（计算机应用技术专业论文）实时分布式协同工作环境的研究与开发.pdf

硕士学位论文摘要p、j 随着网络技术和分布式系统的普及，计算机支持的协同工作( c o m p u t e r - s u p p o r t e d电c o o p e r a t i v ew o r k ，简称c s c w ) 已成为当前计算机科学的一个十分活跃的研究领域，协同软件正在成为新型应用软件的发展方向，开发一个灵活、方便的协同工作环境具有重要的意义丫本文首先介绍了协同工作环境开发的需求及其关键技术，着重介绍协同工作软件不同于其他分布式软件和交互软件的特点及其对协同工作环境需求和开发技术的影响，并且考察了当前有代表性的协同编辑软件。然后介绍了自行设计与开发的实时分布式协同工作环境，对其设计技术进行了详细的探讨，主要内容包括：系统体系结构、并发控制、协同感知、会话管理、角色控制、共享文件存储、系统容错等。着重讨论了本文提出的基于相对位置的乐观锁并发控制策略。在介绍该协同工作环境的设计的基础上，围绕其实现技术，对线程通信、分布式体系结构、会话管理模块、基于相对位置的乐观锁的实现、共享文件存储、多级协同感知的实现、电子白扳的对象模型等一一进行了介绍。运用前面研究的技术，开发实现了实时分布式协同工作环境r e d c e ( r e a l t i m ed i s t r i b u t e d c o l l a b o r a t i v e w o r k e n v i r o n m e n t l 。文中对r e d c e 系统的功能进行了介绍，并与相关研究工作进行了比较。关键词：蛔电子白板li协同工作环境，协同软件，协同编辑，并发控制，基于对象k硕士学位论文a b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r a c ta n dd i s t r i b u t e ds y s t e m ，c o m p u t e r - s u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ( c s c w ) i sn o wav e r ya c t i v er e s e a r c ha r e ao fc o m p u t e rs c i e n c e ，a n dc o l l a b o r a t i v es y s t e m sa r eb e c o m i n go n eo ft h ep r o m i s i n gt r e n d so fn e wa p p l i c a t i o ns o f t w a r ei nt h en e wm i l l e n n i u m s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt od e v e l o paf l e x i b l ea n dc o n v e n i e n tc o l l a b o r a t i v ew o r ke n v i r o n m e n t w ef 1 】r s ti n v e s t i g a t et h er e q u i r e m e n t sa n dk e yt e c h n i q u e sf o rd e v e l o p i n gc o l l a b o r a t i v ew o r ke n v i r o n m e n t o u rf o c u si sp r i m 础yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs u c hs y s t e m s ，w h i c ha r ed i f f e r e n tf r o mt h o s eo fc o l l m i l o nd i s t r i b u t e ds y s t e m sa n di n t e r a c t i v es o f 、h , a r e w ea l s oi n v e s t i g a t es e v e r a lr e p r e s e n t a t i v ec o l l a b o r a t i o ne d i t i n gs y s t e m se x p l o r e db yo t h e rr e s e a r c h e r sa n di u s t i t u t e s w ec a r e f u l l yi n v e s t i g a t et h ed e s i g nt e c h n i q u e so f t h i sr e a l - t i m ed i s t r i b u t e dc o o p e r a t i v ew o r ke n v i r o n m e n t ，p r i m a r i l yf o c u s i n go nc o l l a b o r a t i v es y s t e m sa r c h i t e c t u r e ，c o n c u r r e n c yc o n t r o l l i n g ，c o l l a b o r a t i v ea w a r e n e s s ，s e s s i o nm a n a g e m e n t ，r o l ec o n t r o l l i n g ，s t o r a g eo fs h a r e df i l ea n df a u l t - t o l e r a n c eo fs y s t e m w h e r e ，w ed i s c u s st h ec o n c u r r e n c yc o n t r o l l i n gs t r a t e g yb a s e do nr e l a t i v ep o s i t i o ni nt h i ss y s t e mi nd e t a i l b a s e do nt h er e s e a r c ho ni t sd e s i g nt e c h n o l o g y , w ei n t r o d u c et h ei m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u e so f t h i sc o l l a b o r a t i v ew o r ke n v i r o n m e n t ，w h i c hi n c l u d e sc o m m u n i c a t i o nt h r e a d s ，d i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r e ，m o d u l eo fs e s s i o nm a n a g e m e n t ，i m p l e m e n to fo p t i m i s t i cl o c k i n gb a s e do nr e l a t i v ep o s i t i o n ，s t o r a g eo fs h a r e df i l e ，m u l t i l e v e lc o o p e r a t i v ea w a r e n s ，o b j e c tm o d e lo f w h i t e b o a r da n ds oo n a p p l y i n gt h e s et e c h n i q u e sm e n t i o n e da b o v e ，w eh a v ed e v e l o p e dr e d c e ，ac o l l a b o r a t i v ew o r ke n v i r o n m e n t t h ef u n c t i o n sa n di m p l e m e n t a t i o ni s s u e so fr e d c e ，a sw e l la st h ea p p f i c a t i o no f t h e s et e c h r d q u e si nd e v e l o p i n gi t ，a r ed e s c r i b e di nt h ee n do f t h i st h e s i s k e y w o r d s ：r e a l - t i m ed i s t r i b u t e dc o l l a b o r a t i v ew o r ke n v i r o n m e n t ，c o l l a b o r a t i v es y s t e m ，c o o p e r a t i v ee d i t i n g ，c o n c u r r e n c yc o n t r o l l i n g ，w h i t e - b o a r db a s e do no b j e c t 学位论文版权使用授权书f s | f 2 2本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容和部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密l u学位论文作者签名： 】启紧如王年月，7 日嘏撕躲鼋妄喾、纱以年妇t 日本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名：_ 必启拳加，年g 胄，7 日硕士学位论文1 1背景第一章绪论计算机支持的协同工作( c o m p u t e r s u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ，简称c s c w ) 是当前计算机科学的一个十分活跃的研究领域，自对其研究伊始十几年来，获得了飞速的发展，出现了不少实验性的原型系统和商业化软件，越来越多的计算机用户开始了解、接触和使用协同软件，这一类软件也正在成为新型应用软件的发展方向。目前，协同软件已经在c a d c a m 。1 、航天测控领域。1 、工作流管理系统。1 、远程教育n 。、企业m i s 8 1 系统中逐渐得到了应用，但这些领域的协同软件都在不同程度上存在不够成熟的地方，其原因是实时性、并发控制、友好的人机界面、真实的协同感知一直没有得到很好的解决。这一问题已经引起了国际上学术界和工业界的重视，有不少专家学者已经做了一些卓有成效的研究工作，针对各个方面提出了一些比较经典的算法。然而，结果并不能令人十分满意。协同编辑是c s c w 的研究热点之一，在信息化时代，文档处理仍是计算机应用的一个主要领域聃 。随着工作复杂程度的提高，工作过程中所处理的文档内容与结构也日益复杂化。具体表现在文档的媒体种类多样化，不再局限于纯文本，图像、图形，甚至语言、视频也大量引入：文档格式不再局限于从前到后、章节分明，而是逐渐超文本化。文档的复杂化，以及所覆盖的知识范围的扩大使得由单个作者或专家来处理文档已显不足，常需要多个作者共同协商；而且随着人们合作范围的进一步扩大，常常需要不同地点的作者能共同处理文档，因此，支持多用户的协同编辑已经成为迫切的需要。开发协同软件的自标是操作响应的实时性、友好的协同工作界面和真实的协同感知。现实的情况距离这一目标还有很大的差距。1 2c s c w 研究的起源及发展c s c w 作为一个独立的研究领域只有1 6 年的历史。1 9 8 4 年，i r e ng r e i f 和p a u lc a s h m a n 主持的一个工作组在m i t 召开，有来自不同领域的二十人参加，第一次提出了c s c w 这个名词。1 9 8 6 年，由m c c 在德州a u s t i n 主办了第一次c s c w 系列会议，此后每两年举行一届并由a c m 主办。从1 9 8 9 年开始，在欧洲也开始举行每两年一次- l -一一 - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ 一硕士学位论文的c s c w 学术会议( e c s c w ) ，与a c m 主办的会议交替举行。c s c w 自身有了很多不同的研究方向，有了一系列定期召开和出版的学术会议和期刊，有了不少有代表性的原型系统和软件产品，有了一大批学者对其进行研究，并且有了自己的一些术语。除了a c mc o n f e r e n c eo i lc o m p u t e r s u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k 和e c s c w 这两个专门的系列学术会议，a c ms i g g r o u p ( 以前叫s i g o i s ) 年会、a c ms i g c h l 年会都有该领域的很多文章发表。一些重要的学术期刊如a c mt r a n s a c t i o n so nc h i 和a c mt r a n s a c t i o n so ni n f o r m a t i o ns y s t e m s 上也经常发表有关文章。另外有两种c s c w研究的专业期刊，一为k l u w e r 出版的j o u r n a lo fc 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 ，一为c h a p m a na n dh a l l 出版的c o l l a b o r a t i r ec o m p u t i n g 。除了理论研究外，人们也十分重视c s c w 应用技术的发展，c s c w 应用技术的发展可以分为4 个阶段“：( 1 ) 德国国家信息技术研究中心r i c h a r dr e n t l e y 等人的b s c w 基本型；( 2 ) 美国s r i 公司t h a n e jf r i v o l d 等人的双向异步系统；( 3 ) 美国d e c 公司推出的w o r k g r o u pw e bf o r u m ( w w f ) 群件设计方式；( 4 ) 美国s u n 公司的t e a mw o r k ；每个阶段在协同性和系统效率方面均有明显发展。在中国，1 9 9 5 年以来也有若干单位开展c s c w 的研究，如清华大学、中科院、华中理工大学、浙江大学、东北大学、国防科技大学等都发表过有关成果和科技论文，但总的看来尚处于起步阶段。计算机支持协同工作( c o m p u t e r s u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ，简称c s c w ) ，是指组用户在一个公共的工作空间( w o r k s p a c e ) 中协作地共同完成一个任务“1 ，他的目标是设计支持各种各样的协同工作应用系统。它反映了人们对计算机的功能需求的改变，即希望计算机系统的功能从传统地解决计算问题发展为支持多个用户之间的协调与合作活动。过去十几年来，计算机科学技术和人类社会都有了日新月异的发展，c s c w 研究的重要性不断在增强。首先，从8 0 年代早期以来，大型主机被分布的个人计算机所逐渐代替。作为一种趋势，计算能力( c p u 性能、图形处理等) 不断分散，这种趋势目前仍在继续并且没有停止的迹象：同时越来越多的有强大处理能力的p c 机和工作站通过局域网和广域网连接在一起，网络和分布式计算的发展进一步促进了计算能力的分散。其次，社会组织结构逐步趋向分布性。不仅单个部门趋于分布在多个地点，其工作人员也趋于在家中电子办公，而且不同部门之间的合作也使得日常工作越来越多地通过远程合作方式进行。即使是在单个工作地点，办公自动化的趋势也使得支持协调与合作的计算技术越来越重要。c s c w 并不如其名称一样只限于有关协作( c o o p e r a t i o n ) 和工作( w o r k ) 的问题，而2 -_ _ _ - _ 一一硕士学位论文是涉及到竞争、社会学及游戏等等。c s c w 是一个跨学科的边缘性研究领域，它涉及的学科主要有：认知学、社会学、计算机科学、心理学、人类工程学等”1 ，从计算机科学与技术的角度，也是本文的研究角度狭义地来看，c s c w 主要建立在人机交互技术、网络和分布式计算技术的基础上，其它诸如人工智能、计算机图形学、多媒体技术、i n t e r n e t 等，也对c s c w 的研究有深刻的影响。c s c w 的研究涉及到设计、实现和使用协同软件帮助分布的用户围绕一个共同的任务协调与合作。这就要求对操作系统、分布式软件系统、程序设计环境、用户界面框架、软件工程及事务模型等进行重新考虑。目前，c s c w 技术已经应用到了各个领域，出现了不少实验性和实用的系统，例如桌面会议系统、协同写作系统、远程教育系统、虚拟实验室等，不胜枚举。我们可以从不同的角度对协同系统进行分类。应用级分类法( a p p l i c a t i o n l e v e lt a x o n o m y ) 将协同系统分为消息系统( m e s s a g es y s t e m s ) 、多用户编辑器( m u l t i u s e re d i t o r ) 、群体决策支持系统和电子会议室( g r o u pd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m sa n de l e c t r o n i cm e e t i n gr o o m s ) 、计算机会议系统( c o m p u t e rc o n f e r e n c i n g ) 、智能代理( i n t e l l i g e n ta g e n t s ) 、协调系统( c o o r d i n a t i o ns y s t e m s ) 。按照系统所提供的功能，对协同系统可以有多种划分方法：根据系统是否支持协同感知可以将系统分为协同透明系统( c o l l a b o r a t i o nt r a n s p a r e n ts y s t e m ) 和协同感知系统( c o l l a b o r a t i o na w a r es y s t e m ) ；从体系结构上可以分为集中系统( c e n t r a l i z e ds y s t e m ) 、复制系统( r e p l i c a t e ds y s t e m ) 和混合系统( h y b r i ds y s t e m ) ；从视图上可以分为w y s i w i s 系统、w y s i n w i s 系统等等。从用户建立联系、相互交流的方式上可以把协作分为显示协作和隐式协作两类。在隐式协作中用户通过操作共享对象以获知彼此的行为，进行间接的交流。显示协作中用户问直接传递消息进行交流，比如发电子邮件。最常用的分类办法是时间空间分类法( t i m es p a c et a x o n o m y ) ，按照用户的交互模式和地理位置对协同系统进行分类。多个用户之间的交互模式可以是同步的或者异步的：用户的地理位置可以是在同一地点或在不同的地方。这种时空分类的方法可以将协同系统归结为以下四种模式“”，如图1 1 所示。同步交互模式( s y n c h r o n o u sm o d e ) ：例如会议室系统；分布式同步交互模式( d i s t r i b u t e ds y n c h r o n o u sm o d e ) ：例如远程视频会议系统、协同写作、共享白板；- 3 一一一硕士学位论文舞一囊苓囊囊庶膏叫亍期苇两对一图1 1 协同系统的时空分类异步交互模式( a s y n c h r o n o u sm o d e ) ：例如留言板；分布式异步交互模式( d i s t r i b u t e da s y n c h r o n o u sm o d e ) ：例如电子邮件、电子公告板系统等。认识到各种系统模式的区别对于协同系统的设计和开发是很重要的，因为它们的网络协议、存储需求等等各不相同。分布式同步交互模式是最为有效，也是最难于设计和实现的一种协同方式，是协同系统研究的重点。本文所论述的研究工作也是主要针对这一协同方式进行的。1 3 本文的工作本文在深入研究协同软件开发的需求及其关键技术的基础上，对一个实时分布式协同工作环境的设计进行了研究，主要内容包括：协同工作环境的体系结构协同编辑的并发控制策略协同工作环境的感知处理电子白板的对象模型电子白板的集中控制策略系统容错性处理在此基础上，对该协同工作环境的实现技术进行了仔细的探讨，并用d e l p h i 实现了一个实时分布式协同工作环境系统一r e d c e 。在攻读硕士学位期间，本人的主要工作是：1 ) 对协同工作的软件体系结构进行研究与分析，提出了一个混合式的协同工作环境的体系结构。在该结构中，拥有一个管理登录信息的服务器节点，它是整个系统的切入点，协作节点都是完全对等的，每两个节点之间都是通过单- 4 -一硕士学位论文独的线程进行通讯，从而保证了协作节点之间操作响应的快速性。2 ) 研究比较协同工作用户操作的并发控制和信息的一致性维护方法，提出了一个基于相对位置表示法的乐观锁机制。该算法与已有协同编辑的并发控制策略，如：传统的锁机制、操作转换相比，具有简单、高效的特点。此外，由于它可以使操作预先进行，所以能保证操作响应的实时性。3 ) 提出了基于对象的电子白板模型。该模型将白板中的图素作为对象管理，这样就可以方便地实现图素的任意移动、拉伸、旋转、修改和擦除。4 ) 根据以上的模型和算法，设计和开发了实时分布式协同工作环境r e d c e 系统。在攻读硕士学位期间，作者在国内学术期刊和国内国际学术会议上共发表2 篇学术论文，另外有2 篇录用待发表，具体如下： 1 t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fr e a l t i m ed i s t r i b u t e dc o o p e r a t i v ee d i t i n gs y s t e m c a i d c d 2 0 0 1 ，o c t 1 6 1 9 ，2 0 0 1 ：4 8 3 4 8 7 2 实时分布式协同编辑系统的并发控制南大学报( 专刊) ，o c t 2 5 2 7 ，2 0 0 1 3 分布式实时编辑系统的结构及关键技术计算机工程录用 4 】实时分布式协同编辑系统的研究与开发计算机工程与应用录用本文的其余部分安排如下：第二章介绍协同工作环境开发的需求及其关键技术，并对具有代表性的协同编辑软件进行介绍，第三四五章详细介绍了我们开发的一个实时分布式协同工作环境一r e d c e 系统，其中第三章介绍r e d c e 的设计，第四章介绍其实现，第五章介绍r e d c e系统的功能、界面和相关工作的比较，最后是结束语部分，对全文进行总结。5 _ _ - _ _ - - - _ _ 一一一一硕士学住论文第二章实时分布式协同工作环境概述协同工作环境是一个通用协作系统，它包含众多的协作工具以满足不同领域对协作的共同需求，同时以服务对象的方式把协作功能提供给开发者，让他们能很方便地利用现有功能开发新的应用或把用于某一特定领域的工具软件集成到不同协同工作环境中，构成满足其特殊需要的协作系统，从而较好地解决一般性和特殊性之间的矛盾嗍。最早的协同工作环境大多以集中式的结构为主，服务器的性能成为整个系统的瓶颈。实时响应性得不到很好的满足。通常，这种系统只能在局域网内使用，而且协同工作的用户的数量也受到了限制。随着应用与开发经验的不断积累，逐渐出现了分布式( 复制式) 体系结构，混合式( 半复制式) 体系结构，但这些改进又给并发控制和协同管理带来了很大的难度。目前，国内外已有很多专家学者对其系统结构、并发控制等关键技术进行研究。2 1 协同工作环境的概念及特点所谓协作应用的运行开发环境是指：协同工作环境中一方面包含基本的c s c w应用程序，比如文档管理、用户管理、电子邮件、工作流、视频会议等，为最终用户提供必要的协作工具，构成一个协作应用的运行环境；另一方面要提供通用的协作功能的服务对象，让开发者借此开发新的应用和集成现有应用，提供一个协作应用的开发环境0 3 。这就要求环境中的应用和服务对象遵循开放的对象标准，使运行于不同平台的软件可以互操作。软件复杂度的降低，使维护和更新也更容易。历史遗留的非标准的应用( 比如运行大型机上的程序) 可以用标准接口封装成组件使用，从而保护了现有投资。同时借助于中间层强大的服务对象管理基础设施，新一代的c s c y 应用将具有高度的可伸缩性、可靠性、可管理性和灵活性，真正成为企业级关键商业应用。协同工作环境的主要特点有：广泛性：可以支持各类c s c w 应用。协作类型从时间上分为同步和异步两种，从用户建立联系、相互交流的方式上可以分为显示和隐式两种，协同工作环境可以支持所有这些类型的协作。开放性：对于通用的协作功能的服务对象协同工作环境，应独立于硬件平台和操作系统，支持异构环境，支持各种开放的标准。提供丰富的编程接口，- 6 一一_ - - _ 一一一一硕士学位论文可以方便地利用环境提供的协作服务开发新的协作应用程序或集成现有的应用程序。可扩展性：可以不断向环境中加入新的功能、支持新的标准而不会使原有功能受到损害，更好地适应用户需求的多样性和多变性。可伸缩性：可以支持从工作组到企业级的各种规模的协作。2 2 协同软件的需求协同软件的核心问题是如何提供有效的协作支持，使用计算机技术来帮助人们的交互，从而协同完成一个共同的任务和合作目标。一般说来，协同软件具有以下特性：1 ) 分布性协同软件应支持用户使用地理上分散的计算机，它本质上应是一个分布式系统，并且应支持与协同无关的透明性，如位置透明性。2 ) 共享和通信信息共享是协同工作的核心，通信是协同软件的基础，系统应提供多种通信方式，如点到点，组播( m u l t i c a s t ) ，支持多种媒体的传送，包括文本、图形、声音、图像等，支持不同通信形式，如：实时通信、异步通信等，以提供用户多重信息共享的功能。3 ) 并发性和一致性协同应允许多用户同时操作，并保持共享数据的一致性，显然，一致性可能要求对并发性作一定的限制。4 ) 可靠性系统应对一些故障( 如通信错误) 进行恢复，用户操作错误也不应导致整个操作系统的崩溃。5 ) 高性能系统应支持对用户动作的快速响应。从总体上说，一项工作由多个用户合作完成，无疑提高了性能，但信息在网络上的开销甚至可能导致系统性能的降低。6 ) 高质量的用户接口系统的分布特性，并发操作即系统错误的发生，在协同软件接口处不应导致用户的惊讶，高质量的接口应便于用户的操纵，并且提供用户裁剪的功能，以增强接口的适应性。2 3 协同软件开发的关键技术协同软件系统的研究涉及计算机科学、认知科学、心理学、社会学、行为科学等诸多领域。在计算机科学中，涉及c s c w 系统的领域主要包括分布式系统、网络和通7 -一一- _ _ _ 一一疆l硕士学位论文信技术、人机交互技术、多媒体技术、人工智能等等。下面从体系结构、会话管理、工作空间感知、并发控制、角色控制、系统容错等几个方面出发，讨论协同软件开发的关键技术。2 3 1 体系结构c s c w 系统一般可以采用集中式、复制式和混合式三种结构“”“。( 1 ) 集中式体系结构。集中式结构即主持人转发模式“”，在该结构中，应用程序运行在一个中心节点上，其它节点提供与用户交互的界面。由中心节点进行输入复用和输出过滤( m u l t i p l e x d e m u l t i p l e x ) ，用户的输入都要发送输出信息转发给所有用户，如图2 1 所示。采用这种结构，所有的操作都是序列化的，控制简单，由于所有的应用和数据都存放在服务器上，所以易于实现存取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端，因此可以实现很细粒度的协同。但是由于中一l i , 节点既要负责应用程序的运行，又要负责信息转发，将成为图2 1 主持人转发的交互模式整个系统的瓶颈，造成效率低下，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，但实现复杂而功能较弱。集中式结构的另一个缺陷是健壮性差，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。在集中式体系结构中，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，系统的响应时间很长。( 2 ) 复制式体系结构复制式结构即全互连的交互模式川，在该结构中，所有的用户方都有应用程序的副本在运行，它处理用户的输入，产生本地操作结果，并把结果发送到其他用户，如图2 2所示，这样系统中没有负荷特别大的服务器，系统性能得以保证，且坚定性好，操作响应快。但在这种结构中，由于各结点的处理能力和网络速度与时延的差别，会造成操作的图2 2 全互连的交互模式硕士学位论文不一致，需要进行并发控制和冲突消解，但是各个结点是对等的不能进行集中控制，因此控制复杂。复制式体系结构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，在集中式结构中，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，而在复制式结构体系中，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一个分布用户，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复制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复制式结构都不能完全满足协同工作系统的要求。混合式结构即混合交互模式“，它结合集中式和复制式的优点，在混合式体系结构中，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，而集中部分又保证了数据的一致性。一种可能的系统体系图2 3 混合式结构用户输入出结构如图2 3 所示。应用程序的执行是分布在各个用户的机器上的，而数据和控制集中在服务器上。本地的应用程序接收到用户的输入事件后，把事件发送到服务器，服务器根据各个客户方发送来的信息，进行适当的控制，然后向各个客户发送操作序列，再由各个客户方的应用程序执行相应的操作，其交互关系如图2 4 。p r a s u nd e w a n 认为协同软件的体系结构包含五个组成部分n “：模块( m o d u l e ) 、层( 1 a y e r ) 、线程( t h r e a d ) 、进程( p r o c e s s ) 、图2 4 混合交互模式复制( r e p l i c a ) ，提出了一个一般的体系结构，并且探讨了体系结构的设计与单用户语义、并发、分布、复制、协同感知等的关系“。以计算部件为划分，协同系统由模块( m o d u l e ) 、级( 1 e v e l ) 和层( 1 a y e r ) 按包含关系构成，其中有的层是复制式分布的，不同节点上的相同计算层称为复制( r e p l i c a ) ；以并发部件为划分，协同系统由进程和线程按包含关系构成cl 6 o对专门领域软件体系结构设计方法的研究巩固了基于构件开发和设计软件的方硕士学位论文法。对此的研究包括提供图形用户界面的交互软件的层次体系结构，相关的例子口7 1 8 。对体系结构风格的研究，一个重要原则是概念的分离。例如在图形用户界面软件的层次体系结构方面，现有的方案对各层分离出不同的抽象级以保证易重用性，易修改性和易移植性。如果层间的通信有独立的连接子( c o n n e c t o r ) 来管理，层次型的交互系统将很容易适应协同需求。连接子是软件设计方法学和体系结构语言中的一种抽象，它是负责计算构件之间通信的软件构件。因为连接子封装了所有的分布和网络连接管理等功能，其引入增强了软件体系结构的易修改性。c h i r o n 一2 1 8 中提出了一种新的体系结构风格，它支持大粒度的重用和灵活的系统构造，支持分布和并发应用程序设计。异步通知和请求消息是其构件间通信的基础。连结子的主要职责是路由和消息的广播，用来在相邻层间建立i o 通道，并将构件与c h i r o n - 2 体系结构绑定。连接子可以和任意数目的构件和连接子相连。c s d l ( c o o p e r a t i v es y s t e md e s i g nl a n g u a g e ) 1 7 1 8 1 9 中提出了一个采用层次体系结构设计支持灵活的共享和协作的多用户交互软件系统的方法。c s d l 基于的原则是将管理应用功能的系统构件和管理协同控制的构件分离。c s d l 中用协作的连接子取代通常的点对点的连结子，这些连结子在相邻层的多个实例间实现输入复用和输出过滤。它提供了在协同透明的层次系统中加入协同支持的基础，同时保持了应用功能和协同功能的独立性。2 3 2 协同感知在协同工作环境中，协作感知是多用户协同工作的基础。如何向用户提供有效的协作感知是设计实时协同工作环境关键技术之一。但感知技术涉及到心理学、认知科学等学科，加上本身技术实现上的困难，在已有的协同工作系统中提供的协作感知机制大多不能令用户满意。感知应包含如下三层含义i r a ：感知是关于动态环境的知识，它应随着环境的改变而变化。感知是通过从环境中收集到的知觉信息来实现的。感知是一种手段，它是为某一目的服务的。协作感知概念框架具有三个层次啪1 ：面向系统的协作感知：这一层为协同用户提供了最高层次的感知信息，它主要包括在公共协作管理平台中所有的参与用户，他们各自所处的位置、个人信息，以及他们各自参加协同应用的情况等信息。面向系统的协作感知信息主要是用户可以对参加协同工作环境的成员的情况有所了解，为松耦合的协1 0 一_ _ 一一一硕士学位论文同工作提供了必要的感知信息。这层次感知信息的实现比较简单，在系统的人机接口中加入相应的信息一般就可满足要求。面向协同应用的协作感知：具体协作任务的完成是由各种协同应用支持的，不同的协同应用面向不同的协作任务。这一层次的感知信息主要包括在协同应用所支持的任务情况，用户的参与情况，各用户在协同应用中的角色划分和权力分配信息，以及各用户当前的工作状态等信息。这一层次的协同感知为支持统一协同任务的用户提供了必要的信息，它的实现方法与面向系统的协作感知基本类似。面向协同应用中具体共享操作对象的协作感知：具体协同应用是通过对共享对象的操作来完成的，共享操作对象的集合构成了协同用户的共享工作空间，这一层次的感知也常被称为工作空间感知( w o r k s p a c ea w a r e n e s s ) 。在协同工作环境的协同感知研究中，主要集中在这一层次上，它提供了多用户在共享的工作空间中的交互信息，是进行紧耦合协同工作的基础。工作空间感知是指一个人所掌握的有关其他人与工作空间的交互状态的知识集合，这些知识应该是及时的不断更新的。“。工作空间感知既可以看作是结果也可以看作是过程。作为结果，工作空间感知是对其他人与工作空间的交互达到理解的一种状态，从而使得人们可以对发生的事件作出解释，对需求做出预测并正确地交互。作为过程，工作空间感知是这样一个连续的循环过程，即从环境中抽取信息，将这些信息与已有知识结合，采用知识去引导进一步的感知。虽然看似细微，不容易为人们所重视，但在日常协同工作中，工作空间感知无所不在，并使得协同工作比分散独立地工作效率更高。要保持对工作空间的感知，牵涉到人类各种认知技能包括p r e - a t t e n t i v ep r o c e s s i n g ，a t t e n t i o na l l o c a t i o n ，p e r c e p t i o n ，w o r k i n gm e m o r ym a n a g e m e n t ，c o m p r e h e n s i o n ，和p r o j e c t i o n 等”“。虽然这些技能在人们日常的工作环境中都能够被运用自如，但是在计算机应用程序所构造的协同工作空间中，人们保持工作空间感知的能力却大大地被降低。其原因主要有下列几条：1 ) 可感知的空间急剧收缩，只能看到计算机屏幕上的很小的一块视图。2 ) 一些通信的手段被削弱，如手势只能非常粗略地用鼠标的光标来代替，语音的质量和方向性通常都大受影响。3 ) 与应用程序交互通常只能通过菜单及功能键，这隐藏了许多在现实空间中可以看到的动作。4 ) 计算机系统不具备许多用以维持工作空间感知的细粒度的感知能力，而只能硕士学位论丈代之以慢速和粗略的感知手段。5 ) 应用程序允许使用者控制自己的视图，这有时会更加掩盖对人们位置和活动的感知。6 ) 视频技术在精度和范围上有很大的限制。因此，在协同软件中，如何使人们重新保持对工作空间的感知，是很值得研究的问题。c a r lg u t w i n 等在 2 i 中提出了一个工作空间感知框架，它由要素与机制构成。要素：包括名称、位置、活跃性、行为、意图、变化、对象、感知范围、能力、影响力和期望。各种特定情况下的工作空间感知都是由这些要素的部分或者全部组合而成。这些要素有助于分析感知需求和群件在感知方面应该提供的支持。已经有不少研究者实现了各种支持工作空间感知的要素，例如视图位置、细粒度的位置信息、行为内容、在场信息、变化及活跃性等o “。机制：工作空间感知机制解决如何获得感知信息的问题。一些典型的机制包括“：直接通信( d i r e c tc o m m u n i c a t i o n ) ：用户直接相互通信有关其与工作空间交互的信息，主要通过文字和语音，也包括手势。间接通信( i n d i r e c tp r o d u c t i o n s ) ：通过动作、表情、语音，不直接针对某一特定组成员，但这些动作、表情、语音本身是公开的。跟随通信( c o n s e q u e n t i a lc o m m u n i c a t i o n ) ：通过观看或者聆听其他人的工作，同样可以获得很多感知信息。馈通( f e e d t h r o u g h ) ：通过观察其他人的行为对工作空间中实体所产生的作用和影响，河样可以获得感知信息。环境反馈( e n v i r o n m e n t a lf e e d b a c k ) ：比馈通更高层次，人们可以观察到其他人在工作空间中行为的间接后果。例如通过发现某一可控制的测量值发生变化，可以间接得知有其他人作出了菜一控制。通过制定这些要素和机制，工作空间感知的概念框架可以指导协同软件的设计。据此，c a r lg u t w i n 、m a r kr o s e m a n 和s a u lg r e e n b e r g 等人设计了一些用于工作空间感知的界面构件，包括雷达视图( r a d a rv i e w ) 、带肖像雷达视图、m u l t i p l e - m f s i w i s视图。“w h a ty o us e ei sw h a tid o ”构件。工作空间远程传输构件( w o r k s p a c et e l e p o r t a l s ) ，语义多光标( s e m a n t i cc u r s o r ) ，交互式鱼眼视图( i n t e r a c t i r ef i s h e y ev i e w s ) 等”1 。m i c h a e lb o y l e 瞄1 等对于感知与隐私之间的关系作了研究，并且尝试用控制视频、语音等媒体流的质量来调节感知的清晰度。正如在现实生活中，人们相距很近时，可以相互看得和听得很清楚，而当人们离开一段距离，这些感知信息的清晰度就随着距1 2 1 一一一硕士学位论文离的加大而降低，不过同时却更好保护了人们的隐私。h i d e a k ik u z u o k a “”等人研究了如何采用具备数字接口的物理代理来调节感知，这些代理都是可以触摸到的实物，代表了协同用户，它们收集并展现有关这些用户的感知信息。例如用户很靠近人像玩偶时，可以自动打开用户间的多媒体信息连接，当用户逐渐离开时，视频和语音信息变得模糊，最终人像玩偶转过头去，表明用户已经离开了工作范围。2 3 3 会话管理一个会话管理器( s e s s i o nm a n a g e r ) 通常应该具备以下几个管理功能”1 ：创建新的会议、对会议命名、删除会议、查找现有会议、查询会议参与人员、加入会议、访问控制、后加入者的处理、离开会议、所有人员都离开时保持会议状态。基于上述认识，g r o u p k i t 2 6 2 7 3 提供以下几种会话管理工具：o p e nd o o r ：提供一个界面列出当前所有会议的名称及参与人员，用户可直接加入某一会议，可以接受会议中参与人员的邀请而加入会议，也可创建新的会议。这种模式下没有密码及管理员机制。c e n t r a l l yf a e i l i t a t e d ：由一个称为f a c i l i t a t o r 的用户来选择会议的参与人员及他们的角色和可使用工具，这些人员自动地加入到会议中来。r o o m b a s e ds e s s i o nm a n a g e m e n t ：用房间来代表一个会议，在界面上列出房间的名称和房间中的人员，房门打开的角度代表房间的公开程度：完全打开表示自由加入，完全关闭表示不允许其他人进入，而其他状态代表介于完全公开与秘密之间的程度。当用户都退出时，房间中的工具和对象状态保持不变，以便以后进入时与前一次会议的衔接。g r o u p k i t 中还提供了其他几种会话管理模式，如t e l e p h o n ec a l l 、c e n t r a ls w i t c h i n gp o i n t 和d o c u m e n t - c e n t r ic 。2 3 4 并发控制并发控制是c s c w 与分布式系统的研究者共同关心的问题。一方面，它是一个技术问题；另一方面，它是一个人机交互的问题，因为并发控制方法会影响协同界面的设计以及用户与系统的交互。必须把这两方面结合起来考虑，因为协同界面的设计与并发控制算法的选择是相互影响和制约的。并发控制必须考虑共享信息的一致性问题。1 3 一一一一硕