（计算机科学与技术专业论文）普适网格环境下的移动设备访问机制.pdf

武汉理j 1 ：人学硕十学位论文 摘要 在普适网格中移动设备作为资源被发现和管理是普适网格系统研究的重点 之一。本文先提出了一种普适网格的系统结构，详细论述了移动设备作为资源 在系统中被发现和管理的方法，分析了现有几种资源发现算法并针对现有资源 发现算法的优缺点，提出了一种改进的算法。该算法的目的是基于节点的服务 请求机制，在整个虚拟组织中传播消息，该算法主要考虑了带宽的约束和网络 消息的冗余消除。最后通过模拟试验对算法的吞吐量进行了测试，实验证明该 算法对比泛洪算法和基于排序机制的算法拥有较高的吞吐量和性能。 本课题针对移动设备访问普适网格的机制进行研究，重点在于移动设备访 问普适网格的过程和移动设备作为资源被发现和管理的方法，以及针对普适环 境下特殊系统结构下的移动设备的资源发现算法。目的是将分布在网格中的资 源进行协同，在保证资源发现的基础上，使得整个普适网格系统能够保持较高 的系统资源利用率和系统吞吐量，希望能使移动设备最快速的连接到普适网格， 进行资源的访问和共享。 本文的主要研究工作及创新性体现在以下几个方面： 1 ) 深入分析了普适网格系统，对移动设备自身的特点以及普适网格中存在 的问题进行了详细说明，对现有的几种资源发现算法进行了介绍，这些算法都 有各自的优缺点，在消息传递方面有较好的优越性但大多存在较多的消息冗余， 忽略了带宽等的限制，因此本文将带宽，移动设备的能量，存储能力能引入资 源发现算法中去。 2 ) 提出了一种普适网格系统结构，引入了p 2 p 技术和虚拟组织，并使用该 方法组织移动设备资源，方便资源的发现和查找。详细阐述了移动设备作为资 源被发现和管理的过程，给出了虚拟组织内消息的结构和资源的组织方法，访 问资源的流程。 3 ) 提出了一种有效的资源发现算法，该算法的目的是基于节点的服务请求 机制在整个虚拟组织中传播消息，主要考虑了带宽的约束和网络消息的冗余消 除。文中首先介绍了该算法的特点，从理论上对算法进行了说明，然后分四个 方面对算法进行了介绍，包括邻居节点的检测，请求消息的排序机制，服务消 息的排序机制以及消息的传递，并通过实例解释了算法在这四个方面具体实现 的过程。 武汉理l 人学硕士学位论文 4 ) 普适网格仿真软件的分析及算法的仿真研究。介绍了现有的网格仿真工 具的作用，说明了仿真器在资源发现算法仿真方面的优势，并在n s 2 中仿真中 对移动节点的创建，移动性等进行了分析。针对本文资源发现算法的需要，给 出了在移动节点数量，节点传输范围，以及带宽分配等参数不同情况下，本算 法吞吐量的变化，并通过实验数据的对比得出本算法的优势。 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 ) 、武汉市科技攻关项目( 批准号：2 0 1 0 1 0 6 2 1 2 0 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。 关键词：普适网格，资源发现算法，带宽约束，n s 2 武汉理j 二人学硕七学位论文 t h em o b i l ed e v i c e s t h ep r i o r i t i e si nr e s e a r c h 酊ds y s t e ma r c h i t e c t u r e ， a b s t r a c t w h i c ha c ta sar e s o u r c et o o ft h ep e r v a s i v eg r i d t l l i s a n dt h e nm o b i l ed e v i c e sa s b ed i s c o v e r e da n dm a n a g e da r e a r t i c l ef i r s tp r e s e n t sap e r v a s i v e ar e s o u r c et ob ed i s c o v e r e da n d m a n a g e da r ed i s c u s s e di nd e t a i li nt h es y s t e m ，a n a l y z e st h ee x i s t i n gr e s o u r c e d i s c o v e r ya l g o r i t sa n dt h e nw ep mf o n v a r da ni m p r o v e da l g o r i t t h ep u 印o s eo f t h e a l g o r i t l l l l l i sb a s e do nn o d e ss e r v i c er e q u e s ts y s t e m ，t od i s s e m i n a t et h e i n f o m a t i o n 也r o u g h o u tm ev i n l 】a lo r g a n i z a t i o n ；t h em a i nc o n s i d e r a t i o no ft h e a l g o r i t h mi sm eb a n d 诵d t hc o n s t m i n t s 锄dt h er e d u n d a i l c yo fi n f o 肌a t i o ni i li l e 觚o r k f i n a l l y ，t h et h r o u 曲p u to ft h ca l g o r i t h mw a st e s t e di ns i m u l a t i o n ，a n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w st h a tw i t ht h ec o m p 撕s o no fn o o d i n ga l g o r i t ha n dr a l l kb a s e d b r o a d c 矧a l g o m h m ，t h i sa l g p r i t h mh a v eah i 曲e rt l i r o u 曲p u ta i l dp e r f o n n a n c e t 1 1 i sa n i c l ef o c u s i n go n l em o b i l ed e v i c e sa c c e s s i n gm e c h a n i s m ，a u l dt h e p r o c e s s i n g 甜1 dt h e 印p r o a c ho fd i s c o v e r i n ga n dm a l l a g e m e n ti st h ee m p h a s i s ；t h e r e s o u r c ed i s c o v e 巧a l g o r i t i l i i lf o rt h es p e c i a ls y s t e mu i l d e rp e a s i v ee n v i r o n m e n t t h ea i mi st oc o l l a b o r a t i n gt h ed i s t r i b u t e dg 耐r e s o u r c e s ，w h i l ee n s u r i n gt h eb a s i sf o r r e s o u r c ed i s c o v e r i n g ；m a l 【i n gt l l ep e r 、，a s i v eg r i ds y s t e mc a i lm a i n t a i nh i 曲r e s o u r c e u t i l i z a t i o na n dt h r o u g h p u ti nt h es y s t e m ，h o p i n gm o b i l ed e v i c e st oh a v et l l ef 瓠t e s t c o 加e c t i n gt ot 1 1 ep e n ，a s i v e 鲥d ，t oa c c e s s i n ga 1 1 ds h 撕n go f r e s o u r c e s t h em a i nr e s e a r c hw o r k 甜l di 衄o v a t i o ni sr e n e c t e di nt h ef 0 1 l o w i n g 勰a s ： 1 ) d e p t ha f l a l y s i so ft l l ep e r v a s i v eg r i ds y s t e m ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o b i l e d e v i c ei t s e l fa i l dt h ep e r v a s i v e 酣dp r o b l e m sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，s e v e r a lo ft h e e x i s t i n gr e s o u r c ed i s c o v e 巧a l g o r i t l l i i li si n t r o d u c e d ，t h e s ea l g o r i t h m sh a 【v et h e i ro w n a d v a i l t a g e sa i l dd i s a d v a n t a g e s ，t h e yh a v et h ea d v a n t a g e so ft r a i l s m i t t i n gm e s s a g e s ， b u tm o s t l ym e r ea r em o r er e d u i l d a n ta i l di 印o r eb a i 】l d w i d t hc o n s 觚i n t s ，s oi nm i s a n i c l e ，b a i l d w i d t h ，e n e r g yo f m o b i l ed e v i c e sw e r ei n t r o d u c e dt ot l l i sa l g o f i t h i l l 2 ) p r e s e n tap e n ，a s i v e 西ds _ t m c t l l r e ，t l l e p 2 p t e c l l i l o l o g y a i l dv i n u a l o 唱a n i z a t i o n sw a si n t r o d u c e dt 0o 玛a 1 1 i z i n gr n o b i l ed e v i c e s a sr e s o u r c e s ，f a c i l i t a t i n g 也er e s o u r c ed i s c o v e r ya n ds e a r c h i n g t h e ne l a b o r a t e do nt h ep r o c e s sw 1 1 i c hm o b i l e d e v i c e s 嬲ar e s o u r c et 0b ed i s c o v e r e da i l dm a i l a g e d ，g i v e nt l l ei i l 】f 0 肌a t i o ns t r u c 仙旧 i i i 武汉理1 ：人学硕士学位论文 i nv i n l l a lo 唱a n i z a t i o n sa 1 1 dt h em e t h o d so fa c c e s s i n gp r o c e s s 3 ) p r o p o s e da i le f f i c i e n tr e s o u r c ed i s c o v e 巧a l g o r i t h m ，w h o s ep u 巾o s eb a s e do n n o d e ss e n ，i c er e q u e s ts y s t e m ，i st od i s s e m i n a t et h ei n f o 眦a t i o nt h r o u g h o u tt h e v i n l 咀a j o 玛a n i z a t i o n ，t l l em a i nc o n s i d e r a t i o no ft h ea 】g o r i t h m i s t 1 1 eb a n d w i d t h c o n s t r a i m sa i l dt h er e d u n d a n c yo fi n f o 胁a t i o ni nn e t w o r k t h ep 印e rf i r s td e s c m e s t h ec h a r a c t 嘶s t i c so ft h ea l g o r i t l l i i l ，t h e o r e t i c a ld e s c r i p t i o no ft h ea l g o r i t h m ，a 1 1 dt h e n f o u ra s p e c t so ft h ea l g o r i t h mw e r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h en e i 曲b o rn o d ed e t e c t i o n ， s o r t i n gm e c h a n i s mf o rt h er e q u e s tm e s s a g e ，t h es e n ，i c em e s s a g ea i l dt h em e s s a g e d e l i v e r ym e c h a n i s m ，t h e ns e v e r a le x a m p l e sw e r ei l l u s t r a t e dt oe x p l a i nt h ea l g o r i t l l i i l b yf o u ra s p e c t si nt h i sr e a l i z a t i o np r o c e s s 4 ) a n a l y s i so fs i l l l 【u l a t i o n s o r w a r ea n ds i 埘【u l a t i o nr e s e a r c hf o ra l g o r i t l l r r l d e s c r i b e st h ec u r r e n tm l eo ft h eg r i ds i m u l a t i o nt o o lt oi l l u s t r a t et h es i m u l a t i o n a d v a n t a g e so fs i m u l a t o ri nt h er e s o u r c ed i s c o v e 巧a l g o r i t h m ，a i l dd e s c 曲e st h e s i m u l a t i o ni nn s 2i nt h ec r e a t i o no fm o b i l en o d e s ，t h em o b i l i t ya n do t h e ra i l a l y s i s f o rt h en e e d so ft h i sr e s o u r c ed i s c o v e r ya l g o r i t h m ，t l l ep a p e rg i v et h ec h a n g e so ft h e a l g o r i t h mt h r o u g h p u tw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r ss u c ha st h em l m b e ro fm o b i l en o d e s ， n o d et r a i l s m i s s i o n 枷g e ，a n db a n d w i d t t la l l o c a t i o nu n d e rd i 脏r e n tc i r c u m s t a l l c e s ，a i l d s h o w st h a t t h i sa l g o r i t h a v eah i g h e rm r o u g h p u ta n dp e r f o 册a n c ew i t ht h e c o m p a n s o no ie x d e n m e n t a id a t a t h i st h e s i si ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln 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 科o ： 6 0 7 7 3 21l ，6 0 9 7 0 0 6 4 ) ，o p e nf 岫do ft h es t a t ck e yl a b o r a t o r ) ，o fs o 腑a r e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ( n o ：s k l s d e - 2 0 0 9 k f - 2 0 2 ) ，n e wc e n t u 巧 e x c e l l e n t t a l e n t si nu 1 1 i v e r s 时( n o ：n c e t - 0 8 0 8 0 6 ) f o k n g - t 0 n ge d u c a t i o nf o u l l d a t i o nf o r y 0 u i l gt e a c h e r si nh i g h e re d u c a t i o ni n s t i t u t i o 璐o fc h i n a ( n o ：1 210 6 7 ) ，n s fo f w u h a i lm u i l i c i p a l 毋( n o ：2 0l0 10 6 212 0 7 ) a n dt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n0 f h u b e jp r o v i n c eu 1 1 d e rg r a n tn o 2 0 0 8 c d b 3 3 5 k e y w o r d s ：p e a s i v e 蛳d ，r e s o u r c ed i s c o v e 巧a l g o r i m m ，b a i l d w i d t hc o n s t m i n t s ， n s 2 i v 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。 签名： 日期：一砂! ：q 多 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) 研究生( 签名) 叶叶导师( 签名) 彩协吼妒吣厂 武汉理j 入学硕二卜学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的来源及研究意义 网格把因特网整合成巨大的超级计算机，以实现各种资源的全面共享l l j 。普 适计算在于提供随时随地的信息服务，支持各种各样固定的或随机的信息连结 环境1 2 ，3 j 。随着网络应用的不断扩展，网络用户及其接受网络服务的形式变得复 杂，异构网络、动态服务使整合网络资源遇到挑战。由此，网格计算、普适计 算作为新的资源整合形式被提出，并以其高效、智能等特点在科学、商业等领 域得到了广泛的应用。普适网格即是网格与普适计算的融合，在提供各种资源 共享的同时，提供随时随地的信息服务【4 j 。 现阶段随着移动网络系统的快速发展，各种便携式无线智能终端设备越来 越贴近人们的生活，如何使这些移动设备能更好的加入到这种环境中，以最高 效便捷的方式为人类服务就是人们的迫切需求。人们需要在任何时间、任何地 点都可以访问全球的网络资源。这意味着除了静态结点外，网格系统也应考虑 把移动节点包含在内，这种在普适环境下结合所产生的网格计算技术就称为“移 动网格计算”，也叫普适网格【4 】。它实际上是传统网格计算在无线环境中的扩展， 它以无缝、透明、安全、有效的方式支持移动用户和资源，是无线技术与网格 计算在普适环境下的融合。 移动设备使用最广泛的主要是个人数字助理( p d a ) 和手机。随着嵌入式技术 的发展成熟，现在的移动设备都具有普通微机的常用处理能力，如文本处理。 但是，它们的小体积使其处理能力、存储能力、用户接口等都非常有耐引。然而， 手持移动设备的方便性使得以上的限制并没有阻碍其普遍应用，相反，随着无 线技术的发展和无线网络带宽的增加，以及3 g 时代的到来，新一代便携式移动 设备形成的移动因特网将会为移动用户提供更广阔的服务，而这个移动的因特 网即普适网格环境。因此我们有必要对现有移动设备进行研究，以克服其固有 缺点，使其更方便用户，更好地为用户服务。 本文先提出了一种普适网格的系统结构，详细论述了移动设备作为资源在 系统中被发现和管理的方法，分析了现有几种资源发现算法并针对现有资源发 现算法的优缺点，提出了种改进的算法。该算法的目的是于节点的服务请求 武汉理上人学硕士学位论文 机制，在整个虚拟组织中传播消息，该算法主要考虑了带宽的约束和网络消息 的冗余消除。最后通过模拟试验对算法的吞吐量进行了测试，实验证明该算法 对比泛洪算法和基于排序机制的算法拥有较高的吞吐量和性能，这对普适网格 的实际应用具有十分重要的意义。 1 2 普适网格的背景及发展 1 2 1 普适网格的问题 自1 9 4 5 年计算机诞生以来，先后经历了第一代主机计算( m a i n 触m e c o m p m i n g ) ，第二代个人机计算( p e r s o n a lc o m p u t i n gp c ) ，目前已经处于第三代 计算即网络计算( i n t e m e tc o m p u t i n g ) 时代。网络计算中的普适计算( p e r v a s i v e c o m p u t i n g ) 和网格计算，已成为计算机界研究的热点。 9 0 年代晚期，美国的阿贡实验室首次提出了计算机网格的概念【6 】。网格所 要解决的问题是在动态的多制度的虚拟组织之问协调资源共享与操作，这里的 共享是指直接访问计算机的任意资源，而不单是指文件交换。网格为分布式环 境下的资源共享和协同操作提供了很好的基础设施，同时网格中间件将网格下 的各种资源融和在一起，在大型的科学计算中已经获得了成功。但是目前网格 的应用主要以大型的科研计算为主，并且大多以资源共享为主，导致应用于实 际市场的门槛太高，所以其在市场的推广并不成功。 1 9 9 1 年，已故科学家m a r kw e i s e r 在“t 1 1 ec o m p u t e rf o rm e2 1 s tc e n t u r y 一 文中，提出了普适计算的设想。这个设想的精华在充满计算的环境中和用户完 美地融合在一起，使用户能以各种灵活的方式使用和享受各种计算能力和资源 【7 1 。实际上普适计算是网络计算的自然延伸，它使得其他小巧的智能设备也可以 灵活的连接到网络中，可以方便人们随时随地的获得信息。随着嵌入式系统的 发展，使用普适计算技术的深度不断增加、广度不断扩大，在开发新型的应用 技术方面有着无限的前景，这使得各行各业都有可能使用到普适计算技术。 普适计算是网格计算的发展，普适计算环境中的异构设备、软件等可以实 现自发结合，这样用户可以在不需要考虑应用环境和终端设备情况下，充分利 用其中的各种服务。普适计算虽然和网格计算的侧重点不同，但是它们最终的 目标却是一样的，即实现信息的最大共享和融合【8 】。进入2 1 世纪以来随着网络 应用的不断发展，信息化进程不断提高，用户及其所接受的服务形式都变得越 2 武汉理工人学硕七学位论文 来越复杂。网络结构的不同和服务的动态性使得在整合网络资源时遇到挑战。 因此，网格计算和普适计算作为新的资源整合形式被提出，它们以其自身高效、 智能的特点广泛应用在科学、商业等领域。在网格技术在市场的推广不成功的 情况下，融合了普适计算技术的网格，即普适网格已成为计算机界研究的另一 热门技术。 如今小型移动设备如手机等的计算能力和配置越来越高端，无线网络技术 的发展也越来越成熟，现有的移动设备却仅能通过w a p 协议访问网络1 5 】，人们 希望所持有的移动设备能实现像p c 机那样能随意的获取资源并能共享资源，这 种典型的包含了普适计算技术的网格计算问题即是现在普适网格亟需解决的问 题。 实现网络资源的共享，提供大规模协同计算和资源的有效访问，是未来发 展的趋势，是下一代i n t e m e t 的技术基础。因此，在当今的环境下，研究普适网 格就有着重大的意义和远大的发展前途。 1 2 2 普适网格的应用 普适计算技术主要针对不同性质的网络，终端和平台组成的普适计算环境 提供统一的开发平台和应用服务。普适网格则是在普适计算环境下实现资源共 享，服务共享的一种有效形式。普适网格具有的特点如下【9 】： 1 ) 有满足用户需要和系统管理的资源智能发现和智能管理功能。 2 ) 有用户任务，网格服务，数据资源，计算设备等( 包括传感器和高性能的 计算机) 的计算环境，用来提供高质量的服务和动态服务的发现和管理。 3 ) 通过上下文感知和适应进行随时随地的普适计算。 4 ) 通过虚拟组织的动态形成实现协同的计算和资源管理。 5 ) 自我组织，自动管理，动态资源的发现和容错等。 普适网格结合了各种普适设备无所不在和分布广泛的特点，并通过网格平 台进行资源共享和协同，具有非常广泛的应用【9 】。 现有的网格系统主要应用在具有强大处理能力的的大型主机上，巨大的网 格中间件使得小型的p c 机应用十分困难，而微型的各种移动设备更加困难。另 外随着移动设备越来越高端的配置，它们越来越需要访问网络系统。但是网格 系统并没有考虑移动性的方面，于是移动设备现在既不能访问网格资源，也不 能共享自身的资源，造成了事实上的信息孤岛。于是普适网格目前需要解决的 3 武汉理1 ：人学硕十学位论文 问题是，移动设备如何访问网格中的资源，并且能共享自身的资源l l 川。而目前 移动设备单是手机用户已超过6 7 亿户，如果手机能像p c 机那样随意的访问网 络，大大提高资源的利用和使用率，那么将是一个非常巨大的利益市场，所以 普适网格具有重要的研究价值和非常好的市场前景。 具体来讲，普适网格所能为最终用户提供到得服务包括医疗服务、音乐服 务、计费业务、消息提醒业务、保险业务、功能评估业务等。仅就计费业务来 说，普适网格就有相当大的市场空间。在线移动终端设备通过网格与后台系统 联结，用户可以实时的与后台进行交流。它的这一功能，可以用在警察查询犯 罪记录的处理中，在犯罪现场，警察可以通过便携式和移动设备查询现场留下 的指纹等犯罪信息，通过无线网络分布式服务系统，下载罪犯的数据资料等。 另外用户开可以通过移动设备把所需要的信息或提供的资源发布到网络平台 中，构成虚拟市场，用户可以再移动的过程中进行交易，没有任何的时间和地 点的限制。 1 3 普适网格技术国内外的研究现状 目前移动通信是近几年通信各领域中发展最快的领域之一。据全球g s m 运 营商联盟统计【1 1 】，2 0 0 3 年底g s m 用户已达到9 7 亿，其中新增用户1 8 亿，共占全 球新增用户的8 0 ；又据移动通信的另一组织c d m a 发展组织( c d g ) 宣布，2 0 0 3 年全球c d m a 新增用户4 2 0 0 多万，增长率达2 9 ，用户总量突破1 8 8 亿；据i t u 统计，2 0 0 4 年中期，全球移动用户总数已近1 5 亿，占世界人口的四分之一，特 别是发展中国家移动电话用户数量呈快速增长的趋势【l 。自2 0 0 0 年以来，发展 中国家的移动电话用户翻了一番。至2 0 0 4 年中期，发展中国家的移动电话用户 总数已经超过发达国家。据统计显示，截至2 0 0 5 年8 月底，全国手机用户超过3 7 亿户，比上年底增长3 7 9 5 2 万户。以上数据足以说明移动设备资源无比巨大并呈 上升趋势，传统网格计算要充分利用这类资源，把传统网格计算的应用从科学 领域向商业、政府、国防、民用领域扩展，实现真正意义上的全球网格计算【l2 1 。 1 3 1 国内外研究项目 在国内，有不少高校已经参与了有关移动网格的研究，也制定了相应的构 架。在国外，许多公司和机构都非常热衷于移动网格的研究，如o m c i e 、微软等。 h p 公司对移动网格也作了比较深入的研究，并制定了蛳d l i t e 构架。随着开放网 4 武汉理+ i ：人学硕士学位论文 格服务体系结构0 g s “1 3 】和w e b 服务资源框架w s r f 的提出，单纯面向科学活动 的网格计算已经真币开始转向面向服务的信息网格。工业界丌始积极参与网格 研究并逐步起到主导作用。在工业界，以i b m 、h p 、s u n 、o r a c l e 等为代表的大 型企业积极推出自己的网格计算方案和产品。 在国外与普适网格项目有关的值得关注的项目有：2 0 0 4 年，欧洲委员会投 资5 2 0 0 万欧元( 6 3 0 0 力美元) 用于研发项目s i m d a t ，旨在推进其2 5 个成员国之间 的网格计算技术。n e x t g r i d 着力于在未来十年内开发出一种新的网格计算体 系。c o r e g r j d 则是为了将现有的网格研究团体聚合在一起。而a k o g r i m o 【1 4 1 的重点则在移动通信及i p v 6 ( 互联网协议版本6 ) 。全球信息网格g i g 是美国军方支 持的一个项目，主要应用于国家军事领域，它支持所有的防御部门、国防安全 以及相关的智能社团。g i g 提供来自所有操作场所的能力。这些场所包括基地、 邮局、露营地、工厂、移动平台以及开发场地等，并提供各兵种协同作战能力； 韩国信息与通信部支持的k 木哳d i l5 j 项目，它的目标是为工业和学术界提供一个 强大的研究环境，在此项目中，对普适网格技术的研究构建在对大量移动设备 的闲置资源进行利用，并开发一个移动网格平台，研究范围包括：对无线移动网 络、设备和技术、无线网格需求的分析，基于p d a 和无线l a n 技术的移动网格 平台的设计和实现。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 月2 8 日在南京理工大学正式挂牌成立，它是由各种通信卫星、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、动态开放的互联网络，这 是普适网格具体的应用。 可以说，普适网格项目数量与传统网格相比要少得多，而且正在研究的初步 阶段，还没有一个成熟的应用。但传统网格正逐步走向民用，下面是一个国内网 格走向民用的一个例子。 g r i d m e d i a 网格媒体技术是清华大学网格传媒信息技术研发中心研发的具有 自主知识产权的网络传媒技术【1 6 j 。该技术大胆地将网格技术、p e e r t o p e e r 技术 和组播技术相结合，将网格计算与流媒体传输技术有机的结合起来，能够实现 超大规模环境下的高质量音视频传输，并能广泛用于网络电视台、视频点播、 视频聊天会议、多媒体新闻发布、网络视频广告展示等多媒体信息服务。目前， g r i d m e d i a 与央视国际c c t v c o m 联合推出g r i d m e d i a 公网测试版，用户只要下载 g r i d m e d i a l l 6 j 引擎，就可用w i n d o w sm e d i ap l a y e r 收看c c t v l 等5 个台，画面很流 畅，这是网格技术在中国第一次为平民大众服务的一个例子，虽然还处于测试 阶段，还存在一些问题，但是普通大众第一次领略了网格技术的魅力。而 5 武汉理二人学硕士学位论文 g r i d m e d i a 下一步的研究目标肯定是应用网格技术为广大的移动用户服务。 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，就不得不研究普 适网格，使网格成为真正意义上的第三代互联网。 1 3 2 资源发现概述 网格环境下移动资源纷繁复杂种类多、信息量大，如何有效地管理好网格 中的各种资源就显得尤为重要。资源管理包括了资源的发现、描述、定位、组 织( 注册) 、分配、监测、更新和信息发布等。要实现高性能计算和共享异构网格 资源，必须提供统一的资源管理机制。统一资源管理模型负责用户与网格计算 环境的交互，提供与网格计算系统的统一出入口。要组织网格计算的资源，通 常使用单一映象文件系统来实现。单映象文件系统将地理上分散的异构资源 映象成一个单一入口的虚拟机器。目前，构造单一映象文件系统一般使用虚拟 目录服务技术，将各种分散的地理资源映射到逻辑的文件系统l l7 。目录服务是 指一个存储着用于访问、管理或配置网络资源信息的特殊数据库，它把网络环 境中的各种资源信息都作为目录信息。在目录树结构中分层存储，对这些信息 可以存储、访问、管理并使用，它采用动态可扩展的框架来管理网格计算环境 中各种资源的静态和动态信息( 资源信息、状态信息、优化信息) ，保证了灵活性 和动态性。 在网格环境中的服务注册查找是一个基本的问题。g l o b u s 【1 8 j 使用m d s ，它 提供了一个基于轻量级目录访问协议( l d a p ) 的目录服务，所有的网格服务都被 描述为一系列的( 属性，值) 对。网格服务集中注册于网格信息索引服务器( g i i s ) 中，g i i s 提供了网格服务注册协议( g 心) 支持网格服务的注册，以及网格服务 信息协议( g 砒p ) 来支持对己注册网格服务的访问。与m d s 相关的工作是w 曲 s e i c e s 【删。w 曲s e i c e s 使用了w 曲s e n r i c e s 描述语言( w s d l ) 来描述服务信息， 并使用了集中式的u d d i 协议进行服务的注册与查捌2 0 】。集中式的注册体系结 构中，服务的注册查找是高效的，并且支持复杂查找。但不适合大容量的和动 态性的环境中，因为它存在单点故障和可扩展性的问题。 m o b i l e a n a l y z e 产l j 是较早提出如何使移动设备能够使用网格资源的一种方 法。针对移动设备的弱连接特性，它采用了移动代理机制，与前所述的分布式 6 武汉理l ：人学硕士学位论文 系统中处理移动性问题相类似。p h a n 等人较早地提出将移动设备整合到网格中 拉引，使得移动设备不仅获取网格资源，还可以共享移动资源。为了解决移动设 备计算能力有限，难以部署大型中间件的困难，他们提出了使用代理( p r o x y ) 的 方案。在这个方案中，移动设备不需要部署g l o b u s 中间件，而是使用较轻量级 的基于w e bs e n r i c e s 的注册与查找，形成一个局域的移动网格；在代理上部署 g l o b u s ，将局域的服务注册信息发布到外部的网格中，或者接受外部用户的服务 请求，再转换为局域网格中的服务调用，找到对应的主机提交任务。k u r k o v s k y 【2 3 l 等采用了移动代理机制来将移动设备整合到网格中，利用了移动设备的计算资 源合作解决问题，但是没有明确提到如何对资源进行注册和查找。利用网格作 为计算和解决问题的平台，移动网格可以实现普适计算，或者说是无所不在的 计算。 这些基于网格的移动计算，都没有很好的解决移动设备在异构网格中的资 源共享问题，它们的重点在于如何让移动设备去使用网格中的资源，而不是如 何共享自身的资源。我们的目标是基于普适环境下的移动网格概念，致力于在 网格的平台下整合移动设备的资源，实现资源的共享、协作以及调度，核心是 移动资源的共享。 1 4 本文的主要工作及创新 可以说，普适网格项目数量与传统网格相比要少得多，而且处于正在研究 的初步阶段，还没有一个成熟的应用。但传统网格正逐步走向民用，那么普适 网格具有重大的研究价值和良好的应用前景。 本课题针对移动设备访问普适网格的机制进行研究，重点在于移动设备访 问普适网格的过程和移动设备作为资源被发现和管理的方法，以及针对普适环 境下特殊系统结构的资源发现算法。目的是将分布在网格中的资源进行协同， 在保证资源发现的基础上，使得整个普适网格系统能够保持较高的系统资源利 用率和系统吞吐量，希望能使移动设备最快速的连接到普适网格，进行资源的 访问和共享。 本课题的主要研究工作及创新如下： 1 ) 设计了一种支持移动设备访问的系统结构。由于移动设备本身的些特 点，导致移动设备在移动的过程中会遇到各种复杂的情况，必然会经常地接入 或退出普适网格系统，因此为了把移动设备融入到普适网格系统的体系结构中， 7 武汉理一i ：人学硕+ 学位论文 并考虑移动设备本身的特点，系统结构必须要支持灵活的接入、退出机制。本 文引入了p 2 p 技术和虚拟组织，并使用该方法组织移动设备资源，方便资源的 发现和查找。详细阐述了移动设备作为资源被发现和管理的过程，给出了虚拟 组织内消息的结构和资源的组织方法，访问资源的流程。 2 ) 提出了一种有效的资源发现算法，该算法的目的是于节点的服务请求 机制，在整个虚拟组织中传播消息，主要考虑了带宽的约束和网络消息的冗余 消除。文中首先介绍了该算法的特点，从理论上对算法进行了说明，然后分四 个方面对算法进行了介绍，包括邻居节点的检测，请求消息的排序机制，服务 消息的排序机制以及消息的传递，并通过实例解释了算法在这四个方面具体实 现的过程。 首先，其中的节点的规模是巨大的，并且是动态的；其次，移动节点在 注册其资源后，可能会改变位置，导致网络地址变化，结果是该资源不可用， 称为移动性。如果采用集中式或层次式的注册，移动节点需要频繁注册，造 成系统负荷过重，带宽浪费严重，并可能引发单点故障。因此移动网格的资 源发现必须使用合适的方式以避免这些可能遇到的故障。 3 ) 研究带宽，节点数量以及节点传输范围等不同情况下系统的吞吐量，通 过与泛洪算法和基于排序机制算法的比较证实算法的有效性。并在n s 2 仿真器 下建立网络模型，进一步检验算法的有效性，并根据实验结果指出下一步的 研究方向。 1 5 论文结构 论文主要分为六个部分，各部分内容安排如下： 第1 章：绪论。介绍本课题的来源、研究目的及意义，同时还介绍了国内 外与普适网格相关的项目及发展趋势，研究现状和在普适网格中存在的一些问 题，最后说明了本论文所做的工作和创新。 第2 章：移动设备访问普适网格的相关问题。论述在该系统结构下移动设 备作为资源存在的和需要解决的问题，根据需要解决的问题，设计了一种普适 网格的系统结构，提出了虚拟组织的架构，简要论述了移动设备在该结构中如 何访问资源的方法。 第3 章：基于移动设备的资源发现和管理。对系统中移动设备作为资源发 现的过程做了详细的描述，给出了资源的组织方法，访问资源的流程，最后列 8 武汉理工大学硕士学位论文 出了几种主要的资源发现算法，说明各个算法的优缺点。 第4 章：一种有效的资源发现算法。介绍了带宽约束下的一种资源发现算 法，该算法的目的是基于节点的服务请求机制，在整个虚拟组织中传播消息。 把请求消息和服务消息分成不同的级别，级别最高的消息将会被优先传递，本 章给出了算法的描述、伪代码及简单分析，并进一步用实例说明了算法的原理 及消息传递过程。 第5 章：仿真试验及结果分析。介绍了现有的网格仿真工具的作用，并说 明了在n s 2 中仿真中对移动节点的创建，移动性等的分析。针对本文资源发现 算法的需要，给出了在移动节点数量，节点传输范围，以及带宽分配等参数不 同情况下，本算法吞吐量的变化，并通过实验数据的对比得出本算法的优势。 第6 章：总结与展望。 9 武汉理，r 入学硕士学位论文 第2 章移动设备访问普适网格的相关问题 2 1 普适网格系统结构 移动设备在当今市场中占主导地位的主要是个人数字助理( p d a ) 和手机。随 着嵌入式技术的发展和成熟，现在的移动设备都具有普通p c 机的常用处理能力， 如文本处理。当前大多数网格结构并没有把移动计算环境考虑在内，因为移动 设备还没有被认真地考虑为合法的计算资源。在普适网格环境中我们可把移动 设备作为普适网格的计算资源，参与到计算任务中，而不仅仅是普适网格服务 的接收者。因此，移动设备要有效的接入到普适网格中，既可以作为普适网格 服务的接收者，也可以作为普适网格服务的提供者。 2 1 1 移动设备带来的问题 当前大多数网格结构并没有把移动计