t ，d o m a i n m a n a g e m e n ts y s t e m ，r e s o u r c em a n a g e m e n t ，d o m a i n i n f o r m a t i o nd a t a b a s e ，r e s o u r c ea r b i t r a t i o n 课题来源：江苏省自然科学基金项目( 0 8 k j b 5 2 0 0 0 6 ) 江苏省研究生培养创新工程( c x 0 7 b1 0 9 z ) 南京邮电大学青蓝计划( x k 0 0 7 0 9 0 6 0 5 2 ) 江苏省“六大人才高峰 基金资助项目( 0 6 e 0 4 4 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 自从上世纪九十年代初普适计算的概念被首次提出后，其赖以实现的基础技术己有了 长足的发展，使得普适计算的构想能够成为现实。然而，在普适计算从实验室环境走向大 规模商业化应用的同时，研究者也愈加意识到：普适计算绝不仅是现有技术的简单融合； 如何让普适计算系统能够像w i n d o w s 系统或者移动蜂窝通讯网络等成熟的应用系统一样， 具有高度的安全控制性、对用户身份及访问权限有集中的管理能力，形成对系统内资源在 逻辑应用层面统一的管理体系，成为普适计算的研究人员关注的重点。 本论文旨在研究普适环境下的有效的资源静态组织方式及运行中的管理模型，同时还 讨论了如何实现用户的跨域事务处理、会话保持以及系统故障恢复的相关处理，在此基础 上提出了“基于移动代理的普适计算资源管理模型( m o b i l ea g e n tb a s e dp e r v a s i v er e s o u r c e s m a n a g e m e n tm o d e l ，m a p r m m ) ”。在该模型的研究构建过程中，所做的主要工作有： 1 ) 将移动代理引入普适资源管理模型，使模型中对应设备资源很快响应用户请求， 能够有效地得到分配并顺利参与任务的执行。基于移动代理的普适资源管理模型对其中各 个模块的交互过程进行了描述； 2 ) 模型还对普适资源管理服务系统的核心工作过程( 身份认证和权限管理、域内和跨 域事务处理、故障检测与恢复等) 提供了事务操作流程定义，这让m a p r m m 模型成为一 个完备而可验证的模型系统； 3 ) m a p r m m 模型采用了在过去的操作系统等应用中有过成功应用经验的目录式管 理结构对普适计算资源进行管理，通过对域内各种资源的不断刺探，及时更新资源在数据 库中的状态。在资源仲裁环节，添加了由于资源的高度移动性而产生的额外的资源仲裁因 素，设计了更为全面的资源仲裁数学模型； 4 ) 考虑到了普适计算管理系统( 包括服务器及数据库) 故障的发生可能，在m a p r m m 模型中加入了管理系统实时故障检查及灾难处理的功能。通过心跳检查和核心数据相互备 份，让模型中的域管理服务器或域信息数据库在发生运行异常的时候，可以尽快被组域中 其他成员察觉，并将故障机上的事务或数据转移到其他管理系统上继续操作。 最后作者对m a p r m m 中各模块的交互过程进行了性能分析与仿真实验，并对 m a p r m m 进行了简单的功能性分析。实验结果证明m a p r m m 模型作为一种普适计算环 境下的资源管理模型，有能力满足普适计算环境下资源管理和区域化的用户事务管理的要 求，并获得了较高的时间响应比。 关键词：普适计算，移动代理，域管理系统，资源管理，域信息数据库，资源仲裁 p e r v a s i v ec o m p u t i n gi sn o tam e r ec o m b i n a t i o na n dg l u i n go ft e c h n o l o g i e sa th a n dt o g e t h e r h o wt oe n d o wp e r v a s i v ec o m p u t i n ga p p l i c a t i o n s 埘t 1 1h i g h l yd e v e l o p e ds e c u r i t yp o l i c i e s ， c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n to v e ru s e ri d e n t i t ya n da c c e s sp e r m i s s i o n s ，a n du n i f o r mm a n a g e m e n t i n t e r f a c eo fi n h e r e n tr e s o u r c e sa tal o g i c a lv i e w , h a sb e c o m et h em a i nc o n c e r n t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g n i n gp r o c e s so fa ne f f e c t i v em o d e lo fs t a t i co r g a n i z a t i o na n d r u n t i m em a n a g e m e n to fr e s o u r c e si nap e r v a s i v ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t t h em o d e la l s o d e v e l o p sm e t h o d o l o g i e so fp r o v i d i n gu s e r s 谢mc r o s s - d o m a i nm i g r a t i o ns e r v i c e s ，s e s s i o n m a i n t e n a n c e ，a n ds y s t e mf a i l u r eh a n d l i n g ，a n do nt h a tb a s i s “m o b i l ea g e n tb a s e dp e r v a s i v e r e s o u r c em a n a g e m e n tm o d e l ( m a p r m m ) ”w a sb r o u g h tf o r w a r di nt h i sa r t i c l e d u r i n gi t s i m p l e m e n t a t i o np r o c e s s ，t h ew o r kt h ea u t h o rh a sd o n et oe n a b l et h em o d e lt of u l f i l li t st a s k s m a i n l yi n c l u d e s ： 1 ) m o b i l ea g e n tw h i c hi s i n t e l l i g e n t , m o b i l ea n ds e c u r ew a sb r o u g h ti np e r v a s i v e r e s o u r c e sm a n a g e m e n tm o d e l w i t ht h ei n t r o d u c t i o n , t h em o d e lc a nm a k et h e c o r r e s p o n d i n gd e v i c er e s o u r c e sr e s p o n dt h eu s e r sr e q u e s ts w i f t l y ，a n dt h ep e r v a s i v e d e v i c er e s o u r c e sc a nb ed i s t r i b u t e de f f e c t i v e l ya n dt a k ep a r ti nt h et a s k se x e c u t i o n s u c c e s s f u l l y ； 2 ) m a p r m m p r o v i d e sa l li n t e g r a t e dd e f i n i t i o no ft h ec o r et r a n s a c t i o n so fp e r v a s i v e 3 ) c o m p u t i n gs e r v i c ep r o v i d i n gc o u r s e ( i d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n & p e r m i s s i o n s m a n a g e m e n t ，i n - & c r o s s - d o m a i ns e r v i c e p r o c e s s i n g ，f a u l tc h e c k i n g & r e c o v e r i n ga n d s o o n ) ，w h i c he n d o w st h es y s t e mw i t hr e a s o n a b l ew a y so f v e r i f i c a t i o na n dv a l i d a t i o n ； m a p r m m a d o p t sa nd i r e c t o r y b a s e dw a yo fo r g a n i z i n gr e s o u r c e si nap e r v a s i v e c o m p u t i n ge n v i r o n m e n t , w h i c hi sk n o w nt oh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h e t l m a n a g e m e n t , d o m a i ni n f o r m a t i o nd a t a b a s e ，r e s o u r c ea r b i t r a t i o n i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 摘要兽 a b s t r a c t 目勇乏 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 计算模式的发展2 1 1 2 普适计算的出现及其自身特点5 1 1 3 普适环境下的资源管理6 1 2 本文的研究范畴8 1 3 本文的组织结构8 第二章技术背景9 2 1 普适计算的任务。9 2 1 1 普适计算的技术基础1 0 2 1 2 普适计算的关键技术1 1 2 1 3 普适计算的研究现状1 7 2 2 普适环境下的资源管理1 9 2 2 1 普适环境下资源管理的研究现状1 9 2 2 2 普适环境下的资源管理需要解决的问题2 0 第三章基于移动代理的普适资源管理模型的构建2 2 3 1 基于移动代理的普适资源管理模型的体系结构2 2 3 1 1 普适计算环境下资源的组织模式2 2 3 1 2 基于移动代理的普适资源组织模式2 3 3 2 基于移动代理的普适资源管理模型2 5 3 2 1m a p r m m 的组成模块。2 5 3 2 2 资源管理模型中移动代理系统的实现2 9 3 2 3 基于移动代理的普适计算模型的设计3 3 3 2 4 基于移动代理的普适计算模型的交互3 4 第四章m a p r m m 模型的运行事务设计3 6 4 1m a p r m m 的域内事务处理3 6 4 1 1 域内资源访问事务的处理流程定义3 6 4 1 2 域内状态管理事务的处理流程定义3 8 4 2m a p r m m 的域间事务处理3 8 4 2 1 跨域的资源访问事务的处理流程定义3 8 w 南京邮电大学硕士研究生学位论文 一 4 2 2 用户漫游事务的处理流程定义 4 3m a p r m m 中基于组域的信息维护事务的处理 4 3 1 组域的结构和定义 4 3 2 组域的建立过程 4 3 3 域管理服务器心跳检查事务流程 4 3 4 域信息数据库实时同步事务流程 4 4m a p r m m 的故障事务处理 4 4 1 域管理服务器事务转移流程定义 4 4 2 域信息数据库事务转移流程定义4 9 第五章普适环境下m a p r m m 的通信性能及可行性分析5 0 5 1 普适环境下m a p r m m 的通信性能分析5 0 5 1 1m a p r m m 的通信切换延迟分析5 0 5 1 2 仿真实验5 2 5 2 普适环境下m a p r m m 的可行性分析5 7 5 2 1 蜂窝网络：5 7 5 2 2m a p r m m 与蜂窝移动通信系统的比较5 9 5 3 - 3d m s 主动跨域资源请求功能的实现5 9 第六章总结与展望。6 2 6 1 本文研究总结6 2 6 2 前景与展望6 3 致谢6 z i 攻读硕士期间的学术论文6 5 参考文献6 6 v 计算技术是那些消失了的技术，它们将自己融入到日常生活用品中，以至于它们从人们的 视线中消失。普适计算有两个关键特性：一是随时随地访问信息的能力；二是不可见性， 通过在物理环境中提供多个传感器、嵌入式设备、移动设备和其他任何有计算能力的设备， 从而在用户并不察觉得到的情况下进行了计算、通讯、并提供各种服务，最大限度的减少 用户的介入。 普适计算这一新型的计算模式建立在分布式计算、通信网络、移动计算、嵌入式系统、 传感器等技术的飞速发展和日益成熟的基础上，它体现了信息空间与物理空间的融合的趋 势，反映了人们对信息服务模式的更高需求希望能随时随地、自由地享用计算能力和 信息服务，使人类生活的物理环境与计算机提供的信息环境之间的关系发生革命性改变。 普适计算的关键在于以人为本，而不以计算机为中心，因此，普适环境中各组成元素的功 能角色将不同于桌面计算模式。 当前计算机理论和技术难以满足普适计算模式的要求，需要发展与其相适应的计算机 科学理论和技术。鉴于普适计算的重要意义，以及它带来的巨大挑战，目前普适计算已成 为国际上一个蓬勃发展的研究热点。世界上主要发达国家的学术界、政府、以及工业界都 非常重视，投入了大量的人力、物力、财力，各自从不同的方面对普适计算展开研究。 政府方面，美国的d a r p a 、n s f 、n i s t 都为普适计算研究设立了庞大的研究计划， 如美国国防部的研究机构d a r p a 同时资助了5 个相关的科研大项目，分别为：m i t 的 o x y g e n 计划、c m u 的a u r a 计划、o g i 和g 肭i n f o s p h e r e 计划、b e r k e l e y 的e n d e a v o r 计划、 以及华盛顿大学的p o r t o l a n o ，而美国国家标准与技术研究院n i s t 则联合各大型企业研究 机构专门针对普适计算制定了详细的研究计划，并由其下属的i t l 实验室专门负责协调、 制定标准、测试等工作。欧盟也大力资助了一系列的相关研究计划，如d i s a p p e a r i n g c o m p u t e r 计划、t e a 计划等，并于前段时间启动了将耗资1 0 0 0 多万欧 的d i s a p p p a r i n g c o m p u t e r 二期计划。英国设立了资助金额达1 0 0 0 万欧元、为期六年多的e q u a t o ，研究计 划。工业界方面，2 0 世纪末口业突显的疲软使刀巨头们认识到桌面计算已经进入了发展 的平稳期，需寻求新的计算模式与进行技术革新，因此，i b m , 微软、s u n 、聊、彳豫八 童室坚皇盔堂堡主婴壅生堂垡迨塞 釜二皇! 萱鱼 s o n y 、d 肠口等公司都纷纷投入巨资开展普适计算方面的研究。i b m 的w a g o n 研究院专 门开展了相应研究，如r e a m s p a c e 计划等；微软研究院也很早即开展- j e a s y l i v i n g 计划， 对普适计算的关键问题和应用进行研究。 普适计算是信息化社会发展进程中的又一次革新，普适计算技术必将大大改变我们未 来的生活方式、工作方式。它对于我国刀界既是一次挑战、也是一种机遇。 1 1 研究背景 1 1 1 计算模式的发展 正如同社会与人类文化本身历史朝代的进程一样，科学及应用领域的计算模式 ( c o m p u t i n gm o d e ) 的演变也是一个逐级进化的过程。随着晶体管、模拟电路、芯片制造业、 网络的发展，以及人们对计算的理解和需求的提升，迄今为止主流的计算模式也经历了包 括主机计算、桌面计算及被称为“第三代计算模式 的普适计算这三种计算模式的前后朝 代更迭。 ( 1 ) 主机计算时代 1 9 4 6 年2 月1 4 日，世界上第一台计算机目v 纠c 在美国宾夕法尼亚大学诞生，它标志着一 个崭新的信息时代主机计算( m a i n f r a m ec o m p u t i n g ) 时代的到来。此后，世界上越来越 多的国家、机构开始了大型计算机的研制，这让科学工作人员终于可以从繁重的数学运算 中解脱出来，大型机自动化和远超出人类计算的速度满足了人们对科学运算的要求。 然而，当时的计算机只能被看作是功能单一的计算设备，并且还是一种稀缺的资源， 由于自身体积巨大、操作复杂，计算机几乎都被安装在为数不多的计算中心或实验室里， 人们必须学习机器语言才能完成和计算机之间的信息传递；而且，由于计算能力的低下， 当时的计算机除了进行单纯的数学运算以外，也无力为人类生活提供更多的信息服务。这 个计算时代被人精辟地形容为“专家使用时代 ，由此可见，在主机计算的时代，计算机 的存在纯粹只是为了科学运算。 ( 2 ) 桌面计算时代 在删c 诞生后的3 0 多年里，计算机以惊人的速度向前发展。计算机的运算速度和存 贮容量的快速提升，为计算技术更广泛的应用带来了可能。2 0 世纪8 0 年代，个人电脑开始 流行，标志着第二种计算模式时代的到来桌面计算( n 憎d ，2 讲c d 啤7 甜f f 础。在桌面计算 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文蔓二重! 董坠 时代，桌面计算模式不仅仅局限于数学运算方面的应用，还可以提供图像、文字、语音等 信息服务。图形用户界面、多媒体技术的出现，使计算机使用者的范围从计算机专业人士 扩展到几乎所有行业和家庭用户。桌面计算支撑了现有的分布式互联网模式，有效地实现 了计算机之间的连接，扩大了人们获取信息服务的范围。 随着网络技术的出现，桌面计算又向前进入了延伸至网络计算( n e t w o r k i n gc o m p u t i n g ) 的全新应用领域。随着互联网络以及其后各种广域局域网络的出现，计算的应用方式发生 了飞跃，出现了以下主流的网络计算应用方式： 1 ) 分布式计算( d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ) 分布式计算是一种把需要进行大量计算的工程数据分割成小块，由多台计算机分别计 算，在上传运算结果后再统一合并得出数据结论的科学。分布式计算系统的出现原因是现 代许多工程应用需要消耗巨大的计算量，而这样级别的计算量由寥寥几台电脑甚至小型机 计算不可能完成的，而大型机的成本又过于昂贵。分布式计算的构想使得同等计算量的实 现成本被降到最低【2 】。其中，具有代表性的应用包括：世界上目前进行中规模最大的“搜 索地外文明”的s e t i h o m e 项目，它通过分析太空中的无线电信号，搜索地球以外可能存 在的生命迹象，已有约四百万台计算机加入：c l i m a t e p r e d i c t i o n n e t 项目，它通过模拟近百 年以来全球气象的演变历程，预测计算未来地球气象，以求应付未来可能遭遇的气候灾变； 以及医药领域用来寻找抗癌药物的u n i t e d d e v i c e s 3 1 ，等等。 2 ) 网格计算( g ，动 如果说互联网络实现了全世界计算机在信息领域的互通与连接，那么网格计算技术的 提出和发展可说是让世界上的计算机实现了比互联网络本身更为伟大的相互连接：即计算 能力的相互连接与融合。整个网格范围内的计算机相互组合，成为了一台具有海量数据资 源以及超级计算能力的巨型机器，人们可以通过自己的终端计算机，随时使用和访问这台 巨型机器的计算能力和数据资源【4 】。 3 ) 移动计算( m o b i l ec o m p u t i n g ) 移动计算时代的到来，使得人们脱离了台式电脑的束缚，可以在一定的网络( 最常见 的是无线局域网) 及物理空间内( 通常是无线网络的覆盖范围) 随意移动，并使用无线连接 享用网络服务。移动计算设想的伟大之处在于，它把以往系统中赖以完成各种应用的计算 性能同硬件层次剥离，将其抽象为“计算能力 的概念，并且认为计算能力可以由移动计 算系统中的任何设备来提供，甚至可以根据通信双方的计算能力及负载情况来进行实时的 协商( n e g o t i a t e ) 。计算能力被抽象于硬件体系进行实现的好处就在于，人们不再需要一台 壹壅坚皇丕堂堡主婴壅生堂垡迨塞 一璺三兰i 丛生 e c g 才可以执行远程资源的访问和各类服务的应用，而是可以使用手边的各种具有网络连 接能力和一定计算能力的终端设备即可完成这样的操作。 ( 3 ) 普适计算时代 由于移动计算对设备功能要求及空间的限制，也随着人们对生活质量的不懈追求以及 计算应用在人们生活中的多方位普及和不断深入，人们开始希望能随时、随地、毫无困难 地享受计算所带来的信息服务。要想从根本上解决目前桌面计算所存在的问题，就必须要 改变现有计算模式。由此也将带来计算模式的又一次变革，这就是被称为“第三代计算模 式 的普适计算技术【5 】。 网络技术和计算技术的发展，计算技术的成熟和嵌入式设备的普及将极大地有助于推 进普适计算的发展进程，其中最重要的进步包括：一、计算资源、数据信息、多媒体库都 朝着网络化方向迈进，而网络技术本身也不断向着更高的带宽、安全性、稳定性、高响应 速度、多样性和兼容性发展；二、智能终端更是快速朝向更低的功耗、更高的计算能力、 更强的多媒体数据流处理能力、更好的高清显示能力、更多样的网络接口包容性方向发展。 普适计算的倡导者认为普适计算是虚拟计算的反面。虚拟计算致力于把人置于计算机 所创造的虚拟世界里，而普适计算则是使计算机融入人的生活空间，形成一个“无时不在、 无处不在而又不可见【6 】 的计算环境，真正回归到科技为人而存在，为人服务为本的理念。 在普适计算的环境( p e r v a s i v ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ，p c e ) 中，计算不再局限于桌面， 用户可以通过手持设备、可穿戴设备或其它常规、非常规的计算设备无障碍地享用计算能 力和资源信息服务。普适计算模式将对人们享用计算和信息的方式带来另一场变革。普适 计算概念的出现，是对过去的人机交互模式的根本挑战：是我们去适应机器计算，还是让 计算融入生活? 普适计算作为一种计算模式，其深远影响正是在于它从根本上改变了人与 计算的关系。 迄今为止，人们对普适计算的研究已经迈过了约二十个年头，针对不同应用点的普适 计算环境在各研究机构实验室中搭建起来，而现今运行于无线通讯网络的各类应用也逐渐 朝着随手可及、主动服务、低终端消耗的方向发展，从而越来越体现出普适计算的精髓。 从这个意义上讲，普适计算已经不再是纯技术领域的研究对象，而已经融入人们的生活， 成为了一种新的生活方式。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1 2 普适计算的出现及其自身特点 普适计算是在上世纪九十年代科学家提出的预言性设想。将普适计算称为 想，是因为普适计算的概念是扎根于现有技术以及计算模式的可能实现的计算 仅仅是存在于幻想中的理想场景。普适计算概念的前身是分布式计算和移动计 现性的根本是这两种计算模式中已实现或被证实了的远程资源获取、移动服 术；而在此基础上，普适计算本身提供“无所不在的服务”的使命又要求其在 满足更为多元化和深层次的要求。 图1 - 1 三种计算模式的核心技术与层次关系 普适计算并不是计算模式的终极形态，然而普适计算是在目前技术水平及用户使用要 求的层次下最具发展前景的计算模式。由图1 - l 可看出，普适计算对网络空间及设备智能化 5 南室塑皇盔堂堡主塑塞生堂焦堡壅 箜二童丝 _ = _ - _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 。- _ 。i _ _ 。- _ - 。- o 。o 。o o 。o 。一一 要求的提升，使得普适计算可以真正将计算能力分布在整个服务系统的每一个工作设备和 连接环节，从而降低了用户终端设备复杂度的要求，也降低了用户主动干预的程度，使得 服务的使用变得更加轻松、更为高效，而这也成为普适计算最为突出的特点。由通信网络 和计算设备构成的信息空间同人们生活与工作的物理空间融为一体，在这个空间中，人们 可以“随时随地”、“透明”地获得信息服务，并可以实现成为“无缝漫游”的自由活动 而无需担心服务的中断。 从图1 1 亦可看出，与移动计算，分布式计算相比，普适计算更强调能动因素，这得益 于普适计算系统对于周边环境实时的感知能力：它通过感应网络、定位技术等方式获知环 境温度、用户位置、网络负载、用户上下文等信息，使得整个系统的运行得以超越以前完 全依赖用户指令或经过预设静态流程的工作模式，而可以通过主动的( p r o a c t i v e ) 感知及预测 机制，提供智能化的服务。在这样的应用模式驱动下，普适计算系统对设备及网络的自适 应能力、传感器网络技术、人及交互技术、中间件技术、嵌入式技术的要求也上升到了前 所未有的高度。 1 1 3 普适环境下的资源管理 ( 1 ) 普适计算环境的资源 在普适计算时代，人与计算机的关系发生了革命性的飞跃，普适计算环境中的用户将 自由地使用空间中极为丰富的计算资源和各种服务，人与计算机的对应变成了一对多，甚 至是多对多的比例；“计算机 的概念渐渐弱化，取而代之的是以任何具有计算能力的小 型设备为代表的“计算能力 ，包括各种具有网络通讯能力的手持设备、可穿戴设备、各 类家用电器的嵌入式智能管理模块，都可以被设定为普适计算设备。它们隐式地存在于我 们工作和生活的空间中。正是因为普适计算具有这样的特点，它对其空间范围内的设备的 管理相对于分布式计算环境或者移动计算环境提出了更高的要求。 在普适计算环境下，我们使用资源( r e s o u r c e ) 这一概念来囊括所有能提供数据及信息 的程序的集合。具体说来，普适计算环境下的资源是一个包含了存储设备及其数据访问接 口、感应设备及其服务接口、计算设备及其服务访问接口的宽泛的概念，是对应于用户终 端设备( 资源的访问者和消费者) 的、通过网络互联的普适计算网络节点的统一称呼。 ( 2 ) 普适计算环境下资源管理的任务 普适计算环境下的资源管理需要实现的目标，包括以下几点： 6 f a i l o v e r ) 。 由上述普适计算环境下资源管理的要求可以看出，在本文的讨论范畴内，普适计算环 境下的资源管理研究的重心并不仅仅是对相关资源设备的管理，而是涵盖了普适计算环境 下用户身份认证、访问权限管理、资源协调和调度、漫游服务、故障管理等普适计算环境 下一系列核心问题的综合管理机制。本文所提出的普适计算环境下基于移动代理的资源管 理模型，在普适资源管理中引入了移动代理技术，有效规避了独立对上述问题进行分析所 可能带来的通信切换延迟大，系统效率的损失等问题，为解决普适计算环境自身所面临的 新挑战提供了一种可行参考方案。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 2 本文的研究范畴 本文将主要讨论普适计算环境下的资源管理需要完成的任务，并在其任务的驱动下， 以为各行业所广泛接受的基于角色的权限管理( r o l eb a s e d a c c e s sc o n t r o l ，r b a c ) 为资源管 理模式的基础，提出普适计算环境下基于移动代理的资源管理模型( m o b i l ea g e n tb a s e d p e r v a s i v er e s o u r c em a n a g e m e n tm o d e ，刎p r 彻力。针对该模型，本文所述的研究要点包 括： ， ( 1 ) 在普适资源管理模型中引入移动代理技术； ( 2 ) 普适环境下基于移动代理的资源管理框架的组成模块的功能及其相互交互； ( 3 ) 普适环境下基于移动代理的资源管理模型的运行时定义，包括用户登陆、资源访 问、状态管理、跨域操作管理、用户漫游管理、故障恢复等事务处理的协议流程； ( 4 ) 普适环境下基于移动代理的资源管理模型的简单通信及可行性分析。 1 3 本文的组织结构 本文下面章节的组织结构如下：第二章介绍普适计算的技术背景，包括普适计算概念 的提出，普适计算发展的历程，以及研究现状。 第三、四章详细介绍了普适环境下基于移动代理的资源管理模型中资源的组织形式， 移动代理的设计，模型的设计和模块的交互过程，以及m a p r m m 运行时的域内、域间和 故障事务处理流程。 第五章提供了对引入移动代理的普适资源管理模型性能的分析，同时还介绍了普适计 算环境下基于移动代理的资源管理模型的可行性分析，包括与蜂窝移动通行系统的比较和 部分功能的模拟实现。 第五章中，对本文所提出的模型进行了总结，归纳了本文中完成的工作、尚待完成的 工作，并提出对未来工作展望。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章基于移动代理的普适资源管理模型的构建 第二章技术背景 在网络技术、计算技术和多媒体智能终端快速发展的趋势鼓励下，各类终端应用的使 用范围日益扩大，各种各样的应用也快速地被开发并得到广泛的发展。作为新一代的网络 基础设施，无处不在、无时不在的网络的重要性不亚于i n t e r n e t ；本；, 身，换代技术的产生必然 催生出新的产业，正是在这样的前提下，普适计算技术将越来越广泛地融入人们的现代生 活中，在工作、学习、娱乐等各方面发挥重要的作用。 然而，普适计算作为新一代的计算模式，其系统框架设计及在实际应用环境中的实现 还远未能成熟到可以充分发挥其各项基础技术已发展到的程度，大部分的框架设计还局限 于理论研究和实验室验证的阶段，距离全面推向安全高效的商业化和市场化应用还有着遥 远的距离。下面就将对普适计算的发展历程以及其面临的技术重点和难点进行详细的分析 和讨论，并归结当前时刻普适计算研究的重点和要点。 2 1 普适计算的任务 普适计算的思想起源于1 9 8 8 年施乐公司帕洛阿尔托研究中心( x e r o xp a l oa l t or e s e a r c h c e n t e r ，p a r c ) 的实验室计划。当时任帕洛阿尔托研究中心首席科学家的马克维瑟( m a r k 耽捃p r ) 在受到了该研究中心社会学家、哲学家和人类学家的影响后，重新审视了网络计算 模式，并第一次提出了普适计算的构想，预测人们最终需要的计算模式会发展为普适计算， 被公认为是普适计算之父的马克维瑟在他划时代的预言中说道：“最深刻和强大的技术 应该是看不见的技术，是那些融入日常生活并消失在日常生活中的技术。只有当计算进入 人们生活环境而不是强迫人们进入计算的世界时，计算应用才能像林中漫步一样新鲜有 趣 。 普适计算概念的核心是嵌入到环境或日常工具中去的计算能够使人更自然地与计算 机交互。而普适计算的显著目标之一则是使得计算机设备可以感知周围的环境变化，从而 根据环境的变化做出自动的基于用户需要或者设定的行为。比如，普适计算环境下的智能 手机可以感知它的用户正在进入会议大厅，便自动切换为静音模式，并且呼叫移动服务中 心，提示将来电者自动切转到语音信箱。这样的应用场景可以被无穷尽地列举，因为普适 计算技术的存在就是为了在生活中的各个细节智能化地、绝少需要人为干预地为人们提供 各种便利。普适计算意味着不用去为了使用计算机而去寻找一台计算机。无论走到哪里， 9 在这样的应用目标前提下，普适计算的将注定是现有技术的广泛融合，其中包括分布 式计算( d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ) 、移动计算( m o b i l ec o m p u t i n g ) 、中间件技术( m i d d i e w a r e ) 、 感应网络( s e n s o rn e t w o r k s ) 、人机交互( h u m a n c o m p u 纪ri n t e r a c t i o n ) 、人工智能( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) 、机器学( m a c h i n el e a r n i n g ) 、无线定位技术( w i r e l e s sp o s i t i o n i n g ) 、形式化语 义网( s e m a n t i cw e b ) ，以及基础的网络技术( n e t w o r ki n f r a s t r u c t u r e ) ，无线网络通信技术 f w i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ) 1 7 】等，下面从普适计算网络技术、普适计算系统框架设 计、人机交互技术三个方面来分别进行讨论。 ( 1 ) 普适计算网络技术 普适计算环境是区域互联、设备互联的网络环境。为了实现各种不同网络接口类型的 普适计算设备之间的互联，普适计算的网络环境涵盖了包括各种无线网络、i n t e r n e t 、电话 网、电视网、肋感应网络、无线传感器网络、移动通讯网络、g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 网络、红外线、蓝牙等种类繁多的网络。由于普适计算自身的特点，普适计算的网络架构 的主要任务是要实现支持异构环境和多种设备的自动互连，对环境的动态变化具有自适应 性，提供无处不在的通信服务。当前普适计算网络的研究主要集中在以下的领域：无线和 移动网络、无线传感器网络、p 2 p 技术、自组网技术以及虚拟网络计算技术等。 ( 2 ) 普适计算系统框架设计 软件系统框架设计是一个个应用计算系统中各种基础技术和设备得以真正实现互联 和互操作，从而为用户提供整体化服务的基础。普适计算的系统软件对普适计算环境中数 量众多的计算及信息服务设备、智能感应器、用户终端设备实施管理，并为它们之间的数 据交互和协调提供支持。普适计算的系统软件不同于传统分布式系统软件，主要有两个基 l o 南京邮电大学硕士研究 特点， 的操作者转变成为机器的服务对象；人的使用方便和使用习惯成为了整个系统人机交互设 计思想的基础和核心。为了提供人与普适计算环境之间更为和谐和高效的交互，研究者着 力于在传统典型的交互方式包括键盘输入、语音输入、手写输入等的研究与改进基础上， 引入了人的主动参与度更低，机器主导性更突出的图象识别、眼镜显示器、指纹识别、虹 膜识别、体温探测、力反馈装置技术等普适计算感应技术。为达到最终适应人的生理特点 需要，普适计算的人机交互会逐步向隐式和多模式的人机交互方式方向发展【9 1 ，其中智能 手机被认为是当前普适计算的首选平台。 2 1 2 普适计算的关键技术 ( 1 ) 理论模型 普适计算的出现对一些原有的计算机理论体系带来了新的考验与挑战。为了能有效地 对普适计算系统进行讨论、分析、设计、评估，非常有必要提出新的普适计算模型。当前 在这方面的研究还处于非常初步的阶段。 1 ) 层次模型 美国国家标准与技术研究院n i s t 提出了一个层次化的普适计算概念模型【l o l 。该模型 参考计算机网络中的侧模型，将普适计算由下而上分为五层，分别为：环境层、物理层、 资源层、抽象层、及意图层。环境层和物理层表示了整个物理环境、用户生理系统及普适 计算系统中的物理设备；资源层作为应用软件的基础，包括可获得的计算资源、系统可利 用的用户技能等；抽象层则类似于鲫模型中的应用层，包括普适计算系统的应用软件和 直塞塑皇盔! e 堡婴窒生堂垡迨塞 箜三童薹王整麴垡墨丝董重塑塑笪望塑型箜塑垄 用户内在模型，它需要维护两者的一致性；意图层表示了应用及设备的目的或用户的目标。 在该模型中，从设备角度而言，越上层抽象程度越高；从用户角度看，越上层时变特性越 强。 类似地，德国学者还提出了一个普适计算的三层模型【1 1 】，由下而上分为基件层 咖d 、集成层，p g r 口砌玎) 和普适世界层( 己，cw o r l d ) 。澳大利亚分布系统技术中心的研究 人员则将普适计算归纳为四个元素：设备、用户、软件组件及用户界面1 2 1 ，其中软件组件 指那些能动态组成完整应用的编程部件，而用户界面则是建立在多个软件组件和设备上负 责与用户交互的概念实体。 2 ) 智能影子模型 普适计算环境是一个开放的动态网络结构的环境，嵌入了计算、信息设备和多模态的 传感器等多种异质实体，同时各种普适计算服务的形式各异、内容繁多。用户实体与计算 实体之间、计算实体与计算实体之间的相互交互需随用户移动或环境变化而在不同时空动 态演变。而层次概念模型仅对普适计算进行大尺度的简单建模，无法作为一个统一工具表 达普适计算环境中的高度复杂性与动态性。因此，需要一种通用模型来描述与表达对象属 性，刻画和捕获对象活动，为实体互操作和用户服务提供基础。 为此提出了基于物理场理论的智能影子模型【1 3 】，它从物理空间和信息空间融合这个背 景出发，根据以人为中心的不同实体之间相互作用的基本原理，为普适计算建立了一个统 一模型，较准确地表达了普适计算服务“无所不在的时空特性、普适计算用户界面的“透 明交互模式及普适计算“以人为本”的基本理念。 “场”是物理学中经典的模型之一，如电场、磁场、引力场、光量子场等，并已被其 他许多学科所借鉴，如心理场。使用物理场理论的合理性表现为：场作用的无形性对应透 明性，场作用的瞬间性对应实时性，场存在的普遍性对应无处不在，场的场源为中心对应 普适计算的以人为本。智能影子模型中每