（计算机软件与理论专业论文）基于xml的多媒体课件协同编写和装配系统的设计与实现.pdf

中文摘要 本文以现代远程教育中的的多人协同课件制作需求为背景，以c s c w 理论作为 指导，探索性的采用x m l 来描述系统的数据模型，设计和实现了支持多人实时在 线课件编写和装配系统c o c o u r s e w a r e 。首先，论文介绍了c s c w 理论，详细介绍了 x m l 技术以及课件的x m l 表示和存储模式；其次，依据c s c w 理论确立了系统的协 同工作模型，设计了系统的总体结构和各部分的组成结构；最后，论文介绍了系 统实现采用的具体技术。系统实现了支持多媒体交互的网络传输平台；提出并实 现了应用层消息转发和组播算法；采用x m l 规范在t c p i p 协议之上实现了系统的 协作通信协议；提出并实现了系统的用户和权限管理模型；实现了x m l 文档处理 的d o m 接口；提出并实现了基于版本序号的并发控制算法，并对算法进行了多方 面改进：用x s l t 实现了课件的多样性显示和发布。 关键词：课件，c s c w ，x m l ，并发控制算法 a b s t r a c t y 五1 970 1 i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h e a u t h o r i m p l e m e n t a c o o p e r a t i v ee d i t i n g a n d a s s e m b l ys y s t e mo fc o u r s e w a r e ，n a m e dc o c o u r s e w a r e ，b a s e do nt h et h e o r yo f c s c wf o rt h er e q u i r e m e n to fm a k i n gc o u r s e w a r ec o l l a b o r a t i v e l yi nm o d e m d i s t a n c ee d u c a t i o n f i r s t l y , t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h et h e r o yo fc s c w s e c o n d l y , t h ea u t h o ri n n o v a t i v e l yu s e st h ex m lt od e s c r i b et h ed a t am o d e la n du s e s d o ma st h es t o r a g es c h e m ao fc o u r s e w a r e w h e r e a f i e r ，t h ea u t h o re s t a b l i s h e s t h es y s t e m sc o o p e r a t i v ew o r km o d e la n dd e s c r i b e st h es y s t e m sf r a m e w o r k a t t h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o nt h ea u t h o rp r e s e n t st h et e c h n o l o g i e si nt h es y s t e m s i m p l e m e n t a t i o n a t l e n g t h ap l a t f o r m o fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sa b o u t m u t i m e d i ai n f o r m a t i o na n di n t e r f a c e so ft h ex m ld o c u m e n tp r o c e s s i n ga r e r e a l i z e d f o l l o w i n g t h ex m l c r i t e r i o n s ，ai n t e r a c t i v ep r o t o c a lo n t c p i pi sb u i l t a l s o ，am a n a g e m e n t m o d e lo ft h e u s e r s p o w e r i s p u t f o r w a r da n d i m p l e m e n t e d w h a t sm o r e ，ac o n c u r r e n c y c o n t r o l a l g o r i t h m b a s e do nn o d e v e r s i o ni sp u tf o r w a r da n di m p r o v e d f i n a l l y ，t h ea u t h o rr e a l i z et h es h o w i n g a n di s s u a n c eo fc o u r s e w a r eu s i n gx s l l t k e y w o r d s ：c o u r s e w a r e ，c s c w , x m l ，c o n c u r r e n c y c o n t r o la l g o r i t h m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 互联网的迅速普及、信息技术的快速发展和广泛应用，使整个社会的政治、 经济、文化正日益发生着深刻的变革。现代远程教育的蓬勃兴起打破了传统学校 教育的单一模式，初步构筑了一个远程、开放、手段更加新颖、内容更加丰富的 教学环境。与现代远程教育相关的技术也成了当前计算机技术研究的一大热点。 课件( c o u r s e w a r e ) 又称电子学习材料，泛指内容特定的教学软件“。内容丰 富、形式多样、易于交互的课件对提高网上教学的水平和质量很有帮助。但目前 提供给远程教育者设计和装配课件的支撑工具还十分匮乏，特别是教学者往往也 分散在异地，共同完成一份课件的编写困难重重。因此，解决网上教学课件的异 地编写、讨论和装配问题，对支持远程教育者协同工作、提高课件制作效率和质 量，进而提高当前网上远程教育水平具有重要意义。 1 2 课件及其在现代远程教育中的作用 远程教育( d i s t a n c ee d u c a t i o n ) 是指地理位置分布的学生和教师、学生和教 育机构之间主要采用多媒体手段进行系统教学和通信联系的教育形式。现代远程 通信技术、网络技术、多媒体技术的发展使得多媒体信息的实时传递和双向交互 成为现实，我们称这种以卫星电视和计算机网络为主要传播媒体的新一代教育方 式为现代远程教育。 现代远程教育的资源相当丰富，包括媒体素材库、题库、案例库、课件库和 网络课程以及适合多种教学模式的教学支撑系统和管理系统等。教学支撑系统由 一系列支持多种教学模式的教学工具构成，主要包括学习系统、授课系统、教学 资源编辑制作系统、辅导答疑系统、作业评阅系统、考试系统、评价系统、交流 讨论工具、虚拟实验系统及搜索引擎等。这些教学工具都是基于远程教学资源库 的，用于完成远程教学中的各项教学活动和实现远程协作。 在现代远程教育系统中课程以课件的形式存在于网络上，因此课件是一种相 当重要的教学资源。需要指出的是课件并不简单的是书本或教案的电子版，课件 应该体现相应教学模式和教学策略的应用，这其中包括教学模式选择策略、教学 内容展开策略、学习信息呈献策略、学习过程控制策略、人机交互策略以及反馈 评价策略等，运用多媒体技术真正能够起到网上教学的目的。 基于x m l 的多媒体课件协同编写和装配系统( c o c o u r s e w a r e ) 的设计与实现 课件可以被分为以下几种类型： 1 电子作业支持系统( e l e c t r o n i cp e r f o r m a n c es u p p o r ts y s t e m ，e p s s ) 指一种具有“即时学习”或“即求即应”学习功能的课件类型。它可以根据 学习者的需要随时提供所需的知识。电子作业支持系统的特点是将学习置于工作 过程之中。这类课件主要由知识库、交互学习训练支持、专家系统、在线帮助以 及用户界面等部分组成。它要求课件开发者必须重视对知识结构组成的理解和充 分发挥计算机交互学习的特点。 2 群件( g r o u pw a r e ) 群件是指能支持群体或小组进行合作学习的一种课件类型。群件概念的提出 是基于网络技术的发展和在教育中的应用。从某种意义上说，群件是一种新型的 课件类型，它是介于计算机辅助课堂教学和个别化教学之间。群件方面的开发和 实际应用还是一个空白。其重点是要放在对小组学习过程的控制、管理、学生之 间的通讯、以及友好学习界面的设计等主要方面。 3 积件( i n t e g r a t e dw a r e ) 积件是指基于多媒体的教学素材元素或知识单元。从某种意义上讲，积件可 称为课件的半成品。这类课件也可视为结构化了的多媒体教学素材。利用某个著 作工具，教师只需简单地将部分素材元素进行一定的组合，很快就可以形成一个 自己所需的教学课件。在我国，近几年的课件实际推广使用的效果证明，大多数 教师都越来越不喜欢直接采用他人已开发完整的教学课件，而是希望按自己的教 学思路和风格来组装成课件。网络教育应用的发展为积件的需求提供了更大的空 间。存放在网络上的积件资源，可以被更多的教师甚至学生共享。积件的开发必 须使用超文本、超媒体以及数据库等技术，因此开发者必须考虑按某种关系建立 所有素材元素间的联系、不同素材的分类、便于查找的多种检索方式等。 1 3 当前课件制作工具发展现状及存在的问题 一个完整的基于i n t e r n e t 的远程教育模型，不仅需要系统软件的支持，如网 络操作系统、w e b 服务器、f t p 服务器等等，还需要一些专门支持教学的应用软件： 适应性超媒体学习系统、多媒体授课系统、师生交互工具、网络题库管理系统、 考试与评价系统、教学资源库管理系统、自动答疑系统、学习管理系统、作业批 阅系统、网络课件写作系统、教学管理系统、基于w e b 的虚拟实验室等。 在远程教育模式下，学生通过系统提供的各种工具和内容进行自主的学习。 因此一个课件不仅要包括课程中的文字、图形、图像、声音等各种媒体，而且还 应该能够支持学生的主动式学习。这就要求教师必须集多人的智慧来共同完成课 件的制作。 第一章绪论 现在，i n t e r n e t 上已经出现了许多远程教育课件，根据不同的教学模式，可 以将这些课件分为两种：一种是同步模式( 或称协同模式) ，分布在不同地方的教 师和学生通过w e b 同时在一个“虚拟教室”中，模拟传统面对面教学的各种行为。 在这种模式下，课件除了具有一般的功能外，还要具有充分发挥协同交互功能的 优势；第二种是异步模式，这种课件以超文本编排，再加入一些指导性的解说， 学生通过浏览器访问课件，课件中利用w e b 动态技术也加入一些简单交互行为， 使学生和教师可以进行交流，比如通过e - m a i l 递交作业、答疑等。其中，后一种 课件也叫做多媒体网页课件( m u l t i m e d i aw e b p a g ec o u r s e w a r e ，m w c ) ，它是由一 系列页面组合而成的，是基于i n t e r n e t 的远程教育模型中最常见的一种课件。它 采用超媒体的表现形式将特定领域知识中的知识点通过文本、图形、图象、声音、 动画等媒体表现出来。从而实现教学内容的组织。对各个知识点通过超链进行链 接，以形成知识之间的灵活跳转。课件以超文本组织方式为主，并附有基于j a v a 的交互式教学软件、基于r e a la u d i o 和r e a lv i d e o 的多媒体音像资料。 具体来讲多媒体网页课件主要具有以下特点： 公用性：课件是面向广大学生，而非某一个或几个同学所使用： 动态性：随着时间和技术发展，课件需要经常更新，更新周期不会太长： 交互性：课件的学习过程是一个交互的过程。 多媒体网页课件的制作实际上就是页面的制作，一般利用h t m l 来实现。h t m l 遵循国际标准，常用的浏览器都能对它进行很好的解释，而且h t m l 可以跨平台使 用，支持众多的图像、声音文件，可用m i c r o s o f tf r o n t p a g e 、m i c r o s o f tv i s u a l i n t e r d e v 、n e t s c a p ec o m p o s e r 等工具软件进行开发。同时，可以利用v b s c r i p t 、 j s c r i p t 等脚本语言编辑脚本程序，实现网页的交互。 针对远程教学这个研究热点，目前许多公司、研究机构都相继推出了自己的 课件制作工具。分析现有的课件开发工具，发现存在以下诸方面的问题： 1 支持单机工作的多，支持群体协同工作的很少； 2 课件开发周期长，人力、物力耗费大； 3 课件开发不仅需要相关课件的专业知识和教学经验往往还要具备计算机 程序设计知识； 4 开发出来的课件通用性不强； 5 课件表达形式单一，内容单调： 针对以上问题，为了提高多媒体网页课件的开发效率，使为了方便那些不懂 得具体编程语言或h t m l 语法的教学工作者能投入到课件的开发中来，需要向课件 的开发者提供功能更强大、使用更方便的课件开发的专用工具。 l基于x m l 的多媒体课件协同编写和装配系统( c o c o u r s e w a m ) 的设计与实现 1 4 课题的提出及目标 本课题的提出正是基于以上对课件编写工具现状的分析，论文课题来源于陕 西省教委面向2 1 世纪教改项目。课题的目标在于实现这样一个课件装配工具，该 工具可以为网络上的多个课件编写者提供个可以在远端进行协同编辑的工作环 境，通过多个编写者之间的协商交流完成课件的编写和装配，并将装配完成的课 件发布到相应网站上，供学习者下载或在线点播。构筑在互联网上的课件社区为 课件的发布和协同编写工具的下载提供环境支持，为老师、学员提供相互之间学 习、讨论的交流通道。 第二章c s c w 理论 第二章c s c w 理论 2 1c s c w 理论及其发展概况 c s c w ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) 即“计算机支持的协同工作” 最早是1 9 8 4 年由麻省理工学院的1 f e ng r e i f 和d e c 公司的p a u lc a s h m a n 两位研 究人员提出来的。用于描述他们正在组织安排的如何用计算机支持交叉学科的 人们共同工作的课题，并缩写为c s c w 。 以后c s c w 发展成为研究人们在一起工作的方式、计算机及相关技术对协同工 作所产生的影响并使之理论化这一整个方向的代名词。它的基本含义是在计算机 技术支持的环境中( 即c s ) ，一个群体协同工作完成一项共同的任务( 即c w ) 。“计 算机支持的协同工作”是一门新兴的交叉学科，除了得到计算机科学的支持，还 涉及到社会学、心理学、组织理论和人类学等学科。因此，它是一个大的学术论 坛，聚集了来自众多领域的研究人员，相互交流研究成果并探讨“计算机支持协 同工作”的方方面面。 c s c w 的形成和发展是信息化进程发展的必然产物。首先，人类社会是个紧 密协作的群体。c s c w 技术的发展真正适应了信息社会中人的群体性、交互性、分 布性和协作性的特点，因此被认为是未来社会中所广泛采用的技术。其次，计算 机技术的发展推动了整个社会的信息化，它深入到人们生活的方方面面，使得整 个社会进入了信息时代，计算机网络技术使地理上分散的计算机和通讯设备互联 在一起缩小了时空的限制从而为c s c w 的实现奠定了基础。 c s c w 日益受到人们的重视并广泛地应用到实际当中。目前，在工业、辅助设 计、医疗、教育、军事、电子商务等很多领域c s c w 系统都发挥着重要的作用。同 时，如何利用现有的网络环境和各种系统和工具来构筑分布用户的协同工作平台 和环境就成为当前研究的热点。 2 2 1c s c w 的定义 2 2c s c w 的相关概念 【定义】地域分散的一个群体借助计算机及网络技术，共同协调与协作来完 成一项任务。它包括协同工作系统的建设、群体工作方式的研究和支持群体工作 的相关技术的研究、应用系统的开发等部分。通过建立协同工作的环境，改善人 6 基于x m l 的多媒体课件协同编写和装配系统( c o c o u r s e w a r e ) 的设计与实现 们进行信息交流的方式，消除人们在时间和空间上相互分离的障碍，节省工作人 员的时间和经历，提高群体工作质量和效率，提高企业、机关、团体、乃至整个 社会的整体效益和人类的生活质量”1 。 c s c w 是一门新兴的交叉学科，这使得关于c s c w 不同的人有不同的理解。但 以上定义较为全面的总结了c s c w 的理论、技术和方法。 c s c w 系统有以下三个基本要素： 时间。如果以时间来对协同方式进行划分可以分为异步方式和同步方 式，异步方式表示协作活动处理不同时发生，而同步协同的活动处理 则同时发生。 用户。用户规模规定了协同工作的成员组成。角色描述了成员在协同 协作中的权限，用户关系描述了系统中不同用户的地位作用及交互方 式。基本的用户关系有对等关系、主从关系和服务客户关系三种类型 ( 如图2 1 所示) ，对于那些复杂的协同应用系统的用户关系，基本上 可以由这三种协同用户关系模式嵌套组合而来。 静娟 用户1用户2 淞酶 y - 变互 观察看协作成贯客户l客户2 i 对等芫条 2 主执芙亲3 服务一客户关系 图2 i 协作用户关系 控制。控制可以是集中式的或是分布式的。在集中控制方式中，主席 控制整个协同工作过程，每个群体成员都向主席报告。分布控制表示 在协同工作中，每个群体成员是对等的，采用分布控制协议以实现一 致的协同。 2 2 2c s c w 系统的分类 群体协作方式的多样性，为c s c w 研究提供了丰富的内容，可以根据c s c w 系 统的基本活动方式，群体成员地理分布位置，使用的基本工具和工作环境，应用 等对c s c w 系统进行分类。 按交互协作方式分类：可分为同步协作和异步协作两种； 按群体规模分类：可分为两人协同系统和多人协同系统： 按使用的基本工具和工作环境分类：可分为电子邮件系统、电子布告 第二章c s c w 理论 栏、会议系统、协同协作和讨论系统、工作流系统和群件等； 按应用分类：可分为协同科研系统、协同设计系统、远程医疗系统、 协同决策系统、军事协同系统和协同办公系统等； 按体系结构分类：可分为集中式系统、分布式系统、混合结构系统。 2 3c s c w 系统的体系结构 7 c s c w 系统的基本组成元素可以归纳为成员角色( r o l e ) 、共享对象( s h a r e d o b j e c t ) 、协作活动( a c t i v i t y ) 和协作事件( e v e n t ) 四类。成员角色描述群体成员 在协同工作过程中所起的作用。协作活动描述群体成员所进行的协作过程。共享 对象是在协作过程中各成员共同操作的对象。协作事件是协作进展和状态变化的 指示，用于协调各成员的行为。 典型的c s c w 系统框架是一个四层模型。如图2 2 所示。开放系统互联环境层 提供开放的通信支持环境，保证协同工作过程中有效的信息流。协同工作支撑平 台解决协同工作中所需要的主要机制和工具，如信息共享、信息安全控制、群体 成员管理等。协同工作应用接口层则提供协同应用的编程接口( a p i ) 、人机接口 ( h c i ) 和人际接口( i p i ) 。最上层是针对各种协同工作相关领域的应用系统。 协同工作应用接口 协同工作支撑平台 开敲系统互联环境 图2 1 典型的c s c w 系统框架 对于协同协作系统来说，其体系结构又可以划分为以下三种类型( 如图2 2 所示) ： 昼艇一 ( ) 集中式( b ) 分布式( c ) 混合式 图2 3 协同协作系统体系结构 基于x m l 的多媒体课件协同编写和装配系统( c o c o u r s e w a r e ) 的设计与实现 l 、集中式体系结构。这种系统采用客户服务器( c 1 i e a t s e r v e r ) 结构，主 从( m a s t e r s l a v e ) 结构是c 1 i e n t s e r v e r 结构的特例，它使用其中的一台客户 机同时充当服务器。在集中式系统中，所有的用户输入都被送到中央服务器，由 服务器协调输入的计算次序，并将计算的结果输出到所有的客户机。 集中式系统的最大的优点是简单和易于实现，尤其是使用象x w i n d o w s 这样 的网络窗口系统时实现更加方便。由于所有的应用和数据都存放在服务器上，所 以易于实现存放管理和保证数据的一致性：因为服务器能够直接把输出送给所有 客户机，因此可以方便的实现很细粒度的协同。 集中式系统的缺点在于：一、系统缺乏灵活性。虽然有的集中式系统实现了 视图级的信息共享，但实现复杂而功能很弱：二、系统的鲁棒性差。当中央服务 器或充当服务器的客户机出现故障时，系统将无法正常工作。在集中式系统中， 所有的用户动作都必须经过服务器的计算才能在本地用户的屏幕上显示动作的结 果，在网络速度较慢或并发用户较多的情况下，系统的响应时间很大；三、系统 可扩展性差。此外由于所有参与者的动作都被传送到服务器，当并发用户数量较 多或网络数度慢时，系统的实时响应性能也会降低。 2 、分布式体系结构 在分布式系统中，分布在每台用户机器上的应用接受用户动作，计算动作的 结果，并将结果广播到其他用户。它允许每个用户定义自己的工作界面，响应时 间较短。当分布式系统中的一台或几台机器出现故障时，分布式系统仍然正常工 作。 分布式系统的主要缺点是难以解决协同工作的实时性和数据的一致性问题， 为了缩短响应时间，每个用户的输入首先在本地机上响应然后再广播给其他用户， 由于网络传输带来的延时，在不同的机器上操作的执行序列可能不同，从而造成 操作结果的不一致。分布式系统的另一个问题是用户的动态注册，即新用户如何 加入已经开始的协作过程，在集中式系统中，由中央服务器接受新用户的注册请 求并将系统的当前状态传递给新用户，而在分布式系统中，由于没有统一的控制 中心，动态注册的用户必须将自己的注册请求通知每个分布用户，并根据每个 用户的返回状态计算系统的当前状态。 3 、混合式体系结构 集中式结构和分布式结构分别具有不同的优缺点，单纯的集中式结构和单纯 的分布式结构都不能完全满足协同写作系统的要求。混合模型具有集中式和分布 式二者的优点，在混合结构的系统中，分布部分使系统具有较好的灵活性和较短 的响应时间，允许用户定义自己的工作界面，丽集中部分又保证了数据的一致性。 第二章c s c w 理论 2 4c s c w 系统群体协作模式 群体协作模式是对参加协作人员之间的协调、配合、交流、管理等方式的抽 象。在c s c v _ 领域中出现的的基本群体协作模型主要有以下四种。 会话模型。这种模型认为两人之间的协作是各类协作活动的基本要素。 因此，我们可以将人类各种复杂的协作活动分解为一系列两人之间的 交互会话的协作活动，从而实现群体协作。两人之间的协作可以通过 特定语言动作( l a n g u a g e a c t i o n ) 的执行来完成： 会议模型。会议方式是多人的群体进行协同工作的另一种基本方式， 参加协同工作的人们“聚集”在一起，围绕一个共同的任务进行讨论， 交换信息，相互商量，达成共识，作出决定，共同完成任务。协作各 方共享工作空间或信息空间开展协作活动； 过程模型。过程模型基于这样一种概念：任何一项复杂的任务或操作 都可以分解为一系列相互关联的而又相互独立的串行或并行的子任务 或操作的协同，形成一个工作流。过程模型事先预定义好协作参加各 方的任务、操作、动作规范等，是一种高度结构化的协作方式，缺乏 灵活性： 活动模型。活动模型建立在一种所谓的“活动理论”( a c t i v i t yt h e o r y ) 的基础上，将其分解为若干个目标明确称为“活动”( a c t i v i t y ) 的子 任务。定义各任务之间的关系通过“活动”的执行来完成协同任务。 2 5c s c w 系统的协同控制机制 协作过程需要遵循一定的规则，必须能有机的协调各协作成员的行为。协作 控制机制是抽象出来的协作规则在具体c s c w 系统中的实现。 协作层次由浅及深可以有以下五个层次：数据通信( c o m m u n i c a t i n g ) 、信息 通信( i n f o r m i n g ) 、协调( c o o r d i n a t i n g ) 、合作( c o l l a b o r a t i v e ) 、协同 ( c o o p e r a t i v e ) 。协同是最高级别的协作，在这一层次协作体共同目标代替了个体 目标，协作体之间共享知识、共同理解、共同决策，形成高度的统一。 l 、同步 各种不同的c s c w 系统的同步方式是不同的。可以分为以下几类： 同地同步。此类系统主要用于支持象决策会议这种本地群组之间面对 面的实时协作，如各种会议室系统； 0 基于x m l 的多媒体课件协同编写和装配系统( c o c o u r s e w a r e ) 的设计与实现 异地同步。此类系统的用户通常分布在不同的地理位置处，其典型代 表是多媒体桌面会议系统。异地之间的同步主要有传送数据和传送操 作两种手段； 异地异步。电子邮件、b b s 等都属于这类系统； 同地异步。支持此种协同工作方式的系统有共享文件、t e a mr o o m s 等 系统。 2 、控制 在协同操作期间的控制可以是集中式的或分布式的。 3 、协同感知 在一个协同系统中，协同感知用来描述用户感知工作组内其它成员的存在及 其行为与状态的能力。根据用户之间不同紧密程度的协同关系，可以从两方面对 协同感知进行描述：一是协同粒度，二是协同感知模式。 协同粒度描述不同粒度的协同关系。协同粒度包括三种不同粒度的协同关系： 细粒度协同：将最细微的动作，如鼠标移动等设备的动作，通知协同 的用户。 中粒度协同：用户完成有一定意义的动作后将动作结果通知协同的用 户。 粗粒度协同：多用在你所见即我所见( w y s i w i s ) 的协同系统中，协同 用户只能感知动作的性质( 如：用户a 的鼠标被移动) 而不能观察到 动作的具体结果。 协同感知模式描述用户之间关系的密切程度： 完全感知模式：该用户的所有行为可以被协同系统中的其它用户完全 感知。 部分感知模式：该用户的部分行为可以被其它用户部分感知。 无感知模式：不可感知行为，用户的所有行为不可被其它用户感知。 它相当于使用单用户系统。 4 、用户操作的并发控制 在实时协作系统中，正在协作的多个站点可能产生相互独立的操作，作用于 共享文档中的不同部分。当存在独立操作的并发执行时，确保一个操作的远端站 点与本地站点的执行效果一致是非常重要的。对于复制结构，各站点通过操作事 件交换维持共享信息的一致性。由于消息的传输和交换存在着潜在的冲突和延时， 但操作事件在传递过程中会产生失序问题。 例如图2 4 ( a ) 中的操作0 。、o 。在站点a 和b 上的执行次序是相同，而在( b ) 中两个操作因为传输延时而发生重叠，因而在两个站点上执行次序也不相同。如 果0 。和o e 是可并行的两个操作，则站点a 和8 在执行完0 。和0 ，后的结果仍能保 第二章c s c w 理论 持一致，但如果o 。和o e 是不可并行的两个操作就会引起并发冲突，造成两个站点 上的被操作对象内容的不一致。 时间站点a站点b站点a站点b r 斟 f a 、 图2 4 事件失序 o b 在协同编写系统中，如果满足以下三个条件”1 ，则说该系统无并发问题： 收敛条件。致的多份文档拷贝在按同一次序执行完成同一个操作集后所 有文档保持一致： 依赖一致条件。对于任意一对操作0 。和0 。如果o ，依赖于0 。则在任一站点 0 。先于0 ，执行： 意图一致条件。对于任意操作0 ，它在所有站点的执行结果与它在发生地执 行的结果完全一致，并且o 的执行不影响其他非依赖于0 的操作的执行结果。 前两个条件比较好实现，而意图的一致性很难达到，因为分布的协作人员的 操作意图很难达到理想的默契，因此往往会采用限制并发的策略来保持一致性， 但这种方法影响了群组活动的灵活性并不理想。 并发控制策略用来描述对给定对象采用哪一类并发控制方法，它又包括：冲 突避免法( 执行前检测，避免发生冲突) ，如集中加锁策略、发言权策略、令牌策 略、事务处理策略、串行化策略等：冲突检测法( 先执行用户动作，然后检测是 否发生冲突) ，如乐观执行策略等。目前采用的并发控制方法主要有以下几种： 令牌传递法。采用令牌方式控制成员对共享信息的操作与存取，这种方法阻 碍了信息的自然流动，不适合成员间的并行交互与协作。 集中控制法。通过引入一个集中控制器，接受各共享成员的操作，经过处 理后再广播给各成员。这种操作的主要缺点是共享操作的实时性差。此外，一旦 集中控制器发生故障，将导致整个系统瘫痪。 依赖检测法。利用操作的时间标记来探测可能引发冲突的操作，然后手工 解决这些冲突。这种方法的优点是非冲突操作可以实时间响应，缺点是通过人工 干预才能保证数据的完整性。 可逆执行法。为所有操作定义一个全局时序，当两个或多个有冲突的操作 2 基于x m l 的多媒体课件协同编写和装配系统( c o c o u r s e w a r e ) 的设计与实现 并发发生时，其中的一个或多个操作将被取消并按预定的顺序重做一遍。这种方 法的优点是用户响应性能好，但需要定义操作的全程时序，这是比较难做到的。 操作转换法。每个结点都保持一张状态向量表，当某个结点产生共享操作 时，在本结点立刻执行，并将该表和操作一起广播发送到其他各结点。其他结点 接收并比较两张状态向量表，若一致则执行共享操作，否则对共享操作进行转换。 加锁法。根据锁的获取和释放方式，将锁分为乐观锁、悲观锁和准乐观锁。 其划分如表2 1 所示。 乐观程度等待时能否执行在试验锁获取前能 其他操作否执行其他操作 悲观锁否否 准乐观锁能否 乐观锁能能 表2 1 锁的乐观程度划分表 显然，锁的乐观程度越低，等待锁的时间越长，共享操作的响应速度也越慢。 相反锁的乐观程度越高，可能导致较多的重复操作。此外，锁的粒度对共享操作 也有较大影响。锁的粒度越小，则协作越紧密，粒度越大则协作越松散。 在具体实现上，检测模型还依赖于信息的存储模型。在集中式存储模型下， 数据的一致性容易实现，采用上述的令牌传输、集中控制或加锁法均可以实现。 但在分布式存储模型下，由于各结点都维持了一个共享信息的副本，当共享操作 引发对共享信息的修改时需要对各结点的信息都进行修改因而数据的一致性维 护变的困难。上述的依赖探测、可逆转换和操作转换等算法通过改造可以应用于 分布式存储模型，但实现十分困难。在上述方法基础上，在5 2 3 我们提出了 一种基于版本序号的冲突检测算法，较好的解决了课件编写的并发控制和一致性 问题。 2 6 共享工作空间 在完成一项公共任务中的各个参与者之间，正在远程合作工作的各方所共享 的计算机显示工作空间称为共享工作空间。不同的共享工作空间应用也有一些共 同的特征。首先，在某一阶段，计算机显示内容中至少有一部分是以你所见即我 所见( w h a t - y o u - s e e i s w h a t - i - s e e ：w y s i w i s ) 方式来显示给所有参与者；其次， 都包含桌面计算机或x 一终端；第三，应用于专业环境的c s c w ；第四，很少单独 使用，至少开发使用音频和视频支持直接通信来提供完备的集成远程和同步协同 工作环境。 第二章c s c w 理论 共享工作空间应用属于人与人通信类型，可以是单个人之间的也可以是集团 之间的通信，以同步方式操作，主要面向c s c w ，即支持它们的工具是群件，组 成一类远程会议工具，最后以桌面方式操作。 共享工作空间的基本思想是非常直接的，假如你进入一个同事的办公室想与 他讨论一个工作问题，需要如何交流呢? 听与讲当然是必须的，有可能还必须观 察他的表情，看他是否赞同你的意见。为了便于快速计算还需要有一张纸，为了 画草图还需白板，即与同事交换短暂的信息，可能还要阅读打印的草稿文档，可 能还要手工改正它，可能还要观看设计好的图纸，用线画出要引起注意的地方。 简言之：共享工作空间应用的目标是远程创建计算机介入的短暂信息的共享， 也可共享参加者使用的系统。并且，这里的共享隐含着两个功能的连接： 合视( j o i n tv i e w ) ，即将信息拷贝到一个或几个远程显示器上。 远程操作( t e l e o p e r a t i o n ) ，与广播发送电视的被动显示不同，它提供工 具给参与者，让他们可以相互交流，共同观察。 信息的共享是协作的基础，有三种不同层次的信息共享： 活动级共享：即w y s i w i s ( w h a ty o us e ei sw h a tis e e ) ，它要求所有用 户看到的内容和形式都是相同的。当共享信息改变时，所有的显示屏幕 被同时更新。 视图级共享：所有用户看到的内容是相同的，但表现形式是不同的。例 如，对于相同的数据分别使用图形和表格的方法显示。 对象级共享：每个用户看到的内容可以是不同的。 共享白板工具( s w t ：s h a r e dw h i t e b o a r dt o o l s ) 是最直接的共享工作空间工 具，因为它在计算机屏幕上简单地仿真物理白板或黑板。 共享白板工具可允许多个远程参加者在自己的计算机屏幕上看到同样的窗口 显示，每个参加者都可以在白板上作记号，可以简单地使用画图工具，也可以进 入正文中，允许简单的注释。当然，对所创建的正文或画图对象可提供更大的灵 活性，通常可以移动、删除、变形反转等操作，存储结果也可供下次使用。 用户何以知道目前在白板上写的人是谁昵? 用一简单的约定来标识作者，如 可采用对每一参加者使用一种彩色代码或在其绘制操作结果的旁边作一编号说 明。 共享白板仿真现实世界中的黑板，当办公室中的两个人在黑板上作设计工作 时，也有一些社会约定来管理对共享表面的访问，例如他们不能在同一时刻写， 也不能覆盖或擦除对方写的内容。当然，这种社会行为在远程重生成时比较困难。 定义和实现正规化共享对象的访问是共享工作区中的一项重要议题又称发言权 控制策略。 发言权控制有四个基本的方法，如下所示： 4 基于x m l 的多媒体课件协同编写和装配系统( c o c o u r s e w a r e ) 的设计与实现 无控制。系统让每个用户都可自由地访问共享区，根据意愿、敏感性、 社会行为来防止和解决冲突，这对两个人是很有效的，但随着参加人数的增 多，就变得不现实了。 隐式封锁。在参加者键入或收取信息得每一时刻，隐含着只有该参加者 可得到发言权，其他参加者不能进入该数据，在当前发言权获取者的输入结 束之后，发言权自动释放，如果参加者保留发言权一段时间，他会注意到有 一个或几个参加者在等待队列上，当然缺陷在于轮换会产生一段延时。 显式封锁。与上述类同，所不同之处是用户必须通过应用一个关键词或 按钮显式地需求或放弃发言权。当发言权被锁定时，用户必须等在队列上， 队列显示给所有的参加者，一般以先入先出模式等待。 主席控制。参加者之一作为协同会议的主席，主席可在任意时刻传出或 重获发言权，主席必须有一个工具来监控发言权需求的挂起队列。 共享应用是实现群体通信活动的重要机制。共享应用表示当一个共享的应用 程序( 如编辑器) 执行任何输入时，其所有的输入结果通过共享实体( 如文档) 分布到群体中的所有成员。共享实体在共享的窗口中显示。共享的应用可作为远 程会议中的对话工具，实现协同文档编辑、协同软件开发等。在应用共享中，一 个重要的问题是共享机制的设计，可分为以下两种结构： 集中结构 在这种结构中，共享应用的单个拷贝在一处运行，各会议参与者将应用的输 入直接送到本地，然后应用的输出( 共享的对象) 被分布到所有的地方。图2 5 ( a ) 就是集中共享的结构。集中结构的优点是容易维护，因为只有一个应用的拷 贝用于更新共享实体。缺点是网络业务量大，因为应用的输出每次都需要分发。 如对于图象输出的数据量就非常大，这时需要宽带传输。 复制结构 图2 5 ( a ) 集中式结构 第二章c s c w 理论 这种方式中，在每个地点都运行共享应用的一个拷贝。对每个应用的输入事 件被分布到所有地点，共享应用的每个拷贝只在本地运行。如图2 5 ( b ) 所示。 这种结构的优点是网络业务量小，因为只有输入事件在各地之间分布传输。响应 时间小，因为所有的成员都从本地应用的拷贝中获得输出。缺点是在每个地点的 应用需要同样的执行环境，维护共享实体的一致性较难。 图25 ( b ) 复制结构 2 7 用户接口模型 应用输出 操作输入 在c s c w 系统中由于存在多个用户的信息交互，因此用户接口模型也必须适应 协同环境的需要，由此出现了群接口。群接口技术与单用户接口技术相比一个主 要的差另日是群接口必须提供动态的操作环境，因为系统的状态随时会因为其他用 户的活动而发生变化，用户接口也必须反映这种变化。当前许多群接口是基于 w i m p ( w i n d o w s ，i c o n s ，m e n u s ，p o i n t e r ) 方法，提供多重窗口、鼠标菜单操作功能。 协同感知问题是群接口需要重点处理的问题。 2 8c s c w 的研究现状和发展趋势 c s c w 的研究涵盖了在复杂的组织结构内使用计算机和信息技术支持群体工 作的所有范畴，其研究的范围是广义的协同工作和广义的计算机支持。目前，c s c w 正处在持续发展的阶段。 自1 9 8 4 年提出c s c w 的概念后，c s c w 就为各方专家、学者和企业所关注。自 1 9 8 6 年起，a c m 每两年组织一次c s c w 国际会议，从1 9 8 9 年起，欧洲每两年也组 织一次e c s c w 会议，专门探讨c s c w 最新的理论和技术。从1 9 9 6 年起，亚洲国家 的研究机构每年召开一次c s c w d 学术会议，主要讨论计算机辅助设计中的协同工 作问题。我国于1 9 9 8 年1 2 月，在北京召开了第一次全国c s c w 学术会议，建立了 每两年一次全国c s c w 学术会议的开端，在通信、计算机网络、信息系统、分布式 1 6 基于x m l 的多媒体课件协同编写和装配系统( c o c o u m e w ”e ) 的设计与实现 系统、数据库系统、多媒体信息处理和人机界面等领域对c s c w 展开了研究。 当前，欧美在c s c w 的研究上已经取得了很大的进展，开发出许多实用系统， 如：美国斯坦福研究所研制的c e c e d ( t h ec o l l a b o r a t i v ee n v i r o n m e n tf o r c o n c u r r e n te n g i n e e r i n gd e s i g n ) 系统、德国的b e r k o m ( b e r l i nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 工程、日本n e c 公司的m e r m a i d ( m u t i m e d i ae n v i r o n m e n tf o rr e m o t e m u t i p l ea t t e n d e ei n t e r a c t i v ed e c is i o i lm a k i n g ) 系统等。 国内的研究还刚刚起步，比较成功的例子有清华大学开发的一个分布式多媒 体计算机编著系统d m c w ( n i s t r i b u t e dm u t i m e d i ac o o p e r a t i v ew r i t i n gs y s t e m ) 、 西安交通大学研制的n e t c o o p 多媒体协同工作系统等。 目前，c s c w 的研究工作的进一步发展方向主要有：1 、从概念级向c s c w 的基 本理论、原理、机制、方法和模型的研究使c s c w 理论逐步走向成熟；2 、研究更 加开放、集成、智能的c s c w 系统；3 、探索完整的c s c w 系统开发方法论；4 、从 社会学、经济学、心理学、计算机科学等领域对c s c w 系统的综合研究。 第三章基于x m l 的系统数据模型 第三章基于x m l 的系统数据模型 3 1x m l 概述 x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 即“可扩展标记语言”，是用于标记电 子文件的结构化语言。1 9 9 8 年2 月1 0 日w 3 c ( w o r l dw i d ew e bc o n s o r t i u m ) 正式 公布了x m l l 0 版本标准。与h t m l 相比，x m l 是一种真正的数据描述语言，它没 有固定的标记符号，允许用户自己定义一套适合于应用的