（计算机软件与理论专业论文）普及计算中的适应性系统设计.pdf

普及计算中的适应性系统设计 摘要 普及计算是自分布式系统和移动计豁发展来鲍。在普及计算系统中，人们可 毁无论谤野秘缝接入嚣终，镬鼹诗黧能力。在这篱论文中，我稍褥讨论普及谤露 系统的结构和自适应的系统设计。因为篱及计算系统的环境是移动的，变化的， 物理资源也魁有限的，也就强求系统和应用能够和霄限的资源相匹配，这就是适 应毽懿系绞秘应羁。我钢海绘窭适应瞧竣诗豹蠹理帮实褒疆絮。这瞧薤爨户透镄 的自适应和用户可知的鲁适应两种策略。 同时，我们实现了两个自适应的例子，第一个是蒋及计算系统中的自适应穆 磺警理，朝爨逶应移动i p v 6 瓷议巍移动狰话蛰议a a a 祝裁叁邋疲鹣扩展，鬃 用的是透明的自适应策略。另一个是无线网络上的舀适应m p e g ，4 流媒体传输， 使用了透明和用户可知两种自适应策略。他们分别从系统和应用的角度说明了普 及计算系统中适应惶系统设计的可能髓和必要性。 关键词：普及计算，自适j 夔，移动计算，移动i p v 6 ，m p e g 一4 ，流媒体 复堡大擎颈士学位论文 一一 董垄生簦! 塑垩窒丝墨堑堡盐 a b s t r a c t i o n p e r v a s i v e c o m p u t i n gr e p r e s e n t sam a j o re v o l u t i o n a r ys t e pf r o md i s t r i b u t e d s y s t e m sa n dm o b i l ec o m p u t i n g w i t hp e r v a s i v ec o m p u t i n gs y s t e m ，i n f o r m a t i o nc a r l b ea c c e s s e df r o ma n y w h e r e ，a n y t i m e i nt h i sp a p e r , w e 1 1d i s c u s st h ea r c h i t e c t u r eo f p e r v a s i v ec o m p u t i n gs y s t e ma n dt h ea d a p t i v es y s t e md e s i g n a d a p t i v ed e s i g ni s i m p o r t a n t t op e r v a s i v ec o m p u t i n g ，s i n c et h ee n v i r o n m e n ti sc h a n g i n ga n d r e s o u r c ei s l i m i t e d c o n c e p ta n da r c h i t e c t u r eo fa d a p t i v ed e s i g nw i l lb eg i v e n a d a p t i v ed e s i g n i n c l u d e st r a n s p a r e n ta n d n o n - t r a n s p a r e n tp o l i c y ， t w o a d a p t i v ea p p l i c a t i o n sw i l lb ei m p l e m e n t e d t h e ya r ea d a p t i v em o b i l ei p v 6 p r o t o c o la n da d a p t i v em p e g - 4s t r e a m i n go v e rw i r e l e s sn e t w o r k t h ef i r s to n e s h o w st h a tt h ea d a p t i v ed e s i g ni ns y s t e ml e v e la n dt h es e c o n di na p p l i c a t i o nl e v e l a c c o r d i n g t ot h e s et w o e x a m p l e s ，w ec a nm a k es u r e t h a t a d a p t i v ed e s i g n i n p e r v a s i v ec o m p u t i n gi sp o s s i b l ea n dn e c e s s a r y k e y w o r d ：p e r v a s i v ec o m p u t i n g ，a d a p t i v e ，m o b i l ec o m p u t i n g ，m o b i l e i p v 6 s l x e a m i n g 复旦大学硕士学位论文 4 普及计算中的适应性系统设计 第一章引言 普及计算是使物理环境上分布的计算机更有效地被人们使用，同时使人们 在计算机本身上花费更小的注意力。在1 9 9 1 年m a r kw e r s e r 的论文上普及计算 的概念被提了出来。概念的精髓就是使人和计算机融合在一起，减少之间的鸿 沟。然而，在那时，计算机硬件和软件条件的限制是普及计算只能停留在理论 阶段。在今天，信息技术的迅猛发展使普及计算的实现成为现实。本篇论文将 从理论角度和实现角度来研究普及计算。 1 1 介绍 最好的技术是那些融入人们生活而消失的技术。文字可能是最早的信息技 术，它是信息的符号表示，能够长期存储：书，杂志，报纸都是信息的载体。 这些文字技术已经融入人们的生活，难以想象如果离开他们，人们会怎样。现 在的以硅为基础的信息技术则相反，这些技术远没有成为环境的一部分，这些 工具本身总会吸引人们较大的注意力。这个问题不仅仅是用户接口问题。人们 在个人计算机和用户界面方面的研究已经取得了很大的成果，然而这些研究并 不能使计算机成为环境的一部分，我们必须去寻找，思考另一条途径使计算机 这样一种工具成为生活的一部分，而且对用户来说是不可见的。计算机融入 世界是当前的发展趋势，这项技术不仅仅是把计算机搬到厨房、飞机场，现在 的问题是，当你有一台计算机接入互联网，你的注意力有相当部分是集中在这 台计算机上。带着一台便携式计算机，就好像带着本重要的书，注意力应该 集中在书里的内容，而不是这本书本身。 那么这些计算机如何融入人们的社会呢? 我们再来看看文字，在现实的环 境中文字无所不在，它可以表现为各种形式，可以放在任何载体上。那么我们 可以想象一下计算机的未来，在普及计算中，计算机同样是无所不在，他也可 以表现为各种形式。这样，我们就可以想象出下一代的计算机，将不再只是呆 板的桌面计算机或者工作站或者便携式计算机，它有可能是手表大小的，也可 能是墙面大小的。它有可能是有键盘、鼠标和显示器的，也可能只有处理器。 我们再从技术角度来看这个问题，微电子技术和通信技术的发展使计算机 在硬件上能够满足普及计算的要求，人工智能和软件技术的成就也使普及计算 在软件上成为可能。信息技术的发展，使人们越来越离不开计算机、网络、通 信。然而，这些技术、工具的使用需要人们花费相当大的注意力，也就是说， 复旦大学硕士学位论文 普及计算中的适应性系统设计 信息技术和用户之间还存在一段鸿沟，使人们不能随心所欲的使用信息资源。 普及计算就是来解决这个问题。 1 2 背景 随着计算机和网络的蓬勃发展，网络越来越普及，计算装置也越来越小。 我们日常生活的环境和使用的对象也将嵌入计算和网络的能力，这使人们可以 无论何时何地接入网络，使用计算能力。计算和通讯也就普及于人类的生活环 境中。想象一下，如果空调的温度可以通过手机来控制，音乐会随着人的移动 而在不同的房间响起，视频点播会随着人的移动而自动转移到不同的设备上， 那我们的生活将增加很大的便利。举一个例子，一个人可能有多个通信设备， 固定电话、计算机、移动电话、呼叫器；这时对方打可视电话过来，但对方并 不知道这个用户身边有什么通信设备，那么对方直接呼叫这个用户名，由呼叫 代理自动转接到用户当前使用的设备；如果接收方使用的是移动电话，效果不 好，那么他走到固定电话旁，电话自动转到了固定电话上，而且视频的效果也 自动调整到最好。从这个例子可以看出，使用者能更专注在想做的工作上，而 不必关心细节，避免了不必要的干扰。然而环境是变化的，通常存在多种不同 的通信环境和形形色色的网络装置。如何使用和控制普及于环境中的计算及通 讯能力，以提供个别及群体使用者所需的服务，就是普及计算要研究的课题。 国际上普及计算方面的研究已有十年以上的历史，最近这两三年由于通信和微 电子技术的成熟，正大步向前迈进。美国主要大学和研究机构如m i t 、c m u 、 u cb e r k e l e y 、g e o g i at e c h 、u n i v e r s e r i t yo fw a s h i n g t o n 、n i s t 等都从事相关研 究，如m i t 的o x y g e n 项目，c m u 的a u r a 项目，b e r k e l e y 的i c e b e r g 项目。 主要计算机厂商如h p 、i b m 、i n t e l 等也大力推动这方面的研究。其它在欧洲、 日本也有许多研究的成果。然而，普及计算在国内尚未见到有系统的研究，但 这方面的研究却是国内非常需要的。这是因为个人通信是未来通信发展的方向， 无阻碍的信息接入也使人们所期望的，普及计算必然会成为下一阶段网络研究 的热点。 1 3 论文结构 本篇论文在第二章将讨论移动计算和普及计算的关系，给出普及计算要解 决的问题和存在的挑战。第三章，我们将给出普及计算的系统组成和结构，这 包括，定位系统、无线网络和移动管理。普及计算系统的自适应设计将在第四 章里分析、讨论。这包括自适应设计的原理、自适应系统的结构、系统的实现 复旦大学硕士学位论文 酱及计算申的适应性系统设计 框架。在第五章和第六章，我们将具体说明我们实现的两个自i 露应系统和应用， 并作密性能分祈藕评价。谴稍分剐是，鑫适应的移动i p v 6 协议实现和分析，粕 移动环境中m p e g 一4 流的自适应传输。第七章，我们将做整篇论文的总结。 复旦大学硬士学健论文 7 普及计算中的适应性系统设计 第二章普及计算与移动计算 普及计算是从分布式系统和移动计算发展来的。由于个人计算机和互联网 络的发展，分布式系统在7 0 年代中期出现。到9 0 年代初，分布式系统已经创 造出了一个抽象的模型和一系列算法，它能够使多台计算机通过网络互连起来， 不管这些计算机是移动的或静止的、有线的或无线的、分散的或集中的。分布 式系统中的一些基础也是普及计算的基础，包括远程通信、容错技术、高可靠 性、远程信息访问、安全。 之多 之乡 薯友计算象晚 鲁电空随 车可是挂 可妒袅挂 球境可轴性 奇艴蠹量瞢擅 复旦大学硕士学位论文 国i i 普及计算系统的演化 普及计算中的适应性系统设计 9 0 年代初，由于便携式计算机和无线局域网的普及，分布式系统的设计要 求建设在移动节点上。移动计算也由此发展而来，在固定网络上的许多规则在 无线和移动环境下就不能适用了。由于无线网络的多变性，资源有限性使移动 计算的设计者在多个方面展开研究，包括移动网络、移动信息介入、自适应应 用支持、系统级的能量节省技术、定位技本等。 2 1 移动计算 无线网络和个人计算机豹发展使移动计算成为可能。在移动环境中，计算 机硬件和软件的要求都和固定网络中有很大的区别，这些就是移动计算要解决 的问题。 2 1 1 无线通信 移动计算机要求具有无线的网络按入，无线网络通信是通过电磁波传输数 据的，无线网络面i 商着诲多问题，例如，信号衰减、噪音和反溃、低带宽、高 错误率和经常发生的中断。由于无线网络的这些特点，设计者就必须在移动计 算系统中解决以下几个问题， 中断 移动的计算机系统依赖于网络连接，如果网络中断，将会导致整个程序的 停止甚至系统的崩溃。例如，在分布式文件系统中，文件会被锁定，防止多人 的访问冲突，如果这时网络中断，将会导致整卜文件系统的不稳定。在无线网 络中，网络中断是时常发生的，设计者就需要针对这种情况作出相应的调整， 来应付这种网络意外的中断，使工作正常进行。在自动化的移动计算机上，特 定的软件技术能够容忍这种中断，例如减少和服务器的交互，在中断的情况 下，把功能和数据集中在本地计算机上比把他们集中在服务器上更有效。在一 些情况下，异步操作也可以用来对付这种中断和延迟，x 1 i 就是使用这种技术， 达到了满意的效果。当然不是所有的网络中断都能够由系统自动处理，这就需 要用户界面对用户进行反馈，由用户来解决。 低带宽 移动计算的设计者需要考虑网络带宽的消耗和限制。这是因为在移动环境 下，无线网络具有很低的带宽，通常，红外线通信最多只能达到i m 带宽，蜂 窝电话系统中，带宽仅仅能达到一百多k 。但在有线网络中，以太网可以提供 1 0 m 的网络带宽，快速以太网和a t m 甚至可以达到1 0 0 m 和1 g 。由于网络带 复旦大学硕士学位论文 9 普及计算中的适应性系统设计 宽的限制，移动计算系统的设计必须知道网络的状况。特定的软件技术可以监 测网络带宽的利用情况。在数据的传输中，数据压缩技术也通常被使用，它有 时能够提高甚至l 倍的效率。由于计算机数据传输的突发性，我们有时采用缓 冲的技术，例如延迟写操作和预先读操作。有效的安排传输队列，也能极大地 提高数据传输效率，我们可以对不同的程序采用不同的优先级，这样在网络带 宽不够的情况下对优先级高的应用优先服务。 高带宽可变性 移动计算系统的设计必须能够对付剧烈的网络带宽变化，在固定的网络中 并不存在这个问题，设计者可以采用适应性的软件技术解决这个问题。 异种网络 和通常静止的计算机系统不同，移动计算设备要面对不同的网络连接。不 同的网络连接通常意味着不同的速度和协议，移动计算设备通常还需要同时连 接多个网络。这些就要求移动计算设备能够随时地切换网络接口，这就造成了 硬件和软件设计的复杂性。 安全的威胁 由于人们能够很容易地通过无线网络连接到网络中，无线通信的安全性就 会降低。移动计算系统的设计必须考虑到安全因素。如果数据传输跨越多个域， 安全问题将更加复杂。在不安全的网络上传输，安全是通过加密来保证的，这 需要特定的加密解密的硬件和软件。m i t 的k e r b e r o s 安全认证系统，为用户提 供安全认证服务，移动用户可以通过可信的服务器来进行认证，而密码不会暴 露在不可信的网络上。它也有很多限制，他不能抵抗离线攻击。 2 1 2 移动性 移动计算系统的移动性表现为地址的变化，在静态系统中特定的数据就变 成了移动系统中数据的动态变化。静止的计算机可以连接到最近的服务器，而 在移动系统中就需要有一种机制能够决定使用哪台服务器。移动性产生的变化 带来了以下几个问题。 地址迁移 移动计算系统移动时需要连接不同的网络，这就意味着不同的地址。今天 的网络不能自动的改变地址，正在使用的网络连接不能转移到新的地址上。在 i p 网络中，计算机的域名和一个固定的i p 地质绑定起来，如果i p 地址改变， 复旦大学硕士学位论文 普及计算中的适应性系统设计 就需要人为的调整这种绑定。如果需要和移动计算机通讯，数据就必须发送到 他最新的地址。有四种技术来解决这个问题。 选择广播 使用广播技术，向广播地址发送信息，移动计算机反馈他的当前地址。如 果这个广播范围可以缩小，就可以提高系统的效率。然丽这神方法会增加 网络数据传输量 _ 集中服务 使用集中服务的方法，在一台服务器上维持一个移动计算机的地址数据库， 当移动计算机改变了地址，就向地址数据库发送更新信息。这种方法的缺 点是，如果服务器崩溃将导致移动计算机不可达。 - 家乡代理 家乡代理的方法是使所有的服务和数据传输都通过家乡代理来进行，这样 就可以透明移动计算机地址的变化。这同样存在和集中服务一样的问题 前向指针 使用前向指针的方法，就是在移动计算机改变地址的时候，把新的地址告 诉旧的位置，这样数据就可以从旧的地址前向发放到新的地址上。然而， 现在的网络结构使这种方法很难实现。 依赖于位置的信息 传统的计算机不移动位置，有很多信息和配置就是依赖于位置，像域名服 务，网络打印机，时间设置等。除了这些静态的信息，还有一些位置敏感的服 务，像d h c p 、认证等。当位置变化的时候，如何保证服务仍可用，是设计者 需要面对的问题。 2 1 3 便携性 静止的计算机系统在电源，网络连接和空间上有很大的自由度。相反，移 动计算机设备则在这些方面有很大的限制。 低能耗 由于便携设备没有固定的电源，必须依靠电池，那么电池能够维持的时间 对系统来说是至关重要的。所以在移动计算系统中必须使用低能耗的部件。大 复旦大学硕士学位论文 普及计算中的适应性系统设计 规模集成电路( v l s i ) 的发展对这方面有很大的促进。另外，也同时采用有效 的利用能源，来降低能耗，这通常有智能化的电源管理方案。 用户接口 移动设备通常不具有固定设备所具有的键盘、鼠标等，移动设备的显示器 也通常较小。这样就提出了一个问题，就需要采用与固定计算机不同的用户接 口。输入输出是否友好在相当程度上是系统易用性的关键。 安全因素 移动计算设备通常要在各种物理条件下工作，这就带来了很多安全问题。 例如，移动设备被盗、物理损坏等不可预见的因素。 计算能力和存储容量 由于移动设备一般较小，计算能力和存储容量都比桌面计算机要小，这样 对软件的设计就会有限制，像缓冲技术就需要考虑具体的硬件条件，能否达到 最优的缓冲效果。 移动计算技术使人们能够在任何时间，任何地点获得信息资源。它不仅仅 是有线领域分布式系统的扩展，也是对桌面计算机系统时间上和空间上的突破， 比传统的计算模式提出了更高的要求。 复堕大学硕士学位论文 图1 , 2 普及计算环境 + 2 普及计算中的适应性系统设计 2 2 普及计算 普及计算是建立在移动计算基础上的，普及计算的目的是要技术消失在人 们的生活中。普及计算必须支持移动性，因为人是活动的。 2 2 1 系统特性 然而，普及计算又不仅仅是移动计算，除了上述的移动计算的一些特点， 他还有以下几个需要解决的问题。 智能空间的有效使用，这个空间可以是会议室，也可以是一个办公桌。普 及计算系统能够知道他所处环境的温度、湿度等信息，从而能够感知和控 制这个智能空间。 不可见性，意思是普及计算这个技术从人们的意识中消失，成为人们的潜 意识行为，这就相当于最小化人们的注意力。当普及计算系统能够随时满 足人们的期望，使人们能够下意识地使用它，就满足了这个要求。 可扩展性。当智能空间中，随着用户和信息量的增加，普及计算系统的可 扩展性问题出现在我们面前。 建立统一的环境。普及计算会建立在各种不同的基础，智能空间上，它需 要为用户提供个统一的界面，也就是使用户不用知道界面后面不同的环 境。完全的透明是不可能的，但把它降到最小是我们可以达到的。 2 2 。2 系统设计 在普及计算系统中，一个很重要的特点就是主动性。主动地了解用户的需 要，为用户傲准备，就能够减少用户的注意力。普及计算系统要求我们能够解 决许多困难的设计和实现问题。在这里我们将列举几个主要的方面。 为了使普及计算的主动性更有效，它需要跟踪用户的意图，否则的话普及 计算系统就不知道如何帮助用户。 普及计算需要使移动设备更小，更轻，具有更长的电池寿命。这必然导致 他们的计算能力上有所降低。如何使用户感觉不到这种计算能力上的降低， 我们需要把一部分计算和职能放在计算能力强的服务器上，这就是用计算 任务的增加来降低人们的注意。 当资源的供给和需求不能匹配的时候，自适应是必要的。这个资源可以是 复旦大学硕士学位论文1 3 普及计算中的适应性系统设计 无线网络带宽、计算能力、存储空间等。这种自适应能力可以让用户知道， 也可以对用户透明。 智能的能量管理，使用智能化的方法来降低能耗。 瘦客户端。随着微电子技术的迅速发展，便携式设备的计算能力也大幅度 增加，普及计算就需要在这种硬件条件上作出相应的实现。 环境可知性。普及计算系统必须知道它的状态和环境，并能够根据这些信 息来改变自己的行为。用户的环境可能有很大的信息量，包括位置、温度、 状态、个人历史等。 在主动性和透明性之间平衡，主动性是一把双刃剑，用的好才能够不打扰 用户而且能够达到不可见的目的，用得不好就像微软的o f f i c e 助手一样不受 欢迎。 私有信息和可信性，这些安全问题在分布式系统和移动计算系统中已经是 个重要的问题，在普及计算系统中将变得更加复杂。 对分层的影响，现有的一些分层模式不能够完全满足普及计算的要求，普 及计算系统的设计必然会对现有的分层模式造成影响。 除了上述的一些问题，普及计算还面临着计算领域以外的问题，像人机交 互、人工智能、专家系统、软件事务等。 复旦大学颁士学位论文 4 普及计算中的适应性系统设计 第三章普及计算的系统结构 在上一章中，我们提到了普及计算系统的设计要求和关键要素。在这一章， 我们将阐述具体的系统结构。 j 一 l 璺曼堡室 i 罴器嚣 i物理资源 ! ， 图3 1 普及计算系统结构 3 1 定位系统和空间管理 嵌 入 式 操 作 系 统 普及计算系统需要能够知道它所处的物理位置，并能依此做成判断，这就 是定位系统和空间管理。科学家已经在这方面做了很多年的研究，如何自动的 检测出对象的物理位置。三个主要的定位技术是：三角定位，通过在多个已知 方位的点对目标进行测量，计算角度和距离，从而算出目标的方位：约算，测 量目标距离最近已知点的距离；情景分析，对特定的视图进行分析。通常，定 位系统会使用上述一个或多个技术。全球定位系统( g p s ) 可能是应用最广的 一个定位系统了。它提供了有效的定位目标物理位置的框架，全球定位卫星能 够保证在整个世界范围内定位目标，精确度保持在1 米到5 米。下面，我们就 以g p s 为例列举出普及计算中定位系统的主要属性。 物理位置和符号位置 定位系统能够提供两种信息：物理位置和符号位置。g p s 提供物理位置， 例如，我们在东经7 8 度2 3 分，北纬4 2 度6 5 分。相反，符号位置提供的是抽 象的信息：在会议室里、在打印机旁，等等。提供物理位置的定位系统在获得 复旦大学硕士学位论文 一 一 工，烹 ：| _ 一 p 普及计算中的适应性系统设计 更多的信息时，也可以提供符号位置信息。例如，把g p s 定位的多个目标位置 信息存入数据库，就可以比较出一个目标相对于其他目标的符号位置信息。物 理位置定位系统的精确度通常对他所能产生的符号位置信息有潜在的影响。 绝对位置和相对位置 绝对位置定位系统对所有的定位目标使用一个公用的参考点。例如g p s 使 用经度、纬度和海拔。在相对位置定位系统中，每个目标有自己的参考点。绝 对位置和相对位置可以相互转换。 本地定位计算 通常，定位系统要求目标只能定为自己。这样就保证了其他目标不会知道 该目标的位置信息，这是对私有信息的保护。有些系统则相反，它要求被定位 的目标要周期的广播它的位置，这样才能让其他的目标能够找到它。 可信度与精确度 定位系统需要报告它的测量结果的可信度与精确度。一个普通的g p s 定位 系统可以达到5 米的精确度，9 9 的可信度。显然，我们可以提高精确度，这 也降低了可信度。我们必须在两者之间做出权衡。这需要在不同的应用中作出 不同的选择，可以使用定位取样的方法来调整。不同的应用需要不同的精确度， 建筑物的定位可以用l o 米的精确度，石油钻井则要求要更高的精确度。 可扩展性 定位系统的范围可以是一个房间、一个校园、一个城市、整个地球。随着 范围的增大，定位的目标也会越来越多，可扩展性将是定位系统性能的一个重 要指标。系统通常能够通过增加设备来扩展范围，然而这样做的局限不仅在于 系统的造价，而且在于中间件的复杂性。已经被证明，管理一个大型的分布式 的数据库是非常困难的。 识别 对于那些需要依赖位置，识别目标，采取相应动作的应用来说，自动的识 别机制是必需的。例如飞机场需要把行李放到正确的货架上。g p s 定位系统没 有识别机制。识别技术的通常方法是给每个目标分配一个唯一的标示符 ( g u i d ) ，通过判断标示符来识别目标。 成本 这包括时间上的成本、空间上的成本和经济成本。 复旦大学硕士学位论文 普及计算中的适应性系统设计 局限性 定位系统通常在特定的环境中不能工作。g p s 的一个局限就是不能够准确 定位室内的目标，但可以通过加装一个室外的中继设备定位室内目标。 3 2 移动网络 移动网络是普及计算系统互相连接的基础，在这里我们举出两种比较有特 色的移动网络。无线局域网和蓝牙网络系统。 3 2 1 无线局域网( w l a n ) 无线局域网是一种数据传输系统，它提供一种不依赖于位置的网络接入， 数据通过电磁波而不是电缆传输。无线局域网的广泛采用依赖于产品的标准化， 兼容性和系统可靠性。电子电气工程师协会( m e e ) 在1 9 9 7 年颁布了8 0 2 1 1 规范，这个规范提供高达1 m b p s 和2 m b p s 的数据传输速率和一组信令系统和服 务规范。影响这个规范实用的最关键因素是它有限的容量。这个最初的无线网 络标准支持的数据传输率太慢，不能够满足多数用户的需要。认识到这一点之 后，电子电气工程师协会( i e e e ) 在1 9 9 7 年他们颁布了8 0 2 1 1 无线局域网标 准，在1 9 9 9 年9 月又颁布了8 0 2 1 1 b 无线局域网标准，比8 0 2 1 1 增加了对5 5 m b p s 和1 1 m b p s 数据传输率的支持。像其他的局域网标准一样，8 0 2 1 1 标准集中i s o 七层结构的下两层，物理层和数据链路层。任何网络应用程序，网络操作系统 和网络协议，包括t c p i p , n o v e l l n e t w a r e 。都可以运行在8 0 2 1 l 兼容的无线局 域网匕。 复旦大学硕士学位论文 普及计算中的适应性系统设计 8 0 2 1 1 工作模式 8 0 2 1 1 定义了两种设备，无线网络接口和无线接入点。无线接入点通常是 连接有线网络和无线网络的桥梁，它由以下几个部分组成，无线网络接口，电 磁波发射器，遵循8 0 2 1 d 标准的软件。无线网络接口可以是普通的p c 接口卡， 也可以是一个简单的嵌入式系统，如手持电话设备。 这个标准规定了两种工作模式，i n f r a s l x u c t u r e 模式和a dh o c 模式。 i n f r a s t r u c t u r e 模式由一个无线接入点和多个无线网络终端组成，终端之间通信 通过无线接入点传输。a d h o c 模式通常叫做点对点模式，它由一组无线网络终 端组成，它们之间直接进行通讯，而不需要通过无线接入点，这种方式对于不 存在比较好的基础设施的情况下比较适用，如飞机场，会议室。 8 0 2 1 i b 物理层 这个协议最大的特点是，物理层能够支持两种新的速率5 m b p s 和1i m b p s 。 为了适应多噪音的环境，8 0 2 1 1 b 无线局域网标准使用动态速率变换技术，允许 数据传输率自动调整为最优的速率。通常设备在1 1 m b p s 的速率上传播，如果 设备超过了传输范围，它就会自动将数据传输速率降到5 5 m b p s ，2 m b p s 或 1 m b p s 。相反，如果设备从差的环境向好的环境移动，它的数据传输速率就会增 加。速率变换是对用户和上层的协议透明的。 8 0 2 ，1 1 数据链路层 8 0 2 1 l b 的数据链路层有两个子层组成，逻辑链路控制和介质接入控制。它 使用了和8 0 2 2 局域网标准同样的逻辑链路控制和4 8 位的地址。这样就允许无 线局域网和有线的局域网兼容，但是无线局域网的m a c 子层是不一样的。 8 0 2 1 1 m a c 子层使用了和8 0 2 3 相似的技术，就是在使用之前先检测公用 的介质，叫做冲突避免的载波侦听( c s m a d a ) ，即通过发送显式的确认消息 避免冲突。具体过程是，发送方要发送数据，如果信道为闲，就等待随机的一 段时间，然后在信道仍然为闲，就发送数据；如果接收方正确的接收到数据， 就发送确认包( a c k ) ，然后发送方接收到这个确认包，就完成了数据传输的过 程：如果发送方没有接收到这个确认包，可能是发送数据没有到达接收方或者 确认包没有到达发送方，这都归结为无线网络的冲突，发送方会在等待一段随 机的时间后重发数据。这个确认反馈机制很好的满足了无线数据传输的需要， 然而它也带来了一些额外负载，也就是说，无线局域网的性能要比同样的以太 网的性能要差。 复旦大学硕士学位论文 普及计算中的适应性系统设计 关联，蜂窝结构和漫游 8 0 2 1 1 m a c 层要负责无线终端和接入点关联。当一个8 0 2 1 1 终端进入无线 接入点的服务区域，它就要根据信号强度和丢包率选择一个合适的接入点关联： 如果这个接入点接受这个无线终端，终端就调整到和接入点同样的频道上。 8 0 2 1 1 终端会周期的监测频道性能，如果发现性能更好的无线接入点，就重新 关联到新的接入点上。由于无线终端通常是移动的，它就需要接入不同的无线 接入点，重新关联就经常发生。另外，如果存在多个无线接入点，重新关联就 可以达到负载平衡的效果。 动态关联和动态重新关联可以用于蜂窝无线局域网络。只要让相邻的无线 接入点在8 0 2 1 1 d s s s 信道上不要重合，就可以构成蜂窝无线局域网。在8 0 2 1 l b 标准中，有1 4 个信道不完全重合，有三个信道完全不重合；相邻无线接入点信 道的重合将导致互相干涉，从而降低性能。 3 2 2 蓝牙无线系统( b l u e t o o t hs y st e m ) 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近 距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。在1 9 9 8 年，一些领先的无线通信设备商，芯片设计商联合组成了蓝牙特别工作组( s i g ) ， 以推动蓝牙技术的发展和应用。蓝牙技术规范1 0 版在1 9 9 9 年7 月推出，超过 一千家企业已经或开始使用这项技术。蓝牙系统是采用的a dh o c 的无线网络按 入模式，下面我们将详细讨论它的技术背景。 媒介接入控制 m = m a s t e r s = s l a v e p = p a r k e c l s b = s t a n d b y 复旦大学硕士学位论文 图2 3p i c o n e t 和s c a t t e m e t 9 普及计算中的适应性系统设计 通过蓝牙技术连接在一起的所有设备被认为是一个p i c o n e t ，在一个p i c o n e t 中，所有设备都是级鄹相同的单元，具有相同的权限。但是在p i c o n e t 网络初建 时，其中一个单元被定义为m a s t e r 。m a s t e r 的标识( 提供跳序列) 和系统时钟 ( 提供跳周期) 决定了一个p i c o n e t 信道，也就是决定了它所属的蓝牙系统信道。 其它的在这个p i c o n e t 中的单元都是s l a v e 。每一个蓝牙单元都有自己的系统和 时钟，没有统一的时间参考点。但当p i e o n e t 建立时，s l a v e 单元通过增加和自 己时钟的偏移量来和m a s t e r 单元的时钟同步；当p i c o n e t 取消的时候，偏移量在 被释放或存储，以备将来使用。不同的信道有不同的m a t e r ，也就有不同的跳序 列和周期。同一个信道的单元数被限定为最大八个，这是为了保证单元问链路 的容量：同时这也控制了地址结构的负载。蓝牙系统是基于对等通信的，也就 是说m a s t e r s l a v e 的角色在不同的环境下不同的，任何单元都可以是m a s t e r 或 s l a v e ；建立p i c o n e t 的单元是m a s t e r 。 除了定义了p i c o n e t ，m a s t e r 还要负责p i c o n e t 中的接入控制。由于基于竞争 的接入控制将带来很多额外负载，这在很短的驻留时间的蓝牙系统中是不合适 的。在蓝牙系统中，m a s t e r 集中控制p i c o n e t 接入，只允许m a s t e r 和一个或多个 s l a v e 之间的通信。m a s t e r 传输和s l a v e 传输用的时间片是不一样的。在m a s t e r 传输中，m a s t e r 给每个信息加上s l a v e 单元的地址。为了避免多个s l a v e 单元传 输的冲突，m a s t e r 采用制定方式，对每个s l a v e - t o m a s t e r 时间片，m a s t e r 决定允 许那个s l a v e 传输：这个s l a v e t o m a s t e r 不被允许传输，除非在它之前的时间片 是包含这个s l a v e 地址的m a s t e r - t o s l a v e 传输时间片。如果m a s t e r 要向s l a v e 传 送信息，这个s l a v e 就被隐式的指定，能够返回信息；如果m a s t e r 没有信息发 送，就必须显式的发送一个指定数据包来指定s l a v e 。由于所有的上行下行数据 都要通过m a s t e r ，就要求在m a s t e r 上有个智能的排队算法。m a s t e r 还要有效的 避免同个p i c o n e t 内单元间的冲突。有时独立的p i c o n e t s 也有可能因为使用同样 的跳载体形成干扰。这里使用了a l o h a 的策略，信息在传输前不做网络监听， 当信息不能够正确到达时，在下个时间片重传。采用这个策略是因为对这么短 的驻留时问来说，在无线信道上避免冲突是低效的，每个跳上都会有不同的竞 争者。 基于数据包的通信 蓝牙系统使用基于数据包的传输机制，数据流被分成数据包。每个时间片 只允许一个数据包的传输。所有的数据包采用同样的格式，开始是接入码，然 后是包头，最后是用户数据。 复旦大学硕士学位论文 普及计算中的适应性系统设计 3 3 移动管理 为了支持移动设备能够动态改变访问互联网的按入点以具有移动性，互联 网工程任务组i e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) 为此作了大量的工作，专 门成立了移动i p 工作组( i p r o u t i n 2 f o r w i r e l e s s m o b i l e h o s t s ) ，并于1 9 9 2 年制 定了移动i p 的标准草案。1 9 9 6 年互联网工程指导组i e s g ( i n t e m e t e n g i n e e r i n g s t e e r i n gg r o u p ) 通过了移动i p 标准草案，并于1 1 月将其公布为建议标准 r f c 2 0 0 2 ( p r o p o s e ds t a n d a r d ) 。此标准基于i p v 4 的，后来又几经修改，目前被 r f c 3 3 4 4 所代替。在研究移动i p v 4 的基础上，人们对移动i p v 6 进行研究，诺 基亚研究中心的c ，p e r k i n s ，r i c e 大学的d j o h n s o n 和爱立信的j a r k k o 共同 向i e t f 提出了i p 的移动支持( m o b i l i t ys u p p o r t i n l p v 6 ) 标准草案，目前已经 到2 2 版( d r a f t i e t f - m o b i l e i p i p v 6 2 2 t x t ) 。虽然这些草案都还没有成为正式的标 准，但是随着时间的推移，移动i p v 6 技术已经逐渐发展成为比较成熟的技术解 决方案，最终将形成全球统一的标准。下面列出目前移动i p 方面的一些建议标 准和草案。 r f c 3 3 4 4 ：定义了对i p v 4 的移动支持，代替了最初的r f c 2 0 0 2 。 r f c 2 0 0 3 、2 0 0 4 和3 0 2 4 ( 替代2 3 4 4 ) ：定义了i p 封装技术和反向隧道技术。 r f c 2 0 0 5 ：叙述了移动i p 的应用。 r f c 3 1 1 5 ：设备厂商对移动口的扩展支持。 r f c 2 9 7 7 ：定义了移动i p 的a a a 需求，解决安全方面的部分问题。 一些相关草案：i p v 6 下的移动支持，移动i p v 6 的快速切换，以及一些移动 i p 安全和o o s 方面的需求。 要具体浏览移动i p 方面的相关草案和标准，可以直接访问下面的i e t f 的 官方网站：h t t p ：w w w i e f f o r w h t m l c h a r t e r s m o b i l e i p - c h a r t e r h t m l 复日- 大学硕士学位论文 普及计算中的适应性系统设计 第四章普及计算系统中的自适应行为 4 1 普及计算系统环境的有限性 普及计算就意味着系统所处环境资源的有限性。这种特性在可预见的将来 始终是存在着的。如何应付这些有限性是设计一个鲁棒的普及计算系统的基本 要求。 有限性可以分为两类：物理限制和人为限制。普及计算设备是移动的，这 就限制了设备的物理性能，例如设备的大小，电源的持续时间等等。这是设备 本身的限制，而像移动网络带宽则是环境的限制。移动设备和固定设备的差别 就在于移动设备本身的特点决定了它必然要在很多方面受到限制。我们上面提 到的就是移动设备的物理限制。它是直观的。普及计算设备的物理限制导致了 在系统级别上和固定设备有很大的不同。由于物理环境的不稳定性，系统的鲁 捧性受到了挑战。在无线网络中，物理链路通常是有很高的丢包率，同时数据 传输的延迟也相当大。这对于一个分布式的应用来说，必将导致应用的低效， 甚至不可用。在固定系统中t c p 采用的数据包重发策略对无线通信网络是不合 适的，因为数据包的丢失不再是因为网络的拥塞，而是数据包的丢失。这就是 说，一些传统的系统应用可能不再适用普及计算系统。 用户期望 流锈的祝额清雅匏霍为。生动钓画盘， 快速匏运行速寝更少的干扰 ： 普及计算系统 l 有限的物理资源 寿曝的嘲络带宽南限的计算能力 有碾的移动电源，寿疆的显示屏幕 图4 1 普及计算系统环境 另一方面，用户的因素则构成了人为限制。人为限制就是入的期望；不同 的人兴趣不同，对系统的要求也不同。例如，在一台移动设备上浏览网页，有 的用户要求能够看到图片而不管这需要较长的下载时间：而有些用户则想快速 复旦大学硕士学位论文 2 2 普及计算中的适应性系统设计 浏览，就不需要下载一些大的图片。这些限制在传统的计算环境中同样存在， 只是在普及计算系统中，由于环境和系统的多样性，这个问题显得尤为突出。 由于普及计算系统是由分布式系统和移动计算系统发展而来的，它也就继 承了它们的特性。在分布式系统和移动计算系统中存在的限制在普及计算系统 中同样存在。同时又由于普及计算系统的多样性和复杂性，又加重了这些限制。 我们以网络的分层策略为例子，看看由于这几个方面的限制，导致普及计算系 统和传统的计算系统的差别。 在i s o 的七层网络结构和t c p i p 的分层结构中，都强调模块化和透明化。 也就是说，层与层之间的接口最小化，尽量使上层和下层透明，这就屏蔽了下 层变化对上层的影响。在传统的计算系统中，由于环境是几乎不变的，这种透 明可以做到使上层根本不用关心下层的状况，因为环境的变化很小，下层足够 应付这些变化，使上层感觉不到这种变化。然而，在普及计算系统中，下层已 经不能够处理环境的剧烈变化，这时候就需要采用不同于传统计算系统的分层 策略。在传统的计算系统中，人们通常强调端到端的概念。它使系统纠错，安 全等方面的设计简化。然而，在普及计算系统中，由于设备的移动性，端到端 的概念不能够适用在大多数的环境。例如，在移动网络中，采用移动代理就破 坏了端到端的原则。在普及计算系统中，如何处理好端到端原则和系统设计的 关系也是我们要面临的一个重要问题。 可以看出，物理限制和人为的限制使普及计算系统的设计变得复杂。如何 处理这些限制，使用户的需求，系统的设计和环境的现实达到统一，是评价系 统设计成功与否的根本标准。在这里，我们需要使用自适用的技术来设计系统。 自适应技术本身就是要使系统能够适应物理层的限制，同时又能够适应用户的 要求。在传统的计算系统中已经有自适应应用的例子，像t c p 协议在网络拥塞 时减小传送窗口，降低发送速率，在网络通畅时，增大发送窗口，提高发送速 率。在普及计算系统中，自适应技术要从系统的整体设计中应用。下面，我们 具体讨论在普及计算系统中自适应的应用。 4 2 自适应的理论基础 4 2 1 自适应的符号表示 我们用p 表示普及计算系统的物理限制，u 表示人为限制即用户的期望，s 表示普及计算系统。那么，物理资源的有限性可以表示为p m i n p u s e p m a x ，p m i n 复旦大学硕士学位论文 普及计算中的适应性系统设计 是最低限度可使用的物理资源，p u s e 是当前普及计算系统使用的物理资源， p m a x 是最大限度可使用的物理资源。p u s e 是介于p m i n 和p m a x 之间的。同样， 用户的期望表示为，u m i n u c u r u s a t ，u m i n 是用户可以忍受的最低期望，u c u r 是用户当前的状态，u s a t 是用户的满意期望。u c u r 也是介于u m i n 和u s a t 之间 的。 普及计算系统s 是架在物理限制p 和用户期望u 之问的桥梁。s 要保证p u s e 和u c u r 的协调统一。环境是变化的，p u s e 也就在p m i n