（计算机科学与技术专业论文）移动网格中基于层次模型的移动节点预测.pdf

摘要 网格计算自从第一次被用到科学和商业领域到现在已经取得了长足的进 步。相信网格计算的下一个阶段是将网格服务提供给资源受限的设备，例如手 持设备、p d a 、智能手机、传感器等。网格和移动计算的结合被称为“移动网 格”，由于无线通信和移动计算技术的快速发展，它已经成为一个新的研究领 域。但是，将移动设备整合到网格中将会面临很多困难。特别是移动设备自身 的局限性，比如低带宽、低处理能力、电池容量不足、频繁的断线，还有定位 问题。 如今，软件密集型的系统逐渐受到分散、资源受限、嵌入式、自动化、移 动计算环境的影响。在这篇论文中提出了g r i d l i t e 软件架构，它基于网格平台并 且适用于移动环境。嘶d l i t e 是一个扩展的框架，它为在网格的基础设施上位用 户提供了良好的服务。佩d l i t e 框架提出的一个目的是定义一个网格结构来管理 设备，这些设备的自身缺陷在该框架下可以得到最大限度的弥补。g r i d l i t e 是以 服务为核心的，不同的服务可以管理不同的资源。本文在已有网格的基础上提 出了一种可行性较高的g r i d l i t e 原型，它融合了o o d t 和p r i s m m w 体系结构 中间件的优点，使之能更适合于移动环境。总的说来，g r i d l i t e 的最终目的是将 现有的网格技术扩展到人们的“口袋”中，前人所做的研究和经验也表明这个 目标是可以达到，而且是值得进一步往下做的。 从一个更小的方面来看，移动设备能随时改变其位置。网格代理必须知道 移动设备的位置以便能有效的使用移动设备。因此，网格代理和移动设备间需 要进行频繁的通信。当移动节点频繁的改变位置时，网格代理和移动设备之间 的通信更加频繁。在低带宽的网络环境下，这当然也就为移动网格系统增加了 不少负担。但是，如果减少移动节点和网格代理之间的通信，那么移动节点位 置的精度就会降低，如何在这两者之间寻求一种平衡也是需要具体的环境来定。 本文提出了用自适应距离过滤来有效减少移动节点和网格代理之间的通信机 制。这个过滤器首先依据网格节点的移动方向和速度来对移动节点分簇，然后 再对每个簇依据不同的值过滤节点位置信息。然而，在网格代理端移动位置更 新的减少必然会产生位置误差，即代理端记录的位置与物体的实际位置有差别。 为了解决这个问题，可以在移动端模拟实际物体的运动轨迹。为了对整个算法 的性能评估，本文用n s 2 仿真工具做了模拟。 本文得到国家自然科学基金项目( 批准号：6 0 7 7 3 2 1 1 ，6 0 9 7 0 0 6 4 ) 、国家软件开 发环境重点实验室开放基金课题( 批准号：s k l s d e 2 0 0 9 k f 2 0 2 ) 、新世纪优秀人 才支持计划( 批准号：n c e t - 0 8 0 8 0 6 ) 、霍英东高校青年教师基金基础性研究课题 ( 批准号：1 2 1 0 6 7 ) 和湖北省杰出青年人才基金( 批准号：2 0 0 8 c d b 3 3 5 ) 的资助、武 汉市科技攻关项目( 批准号：2 0 1 0 1 0 6 2 1 2 0 7 ) 。 关键词：移动网格，g r i d l i t e ，移动节点，位置信息服务，n s 2 i i a b s t r a c t g r i dc o m p u t i n gh a sm a d er a p i ds t r i d e sd u r i n gt h el a s tf e wy e a r sf 而mt 1 1 e i rf l r s t u s ei nt h es c i e n t i f i cc o m p u t i n gd o m a i nt oe n t e r p r i s eg r i d sd e p l o y i n gc o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n s w eb e l i e v et h en e x tp h a s eo f g r i dc o m p u t i n gw i l ld e a lw i t hm a k i n gg r i d s e i c e sa v a i l a b l et or e s o u r c ec o n s t r a i n e da p p l i a n c e ss u c ha sh a n d h e l dd e v i c e s ，p d a s ， s m a n p h o n e s ，a n ds e n s o r st on 锄eaf e w i n t e 掣a t i o nb e t w e e nt h eg r i da n dm o b i l e c o m p u t i n gl ( 1 1 0 w na st h e m o b i l eg r i d ，”i sb e c o m i n gt h en e w r e s e a r c hi s s u ed u et o t ：h er 印i dd e v e l o p m e n to fr a d i oc o m m u i l i c a t i o n sa n dm o b i l ec o m p u t i n gt e c l l i l o l o g y h o w e v e r ，t oi n t e 伊a t em o b i l ed e v i c e sw i t hm e 嘶d ，m o b i l ed e v i c e sf a c e s o m e c o n s t r a i n e dc o n d i t i o i l s s p e c i f i c a l l y ，m o b i l ed e v i c e se x p e r i e n c e s1 0 wb a n d w i d t h ，l o w p r o c e s s i n gp o w e r ，l o wb 甜e 巧c a p a c i 饥丘e q u e n td i s c o l l l l e c t i v i 饥锄dr e l o c a t i o n i s s u e s t h es o r w 踟e i n t e n s i v es y s t e m so ft o d a y 孤ei n c r e a s i n g l ys h 印e db yt h e i r d e c e n t r a l i z e d ，r e s o u r c e c o n s 仃a i n e d ，e m b e d d e d ，a u t o n o m i c ，a i l dm o b i l e ( d i 冱a m ) c o m p u t i n ge i i r o r 吼e n t s i i lt 1 1 i st h e s i s 、ep r e s e n tg r i d l i t e ，as o 胁a r ea r c h i t e c t u r e b a s e d 西dp l a t f o ms u i 诎l ef o rd 印l o y m e n ti nd r e a m e n v i r o 姗e n t s g r i d l i t ei sa n e x t e n s i b l e 缸l m e 、o r kt h a tp r o v i d e ss e r v i c e st ou s e r so nu b i q u i t o u s ，r e s o u r c e l i i i l i t e d d e v i c e sw i m i nag f i di n f r a l s t m c t u r e i tu s e sas e r v e ri 耐 a s t r u c t u r ef o rp r o v i s i o n i n go f p e r s i s t e n ts e r v i c e s ，a n ds m a nh e l p e rs e r v i c e sn h m i n go nt h e ”l i t e d e v i c e sw h i c h 切p i m ot h j si 幽t m c t u r e o n eo ft h e9 0 2 l l so f ( 试d l i t er e s e a r c hi st od e f i r l ea ( 试d a r c h i t e c t u r ew t l i c hm a n a g e st h e s ed e v i c e ss u c ht h a tt h e i rr e s o u r c ec o n s t r a i n t sa r e m i n i m i z e db yt h ei n t e l l i g e n tg r i di n f r a s t m c t u r e 1 1 l i si sd o n eb yd e f i n i n gn e w s e r v i c e sf o rm a n a g i n gv a r i o u sr e s o u r c e s o u rp r o t o t ) ，p ei m p l e m e n t a t i o no fg t i d l i t e r e p r e s e n t sa 1 1 e f j f e c t i v ea 1 1 dh i g l l l ye 肮i e n tm a 耐a g eo fo u ro o d td a t a 酣da n d p r i s m m wa r c h i t e c t u r a lm i d d l e w a r es o l u t i o i l s n l eu l t i m a t eg o a lo fg r i d l i t ei st o e x t c n dt h er e a c ho ft h eg r i da 1 1t 1 1 ew a yt op e o p l e s p o c k e t s ”o u ri 1 1 i t i a le x p 甜e n c e s u g g e s t sm a tt h i sg o a li sa c l l i e v a b l e 锄d 、0 r m yo f 舢胁e r a c t i v ep u r s u i t m o b i l ed e v i c e sc a i lc h a n g em e i rl o c a t i o na ta i l yt i m e n e 酣db r o k e rm u s t k n o wt h el o c a t i o no fm o b i l ed e v i c e si no r d e rt ou s em o b i l ed e v i c e s 嬲ap a r to fg r i d r e s o u r c e s t l l u s ，舭q u e n tc o i i l i n u i l i c a t i o nb e 觚e e nt h e 酣db r o k e ra i l dm o b i l ed e v i c e s i i sr e q u i r e d a s 厅e q u e n t1 0 c a t i o nc h a n g e so ft h em n ( m o b i l en o d e ) o c c u r ，疗e q u e n t c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e 西db r o k e ra n dm ni sn e e d e d t h i so p e r a t i o ni n c r e a s e s t h es v s t e m1 0 a do ft h em o b i l e 鲥di nal i m i t e db a n d w i d t he n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，a t r a d e o f fb e t 、v e e nar e d u c t i o no fi nc o m m u n i c a t i o nt r a m ca i l dt h ep r e c i s e1 0 c a t i o n a c c u r a c yo ft h em ni sn e e d e di nt h em o b i l eg r i dd u et om el i m i t e do p e r a t i n g e n v i r o n m e mo ft h em n 。r h e r e f o r e ，t i l i st h e s i sp r o p o s e sa l la d 印t i v ed i s t a n c ef i l t e rm a t c a ne f r e c t i v e l yr e d u c ec o m m u i l i c a t i o nt r a m cb e t w e e nm em o b i l e 铲i dn o d ea i l dg r i d b r o k e r 1 1 1 i sf i l t e rc o n s t r u c t sc l u s t e r sb a s e do nt h em o b i l i t ya n dv e l o c i t yo ft h e 伊i d n o d ea i l df i l t e r st h el o c a t i o nu p d a t e s h o w e v e r ，m er e d u c t i o no fl o c a t i o nu p d a t e s g e n e r a t e sl o c a t i o ne 仃o r s ，、h i c ko c c u rw h e nt h eg r i db m k e rc a i l l l o ta c q u i r et h ee x a c t 1 0 c a t i o no fm o b i l en o d e s t bs o l v et h i sp r o b l e m ，i ft h el o c a t i o nu p d a t e sa r ef i l t e r e d ，t h e 擘酊db r o k e rc a ne s t i m a t em e t h o d f o rt h ep e r f o m a f l c ee v a l u a t i o no ft h ea d a p t i v e d i s t a n c ef i l t e r ，w em o d e l e dt h em o b i l i t ) ，o ft h e 面dn o d e sb yn s 2 t h i st l l e s i si ss u p p o r t e db yn a t i o n a jn 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 a ( n o ： 6 0 7 7 3 211 ，6 0 9 7 0 0 6 4 ) ，o p e nf u l l do ft h es t a t ek e yl a b o r a t 0 巧o fs o 胁眦 d e v e l o p m e n te n v i r o m e n t ( n o ：s k l s d e 一2 0 0 9 k f - 2 0 2 ) ，n e wc e n t u r y e x c e l l e n t t a l e n t si nu l l i v e r s i 够( n o ：n c e t 0 8 一0 8 0 6 ) f o ky i n g - t o n ge d u c a t i o nf o u n d a t i o nf o r y o u i l gt e a c h e r si nh i 班e re d u c a t i o ni n s t i t u t i o n so fc h i n a ( n o ：1 2l0 6 7 ) a n dt h e n a t i o m ls c i e n c ef o u i l d a t i o no fh u b e ip r o v i n c ew 1 d e rg r a n tn o 2 0 0 8 c d b 3 3 5 ，n s f o f w u l l a nm u m c i p a l i t y ( n o ：2 0 1 0 1 0 6 2 1 2 0 7 ) k 叼哪o r d s ：m o b i l e 鲥d ，g r i d l i t e ，m o b i l en o d e ，l o c a t i o ni n f o m a t i o ns e i c e ，n s 2 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中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 武汉理工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 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部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 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢引样) 姆中灌名劾招魄洲 涉 武汉理 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的来源及研究意义 网格技术将终端客户与网络联系得更加紧密，因此它更有可能活跃在商业 的最前沿。随着终端设备中融入越来越先进的技术，网格就很有可能依托终端 设备扩展到生活的各个层面，最终实现人类梦寐以求的“信息随手可得。 据分析，网格的应用主要集中在四个领域：分布式超级计算、分布式仪器 系统、数据密集型计算和信息集成。在这四个领域中，数据密集型计算和信息 集成的应用最为广泛。 提到网格计算时，人们最初想到的就是超级庞大的硬件设备，比如服务器、 工作站等计算能力很强的终端，还有就是复杂的维护工作。而对于现在庞大的 移动设备家族如何加入到网格计算中，似乎还没有一个清晰前景。 然而，在移动设备的计算能力和无线网络基础设施建设不断翻新的今天， 网格技术完全可以扩展到移动设备中，随着移动设备自由移动。因此，新的思 路移动网格逐渐进入了人们的视线。 在一般的移动网格应用中，人们不会再把网格跟求解宇宙统一理论方程式 这样复杂的科学问题联系起来了，移动网格更加有效和方便的服务于每一个普 通人的实际生活。具体来说，移动网格应该为用户提供的一些常用的服务，这 其中就包括：音乐服务、计费业务、医疗服务、数据挖掘业务、信息提醒业务、 保险业务等。 仅拿计费业务来说，移动网格就有很大的市场潜力。将在线移动终端设备 与后台服务系统连接，用户可以实时地和总系统进行交流。这一功能可以替代 一些专用的服务系统，比如：交警日常的交通事故处理，公司每天的邮件处理， 酒店的点菜系统、医院护理系统等业务中。 随着移动设备大量增加以及移动设备性能的不断提升，人们希望能够随时 随地获取想要的信息，更希望手中的移动设备能超越自身的局限性，提供高质 量的服务。这种要求对于资源有限的移动设备是很高的，只有通过与其他的设 备的协作才能到完成自身完成不了的任务，所以，移动网格就成为解决这一问 题的有效途径。移动和网格的结合可以实现这种功能无限的虚拟化设备。现在， 武汉理i ：人学硕十学位论文 所有的研究方法都围绕着移动设备资源受限这一瓶颈，假如能对移动设备进行 有效的管理及合理的利用，将会大大提高移动设备的利用率，充分利用移动设 备的优点。本课题也是基于以上考虑，如果能对移动的节点建立一个快速而有 效的预测模型，那么与移动节点相关的通信将大大减少，由移动性而带来的一 系列问题也将因此简化。所以移动节点的预测是移动网格中需要解决的关键问 题之一，具有重要的研究意义。 1 2 移动网格的背景及发展 网格商用化的路上，很多大公司和企业已经取得了一些阶段性成果。2 0 0 2 年，g i o b u s 联盟和i b m 在全球网格论坛上发布了开放性网格服务架构o g s a ( o p e ng ms e r v i c e sa r c h i t e c 姐e ) 及其详细规范o g s i ( o p e ng r i ds e i c e s i n f a s t m c m i e ) ，把g l o b u s 标准与w 曲s e r v i c e s 标准融合起来。2 0 0 4 年1 月，i b m 、 g 1 0 b u s 联盟和h p 等又联合发布了新的网格标准草案w s i u ( w 曲s e i c e s r e s o u r c ef r 锄e 、v o r k ) ，将o p e ng r i ds e r v i c e si n 丘a s t m c t u r e 转换成了六个用于扩 展w r e bs e r v i c e s 的规范。至此，网格服务与w r e b 服务融为一体，为网格的商业 化扫清了障碍i ij 。 但这些成果也只是阶段性的，还有很多问题有待解决，网格的真正商用还 有一段很长的路要走。怎样才能让网格推广到更大的范围? 又应该从哪里开始 突破，让更多的人享受网格技术提供的便利? 人们一直对网格在高性能计算、 存储等企业级应用寄予厚望，期望网格在这些方面的应用能扩大其影响力。但 是实际上，这些领域在一般人群中用到的很少，相反，游戏娱乐等应用在普通 人群中更受追捧，如果网格能在这些地方下功夫，很有可能使网格成为率先让 大众了体验和了解网格的一个渠道。2 0 0 2 年5 月，蝴蝶网络公司与i b m 联合宣 布制作出了一款可支持1 0 0 万以上游戏玩家同时在线的网格游戏，该网络将租 借给全球大型的游戏厂商。当时运行网格网络的网格标准和软件才出现不久， 与蝴蝶公司签订协议是对这个概念的确认。从i b m 这种很早就投入网格技术的 公司看到了其前瞻性的眼光，也看到了网格技术的应用完全可以不拘一格。 相对来说，由于移动设备与用户有着最直接、最紧密的联系，因此移动网 格更有可能是网格技术商用化的突破口毕竟商业就是与用户的需求有密切 的关系，接近了用户，就等于跨出了商业应用最重要的一步。 近几年来，在移动应用中网格技术也在不断发展，最典型的是针对网格技 2 武汉理工大学硕+ 学位论文 术的网络标准网不断在完善。据了解，最近i e e e 委员会正在为制定统一的w i f i 网格标准做出大量的研究，毕竟一个统一的标准能给更多的组织和个人带来实 惠。据了解，此项研究已经已经解决了一些关键性问题，相信在不久的将来遵 循w i f i 标准的实际产品也会大量涌现。 综上所述，用炙手可热来形容移动网格的未来一点也不过分。 对网格技术有很深造诣的李明禄在无线网格改变网络世界中这样描述： “上个世纪，计算机和互联网的出现从根本上改变了数据的处理和传输方式。 现在，随处可见的无线技术将会使2 1 世纪成为以无线网格为标志的第二个信息 世纪。 美国的n e g r o p o n e t e 博士通过一个比拟的模型描绘了未来移动网络的美好景 象：“顺着宽阔的马路往前，超出了我的系统范围，新的用户又加入了无线 网络( w i f i ) ，一个接着一个。这让人联想到池塘里的百合花，朵朵盛开，它们 的之间是通过淤泥里面的茎部相互连接，就好像现有的网络通过纵横交错的主 干网相连无线网络中，这些彼此重叠的w i f i 系统就好比是一个又一个路由 器，为用户的互联创造了条件。消息的传输就像青蛙的跳跃，从一朵百合花跳 到另一朵百合花淤泥下的茎是不可见的。 如此诱人的景象会让所有人甚至是对移动网格毫无了解的人，也会对网格 技术产生无限的遐想。 早在上个世纪九十年代，比尔盖茨就雄心勃勃的预言，2 0 0 5 年，人类将能 够实现“信息随手可得 的目标。虽然到现在为止这个梦想也还没有真正的实 现，但从网格技术提出到目前取得的成果看，离这个目标是越来越近了，而移 动网格的最终目标也是相当符合信息随手可得的目标。 但是，要想真正实现信息随手可得，还有很多的问题需要解决。最需要关 注的就是对于移动网格，现有的技术能不能应用到移动设备上? 移动设备终端 有着不同于其他大型网络和高性能网络设备，首先，移动终端的存储能力有限， 对于现在动则上g 的软件无能为力；其次，移动终端的c p u 不够强大，对于处 理速度稍微有点要求的工作显得很笨拙和迟缓：另外，电池寿命有限、网络带 宽不足、显示和输入能力有限，以及操作系统、m 和接口繁多，这些都是移 动终端在网格应用中所需要考虑和解决的问题。 网络其他领域的一些研究成果为网格的发展也注入了很大的活力，比如w 曲 服务。计算、存储、通讯等方面存在先天缺陷的移动终端，可以把自己无法处 理的任务提交给移动网格，让高性能计算机为自己完成这些任务，最后只需要 武汉理i ：人学硕十学位论文 收集这些返回的结果。用户对这些服务的使用时透明的，只需要提交申请并等 待完成即可真正感受到了“无微不至”。 目前，分布式计算算法在网格计算中应用很多，其目的是将一个大的任务 分成若干小的任务，再将这些小的任务分配给网格其他的设备来计算完成。这 种方式也有很多的弊病。很多研究人员称，每个任务都有自身的特性，适合在 不同的计算设备上处理，将任务不分割只是放在合适的机器上运行会具有更好 的效果。再者，将一个任务拆分为多个任务会给计算带来复杂性和不可预测的 错误。更重要的是，它可以避免任务子模块之间频繁通信造成整体性能下降。 如果任务的完成靠的是网格上各种资源的协调，那么终端的先天不足可以 得到弥补了，换句话说，用户提交的任务不必局限于手持的设备，它能由网格 上其他高性能的设备代为完成。 这也只是移动网格目前所需解决的问题，移动网格的最终目的要看得更远。 随着科学技术的不断发展，电子产品r 新月异，无线设备也是层出不穷，这会 让移动设备具有越来越强大的功能，相信有一天一个小巧的终端能像现在的p c 一样，甚至具有更加完善的能力。到那个时候，可以充分利用所有的资源，组 件成一个真正的网格。那个时候，网格就会真正插上了飞翔的翅膀，变得无处 不在。 2 0 0 6 年，索尼、i b m 和东芝的技术人员在美国旧金山召开的全球晶体管电 路大会( i s s c c ) 上公布了c e l l 处理器技术指标。微处理器论坛( m i c m p m c e s s o r r e p o r t ) 的t o mh a l f h j l l 对c e u 处理器的专利及其它相关资料进行仔细的分析后揭 露了c e u 处理器几个方面的特性。最引人关注的一个特点就是其芯片设计技术。 t o l nh a l f l l i l l 发现在设计c e 儿处理器芯片方面，c e l l 处理器的许多专利可以 广泛的应用到游戏机和其他移动设备上。而且，c e n 能够在网络中漫游，其计算 能力与网格的一些功能有相似之处，使用c e n 处理器的小游戏机还能利用网络 中空闲的其它计算资源。 t o mh a l m i l l 认为，“c e u 独具匠心的架构可以使网格计算无所不在，如果在 网络中连入几台这样的平台，整个网络都可以执行同一项任务。” 如果这项技术达到的成果如t o m 说描述的，c e l l 芯片能有效的支持网格应 用，那么借助此技术平台上对c e u 多加改进，使其能更适合于现在的网络环境， 那么这将是在基础设施层对移动网格的最大支持了。 如今，随处可见的手机和掌上电脑数量已经远远超过电脑的使用者了。怎 样将这些移动设备网格化，使其成为一个超级大的移动平台，为用户提供无限 4 武汉理1 ：人学硕士学位论文 制的服务能力。软件和硬件的相互促进将会为网格的发展插上飞翔的翅膀，最 终实现信息随手可得。 1 3 移动网格国内外的研究现状 在国内，移动网格的研究吸引了众多的参与者。移动网格最初在军事方面 获得重视，据解放军报报道，中国首家军事网格研究中心2 0 0 4 年5 在南京理工 大学正式成立该研究中心希望移动网格能扩展到各个角落，通信卫星、通信 飞机、作战地域网等通信和计算机设施组成的广域分布、无缝连接、动态开放 的互连网络等都将融入移动网格睇j 。 在国外，移动网格作为下一代网格技术的方向也是炙手可热，如o r a c l e 、微 软等。h p 公司对移动网格也作了比较深入的研究，并制定了g r i d l i t e 构架。随 着开放网格服务体系结构o g s a 和w e b 服务资源框架w s r f 的提出，网格已经 由科学领域转向商业领域，由科学计算转向服务型功能。商界和各研究单位已 经积极开展网格的实验，以期获得这块新的领域的主导权。从各方面收集的资 料综合来看，已经有众多的网格产品在小范围内施用，如i b m 、h p 、s u n 、o r a c l e 等大型企业。在国家层面上，对网格的研究起步也相当之早，如美国的 c v b e n f h a s 缸u c 僦e 、英国的e s c i e n c e 计划、德国的d e u t s c h l a i l d g 髓d g r i d 项 目、亚太地区的a p g f i d 等，有些项目也涉及到了移动网格。 g i g ( 全球信息网格) 是有美国军事背景的项目，主要应用于国家军事领 域，它覆盖了几乎所有的安全部门以及智囊集团。g i g 的触角还延伸到社会生 活和自然环境的各个场所，比如科考基地、民政邮局、森林湖泊、各类工厂等， 在军事方面还能协调各兵种之间的作战，实时性非常之高。k 幸嘶d 项目获得韩 国信息和通信部的批准，它的主要目的是为工业和科研创造一个良好的实验平 台。该项目重点在于移动网格方面的研究，首先是构建一个移动网格框架，容 纳现有的和将来会出现的一些移动设备，其次，充分利用闲散的资源包括移动 资源和现有的有线资源。 从总体上看，移动网格的研究项目比传统有线网格要少得多，而且处于初 步阶段，离成熟的商业化或者科研应用还有很远的距离。但传统有线网格正逐 步走向民用，比如国内的嘶d m e d i a 就是一个正朝民用化发展的有线网格。 网格以后的应用发展趋势是由从科学计算领域向商业、民用、军用领域发 展，为大众提供娱乐服务、医疗服务、计费业务、消息提醒业务、功能评估业 武汉理工人学硕十学位论文 务、数据挖掘业务、保险业务等，而要使传统网格的功能进行延伸，就不得不 研究移动网格，使网格成为真正意义上的第三代互连网。 1 4 移动网格层次模型以及移动节点位置预测的研究现状 作为一款开源和成型的中间件架构，g l o b u st o o l k i t j 可以用来构建和部署 网格的软件系统，其作用相当于网格操作系统。它拥有一整套的软件和协议来 实现和部署网格软件系统，而且这些系统可以是多语言的。在很大程度上g l o b u s 达到了网格系统的基本目标，但是它还缺乏些特点是其更容易的在各种环境 中被使用，比如在移动环境下。为了在移动环境下对移动设备进行支持，一些 新的网格体系结构被提出来了，比较有代表性的是g r i d l i t e 。 节点定位算法主要是应用在无线传感器网络中。因为无线传感器网络需要 对复杂的任务进行大规模检测和追踪，这样节点定位就成为无线传感器网络应 用的基础【5 j 。g p s 【6 j 是目前应用最广的定位服务，但是在某些场合其使用受到限 制。目前主要是用少量的已知节点通过定位算法来确定节点位置信息。从1 9 9 2 年a t & t 实验室开发出室内定位系统a c t i v eb a d g e 【7 8 l 到现在，已经有很多算法 来解决自身定位问题：典型算法有c e n t r o i d 算法【9 1 、凸规划算澍1 0 】、a p i t 算法 f l l j 等。每一种算法都是用来解决不同问题或者是支持不同的应用。 目前大多数定位方法分为两步骤：( 1 ) 节点间的距离测量( 2 ) 定位计算。 常用的测量节点距离或角度的技术有r s s i 、t d o a 、a o a 和t o a s 。节点定位 算法，按照测量技术、定位形式、定位效果、实现成本可以分为下面几类：( 1 ) 基于测距技术定位和无需测定技术定位，比较典型的算法是d v - h o p 、凸规划和 m d s m a p 。( 2 ) 绝对定位与相对定位，比较典型的定位算法有s p a 、l p s 、s p o t o n 等。( 3 ) 精粒度与粗粒度，精粒度技术一般是基于测距技术，而粗粒度技术一 般是无需测距技术。( 4 ) 基于锚节点与无锚节点【1 2 ，l3 1 。( 5 ) 集中式定位算法和分 布式算法，集中式定位算法包括凸规划、m d s m a p 等。( 6 ) 紧密耦合与松耦合， 紧密耦合暴多a c t i v eb a d g e 、h i b a l lt r a c k e r 【1 4 ，1 5 】等，而松耦合包括c r i c k e t ，a h l o s 。 这些定位算法应用于不同的场合，均有各自的优缺点。在移动网格应用中，也 应根据具体的环境来选用不用的定位技术。 当移动节点完成自身定位后，网络上其他节点要获知该节点的位置和相关 信息，但是频繁的通信会降低网络性能，特别是带宽受限的无线环境。本文提 出了在服务端对移动节点位置的预测来减少网络开销。 6 武汉理：人学硕士学位论文 1 5 本文的主要工作及创新 本论文的主要研究目标是移动网格的层次架构模型，以及在模型基础上对 移动节点的的位置进行预测。对移动节点位置的预测能有效的减少节点问的通 信，这在移动带宽有限和移动设备自身资源受限制的情况下是很有用处的。 本课题的主要研究工作以及创新性体现在以下几个方面： ( 1 ) 将移动设备加入已有的网格体系中，使网格扩展到生活的各个角落， 而不是仅仅局限在有线和资源充足的环境。 ( 2 ) 融合了计算网格、数据网格等多种网格体系的核心，提出了g r i d l i t e 架构模型。分析了h p 公司g r i d l i t e 架构的实现以及其服务例程。 ( 3 ) 在嘶d l i t e 结构模型下，引入计算法定位( d r ) 对移动节点运动轨 迹进行预测，以减少通信流量，提高系统的整体性能。 1 6 论文结构 论文主要分为六个部分，各部分内容安排如下： 第一章绪论介绍课题来源、研究目的以及意义，同时还介绍了移动网格 研究的背景和国内外研究现状，最后是本论文的工作和创新。 第二章移动网格概述介绍移动网格的基本概念以及特点，重点介绍了移 动网格的层次模型。 第三章g r i d l i t e 层次模型架构分析了几种典型的网格系统特点和功能，它 们在移动环境下的局限性，提出了经过融合的g d d l i t e 构架模型，用层次化模型 的方式为移动网格的实施打好基础，最后针对h p 公司依据g r i d l i t e 构架实现的 基本服务做了些详细的说明。 第四章基于层次模型的移动节点位置预测在基于g r i d l i t e 架构下，将计算 定位算法引入到移动网格中对移动节点运行轨迹的模拟。 第五章仿真实验及结果分析 第六章结论与展望 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章移动网格概述 2 1 移动网格的概念 随着移动无线网络系统的不断发展，用户希望能在任何地点、任何时间都 能获得想要的资源。现有的网格技术只是考虑了静态的设备资源，除了静态的 资源外，网格系统也应容纳移动资源，新的要求将产生新的技术，这种移动和 网格的结合所产生的技术称为“移动网格计算”。它实际上是传统网格在无线计 算环境中的扩展，它以无缝、安全、透明、有效的方式支持移动用户，是无线 技术与网格计算这两种技术的融合。 移动网格的应用很广泛，比如：石油钻探感应器、灾难管理系统、地震监 测预测感应器和监视器、战场系统等。网格可以将这些应用集成到一个系统里 面，而检测到得数据则是分散于单个的移动设备资源上，移动网格将对这些数 据进行整合收集并分析和预测。因此，移动网格在未来的科学和日常的生活中 将扮演越来越重要的角色。 2 2 移动网格的特点 移动网格是伴随着移动终端的大量涌现而出现的，但是这些移动终端有很 多的先天不足，具体说来包括以下特点j ： ( 1 ) 有限的内存和存储资源 ( 2 ) 有限的计算资源 ( 3 ) 有限的网络带宽 ( 4 ) 有限的显示和输入能力 ( 5 ) 多种多样的处理器、操作系统、j v m 和a p i 。 这些移动设备的缺陷也就成为有线网格向移动网格转化需要解决的问题。 把移动因素考虑在内，会产生一系列有待解决的问题【2 j ： ( 1 ) 连接不稳定性，移动设备有限的通信范围和它本身具有的移动性造成 网络连接时断时续，即移动设备与网格连接的不稳定性。在有线环境中，连接 的不稳定性得到了较好的解决，但是在移动环境中，这种现象将会产生很多不 8 武汉理【：大学硕十学位论文 可预知的麻烦。 ( 2 ) 安全性，保证用户和服务提供者只执行得到授权的行为，具体的说： 确保用户每次登陆和提交任务的安全，任务的具体执行者也需要安全性的策略 确保任务的完成。一个统一的安全构架是达到安全性的保障。 ( 3 ) 异构性，无线网格的异构性更胜于有线网格的异构，通信设施、通信 方式、通信平台都存在异构。 ( 4 ) 移动网格的高可靠性和容错设计，这两者是无线网格q o s 的保证 ( 5 ) 负载平衡，由于移动设备本身的特性，短时间内大量设备资源的急剧 变化是很有可能的，比如一个区域的通信故障会导致移动设备急剧下降，而故 障的修复也会令移动设备数量急剧上升，还有移动设备从一个服务区移动到另 一个服务区也会产生这种情况。 ( 6 ) 中间件的设计，要考虑移动设备多样性，服务透明性，界面一致性， 提供给用户一种随时随地访问网络资源，进行娱乐、工作和连接功能。 这些关键技术是实现移动网格的过程中必须要解决的，是移动网格在成为 商用之前必须跨越的障碍。 总的说来，移动网格的最终目标有： ( 1 ) 移动用户可以访问移动网格中所有服务。 ( 2 ) 构建一种通用的网格构架，充分考虑各种移动设备的性能。 ( 3 ) 在构架的基础上，为用户提供一个a p i 接口，能随时随地访问网格资 源。 ( 4 ) 为用户提供一个透明化的通信平台。 涉及到的平台包括客户终端设备和服务器设备，为了使这些功能有限的移 动设备实现这些目标，移动网格必须具有以下特点： ( 1 ) 能和现有网格构架兼容，使移动网格成为现有网格架构的延伸。 ( 2 ) 采用已有的网格标准，包括：x m l 、s o a p 、w s d l 、w s i 强和g t 4 。 ( 3 ) 能够做到与移动产品的自由通信，能为移动用户提供智能化、自助式 的服务，以便用户使用。 ( 4 ) 网格技术对用户来说是透明的。 作为最关键的一点，移动网格构架包括两个层次：服务端的构架和移动终 端的网格构架。在已有的网格构架上安装接口软件，提供移动设备网格服务， 同时在移动设备上安装网格软件，使其与已有网格系统交互。 移动网格把已有的移动设备网格化、虚拟化，为用户提供各种各样的网格 9 武汉理l i 大学硕十学位论文 服务。但是在提供这些服务之前，有些核心的网格服务需要构建，好比u n i x 操作系统提供给应用程序的核心文件系统和内存管理服务一样。在移动网格中， 需要提供的核心服务一般包括存储管理服务和应用程序管理服务等。 2 3 移动网格的通用体系结构 一种新的趋势是将无线网格与有线网格通过中间件进行连接i l 州，由中间件 来传输有线网格与无线网格之间的服务请求，并在处理完成后返回处理结果。 文献【1 7 提出了m o b i l eo g s i n e t ，将网格计算扩展到移动设备，支持设备上的 网格服务。 对现存的网格系统进行分析，可以发现，移动网格就网格客户与网格资源 类型可分为4 种类型i i 副：静态静态、静态动态、动态静态、动态 动态。静态静态类似于一般的静态网格；静态动态的例子如蜂窝 电话；动态静态则可通过无线设备如l a p t o p 、p d a 访问网格资源；动态一 一动态为无线网格内部通信。 移动网格系统由三部分组成：无线网格部分，网关部分，有线网格部分。 从本质上来讲，网格上的资源均为动态，但是从设备的移动性来说，无线网格 和有线网格不同。由此，无线网格部分分为动态网格或无线网格，有线网格则 称为静态网格，也有的称为固定网格。两种网格之间通过网关连接起来，在无 线网格与有线网格之间有多个代理服务器，对于两个网格之间的通信数据等进 行协调、缓冲、中转，称为移动服务代理；资源代理分为：移动资源代理、静 态资源代理、注册服务器、元数据服务器等。网格的通用体系结构如图2 1 所示， 其中实线表示有线方式，虚线表示无线方式【i 9 。 当移动用户提交任务，想获取网格计算系统的服务时，实际上是通过移动设 备中的移动代理与网关中的移动代理进行交互，再由网关中的移动代理向网格系 统提交任务。若网关中的移动代理侦测到移动设备与之连接中断，就负责作为移 动设备的代理来完成与网格计算系统的交互，如监测任务的执行，输入必要的信 息等。任务完成后，结果数据就暂时保存在网关中的移动代理中。一旦网关中的 移动代理侦测到移动设备