（计算机软件与理论专业论文）移动环境下的服务发现算法与应用迁移模型研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 在移动的环境下，用户手中持有的设备功能越来越强大。智能手机的日益普 及，移动通讯企业推出的无线上网卡，使得人们随时随地都能访问网络资源。3 g 时代已经到来，极大的提升了数据传输速率，3 g 上网本也开始普及到普通用户 手中。在移动终端设备计算能力和网络传输速率两个方面都获得巨大进步的形势 下，移动环境下实现普适计算的要求越来越迫切，条件也逐步成熟。但是移动的 环境下存在着以下几个问题：第一，用户移动的范围非常大，在远距离移动的情 况下，用户在本地使用的服务在异地就可能无法使用。如何让用户在毫不知情的 情况下，使用异地的服务在原来基础上继续完成用户任务。这也就是在移动环境 下实现用户应用迁移的主要问题。第二，在移动的环境下，终端设备所拥有的网 络资源毕竟是有限的，而且在不同的空间带宽资源可能会不稳定。在这种情况下， 用户发现服务的效率可能会很低，现有的服务发现算法效果可能不太理想。 本文的主要工作是以移动环境下的普适计算应用为背景，基于对移动环境下 普适计算存在的问题的讨论，提出了适合在移动环境下进行服务发现的算法，并 建立了能够指导移动环境下普适计算的应用迁移模型。通过对现有服务注册，发 现模型的分析，结合移动环境的特点( 网络的带宽限制与不稳定性) ，本文对现 有的服务发现算法进行了改进，提出了基于注册中心缓存机制的服务发现算法。 针对移动用户远距离的地域跨越引起的本地服务无法使用问题，本文提出移动环 境下的应用迁移模型( a m 卧伍) ，以解决移动环境用户应用迁移的问题。文中 提出了任务管理器，上下文感知器，环境管理器，服务提供者等概念，并阐述了 模型各部分的功能。a m f m e 模型让用户可以在异地寻找可用的服务来满足功能 需求，并且在原来进度的基础上继续执行用户任务。 针对移动环境下的普适计算应用难点，本文在服务发现和应用迁移两个方面 取得了一定的研究成果。通过实验室环境的模拟验证，证明移动环境下服务发现 算法的正确性和可用性。在该算法与现有服务发现算法的实验对比中证明该算法 在网络不稳定和带宽资源有限的情况下发现服务的速度更快，效率也更高。通过 对现实场景的模拟仿真，证明了在用户进行远距离移动时用户任务是完全可恢复 山东大学硕士学位论文 的，a m f m e 模型对移动环境下的应用迁移提供了很好的支持。 本文立足于移动环境下的普适计算应用背景，提出了适应环境的服务发现算 法，对于改善服务发现工作具有很大的实践意义。而a m f m e 模型的提出，不但 为移动环境下的应用迁移提供了新的思路，在指导实践应用方面也具有很大的现 实意义。 关键词：普适计算，服务发现，移动环境，应用迁移。 i i 山东大学硕士学位论文 a b s tr a c t i nm o b i l ee n v i r o n m e n t , t h ec o m p u t i n gc a p a c i t yo ft h ee q u i p m e n ti nu s e r s h a n d s b e c o m e sm o r ea n dm o r ep o w e r f u l t h es m a r tp h o n e sa n dt h ew i r e l e s sn e t w o r kc a r d s p r o v i d e db yt h ec o m m u n i c a t i o ne n t e r p r i s e s ，m a k ei tp o s s i b l ef o rp e o p l et oa c c e s st h e r e s o u r c e si nt h en e t w o r k t h e3 gt e c h n o l o g yh a si m p r o v e dt h en e t w o r ks p e e da n d q u a l i t y t h ec o m p u t e r s 谢ma3g n e t c a r db e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r a l o n gw i m t h ep r o g r e s si nt e r m i n a l sc o m p u t i n ga b i l i t ya n dn e t w o r kq u a l i t y , p e o p l er e q u e s tt h a t p e r v a s i v ec o m p u t i n gb er e a l i z e d h o w e v e r , i nm o b i l ee n v i r o n m e n t ss e v e r a lp r o b l e m s s t i l le x i s t f i r s t ，t h er a n g eo fp e o p l e sm o b i l i t yi sb i g w h e np e o p l em o v et oan e w p l a c e ，o f t e nh ec a nn ol o n g e ru s et h eo r i g i n a ls e r v i c e si nt h eo l dp l a c e h o wt om a k ei t p o s s i b l et h a tp e o p l ec a l lu s et h es e r v i c e si nt h en e wp l a c et oc o m p l e t et h e i rt a s k s w i t h o u tt o om u c hd i s t r a c t i o nf r o mt h e i rm a i nj o bi sav e r yd i f f i c u l tp r o b l e m t h a t c o n c e r n st h ea p p l i c a t i o nm i g r a t i o ni nm o b i l ee n v i r o n m e n t s s e c o n d ，i nm o b i l e e n v i r o n m e n t s ，t h eb a n d w i d t ho ft h es m a r te q u i p m e n ti su s u a l l yl i m i t e da n du n s t a b l e i nt h i ss i t u a t i o n ，t h es p e e do fs e r v i c ed i s c o v e r yp r o c e s sm a yb el o w c u r r e n t a l g o r i t h m sf o rs e r v i c ed i s c o v e r yc a nn o tw o r kv e r yw e l l t a k i n gt h ep 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 ni nm o b i l ee n v i r o n m e n t sa s t h e b a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ep r o b l e m se x i s t i n gi np e r v a s i v ec o m p u t i n gi n m o b i l ee n v i r o n m e n t s ，i n t r o d u c e da p r o p e rs e r v i c ed i s c o v e r ya l g o r i t h m ，e s t a b l i s h e da n a p p l i c a t i o nm i g r a t i o nm o d e li nm o b i l ee n v i r o n m e n t s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fc u r r e n t s e i 啊c ed i s c o v e r ym o d e l ，p a r t i c u l a r l yf o rt h ef e a t u r e so ft h em o b i l ee n v i r o n m e n t s ，w e i m p r o v e d c u r r e n ts e r v i c e d i s c o v e r ya l g o r i t h m , i n t r o d u c e d as e r v i c ed i s c o v e r y a l g o r i t h mb a s e do nt h ec a c h i n gm e c h n i s mo fs e r v i c el o o k u p e r s w ee s t a b l i s h e da n a p p l i c a t i o nm i g r a t i o nm o d e li nm o b i l ee n v i r o n m e n t st os o l v et h ea p p l i c a t i o n m i g r a t i o np r o b l e mi nm o b i l ee n v i r o n m e n t s i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c e ds o m e c o n c e p t s ，s u c ha st a s km a n a g e r , c o n t e x to b s e r v e r , e n v i r o n m e n tm a n a g e r , s u p p l i e r w ea l s oi n t e r p r e t e dt h ef u n c t i o no fe v e r yp a r t i na n 匝m o d e l t h eu s e r sc a nf i n d p r o p e rs e r v i c e si nr e m o t ep l a c e st os a t i s f yt h e i rn e e d sa n dc o n t i n u et h e i rt a s k 1 1 1 i sp a p e rh a so b t a i n e dc e r t a i nr e s e a r c hr e s u l t si nt w oa s p e c t so fs e r v i c e d i s c o v e r ya n da p p l i c a t i o nm i g r a t i o n t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t si nt h el a b o r a t o r y , w e p r o v e dt h ec o r r e c t n e s sa n du s a b i l i t yo ft h es e r v i c ed i s c o v e r ya l g o r i t h m w 色a l s o i i i 山东大学硕士学位论文 p r o v e dt h a tt h i sa l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nc u r r e n ta l g o r i t h m sb o t hi ns p e e da n dq u a l i t y t od i s c o v e r ys e r v i c e sw h e nt h en e t w o r ki su n s t a b l ea n db a n d w i t h l i m i t e d t h r o u g ht h e e x p e r i m e n t so fs i m u l a t i n gr e a lp l a c ec h a n g i n g ，a m f m ec a ns u p p o r tt h ea p p l i c a t i o n m i g r a t i o nv e r yw e l l b a s e do nt h eb a c k g r o u n do fp e r v a s i v ec o m p u t i n gi nm o b i l ee n v i r o n m e n t s ，w e i n t r o d u c e das e r v i c ed i s c o v e r ya l g o r i t h mt h a ti sf i tf o rt h i se n v i r o n m e n t t h i si sv e r y i m p o r t a n tf o rt h ef u t u r ew o r ko fi m p r o v i n gs e r v i c ed i s c o v e r yq u a l i t y a n dt h e a m f m em o d e lc a r ln o to n l yp r o v i d ean e wm e t h o df o ra p p l i c a t i o nm i g r a t i o n ，b u t a l s od i r e c tt h ep r o je c t si nr e a l i t y 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 ，s e r v i c ed i s c o v e r y ，m o b i l ee n v i r o n m e n t ， a p p l i c a t i o nm i g r a t i o n 。 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：杰丞迄 一 日 期：q 2 q 堡拿：f ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝作者虢盈垫聊虢幽删幽：堕2 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 所谓普适计算指的是，无所不在的、随时随地可以进行计算的一种方式。无 论何时何地，只要需要就可以通过某种设备访问到所需的信息。以前的普适计算 应用研究由于网络资源的有限，手持设备计算能力的限制，大多局限在智能空间 的范围内。处于移动状态中的用户想要随时，随地访问服务，完成某些功能应用 的愿望很难得到实现。 随着计算设备制造能力的进步，用户手持终端设备的计算能力日益强大。智 能手机( s m a r tp h o n e s ) 的出现，使得移动的用户不再仅仅满足于打电话，收发短 信息，它使用户在移动状态下可以完成其他功能更加强大的应用。另外，移动的 用户所拥有的网络资源也比以前丰富很多。3 g 时代已经到来，用户在传输数据 的速度上获得了极大的提升。移动通讯公司推出了无线上网卡，3 g 上网本已经 普及到普通用户手中。 在这种形势下，实现普适计算的要求越来越迫切，实现普适计算应用的条件 已经逐步成熟。 然而，移动的环境下普适计算应用存在以下两个难题： 第一，用户移动的范围非常大，在远距离移动的情况下，用户在本地使用的 服务在异地就可能无法使用，在本地能够完成的任务在异地难以继续。典型的应 用瓶颈就是移动环境下的多媒体服务和移动商务。越来越多的移动用户在享受视 频点播的服务，当用户从本地移动到异地时，地理位置的变化会引起的服务质量 下降甚至是服务不可用。业务人员在移动环境下进行商务办公。例如，业务人员 可能要进行会议组织的任务。他需要查找参会人员信息，预定会议场地，打印会 议进程表等工作。当他处于移动的环境下，为完成任务所需要使用的资源，访问 的服务都是随时可能变化的。随着移动计算方式的日益普及，如何在对用户透明 的情况下，使用各地的服务持续的完成用户任务，这就是是移动环境下应用迁移 的问题。视频点播的用户不希望在到达新的城市无法继续观看节目，他要求终端 山东大学硕士学位论文 设备自动寻找可用的本地服务，从暂停播放的位置继续进行。移动商务人员组织 会议所需要的相关信息他需要在任何情况下都能编辑，在任何地点预定场地，打 印资料。在这种应用背景和需求下，我们引入了移动环境下的应用迁移概念，提 出了移动环境下的应用迁移模型( a m f m e ) 。 第二，在移动的环境下，终端设备( 例如：智能手机持有者，具有无线上网卡 的笔记本电脑) 所拥有的带宽资源是有限的，而且在不同的位置带宽资源可能会 不稳定。在这种情况下，用户发现服务的效率可能会很低。显然，任何移动的用 户都不希望太长的服务等待过程。移动多媒体，移动商务应用更是如此。任何移 动商务用户都不希望自己在寻找服务方面花费太多的时间，视频点播用户的视频 播放停在原地长久不动。现有的服务发现模型下的实际效果可能不太理想。 移动环境下的普适计算应用是计算机科学研究热门领域。在这样的研究背景 下，作者针对前面提出的几个问题进行了深入的研究，并取得了一定的研究成果， 对服务发现算法进行了改进完善，提出了移动环境下的应用迁移模型，对于指导 未来的普适计算应用具有重要的实践意义。 1 2 主要工作和创新 本文的主要工作是以移动环境下的普适计算应用为背景，基于在移动环境下 普适计算存在的问题讨论，提出了适合在移动环境下进行服务发现的算法，并建 立了能够指导移动环境下普适计算应用的应用迁移模型。通过对现有服务注册， 发现模型的分析，结合移动环境的特点( 网络的带宽限制与不稳定性) ，我们对 现有的服务发现算法进行了改进，提出了基于注册中心缓存机制的服务发现算 法。针对移动用户远距离的地域跨越引起的本地服务无法使用问题，我们提出移 动环境下的应用迁移模型( 舢? ) ，以解决移动环境用户应用迁移的问题。 在本文中提出了任务管理器，上下文感知器，环境管理器，服务提供者等概念， 并阐述了模型各部分的功能。a m f m e 模型可以让用户在异地寻找可用的服务来 满足功能需求，而且在原来进度的基础上继续进行。 针对移动环境下的普适计算应用难点，本文在服务发现和应用迁移两个方面 取得了一定的研究成果。通过实验室环境的模拟验证，证明移动环境下服务发现 算法的正确性和可用性。在该算法与现有服务发现算法的实验对比中证明该算法 2 山东大学硕士学位论文 在网络不稳定和带宽资源有限的情况下发现服务的速度更快，效率也更高。通过 对现实场景的模拟仿真，证明了a m n 伍模型在用户进行远距离移动时用户任务 是完全可恢复的，a m n 伍模型对移动环境下的应用迁移提供了很好的支持。 1 3 本文组织结构 本文围绕移动环境下的普适计算应用背景展开，以移动环境下的服务发现和 应用迁移为研究点，具体的组织结构如下： 第一章是本文的绪论部分，重点介绍了本文的研究背景以及研究意义。着重 介绍了移动环境下普适计算应用的两个问题，并针对问题进行讨论，提出解决的 方案。 第二章主要介绍了在移动环境下进行服务发现和应用迁移方面的研究现状， 并简要介绍了从分布式系统到普适计算的发展历程，以及我们可以借鉴的技术和 经验。 第三章针对移动环境下网络不稳定的情况，提出了移动环境下服务发现算 法，该算法引入了注册中心缓存机制，对比现有的算法，能够明显的提高移动环 境下服务发现的速率和质量。 第四章针对移动环境下用户在异地无法使用本地服务的问题，提出了一种新 的模型a m f ，该模型解决了移动环境下的应用迁移和任务恢复的问题。通过 模拟仿真实验，验证了该模型的正确性和可行性。 第五章对本文的研究工作进行了总结和归纳，并提出了下一步的完善方向和 研究工作。 3 山东大学硕士学位论文 第2 章基本概念及相关研究 2 1 从分布式系统到普适计算 计算模式的发展过程，经历了从分布式系统到移动计算，再到普适计算的演 变。在这其中每一阶段中出现的概念，每一种计算模式所使用的技术，对于在今 天我们实现移动环境下的应用迁移都具有重要的借鉴意义。 1 分布式系统( d i s t r i b u t e ds y s t e m ) ：兴起于个人电脑与局域网的组合。分布 式系统创建了概念模型和算法基础，并且已经被证明可以让多台计算机在网络通 信的条件下长期工作，不管这个网络连接是动态的还是静态的，有线的还是无线 的。这些模型基础包含了很多对普适计算具有基础意义的领域 1 1 , 1 2 , 1 3 j 。远程通信 技术，包括：协议分层( p r o t o c o ll a y e r i n g ) ，远程过程调用( r e m o t ep r o c e d u r ec a l l ) u4 1 ， 端到端的功能替换f 1 5 】等。容错技术，包括：原子事务，分布和嵌套事务，两阶段 提交协议( t w o p h a s ec o m m i t ) t 1 6 1 等。可行性保证技术，包括：最优最差复制控制1 7 1 ， 镜像执行，最优恢复( o p t i m i s t i cr e c o v e r y ) 1 9 】等远程信息访问技术，包括：缓存 技术，函数转移，分布式文件系统，分布式数据库冽等。安全技术，包括：基于 加密技术的双向认证，隐私保护【2 l 】等。 2 移动计算( m o b i l ec o m p u t i n g ) ：无线网络的兴起，使得带有移动客户端的分 布式系统出现了问题，虽然分布式系统设计的一般原则仍然适用，但仍有几个关 键的问题约束着研究者开发新的技术。这些限制包括：网络质量的不可预测的变 化：移动用户的可信任性和健壮性很低；本地可访问资源的限制；电池能量问题 2 2 1 。移动计算带给普适计算一些有意义的内容。移动网络技术：移动i p t 2 3 1 ，a dh o c 协议2 4 1 ，无线网络中t c p 协议的优化1 2 5 , 2 6 1 。移动信息访问：断开连接操作【2 7 1 ，适 应带宽的文件访问口引，数据一致性的控帝1 j 1 2 9 , 3 0 1 。系统层次的能量节约：能量感知 适应【3 1 1 ，变速的处理器调度【3 2 1 ，能量感知的存储器管理【3 3 1 。位置感知：位置确 定阢”1 ，感知位置的系统行为【3 6 ，3 7 ，3 引。 3 普适计算( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) ：普适计算的理念在前面已经阐释，这里 不再赘述。 4 山东大学硕士学位论文 2 2 相关研究 “p e r v a s i v ec o m p u t i n g ：v i s i o n sa n dc h a l l e n g e s ”【1 】介绍了普适计算的基本概 念，并阐述了计算模式的变革：从分布式系统分布式计算到移动计算再到普适计 算的发展进步过程。两个典型的场景实例展现了普适计算应用当中存在的难点问 题。这其中包括用户喜好的捕捉，用户位置建模，自适应策略，上下文感知，任 务管理，隐私与保护等等。 为了更好的使用普适计算环境中的资源，减少人为的干预，提高工作效率， 文献【4 0 】提出了应用的f o l l o w - m e 需求，即计算可以随着用户的移动在异构设备和 计算环境中移动，让用户体验到不间断的计算。提出了基于移动代理的普适计算 中间件f o l l o w m e a g e n t 。结合情景感知技术，利用软件代理所具有的移动性实现 应用的自主迁移。在此平台上开发的若干应用证明了其可行性和有效性。 g a l a t 4 3 】是u i u c 开发的一个在普适环境下支持应用迁移的中间件系统。应用 系统结构分为基层和元层两个层次，采用反射机制将两者联系起来。基层主要由 应用逻辑构成，包括模型，控制，视图等组件以及必要的传感数据采集模块。元 层次关注底层应用的元数据，例如资源配置，系统状态等，主要有一个协同模块 构成。在应用迁移过程中，由元层的协同模块负责组件的注册，生命周期以及移 动的管理。元层与基层的分离一定程度上缓解了应用开发者的负担。然而，将移 动，协同以及生命周期管理等诸多要素集中于静态协同模块，不可避免的会增加 起设计复杂度，而且在动态网格环境中也会引入单一失效点的弊病。 n e t c h a s e r l 4 4 是一个基于代理的支持用户在移动的情况下可以透明的访问网 络服务的框架结构。通过在服务器增加有多个互相合作的代理组成的中间层，用 户在移动到新的环境后，需要登陆n e t c h a s e r 系统以通知相关联的代理对该用户 已到达新的环境。首先从情感计算的角度上来说，这种感知方式对用户而言并非 透明；其次，由于该系统对网络虚拟资源缺乏统一的表达方式，只是对用户的会 话有一个基本的描述，对于网络的动态行，平台的多样化等缺少调整机制，故而 仅提供有限的虚拟化支持。 虚拟计算环境中的用户在物理空间的移动要求其相关应用能够在网络空间 进行相应的移动为支持应用的迁移，利用软件代理技术来实现计算网络空间以及 其中资源的虚拟化。文献【4 2 】结合情境感知技术，利用软件代理本身所具有的自治 山东大学硕士学位论文 性和移动性实现应用组件的动态绑定和迁移，进而提出一种基于代理的支持应用 迁移的结构模型m d a g e n t ，并实现了相应的原型系统，可为应用的迁移提供移动管 理、情境感知、资源匹配和推理机制等多方面的支持在此基础上开发出若干应 用并给出相关性能分析。 s p a t i a l a g e n t t 4 5 1 框架为支持用户或设备的物理移动，提出基于代理的逻辑移动 的概念。该框架由两大模块组成，分别是位置信息服务和移动代理。由位置信息 服务捕捉情景的变化，支持移动代理的两种迁移方式：一种是随用户的代理，当 用户从一个网络空间移动到另一个网络空间时，相应的移动代理也会迁移到相应 的服务节点上；另一种是固定在一个网络空间的代理，当用户到达该空间时，该 代理会迁移到用户的计算设备上。s p a t i a l a g e n t 框架缺少一个统一的松散耦合应 用模型，在具体的开发过程中，往往整个应用实现为移动代理。这样固然简化了 移动的管理，但是相应的网络开销代价较大。同时，由于缺少对虚拟资源的统一 描述机制，因此在迁移后，对资源重绑定和适应性调整支持力度有限。 普适计算环境下，环境的结构，组成以及环境中的资源，服务都是动态变化 的，而服务发现能够在动态变化的普适计算环境中动态查找，定位所需的服务， 是解决普适计算环境异构性，实现不同应用集成的有效途径，因此逐渐成为普适 计算中的一个热点和难点。文献 4 6 1 总结，分析了当前已有的著名的普适计算发 现协议进行分类比较，总结了各个方向目前的研究进展，在此基础之上对今后的 研究趋势进行了分析展望。 服务发现是联系服务提供者和服务请求者的重要环节，因此，服务发现机制 的优劣是整个服务应用的关键。为了提供满足服务请求者服务质量需求的w e b 服 务，文献 4 1 】在通过注册一组表示q 0 s 分类信息的t m o d e l 来描述服务质量的信息 的基础上，提出了一种支持q o s 量化的服务发现模型。该模型利用混合多属性决 策的方法，实现对功能相同或相似w - e b 服务的q o s 量化和区别。在此基础上利用 平均绝对误差算法实现服务的匹配，选择出性能最好的服务返回给服务请求者， 最大程度上满足服务请求者的需求，改善服务查找的性能。 在普适计算环境中通过语义本体来表示环境中的概念进行服务发现可以提 高服务发现的鲁棒性。文献【4 7 】给出了一种基于语义的服务匹配算法，根据不同 的服务请求可以通过服务类型匹配、服务输入输出参数匹配和q o s 参数匹配，实 现了分层次、逐步过滤不匹配的服务。同时通过服务相似度的计算为服务请求者 6 山东大学硕士学位论文 提供最满足需求的服务。实验结果证明该算法具有较高的匹配率和较好的匹配速 度，完全适用于普适计算环境。 7 山东大学硕士学位论文 第3 章移动环境下的服务发现算法研究 3 1 当前的服务注册、服务发现模型 3 1 1 服务发现模型概念 服务( s e r v i c e ) ：能被人，程序，或者其他服务使用的实体。服务可能是一个 计算体，存储设备，与其它用户通信的管道，硬件设备，软件过滤器等等。例如： 打印机服务，文档格式转换器。 服务使用者( s e r v i c eu s e r ，简称s l r ) - 也就是通常人们所指的用户，通过一定 的通信网络来访问，使用服务的计算设备。例如：智能手机，p d a 。 服务提供者( s e r v i c ep r o v i d e r ，简称s p ) ：向s u 提供服务的计算设备，能够满 足其一定的需求。 服务索引器( s e r v i c el o o k u p e r ，简称s l ) ：接受来自服务提供者提供的服务信 息，并登记保存，向服务使用者提供它所拥有的所有服务信息。 概括现有的服务注册，服务发现模型，可以得n 4 种角色：服务，服务使用 者，服务提供者，服务索引器。它们之间的相互关系如图3 一l 所示。 图3 1 模型中的四种角色的相互关系 服务索引器( s e i c el o o k u p e r ) 在服务使用者与服务提供者之间起着连接的作 山东大学硕士学位论文 用，在模型中处于核心地位。服务提供者需要将自己所具备的服务的相关信息， 服务所在地的u r i 等注册到服务索引器中。服务索引器将服务按照一定的格式保 存到本地数据库或者x m l 文档中，至于采用哪一种格式，可以根据具体的需求 来配置。普适环境下所有的服务的相关信息都要由服务索引器来进行维护。除了 维护服务提供者提供的服务信息，服务索引器还向服务使用者提供服务的索引信 息，以便使其能够享受到服务。 3 1 2 服务注册、发现模型的基本流程 基于前面对服务注册发现模型的讨论，以及对于模型基本角色之间的相互关 系的理解，服务注册发现模型的运行流程： 1 环境中配置服务索引器。服务提供者通过静态配置的索引器地址或者通 过广播获取索引器地址。在获取地址后，服务提供者将其所拥有的服务 的详细信息和服务对象注册到服务索引器中。服务索引器负责维护服务 信息。 2 智能终端设备通过广播获得索引服务器的位置。在获得地址之后取得它 保存的服务列表。可以用某种技术对服务列表进行过滤。 3 用户在智能终端设备上从服务列表中选择合适的服务。在输入必要的服 务参数后，服务使用者访问由服务提供者提供的服务。 4 在服务正常执行之后或者服务执行失败时，智能终端设备与服务进行最 后的确认。 3 2 移动环境下的服务发现机制 3 2 1 服务发现的主要任务 当用户进入一个可以进行普适计算的环境里，为了满足自己的需求而使用合 适的服务之前，他必须先进行服务发现工作( s e r v i c ed i s c o v e r y ) 。 为了便于理解s e r v i c ed i s c o v e r y 阶段的主要任务，参见下图3 2 。 9 山东大学硕士学位论文 a s e r v i c eu s e t s e r v i c eu s e r s e r v i c ep r o v i d e r 图3 - 2 服务发现阶段的主要任务 参与s e r v i c ed i s c o v e r y 阶段的主要角色是s e r v i c eu s e r 和s e r v i c el o o k u p e r 。 s e r v i c eu s e r 年a s e r v i c ep r o v i d e r 之间并不是相互“可见的”。它们之间必须通过纽 带来连接。这个纽带就是s e r v i c el o o k u p e r 。在s e r v i c ed i s c o v e r y 阶段，s e r v i c eu s e r 发现s e r v i c el o o k u p e r ，并从s e r v i c el o o k u p e r 中选择，匹配合适的服务列表给用 户。 3 2 2 移动环境下的服务发现算法改进 移动的环境下服务发现是一个较为缓慢的过程。同时在移动状态下，终端设 备( 例如：智能手机持有者，具有无线上网卡的笔记本电脑) 所拥有的带宽资源是 有限的，而且在不同的位置带宽资源可能会不稳定，在这种情况下，用户发现服 务的效率可能会很低。显然，任何移动的用户都不希望太长的服务等待过程。移 动多媒体，移动商务应用更是如此。任何移动商务用户都不希望自己在寻找服务 方面花费太多的时间，视频点播用户的视频播放停在原地长久不动。现有的服务 发现模型下的实际效果可能不太理想。为了在用户可以容忍的时间范围内更快速 的发现服务，本文在现有的服务发现模型基础上进行了算法改进，引入了注册中 心缓存机制，以加快服务发现的速度，增加服务发现的数量。 1 0 山东大学硕士学位论文 移动环境下服务发现可能存在的其他问题。第一，s e r v i c eu s e r 如何发现 s e r v i c el o o k u p e r 。当用户进入普适计算环境时，他对周围的环境并不熟悉，静 态的配置s e r v i c el o o k u p e r 的地址列表是不可行的，采用广播请求的方式比较合 适。第二，发现了s e r v i c el o o k u p e r 后，如何下载服务列表。当服务列表较短时， 全部下载让用户来手动选择也许是个不错的选择。当服务列表较长时，需要针对 用户的需求来对服务列表进行有效地过滤。过滤的策略有功能匹配策略和语义匹 配策略两种。功能匹配简单直接，易于实现。语义匹配更切合用户的习惯，交互 更加友好。第三，已经发现的有效的s e r v i c el o o k u p e r 是否可以放在历史列表中。 已经发现的s e r v i c e y u j 表是否需要放在历史列表中。 基于对前面几个问题的讨论，以及可能选取的解决方法，对移动环境下的服 务发现提出以下改进算法a l g o r i t h m 3 一l 。 算法3 1 ： s t e p - 1s e r v i c eu s e r 检查自己的l o o k u p e rh i s t o r yl i s t 。如果h i s t o r yl i s t 为空， a v a i l a b l el i s t l = n u l l ，转s t e p 一3 。 s t e p 一2 对h i s t o r yl i s t 中的每一个l o o k u p e r 进行有效性检验，得至u a v a i l a b l e l i s t l 。 s t e p 3s e r v i c eu s e r 在当前可用的网络条件下进行b r o a d c a s t ，请求当前环境 下存在的s e r v i c el o o k u p e r 予以回应。 s t e p - 4 将所有回应的l o o k u p e r 力口入到h i s t o 巧l i s t c - 和a v a i l a b l el i s t 2 中。 s t e p 5 最终的a v a i l a b l el i s t = a v a i l a b l el i s t lu a v a i l a b l el i s t 2 。 s t e p 6 如果a v a i l a b l el i s t 为空，则任务失败，退出。 s t e p - 7 对a v a i l a b l el i s t 中的任何一个l o o k u p e r ，按照其发现顺序，均做以下 处理：根据用户对服务的要求，采用某种服务匹配策略，将l o o k u p e r 中符合条件 的服务列表反馈给用户。 s t e p - 8 在用户选择一个可用的服务之后，下载s e r v i c eo b j e c t 。 算法3 1 流程图如下所示： 山东大学硕士学位论文 图3 - 3 算法3 1 图解 算法3 1 使用h i s t o r yl i s t ，a v a i l a b l e l i s t l ，a v a i l a b l el i s t 2 ，a v a i l a b l el i s t 等概 念。 h i s t o r yl i s t ：s e r v i c eu s e r 都要保存和维护一张关于它曾经使用过的s e r v i c e l o o k u p e r 的历史列表。历史列表的作用在于：上一次曾经使用过s e r v i c el o o k u p e r 山东大学硕士学位论文 进行s e r v i c el o o k u p 和s e r v i c eo b j e c t 的下载工作，那么下一次要执行l o o k u p 二e 作 的时候，此服务器很有可能还是可用的。如果该服务器可用，而且通过b r o a d c a s t 无法响应s e r v i c eu s e r ，h i s t o r yl i s t 就发挥了应有的作用。但是，在此时可用的 s e r v i c el o o k u p e r ，在下一时刻不一定仍然有效。因此，对于h i s t o r yl i s t 中的s e r v i c e l o o k u p e r y t j 表，需要进行有效性验证。所有经过验证可用的s e r v i c el o o k u p e r 都将 加入至l j a v a i l a b l el i s t l 中去。 a v a i l a b l el i s t ：可用列表只在一次l o o k u p 过程中有用。因此，这个列表的存 在是临时性的。当本次过程完毕后，a v a i l a b l el i s t 自动删除。根据算法3 1 ， a v a i l a b l el i s t 有两部分组成。当h i s t o r yl i s t 不为空时，对h i s t o r yl i s t 中的所有 s e r v i c el o o k u p e r 进行可用性验证，当前可用的l o o k u p e r 9 1 1 h 至l j a v a i l a b l el i s t l 中。 s e r v i c eu s e r 在当前环境下进行b r o a d c a s t ，所有响应此次l o o k u p e r 发现消息的 s e r v i c el o o k u p e r 组成了a v a i l a b l el i s t 2 。结果是，a v a i l a b l el i s t = a v a i l a b l el i s t lu a v a i l a b l el i s t 2 。 在算法3 1 的s t e p 7 ，对a v a i l a b l el i s t 中的任何一个l o o k u p e r ，按照其发现顺 序，均做以下处理：用户表达对服务的要求，采用某种服务匹配策略，将l o o k u p e r 中符合条件的服务列表反馈给用户。这种方法在实际应用中可以采用发现 l o o k u p e r 与在l o o k u p e r 中查找服务并行工作的方式。这样既能够保证查全率，又 能够保证查找效率。 3 3 实验设计与验证 3 3 1 实验思路 实验目标：第一，算法3 1 的正确性，即能够有效的发现服务。第二，在网络 不稳定的情况下，算法3 1 能发现更多的服务。第三，在带宽紧张的情况下，算 法3 1 在发现所有可能服务用的时间更少。 实验环境：构建如图3 4 所示的具有5 台s l 的网络实验环境，每台主机使用 w i n d o w sx p 操作系统， ) 及1 0 0 m b p sl a n 上网卡。 1 3 山东大学硕士学位论文 图3 - 4 实验环境 如图3 4 所示，实验环境中有5 台s e r v i c el o o k u p e r 。每台s e r v i c el o o k u p e r 都与 中心的r o u t e r 直接相连。同样，s e r v i c eu s e r 也与r o u t e r 直接相连。 本实验的目的是验证算法3 1 正确性与有效性的同时，与现有算法在效率上进 行对比。为了验证网络不稳定的情况下算法3 1 的优势，需要进行两次发现的比 较。第一次都是在正常情况下进行服务发现；第二次将一部分l o o k u p e r 所在端口 禁用广播。将该思路重复进行多次，即可验证在网络不稳定的情况下算法3 1 的 优势。同样，为了验证带宽紧张情况下，算法3 1 发现服务时间上的优势。必须 对网络环境进行限速。在环境网络速度分别不同的情况下，服务发现的时间各有 不同。将该思路重复多次，计算平均值，验证在带宽紧张的情