（计算机应用技术专业论文）一种面向lbs的服务发现方案的研究与应用.pdf

摘要 随着计算技术的发展，我们已经从网络计算时代进入了普适计算时代。在普 适计算环境中，一方面是越来越多的新的设备、服务和计算实体出现在网络上， 另一方面是人类的活动表现出高度的移动性和不确定性。人类随时可能处于一个 陌生的环境中，需要无处不在、随时随地的发现服务。这些服务跟空间位置密切 联系，我们称之为基于位置的服务。 u d d i 作为一种面向全球服务发布和发现的标准，有潜在的开放性和互操作 性的优点。但把其直接用于普适计算环境下以发现基于位置的服务还存在两点局 限：一是缺少合适的分类法使l b s 服务与细粒度的空间位置，甚至是空间位置 中的一点相关联：二是u d d i 查询处理机制是基于查询请求和服务属性的完全匹 配，不能灵活的支持基于位置的服务发现过程。 本文首先探讨了面向l b s 服务发现方案的一些支撑技术，针对u d d i 的局 限，对u d d i 注册中心做了适当的扩展，提出了面向l b s 的服务发现方案并对 其中的关键模块的设计和实现做了详细的讨论，并通过与其它已有方案的比较， 分析了本方案的优点与局限。最后，实现了h i u l b s s d 系统验证了方案的可行 性和有效性。本文的主要工作如下： 1 在对已有的服务发现方案和u d d i 技术进行了深入的讨论和分析的基础 上，提出了一种面向l b s 的服务发现方案，并对方案的整体结构做了详细描述。 2 详细分析和设计了方案的核心模块l b s s d 系统，主要内容包括：( 1 ) 以树 型层次结构构建l b s s d 空间位置模型，允许外部实体获知本地环境的空间结构 以及各空间位置之间的相互关系；( 2 ) 扩展了u d d i 地理信息分类法以支持小粒度 空间位置分类；( 3 ) 增加了u d d i 代理层，提供了基于空问标准的服务发现同时又 兼容于u d d i 规范。 3 在j a v a2 和i u i ) d i 的基础上构建了h h u l b s s d 原型系统。h h u l b s s d 系统代表了河海大学地域范围，凡是进入h h u l b s s d 域的用户就能获得与用户 位置相结合的本地服务。 关键词：普适计算，基于位置的服务，服务发现，u d d i a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n 0 1 0 9y w eh a v ee n t e r e d 疗o mn e t w o r k c o m p u t i n g e r ai n t op e r v a s i v ec o m p u t i n ge r a 1 nt h ep e r v a s i v ec o m p u t i n ge n v i m m e m ， m o r ea n dm o 陀n e wd e v i c e s ，s e n ，i c e sa n dc o m p u t j n ge n t i t i e s 印p e a ro nt h en e t 、v o r k ， a tt h es 锄et i m e ，t h ea c t i v i t i e so fp e o p 】ep u tu pm eh 塘hm o b i j i t ya 1 1 du n c e n a i n 够a s p e o p l ei n e v i t a b l yb e c o m em o r e1 i k e l yt of i n dt h e m s e l v e si nu i l f h m i l i a re n v i r o n r n e n t ， t h e yn e e dd i s c o v e r ya i l d r e c e i v ed e s i r e ds e r v i c e sa ta n ”i m ea 1 1 da n y w h e r e t h e s e s e r v i c e sh a v eam u c hc l o s e rr e l a t i o n s l l i pw i t ls u r r o l l l l d i n gs p a t i a le n v i r o n m e n t ，s oa r e c a l l e dl o c a t i o n b a s e ds e r v i c e a sas t a n d a r do fg l o b a ls e r v i c ep u b l i s ha n dd i s c o v e i mu d d ih a st h ep o t e m i a l a d v a n t a g eo fo p e n n e s sa 1 1 di n t e m p e r a b i l i t yh o w e v e r ，t l l ec u r r e mm o d e lf 时t 1 1 ew r e b s e n ，i c ed i s c o v e r yi nu d d id o e sn o td i r e c t l ys u p p o nt 1 1 ep a n i c u l a rr e q u n m e n t so f l o c a t i o n - b a s e dd i s c o v e r yb e c a u s eo f m oi i m i t a t i o n s ：t 1 1 ef i r s tl i m i t a t i o ni st h ea b s e n c e o f t a ) ( o n o m i e st oc a t e g o r i z es e r v i c e sa s s o c i a t e dt os m a l ls p a c e so r t oas p e c m cp o i n t i n s p a c e ；a n o t l l e r 1 i m i t a t i o ni sm eq u e r y p r o c e s s i n gm e c h a 血s m ，b a s e do ne x a c t m a t c h j n g b e t 、v e e n q u e r yr e q u d s t a i l ds e r v i c e p r o p e n i e s ， t on e x i b l ys u p p o r t l o c a t i o n _ b a s e dd i s c o v e r y t h j st 1 e s i sf i r s td i s c u s s e st h es u p p o n i n gt e c l l f l 0 1 0 9 i e so f l ea p p r o a c h ，t t l e n p r o p o s e sal b s - o r l e n t e ds e i c ed i s c o v e r ya p p r o a c h ，w 嫩c hi m p r o v e st h eu d d i r e g i s 町i no r d e rt oo v e r c o m e 血cl i r n j t a t i o n so ft 1 1 eu d d is t a l l d a r di ns u p p o nt o l o c a t i o n - b a s e ds e r v i c ed i s c o v e r y t h ed e s i g na j l dr e a l i z a t i o no fk e ym o d u l e si n a p p r o a c hh a v eb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l a d v a l l t a g ea 1 1 dd i s a d v a n t a g ea n a l y s i sh a s b e e nm a d et h r o u g ht h ec o m p a r i s o nw i t ho m e rc u r r e m 印p r o a c h e s a tt h ee n d ，a h h u l b s s dp r o t o q ，p es y s t e mh a sb e e nr e a l i z e dt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t ya n d v a l i d i t yo f t h es y s t e m n l em a i nw o r ko f t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e do nt h ef o l i o 埘n gp a n s ： 1 p r o p o s e dau j s o r i e n t e ds e r 、，i c ed i s c o v e 叫a p p r o a c hb a s e do nd i s c u s s i o n a n da 1 1 a l y s i so f c u r r e n ts e r v i c ed i s c o v e r y 印p r o a c h e sa i l du d d it e c h n 0 1 0 9 y ，d e s c 抽e d t h ew h o l ea r c h i t e c t u r eo ft h ea p p r o a c h ； 2 a n a l y z e da n dd e s i g n e d t h ec o r em o d u l el b s s ds y s t e mi nd e t a i l ，w h i c h i n c l u d e d ：( 1 ) as d a c em o d e ic o n s t r u c t e di nt r e ed a t as t r u c l u r et h a ta l j o w se x t e m a l e n t i t i e st ok n o wo b t a i ni n f o r m a t i o na b o u tt h es p a t i a i s t r u c t u r eo ft h e1 0 c a l e n v i r o m e n t ；( 2 ) as e to fu d d ig e o 掣a p h i ct a x o n o m i e st os u p p o r ts m a l lg r a n u l a r i t y s p a c e1 0 c a t j o nc a t e g o r i z a t i o n ；( 3 ) ap r o x yt h a ta l l o wu d d lq u e r i e st oi n c l u d es p a t i a l c r i t e r i aw h i l em a i n t a i n i n gc o n f o m l a n c ew i t ht h eu d d ls t a l l d a r d s 3 c o n s t m c t e dah h u l b s s dp r o t o t y p es y s t e mo nj a v a 2 a n dj u d d i h h u l b s s dr e p r e s e n t st h ea d m i n i s t r a t i v ea n dp h y s i c a ld o m a i no rh o h a iu n i v e r s i 劬 a n yu s e rw h oh a se n t e r e dt h eh h u l b s s dc a n b e n e f i t 厅o mt h e1 0 c a ls e i c er e l a t e d t ou s e rc u r r e n tl o c a t i o n k c yw o r d s ：p e r v a s i v ec o m p u t i n g ，l o c a t i o n - b a s e ds e r v i c e ， s e r v i c ed i s c o v e r y ， u d d i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：j 鞋塞主i 2 0 0 6 年5 月6 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：豸这歪 2 0 0 6 年5 月6 日 河海大学硕士论文一种面向l 1 ) s 的服务发现方案的研究与应用 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 普适计算( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 随着计算技术的发展，我们已经由p c 时代进入网络时代，进而进入后p c 时代。i b m 在1 9 9 9 年创造了一个名词“普适计算”。普适计算是指无所不在 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。 普适计算的含义十分广泛，所涉及的技术包括移动通信技术、小型计算设备 制造技术、小型计算设各上的操作系统技术及软件技术等。主要针对移动设备， 比如信息家电或某种嵌入式设备，如p d a 、智能手机等。普适计算设备可以在 位置不断移动的过程中或在地理位置分布很广的范围内，在不稳定的通信条件下 直或间断地与1 1 1 t e m e t 、i n t r a l l e t 及e x 廿a 1 1 e t 连接，使用户能够随时随地获取相 关的各种信息，并做出回应。由于普适计算设备的高度移动性，所以也被称为移 动计算l z j 。普适计算提供了经由网络，使用各种各样的普适计算设备，访问后台 数据、应用和服务的功能。无论使用何种普适计算设备，用户将能轻易访问信息， 得到服务。 随着因特网的普及和数字设备的智能化和网络化，一种连接各种数字设备， 尤其是移动和无线计算设备的普适计算环境正在形成。在普适计算环境中，服务 是最重要的概念，也是各方关注的焦点。服务始终贯穿在整个普适计算的过程中。 普适计算应用模型是一种基于服务的计算模型，其从服务的角度可以看成是由网 络环境中的“使用服务”和“提供服务”组成，这些服务可以分布在不同的网络 中，并且跨越物理和功能的边界以支持许多不同的应用【3 】。这里的服务分为两种 类型，一种称为物理服务( p h y s i c a ls e r v i c e ) ，这类服务在被发现和定位到相关 的信息或接口后，可以直接为用户所用，如导航服务，地图服务就属于此类服务； 另一类服务是指电子服务( e l e c t r o i l i cs e r v j c e ) ，具体来讲是一种运行在信息设备 上的服务，用户要先连接和配置相应的信息、歧各，才能使用相关的服务，服务的 提供和运行依托于具体的设备。如打印服务、扫描服务等就是这类服务的典范。 1 1 2 基于位置的服务( l o c a t i o n b a s e ds e r v i c e ，l b s ) 普适计算环境的形成，也意味着人们活动范围越来越大，越来越不确定， 河海大学硕士论文种面向l b s 的服务发现方案的研究与应用 人们随时随地都可能处于一个陌生的环境中，需要发现和访问相关的信息和服 务。但是，移动用户对信息的需求和交互能力与桌面应用有很大的不同。由于用 户的移动性和不确定性，他们希望能在任何时候、任何地点获取自己感兴趣的信 息和服务，并且这些信息和服务是与用户当前所处的位置环境密切相关的。因此， 一种新的应用类型基于位置的服务应运而生，其相关技术的研究逐渐受 到科研及应用领域的关注。 基于位置的服务又称定位服务，是研究基于空间位置的各种信息和服务，其 重点在于利用位置信息为用户实现信息的增值，构成了移动应用的服务内容。从 狭义地讲，l b s 是通过无线通信网络获取无线用户的位置信息( 经纬度坐标或高 程数据) ，在地理信息平台的支持下提供相应服务的一种无线增值服务，但站在 广义的角度，可将在空间位置信息的基础上提供的信息服务都归纳于l b s 服务【4 l 。 基于位置的服务的出现和发展与移动技术的进步和市场的需求有着密切的 关系“1 。首先随着移动网络的发展，数据传输能力不断提高，传统g s m 仅支持 9 ，6 1 4 4 k b p s 的传输率，g p r s 是2 5 g 的主要标准之一，其支持的数据传输率高 达1 6 8 k b p s ，目前被炒得火热的3 g 技术，可支持以兆为单位的数据传输率。其 次，终端设备( 如手机) 的硬件能力和软件能力的迅速提高，为基于空间位置的 个性化服务提供了平台与载体。移动设备通过无线网络与互联网络，轻易地将 人这个个体加入到这个全球化的网络中来，使得每个具有相关空间位置的人 成为网络中的一个移动的结点。尤其是近年来随着移动用户的增加，人类活 动越来越具有不确定性。无论是在日常生活中，还是在生产中，人类每时每刻都 在与空间位置信息进行最密切的交互，人们对个人的空间信息与p o i ( p o i n t s o fi n t e r e s t i n g ，兴趣点) 的服务提出了更高的需求。如出行中的当前位置请求、 资源的动态分布、目标位置与信息的查找与获取、出行导航、动态的信息服务等， 这些为位置服务业务带来无限的商机和市场。l b s 服务主要应用领域有【6 j ： 1 电子地图功能。提供电子地图的p o i 点查询、定位导航、路径分析等功 能。 2 资源静态分布查找。比如，获取打印机、投影仪等位置信息。 3 紧急救援。可以用在专业职业领域，如医生、警察或者11 0 突发事件或 灾害情况下的紧急援助。 4 移动黄页。提供交通状况预警、天气、旅游等移动电子商务信息。 目前，电信业竞争激烈，服务提供商( s e r v i c ep m v i d e r ，s p ) 、内容提供商 ( c o m e mp r o v i d e r ，c p ) 和移动运营商都在不断地寻找新的途径去创造新的利润 增长点。在各种移动增值业务当中，移动位置信息服务是最具市场潜力的种。 目前许多无线产品制造商、无线通讯厂商相继推出自己的位置服务产品和解决方 案，如朗讯的i l o c a t o ，l ，诺基亚的m p o s i t i o n 【8 1 ，o p e n w a v e 的l o c a t i o ns t u d i o 【9 1 。 但是开发l b s 系统是相当有挑战性的工作，其主要原因是每个s p 或c p 在建立 河海大学硕士论文一种面向i b s 的服务发现方案的研究与应用 自己l b s 系统时都基于不同的技术和平台，建立自己的空间位置模型和功能实 现，这一来是对资源的一种浪费，因为各个系统的位置模型和功能实现本质上是 有共性的，二来也导致的系统的不灵活设计和使用，造成了服务访问和使用的开 放性和异构性问题。 随着l b s 应用的不断成熟，越来越多的s p 和c p 会发布自己的基于位置的 服务，如何动态地、开放地访问这些异构的l b s 服务，以保证在任何时间、任 何地点向用户提供基于位置的服务和信息，将成为研究热点。因此，提出一种通 用的开放的面向l b s 的服务发现方案，允许用户能通过移动终端( 如手机、p d a 、 手提电脑) 动态地发现和访问移动i n t e m e t 上与空间位置相关的信息和服务，是 本文研究的主要内容。 1 2 服务发现的研究现状 随着网络计算逐步向普适计算的延伸，越来越多的新的服务出现在网络上， 而且这些服务通过与周围的物理环境密切相关，这一趋势要求在异构而又动态的 网络环境下实现一种称为服务发现的机制，通过这一机制，各种服务能够在网络 中声明自己的功能，用户可以自动的发现并访问与自己周围环境密切相关的信 息。目前，学术界、工业界的许多工作都致力于服务发现，研究出诸多系统、制 定出多种协议规范。其主要分为两大类，类是基于网络拓扑结构的服务发现方 案，另一类是基于地理拓扑结构的服务发现方案。 1 2 1 基于网络拓扑结构的服务发现方案 凌类服务发现方案依赖于底层逻辑网络的拓扑单元，主要依据i p 多播组、 子网和域等实施网络服务发现操作。许多标准的服务发现协议就采用了该类服务 发现方案。 s l p o 川( s e i c el o c a t i o np r o t o c 0 1 ) 是i e t f 的s r v l o c 工作组于19 9 7 年制 定的标准，基于t c p ，i p 协议簇建立的服务发现模式。s l p 定义了用户代理u a ( u s e r a g e n t ) 、服务代理s a ( s e r v i c e a g e n t ) 、目录代理d a ( d i r e c t o r y a g e n t ) 三类实体。当网络中存在目录代理时，由目录代理收集所有服务代理发布的信息， 用户代理以单播方式向目录代理查询所需的服务的信息。当网络中不存在目录代 理时，用户代理重复发送多播请求，相应的服务代理侦听到这一请求后通过单播 响应。各种报文都通过u d p 来发送。s l p 中服务代理使用服务u r l 和服务模板 来声明和注册服务。 j i n j 1 0 ”堤s u n 在j a v a 基础上建立的面向对象的服务发现机制，主要实体为 服务、客户和查找服务。查找服务存储服务的接口和属性值等信息，以适应客户 州海大学硕士论文 一种面向l b s 的服务发现方案的研究与应用 的服务请求。客户和服务加入网络q 1 后，先以多播的方式请求查找服务，查找服 务收到请求后向其返回一个查找服务代理，然后用户和服务便可以通过这个代理 与查找服务通信。查找服务是j i n i 中的关键，它负责维护所有可用服务的动态信 息，起着服务目录的作用。在j j n i 中服务用对象接口及属性来表示，因而服务的 发现通过接口匹配和屙睦匹配进行。 u p n p i l4 ，”1 是m i c r o s o f t 所领导的相关论坛为信息家电、无线设备以及p c 机 而指定的基于t c p l p 的即插即用的设备体系结构。它定义了s s d p ( s i m p l e s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) 来处理服务发现问题。u p n p 中主要有三类实体：设备、 服务和控制点。当设备和控制点加入网络时，首先通过一定的协议自动获取i p 地址。然后，提供服务的设备通过一个保留的多播通道声明其自身及其所包含的 子设备和服务及其能力；而控制点也通过同一个多播通道请求所需的设备或服 务。u p i l p 论坛定义了服务和设备的类型、属性和行为模板，模板文件的定义以 及设备和服务的描述都基于x m l 语言。服务的访问遵循s o a p ( s i m p l ec 哟e c t a c c e s sp r o t o c 0 1 ) 协议。 s l p 、j i n j 、u p n p 都是工业界的技术标准，已有许多相应的产品问世，但是 他们对空间位置概念的表示只能通过i p 多播组、子网和域，这种空间位置表示 过于简单、与现实世界中的地理位置概念没有直接联系，两个相邻的口地址不 意味i p 地址持有者空间位置上的相邻，所以很难把服务在现实世界中的位置概 念( 一个房间，一幢大楼，一个城市) 映射到网络拓扑结构中去。而且服务在网 络中的位置也不等于服务的服务范围。 文献【1 6 】和文献【1 7 提出的方案进一步解决了l p 多播地址与物理位置的关 联。文献【1 6 】提出了一个车载a dh o c 环境中的基于位置的服务发现方案，服务发 现以g e o c a s t 为基础，g e o c a s t 是不同于传统多播的一种多播方式，g e o c a s t 多 播组包含在指定地理区域内的所有结点集合，在一个给定的时间内位于指定地理 区域内的主机都将成为多播组的成员。文献【1 7 】中的o p e l l l s d 框架定义了一组 网络服务，其能获知自己的物理位置，并向一个熟知的多播地址通告自己的存在， 通告中包括服务的物理位置以及服务类型以及如何连接服务。服务的物理位置信 息以语义位置u r “1 表示，形式如l o c a t i o n ：d o m a i l 们o m a i m s p e c 讯c ，并可以根 据u r l 计算位置之间的空间关系。 相对于s l p 、j i n i 、1 ，p n p 而言，文献【1 6 】和文献【1 7 】提出的方案更关注于物 理位置而不是网络位置，但是服务的声明和发现仍然是通过i p 多播实现的，在 间断性连接的移动网络环境中，可能会发生响应爆炸的问题，造成过重的网络负 载。也不适用于像i n t e n l e t 一样的大规模网络中，因为跨网络和跨域的服务发现 和访问会涉及域管理员权限之间的协作，需要域管理员提前根据终端用户需求为 某些域安排适当的权限，由于终端用户的移动性，这种预见比较困难，而且也会 带来网络管理的复杂性和低效性。而且，g e o c a s t 是一项未被广泛接受的标准， 河海大学硕上论文种面向l b s 的服务发现方案的研究与应用 因为有效的实旋需要替换网络中所有现有的路由器，不适合在大规模网络中推 广。 1 2 2 基于地理拓扑结构的服务发现方案 这一类服务发现方案以地理拓扑结构为基础，可以依据一定的空间标准对 服务进行发现和选择。 j o s e 和d a v i e s 提出的a r o u n d 【1 9 ，2 0 】体系结构就是一种支持l b s 的技术独 立的通用发现方案。在a r o u n d 体系结构中，每l b s 服务都定义了一个服务范 围( s e r v i c es c o 口e ) 以标识提供该服务的地理范围，即在哪些地理范围内服务可 用。为了使所有的服务范围能共享一组语义位置符号，引入了位置环境( l o c a t i o n c o n t e x t ) 的概念来代表一个用户和应用可能感兴趣的空间范围。整个a r o u n d 结构由a r o u n d 服务( a r o u n ds e r v i c e ) 、上下文管理器( c o n t e x t u a l i z a t i o n ) 和命名服务( n 锄es e n r i c e ) 三个主要功能模块组成。其中a r o u n d 服务是一 个分布式服务位置基础结构，其由一组a r o u n d 服务器( a r o u n ds e n ，e r ) 提 供和管理的，每个a r o u n ds e r v e r 上存储了一组位置环境，考虑到多个位置环 境会相互重叠，用图型结构来组织和管理这些位置环境的相互关系( 包含和邻 居) 。上下文管理器负责解析出一个或多个与当前移动设备的物理位置相对应的 位置环境，统称为基本位置环境( b a s ec o n t e x t ) ，而命名服务则对基本位置环境 作相关处理后，再映射到相应的a r 0 u n d 服务器上。服务提供者根据服务的服 务范围属性映射成的位置环境把服务信息注册到相关的a r o u n d 服务器上，这 样服务发现者通过上下文管理器和命名服务通知a r 0 u n d 服务器用户或应用感 兴趣的位置环境从而查找和访问所需的服务。 文献 2 1 】描述了一个架构于现有1 1 1 t e m e t 网络结构上的、分布式的、同时支 持基于空间属性和非空间属性查询的c s 服务发现系统。该体系架构由k i o s k s 、 g e o m e t r ym a l l a g e r s 和r e s o l v e r s 三个模块组成。文献 2 1 】作者在设计体系架构时， 把空间数据和非空问数据作为独立的实体分开，分别存储在o s k s 和g e o m e t r y m a j l a 2 e r s 中。各个k i o s k s 是独立的，无结构的，一个k i o s k 是任意数据库中的 一个表，表中的每个记录就是一个服务，共享同个数据模式。每个服务是有其 服务范围( s e i c ea r e a ) 属性的但其不存储在鼬o s k 表而是存储在g e o m e t r y m a l l a g e r 中。每个g e o m e t r ym a n a g e r 用坐标系统加符号位置的方式表示空间位 置：用几何形状来表示对象，用坐标向量来描述几乎形状，并且可以给每个几何 形状取符号名。g e o m e t r ym a n a g e r s 和o s k s 分布在网络中的任一位置，以树 型层次结构组织在一起：g e o m e 田m a n a g e r s 为树的内部结点，硒o s k s 为树的叶 子结点。系统要提供一个简洁的对外接口，即r e s o l v e r s ，r e s o l v e r s 从应用接受 请求，分离请求中的空间属性和非空间属性，g e o m e t r ym a n a g e r s 负责空间属性 河海大学硕十论文 一种面向l b s 的服务发现方案的研究与应用 的处理，k i o s k s 负责非空间属性的匹配，最后由r e s 0 1 v e r s 把结果综合起来形成 最终结果返回给用户。 a r o u n d 体系结构和文献 2 1 的体系结构都建立了一组独立于网络域的实 体来处理服务的发现和查询，从而避免了对底层网络拓扑结构的依赖和跨越协作 的问题，并能运用于i m e m e t 网络环境中。但无论是哪一个体系结构都没有真正 实现开放性设计目标。j o s e 和d a v i e s 提出的a r o u n d 体系结构时希望组成架 构的各个实体( 如服务、客户端应用等) 能独立开发和管理，一个实体的变化不 会对其他实体产生影响。但实际上由于当时一些标准的缺乏，a r o u n d 没有真 正实现元素的独立性。举例而言，由于缺乏标准的服务类型和服务描述，各个基 于a r o u n d 体系结构的系统建立了自己的服务类型和服务描述，开发了自己的 客户端应用来访问这些服务。各a r o u n d 系统虽然基于同一个基础架构，但各 a r o u n d 系统之间的互操作访问还足困难的。文献【2 1 】虽然统一定义了服务的 描述和表示，但用共享同一数据模式的数据记录来描述服务过于简单，不易广泛 推行，而且也没考虑底层数据存储技术的异构带来的服务访问的互操作性问题。 而且把空间属性和非空问属性分开处理，会增加通讯负载，带来网络延时的问题。 1 3 本文的研究目标和研究内容 在普适计算环境中，一方面是越来越多的新的设备、服务和计算实体出现在 网络上，另一方面是人类的活动表现出高度的移动性和不确定性。人类随时可能 处于一个陌生的环境中，需要无处不在、随时随地的发现服务。同时，这些服务 跟空间位置密切联系，人们希望发现和访问与自己当前所在位置或指定位置相关 的服务，以便于自己的出行、工作和生活。 本文的研究目标在于寻找一种通用的服务发现方案，其可作为一种基础结构 使得移动用户可以发现与本地位置环境相关的服务，其包含两个主要需求： 1 面向l b s ，即用户或应用发现的服务是与物理位置相关联的，在同一个 位置的两个设备能发现同一个邻近服务，而独立于设备所处的网络和管理域。 2 支持开放性和互操作性，以避免j n t e r n e t 上各种资源和服务的异构性， 允许l b s 服务可以由第三方实体独立开发、提供并协同工作。 本文基于面向服务的体系架构( s e n ，i c e o r i e n t e d c h i t e c t u r e ，s o a ) 来实现 基于位置的服务发现。w c bs e r v i c e 技术是一种可编程的信息提供和访问机制， 其松散耦合的特性使其成为一种广为接受的开放性解决方案。应用可以使用统一 描述、发现和集成防议( 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 ya 1 1 dh l t e 掣a t i o n ，u d d l ) 来发布和发现所需的w 曲s e r v i c e 。尽管u d d i 标准本质上是面向全球服务( 与 位置无关的) 的发布和发现，但考虑到其潜在的互操作性的优点，采用w 曲 s e i c e 和u d d i 作为支持基于位置的服务发现方案的技术标准和实现基础有一 河海大学硕士论文一种面向l b s 的服务发 见方案的研究与应用 定的吸引力。本文以此为出发点，探讨了u d d i 在支持基于位置的服务发现上的 可行性，并指出其仍存在的一些局限性，提出了面向l b s 的服务发现方案的体 系结构，并通过原型验证了方案的有效性。 1 4 本文组织 论文的第二章首先讨论和分析了面向l b s 服务发现方案的一些支撑技术。 从支持l b s 的角度来讲，相关技术有空间位置模型和服务发现邻近模型两部分； 从开放性角度看，论文主要介绍了面向服务的体系架构和u d d i 规范，并进一步 对u d d i 做了分析，指出其在支持基于位置服务发现上的优点和局限之处。 第三章在对u d d i 进行空间扩展的基础上，设计了自己的面向l b s 的服务 发现方案，提出了方案的整体架构，介绍了架构各组成部分的主要功能，详细分 析和设计了本文的重点l b s s d 系统，主要内容包括：如何建立空间位置模型； 如何对u d d i 进行空间扩展，使其支持小粒度的空间位置分类；如何使u d d i 提供基于空间标准的查询处理机制。最后通过比较的方法分析了方案的优点与局 限。 第四章实现了删l b s s d 原型系统，介绍了实验环境和相关的环境配置， 主要软件和工具。系统实现了主要功能模块，并通过应用实例验证了方案的可行 性和有效性。 第五章对论文的内容进行了总结，指出存在的问题，并展望了今后需要进一 步完善和开展的工作。 河海大学颂士论文一种面向l b s 的服务发现方案的研究与应用 第二章面向l b s 服务发现方案的支撑技术 2 1 空间位置模型 基于位置的应用需要一个能充分表示移动对象和固定对象位置信息的数据 模型，称之为空间位置模型。设计空问位簧模型有三种主要的途径2 2 1 ：一是设计 为一个多维坐标系统；二是用一个符号集合及它们之问的相互关系表示：三是把 前两种模型结合在一起。三种模型都有各自的特点和不足。本文将在以下小节中 单独讨论。 2 1 1 几何位置模型 几何位置模型基于一个或多个参考坐标系统，位置通常被表示为坐标系统中 的一个点或一个平面或一个三维立体，以坐标元组的形式来描述【2 2 1 。任何物体都 以坐标形式表示，没有位置和位置对象的差别。因此，几何位置模型能精确的表 示任何空间位置，但很难为应用所理解和使用。图2 一l 展示了一个简单的几何位 置模型的分类。统一几何位置模型包含多个坐标系统以及坐标系统之问的相互映 射。 系统 图2 1 几何位置模型图2 _ 2 符号位置模型 尽管以坐标表示位置数据缺乏一定的语义，但以g p s 定位技术为主的位置 可察觉系统中仍然存在对位置数据几何表示的需求。几何位置数据描述为相对于 某个参考坐标系统的坐标集合，以g p s 为例，空间中一点通常表示为w g s 8 4 坐标系统的 三元组，空问区域通常表示为二维平面和三维立 体中的顶点坐标的集合。对几何位置模型中的位置对象的建模主要就是对位置概 念的建模。位置以点来表示是很理想的方式，但考虑到不存在精度百分百的定位 和追踪系统，位置对象( 无论是静止的还是移动的) 的位置信息撮好还是以一个 河海大学硕士论文一种面向l b s 的服务发现方案的研究与应用 位置不确定的邻近区域来表示。这样就可以建立位置区域的空间关系：包含、相 等、覆盖、邻近。这些空间关系可以通过各自区域的坐标以形式化的方式表达。 几何位置模型的主要优点： 】能保证位置数据的准确性。 2 基于坐标的空间查询提供了个非常灵活的获取位置信息的方法。 3 位置传感器和应用仅需要了解一个参考坐标系统就能相互交互。 4 参考坐标系统是典型可重用的，而无需自己制定。 几何位置模型的主要缺点： 1 坐标数据是弱结构化的，很难进行有效的设计。 2 所有获得的位置数据需要被转换成一个统一的参考坐标系统。 3 一些不必要的几何数据和计算会加重应用的负载。 4 不利于管理，尤其足访问控制的管理。 5 需要一个独立的位置目录负责把坐标数据映射成能为应用和用户所理解 的有意义的数据。 2 。1 2 符号位置模型 符号位置模型是指用抽象的符号来表示位置，如“河海大学校园”、“科学馆”、 “1 1 1 2 房间”。与几何位置模型不同，在符号位置模型中，位置和位置对象是两 个不同的概念，位置一般很自然的被表示为集合，而位置对象通常被表示为集合 中的一个成员瞄l 。当位置对象物理上位于一个表示位置的平面或三维立体之内， 它就成为了位置集合中的一个成员。 在一个给定模型中的符号位置集合是有限制的，比如说在有些情况下不允许 位置的重叠。同时，符号位置模型通常需要建立一个位置符号的偏序关系以说明 符号位置之间的包含关系。基于位置是否重叠，这种包含关系会产生两种不同的 符号位置表示结构：一个是树性结构；另一是非循环图形结构。图2 2 形象的说 明了符号空间位置模型的分类。 目前符号位置模型有三种具体的实现模型，分别是蜂窝模型( c e um o d e l ) 、 区域模型( z o n em o d e l ) 和位置域模型( l o c a t i o nd o m a i nm o d e l ) 。这三个模型 不是相互排斥的，相反，在处理位置数据的不同的阶段将会用到不同的模型。 蜂窝模型( c e l lm o d e l ) 在蜂窝模型中，假设每个位置感知系统代表了一个定义良好的地理区域( 一 个房间、射频单元) 。这些区域统称为蜂窝。在g p s 的应用中，蜂窝区域是以视 觉坐标和精确度定义的一个圆。 河海大学硕士论文一种面向l b s 的服务发现方案的研究与应用 图2 - 3 蜂窝模型图2 4 区域模型 图2 3 模型的一个例子。一共七个蜂窝标识为a 到g ，三种不同的线 条意味着三个重叠的位置感知系统的同时存在。蜂窝就是模型中的符号位置。因 为可能同时包括多个位置感知系统，蜂窝之间允许相互覆盖，但无法表示出蜂窝 之间的包含关系，因此这只是一个简单的符号模型。蜂窝模型保证了位置信息的 准确性，因为定义包括了视觉范围内的所有符号位置，但由于蜂窝之间可以相互 覆盖，因此不适用于空间查询的处理。 区域模型( z o n em o d e l ) 在蜂窝模型中，把蜂窝重叠的区域引申为相互独立的位置，这些位置称为区 域。每个区域是一个或多个蜂窝的一部分。 图2 4 展示了从图2 3 蜂窝模型中引申而得的区域模型，现在所有的蜂窝被 划分成不重叠的区域标识为a 到o 。在区域模型中用区域而不是蜂窝作为 符号位置。因为区域之间是相互不重叠的，区域模型是一个互斥的符号模型。这 样不同的位置感知系统可以集成同一个应用中。 因为区域不相交，一个位置对象一次晟多在一个区域内。在区域模型内，位 置对象的移动可以被构建成有限状态机。因此，区域模型非常适合于位置对象的 追踪和移动预测。通过把区域定义成不同蜂窝的重叠部分，可以获得一个更高的 定位精度。同时，区域模型可以被划分成独立的地理覆盖区域，区域模型中的计 算是可分布的。但是区域模型也有一些不足之处：首先是无法进行查询和多解析 处理；其次是对不同的位置感知系统而言，它们所看到的区域模型可能是完全不 同的 位置域模型( l o c a t i o nd o m a i nm o d e l ) 位置域表示为一个符号位置且是有序的。在每个位置域集合上定义了一种偏 序关系，这种偏序关系恰好反应了实际地理区域之间的空间包含关系。与蜂窝模 型一样，位置域模型是允许相互覆盖的。 左下图是位置域模型的一个例子。七个位置域形成了一个图形结构。“大学” 域直接或间接包含了其他所有的域。图上同时展示了从图2 4 区域模型到位置域 模型的映射。 0 河街大学硕士论文种面向l b s 的服务发现方案的研究与应用 图2 5 位置域模型图2 石联合位置模型 在位置域模型下，位置服务通过使用预先定义的位置域集合来表示位置对象 的位置。随着位置对象在地理空间内的移动，他们会不断的离开一个位置域和进 入一个位置域。如果一个位置对象是一个位置域的成员，必定也是该域所有父域 的成员。为了保证存储的一致性，域成员关系的改变会立即传播到整个位置域层 次结构中。一个任意的位置域集合不一定要有一个根域，即一个在空间上能包括 所有其他域的位于根结点位置的位置域。但在位置服务的实际应用中，建立根域 还是有很大益处的。 综上所述，总结了符号位置模型的主要优点和缺点。其存在四个优点如下： 1 可以简单的通过对位置名称的引用获知相关的位置，易于理解和使用。 2 有利于位置信息的访问控制。 3 层次数据结构便于多