（计算机应用技术专业论文）面向普适计算的系统软件核心技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 因特网的普及使计算模式继主机计算和桌面计算之后进入普适计算模式。这 种全新的计算模式将使计算机不再局限于桌面，而是嵌入到我们的工作、生活空 问中，变为手持或可穿戴的设备，甚至与我们日常生活中使用的各种器具融合在 一起。普适计算的研究目标就是要实现任何人在任何时间、任何地点、能够以任 意方式利用身边所有获取的信息。要实现普适计算这一理想的境界，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。 在系统软件层次上，针对信息内容及访问设备的异构性而引起的自适应问 题，以及为满足普适计算自发的、互操作的要求所面临的服务发现问题，是必须 要首先解决的问题。 论文从结构上可以分为课题研究思路的提出、自适应技术的研究、服务发现 平台的构建和服务发现技术的研究四个部分，主要工作包括： 1 、介绍了实现普适计算理想境界所面临的技术挑战，并分析了系统软件层 次上的自适应和服务发现两个问题的研究背景及现状。 2 、针对内容自适应闯题，研究了三种典型的解决方案，它们对设计具有自 适应特性的嵌入式操作系统和自适应应用，以及开发普适计算环境下的终端设备 都具有重要的指导意义。 3 、针对界面自适应问题，提出了一种基于j a v a 和x m l 的在不同终端间实 现界面转化的解决方案，对其中的关键问题给予了详细的分析，并根据提出的解 决方案给出了模拟试验。 4 、在自适应技术研究的基础上，为了达到普适计算自发的、互操作的要求， 实现面向普适环境的服务发现，需要构建一个独立于网络和操作系统的环境。论 文实现了基于j i n i 的服务发现环境，并在其环境之上进行了程序开发工作。 5 、针对多种服务发现协议的并存所导致的服务发现协议间互操作性的问 题，论文在研究各种服务发现协议的基础上，通过改进得出了一种基于服务代理 的实现不同服务发现协议间互操作的有效解决方案。 论文针对面向普适计算环境系统软件层次上的自适应技术和服务发现两大 问题做了深入的研究，并在界面自适应及服务发现协议间互操作问题上对已有的 研究结果进行了改进及验证，相信此研究对普适计算相关问题的进一步研究具有 一定借鉴价值。 关键词：普适计算，自适应，服务发现，互操作，界面转化 茎墨望三查兰堡主堂垒兰奎 a b s t r a g t t h ec o m p u t i n gp a ：t t e mi sc o m i n gt ot h ep e n s i v ec o m p u t i n ge r a 诵t l lm e p o p u l a r i z a t i o no f 也ei n t e m e ta p p f i e a f i o n s c o m p 咖、析h n ol o n g 封b eu s e dt o j u s to n d e s k t o p , b u tw i l l8 l s ob ee m b e d d e di nt h e 印a c ew ew o 盘a n d f i v ei n t h e yw i l le v o k e i n t op o r t a b l eo rw e a r a b l ee q m p m e n 招，a n de v e nb em o s e d a t e di n t oe a c hk i n do f a p p l i a n c e 也啦m1 l s ci f l 吡d a i l yl i f e t h eg e n e r a la i mo fp e r v 勰w ec o m p u t i n g i st o a l i z et h a te v e r y o n ec a l lu s ea n ya c c e s s i b l ei n f o r m a t i o ni na n yw a ya ta n yt i m ea n d a n yp l 扯e 。np u t sf o r w a r dn e wr e x l u i r e m e n t sa n d t e c h n i c a lc h a l l e n g e st 0e a c hr e s e a r c h a 魄o f c o m p u t e r i e n e et or e a l i z et h ei d e a le n v i r o n m e n t mt h e t t w a a - ei n f r a s m l c t i n el a y e r , 也ep r o b l e mo fa d a p t a t i o nw h i c hi sc a 璐e db y t h eh e t o r o g e n 嘶o fi n f o r m a t i o nc o m e n 招a n da c c e s s e dt e r m i n a l ss h o d db es o l v e d f i r s t l y ，a sw e l l 鹊t h ep r o b l e mo f s e r v i c e 酝o v e r yw h i c hi sc a l l s o db yt 1 哈s p o n t a n e i t y a n dm t e r o p e r a b 嘶f o rp i 玎i s i v cc o m p u t i n g t h et h e s i sc 姐b el o g i e a l l yd i 、r j d e di n t o4p a l r t s ：s t i l d yi d e ao f t h et h e w s ，s t u d yo n a d a p t a t i o nt e e l a n o l o g y , i m p l e m e 口a t a t i o no f f 、r i c ed i o 、，e 】哆p l a t f o r ma n ds t u d yo n s e r v i c ed i s e o v e r y t h em a i n w o r ki n c l u d i n g ： 1 嫩t r o d u e i n gt h et e c h n i c a le h a l l e n g 髂f a c e db yr e a l i z i n gp e r v a s i v ec o m p u t i n g e n v i r o n m e n t ，a n a l y z i n gt h es t u d yb a e k g r o u n da n dc u r r e n tr e s e a r c hs t a t eo fa d a p t a t i o n t e c h n o l o g ya n ds e l v i c e 融o v e r yw h i c hf i ei nt h e 目0 = f t w a i n f r a s t r u c t u r el a y e r 2 s t i l d y i n gt 岫k i n d so f l u f i o mt h a ts o l v e 也ec o n t e n ta d a p t a t i o nf o r p e r v 越i v ec o m p u t i n g t h e ya 墙v e r yi m p o r t a n tf b fd e i g n i n ge m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e ma n da p p f i e a t i o mt h a th a v et 1 1 ec h a r a c t e r i s t i co f a d a p t a t i o na n dd e v e l o p i n gn e w t e m l i l 谢蜥c e sm p e l w a s i v ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t 3 p r o p o s i n gak i n do fs o l u t i o nb a s e do nj a v aa n dx m l 蛔m t e r f a c ea ( 卸锄o n ， a n dd a b o r a t i n gl h er e l a t e di s s u e s a tt h es a m el i m e w eh a v eas i m d a t i v ee x p e r i m e n t t o t c s t i 扭v a l i d i t y 4 mo r d e rt or e a l i z es p o n t a n e i t ya n dm t e r o p e r a b i f i t yf o rp e r v a s i v ec o m p u t i n g b a s e do nt h es t u d yo na d a p 僦o nt l m o l o g y , s e l v i c ed i s c o v e r y 酬db er e a l i z e di n p e r v a d ec o m p u t i n g s oas e l - q i c ed i s e o v e r ye n v i r o n m e n tm d e p e n d e n c eo fn e l w o r k a n do p e r a t i n gs y s t e mi sn e e d e d t h i se n v i r o n m e n th a sb e e nr e a l i z e db a s e do nj i m ，a n d a 删c ep r o 罂印na n dac l i e n tp r o g r a mt h a tu s e st h e 辩“i c eh a v ea l s ob e e nd e v e l o p e d h 武汉理工大学硕士学位论文 i nt h i st h e s i s 5 i m p r o v i n gak i n do fa v a i l a b l es o l u t i o nb a s e do ns e r v i c ep r o x yt os o l v et h e l ”o b l e mo f i n t e r o p e r a b i l i t ya m o n gh e t e r o g e n e o u sp r o t o c o l s t h et h e s i sh a ss t u d i e dt w oi m p o r t a n tp r o b l e m sa b o u ts e r v i c ed i s c o v e r ya n d a d a p t a t i o nt e c h n o l o g yu n d e rp 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 s o m ei m p r o v e m e n t a n dt e s t sh a v eb e e nd o n ef o rs o l v i n gi n t c r o p e r a b i l i t ya m o n gh e t e r o g e n e o u ss e r v i c e d i s c o v e r yp r o t o c o l sa n di n t e r f a c ea d a p t a t i o n t h et h e s i si sw o r t h yf o rf l l r t h f f fs t u d yi n p e r v a s i v ec o m p u t i n g k e yw o r d s ：p e r v a s i v ec o m p u t i n g ， i n t e r f a c et r a n s f o r m l i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 科技革命的每一次浪潮都是由那些从根本上改变了科技在人们生活中所处 地位的技术革新引发的，其中关键的并不是技术，而是它与人们生活实实在在的 联系【1 l a 过去5 0 年的时间里，计算模式曾发生过两次变化：主机计算( m a i n f r a m e ) 和桌面计算( p c ) ，这使计算机从实验室的“象牙塔”进入了普通的办公室和家 庭，极大的推动了计算机技术和产业的发展。今天因特网的普及将通过广泛分布 于全球的电脑带领我们进入普适计算时代( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 。 1 1 普适计算及其研究背景 计算技术的健康发展需要有与之相适应的计算模式脚。近2 0 年来计算技术 飞速发展，计算机在功能越来越强大的同时，体积也越来越小，各种嵌入式计算 系统也不断出现，而且也可以联网使用。但是人使用计算机的方式却没有跟得上 这样的趋势。首先，现在的计算模式是以计算机为中心的计算，主要因为计算机 的使用不符合人类的习惯，为了完成一项任务，需要与计算机进行的对话过于繁 琐，这使计算机本身吸引了太多的注意力，而不是解决的问题本身。其次，现在 的计算模式是基于桌面的，计算机并没有和人们的生活环境融合在一起，这样就 不能满足入们更加灵活的需求。从图卜1 可以很清楚的看到，随着计算技术的不 断发展，计算模式的变化情况。限于上述的计算模式，计算机技术的进一步发展 迫切需要全新的计算模式普适计算。 在普适计算环境下，各种具有计算和联网能力的设备将变得像现在的水、电、 纸、笔一样，随手可得，人与计算机的关系将发生革命性的改变，变成一对多、 一对数十甚至数百，同时，计算机的使用者也将从必须具有一定计算机知识的人 员普及到普通百姓。计算机不再局限于桌面，它将被嵌入到我们的工作、生活空 间中，变为手持或可穿戴的设备，甚至与我们日常生活中使用的各种器具融合在 一起嘲。 要实现以上描述的酱适计算的理想境界，也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。下面按照图1 - 2 所示的普适计算层面图。对各个 层次面临的技术挑战给以简单的介绍。 武汉理工大学硕士学位论文 资潦 使用 的灵 活性 图1 - 1 计算系统发展过程 照 图l - 2 普适计算层面图 ( 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、传感设备和显示设各； ( 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可取的，所以无线网络将成为普适计算 的重要基础设施，而阏格( 班d ) 则可能构成普适计算的网络和计算资源的平台； ( 3 ) 在系统软件( i n f x a s m m 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 变为透明蕴涵式交互，这需爱研究新的交互模式( m e t a p h o r ) 和感知接i 口t 2 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 ，2 研究课题的提出 系统软件层次构成普适计算的基础设施的软件部分，它对普适计算中大量的 联网的设备、物体、计算实体进行管理，为它们之间的数据交换、消息交互、服 务发现、任务协调、任务迁移等等提供系统级的支持( 如图l - 2 ) 。而普适计算 的系统软件必须能在我们日常生活的空间提供上述各种功能和服务，这是一个组 成、结构都经常变化的工作环境，并且与此相关的硬件经常是异构的、容易出错 和只具有有限的资源，这就对普适计算的系统软件技术提出了极大的挑战 4 j 。虽 然移动计算和分布式计算研究已经解决了其中一部分问题，但距普适计算环境下 的器要还有很大差距。在该层次上还有很多亟需解决的问题，其中自适应和服务 发现技术的研究非常重要。 普适计算系统中各种设备拥有的资源是不同的和变化的，它们在计算能力、 存储容量、电池容量、交互手段等因素上都有着很大的差异，设备在不同的环境 中移动时，可用的无线网络的带宽也是不同的，这就引出了自适应问题的研究。 它主要包括两部分：第一、内容的转化，解决数据传输过程中因为资源的限制而 对数据做的处理；第二、交互界面的转化，因为设备的交互机制的不同，需要把 同一个交互接口映射到不周的交亘机制下完成。 在对信息内容及访问设备的异构性的自适应研究的基础上，我们还希望满足 酱适计算的自发的、互操作的要求，为人们的生活和工作提供更多的便利，这就 需要服务发现机制的支持。服务发现的机制即实现在异构而又动态的网络环境 下，各种程序和设备能够在网络中自动声明自己的功能，而其他程序和设备在权 限范围内自动发现并访问所需的服务。这里的服务是指网络中设备和应用程序提 供的功能。服务发现系统通常工作在快速变化、不稳定的环境中，追求最小化人 为的管理开销，简化服务的发现、配置和使用，为客户提供简单访问服务的手段。 正是在这样的实际应用背景和指导思想下，论文提出了面向普适计算环境系 统软件层次上的自适应技术和服务发现技术课题的研究。 1 3 课题的研究现状 普适计算的思想最早是1 9 9 1 年m a r kw e i s e r 在( s c i e n t i f i ca m e d c a n ) 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嘲。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 武汉理工大学硕士学位论文 一个极具活力和影响力的研究领域。而在自适应和服务发现两个方面，大量研究 者也积极的展开了研究。 1 3 1 自适应技术的研究现状 针对内容自适应的研究，m s a t y a n a r a y a n m 等于1 9 9 0 年提出了c o d a 系统， 其设计目标是使终端的移动性对用户来说是完全透明的，即采用了系统自适应模 型，使用户不必关心计算环境的细节，而专注于应用的具体实到6 】；1 9 9 6 年， s m c c a r m e 的r l m ( r e c e i v e r - d r i v e nl a y e r e dm u l t i c a s t ) 为接收者驱动的分层缎播 协议，该协议实现传送速率的自适应，采用了应用自适应模型【7 】；1 9 9 7 年，j i n o u y e 的视频播放器也采用了应用自适应模型圈。而上述的，不管是系统自适应模型还 是应用自适应模型都不能达到理想的自适应效果，2 0 0 2 年，李允提出了系统一应 用协作自适应模型 9 1 。在此研究领域，还有从不同的角度解决内容自适应问题。 比如，在2 0 0 2 年，s h a n g - w e n c h e n g 等提出了基于软件体系结构的自适应模型【1 0 1 ； 在2 0 0 4 年，由x i a o h u i g - u 等提出的面向普适计算的自适应卸载模型等【u 】。 而针对界面自适应问题，虽然该概念在国内提出的并不多，但是，许多学者 都就界面转化这一问题展开了研究。在1 9 9 8 年，陈刚等就提出了人机界面自适 应的概念，并提出了一个人机界面的自适应机制【1 2 3 ；2 0 0 1 年，沈向峰等提出了 基于w e b 内容的自适应页面转换助理，它能够自适应地针对不同网络终端设备 的请求提供相应的因特网页面，方便用户浏览因特网上的内容【1 3 】。宁志刚等于 2 0 0 3 年提出了基于x m l 的智能界面自适应策略，它是一种基于x m l 的智能界 面自适应策略，该界面易于扩展，并采用一种自适应策略，此策略容易满足不同 应用域和使用者要求，略加修改就可适应不同的应用【1 4 1 。 1 3 2 服务发现机制的研究现状 1 9 9 3 年，m i e r o s o i t 和i n t e l 联合制定的用于计算机外围设备的一项规范，即 插即用( p n p ) 技术首次出现，利用该技术使得计算机硬件的安装、配置、添加 都易于实现；i e t f 的s r v l o c 工作组于1 9 9 7 年制定的标准，服务定位协议s l p ， 它基于t c p i p 协议簇建立了一个使设备和应用程序自动提供或获取所需服务的 发现模式；在1 9 9 9 年1 月，s u nm i e r o s y s t e m s 公司又推出了基于j a v a 技术的一 种新的网络连接技术j j n i 技术，它使各种设备可以非常简单地连接到任意的即 时网络上，从而使得对新的网络服务的访问和发送变得就像接入电话一样简单。 相继，又有很多种服务发现方案的提出，如s a l u t a t i o n 、h a v i 、b l u e t o o t h 等，并 4 武汉理工大学硕士学位论文 且一些服务发现方案已经逐步从实验室走向了产业界。但同时，虽然所有这些服 务发现解决方案都提供了相似的功能，比如，自动发现所需的服务。然而，它们 的目标服务类型和使用的网络环境都有很大的不同。比如，分散型模式的服务发 现方案，如u p n p ，是家居范围或a dh o e 环境下的一种比较好的选择：而集中型 模式的服务发现方案，如j i n i ，更适用于企业网和园区网计算环境【1 ”。这样，多 种规范和协议并存就导致了服务发现协议之间的互操作性问题，即遵循某一协议 的客户无法发现遵循另一协议的服务1 4 j 。 目前，也有很多学者致力于解决各种服务发现方案间的互操作问题。s u n 公 司于1 9 9 9 年提出了一对一的协议桥_ s l p j i n i 桥，来解决这两种协议间的互 操作f t q ；p b i l i p s ，s o n y 和s u n 公司提出的j i n i - h a v i 桥，采用类似的思路来解决 该问题。为了克服一对一协议桥的问题，h i r o o i s h i k a w a 于2 0 0 2 年提出了一对多 的协议转换【1 7 1 。2 0 0 3 年，k y o o n g - d e o km o o n 等又提出了解决互操作问题的另外 一种方法，建立一个能够容纳当前所有服务发现中问件的共同的集成中间件【l 踟。 2 0 0 3 年，j a u a r d 等又提出了基于服务代理的解决方案。 1 3 3 需要进一步研究的问题 内容自适应是面向酱适计算的自适应技术的一项重要内容，国内外的学者也 努力从不同角度解决这一问题，是当前研究的一个热点。而针对界面自适应的问 题，国内很多研究者也展开了广泛的研究，有大量的研究成果出现，在很多论文 当中，作者都采用了) m 也这种描述性语言作为统一描述用户界面的方式，但很 少有将j a v a 和x m l 结合起来，并采用专为x m l 转换而设计的先进的x s l t ( 可 扩展样式表语言转换) 来共同解决面向普适计算的界面自适应问题的，因此，将 这些优秀的工具结合起来解决晃面自适应的问题也是当前的一个研究趋势。 针对服务发现协议间的互操作问题，虽然研究者提出了大量的解决方法，但 由于日前的服务发现标准都还处于开发阶段，当为了容纳在研发初期没有考虑到 的新型服务或者支持新型的应用程序时，这些标准会被修改和改进，之前开发的 协议桥也必须被修改。所以，研发一种能够转换整个协议规范的桥很昂贵并且很 困难，这种协议转换的方法在研发成本和转换的完整性上都存在缺陷。另外，研 发一个集成的中间件需要比研发协议转换桥更多的时间和成本。因此，如何实现 多种服务发现协议闾的互操作仍是现在所面临的追切需要解决的问题。 另外，要实现普适计算的自发的、互操作的要求，实现服务发现环境是基础， 因此笔者在本文的服务发现章节首先致力于选择一种服务发现方案并实现服务 武汉理工大学硕士学位论文 发现的功能。 1 4 课题的研究思路及论文的组织 基于以上的分析，在系统软件层次上的自适应和服务发现模块，还有很多亟 需解决的问题，本课题就是为了深入研究并解决部分问题而展开的。本文从当今 计算技术发展的状况出发，分析总结了计算模式的发展演变过程，阐述了普逶计 算的概念，对其面临的各个层次的技术挑战给以简单的分析，并研究了普适计算 系统软件层次上的若干问题。 自适应技术在移动计算中其重要性已体现出来，针对内容自适应有很多的研 究成果，本文将研究解决内容自适应问题的三种典型解决方案；针对自适应技术 另一个关键问题界面的自适应，展开了研究。j a v a 是一种跨平台的编程语言， 而用x m l 描述用户界面，可实现用户界面的通用性和重用性，并为向普适计算 模式下多通道用户界面的发展打下了良好的基础，同时，x s l t 提供了一种转换 数据的方式，相同的x m l 数据可以被转换为很多不同格式，我们就可以获得跨 多种浏览器和其他设备的可移植性而不会将h t m l 掺杂到s e r v l c t 代码中。医此 将x m l 、j a v a 和x s l t 技术结合起来解决界面自适应问题的一种很好的思路， 基于此本文提出了一种基于j a v a 和x m l 的在不同终端间实现界面转化的解决方 案。 丽在实现了对信息内容及访问设备的异构性引起的自适应研究的基础上，要 达到普适计算的理想境界，还必须满足普适计算的自发的、互操作的要求。而 j i n i 是一个基于联邦思想的分布式系统，它充分利用了j a v a 技术，同时又极大的 扩展了j a v a 技术的能力，试图把j a v a 的应用环境从单一的v m 扩展到v m 网络， 并将面向对象编程的便利扩展到网络编程中。因此，本文将凭借j i n i 这些独特的 优势及便利条件，实现基于j i n i 的服务发现环境。 同时，目前多种服务发现协议的并存引出了服务发现协议间互操作性的问 题。从服务层解决该问题对实现互操作的完整性、现有服务发现协议变化的可容 性、互操作系统的负载、体系结构的复杂性以及开发成本等方面都有很大的优势， 因此本文在对已有互操作体系结构改进的基础上，提出了基于服务代理的互操作 体系结构。 论文共有五章，包括本章的绪论，整个论文内容结构安排如下： 第1 章介绍了普适计算概念，分析了其面临的各个层次上的技术挑战，并分 析了系统软件层次上的自适应和服务发现两个闯题的研究背景及研究现状，提出 6 武汉理工大学硕士学位论文 了本课题的研究内容。 第2 章首先针对内容自适应问题，介绍了在笔者研究领域中主要的三种解决 方案，接着，针对界面自适应问题，提出了基于j a v a 和x m l 的在不同终端间实 现界面转化的一种解决方案，并对其中的关键问题给以了详细的分析。同时，根 据提出的解决方案给出了模拟试验。 第3 章对j i n i 这种服务发现协议作了深入地介绍，并实现了基于j i n i 的服务 发现环境，为以后服务发现机制的研究打好基础。 第4 章首先对j i n i 以外的多种服务发现方案做了简单的介绍，有u p n p 、s l p 、 s a l u t a t i o n 、b l u e t o o t hs d p ；接着，提出了一种实现不同服务发现协议间互操作的 解决方案。 第5 章对论文的研究和实践工作进行总结和回顾，阐述了作者在本文的研 究过程中所傲的一些相关工作及对将来工作的展望。 武汉理工大学硬士学位论文 第2 章面向普适计算的自适应技术的研究 面向普适计算的自适应技术包括两个方面：内容自适应和界面自适应。内容 自适应解决数据传输过程中因为资源的限制对数据做的处理，它在移动计算系统 中的重要性得到了广泛的认识。界面自适应即交互界面的转化问题。在本节，首 先对笔者研究领域内的三种不同的内容自适应的解决方案做了详细地介绍：接 着，利用j a v a 和x l v l l 这硬种技术来解决冕面自适应的阃题。 2 1 面向普适计算的内容自适应的研究 在普适计算环境下，只有通过有效的内容自适应处理策略，移动终端的应用 才能很好的工作于动态变化的资源环境中，如网络质量变化的不可预知性，远程 服务可获得性的差异性，由于重量和尺寸限制所带来的本地资源的有限性，以及 电源当前的可用量情况等研。目前，针对内容自适应问题，在笔者的研究领域内 主要有三种不同的解决方案。 2 1 1 系统一应用协作自适应模型 该模型是对以前的系统自适应模型和应用自适应模型的结合，系统适合于进 行资源的监控，对资源分配进行决策。并能对终端使用的资源进行优化。应用则 只对自己需要使用的资源感兴趣，可通过系统获取到关于资源的可获得性的变化 情况，并据此作出应用特定的自适应决策。系统应用协作自适应模型能很好地 满足应用多样性和并发性的需求。不同应用可以根据资源可获得性的变化情况， 做出满足保真度需求的自适应决策。通过系统对资源的集中控制，并发应用也能 得到有效的支持唧。 ( 1 ) 系统一应用协作自适应体系结构 为了使普适计算终端能对环境变化作出自适应处理，需要在一般的嵌入式实 时操作系统中添加自适应处理模块，满足终端的自适应需要。具有自适应特性的 嵌入式操作系统的体系结构如图2 1 所示，在普通的嵌入式实时操作系统的基础 上，主要添加了三个模块；资源监控模块，事件通道注册模块和事件管理模块。 资源监控模块蓝铡到普适计算终端的资源发生变化时，从事件通道注册模块获取 事件通道的引用，并通过获取到的引用，以事件对象的方式把资源事件发送给事 件管理模块中的事件通道，事件通道再使用事件传送机制，最终把反映终端资源 8 武汉理工大学硕士学位论文 变化的事件对象交给应用程序，由应用程序作出自适应处理a 二三匾亘亟匠 二 一脚矍序 网 睦些苎些i 白适应 嵌入式 操作系统 一黔羔鱼 图2 1 系统应用协作自适应系统的体系结构 两誊i l 霎蓁纂麓萎翼耋黧注册雠浏览器资监控揍块 处理模块传送模块 目回巨革习匝圃回团 ；b 塑旦竺! 陋塑! ! 望， 徽i i 。i 蔫 l l - y * m e iw ii ：! 磊丽嗣 ；嚣| ib 些里醴 事件对象 k 兰堡苎些里譬旦墨一 r 6 请求舟赫事件通道的引用! j ；- 雨丽森丽面薪丽打 ； 三薹薹墅萋茎蚕堇垂薹西件对象交给应三 图2 - 2 处理网络事件对象的序列图 ( 2 ) 系统一应用协作自适应系统的3 - 作过程【1 9 】 图2 - 2 以酱适计算终端的网络带宽发生变化为例，通过u m l 序列图的方式 对系统工作过程进行了说明。图中包含网络带宽资源、网络事件监控模块、网络 事件处理模块、网络事件传送模块、事件通道注册管理模块和与网络相关的浏览 器应用六个对象。这些对象分别对应着r e s o u r c 宅、r m o n i t o r 、e v e n tm a n a g e r 、 d e l i v e r ym o d u l e 、r e g i s t r a r 和a p p ，分别表示普适计算终端的资源、事件监控模 块、事件处理模块、事件传送模块、事件通道注册管理模块和终端的应用。图中 的箭头表示对象之间为完成所需功能而传递的消息，箭头自上而下的排列，意味 着消息发生在时问关系上的先后关系。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 应用自适应决策的设计方法嘲 在实际的应用中，自适应决策与资源数量之间一般都不是线性关系，而表现 为一种非线性关系。例如，对于浏览器，如果考虑c p u 和网络带宽两种资源情 况，其自适应决策用模糊控制理论来处理是非常适合的。 在浏览器中加入自适应处理模块，该自适应处理模块使用模糊控制模型进行 自适应决策。对于浏览器来说，其服务质量主要体现在两个方面：网页获取时间 和网页质量。采用自适应处理的目的是在兼顾网页质量的同时，获得比较短的网 页获取时间，这可以根据测览器当前能够获得的资源情况对所浏览网页的内容进 行调接的方式来实现。这些资源主要包括网络带宽和c p u 的空闲程度。对于网 络带宽，所对应的自适应决策主要为：( 1 ) 是否传送图形，可以通过传送或是不 传送网页中所包含的图形来适应网络带宽的需求；( 2 ) 图形质量，通过影响图形 质量的不同图形格式，可以改变图形的大小，从而满足网络带宽的需求情况。对 于c p u 空闲程度，所对应的自适应决策主要为：图形压缩或是不压缩。在浏览 器的自适应处理模块中，自适应选择表示为如下的知识库： 该知识库中采用了三个语言变量：n e t w o r k b a n d w i d t h 、c p u i d l e 和 c o n t c n t c h o i c e ，分别对应着网络带宽、c p u 的空闲程度和网页内容的传送方式。 n e t w o r k b a n d w i d t h 对应的语言值为i i i z h ，l o w 分别表示网络带宽比较高和比较 低；c p u i d l c 对应的语言值为i d l e ，n o t i d l e ，分别表示c p u 比较空闲和不太空闲； c o n t e n t c h o i c 圮对应的语言值为f l l l l ，o r a p h c o m p r o s s c d ，a l t e r c d t e x t g r a p h ，分别 表示无压缩传送整个网页的数据，压缩传送网页中的图形数据和传送图形的替代 文字而不传送阙页中的图形数据。语言变量的隶属函数如图2 3 所示。 l o l 0 图2 3 隶属函数 采用自适应处理后，浏览器既能保证在资源比较丰富的情况下能够获取到高 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 质量的图形内容，也能保证资源不足时的网页获取时问，从而获得比较稳定的上 网性能。 2 1 2 基于软件体系结构的自适应模型 近年来，一些研究学者提出了另外一种内容自适应方法，即在系统运行时， 维持一些软件体系模型，它们用来作为系统重构和修补的基础【2 1 1 。系统的一个体 系模型将该运行系统的总体结构捕获为纹理粗糙的( c o a r s e 掣a i l l e d ) 交互组件的 一部分，例如，它可以是由普适计算环境下的终端设备、网络环境以及服务器组 成的部署结构。使用体系模型作为系绕自适应的基础具有以下几个优点：( 1 ) 一 个体系模型能提供对系统的全面的观察情况，以便采取非局部的改动：( 2 ) 体系 模型能做出清晰的完整豹约束条件，有助于确保任何变化的有效性；( 3 ) 通过使 用体系模型使系统监控和自适应具体化，使制定独立于任何特殊的应用程序的自 适应机制、基础设施和自适应策略成为可能，这样孰减少了将自适应处理加入新 系统的费用并提高了其有效性i 切。 ( 1 ) 基于软件体系模型的自适应体系结构 在普适计算环境中包含了大量移动用户，他们通过不同的终端设备获取共享 信息。这些不同的终端设备又通过大量异质的通讯设施进行通讯。应用于普适计 算环境的基于软件体系模型的自适应体系结构由三层组成，如图2 - 4 所示。 图2 - 4 基于软件体系模型的自适应体系结构 运行时层次负责观察一个系统的运行时属性和执行底层的系统自适应操 作它包括系统本身，以及它所在的操作环境( 网络、处理器、输入输出设备、 通讯连接等) ，如图2 - 4 中l 所示。然后，利用一个监控装置将所观察的运行 武汉理工大学硕士学位论文 时信息向上传输，该监控设施精简、过滤以及抽象化这些观察信息以便将底层观 察信息转换成体系结构层相关的术语，如图2 _ 4 中2 所示。 模型层次首先负责将观察到的系统行为解释成高层术语，使之更容易分 析。它是该方法的核心部分，由该系统的一个或多个体系模型( 如图2 - 4 中3 所 示) 以及各自的体系结构管理器( 如图2 - 4 中4 所示) 组成。其中，体系结构管 理器判断一个系统的运行时行为是否在可接受的范围之内。一个体系结构管理器 包括一个约束检验器和一个修复处理器。前者判断运行时行为是否违反了约束条 件；后者决定如何调整系统。然后，修复措施将向下传输到运行时系统口3 】，如图 2 - 4 中5 所示。 任务层次负责决定所执行工作的服务质量需求，如图2 - 4 中6 所示。一 个工作是一个用户计算需要的高层表示，并且指出了所需的服务以及这些服务所 需的性能简表。这些简表决定在体系结构层运行时行为所允许的范围。 ( 2 ) 基于软件体系模型的自适应体系结构的工作过程 为了解释该方法的工作过程，我们假设在普适计算环境中存在着大量的移动 用户，每个用户正在执行一个或多个工作任务，而这些任务需要访问共享的信息。 这些共享信息由分布在普适潮络环境中的不同的服务器组提供，如图2 5 所示。 其中，每一个服务器组由一组复制的服务器组成，并且维护着一队列的请求，它 们以先进先出的方式被服务器组中的服务器处理。然后，服务器将结果直接返送 回请求的用户。这就构成了一个体系模型。 图2 - 5 示例系统的部署结构 管理这总体设施的普适计算环境需要保证两个相关的系统性能。第一，保证 对每个用户的服务质量，对每个用户的请求响应延迟必须低于一定的闽值，阈 值根据任务和用户的变化而变化。第二，为了降低费用，在保持第一个条件的基 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 础上。当前的活动的服务器应保持最小值，达到这些目标要求需要三个层次的协 同合作。任务层知道用户请求的信息以及为获取这些信息所需的服务需求质量。 任务层知道的这些信息传输到模型层，这样，当一个新的任务生成时，在模型层 就能执行相关的分析以决定合适的系统重构。然后，模型层通过运行时层次将相 应的变化传送到执行系统以完成这些需求。 该方法的核心是使用格式化的体系模型。在系统中，每一个体系结构被定义 为一个特殊的体系类裂，有很多的优势。例子中采用一个客户机服务器体系类 型。任务层设定体系结构的性能简表。这些简表可以被表达成阈值约束条件。这 些约束条件可以被动态的检查以验证系统是否在一定的可接受的范围内运行。在 例子中，我们希望每个用户得至b 不超过某一最大值的网络延迟。在体系模型中， 可以表示为如下的约束条件形式： a v e m g e l a t e n c y 0 ) ； s e l e c t o n ec l i ：c h e n f f i ns c e c o m p o n c n t 目2 7 e x i s t s p ：r e q u c 猷t i n d l p o r t 目 z 8乜d t i cf i x b a n d w i d t h ( c l i e n t c l i t n i t a t t a d l e d ( b a 翊r o l e , r ) 2 9 r o l e ：c l i c n t r o l e t ) ：b o o l e a n f f i i i f ( f i x s c f v e f l “t d ( b a d c l i e n t ) ) 3 0 遍瞄t b a n d w i 甜p t m i 血m 涮m h ) f 0c o m m i tr e p e 缸, ；l 岫l f a l s e , ， i e l s ei f ( f l x b a n d w i d t h ( b a d c l i e n t , b a m | 2l no l d s c n - p ：s e r v a c _ , r o u p t = 2 c o m m i t h p a 虹) 3 3s e l e c to n es g ：s a v m c o u p ti n 3 e l a b o r t m o d c l e n o r ；, j 4 s c l e c o m p o n m 删c o n n c c t e d ( c l i e n t , f o r p ) ； 4 ) ” l c g o o d s g r p ：s c x v e l g r o u p t = 53 6 f l n d g o o d s g a p ( c l i c a t , l i n b d 谢曲啦 6 切础f i x s e r v e r l o a d ( c l i e 虹t ：c l i e n t t ) ：b o o l e a n = 3 7 f f ( g o o d s g r p ：= n i l ) t 1 7 l e t l o e d e d s e r m g r o e p s ：鲥( s e r v 汹i t =强c l i l m o v e r o l d s o t p g o o d s g r p ) ； 8 s e l e c ts g r p ：帅ti n 3 9g c t u mt m c ； 9 嚣睢o 哪叩a 眦n 招帕 d 辩 吣 c o n n e c l e d ( s g r p , c l i e n t ) a n d4 1 曲嗽n o s e r v 竹q o 帅f a 锄d ： ! l s g 币i $ 雠咖竹l o a d ； 1 2 图2 - 6 对网络延迟的修复策略 第一行规定了由于任务需求而设定的平均延迟不能低于最大延迟这一约束 武汉理工大学硕士学位论文 条件。第二行，如果违反上述约束条件，就采用修复策略。4 - 1 4 行的修复策略， f i x l a t e n c y ，又包含了两个方法。1 6 - 2 6 行定义了第一个方法，处理服务器组过载 的形势，2 2 - 2 3 行定义了执行的前提条件，2 4 - 2 5 描述了主要的行为在任一 过载的服务器组中生成一个新的服务器。2 8 - 4 2 定义了第二个方法，处理网络连 接延迟的形势，3 0 - 3 1 行定义了执行的前提条件，3 5 - 3 6 行询问体系结构是否能 找到一个具有更高带宽的服务器组。如果