（计算机应用技术专业论文）基于目录的普适计算资源管理模型.pdf

学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意 作者签名= 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权 将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇 编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 靴敝储张粒导师繇 日期：遮! ：7 诌7 4 华东师范大学硕士学位论文 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( 包括移动计算技术、中间件技术、无线传感网技术、人机交互技术、人工智 能、机器学习、无线定位技术、形式化语义网技术、网络技术等) 已有了长足的 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计算环境下的有效的资源静态组织方式及运行中的管 理模型。在此基础上，还将讨论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。 在对普适计算环境下资源管理的研究过程中，作者吸取前人的成功经验与智 慧结晶，同时也对目前工作尚不够深入和没有触及的问题进行了总结和分析，在 此基础上提出了一个“基于目录的普适计算资源管理模型”( d i r e c t o r y b a s e d r e s o u r c em a n a g e m e n tm o d e l ，d r 删) 。在d r 删模型中，作者重新审视和着手解 决普适计算环境中资源管理所面临的问题，并在此基础上，对过去的相关研究中 若干有所疏漏或未引起足够重视的问题也提出了新的解决方案。 在d r m m 模型的研究构建过程中，作者的主要贡献包括：1 ) 该模型对普适计 算环境建立了一个完整的形式化定义和描述：包括对普适计算环境的组成要素的 划分( 域、对象、权限、角色、操作) 和分别的形式化定义；模型还对普适计算 系统服务的核心工作过程( 身份认证、权限管理、域内和跨域的资源定位及决策、 故障检测和恢复) 提供了完整的事务操作流程定义，这让d r 删模型成为一个完 备而可验证的模型系统；2 ) d r 删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，提供了一种简单明了、 表达力强、层次结构明晰的普适计算环境下的资源体系描述方法，并在静态资源 管理体系的基础上定义了资源管理模型运行时，提供对资源定位、搜索的支持， 补充了静态的资源描述方法在普适计算环境应用中的不足；3 ) d r 姗模型实现 了对普适计算系统中所有的核心事务特征的分析和比较，并在提出了适用于普适 计算环境的混合事务处理模型一一“工作流支持下基于事件驱动的混合事务处理 华东师范大学硕士学位论文基于目录的普适计算资源管理模型 模型”，使之兼顾普适计算事务处理即时性同时有具有定时性特点的要求；4 ) 充 分考虑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，从而首次 在d 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：在d r 洲中，普 适计算系统的域管理系统之间可以基于相互的信任建立起称为“组域”( d o m a i n c l u s t e r ) 的故障检查及事务转移集群，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目录数据库在发生运行异常的时候，可以在最短时间 内被组域内其他成员察觉，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，从而使用户可以蒙受最低的时间和数据损失。 作者在参与普适计算系统“无线定位系统”( w l e s ) 的环境构建过程中，对 文中d r 删模型的设计进行了部分实现和验证。实验结果证明d r 删模型作为一种 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；其独特的故障排查的功能， 为普适计算应用系统赢得了更高的安全性和故障恢复能力。 关键词：普适计算、资源访问、资源管理、目录服务、组域、角色、访问权限 控制、身份认证、授权、基于角色的访问权限管理、会话管理、会话重拾、服务 器事务转移、数据源重绑定、数据冗余 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et h ec o n c e p to fp e r v a s i v ec o m p u t i n gw a sb r o u g h tf o r w a r di nt h e 1 9 9 0 s ，i t sf u n d a m e n t a lt e c h n i q u e s ，w h i c hc o v e r e daw i d er a n g eo fr e s e a r c h f i e l d si n c l u d i n gm o b i l ec o m p u t i n g ，m i d d l e w a r e ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ， u s e rm a c h i n ei n t e r a c t i o n ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，m a c h i n el e a r n i n g ， m o b i l ep o s i t i o n i n g ，s e m a n t i cw e ba n dn e t w o r k i n g ，h a db e e nd e v e l o p i n ga t s p u r t i n gs p e e d t h ee v o l u t i o na n dr e v o l u t i o no ft e c h n o l o g yh a sm a d e p e r v a s i v ec o m p u t i n gap u r ec o n c e p t 一一n om o r e h o w e v e r ，w h i l eh e a d i n g t o w a r d sb r i n g i n gt h ec o n c e p tt og r e a t e rc o m m e r c i a la p p l i c a b l es c a l e ， r e s e a r c h e r so fp e r v a s i v ec o m p u t i n gs y s t e m sg o tt or e a l i z et h a tp e r v a s i v e c 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 d t 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 sw i t hh i g h l y d 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 y a 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 ti n t e r f a c eo fi n h e r e n t r 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 l o fs t a t i co r g a n i z a t i o na n dr 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 e c 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 od 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 g u s e r sw i t hc 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 nm a i n t e n a n c e ，a n d s y s t e mf a i l u r eh a n d l i n g t h ea u t h o ro ft h et h e s i sd i dr e s e a r c hi n t op r e v i o u s l yp r o p o s e d t h e o r i e so nr e s o u r c em a n a g e m e n ta n du s e ra c c e s sc o n t r o ls t r a t e g i e su n d e r ap 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 ，e x t r a c t e de f f e c t i v ea n da p p l i c a b l e e x p e r i e n c ei no t h e ri n d u s t r i e s ，a n do nt h a tb a s i sb r o u g h tf o r w a r dt h e d i r e c t o r y b a s e dr e s o u r c em a n a g e m e n tm o d e l ( d r m m ) ，w h i c hi sar e s o u r c e m a n a g e m e n tm o d e ls p e c i f i c a l l yt a i l o r e df o rap e r v a s i v ec o m p u t i n g e n v i r o n m e n t d u r i n gi t si 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 s d o n et oe n a b l et h em o d e lt of u i f i i ii t st a s k sm a i n l yi n c l u d e s ：1 ) d r m m p r o v i d e s a ni n t e g r a t e df o r m a l i z e d d e f i n i t i o n o fp e r v a s i v ec o m p u t i n g e n v i r o n m e n t ( i n c l u d i n gt h ed o m a i n ，o b j e c t ，p r o p e r t y ，r o l ea n do p e r a t i o n ) ， a n 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 v cs e r v i c ep r o v i d i n gc o u r s e ， 华东师范大学硕士学位论文基于目录的普适计算资源管理模型 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 e w a y so fv e r i f i c a t i o na n d v a l i d a t i o n ：2 ) d r 姗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 s i 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 ，w h i c hi sk n o w nt oh a v eb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h eo r g a n i z a t i o no fd o c u m e n t sa n df i l e si n o p e r a t i o ns y s t e m s d r m mt a k e si t sa d v a n t a g et of o r mal e g i b l ee x p r e s s i v e a r c h i t e c t u r eo fr e s o u r c ed e f i n i t i o n a n df u r t h e rm o r ep r o v i d e sar u n t i m e r e s o u r c em a n a g e m e n t s t r a t e g yw h i c hm a d eu pf o r t h ei n c o m p e t e n c eo fa t r a d i t i o n a ld i r e c t o r ym o d e lt o m a n a g e r e s o u r c ed y n a m i c a l l y ：3 ) 0 n c a r r y i n go u tt h ea n a l y s i so fc o r et r a n s a c t i o n si nap e r v a s i v ec o m p u t i n g e n v i r o n m e n t d r 删a d o p t sat r a n s a c t i o nh a n d l i n gm o d e l w h i c h w o r k si nm i x e d p a t t e r no ft r a n s a c t i o ne x e c u t i o n ，k n o w na st h ew o r k f l o w - b a s e de v e n t d r i v e nt r a n s a c t i o ne x e c u t i o nm o d e l ( w e d t e m ) t h em o d e le m b o d i e s a d v a n t a g e so fb o t ht y p e so ft r a n s a c t i o ne x e c u t i o ny e tc o m p l l e dw i t ht h e f e a t u r e so fap 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 4 ) d r m mt a k e si n t oa c c o u n t t h ep o s s i b i l i t yo ft h ep e r v a s i v es y s t e m sm a n a g e m e n tm o d u l ef a i l u r e ，a n d w o r k so u tas o l u t i o nt of u l f i l lw o r k i n gs t a t u ss u p e r v i s i n go fm a n a g e m e n t s e r v e r sa n dd a t a b a s e s ，a n das t r a t e g yc a l l e d f a i l o v e r i sa d o p t e dt o e n a b l es e r v e r si nad o m a i nc l u s t e rt ot a k e o v e rt h ee n d a n g e r e dt a s k sf o r o n ea n o t h e ro n c eas e r v e ro rd a t a b a s ei sd e t e c t e do ff a i l u r e t h i sh e l p s t oe f f e c t i v e l yr e d u c et h el o s so fc u s t o m e rd a t a ，s e s s i o ni n f o r m a t i o na n d t i m ew h e nas e r v e ro rd a t a b a s ef a i l u r eh a p p e n s b a s e do n e x p e r i m e n t a l r e s u l t sd r a w n f r o m o u r e x e c u t a b l e w i r e l e s s p o s i t i o n i n gs y s t e mw l e s d r 删u n d e rp e r v a s i v ec o m p u t i n g e n v i r o n m e n ti sa p p l i c a b l e ，r e a l i z a b l e ，y e tv e r i f i a b l e ，w h i c hf u r t h e rm o r e i sa b l et op r o v i d ea ne f f i c i e n ta n da c c u r a t er e s o u r c ea n da c c e s s m a n a g e m e n td u r i n gs y s t e mr u n t i m e k e yw o r d s ：u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ，p e r v a s i v ec o m p u t i n g ，r e s o u r c ea c c e s s ， r e s o u r c em a n a g e m e n t ，d i r e c t o r ys e r v i c e ，d o m a i ns e r v e rc l u s t e r ，d o m a i n ， r o l e ，a c c e s sc o n t r o l ，a u t h e n t i c a t i o n ，a u t h o r i z a t i o n ， r o l e b a s e da c c e s s c o n t r o l ，s e s s i o nm a n a g e m e n t ，s e s s i o nr e s u m e ，f a i l o v e r ，d a t as o u r c e r e b i n d i n g ，d a t ar e d u n d a n c y d 华东师范大学硕士学位论文基于目录的普适计算资源管理模型 缩略语 p v cp e r v a s i v ec o m p u ti n g p c ep 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 u m iu n i f o r mm a n a g e m e n ti n t e r f a c e d r m m d i r e c t o r y b a s e dr e s o u r c em a n a g e m e n tm o d e l d a c d i s c r e t i o n a r ya c c e s sc o n t r o l m a c m a n d a t o r ya c c e s sc o n t r o l g p 0 g r o u pp o l i c yo b j e c t r b r cr o l eb a s e da c c e s sc o n t r o l n i s tn a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y d m sd o m a i nm a n a g e m e n t s y s t e m d m s vd o m a i nm a n a g e m e n ts e r v e r d d d bd o m a i nd i r e c t o r yd a t a b a s e a m l a u t h e n t i c a t i o nm a n a g e m e n tl a y e r s t m ls e r v i c et i c k e tm a n a g e m e n tl a y e r r s m lr e s o u r c ea n ds e r v i c em a n a g e m e n tl a y e r f m l f o r a g i n gm a n a g e m e n tl a y e r d d m ld o m a i nd i r e c t o r ym a n a g e m e n tl a y e r d r d dd o m a i nr e s o u r c ed i r e c t o r yd a t a b a s e d u d d d o m a i nu s e rd i r e c t o r yd a t a b a s e l r r d su s e rt e r m i n a ld e v i c es y s t e m p s d lp e r v a s i v es e r v i c e d a t ap r o c e s s i n gl a y e r d m p l d i r e c t o r ym a n a g e m e n tp r o t o c o ll a y e r a m p l a p p l i c a t i o nm u l t i m e d i ap r e s e n t a t i o nl a y e r p n lp e r v a s i v en e t w o r k i n gl a y e r a s l a p p l i c a t i o ns e r v i c el a y e r d n sd o m a i nn a m es y s t e m c m sc e n t r a lm a n a g e m e n ts e r v e r s ps e r v i c ep r o v i d e r i d ci n t e r n e td a t ac e n t e r o o a o b j e c t o r i e n t e da n a l y s i s a da c t i v ed i r e c t o r y p d ap e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t r r r e s p o n s i v er a t i o a s a p p l i c a t i o ns e r v e r s d s e p a r a t i o no fd u t y w l e sw i r e l e s sl o c a t i o ne s t i m a t i o ns y s t e m w l a nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k e s m e m p i r i c a ls i g n a lm o d e l t t lt i m et ol i v e 8 华东师范大学硕士学位论文基于目录的普适计算资源管理模型 t c pt r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l r r l r e q u e s tr e s p o n s el a t e n c y t c s e ct r u s t e dc o m p u t e rs e c u r i t ye v a l u a t i o nc r i t e r i a a a la u t h e n t i c a t i o na n da u t h o r i z a t i o nl a t e n c y s r ls e r v i c er e s p o n s el a t e n c y s t rs e r v i c et i m er a ti o r tr o u t i n et i m e - 9 - 华东师范大学硕士学位论文基于目录的普适计算资源管理模型 第一章引言 随着计算技术和网络技术的飞速发展，在各种移动终端上同网络资源进行交 互，以及基于本地计算资源和远程网络计算资源的应用正在变得越来越便捷和普 及。传感器及传感网络技术、定位技术、无线通信技术尤其是互联网络的普及， 以及分布式计算技术、网格技术、移动计算技术的进步，使得普适计算 ( u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ，o rp e r v a s i v ec o m p u t i n g ) “”所依赖的实现技术条 件也越来越成熟，其概念也受到愈加广泛的专注。m c k e n n ag r o u p 就曾预言，普 适计算市场将在2 1 世纪初的5 年内达到1 2 0 0 亿美元，这一估算包括众多的可 用作普适计算终端的手持式和移动式设备。 随着普适计算走出实验室，迈向商业化的趋势越来越明显，凌驾于设备间连 接、中间件的应用、感应网的实施之上的、对整个普适计算环境资源管理方式、 安全性保障、搭建超大规模的无缝普适计算环境等超越基础技术层面的研究逐渐 上升为普适计算研究的重心嘲。就目前研究而言，大多数机构对普适计算资源管 理的研究尚停留在网络连接接口技术、中间件技术、和统一设备资源列表的阶段， 而对大型普适计算环境中在逻辑层面高效的、安全的资源管理模式成为亟待解决 的问题1 。 1 1 研究背景 1 1 1 计算模式的发展历程 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 g m 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 1 1 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e n i a 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一一主机计算( m a i n f r a m ec o m p u t i n g ) 时代的到 华东师范大学硕士学位论文基于目录的普适计算资源管理模型 来。此后，世界上越来越多的国家和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的计 算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。当时计算机还是一 种稀缺的资源，由于自身体积巨大、操作复杂，几乎都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人机之间的信息传递；而且，由 于计算能力的低下( 以e n i a c 为例，它每秒只可从事5 0 0 0 次的加法运算) ，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。 1 1 1 2 i 桌面计算时代 在e n i a 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 速度和存贮容量迅速提升，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一一桌面计算 ( p e r s o n a lc o m p u t i n g ) 。在桌面计算时代，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，桌面计算更向前进入了延伸至网络计算( n e t w o r k i n g c 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： 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都是不可能完成的，而大型机的成本又过于昂 贵。分布式计算的构想使得相同计算量的实现成本被降到最低汹】。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 华东师范大学硕士学位论文基于目录的普适计算资源管理模型 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 dd e v i c e s 汹】，等等。， 一 网格计算( g r i d ) 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，随时访问和使用这台巨型机器的计算能力和数据资源嘲。 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 统中赖以完成种种应用的计算性能同硬件层次剥离，将其抽象成为“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，人们不再需要一台个人p c 机才可以 执行远程资源的访问和各类服务的应用，而是可以真正使用手边的各种具有网络 连接能力和较低计算能力的终端设备即可完成这样的操作。 1 1 1 3 普适计算时代 由于移动计算对设备功能要求的限制和空间的局限，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渗透和不断深入，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“1 ( u b i q u i t o u s c o m p u t i n g ，或p e r v a s i v ec o m p u t i n g ，p v c ) 。 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、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、更好的高清晰显 华东师范大学硕士学位论文基于目录的普适计算资源管理模型 示能力、更多样的网络接口包容性发展。 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”旧的计算环境，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 g e 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信息资源。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旧，从而越 来越体现出普适计算的精髓。从这个意义上将，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。 1 1 2 普适计算的出现及自身特点 普适计算是在上世纪九十年代科学家提出的预言性设想。将普适计算称为预 言性的设想，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 现的计算模式，而不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 布式计算和移动计算，它的可实现性的根基是这两种计算模式中已实现、被证实 了的远程资源获取、移动服务提供的技术；而在此基础上，普适计算本身提供“无 所不在的服务”的使命又要求其在技术层面要满足更为多元化和深层次的要求。 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。由下面的图表1 可看出，普适计 算对网络空间及设备智能化要求的提升，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 与人们生活和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，并可实现成为“无缝漫游”的自由活动而无需担心服 华东师范大学硕士学位论文 基于目录的普适计算资源管理模型 务的中断。请设想这样的场景：当你走进家门，具有自动感应能力的顶灯便自动 开启并根据当前自然光线的强度调节自身发光的强度；空调的内嵌智能感应控制 模块遍自动开启，将室温调至你适应的温度；咖啡机开始自动加温并蒸馏你喜欢 的浓度的咖啡；数字电视自动开启并播放你最感兴趣的新闻播报这样的场景 便是普适计算可以给我们的生活带来便利。 图表1 各计算模式的核心技术与层次关系 从图表1 可以看出，与移动计算，分布式计算相比，普适计算更强调环境的 能动性因素。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( 感应器) 、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从以前完全依赖用户指令或经过预设 的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、传感器网技术、人机交互技术、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。 华东师范大学硕士学位论文基于目录的普适计算资源管理模型 1 1 3 普适计算环境下的资源管理 1 1 3 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。它们隐式地存在与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。 1 1 3 2 研究普适计算环境下资源管理的必要性 传统的计算模式已逐渐发展出各自的资源管理策略。然而，由于普适计算环 境自身的特点，决定了它将对资源管理策略提出不同方面、更高层次的要求，而 这些要求是传统的资源管理策略无法完全实现的。在目前对普适计算的研究中， 对资源管理的并未得到独立的研究和足够的注意，这也是触发作者针对普适计算 环境的资源管理进行研究的原因。 作者对各计算模式下资源的特点及其管理需求进行了分析和总结，如下面的 表格所示： l 计算模式r 了霸丽百弓姜一 资源管理需求l 1 计算及存储资源直接从属于主机主机集中管理 主机计算2 计算及存储设备通过总线互联 3 不具有设备异构性 华东师范大学硕士学位论文基于目录的普适计算资源管理模型 ( 续前表) 1 计算及存储资源直接从属于主机主机集中本地管理 2 计算及存储设备通过总线或外设 无网络互联计算的数据总线接口互联 3 较低的设备异构性，符合系统规 定的硬件服务接口定义 1 独立自主的计算及存储设备体系1 主机自主运行； 2 计算及存储设备通过有限范围内 分布式计算有限的网络空间互联 2 远程运行同步； 3 不具有设备异构性，符合统一的 桌 运行协议接口 面 计 1 独立自主的计算及存储设备体系 1 主机自主运行； 算2 计算及存储设备通过互联网连接 2 系统整体资源可见 网格计算 3 具有设备异构性，但符合统一的性及应用管理； 网络协议接口3 远程运行同步； 1 移动设备的中央系 1 计算及存储资源服从集中调配 统集中管理； 2 计算及存储设备通过有限覆盖范 2 移动设备中间件； 移动计算围内的网络空间( 局域网) 互联 3 设备异步管理及网 3 具有资源异构性，设备软件层面 络状态同步管理； 4 服务访问安全性管 中央管理系统包含异构服务接口 理： 1 计算及存储资源服从自组网络协 1 定制的数据通讯控 商策略，或服从中央管理设备集 制协议管理： 中调配 2 计算及存储设备中 2 计算及存储设备通过覆盖广阔空 间件； 间范围的网络互联 3 事件驱动的事务处 3 具有网络异构性 理及系统状态维护 普适计算 4 实时服务，资源定位会话保持的 工作流处理； 能力 4 访问权限及用户身 5 复杂的用户身份，访问权限要求 份管理策略； 6 高容错性自检能力，鲁棒性 5 资源定位服务质量 7 具有极大的资源异构性，设备软 协商； 件层面中央管理系统包含异构 6 负载均衡； 7 会话状态管理； 服务接口 8 系统故障恢复； 表格1 不同计算模式下的资源及其管理需求 - 1 6 - 华东师范大学硕士学位论文基于目录的普适计算资源管理模型 从表格1 的“资源管理需求”栏可以看出，普适计算环境下的资源管理的需 求无论从数量还是对实现的要求程度均远超出了其前身的各种计算模式。其中更 显示出大型应用系统在安全性、稳定性等方面所具有的要求，而这些要求远非设 备互联中间件、服务提供接口等单一层次的、分离的研究可以解决；这也再次证 明，普适计算环境下的资源管理需要在其独特的应用环境及应用要求下进行研 究，