（计算机应用技术专业论文）基于普适计算模式的上下文可察觉应用模型的研究.pdf

武汉理1 ：大学硕士学位论文 摘要 当今时代，计算机已经进入人类生活的各个领域。计算机在人类生活中的实 际地位，早已不再是一种供人类使用的简单工具。计算技术的发展和计算模式的 变迁深刻的影响了人类社会的发展，同时人类社会也对计算机科学的发展产生了 无可忽视的影响。在网络和便携设备盛行的今天和将来，桌面计算模式已不适合 计算机的发展变化所导致的人机关系和计算机使用方法的变化。计算技术在桌面 模式下的2 0 多年的飞速发展正孕育这一种新的计算模式普适计算。新的计 算模式下需要有新的应用程序设计方法。 本文以基于普适计算的上下文可察觉应用模型为研究对象，论述了普适计算 领域的研究现状和发展趋势，讨论了在普适计算环境下应用程序的一种设计方 法。 本文首先从普适计算环境出发，在研究传统应用模型的基础上，提出了普适 计算的应用模型，指出这种应用模型是面向服务的计算和察觉上下文计算的结 合。接着文章对面向服务计算的支撑技术服务发现技术做了介绍，其中重点 介绍了j i n i 这种分布式编程环境。然后重点分析了面向服务计算的设计和实现技 术。本文同时也讨论了察觉上下文计算的设计和实现技术，结合本文作者的工作 实际，对上下文信息的建模、存储、查询提出一套行之有效的方法，并加以实现。 文章以作者参与的某省移动通信公司业务运营和支撑系统( 以下简称b o s s ) 的 监控子系统的实践验证了面向服务的上下文可察觉应用模型，并列出了一些简要 的实现细节。另外本文还对该应用模型的安全性做了一些讨论。 本文的研究表明：这种普适计算应用模型面向服务的上下文可察觉应用 模型在定程度上解决了普适计算环境对应用程序设计产生的一些问题。使 用这种模型较好的将业务逻辑与计算环境分离开来，体现了普适计算的目标。该 研究有一定的工程应用价值和进一步深入研究的意义。 关键词：普适计算、面向服务计算、上下文可察觉计算、j i n i 武汉理工人学硕十学位论文 a b s t r a c t t o d a y ，c o m p u t e r sh a v ec o m ei n t oe v e r yc o r n e ro fh u m a nb e i n g s l i f e c o m p u t e r sa r en o ts i m p l et o o l sa n yn l o r ei nm o s tc a s e s ，t h e ya r ec o r ec o m p o n e n t so f d a i l yl i f e ， t op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，i ti se s s e n t i a lt oa d o p ta h o m o l o g o u sc o m p u t i n gp a r a d i g m t h ec o m p u t e rm a n u f a c t u r et e c h n o l o g i e st h a ta r e r a p i dd e v e l o p e dh a v em a d et h ed e s k t o pc o m p u t i n gi n t ob o o me r a b u tw i t hp o p u l a r i t y o fn e t w o r k sa n dp o r t a b l e d e v i c e s ，d e s k t o pc o m p u t i n gc a nn o ta d a p tt ot o d a y s m a n m a c h i n er e l a t i o nc h a n g e db yc o m p u t e r s d e v e l o p m e n ta n du s a g e t h u s ， u b i q u i t o u sc o m p u t i n gi sa p p e a r i n g u b i q u i t o u sc o m p u t i n gn e e d sn e wa p p l i c a t i o n d e s i g na p p r o a c h t h i st h e s i sd e s c r i b e st h en e wd e s i g na p p r o a c hc o n c e r n i n go ns e r v i c e o r i e n t e da n dc o n t e x ta w a r ec o m p u t i n g a tt h eb e g i n n i n g ，u b i q u i t o u se n v i r o n m e n t sa l ed e s c r i b e d b a s e do nt r a d i t i o n a l d e s i g nm o d e l ，a l la p p l i c a t i o nd e s i g nm o d e lo fu b i q u i t o u sc o m p u t i n gi si n t r o d u c e d 。 s e r v i c eo r i e n t e dc o m p u t i n ga n dc o n t e x ta w a r ec o m p u t i n gw a si n t e g r a t e dt of o r mt h i s d e s i g nm o d e l a n dt h e n ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h es u p p o r t i n gt e c h n o l o g yo fs e r v i c e o r i e n t e dc o m p u t i n g j i n ii so u re m p h a s i s a f t e rt h a t ，s e r v i c eo r i e n t e dd e s i g na n d i m p l e m e n ta r ed i s c u s s e d t h ed e s i g na p p r o a c ha n di m p l e m e n tt e c h n o l o g yo fc o n t e x t a w a r ea p p l i c a t i o na r ea l s oi n t r o d u c e d t h em o n i t o rm o d u l eo fb o s s ( b u s i n e s s o p e r a t i o na n ds u p p o r ts y s t e m ) o fg m c c ( g u a n g z h o um o b i l ec o m m u n i c a t i o n c o r p o r a t i o n ) i sa i le x a m p l eo no u rd e s i g nm o d e l i na d d i t i o n ，w ea l s od i s c u s st h e s e c u r i t yo f o u rd e s i g na p p r o a c h t h es t u d i e sm e n t i o n e da b o v es h o wt h a ts e r v i c eo r i e n t e da n dc o n t e x ta w a r e c o m p u t i n gi s a l li d e a la p p r o a c hf o rd e s i g n i n ga p p l i c a t i o ni nu b i q u i t o u se n v i r o n m e n t t h ea p p l i c a t i o nc a ns o l v es o m ep r o b l e m sc o m i n gf r o mu b i q u i t o u sc o m p u t i n gi ns o m e e x t e n t s a a di ti sv a l u a b l ea n dw o r t h yo ff u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d slu b i q u i t o u s c o m p u t i n g ，s e r v i c eo r i e n t e dc o m p u t i n g ，c o n t e x ta w a r e c o m p u t i n g ，j i n i u 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 人类的生活总是随着技术的发展而产生变化，而技术是无法脱离人类的生活 的。技术变迁的过程中许多重大的波动都从根本上改变了技术在我们的生活中所 处的位置，也就是说技术的发展所改变的不仅仅改变了技术本身，也改变了人类 和技术的关系。 当计算机时代处于主机时代时，计算机是稀有的资源，计算机放在密闭的房 间之中，由一群神秘的专家在操纵着，其他的普通用户只能使用终端来共享台 计算机。这时的人机关系是“多对一”的关系。随着微型计算机技术的发展，人 类进入了个人计算机时代。在p c 时代，每个人都可以有一台计算机。当浚计算 机服务于你的时候它就不能再为其他人所操纵了。p c 的发展使得计算机进入了 办公室和家庭，人类和机器的关系变成了“一对一”的关系。当然，p c 的普及 也推动了计算技术的发展。工艺的发展使得计算机变得越来越小但是功能确越来 越强，i n t e r n e t 的出现和爆炸性的发展使得无数计算机用户及其资料相互连接， 当然也把手机时代和p c 时代的大量设备连接在了一起。现在的计算机似乎开始 渐渐远离它一直所处的桌面，转而渐渐消失在人们生活的环境之中。 工艺的发展和网络的普及把人和计算机的关系变为了“一对多”的关系。这 时可以说计算机的普适计算时代开始到来了。在普适计算时代各种具有计算能力 和联网能力的设备将象水、电、纸、笔等日用品一样，随手可得。除了人机关系 将是一对多，一对数十甚至更多之外，计算机的受众也将越发的对计算机所知甚 少。计算机将嵌入到我们的工作和生活之中，变为手持的或者可穿戴的设备，当 然也可以与其他人造的器具融合在一起。 每一种计算模式都会带动适合其特点的计算机科学技术的发展。主机计算促 进了分时系统的发展；而桌面计算则带动了个人操作系统、图形用户界面、多媒 体等技术的发展。同样的，普适计算也要求发展与之相适应的计算机科学理论和 技术，而不能是对目前桌面计算模式孕育的现有理论和技术的简单线性扩展，因 为现有的计算机技术还存在一些不足，难以满足普适计算模式的要求。 以计算机为中心而不是以人为中心i 3 j 。 在桌面计算模式下，计算机占据主导地位，从某种程度上l 绕，人是计算机的 “仆人”，其主要表现如下：第一，人必须主动使用计算机才能获得计算和信息 服务；第二，人机之间的交互方式更适合机器而不是人；第三，人必须处理各种 武汉理j 一大学硕士学何论文 计算任务的细节才能获得所需要的结果，比如配置软件、硬件，记住数据的存放 地点等。 在普适计算的时代，人很可能需要同时面对数十台计算设备，如果每台机器 都要投入如此多的精力，那么人的注意力将完全被计算设备而不是要完成的任务 所占据。人们的精力应该投入到业务相关的领域。计算机科学需要研究如何实现 人枧关系的逆转，使计算机真正成为人类的“朴人”。 计算资源是私有的，而不是共享的。 在桌面模式下，用户与计算机是一对一和直接占有的关系。此外，一台计算 机的计算环境( 所连接的设备、可利用的服务) 是事先绑定和固定的，由此发展 起来的各种技术也都以此为前提。在普适计算模式下，计算资源和各种设备将趋 向与公用和共享化，就像放在办公室的纸和笔一样，谁都可以室起来就用。为了 充分利用这些无所不在的服务和资源，计算机科学必须建立与之相适应的新计算 坏境模型，这种模型没有固定形态和边界，可以随着用户所在环境中可利用的设 备和服务的变化而动态调整，同时又能保证安全性。 计算是固定的，而不是随时可移动的。 目前的桌面计算模式对移动性的支持很少。这包括缺乏对上下文( c o n t e xc ) 在不同计算环境中迁移的支持，以及缺乏对网络条件、计算能力、输入输出能力 的变化和差异的处理机制。例如，尽管用户在办公室有一台p c 、家里有一台p c 和一台p o c k e tp c ，但是如果希望能在上下班的过程中连续的完成一个任务，却 是件十分困难的事情，它需要用户自己去关心网络配置、应用程序的启动和关 闭、数据文件的拷贝或网络映射等底层细节。因此，为了满足酱适计算的要求， 真正实现任何地点、任何时间、任何设备访问任何服务和信息，就应把移动性作 为一个基本因素进行考虑。 应用程序缺乏互通性。 在应用程序中，功能层往往被隐蔽在表示层之下，没有直接的对外接口，应 用之洲缺乏互相发现和利用其他应用程序的功能和服务的机制。为了完成一个任 务，用户往往需要在一个设备上启动多个应用，然后分别与他们进行交互，以便 把它们组织到一个工作流中，这种模式不适和普适计算。为了充分利用计算资源 和服务，应用程序在开发时就必须考虑到其他应用程序和服务的交互。 本课题就是针对这些当前技术的不足，从应用程序方法设计这个方面做一些 工作。在研究普适计算基本理论和目前该领域的已有研究成果之后，应用普适计 算应用程序设计方法对原有目标系统进行分析，提出改进方法，从而建立相应的 新系统。 武汉理l ：人学硕士学位论文 1 2 课题研究的现状 普适计算的思想最早是】9 9 1 年m a r kw e is e t 在s c i e n t i f i ca m e r ic a n ) ) 的“t h ec o m p u t e rf o rt h e 2 1 s tc e n t u r y ”【2 l 中提出的，强调把计算机嵌入到环 境或日常工具中去，让计算机本身从人们的视线中消失，让人们注意的中心回归 到要完成的任务本身他的思想在9 0 年代后期开始在国际上得到广泛关注和接 受，许多相关的研究计划纷纷启动，目前已经成为一个极具活力和影响力的研究 领域，其重要标志是分别从1 9 9 9 年和2 0 0 0 年开始的u b i c o m p 国际会议和 p e r v a s i v ec o m d u t i n g 国际会议、2 0 0 2 年i e e ep e r v a s i r ec o m p u t i n g 期刊的 刨刊 清华大学于1 9 9 9 年开始普适计算的研究。清华大学徐光佑教授在他的论文 中介绍了他们在智能空间领域的研究成果，他们实现了一个智能远程教学系统 ”j 。北京大学目前已丌始开设普适计算的相关课程，并设立了一个普适计算实验 室。国内在普适计算与嵌入式系统研究方面也有一些论文发表。我国对普适计算 的研究目前还处于起步阶段。重庆三峡学院的熊江将普适计算的思想与嵌入式系 统设计帽结合为普适计算研究的发展提出一个新的方向 】。 国外对普遁计算的研究要领先国内。1 9 9 5 年s c h i l i t n 首先实现了一个上下 文可察觉的系统软件结构。伯克利分校提出了一个上下文可察觉系统的系统软件 结构，该文在一般的底层结构中加入上下文信息的存储和安全机制有关的内容 还提出了一个上下文规范语言( c o n t e x ts p e c f i c a t i o nl a n g u a g e ) 口】，该语言 可以使用自然语言的形式查询环境信息。m a r t i nj o n s s o n 和他的研究小组将面 向服务的软件体系结构与昔适计算环境下可察觉上下文的计算相结合，提出了一 套普适环境下软件建模的方法和硬件部署的工具，并实现了一个管理会议文档的 应用程序6 1 。 但是通常这些研究或者成果大多不是与企业应用相结合的，将当前的企业应 用和普适计算的思想及普适计算应用模型相结合是目前所需要解决的问题。 1 3 课题研究目的和内容 普适计算的目标是建立个充满计算和通信能力的环境，同时使这个环境与 人逐渐的融合在一起。人与环境融合是指人们可以随时随地的、透明的获得数字 化的服务。人们在生活工作的现场就可以获得服务，而不需要离开当前的环境坐 在一个机器前；人们也不需要注意到这种服务的访问方式等等，服务的获取是十 分自然的f 。 武汉理j ：大学硕i 学位论文 普适计算把计算和信息融入到物理世界，这不仅是使计算机无所不在，由于 人与信息以及计算能力将保持不间断的接触，它还提供了种新的交互方式的可 能，这就是种蕴涵的交互方式【“。这时需要系统能觉察在当时的情景中与交t 的任务有关的上下文，并掘此做出决策和自动地提供相应的服务。虽然在桌面计 算中已开始利用上下文信息，但与桌面计算模式下上下文是固定或人为设定的情 况不同，在普适计算模式下上下文将随任务而变化，而且由于工作环境是现场，其 中的背景情况不但复杂而且是动态变化的，使上下文的动态性问题更加突出。因 此，觉察上下文的计算( c o n t e x ta w a r ec o m p u t i n g ) 在人机交互中就变得很重 要了。 本文研究的目的就是希望解决现有计算机应用技术和理论与普适计算模式 不匹配的矛盾，使计算机应用技术适应普适计算的要求。尤其是在普适应用程序 设计方面能够提出一个实用的方法，使得在新的计算环境下应用程序的设计方法 适应技术的发展。 本文研究的内容是普适计算环境中应用程序设计中涉及到的若干关键技术 和上下文可察觉应用程序的设计模型。基于普适计算的应用程序设计的支撑技术 主要是面向服务技术，其中又以服务发现技术作为重点。文中对服务发现技术做 了研究和总结，认为j i n i 技术是较为合适的种实现普适服务环境的一种技术。 文中使用j i n i 技术设计并实现了原型系统的服务环境。本文的另一个重点是上f 文的建模，存储和查询。本文使用j i n i 来对原型系统可能用到的上下文进行封装， 分别以服务的方式提出了上下文存储和查询的一套方法，并加以实现测试。 本文首先简要介绍了与普适计算有关的些理论。接着，通过研究应用模型 的演变，引出了普适计算模式下察觉上下文应用程序的设计模型。然后，本文着 重研究了普适计算环境中创建上下文可察觉应用相关的三个关键技术：服务的发 现，上下文的表示和综合，上下文的查询机制。在讨论传统技术的基础上，提出 了上下文表示方法和查询机制，提出了一种上下文可察觉应用的设计方案，并实 现了个原型系统，以此说明了企业应用应如何应对普适计算时代的到来。 4 武汉理二大学硕士学位论文 第2 章普适计算应用模型研究 2 1 普适计算研究背景 211 普适计算的定义 普适计算的思想最早是1 9 9 1 年由m a r kw e i s e r 提出的。关于普适计算准确 的定义，不同的研究者有不同的理解，其目标都是“要建立一个充满计算和通信能 力的环境，同时使这个环境与人们逐渐地融合在一起”1 2 j 。国内有的研究者给出 的定义是：“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、透明地获得数字化的服务。” 1 1 其中“随时随地”是指人们可以在工作、生活的现场获得服务，而不需要离 开这个现场去端坐在一台专门的计算机面前；而“透明”是指获得这种服务不需 要花费很多注意力，即这种服务的访阀方式是十分自然的甚至是用户本身注意不 到的。“透明”是普适计算更本质的要求，是其与桌面计算模式最本质的区别。 在文献【2 j 中这样描述“透明”的本质性：“最具有深远意义的是那些从人们注意 力中消失的技术。这些技术已经渗透到人们的日常生活中以致与生活难以区分”。 2 1 2 全面的技术挑战 追求普适计算理想的一个典型的研究计划就是m i t 的o x y g e n 计划，目标是 “使丰宦的计算和通信能力像空气一样无所不在和自由地融入人们的生活之中” 口j 。普适计算的本质就是力图真正全面实现计算技术的“以人为本”，它对计 算机科学的各个层次的研究都提出了新的要求和技术挑战【“： ( 1 ) 在硬件或接入层次上，需要研究和开发出新的嵌入环境的和便于携带的 计算设备、传感设备和显示设备； ( 2 ) 在网络层次上，当具有计算、感知能力的物体变得无所不在时，这些物体 间的互联通过有线网络进行显然是不够的，所以无线网络将成为普适计算的重要 基础设施： ( 3 ) 在系统软件( i n f r a s t r u c t u r e ) 层次上，各种异质的具有计算、传感能力的物 体间的交互的需求对系统软件提出了前所未有的挑战，需要解决如何使它们实现 数据的交互、任务的协作；在传感设备无所不在时如何保护用户的隐私等等一系 列问题： ( 4 ) 在人机交互层次上，普适计算要求交互方式从困难烦琐的显式交互转变 为透明的蕴涵式交互，这就需要研究新的交互模式和感知接口。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 普适计算环境下应用程序已不同于原来的桌面应用或者是网络应用。普 适计算应用跟多的与人类所处的环境或者社会有关。如人所处的物理位置，物理 位置附近的环境等情况会对应用程序的行为产生影响。旧的应用程序设计方法基 本上没有考虑这些因素，需要有新的方法来对普适计算下的应用进行建模和设 计。 下面本文将从传统的应用程序设计模型出发，在结合过去应用模型优点的基 础上引出普适计算的应用模型。 2 2 传统的应用模型 组成应用程序的代码及其资源，按照其在应用程序中的功能，可被分解为三 个部分：用户界面，事务逻辑和数据存取【8 j 【9 i 。 2 21 单层应用模型 早期的应用程序没有将三个组成部分分丌。用户通过哑终端来共享大型机资 源。哑终端没有处理能力，所有的用户界面、事务逻辑和数据存取都是在大型机 图2 - 1 单层应用模型 上完成的，当时使用的是单层应用模型，如图2 - 1 所示是单层应用模型。 22 2 两层客户服务器应用模型 p c 机的出现对应用模型的发展起到了巨大的推动作用，这时出现了客户服 务器模式的应用程序，即应用程序的代码和资源被明确的划分为客户端和服务器 端，因为p c 机有了定的处理能力，传统在大型机上实现的用户界面和部分事 务逻辑被移到p c 机上运行，而大型机则提供部分事务逻辑处理和数据存取的功 能1 9 i 。根据事务逻辑在客户端和服务器端分配的不同，该模型有如图2 2 所示三 种形式。 武汉理j 人学硕士学位论文 2 2 3 多层客户n 务器应用模型 炳层应用模型中的客户端逻辑可能随着事务逻辑的改变而变化，从而需要重 新实现并发布一个新的客户端。三层或是更多层应用模型的出现，解决了这样的 问题，在三层的应用模型中，事务逻辑与用户界面和数据存取明显的分离开来， 将客户端的用户界面与服务器端的数据存取隔离开来，从而极大地增强了应用程 序的可维护性。最常用的多层客户服务器模型是三层模型。现在已经出现了将 事务逻辑层和数据存取层增加的趋势，这种更多更细的分层不但提高了系统的可 维护性能，同时也增加了系统的可重用性和与分布式系统概念融合的可能性 8 l 。 如图2 3 所示是一个典型的三层模型。 图2 2 两层客户朋务器应用模型 图2 - 3 多层客户服务器应用模型 2 2 4 分布式应用模型 在分层的客户服务器应用模型中，下一层为上一层提供服务，上一层调用 下一层提供的服务，这对功能的可重用性支持的不够。为了最大限度地发挥系统 的功能，分布式系统打破分层系统中对于客户和服务器的定义，将应用程序的代 码实现分解为遵循某个标准规范的对象，这些对象中提供的功能被封装到接口 中，在某个具体的事务逻辑中，一个对象可能充当客户的功能，它需要调用另一 个对象提供的服务：而在另一个事务逻辑中，同一个对象可能为其他对象提供服 武汉理：l 大学硕士学位论文 务，充当服务器的功能。常见的分布式对象规范有c o m d c o m 、c o r b a 、j a v a r m i 等。分市式应用模型如图2 - 4 所示。 图2 4 分布式应用模型 图2 - 5 基于w e b 的多层应用模型 武汉理l 火学硕j 二学位论文 2 ，2 5 ，基于w e b 的多层应用模型 w e b 的发展，使得互联网的应用不在局限于提供一些静态的或者简单的动态 内容。传统的以独立的软件包形式发布的一些些应用程序正逐渐被搬上 i n t e r n e t ，以出租服务的方式提供给用户嘲。w e b 是种请求应答式的服务形式， 这种基于w e b 的应用程序在体系结构上有其独有的特点。该应用模型如图2 5 所 不。 2 3 普适计算应用模型 今后计算机技术发展的趋势可能仍然是计算设备的小型化、无线化且嵌入别 的人造物品之中。在这些计算设备中，有些可能会被带着到处跑，有些可能是静 止不动的。这些新的东西也更加需要和异构网络中的其他设备通信。人机关系从 一个人只和一台计算设备打交道变成了一个人可能会携带有多个计算设备，同时 也有可能和别人共享一些设备。 计算设备的发展和人机关系的变化不仅正改变人们理解计算机的方式，也正 改变人们设计应用程序的方式。普适计算环境下的应用程序设计方法是面向服务 计算和上下文可察觉计算的综合。要作到应用无处不在必须使用服务的概念，而 要实现应用程序与环境的交互那么上下文又是不可缺少的要素。下面两节将分别 对这两个重要的要素分别加以讨论。 2 3 1 面向服务计算 普适计算环境首先是一个分布式的环境，在分布式的环境下，服务是一个很 重要的概念。服务的概念同样也贯穿于整个酱适计算模式的始终。 ( 1 ) 面向服务的概念 服务是一种预先由契约定义好的行为，它由组件实现并对外提供，由其他组 件访问和使用，这种服务的提供和使用的关系是靠契约来维系的，契约在计算机 程序的语境下就是接e l ( i n t e r f a c e ) 【13 1 。 面向服务编程的关键概念如下： 组件( c o m p o n e n t ) ：根据分布式应用的需求，将某一功能封装为服务组 件，具有独立软件特征。在使用的时候可以直接配置使用。理想状态下， 所有的服务都是即插即用的。 连接器( c o n n e c t o r ) ：服务l 训互操作的协议。 容器( c o n t n n e r ) ：服务运行的环境。 契约( c o n t r a c t ) ：服务提供的服务接口，即服务呈现的功能特征。 9 武汉理l 火学硕士学位论文 发现( d i s c o v e r y ) ：服务要到达即插即用，必须由好的发现机制，实现 对服务的自动发现。 服务具有如下特点： 服务提供了一个可以通过另一程序调用的接口。 服务可以通过查找服务( l o o k u ps e r v i c e ) 来进行注册和定位。 在面向服务编程时，组件如何在网络中定位服务是关键的问题。这是因为在 动态网络中，节点可能随时加入和离开网络，旧的软件和硬件被更换或者升级， 而且这些变化的频率正变得越来越高、越来越快。 面向服务编程的优势如下： 发现和使用组件及他们提供的服务无需关心他们是怎么发布的和采用的 是什么协议。 可以方便的、充分的整合和利用已经开发的、现有的组件。 基于应用层的接口构造组件，然后以服务的形式发布他们，无需大量的 代码。 组件的丌发和部署作到与平台无关。 编译、打包、部署组件作到一站式服务。 每个组件都有对外公开的接口。 可以兼容以前开发的一些代码。 ( 2 ) 面向服务的架构 面向服务的架构模型由三类参与者和三项基本操作组成，如图2 - 6 所示。 图2 - 6面向服务架构 服务提供者是一个网络节点，它为处理一系列特定任务的软件资源提供服务 接口。服务提供者代表商业实体的服务，或者代表可重用的子系统的服务接口。 服务请求者发现并调用其他的软件服务来提供商业解决方案。服务请求者节 武汉理。1 - ：大学硕十学何论文 点常常指对服务提供者执行远端过程调用的商业应用程序组件。在某些情况下， 提供者节点就在本地的企业内部网上，在其他情形下，可能存在于远端的i n t e r n e t e 。从本质上说，面向服务的架构就是将传输协议、安全细节都留给特定的实现 来处理。 服务中介者类似目录服务，存储由服务提供者发布的软件接口。 以卜三类面向服务的架构模型参与者通过三项基本操作：发布、查找、绑定 相互作用。服务提供者向服务中介发布服务，服务请求者通过服务中介查找所申 请的服务，并绑定到这些服务上。 面向服务的体系因其固有的松散耦合与互操作性，成为许多应用的自然选 择。其灵活性和敏捷性适应了i t 组织对不同的功能和系统进行集成的需要，对 变化的需求能及时作出反应。 ( 3 ) 面向服务技术 目前实现服务的技术有：c o r b a 、d c o m 、r m i 以及w e bs e r v i c e 等。但 这些技术采用本质上式静态的技术来实现。这些技术假设网络式可靠的，网络是 不变的，系统管理员将做好大部分管理和配置的工作等等。j i n i 技术可以提供服 务的自发网络优势来解决这些问题【l o 】。 j i n i 技术是面向服务技术中较成熟的一种，并且提供了良好的服务发现和查 找机制。在j i n i 中，服务是由l o o k u ps e r v i c e 集中管理的，服务组件发现l o o k u p s e r v i c e 并通过它发布自己提供的服务和相关的属性与特征信息。服务的查找是 根据服务的接口、唯一标示、服务属性作为索引去进行的。j i n i 的发现协议采用 单播、多播、组播形式，适用于不同的网络拓扑结构。对j i n i 技术的具体探讨见 第三章。 2 3 2 上下文可察觉的计算 计算机技术的发展使得计算设备通过不同的方式逐渐“消失”与我们所处的 坏境。计算技术距离我们的真实世界、每天的生活和日常的环境越来越近了。在 分布式的环境下，新的应用程序不仅仅需要业务数据输入等基本的数据，还对应 用程序所处的环境越发的敏感。比如你不希望你的p d a 在你开会的时候会发出 任何声音，如果你的p d a 上的应用程序能够感知你所处的位置或者知道你的行 程安排，那么应用程序就有可能对p d a 做一些设置以不发出声音。或者你的某 个应用程序处于一个分布式环境中，为了能充分利用资源，必须能够知道整个系 统的网络连通状态和负载，每个计算设备的连通状态和负载，每个设备上的进程 数等。对于这些对上下文敏感的应用，如何连接真实世界和数字世界之间的鸿沟 是一个重要的问题。一种方法是通过传感器来获取环境信息，然后对上下文进行 武汉理一l 大学硕十学位论文 建模，这种方法可以称之为“上下文可察觉的计算”。 “上下文可察觉计算”的目的是使设备所提供的服务能够运用特定人、物、 时矧、事件、地点等等上下文信息。当然，上下文信息必须是可以解释的。 上下文可察觉计算关注的重点是：采集数据、分发数据、定义上下文信息模 型、数据求精、创建上下文可察觉应用程序1 6 j 。 23 3 面向服务的上下文可察觉应用模型 面向服务的计算和察觉上下文的计算的结合就构成了普适计算环境下的应 用程序的设计模型面向服务的上下文可察觉应用模型。 酸应用模型包含有如下几个要素： s e r v i c e s ：服务，用于完成某项任务的软件实体。 t o o l s ：一个或者一组服务的集合，用来为用户的某项行为提供支持。 d e v i c e s ：漫备，包含有硬件，用户接口和服务， p e r s o n s ：用户，该应用的使用者，个人或者团体。 a c t i v i t y ：行为，一个或者几个人进行的某项任务。 i n f o r m a t i o n ：信息，为人或者是设备所处理和转换的数据。 p h y s i c a ls p a c e s ：物理空间，完成某项活动的物理环境，包括设各， 特定的家具等等。 l o g i c a ls p a c e s ：逻辑空间，某项活动中使用到的服务和信息。 用该应用模型来设计应用程序首先要明确的是，该应用程序，也就是一个应 用模型的实例，它应该是用来支持某种行为( a c t i v i t y ) 的。这个行为可以是一 个人的，也可以是多人合作的。人的行为是依托与一些人造的物品的，传统的软 件设计过程中忽略了物理世界的信息，在面向服务的上下文可察觉模型中行为也 要依托与人所处的环境。 该模型由物理空间( p h y s i c a ls p a c e s ) 和逻辑空间( 1 0 9 i c a ls p a c e s ) 分为两个 部分。物理空间说明的是承载一个具体行为( 应用) 的物理空间。物理空间包括 些非技术实体( 如墙，家具等等) 和一些计算机设备的属性和约束。逻辑空间 关注的是软件系统和各个服务之j 的关系。物理空间和逻辑空间的作用是排除了 与行为不相关的实体，因而就描述了一个模型实例的边界。试想在一个有着广泛 的用途的开放服务环境中，每个设备有着众多的服务，但是某项活动只使用到了 众多服务中的一些而不是全部，某些服务还被多个行为所共享。所以在谈到如何 映射传统的应用程序到普适计算环境中时，可以说普适计算环境中的服务和设备 的特定的子集就是传统意义上的应用程序。 之所以使用p e r s o n s 而不是u s e r s ，是应为一个人他并不主要是使用这个系 统而是在参与一个行为。 2 武汉理- i 大：学硕十学位论文 d e v i c e s 是连接物理空间和逻辑空间的桥梁，因为服务都是处于某个设备之 上的。设备可以是共享的，也可以私有的。比如一个应用中的显示设备或者输入 发备就有可能是每个人都想使用的。 该模型的基本组成部分是服务( s e r v i c e s ) 。服务可以执行某项活动，这些活 动是为某个人或者系统中别的服务而准备的。服务必须能被网络上所有的服务访 问也能够方便的为用户所访问。服务间的互相连通是很重要的一个特性，有了 它刁可能把服务组合起来生成更加复杂的应用。 如2 7 图可以说明这种应用模型【“1 。 图2 7 普适计算应用模型 为了创建一个遵循以上模型的应用。 是使软件服务环境具有开放性和动态性 作。 2 4 应用模型实例 需要解决许多问题。其中一个中心问题 这样独立的服务能够互相发现和互有操 为了说明普适计算的应用模型，本文实现了一个原型系统。该系统是阱j a v a 为基础，加上j i n i 的扩展特性来实现的。之所以会使用j i n i 是应为j i n i 的发现机 武汉理，f ：大学硕士学悔论文 制。客户端使用j i n i 可以定位和使用服务而不需要知道服务所处的主机和端1 ：- 号。 该用于验证普适计算应用模型的原型系统是部分来源与广东移动b o s s 的 监控子系统中的监测模块。监测模块用来获取当前网络和主机的资源连通性和负 载情况，以及业务运行的关键性能指标。当某项指标超过了事先由业务前台所确 定的阀值，监控子系统会产生告警标识，并会向负责运作系统的工作人员发送短 信启、。 监控子系统负责对整个b o s s 系统的业务运行情况进行统计和监测控制。整 个b o s s 是个分布式的应用系统，网络上有a i x 系统和s u s el i n u x 操作系统 的主机若干台每台机器所处的网段相同但连接的外部网络不同，也可以称之为设 备上下文有所不同，每个主机上有多种应用。现有系统使用c + + 来实现。运维 过程中出现了诸多问题，如：不同操作系统间的数据传输难以跨平台，增加设备 和业务需求之后需要诸多配置工作，不同平台下上下文信息获取不统一等等。 图2 - 8 监控子系统架构图 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 _ 8 是该系统的架构图，它一定程度上体现了面向服务的上下文可察觉 应用模型的设计方法。 通过引入普适计算的思想，使用新的普适计算的应用模型来对系统重新设 计，希望至少能使监测模块更体现分布式环境下面向服务的观点，使上下文信息 的采集分析能有统一的方法，有利于系统的扩展，减少运维时在非核心业务( 相 对与计费等业务，监控部分属于非核心业务) 上消耗的注意力。 在新的监测模块设计中，原来作为进程存在的组成部分改为由 i n i 服务来实 现。上下文信息的建模和获取查询等在后面章节有详细说明。 j i n i 并不是普适计算应用模型的唯一实现工具，s o a p 或者是j x t a 也是普 适计算中可能使用到的工具。 2 5 本章小结 在这一章中首先介绍传统的应用程序模型，然后根据普适计算的特点提出了 普适计算应用模型。普适计算应用模型结合了面向服务的观点和上下文可察觉的 计算，它定义了一种本地分布式环境之下应用程序的设计方法。此外举出了个 使用了该应用模型的例子。 武汉理r 人学硕七学位论文 第3 章服务环境创建的研究 实现面向服务的计算这一概念的关键问题是服务的发现( s e r v i c e d i s c o v e r y ) 。s e r v i c ed i s c o v e r y 是一个服务能够在网络上找到并找到正确的其他 服务的基本手段。然后才能定义和实现需要的服务。 3 1 服务发现技术 3 1 1 现有服务发现技术 面向服务的观点在很多领域都有重要的应用，这就导致了服务发现的技术有 许多种，每种服务发现技术都针对与不同领域的不同需要。 w e bs e r v i c e s 技术使用u d d i 协议来找寻全球互联网上的服务。办公室局域 网环境可以使用j i n i 或者l d a p 协议来发现服务。家庭网络可以使用u p n p 协议。 s l p 技术主要是使用在通信领域的服务发现。以下会对不同的服务发现技术进行 简要的介绍和讨论。 ( 1 ) l d a p ( l i g h t w e i g h td i r e c t o r ya c c e s sp r o t o c 0 1 ) l d a p 是一种可让任何人找到网络中的组织，个人或档案或装置等其它资源 的一融软件协议，这卜网络可以是公共因特网也可以是企业内网络。一个l d a p 目录是以一个简单的树状层次结构，主要包含以下几个层次【1 ： 根目录( 整个树的起点) 国家表识 组织标识 组织中单位标识 个体标识( 可以是人，文件，打印机等等) 个l d a p 目录可以分布在许多服务器之上。每个服务器上有所有目录的的 一个拷贝，而且是周期同步的。一个l d a p 服务器称作一个d i r e c t o r ys y s t e m a g e n t ( d s a ) 。一个l d a p 接受一个请求然后执行该请求，在需要的时候将该请 求转发给其他的d s a ，但是确保只返回一个相关的响应给发出请求的用户。 ( 2 1u d d i ( u n i v e r s a ld e s c r i p t i o n ，d i s c o v e r ，a n di n t e r g r a t i o n ) u d d i 规范描述了一个就像电子黄页一样的在线电子注册中心，该电子信息 注册中心提供登记功能给各种商业实体注册他们自己和他们提供的服务，注册需 要使用w s d l 定义语言。 u d d i 规范定义了一个四层的x m l 模式，该模式为发行、确认和调用有关 武汉理工大学硕：e 学位论文 w e bs e r v i c e s 的信息提供了一个模型。u d d i 使用标准化的技术，如互联网协议 ( t c p i p 和h t t p ) ，x m l 和s o a p 规范( 一种x m l 来惊醒简单的消息交换的 规范) 。u d d i 是一个标准的w e bs e r v i c e s 描述格式和发现协议；一个u d d l 注 腮中心含有任何类型的服务的元数据，这些元数据是用w s d l ( w e bs e r v i c e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 来描述的。 目前有两种u d d i 注册中心：公共注册中心和私有注册中心。前者是给各种 各样的机构发布他们自己的服务的一个服务器，后者只是供一个组织使用的。 ( 3 ) s l p ( s e r v i c el o c a t i o np r o t o c 0 1 ) s l p 是i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 的s v r l o c 小组( s e r v i c e l o c a t i o np r o t o c o lw o r k i n gg r o u p ) 的产品。它是基于互联网协议的种自动资源 发现网络协议。s l p 是独立于语言的，它可以出任何语言实现。s l p 将发现机制 建立在服务属性之上，这与通过描述一个服务来定位一个服务是完全不同的方式 1 6 1 。 s l p 系统软件包括三种类型的a g e n t s ： u s e ra g e n t s s e r v i c e a g e n t s d i r e c t o r ya g e n t s 终端用户应用程序请求服务时，u s e ra g e n t s 负责获得服务的句柄。s e r v i c e a g e n t s 负责将服务旬柄公布给d i r e c t o r y a g e n t s ，这样u s e r a g e n t s 就可以获得服 务句柄了ad i r e c t o r y a g e n t 维护着一个网络上所有以公布的服务的列表。s l p 提 供如下服务： 为u s e ra g e n t s 获得服务旬柄 维护已公布的服务的目录。 发现可用的服务的属性 发现可用的d i r e c t o r ya g e n t s 发现可用的某种类型的s e