（计算机应用技术专业论文）基于agent的移动用户位置管理技术研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于a g e n t 的移动用户位置管理技术研究 摘要 移动通信技术的飞速发展使得传统的固定网络环境变得更加灵活与不稳 定 用户可以通过各种无线连接方法访问数据库 获得查询结果 移动计算 也应运而生 与传统的分布式计算相比 移动计算面临着许多新的挑战 而 位置管理是移动计算中关系其移动断接特性的重要问题 也是移动数据库中 的关键技术之一 本文从移动用户位置管理的两个方面 位置更新和位置查询出发 归纳 比较了现已提出并且实现的方法 引入目前研究的热点a g e n t 技术 并考虑 影响位置管理系统中存在的稳定性 本地化和访问移动频率等因素 在深入 分析m d m 2 移动达梦数据库 和l b s l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e 系统模型的 基础上 提出了一种基于a g e n t 技术的移动用户位置管理模型 新建模型是在m d m 2 模型的启发下 对其原模型进行了优化改进 为有效地实现移动用户越区切换 建立了移动用户 移动用户新小区代 理服务器和用户原小区代理服务器三种服务工作模式 充分应用了a g e n t 技术的移动性和前向指针法 建立了具体化的位置代 理a g e n t 结构 在数据库开销相同且其它网络条件不变的情况下 使操作本 地化 减少了网络的整体开销 论文最后从模型的可行性和适用性方面进行了验证 在局域网中模拟了 模型中的工作过程 证明了模型的可行性 并且通过理论的分析 得出了模 型最佳的适用范围是呼叫移动比大并且移动用户远离归宿小区的情况 关键词 移动数据库 位置管理 a g e n t 前向指针 哈尔滨理工大学工学硕卜学位论文 r e s e a r c ho nl o c a t i o nm a n a g e m e n to fm o b i l ec l i e n t b a s e do n a g e n t a b s t r a c t t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ym a k e s t r a d i t i o n a r yn e t w o r km o r ef l e x i b l ea n du n s t e a d v u s e r sc a na c c e s sd a t a b a s ea n d r e c e i v et h e i rq u e r yr e s u l t st h r o u g ha l lk i n d so fw i r e l e s sc o n n e c t i o n a n da sa r e s u l t m o b i l ec o m p u t i n gh a se m e r g e d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a r yd i s t r i b u t e d c o m p u t i n g m o b i l ec o m p u t i n gh a s t of a c e m a n yn e wc h a l l e n g e s l o c a t i o n m a n a g e m e n t i sa ni m p o r t a n tp r o b l e mt h a tr e l a t e sw i t hm o v i n ga n dd i s c o n n e c t i o n i nm o b i l ec o m p u t i n g t h a ti sa l s oo n eo fk e yt e c h n o l o g i e so fm o b i l ed a t a b a s e f r o mt w of a c t o r so fl o c a t i o nm a n a g e m e n t l o c a t i o nu p d a t ea n dl o c a t i o n q u e r y t h i sp a p e ra n a l y s e sa l lk i n d so fe x i s t e ds t r a t e g i e s i n t r o d u c e ss t u d yh o t s p o t a g e n tt e c h n o l o g ya n dc o n s i d e r s i n f l u e n c e f a c t o ro fl o c a t i o n m a n a g e m e n t s t a b i l i t y l o c a l i t ya n dc m r c a l lm o v er a t i o a n ds oo n t h i sp a p e rd e e p l y a n a l y s e st h es y s y t e mo fm d m 2a n dl b s t h e np r o p o s e sam o d e lo fl o c a t i o n m a n a g e m e n tb a s e do na g e n tt e c h n o l o g y t h en e wm o d e lb a s e so nm d m 2a n do p t i m i z e st h em o d e la n di m p r o v e so n i t i no r d e rt oe f f e c t i v e l yc a r r yo u th a n do f fo fm o b i l ec l i e n t t h em o d e le s t a b l i s h e st h r e ew o r km o d e s m o b i l ec l i e n t n e wa g e n ts e r v e ro fm o b i l ec l i e n ta n d f o r m e ra g e n ts e r v e ro fm o b i l ec l i e n t i no r d e rt of u l l ya p p l y a g e n tt e c h n o l o g ya n df o r w a r d i n gp o i n t e rt e c h n o l o g y t h ep a p e re m b o d i e ss t r u c t u r eo fa g e n t a n du n d e rt h es a m ec o s to fd a t a b a s ea n d n e t w o r k t h em o d e lm a k e so p e r a t i o nl o c a l i z e d r e d u c i n gc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e f u r t h e rr e d u c i n gc o s to fn e t w o r k f i n a l l yt h i sp a p e rt e s t sf e a s i b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo ft h em o d e l i nl a n w o r kp r o c e s so ft h i sm o d e li ss i m u l a t e da n dt h er e s u l tp r o v e si t s f e a s i b i l i t y t h r o u g ht h e o r ya n a l y s i s t h eo p t i m a la p p l i c a t i o nr a n g eo ft h i sm o d e li st h a tc m r i i 窒尘重矍三查兰三兰堡圭兰竺丝兰 i sh i g ha n dm o b i l ec l i e n ti sf a rf r o mi t sp r i m a r ya g e n t k f y w o r d s m o b i l ed a t a b a s e l o c a t i o nm a n a g e m e n t a g e n t f o r w a r d i n gp o i n t e r s i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 基于a g e n t 的移动用户位置管 理技术研究 是本人在导师指导下 在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果 据本人所知 论文中除已注聪部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果 对本文研究工作做出贡献的个入和集体 均已在文中 以明确方式注明 本声明的法律结果将完全由本人承担 作者签名 氛1 砂翻日期 岔纱7 年岁月 6 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于a g e n t 的移动用户位置管理技术研究 系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文 本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表 本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存 使用学位论文的规定 同意学校保留并向有关部门提交论 文和电子版本 允许论文被查阅和借阅 本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 可以公布论文的全部或部分内容 本学位论文属于 保密口 在年解密后适用授权书 不保密日 请在以上相应方框内打 作者签名 纠参翻 导师签名 丕z 飒 乡1 1 月 月 年 年 1 r 刎 叩 期 期 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 计算环境先后经历了集中式计算环境 分布计算环境 网络计算以至臼前 备受关注的移动计算环境m c e m o b i l ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t i i 普遍化计算环 境p c e p 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 1 相应地 数据库系统到今天也发 展了集中式数据库系统 分布式数统 b a s 多层结构的数据库系统 嵌入式 数据库和移动数据库技术 利用移动终端通过无线和固定网络与远程服务器交 换数据的分布式计算环境称为移动计算 移动计算有两类移动特性 m o b i l ec o m p u t i n g 和m o b i l ec o m p u t a t i o n 前者关心基于无线网络的移动设备上 进行的计算 1 而后者关心基于w e b 的移动程序 目前 移动计算已成为包 括w e b 计算 数据仓库和挖掘在内的 以客户为中心 应用的三大技术手段之 一 7 o 1 1 1 移动数据库 在传统的分布计算系统中 各个计算结点之间都是通过固定网络连接 并 且保持网络的持续连接 而移动计算系统是由固定结点和移动结点构成的分布 计算系统 系统中的用户不再停留在固定的位置不变 而是可以携带着移动计 算机自由移动 并在移动的同时通过移动通信网络保持与固定结点或其他移动 结点的连接 这种移动性将创造一类全新的应用 使得人们能够更加方便地访 问各种信息 移动数据库是指支持移动计算环境的分布式数据库 1 它涉及数据库技 术 分布式计算技术以及移动通讯技术等多个学科领域 通俗地讲 移动数据 库包括以下两层含义 1 人在移动时可以存取后台数据库 2 入可以带着后台数据库的副本移动 移动数据库技术的许多特性都与信息时代的需求特点相吻合 在许多领域 获得了成功的应用 并涌现出了许多令人耳目一新的实用系统 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 2 移动数据库的特点 与传统的分布式数据库系统相比 嵌入式移动数据库系统具有如下特点 叫 j 1 移动性与位置相关性移动用户可以在无线通讯单元及单元之间自由 移动 而且在移动的同时仍然可能保持通讯连接 此外应用程序及数据查询可 能是位置有关的 如用户需要了解沿其前进方向半径为l k m 的地区的天气和交 通情况 在不同地点 时间的查询结果是不同的 这就导致系统访问布局 资源 的变化 因此要求移动数据库能支持移动性 解决过区切换问题 并实现位置相 关的处理 2 频繁的断接性一般移动计算机与网络不是长时间连接 而是频繁 有 预见的入网和断接 移动数据库与固定网络之间就会经常处于主动或被动的断 接状态 这要求移动数据库中的事务在断接情况下仍然继续运行 或者进入休眠 状态 不会因网络断接而撤消 3 网络条件的多样性在整个移动计算空间中 不同的时间和地点连网条 件相差十分悬殊 因此移动数据库应能提供充分的灵活性和适应性 提供多种系 统运行方式和资源优化方式 以适应网络条件的变化 4 系统规模庞大在移动计算环境下 用户规模比常规网络环境庞大得多 采用普通的处理方法将导致移动数据库系统的效率极为低下 5 系统安全性及可靠性较差因移动计算平台可以远程访问系统资源带 来新的不安全因素 且移动主机的遗失 失窃等现象也容易发生 从而移动数据 库系统应该提供比普通数据库系统更强大的安全机制 6 资源的有限性移动设备的电源通常只能维持几个小时 此外移动设备 还受通讯带宽 存储容量 处理能力的限制 因此在查询优化 事务处理 存 储管理等环节应提供资源的利用率 7 网络通讯的非对称性上行链路的通讯代价与下行链路有很大差别 这 要求移动数据库的实现中充分考虑到这种差异 采用合适的方式 如数据广播 传递数据 1 1 3 移动数据库的关键技术 由于传统的分布式数据库技术不能有效地支持移动数据库 而必须对之进 行扩充和改造 这些工作可以归纳为几个方面9 移动数据库复制 移动用 哈尔滨埋工大学工学硕士学位论文 户管理及位置相关查询 服务器数据源的数据广播 移动事务处理 移动数 据库查询优化 2 1 等 1 移动数据库复制可用性和可伸缩性 移动性 可串行性以及收敛性 这四个目标决定了理想的移动数据库复制应该是一种异步复制 即系统允许移 动主机在断连的情况下在本地副本上执行读写操作 从而造成系统短暂的不一 致 重新连接时进行数据同步处理 将移动主机上所做的数据修改上传到固定 网络上的主机 同时将固定主机副本上所做的修改下传到移动主机 从而使系 统重新达到一致性的状态 在此过程中 必须进行冲突处理 因为系统可能同 时在多个副本上对同一数据对象执行了冲突操作 由此可见 移动数据库复制 需要解决由于断连操作引起的数据不一致问题 并通过同步处理机制使系统总 能收敛于一致性的状态 2 移动用户管理及位置相关查询在移动数据库中 安全因素及位置相 关的查询要求对移动用户进行行之有效的管理 系统中每个移动用户都有 一个唯一的标识 i d 系统统一对这些i d 进行管理并根据安全性的需要进行 存取权限控制 系统还应跟踪和管理移动用户的当前位置 并提供位置相关的 查询机制 3 服务器数据源的数据广播数据广播是解决移动数据库系统用户规模 庞大及网络通讯非对称性等问题的一个有效方法 服务器将大多数用户频繁访 问的热点数据以一定的方式组织起来 主动周期性地广播出去 这样可以以较 小的代价解决大量用户访问的问题 在数据广播中 需要解决广播的数据调度 问题 即如何组织数据 如何确定广播的周期等 代表性的成果包括数据广播 多盘调度算法 启发式多盘调度算法等 4 移动事务处理移动事务通常属于长事务 而且在事务的执行过程 中 计算平台的移动会导致事务及相应资源的移动 此外 与普通事务相比 移动事务执行时更容易出错 且要访问更加复杂的数据资源 因此需要研究适 应于移动计算环境的新的事务模型 移动事务处理中的过区切换问题以及数据 一致性问题也是移动事务处理需要着重解决的问题 5 移动数据库查询优化及其它技术移动数据库中需要将通讯代价 通 讯时间 电源消耗等因素纳入查询优化的考虑因素 此外 安全性 查询语言 查询界面等也都是移动数据库技术要解决的问 题 晗尔滨理工大学工学硕上学位论文 1 1 4 位置管理的重要性 移动用户位置管理技术作为移动数据库中的关键技术之一 在实际生活中 有着十分重要的应用 它在固定的主机和移动客户机之间起到了连接的作用 有了客户机的准确位置才能使事务处理和信息的反馈成为可能 并且还可以节 省网络资源 节约带宽 对网络的传输有着相当重要的意义 客户机的位置管理包括两个方面 位置更新和位置查询 前者发生在客 户机移动后 发送更新它的位置信息 后者发生在当需要访问或呼叫该客户机 时 定位它当前的位置 衡量位置更新和位置查询代价的体系应包括以下因 素 发送消息的数量 大小 消息需要传输的距离 消耗的网络带宽 处理消 息的费用和位置数据库查询的延迟等 一种好的位置管理方案应该优化这些因 素 获取移动客户机当前的位置信息 不仅是网络路由的要求 更是高层应用 的要求 特别是一些基于位置的查询 这些查询主要是基于位置的高级查 询 目前大部分的研究和应用都是基于集中式数据库展开的 许多问题 对传 统数据库提出了新的挑战 比如 1 代表客户机位置的数据是经常变化的 2 除了空间维 查询位置数据还有 个时间维问题 3 查询涉及到未来的时间 如客户想知道在未来一小时里 将进入某一 特定区域的移动客户机的情况 对于这一类的应用 我们只能在现有信息的基础上加以推测 除此之外 另一类应用涉及到更新环境参数 合理调配本地化的资源 如在城市车辆调度 系统中 交管人员需要在交通路况紧张时刻 充分调配可利用车辆 提高运行 效率 其中获取当前车辆 路况的信息在这里变得尤为重要 以上应用都涉及到客户机的位置管理 而且在未来的通信系统中 用户越 来越多 网络覆盖的地理范围越来越大 在这样的系统中 为了定位客户机的 位置而产生的信号数量和处理开销将会急剧增长 而且随着移动数据库技术的 发展和广泛使用 与客户机位置有关的应用也将越来越广泛 所以研究并设计 出有效的客户机位置管理方法具有重要意义 1 2 国内外研究概况 位置管理问题是所有移动网络系统 蜂窝系统 无线l a n s 卫星通讯系 哈尔演理工大学工学硕仁学位论文 统等 面临的问题 大致有两个基本的操作 即 移动用户本身的位置更新和 其他用户对移动用户的查询 为了减少位置更新和位置查询的代价 现在已经 提出并应用的方案有以下几种 1 归属位置寄存器h l r 拜访位置寄存器v l r 现在广泛用于i s4 l 和 g s m 1 中的h l r h o m el o e a t i o nr e g i s t e r v l r v i s i t e rl o c a t i o nr e g i s t e r 法采用 了两级结构 将客户机位置信息保存在h l r 和v l r 中 h l r 中保存的是客户 机的永久的位置信息 v l r 保留客户机的临时的位置 当客户机移动到新的小 区时 它向本地的v l r 报告新的位置 由v l r 将位置更新消息发送给h l r 当需要访问该客户时 呼叫者首先查询本地v l r 如果能够找到客户机的位 置 则连接建立 否则 需要查询全局的h l r 这种方法实现起来比较简单 但是存在着缺陷 1 不适合本地化操作 在此本地化操作指的是物理上距离很近但是不属于 同一个小区 如果位于这两个小区中的客户需要通信时 假如他们所在的v l r 没有保留对方的地址信息 那么必须要经过h l r 才能建立连接 这样通信的 距离加长了 使得定位客户机的开销变得十分庞大 2 这种方法与客户机的移动模式没有关系 不管客户机是否有规律的移 动 该方法都统一对待 不具有灵活性 3 当在v l r 中无法获得客户机位置信息的时候 都需要查询h l r 增加 了查询的开销 同时导致了h u t 负担过重 2 缓存方法缓存方法 2 1 是为了降低其他用户对移动用户的呼叫建立 的开销 r i a i l l 等人提出了缓存的思想 即一旦移动用户x 被呼叫 x 的位置 信息就被缓存在呼叫发起方的v l r 中 这样 从该发起的对x 的后续呼叫首 先检查本地v l r 的c a c h e 如果命中 就可以重用缓存的位置信息而不必远程 访问h l r 适用于呼叫移动比较大的用户 为了降低c a c h e 的不命中率 有两 种方法1 2 3 1 一种是急性缓存 即移动用户每次到达一个新的位置 关于此用户 的所有c a c h e 项都要更新 这样增加了移动的开销 另一种是惰性缓存 即移 动操作不引起c a c h e 的更新 只是在呼叫建立时 c a c h e 不命中的情况下才引 起c a c h e 更新 这样增加了呼叫的开销 对于惰性缓存而言 为了使其开销低 于基本方法的开销 则在给定小区内 对任何用户的c a c h e 命中率p 必须大于 某个阀值 缓存的方法利用了呼叫的时间局部性与空间局部性 其缺点是 c a c h e 失效的附加开销较大 且对用户的移动性有限制 它要求客户机具有一 定的存储能力 如何保证缓存信息的合法性是缓存方法必须解决的一个大问 题 哈尔滨理t 人学1 二学硕士学位论文 3 复制法复制法 儿删是为了降低呼叫建立的开销 在选定点复制一些 客户机的位置信息是很自然的想法 当需要同该客户机进行通信时 可直接在 本地数据库中查询 而不必要每次都去查询中央数据库 查询中央数据库由于 网络带宽 通信距离和网络资源紧缺等原因而导致较大的查询延迟 但另一方 面 由于客户机位置的时常变化 为了维护复制版本的一致性与有效性 系统 必须为位置更新付出更大的代价 总的来讲 如果由于复制而带来的开销节省大于由此而产生的更新代价 那么认为这种复制方法是有效的 如果从小区a 中发出的对移动用户x 的呼叫 比较频繁 则在小区a 复制x 的位置可以降低呼叫建立开销 同样 如果用户 移动比较频繁 则复制内容的更新又会带来额外的开销 每个用户有哪些节点 复制了它的位置 这些节点的信息就保存在它的h l r 中 除了代价因素 对 复制区域的选择 还必须考虑其他的因素 比如每个数据库的服务能力和用来 保存复制信息的最大存储能力 对每个用户的复制站点信息必须保存在中央数 据库中 当然 除了复制客户机的位置信息 还可以复制客户机的服务信息 服务质量要求 可提供的传输带宽等等 该选择哪些站点去复制客户机地位之 信息 现在有两种复制思想 一种是集中的用户档案复制 一种是分工的工作 集复制 用户档案复制 p e ru s e rp r o f i l er e p l i c a t i o n 它的目标是使得移动和呼口q 的总开销最小 同时保持对每个用户p i 复制信息的最大数量的控制 保持对 小区z i 数据库中最大数量信息的控制 工作集复制 w o r k i n gs e tr e p l i c a t i o n 有这样一个事实 即对每个用户 的频繁呼叫一般都来自于少数几个呼叫源 这些呼叫源的集合叫做该用户的工 作集 这样 只需在工作集中复制该移动用户的位置就可以满足大多数要求 这种思想与用户档案复制的不同之处在于不提供对用户复制信息和对数据库的 控制 因此在小区z j 中提供关于用户p i 的位置信息可以独立于用户p i 来进 行 复制的方法和缓存的方法一样 在很大的程度上取决于客户机的呼叫移动 比 只有在呼叫移动比比较高的时候才使用 4 前向指针法在位置管理中引入前向指针的方法 的目的是为了减 少位置更新的代价 基本的思想是 在客户机移动到新的小区时 在客户机上 一次所在的小区建立指针指向当前区域 在客户机的h l r 中保存着客户机第 一次所在的小区 即链头 这样 对给定用户的呼叫首先查询用户的h l r 确 定它的链头 然后再沿前向指针找到用户当前的v l r 建立连接 其过程如图 哈尔滨理1 二大学工学硕士学位论文 1 1 所示 图1 1 前向指针示意图 f i g 1 1c h a r to f f o r w a r d i n gp o i n t e r s 其中 m 1 表示移动用户l 前向指针法实现起来比较简便 但是在使用的过程中也会出现以下问题 1 指针管理过程中 指针链可能会过长或者形成环 2 如果客户机移动的速度大于传送查询消息的速度 这样将永远无法获得 客户机的位置信息 3 如果客户机在小区的边界上来回的移动 将导致指针更新的频繁 引起 系统的巨大资源开销 前向指针应用时首要的问题是对指针链长度的控制 因为沿链查找的开销 属于呼叫建立开销 指针链过长 会大大增加呼叫建立的时延和代价 并且要 保证指针链是无环的 避免循环查找 为了解决以上问题 人们提出了指针完全消解和简单消解的方法i 2 s lo 例 如 移动用户的移动轨迹为1 一 2 一 3 4 5 阀值设为4 当用户移 动到5 时就要进行相应的消解了 如果用简单消解的方法 消解后的结果为1 一 5 如果用完全消解的方法进行消解 消解后的结果为5 消解的时机分为移动时消解和呼叫建立时消解 移动时消解就是在移动成 链时检查指针链的长度 长度超过系统阂值时予以消解 呼叫建立时消解是在 呼叫成功建立之后进行消解 与传统做法不同的是 有些地区对某一用户的呼 叫相对十分频繁的情况下 有一条前向指针作为旁路 可以省却许多不必要的 上溯层次结构的开销 现实生活中的例子是住家和办公区以及亲戚朋友所处区 哈尔滨理工大学工学坝士学位论文 域之间 呼叫建立的频率是相对较高的 移动用户在这些区域之间移动成链之 后 可以保持该链不必被消解 移出此区城后 在移动时消解的阀值达到后可 以消解掉区域外的部分 这就是选择消解的思想 例如 分区l 2 3 4 是 经常呼叫移动用户x 的区域 用户x 在移动经过这些分区时成链 l 一 2 一 3 一 4 当x 移出此范围 成链l 一 2 一 3 4 一 5 一 6 一 7 如图1 2 所示之后 采用移动时指针消解 移动到分区8 成链1 一 2 3 一 4 一 8 如图1 3 所示 只删除区域外的部分 图1 2 用户x 移动示意图 f i g 1 2c h a r to f u s e rxm o v i n g 传统的环路检查在每次移动成链时进行 一旦发现指针链上有重复的节 点 则删除掉重复节点之间的节点 在呼叫相对频繁的区域中 采用断环处 理 即环路中移动用户当前所处分区所有指向外的指针都被删除 其余指针保 留 这样 该区域中已经建立的指针可以较充分地发挥作用 区域外的指针链 的环路消解仍使用传统做法 在文献 2 9 提出了一种带门槛的指针推进移动性管理策略 并与现行策略 及普通的指针推进策略的代价进行比较 得出只要选择适当的门槛 所提出策 略的代价优于现行策略及普通的指针推进策略 与缓存和复制法相反 前向指针适用于用户的呼叫移动比比较低的情况 可以降低h l r 和v l r 的更新的开销 所增加的是指针连接的开销和呼叫时的 沿链寻找的开销 图l 3 消解后的示意图 f i 娶1 3c h a r to f c l e a r i n gu p 1 3 课题的来源及研究内容 1 3 1 课题的来源 本课题来源于黑龙江省测绘局信息中心合作项目 基于g i s 的移动设备管 理技术研究 1 3 2 研究内容 本文的主要研究内容是移动数据库中移动用户位置管理技术 首先 对移 动计算 移动数据库的相关内容进行了简要地介绍 然后对位置管理在移动数 据库中的重要性进行了概述 接着对国内外已经提出并实现的方法进行了研究 和分析 然后介绍m d m 2 和l b s 系统中的位置管理方法 得出本文的研究重 点是从a g a a t 技术出发 最后提出本文的改进模型 在此基础上和原模型进行 比较 o o 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 第2 章位置管理技术 2 1 a g e n t 技术简介 2 1 1 基本概念 a g e n t 1 来自于希腊语a g e i n 意思是驱动 领导 这种含义很适合描述当 今把计算机从被动工具变为主动工具的趋势 特别是人们可以为计算机指派任 务和工作 软件技术和编程技术的发展 使得计算机在许多领域拥有更多的主 动能力 a g e n t 技术提供了一种新的计算和问题解决风范 一种远程智能程 序设计方法 a g e n t 实际上是一个主动的程序体 它由某个源计算机产生 后 就脱离了该计算机的控制 而主动执行下去 移动a g e n t 的实质是一独立的计算机代码 根据局部计算结果 在异构网 或者同构网 上按一定的规程移动 以寻找合适的计算资源 代表用户完成特 定的任务 移动a g e n t 技术实际上它是软件a g e n t 技术与分布式技术的混血儿 它除了具有a g e n t 的最基本特性 自治性 响应性 主动性和推理性外 还具有移动性 是2 0 世纪9 0 年代以来发展起来的一种新型的分布式计算模 式 它为分布式开放系统地分析 设计和实现提供了一种崭颓的方法 被誉为 软件开发的又一重大突破 它是代码数据以及执行语境的软件包通过在网络中 漫游来完成任务 它可以在执行过程中 有目的的 自治的在网络中移动 利 用与分布资源的局部交互而完成分布任务 从一个客户端计算机派发和转移到 一个远程的服务器上去执行 移动a g e n t 在网络中执行事务和信息提取工作上 提供了新的方法 移动a g e m 与传统的网络计算模式有着本质的区别 1 移动a g e n t 不同于远程过程调用 因为移动a g e n t 能够不断地从网络 中的一个节点移动到另一个节点 而且这种移动是可以根据自身需要进行选择 的 2 移动a g e n t 不同于一般的进程迁移 因为一般来说进程迁移系统不允 许进程自己选择迁移时间和迁移目标 而移动a g e n t 却可以在任意时刻进行移 动 并且可以移动到任何地方 3 移动a g e n t 不同于j a v a 语言中的a p p l e t 因为a p p l e t 只能从服务器向 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 客户机做单方向的移动 而移动a g e n t 却可以在客户机和服务器之间进行双向 移动 2 1 2 a g e n t 的分类 根据a g e n t 的位置和功能可以分为以下3 类 1 客户一客户a g c n 卜服务器 2 客户 服务器a g e n t n 务器 3 客户一客户a g e i l t 一服务器a g e n t 一服务器 客户a g e n t 层的作用 提供友好的界面 方便获取信息 提供数据二级缓 存的能力 提供数据查询的能力 提供本地处理能力 提供用户的位置相关 性 提供与协调a g e n t 的接1 3 服务器a g e n t 层的作用 提供一致性的数据查询接口 提供固定的礤访 问功能 在文献 3 4 中还提出了一种协调a g e n t 的思想 协调a g e n t 位于客户 a g e n t 和服务器a g e n t 之间 起到了一个协调的作用 它可以提供查询信息的 能力 根据相应的客户a g e n t 请求 提出查询命令 把找到的结果通过客户 a g e n t 接1 2 1 进行传送 它具有系统工作的能力 具有移动的能力 可以提供信 息的一级缓存 2 1 3 移动a g e n t 的移动程度 计算机网络由通信通道连接起来的计算节点构成 节点间交换信息和共享 资源的要求推动了计算机网络的发展 不断发展的手持设备和个人数字助理进 一步推动计算机异构网络的快速增长 传统的分布式系统有许多不同的通信方 法 移动a g e n t 成为节点间交换信息和共享资源的一种新方法 传递消息是首先被提出的方法 进程之间相互发送和接收同步或异步的消 息 许多通信模式都支持这种灵活的异步传送消息方法 远程调用r p c 1 r e m o t ep r o c e d u r ec a l l 是高一级的通信概念 进程通过调用远端的程序而不 是仅仅发送和接收消息来通信 很明显 r p c 有效的先决条件是当r p c 调用 时 远端的被调用的程序段是可用的 然而 这种先决条件限制了l i p c 在大 的开放式分布式系统的使用 在许多事例中 要求将程序移动到远端并执行 r e m o t ee x e c u t i o n 也就是代码移动 移动a g e n t 的概念更进一步一 进程 移动 移动的a g e n t 把自身的代码和运行时需要的状态信息一起移动到另一 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 个主机上 状态信息分两种 一种是数据状态 另一种是执行状态 只移动代 码和数据状态信息的是a g e n t 的弱移动 两种状态信息和代码 起移动称为强 移动 虽然弱移动减少了一定的通信量 但编程就变得更加复杂了 强a g e n t 移动从概念上看起来很像进程的移动 但是两者之间有着明显的 不同 决定进程移动时机的是底层操作系统 a g e n t 的移动完全由a g e n t 程序 本身控制 2 2 位置管理的影响因素及目标 在移动计算和移动数据库环境下 客户机的物理位置不再决定于它的网络 地址 客户机可以根据自己的需要 从一个网络区域自由的移动到另一个网络 区域 并且客户机可以在任意时间任意地点访问任意自己所需要的资源 由于 客户机的移动 导致网络上被访问的资源也相对移动 为了正确有效地完成客 户机的请求 位置管理技术必须提供一套有效的位置管理策略 以实现网络路 由的需要和一些高层应用的迫切需求 位置管理主要应解决下面这些问题 1 系统或网络采取什么方法获得客户机的当前位置 2 移动客户机当前位置信息保存的地点 3 负责更新移动客户机位置信息的处理部件 2 2 1 影响位置管理的因素 在移动数据库中 客户机移动的随意性给系统的位置管理带来了极大的困 难 为了实现一种有效的位置管理 我们首先必须分析客户机的移动模式和实 际运行环境 主要应该考虑下面几项 1 稳定性 s t a b i l i t y 客户机的访问源是否来自予固定的集合 比如说某 个客户的电话总是来自亲戚 家人和朋友 还有一点 客户机的移动是否仅限 于某一些特定区域的集合 比如某个人的活动地点总限于公司 食堂 家庭 2 本地化 l o c a l i t y 涉及到客户机位置信息的操作大部分是否都在本地 或临近地点完成 3 访问移动频率 c m r 描述客户机被呼叫和移动的相对比较 用c i 代 表某一时间间隔t 内访问客户机i 的次数 m i 代表在这段时间内i 移动的数 那么客户机i 的c m r i 定义为 c m r i c i m i 另外位置管理还与实际的网络情况有关 比如网络拓扑结构 网络资源分 哈尔滨理工大学工学顺 学位论文 布 网络流量等 可以预见 未来的位置管理方案应该是在综合考虑了上面各 种因素而提出来的 正如在图2 1 中看到的 未来的位置管理应具有很大的灵 活性 图2 1 位置管理方案示意图 f i g 2 1c h a r to f l o c a t i o nm a n a g e m e n ts t r a t e g y 衡量位置管理的开销 主要从两个方面考虑 数据库开销和网络销 从数据库方面来看 在此数据库包括两方面 中央数据库和本地数库 评 价数据库开销的主要指标为 1 数据库更新和查询的次数 2 数据库数据的装载容量和规模 3 数据库操作的延迟 衡量网络开销的评价指标 1 通信消息的数量 2 操作是否跨区 3 消息通信的距离 4 通信消息的大小 5 链路上的通信量 评价一种位置管理方案是否可行和高效 除了满足位置管理方面的基本要 求 还应该综合考虑以上影响位置管理开销的各种因素 使得系统在客户机位 置管理方面付出的代价最小 竺尘堡矍三查兰三兰丝 耋堡丝兰 2 2 2 位置管理目标 不论在移动计算环境下 还是在移动数据库中 位置管理都是一个重要的 方面 我们期望实现位置管理的目标是 1 灵活性由于网络环境的多样性 加上客户机移动的不确定性 我们 应该从实际情况分析入手 针对各种情况 采取相应的位置管理策略 2 高效性从影响位置管理的各种因素出发 权衡位置更新和位置查询 代价 使系统在位置管理方面付出的开销达到最小 3 便利性从客户机方面来说 要真正满足客户机随时随地访问信息的 需求 并且保证客户机对系统的位置管理有一定的透明度 即客户机很少参与 位置管理 2 3 当前系统中使用的模型 第一章提到的方法都是在位置更新和位置查询中某一方面做出了改进 单 一的使用 为了满足日益发展的需要 人们开始考虑把两种或更多的方法综合 来使用 并在其中加入更加先进的技术 提出综合的位置管理方法 使各种方 法能够扬长避短 发挥更大的优势 2 3 1 m d m 2 中的模型 达梦数据库系统d m 2 是我国自行研制的主动型 分布式多媒体数据库 管理系统 它以成熟的关系数据库理论为基础 采用层次一关系模型 吸收面 向对象的思想 集先进的分布式处理技术 主动数据库技术 多媒体技术于一 体 但是本身不支持客户机的移动 移动数据库系统m d m 2 是在d m 2 的 基础上加入了移动的思想 使整个系统适应现在数据库发展的需要 m d m 2 系统现在移动数据库普遍采用的结构即在原来的两层结构 c l i e n t s e r v e r 中加入了一层代理层变为了三层结 c l i e n t a g e n t s e r v e r m c l m 是 m d m 2 系统中用来实现移动用户位置管理的模块 m c l m 利用位置代理法实 现了m d m 2 中的客户杌的位置管理 位置代理法借鉴了移动i p 网络模式 并结合使用目前应用比较广的复制法和前向指针法的思想 实现了m d m 2 中 的客户机位置管理 传统i p 技术的主机使用固定的i p 地址和t c p 端口进行通信 例如 某台 主机的i p 地址为1 0 0 5 则其网址前缀为1 0 0 主机号为5 由于现今的 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 互联网路由器是根据网址前缀来寻找主机位置 这台主机就只能在网址前缀为 1 0 0 的局部网中进行互连 若该主机移动到其他网络中 便无法进行通信 移动i p 技术在网络上解决了移动接入问题 它引用处理蜂窝移动电话呼叫 原理 移动节点采用固定口地址 系统使用隧道技术封装和传送数据包在i p 子网间切换时 移动节点无需改变i p 地址 通信也不会中断 典型的移动i p 网络由移动节点 归宿代理和外代理组成 一个移动节点可在任意子网上接入 互连网 移动节点第一次入网时 将分配一个固定不变的i p 地址 称为移动节点的 归宿地址 移动节点位置发生变化时 其归宿地址保持不变 移动节点通过归 宿地址与归宿网进行连接 归宿地址的前缀与归宿网的网址前缀相同 归宿代 理是一个路由器 它至少有一个接口在归宿网上 移动节点始终与归宿网保持 联系 当移动节点离开归宿网接到外区网时 它将使用外代理 f o r e i g na g e n t 和外部地址 c a r eo f a d d r e s s 外代理就是移动节点当前所处网络上的路由器 移动节点在外代理注册后 外代理通知其归宿代理移动节点的外部地址 移动i p 技术主要有三个技术难题 代理发现 位置注册和隧道技术 其 中 为了实现互连通信 移动节点必须将其当前的位置信息向归宿代理注册 以便被其他节点找到 移动i p 位置注册步骤如下 1 向外区网上的外代理请求进行路由服务 2 通知归宿代理其当前的外部地址 3 移动到新的腰子网或前一次注册将要过期时 重新向归宿代理进行注 册 4 回到归宿网时 向归宿网代理撤销注册 位置注册包括注册请求和注册答复两种信息在移动节点和归宿代理之间进 行交换 位置代理法为每个客户机维护两个地址 归宿代理分配的永久地址和外代 理分配的临时地址 客户机移动后 如果每次向归宿代理进行位置注册 将导 致通信距离变长 增加系统开销 由于固定网络比起无线网络稳定且具有较大 的带宽 通信代价小 因此在位置代理法中 客户机将直接向当前所在小区的 位置代理进行注册 剩下的工作将在代理之间完成 在实际应用中 大多数客 户机的移动是有规律的 因此在位置代理法中可采取复制法 将客户机的位置 信息保存在一些选定的站点中 并且在客户机归宿代理上保存客户机的工作 集 当客户机发生移动后 由归宿代理通知工作集中的代理更新客户机的位 置 并且选取某种策略动态决定客户机的工作集 通过这种方法来维持复制信 哈尔滨理 二大学工学硕士学位论文 息的一致性和有效性 如果将客户机经过的小区代理信息都记录在工作集中 这一方面会导致数据库装载量大 另一方面 在客户机位置更新时 为了保持 缓存信息的一致性 归宿代理需要向工作集中的每个代理发送位置更新信息 这也使网络信号量变得很大 m c l m 系统选择了由位置代理计算客户机部分历史来得到客户机的工作 集 这样可以减轻中央数据库的负担 由于每个位置代理选取的时间段可以不 样 因此具有一定的灵活性 在每次有用户u 请求访问客户机i 时 位置代 理除了将客户机的位置信息返回给u i 的归宿代理还将这一访问过程记录在 r u 单元 在一定时间间隔内或者是在客户机从移出本区域到返回本区域这段 时间内 由归宿代理计算客户机的工作集 可以选取一定的门槛值p 来确定应 该保留多大概率的位置代理 p 值越小 保留的位置代理相对较多 通过本地 获得客户机位置信息的可能性增大 位置查询代价减少 但更新代价成倍增 长 另外位置代理为每个客户机维护一个较大的工作集 对数据库容量有 定 的要求 需要装载的数据量较大 也会增加本地数据库查询延迟 如果p 值较 大 虽然可以避免上面的问题 但不利于查询 事实上 影响p 值的一个关键 因素是客户机的c m r 如果c m r 大 表明访问客户机数相对于它的移动次数 较大 这时可以选取较小的p 值 反之 则选取较大的p 值 在m c l m 系统 中 对于p 值的选取依据每个客户机的c m r 体现了一定的灵活性 位置代 理在计算工作集的同时 也计算c m r 根据c m r 来决定工作集的大小 m c l m 主要由归宿单元h u 访问单元v u 移动历史单元r u 客户机工作 集 指针链管理和位置代理安全等六个功能部件组成 它们之间协同工作 有 效地实现了m d m 2 中客户机的位置管理 在文献 1 6 相应的章节中和以前单 一的方法进行了比较 在系统的性能上有了改进 模型中应用代理技术缓解移 动用户每次发生越区切换 时和归宿小区进行信息传递的开销 每个小区都 有一个代理服务器 移动用户发生越区切换来到新小区之后 把自己的消息传 递给代理服务器之后 由代理服务器和移动用户的归宿服