（计算机软件与理论专业论文）普适环境下异构设备互操作协议的设计与实现.pdf

摘要 在普适计算环境下，智能化的异构设备( 手机、上网本、p d a 等) 有能力处理更 复杂的界面信息，从而使得用户界面的表现形式日趋多样，即可以使用交互式图形、语 音、文字等多种方式与用户交互。随着3 g 移动通信技术的发展，持有不同设备的用户 之间信息交互的要求越来越迫切，但这种界面形式的多样性使得同一个信息对象在不同 设备中无法简单的使用相同的交互方式。这种交互方式的异构化导致了交互语义在不同 设备上的通信和表示日趋复杂，造成了异构设备之间互操作的困难。 在本文中，交互语义指从用户观点能看到并且能控制的信息内容，这些内容是界面 元素所代表的内在含义，它们并不会随着设备界面形式的不同而改变。正是信息内容所 具有的不变特征使异构设备之间的互操作成为可能。当前，已经有多种方法用于描述按 钮、菜单、文本框等标准界面元素，并应用到了异构设备环境中，但它们都没能关注最 难处理的主窗口内界面交互语义，从而无法真正解决互操作问题。 针对上述问题，本文设计了一个与设备无关的交互语义传输协议g i s t p 。该协议基 于x m l ，用于界面主窗口内交互信息的统一描述，并通过通信网络传输给与之互操作 的设备，而后由该设备上的g i s t p 解释器对其进行解析，提取出主窗口内的交互语义， 并使用符合本设备软硬件特性的表现形式将其呈现在界面上，从而实现异构设备的互操 作。本研究还设计与实现了不同设备上的g i s t p 解释器原型，并开发了一个应用g i s t p 协议的界面工具箱g i s t p i t ，用于支持应用开发者容易的构建基于g i s t p 的程序。最后 通过一个案例原型阐述了g i s t p 程序的开发过程，说明了该协议的可行性和有效性。 本文的研究受到国家“八六三高技术发展研究计划项目( 编号：2 0 0 6 a a 0 1 2 3 2 8 ) 、 中科院计算机科学国家重点实验室开放课题基金项目( 编号：s y s k f 0 7 0 4 ) 、国家自然 科学基金项目( 编号：6 0 8 7 3 0 9 5 ) 以及西北大学研究生科研实验类项目( 编号：0 9 y s y 3 2 ) 的资助。 关键词：普适计算，异构设备，交互语义，s v g d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h eh e t e r o g e n e o u sd e v i c e i n t e r o p e r a b i l i t yp r o t o c o li np e r v a s i v ee n v i r o n m e n t a b s t r a c t i n 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 , i n t e l l i g e n th e t e r o g e n e o u sd e v i c e s ，( s u c h a s c e l l p h o n e ，n e t b o o ka n dp d a ) a l ec a p a b l eo f h a n d l i n gm o r ec o m p l e x i n t e r f a c ei n f o r m a t i o n ，s o t h a tt h ee x p r e s s i o nf o r m so fu s e r s i n t e r f a c ea r ei n c r e a s i n g l yd i v e r s i f i e d ，t h a ti st os a yt h e d e v i c e sc a l lf u l f i l li n t e r a c t i o nw i t ht h eu s e r st h r o u g ht h em e a n sl i k ei n t e r a c t i v eg r a p h i c s ，a u d i o a n dt e x t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n to f i n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eu s e l 限p o s s e s s i n gd i f f e r e n tk i n d so fd e v i c e si sg e t t i n g i n c r e a s i n g l yu r g e n t b u tt h ed i v e r s i t yo ft h ei n t e r f a c em a k e si ti m p o s s i b l et h a tt h es a m e i n f o r m a t i o no b j e c ti nd i f f e r e n td e v i c e sc a ns i m p l yf u l f i l lt h ei n t e r a c t i o nt h r o u g ht h es a m e i n t e r a c t i v e a p p r o a c h t h eh e t e r o g e n e i t y o ft h ei n t e r a c t i v ea p p r o a c hm a k e si n t e r a c t i v e s e m a n t i cc o m m u n i c a t i o na n de x p r e s s i o ni n d i f f e r e n td e v i c e sm o r ec o m p l e x ，r e s u l t i n gi n d i f f i c u l t i e si nt h ei n t e r o p e r a b i l i t yo fh e t e r o g e n e o u sd e v i c e s i nt h i sp a p e r , i n t e r a c t i v es e m a n t i c sm e a n st h ec o n t e n t so ft h ei n f o r m a t i o nt h a tc a nb e s e e nc a nc o n t r o l l e db yt h eu s e r s t h ec o n t e n t sa l et h et a c i tm e a n i n go ft h ei n t e r f a c ee l e m e n t s ， s ot h e yd on o tc h a n g ew i t ht h ec h a n g eo fi n t e r f a c ef o r ma td i f f e r e n ti n t e r f a c e s i ti sj u s tt h e f e a t u r eo fi n v a r i a n c eo ft h ei n f o r m a t i o nc o n t e n t st h a tm a k e si n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e n h e t e r o g e n e o u sd e v i c e sp o s s i b l e a tp r e s e n t ，t h e r ea l ea l r e a d ym a n ym e t h o d so fd e s c r i b i n g s u c hs t a n d a r di n t e r f a c ee l e m e n t sa sb u t t o n s ，m e n u s ，t e x tb o x e s ，a n dt h em e t h o d sh a v e b e e n a p p l i e dt ot h eh e t e r o g e n e o u sd e v i c ee n v i r o n m e n t ，b u tt h e yf a i l e dt on o t i c et h es e m a n t i c i n t e r a c t i o na tm a i nw i n d o wi n t e r f a c ew h i c hi st h em o s td i f f i c u l tp r o b l e mt od e a l 谢t l l ，s ot h e i n t e r o p e r a b i l i t yp r o b l e mc a n n o tb er e a l l ys o l v e d d i r e c t i n ga tt h ep r o b l e mm e n t i o n e da b o v e ，t h i sp a p e rl a y o u t sad e v i c e i n d e p e n d e n t i n t e r a c t i v es e m a n t i c st r a n s m i s s i o np r o t o c o l - - - g i s t eb a s e do nx m l ，t h ep r o t o c o li sf o ra u n i f i e dd e s c r i p t i o no ft h ei n t e r a c t i v ei n f o r m a t i o no nt h em a i nw i n d o wi n t e r f a c e ，a n dt h e i n f o r m a t i o ni st r a n s m i t t e dt h r o u g hc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k st ot h ei n t e r o p e r a t i n gd e v i c e s ， t h e nt h ei n f o r m a t i o nw i l lb ei n t e r p r e t e db yt h eg i s t pi n t e r p r e t e ro ft h ed e v i c e s ，e x t r a c t i n gt h e m i n t e r a c t i v es e m a n t i c si nt h em a i nw i n d o wa n dp r e s e n t i n gi ta tt h ei n t e r f a c et h r o u g ht h e e x p r e s s i o nf o r m sw h i c hm e e tt h eh a r d w a r ea n ds o l t w a r ef e a t u r e so ft h ed e v i c e s ，s ot h a tt h e i n t e r o p e r a b i l i t yo fh e t e r o g e n e o u sd e v i c e si sa c h i e v e d t h es t u d ya l s ol a y o u t sa n di m p l e m e n t s g i s t pi n t e r p r e t e rp r o t o t y p ei nd i f f e r e n td e v i c e s ，a n dd e v e l o p sa ni n t e r f a c et o o l k i tw h i c h a p p l i e sg i s t pp r o t o c o lt os u p p o r ta p p l i c a t i o nd e v e l o p e r se a s i l yb u i l dp r o g r a m sb a s e do n g i s t p a n df i n a l l yt h ea u t h o re l a b o r a t e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fg i s t p p r o g r a mt h r o u g h ac a s es t u d y , a n di l l u s t r a t e st h ea v a i l a b i l i t ya n de f f e c t i v i t yo ft h ep r o t o c 0 1 t h er e s e a r c ho ft h i s p a p e rw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i g h - t e c hr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) ( n o 2 0 0 6 a a 0 1z 3 2 8 ) ，t h eo p e nf o u n d a t i o n o fs t a t ek e yl a b o r a t o r yo fc o m p u t e rs c i e n c e ，t h ec h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s ( n o s y s k f 0 7 0 4 ) ，t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e rg r a n t ( n o 6 0 8 7 3 0 9 5 ) ，a n dt h es c i e n c er e s e a r c hl a b o r a t o r yf o u n d a t i o no f g r a d u a t es t u d e n t ，n o r t h w e s t u n i v e r s i t y ( n o 0 9 y s y 3 0 ) 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 ，h e t e r o g e n e o u sd e v i c e , i n t e r a c t i v es e m a n t i c s ，s v g 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北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、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：牟龇指导教师签名：兰纽 融一年6 踟日 忉fp 年舢日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 蝴、刍 学位论文作者签名：1 袋 嗜 硼jo 年6 月硼日 西北大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 在普适计算环境下，手机、上网本、p d a 等异构设备的智能化，使之具备了较强的 计算能力和更大的屏幕，能够给用户提供交互式图形、语音和文字等多种交互界面以满 足用户交流、办公及娱乐等不同层次的需求。而3 g 移动通信技术的发展，极大地丰富 了普通用户的沟通与生活，他们能够随时随地的利用手持移动设备进行收发邮件、获取 资讯信息、进行视频电话或会议以及游戏娱乐等活动。在这样的背景下，持有不同种类 设备的用户之间信息交互的要求越来越迫切，例如，一个智能手机用户有和传统的p c 用户实时交换信息、视频交谈以及共同游戏的需求。 然而，由于各种设备之间计算能力、屏幕尺寸、输入设备的异构化，使得界面信息 在不同设备上的表现形式日趋多样。例如，传统的p c 中，界面信息通常是以交互式图 形的方式展现给用户，而由于其具有强大的处理能力，越来越多的p c 应用程序或游戏 程序采用绚丽的三维图形界面，提供给用户丰富的交互手段，得到良好的视听效果；在 智能手机上，因为处理能力的限制，大多采用二维图形界面，在不影响程序运行的效率 的前提下，提供给用户一定的交互手段；而在某些低档次设备中，甚至采用文字或语音 界面，以保证设备的功能。在异构设备的信息互操作中，这种多样性使得同一个信息对 象在不同设备中无法简单的使用相同的交互方式，例如，计算能力差，屏幕尺寸小的移 动设备，不适合使用三维图形作为其交互方式。 如上文所述，设备的异构化，给不同种类设备之间的通信带来了困难，原因如下： 1 ) 由于服务器端难以了解客户端设备的软硬件属性和交互方式( 图形、语音、文字等) ， 故客户端设备的界面信息表现形式不能由服务器端决定，即不能以传输信息具体表现形 式的方法解决通信问题。因为这需要为存在的每一种客户端设备均设计一套专用的互操 作方法，而每增加一种新的设备，就需要重新为其设计一套方法，使其兼容已经存在的 系统。这样会大大增加通信的信息量和系统的复杂性，同时降低了其可扩展性。2 ) 由 于各类设备处理能力不同，特别是移动设备计算能力较差，在处理交互信息的同时，没 有能力处理全部应用逻辑，所以，也就不能通过服务器和客户端设备之间传输应用语义， 由客户端设备运行具体应用的方法解决通信问题。 针对上述问题，一个可行的方案是设备之间只传输交互语义，而不需要关心对方将 第一章绪论 其解释成何种具体的交互方式。在本文中，交互语义指从用户观点能看到并且能控制的 信息内容。这些内容并不会随着设备界面形式的不同而改变，即交互语义具有不变性， 或者说具有设备无关性。然而，交互语义可以有不同的表现形式，例如相同的信息内容 可以在不同设备上表示成三维交互式图形、二维交互式图形、语音或文字等。例如，一 张中国地形图，在计算能力较强的p c 中，可以用三维图形予以多侧面的表示，以增强 其真实感；而在计算能力较差的手机上，只能用传统的二维图形表示。在这一过程中， 地形图呈现给用户的信息内容( 即交互语义) 是相同的，不同的只是该内容的具体表现 形式。由于交互语义的不变性，故可以使用统一的格式对其表示并传输，并在不同的设 备上以合理的形式呈现出来，从而为异构设备的互操作提供了可能性。在互操作过程中， 客户端设备只负责处理交互语义，通信双方不需要关心对方设备的软硬件细节和具体的 交互方式，从而支持异构设备选择符合本设备软硬件特性的具体交互方式，不需要被与 之互操作的其他设备所制约。同时，所有应用逻辑均由服务器端处理，以解决低计算能 力的客户端设备不能处理应用语义的问题，并进一步降低了传输的信息量。 基于上述分析，作者设计并实现了一个表示和传输图形交互语义的协议 g i s t p ( g r a p h i e si n t e r a c t i v es e m a n t i c st r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 以解决异构设备界面主窗口 内的图形信息互操作问题。g i s t p 是一个基于s v g 的图形交互语义传输协议( 对s v g 进行了改造和扩充) ，并在不同设备中设计并实现了该设备专用的g i s t p 解释器，将交互 语义以适合本设备软硬件特性的形式予以表示。本文虽然是以交互式图形界面为基础说 明该方案的可行性，但是也可以容易的推广到其他类型的交互方式( 例如语音交互等) 。 本方法增强了系统的可伸缩性和开放性，可以方便的在系统中增加新型设备而无需对已 存在的应用进行修改，使得系统更易扩充和维护。 本文的研究受到国家“八六三 高技术发展研究计划项目( 编号：2 0 0 6 a a 0 1 2 3 2 8 ) 、 中科院计算机科学国家重点实验室开放课题基金项目( 编号：s y s i 心0 7 0 4 ) 、国家自然 科学基金项目( 编号：6 0 8 7 3 0 9 5 ) 以及西北大学研究生科研实验类项目( 编号：0 9 y s y 3 2 ) 的资助。 1 2 研究现状分析 在异构设备的界面构建中，由于标准界面元素，例如菜单、按钮、卷滚条、文本框 等，在不同的设备界面中具有相同的语义，故可以使用基于x m l ( 扩展标记语言) 乜1 的界面描述语言对其描述，然后通过不同设备上的解释工具对已经描述过的界面信息进 2o 西北大学硕士学位论文 行解析，生成符合具体设备特性的界面环境。这种方法的优点在于，使得各种设备的界 面标准化并很好的与应用相分离，也可以为一个应用配置多个用户界面。目前，对于这 些界面描述语言的研究主要集中在标准界面元素的描述上，如u i m l ( u s e ri n t e r f a c e m a r k u pl a n g u a g e ) 、x u l ( x m l u s e ri n t e r f a c el a n g u a g e ) 等。 用户界面标记语言u i m l 盼1 是描述用户界面的元语言，是x m l 的应用。它采用统一 的界面描述词汇来描述各种类型的界面( 传统的g u i ，网页，手持设备界面以及语音设 备的输出界面等) ，通过将通用词汇映射成特定的界面词汇来描述各类界面元素( 菜单、 按钮、文本框等) ，而后由相应的应用程序生成适合当前设备的具体界面。u i m l 提供 了一种描述界面的抽象机制，它将界面和行为进行了分离，但是，它只能描述菜单、按 钮、工具栏、卷滚条等标准的界面元素，对于主窗口内的图形没有支持，而是将其交给 应用程序自行处理。在国内，基于u i m l 的研究还比较少，国外的研究主要集中在多设 备间标准界面元素的描述陆1 2 3 或者在特定领域内的界面描述问题n 羽，都没能解决工作区 内交互语义的表示和传输问题。在普适计算环境下，程序主窗口内交互方式的异构化成 为了异构设备互操作的障碍。 x u l h l 来自于m o z i l l a n 4 1 的开源项目，是一个基于x m l 的用户界面语言，它仅仅描 述界面的组成，并不包含组件本身或者具体的实现技术。x u l 定义了丰富的用户界面 元素及布局方式，界面元素的外观( 颜色、字体等) 可以通过x m l 属性进行描述，而元 素的行为则需要通过脚本( j a v a s c r i p t n 印等) 定义，并调用用户自己的事件处理机制，这 些特点决定了x u l 在理论上是平台无关的。目前，x u l 主要应用在w e b 方面，使用 x u l 可以容易地构建出复杂的w e b 应用。与u i m l 类似，目前国内外对x u l 的研究也 主要集中在标准界面元素的布局上n 蚴1 ，对主窗口内交互语义方面的研究与应用几乎没 有关注。其他基于x m l 的界面描述语言如x i m l 心3 _ 钔、w m l 乜鼬刀等也都没有关注主窗 口内的交互语义问题。 如上文所述，这些界面描述语言虽然很好地描述了菜单、按钮等标准界面元素，但 是，其研究与应用都没有关注主窗口内的图形交互语义，导致了这些原有技术在处理异 构设备图形信息互操作过程中存在很大困难。具体表现为：1 ) 对主窗口内的界面构建 没有任何支持，这一部分工作都是由应用程序自己完成，增加了应用程序的复杂性并降 低了系统的可扩展性；2 ) 不能够统一描述与传输主窗口内的交互语义，以至于无法解 决异构设备之间的图形信息互操作问题；3 ) 有些语言仍然包含了过多的实现细节，需 要使用特定的开发工具，并了解互操作设备的一些属性。综上所述，现有技术的主要不 3 第一章绪论 足在于不能够描述与传输主窗口内的交互语义。 作为一种语义描述工具，x m l 具有以数据为中心的特性，同时，具有s c h e m a 馏刚等 能够描述与规范x m l 文档的语言。s c h e m a 的作用是能够验证x m l 文档的逻辑结构是 否符合预定的规范，这使得解释器能够容易的生成符合协议规则的文档。利用以上特性， 作者设计了一个图形交互语义协议g i s t p 以解决交互语义的表示与传输问题。 1 3 本文主要工作 本文通过分析普适环境下异构设备互操作中存在的困难，设计了一个基于s v g 的 图形交互语义协议g i s t p ，用以描述异构设备应用程序主窗口内的交互语义，并且设计 了异构设备互操作过程中主窗口内界面内容及属性的传输时序。同时，在不同的设备平 台上( 本文以传统的p c 平台和g o o g l e 公司的开源手机平台a n d r o i d 为例) 分别实现了 g i s t p 解释器，将相同的界面内容映射到特定的设备上，并以符合该设备软硬件特性的 方式予以展示。为了支持应用开发者更容易的构建g i s t p 程序，本文还在不同平台上分 别设计并实现了g i s t p 界面工具箱g i s t p i t ( g i s t pi n t e r f a c et o o l k i t ) 。最后，利用g i s t p 开发了一个交互式桌球游戏原型用以验证本方法的可行性。本文的主要研究内容包括以 下几方面： ( 1 ) 分析了普适环境下异构设备互操作过程中存在的问题。 ( 2 ) 通过分析目前流行的网络软件体系结构，提出了表示并传输主窗口内交互语 义的方案，用以解决异构设备的互操作问题。 ( 3 ) 设计了一个基于s v g 的图形交互语义协议g i s t p ，用于描述主窗口内的交互 语义，并且设计了互操作过程中的传输时序。g i s t p 具有十二种基本图形( 矩形、线段、 四面体等) ，并使用基本图形的不断叠加来构建出复杂的主窗口图形界面。g i s t p 的基 本图形包括图形类别、位置属性和质地属性三部分，其中，图形类别即为x m l 描述中 的标签名称( 、 等) ，共有十二类；位置属性根据每一种基本图形的几何特 性，描述了该类图形的具体位置坐标；质地属性则描述了基本图形的颜色以及材质等信 息。除了基本图形之外，g i s t p 的另外一个组成部分是环境属性，包括背景色、亮度、 对比度等。g i s t p 不仅包括上述表示交互语义的静态描述性内容，还包括了动态的时序 规则，规定了g i s t p 被解析后所生成的数据，通过通信网络传递到其他设备时的顺序。 ( 4 ) 设计并实现了一个p c 平台上基于j a v a 和一个移动平台上基于a n d r o i d 的 g i s t p 解释器原型。在本文中，两个解释器原型的底层x m l 解析工具分别使用了d o m 4 西北大学硕士学位论文 ( d o c u m e n to b j e 圮 tm o d a l ) 和s a x ( s i m p l ea p if o rx m l ) 。g i s t p 解释器的功能是将 g i s t p 所描述的图形交互语义抽象数据解析成当前设备所能理解的具体数据，提供给该 设备用以产生相应的交互方式；并能将当前设备上的具体图形交互语义提取出来，解释 成相应的g i s t p 抽象数据，通过通信网络传输给与之互操作的设备。在本文中，两个 g i s t p 解释器原型对于数据的解析和映射方式是一致的，不同的只是应用程序使用映射 之后生成的具体数据构建交互语义的方式。 ( 5 ) 开发了一个p c 平台上基于j f c ( j a v af o u n d a t i o nc 1 硒s 懿) 和一个移动平台上 基于a n d r o i d 的g i s t p 界面工具箱g i s t p i t ，用来支持应用开发者容易地构建基于 g i s t p 的应用程序。g i s t p i t 封装了底层平台的低级图形接口，并将事件模型集成在图 形对象中，对上层提供统一的接口，使得应用程序可以方便的建立主窗口内的交互式图 形界面。 ( 6 ) 开发了一个交互式桌球游戏原型。该原型系统以本文提出的g i s t p 协议及解 释器为基础，并利用了g i s t p i t 构建主窗口内的图形界面，用来验证本文中异构设备互 操作方法的有效性和合理性。p c 上和手机上的游戏客户端分别使用j f c 平台和a n d r o i d 平台开发，服务器端使用j a v a 平台开发。 1 4 本文组织结构 本文的余下各章分为四个部分： 第一部分：由第二章组成。首先，分析了与本文相关的当前网络软件体系结构的研 究成果，介绍了当前流行的主要体系结构，并且分析了其各自的优缺点，说明了它们在 普适环境下处理异构设备互操作过程中的优势与不足。其次，说明了交互语义的内容与 作用，并阐述了通过表示并传输交互语义的方式解决异构设备互操作问题的可行性。 第二部分：由第三章和第四章组成，是本文的核心。主要针对异构设备互操作过程 中存在的问题，提出一个基于s v g 的图形交互语义( 即交互语义均由不同种类的图形 表示) 协议g i s t p ，并在不同的平台上分别设计并实现了g i s t p 解释器，以解决程序 主窗口中界面信息表示与传输的问题。同时，开发了一个界面工具箱g i s t p i t ，用以支 持开发者建立基于g i s t p 的应用程序。其中，第三章主要阐述了g i s t p 的内容、属性 以及交互时序，第四章详细介绍了不同平台上g i s t p 解释器以及g i s t p i t 的设计及实 现。 第三部分：由第五章组成。通过一个交互式桌球游戏原型系统b i l l i a r d s 的构建过程 5 第一章绪论 详细说明了如何应用界面工具箱g i s t p i t 建立一个基于g i s t p 的应用程序。本部分从 b i l l i a r d s 系统的界面设计、事件处理机制以及g i s t p 解析与传输等几个方面详细介绍了 g i s t p i t 的使用方法，验证了g i s t p 协议的合理性和有效性。 第四部分t 是本文工作的总结与展望。这一部分中，总结了本文的主要工作，并对 下一步的工作提出展望。 6 日北大学顿学位论i 第二章普适计算与网络软件体系结构研究 2 1 引言 随着计算机和通信技术的飞速发展，互联网已经应用于政治、经济、生活的各个部 分，而普适计算的发展，使得异构设备之间通过通信网 络进行信息交互的需求日益增加( 圈2 1 ) 。当前的网 络软件体系结构主要包括传统的c s ( c l i e n t s e r v e r ) 结构和b ，s ( b r o w s e r s e r v e r ) 结构，以及新兴的“富 客户端”( 础c hc l i e n t ) 技术。 本章将首先简要的介纠普适计算的定义和普适可 用性的特征，说明设备异构化以及输入异构化的趋势； 其次，将介绍当前主要网络软件体系结的内容并分析其 特征，说明这几类结构在处理异构设备互操作时的优点 圈2 - 1 异构设备的交互需求 及不足；最后将阐述交互语义的含义，并分析利用交互语义的不变性解决异构设备互操 作问题的可行性。 22 普适计算 22 1 普适计算的定义 清华大学的徐光佑等给出的普适计算定义为：“普适计算是信息空间与物理空间的 融合，在这个融合的空间中人们可以随时随地、透明地获得数字化服务。”由上述定 义可知普适计算是一种无处不在的计算方式，即无论何时何地，只要用户需要，就可 以通过某种设备访问到所需要的信息。普适计算强调将设备嵌入到工作、学习与生活的 环境中将计算设备与用户的使用环境融为一体，做到从用户的视野中“消失”，给用 户提供更便捷、更舒适的服务，从而让人们的注意力集中十要完成的任务本身，而不是 所使用的工具。即普适计算是一种人本计算1 。 222 普适可用性 当前，普适计算正逐步发展成丰流的计算模式，人机交互的效率和自然性是影响其 发展的关键因素之一。”。而个具备良好可用性的应用界面应该在用户操作系统过程中 7 第二章普适计算与网络软件体系结构研究 对用户问题的求解提供有帮助的表示和操作，以使得用户能够集中精力于自己的任务， 无需关注不必要的界面设计细节钉。 传统的可用性建立在桌面计算的办公应用基础上，其用户为受过培训的专业人员， 主要处理传统的办公事务( 文字、表格的处理等任务) ，强调交互的有效性和高效性。 而在目前普适计算的大环境下，用户已经不局限于办公人员，更多的是使用各种设备进 行实时沟通、获取信息以及娱乐的普通大众。这就使得我们对可用性的需求不能只停留 在仅仅提供有效高效的基础上，而应该更加关注系统的可学习性、可理解性和可操作性。 故本文中所提及的普适可用性一般而言包含以下两个特征： ( 1 ) 用户界面的设计应该关注与用户意图相关的心理学属性，即关注用户任务本 身，而非用户不熟悉的领域变量以及相关的物理属性。此时就要求用户界面不仅要保证 传统可用性所强调的有效性与高效性，还要注重界面元素所表达的语义。这就需要采用 多通道的交互方式眵，即使用多种交互形式( 图形、笔、语音等) ，让用户能够以日常 生活中惯用的方法与系统交互，增强系统的可理解性和可操作性，提高用户的交互兴趣 与满意度，从而摆脱传统桌面计算单一的w i m p ( w i n d o w ，i c o n ，m e n u ，p o i n t i n gd e v i c e ) 范式。 ( 2 ) 界面的设计需要考虑用户的控制，因为用户比系统本身更了解自己的任务所 在。故应该允许用户在意图层次上对系统进行控制，以使得系统能够按照用户的任务要 求帮助其解决问题。而低级层次的领域变量则由系统控制，因为普通用户并不了解这些 特殊领域的具体细节，也不应该花费精力去了解这些复杂而繁琐的具体任务处理过程。 故应该把与任务相关的控制权交给用户，而将为了完成用户任务而进行的枯燥、重复性 的具体计算或者与特定领域知识相关的工作委托给系统来完成。而这就需要用户界面具 有语义层次上的可控性，即需要通过提取出界面元素的交互语义( 2 4 节) 以完成用户 任务，提供给用户可控性。 在摩尔定律的约束下，计算机硬件和通信设备飞速发展，为人机交互逐步脱离传统 桌面计算的w i m p 范式，进入到图形、语音以及笔交互等多通道交互，从而为实现普适 可用性提供了硬件支持。多通道交互技术的发展能够为用户提供更具个性化的交互形 式，同时能够有效的扩大交互的带宽，提高交互的效率，也能使交互更加自然和谐。在 这样的大环境下，各种设备之间计算能力、屏幕尺寸、输入设备日趋异构，使得界面信 息在不同设备上的表现形式日趋多样化，从而给异构设备的互操作带来了困难。 8 西北大学硕士学位论文 2 3 网络软件体系结构 2 3 1c s 结构 c s 结构即客户和服务器结构，交互过程中，客户积极初始化通信，而服务器被动 地等待连接( 图2 2 ) 。c s 结构可以充分利用客户和服务器两端的硬件优势，由于客户 端具有较强的计算能力，故与客户有关的应用逻辑可以放到客户端处理，而访问服务器 端主要是为了获取相关的运行数据。因此c s 结构也被称作“胖客户端。 图2 - 2c $ 结构 由以上介绍可知，c s 结构可以将用户任务合理的分配到客户端和服务器端，从而 减轻服务器端的负载，降低二者的通信信息量，从而使得计算资源能够在任务分配中更 加优化。此外，由于客户端计算能力强，故可以更好的处理交互信息，为用户提供更绚 丽、更自然、更具个性化的交互界面。但是，由于c s 结构需要用户安装专门的客户端 程序，故其安装成本高且通用性差，使得系统更新、维护较困难，跨平台能力也较弱。 在普适环境下，由于设备的异构化，不同客户端的软硬件属性差距很大，导致了客户端 设备之间计算能力、屏幕尺寸、输入设备以及底层软件支持等方面的异构化。在这种情 况下，传统的c s 结构已经不适合用来构建异构设备下的应用，具体原因将在2 3 4 节 详细阐述。 9 第二章普适计算与网络软件体系结构研究 2 3 2b s 结构 b s 结构即浏览器和服务器结构，它随着i n t c r n c t 技术的兴起而逐渐流行( 图2 3 ) ， 可以看做是对c s 结构的在w e b 环境下的一种改进。在b s 结构中，用户界面由浏览 器实现，极少部分的用户任务放在前端( 浏览器) ，主要的应用逻辑由服务器端处理。 b s 结构统一了客户端，不需要任何特殊的硬件设备，简化了系统的开发过程和后期维 护。由于其在浏览器端只能处理非常少的用户任务，故b s 结构也被称作“瘦客户端 。 i n t r a n e t 图2 - 3b s 结构 由于b s 结构具有统一的客户端( 浏览器) ，故开发简单，软硬件成本低( 不需要 开发专用平台的客户端程序，也不需要用户拥有高计算能力的设备) ，易于更新和维护 ( 只需要简单的改变w 如页面就可以实现所用用户的同时更新) 。此外，还具有开放性 强，界面统一等优点。但是，由于浏览器风格较为单一，难以胜任用户个性化的界面需 求，故b s 结构具有交互性差、灵活性不足等缺点；而由于浏览器几乎没有计算能力， 用户任务都放在服务器端处理，使得服务器负载过重，并且通信的信息量过大。b s 结 构与c s 结构的性能比较3 1 如表2 1 所示。随着计算机硬件和通信设备的飞速发展，各 种设备硬件性能逐步增加，计算能力逐渐增强，可以处理更多的包括图形信息在内的交 互内容和业务逻辑，故b s 结构也不适合用来构建异构设备下的应用，具体原因将在 2 3 4 节详细阐述。 表2 - 1c s 结构与b s 结构的性能比较 客户端的服务器通信数据开发与建更新与交互性 计算能力负载传输量立成本维护 c s 结构强轻小高困难强 b s 结构弱重大低容易弱 1 0 西北大学硕士学位论文 2 3 3 富客户端 富客户端充分利用了原有两类客户端的优势，并应用各种新技术改造原有技术存在 的不足，体现了未来客户端的发展趋势m 瑚瑚3 7 1 。富客户端的一个主要作用是使得创建富 因特网应用程序( r i c hi i l t e r n e t a p p l i c a t i o n s ，r i a ) 汹1 成为可能。r i a 集成了桌面程序的 交互性和传统w e b 应用程序的灵活性，是一种安全、可升级、具有良好适应性的新型 面向服务模型。r i a 具有丰富的数据模型和用户界面，可以操作更为复杂的嵌入客户端 的用户任务数据，需要利用富客户端为其提供的运行环境。r i a 还具有灵活的界面控制 元素，摆脱了传统h t m l 页面有限的控制功能，这就使得r i a 能够显示更加复杂的界 面信息。这样的结构决定了客户端能够自行处理一定的用户任务，与传统的w e b 应用 相比更具个性化，并降低了服务器的负载。 在普适计算环境下，设备的异构化带来了不同设备计算能力和交互方式的极大差 异，但是绝大多数设备的处理能力都在逐步提高，这使得客户端设备虽然不能够处理全 部应用逻辑，但是却具备了处理交互信息的能力。富客户端的结构特点可以发挥出各种 设备的优势，使得不同种类设备的计算能力都能够得到充分的发挥，能够让用户任务在 客户端与服务器两端实现更合理的分配，增强了交互效率乃至业务处理的效率，从而能 够有效的分担服务器的负载，降低网络数据的传输量。本文中g i s t p 协议的设计方案借 鉴了富客户端的思想，充分利用客户端设备的计算能力来处理交互信息，从而使得交互 更加自然。 2 3 4 传统结构的局限性 由上文的论述可知，设备的异构化，给不同种类设备之间的通信带来了困难。首先， 服务器端难以了解客户端设备的软硬件属性和交互方式( 图形、语音、文字等) ，从而 不能判断应该使用何种方法与客户端设备交互；其次，由于各类设备处理能力不同，特 别是移动设备计算能力较差，不能处理全部应用逻辑，故服务器也就无法决定用户任务 如何在客户端和服务器之间合理分配，使得系统效率较低。 由于服务器不了解客户端设备的具体细节，故客户端的界面信息表现形式不能由服 务器端确定，因为不可能为存在的每一种可能的客户端设备均设计一套专用的互操作方 法，否则每增加一类新设备，就需要重新设计一套相关方法，继而要修改服务器上已经 存在的系统，给系统的维护带来困难。通过上述分析可知，不能以传输信息具体表现形 式的方法解决通信问题，否则，通信的信息量会大大增加，同时又增加了系统的复杂度， 1 1 * = 章昔g g 目络# * # * m m 宄 并且降低r 其可扩展性。 因为各娄设各处理能力不同，也就不能通过服务器和客户端设备之间传输应用语 义由客广端设备运行具体应用的方法解决通信问题，因为某些低档次设备无法胜任处 理应用语义的工作。可以将全部用户任务放在服务器端处理，但这样就类似于传统的 b s 结构，会造成交q ：能力的减弱，服务器负载的增加，更重要的是不能利用有些客厂1 端设各自身的计算能力，即不能合理的分配用户任务，从而造成交互效率低f 。 综上所述，传统的c s 结构和b s 结构自身的局限性使得它们都不能够胜仟普适环 境下异构设备的耳操作要求，而新兴的富客户端思想为解决异构设备日：操作问题提供了 基础。一个可行的方案是设备之间只传输交百语义，而不需要关心对方将其解释成何种 其体的交互方式，充分利用客户端设备的计算能力提高交互效率，使交互更自然。 2 4 交互语义 在本文中交百