（计算机应用技术专业论文）普适计算核心技术研究.pdf

主要术语对照表 主要术语对照表 论文所用到的主要术语中英对照表： 普适计算 应用模型 服务开发商 服务代理商 服务集成商 互联网服务供应商 接入服务供应商 设备制造商 订户 安全服务供应商 虚拟专用网络 家庭网关 设备管理服务 开放式服务网关组织 服务管理框架 j a v a 运行环境 j a 、，a 虚拟机 服务包 库 清单文件 生命周期管理 服务对象 服务工厂 事件 事件侦听器 p e r v a s i v ec o m p u t i n g a p p l i c a t i o nm o d e l s e r v i c ed e v e l o p e r s e r v i c eb r o k e r s e r v i c e a g g r e g a t o r i s p ：i n t e m e ts e r v i c e p r o v i d e r c o n n e c t i o np r o v i d e r d e v i c ev e n d o r s u b s c r i b e r s s p ：s e c u r i t ys e i e ep r o v i d e r v p n ：v i r t u a ip r i v a t en e t w o r k h o m eg a t e w a y d e v i c em a n a g e m e ms e r v i c e o p e ns e r v i c eg a t e w a yi n i t i a t i v e s m f ：s e r v i c em a n a g e m e n tf r a m e w o r k j r e ：j a r ar t m t i m ee n v i r o n m e n t j v m ：j a v a v i r t u a lm a c h i n e b u n d l e p a c k a g e m a n i f e s t l i f e c y c l em a n a g e m e n t s e r v i c eo b j e c t s e r v i c ef a c t o r y e v e n t e v e n tl i s t e n e r v 摘要 摘要 当今时代，计算机已经进入人类生活的各个领域。计算机在人们日 常生活中的实际地位，早已不再是一种供人类使用的简单工具。在很多 情况下，计算机成了人们生活和工作不可缺的部件，因此人们必须不断 转换思路和使用习惯以适应计算机的发展变化。 随着计算机技术的发展和互联网的普及，这个问题变得日益明显。 人们开始考虑计算机和网络应该是什么样子，应该如何为人类服务，于 是普适计算的思想便应运而生了。普适计算的目标是通过使计算机融入 人们周围的物理环境来增强计算机的功能和影响，同时，计算机对普通 用户而言却是完全透明的。 本文从普适计算环境出发，在研究传统应用模型的基础上，提出了 普适计算环境下的应用模型，然后就该模型中涉及到的家庭网络接入， 家庭网关体系结构和服务管理框架三个关键技术分别做了研究，提出了 基于s s p 和v p n 的安全接入方案；提出了家庭网关的体系结构；利用 o s g i 提供的a p i 实现了服务管理框架原型，并通过创建一个简单的 b u n d l e 来验证框架实现的可应用性。 本文的核心部分是普适计算应用模型、家庭网络接入技术、家庭网 关体系结构、服务管理框架原型实现，在研究过程中，作者的主要贡献 是： 1 提出了普适计算环境下的应用模型： 2 提出基于s s p 和v p n 的家庭网络接入方案： 3 提出了家庭网关的体系结构设计方案； 4 根据0 s g i 提供的a p i 实现了服务管理框架原型。 在研究期间，作者参加了上海广电集团s v a i b m 实验室的i h o m e 项目，进行了普适计算研究，在国内核心刊物发表学术论文1 篇。 关键词 普适计算，应用模型，s s p ，服务网关，o s g i ，服务管理框架 a b s t r a c t a b s t r a c t t o d a y , c o m p u t e r sh a v ec o m ei n t oe v e r yc o l t l e ro fh u m a nl i f e c o m p u t e r s a r en o ts i m p l et o o l sa n ym o r e i nm o s tc a s e s ，t l l e ya r ec o r ec o m p o n e n t so fo u r d a i l yl i f e s ow eh a v et oc h a n g eo u rm i n dt oa d a p tt ot h e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di n t e r a c t ，m i sp r o b l e m b e c o m e ss e r i o u s p e o p l eb e g i nt ot h i n kw h a tc o m p u t e ra n dn e t w o r ks h o u l db e ， h o wt h e yc a r l w o r kf o ru s ，t h u st h et h o u g h to fp e r v a s i v ec o m p u t i n gc o m e s i n t om i n d t h ea i mo fp e r v a s i v ec o m p u t i n gi st oe n h a n c et h ef u n c t i o na n d i n f l u e n c eo fc o m p u t e r sb ye m b e d d i n gt h e mi n t op h y s i c a lw o r l da r o u n du s a t t h es a n l et i m e ，t h e ya r et r a n s p a r e n tt oe n du s e r s t h i st h e s i sb e g i n sw i t h 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 t h e na n a p p r o p r i a t ea p p l i c a t i o nm o d e li sp u t f o r w a r do nt h er e s e a r c hw o r ko f t r a d i t i o n a la p p l i c a t i o nm o d e l s t h e nt h ek e ye l e m e n t so ft h em o d e l ，i n t e r a c t c o n n e c t i o n ，s e r v i c eg a t e w a ya r c h i t e c t u r e ，s e r v i c em a n a g e m e n tf r a m e w o r k ，a r e d i s c u s s e d i n d i v i d u a l l y as s p v p nb a s e ds e c u r ec o n n e c t i o n s o l u t i o ni s p r o p o s e d as e r v i c eg a t e w a ya r c h i t e c t u r e i s p u tf o r w a r d a tl a s t ，w e i m p l e m e n tt h ep r o t o t y p eo fs e r v i c em a n a g e m e n tf r a m e w o r ko nt h es e r v i c e g a t e w a y as i m p l eb u n d l ei s c r e a t e dt ot e s tt h e p r a c t i c a b i l i t y o ft h e i m p l e m e n t a t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i o n si nt h i st h e s i sc a nb ec o n c l u d e da sf o l l o w i n g ： 1 p u tf o r w a r da na p p l i c a t i o nm o d e lo f p e r v a s i v ec o m p u t i n g ； 2 p u tf o r w a r da ns s p v p nb a s e dh o m en e t w o r kc o n n e c t i o ns o l u t i o n ； 3 p u tf o r w a r dah o m e g a t e w a ya r c h i t e c t u r e ； 4 i m p l e m e n tt h es e r v i c em a n a g e m e n tf r a m e w o r kp r o t o t y p es y s t e m d u r i n gt h er e s e a r c h ，t h ea u t h o rt o o kp a r ti nt h ei h o m ep r o j e c tr a i s e db y s v a - i b mj o i n tl a b ，s t u d i e dp e r v a s i v ec o m p u t i n g t e c h n o l o g i e s ，a n dp u b l i s h e d o n e p i e c eo f p a p e ri nd o m e s t i cc o r em a g a z i n e k e yw o r d s p e r v a s i v ec o m p u t i n g ，a p p l i c a t i o nm o d e l ，s s p , s e r v i c eg a t e w a y , o s g i ， s e r v i c em a n a g e m e n tf r a m e w o r k i l 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 随着计算机及相关技术的发展，通信能力和计算能力的价格正变得越来越便宜， 所占用的体积也越来越小，各种新形态的传感器、计算联网设备蓬勃发展；同时由 于人类对生产效率、生活质量的不懈追求，人们开始希望能随时、随地、无困难地享 用计算能力和信息服务，由此带来了计算模式的新变革，新的普适计算【1 1 ( p e r v a s i v e c o m p u t i n g ) 时代已经到来。 在普适计算时代，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，计算机的受众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。 1 2 现有计算机技术的不足 每一种计算模式都会带动适合其特点的计算机科学技术的发展。主机计算模式促 进了分时操作系统的发展；而桌面计算模式则带动了个人操作系统、图形用户界面、 多媒体等技术的发展。同样地，普适计算势必要求发展与其相适应的计算机科学理论 和技术，而这绝不是对目前桌面计算模式孕育的现有理论和技术的简单线性扩展，因 为现有的计算机技术还存在一些不足，因此难以满足普适计算模式的要求。 不足之一：以计算机为中心而不是以人为中心。 在桌面计算模式下，计算机占据主导地位，从某种程度上说，人是计算机的“仆 人”，这主要表现在以下三方面：第一，人必须主动使用计算机才能获得计算和信息 服务；第二，人机之间的交互方式更适合机器而不是人；第三，人必须处理各种计算 任务的细节才能获得所需结果，比如配置软件、硬件、记住数据的存放地点等。 然而，在普适计算时代，这种人机关系将是不可忍受的，因为到那时，人很可能 需要同时面对数十台计算设备，如果每台机器都需要人投入如此多的精力，那么人的 注意力将完全被计算设备而不是要完成的任务所占据。要知道，人的注意力与计算资 源不同，它不受摩尔定律的支配，所以在普适计算时代，人的注意力将成为计算机科 酱适计算核心技术研冗 学需要关注的稀缺资源。计算机科学需要研究如何实现人机关系的逆转，使计算机真 正成为人的“仆人”。 不足之二：计算资源是私有的，而不是共享的。 在桌面计算模式下，用户与计算机是一对一和直接占有的关系。此外，一台计算 机的计算环境( 所连接的设备、可利用的服务) 是事先绑定和固定的，由此发展起来 的各种计算机技术也都以此为隐含假设。而在普适计算模式下，计算资源和各种设备 将趋向于公用和共享化，就像放在办公室里的纸和笔一样，谁都可以拿起来就用。为 了充分地利用这些无所不在的服务和资源，计算机科学必须建立与之相适应的新计算 环境模型，这种模型没有固定形态和边界，可以随着用户所在环境中可利用设备和服 务的变化而动态调整，同时又能保证安全性和私密性。 不足之三：计算是固定的，而不是随时可移动的。 移动性的提高是人类文明进步的重要标志，但目前的桌面计算模式对移动性的支 持甚少。这包括缺乏对任务上下文在不同计算环境中迁移的支持，以及缺乏对网络条 件、计算能力、输入输出能力的变化和差异的处理机制。例如，尽管用户在办公室有 一台p c 、家里有一台p c 和一台p o c k e tp c ，但如果希望能在上下班的过程中连续地 完成一个任务，却是一件十分困难的事情，它需要用户自己去关心网络配置、应用程 序的启动关闭、数据文件的拷贝或网络映射等底层细节。因此，为了满足普适计算 的要求，真正实现任何地点、任何时间、任何设备访问任何服务和信息，就应把移动 性作为一个基本因素进行考虑。 不足之四：应用程序缺乏互通性。 在应用程序中，功能层往往被隐藏在表示层之下，没有直接的对外接口，应用之 间缺乏互相发现和利用其他应用程序的功能和服务的机制。为了完成一个任务，用户 往往需要在多个设备上启动多个应用，然后分别与它们进行交互，以便把它们组织到 一个工作流中，这种模式不适合普适计算。为了充分利用无所不在的计算资源和服务， 应用程序在开发时就必须考虑到与其他应用程序和服务的交互。 1 3 研究目的和研究内容 如上所述，人类社会已经进入普适计算时代，而现有计算机技术存在不足难以满 足普适计算的要求。为此，本文的研究目的就是解决这些问题使得计算机技术适应普 适计算的要求。研究内容是普适计算环境中的应用模型以及模型中涉及到的若干关键 技术。具体的研究内容可以归纳为以下几个部分： 绪论 1 ) 研究应用模型的演变，提出了普适计算模式下的应用模型，并分析了与该应 用模型相关的若干关键技术。 2 ) 着重研究了与普适计算应用模型相关的三个关键技术：网络接入技术、服务 网关体系结构设计技术和服务管理框架技术。在讨论传统技术的基础上，提出新的基 于s s p 和v p n 的网络接入技术，提出了一种服务网关体系结构的设计方案，利用 o s g i l 2 】提供的a p i 实现了服务管理框架的原型，以适应普适计算时代嵌入式计算设 备的多样化和服务的个性化。 1 4 论文的组织结构 本文从当今计算机发展的状况出发，分析总结了应用模型的发展演变过程，讨论 了各个应用模型的相关技术，提出了与普适计算模式相适应的应用程序模型，并研究 了与普适计算应用模型相关的若干关键技术。 论文共有六章，包括本章的绪论，整个论文内容结构安排如下： 第l 章指出了本文研究的背景、研究目的和研究内容。 第2 章对应用模型的发展演变进行分析归纳，讨论了主机应用模型、客户朋艮务 器应用模型、分布式应用模型等，在此基础上，提出了普适计算模式下的应用模型一 基于服务的应用模型，并讨论了与普适计算应用模型相关的若干关键技术。 在接下来的第3 章、第4 章、第5 章里着重研究了普适计算应用模型赖以实现的 三个关键技术：网络接入技术，服务网关技术和服务管理框架技术。 第3 章研究了网络接入技术。在研究传统接入技术的基础上提出了基于s s p 和 v p n 的接入方案。 第4 章研究了家庭服务网关技术，在此基础上提出了一种服务网关体系结构设计 方案。 第5 章研究了o s g i 制定的服务管理框架规范，利用o s g i 提供的a p i 实现了服 务管理框架的原型，并通过创建一个简单的b u n d l e 验证了框架原型实现的可应用性。 第6 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 中所做的一些相关工作。 在研究过程中，作者的主要贡献是： 1 提出了普适计算环境下的应用模型一基于服务的应用模型； 2 提出了基于s s p 和v p n 的家庭网络接入方案： 3 提出了一种家庭网关的体系结构设计方案： 普适计算核心技术研究 4 根据o s g i 提供的a p i 实现了服务管理框架原型，并通过创建一个简单的 b u n d l e 验证了框架原型实现的可应用性。 在研究期间，作者参加了上海广电集团s v a i b m 实验室的i h o m e 项目，进行了 普适计算研究，在国内核心刊物发表学术论文1 篇。 2 普适计算应用模型研究 2 普适计算应用模型研究 计算模式p 1 ( c o m p m m gp a r a d i g m ) 对计算技术的发展有着至关重要的作用。纵观 计算机进入人类社会的历史，我们可以清楚地发现，计算模式已经经历了主机计算 ( m a i n f r a m ec o m p u t i n g ) 和桌面计算( d e s k t o pc o m p u t i n g ) 两个时代。 在主机计算时代，计算机是稀缺的资源，人与计算机的关系是多对一的关系，计 算机安装在为数不多的计算中心里，人们必须用生涩的机器语言与计算机打交道。此 时，信息空间与我们生活的物理空间是脱节的，计算机的应用也局限于科学计算领域。 2 0 世纪8 0 年代，p c 开始流行，计算模式也随之跨入桌面计算时代。这时，人 与计算机的关系演变为一对一的关系。随后，图形用户界面和多媒体技术的发展使计 算机使用者的范围从计算机专业人员扩展到其他行业的从业人员和家庭用户，计算机 也从计算中心步入办公室和家庭，人们能够方便地获得计算服务。现在，伴随着人类 社会进入2 1 世纪的脚步，计算模式也开始跨入普适计算时代。 在普适计算时代 4 1 ，计算机将出现全新的变化。掌上电脑，智能电话，信息家电 等个人设备将纷纷进入家庭。它们将配备宽带通信设备，互联在一起并通过家庭网关 联入i n t e r n e t 。图2 1 是一个普适计算的基本场景。 摄像头 图2 - 1 普适计算基本场景 f i g 2 - 1as c e n eo fp e r v a s i v ec o m p u t i n g 普适计算核心技术研究 普适计算时代，人与计算机的关系将发生革命性的改变，不再是“以计算机为中 心”，而变为“以人为中心”。这种关系的改变使得传统的应用模型和技术难以适应社 会发展的需要。人们考虑问题的思路在转变，解决问题的手段和方法也随之改变，从 而引起应用模型的改变。 2 1 传统的应用模型 应用模型是人类客观世界的问题领域在计算机世界解决方案的拓扑结构，是- 1 7 关于应用程序的科学。组成应用程序的代码及其资源，按照其在应用程序中的功能， 可以被分解成为三个组成部分：用户界面，事务逻辑和数据存取 5 】【6 1 。应用程序的基 本功能单元如图2 - 2 所示。 r 而磊 厂司厂磊赢-。_。_。-。_。_。_。_。_。 图2 2 应闻模型基本功能单元 f i g 2 2f u n c t i o n a lu n i to f a p p l i c a t i o nm o d e l 2 1 1 单层应用模型 早期为大型机编写的应用程序，没有将应用程序的三个组成部分分开。用户通过 哑终端来共享大型机资源。哑终端没有任何处理能力，所有的用户界面、事务逻辑和 数据存取功能都是在大型机上实现。当时使用的是单层体系结构。单层的应用模型如 图2 3 所示。 国2 - 3 单层应用模型 f i g 2 3m o n o l i t h i ca p p l i c a t i o nm o d e l 2 1 2 两屡客户1 1 1 t 务器应用模型 p c 机的出现对应用模型的发展带来了巨大的推动力，这时出现了客户服务器模 式的应用程序，即应用程序的代码和资源被明确地划分为客户端和服务器端。因为 p c 机有了一定的处理能力，传统在大型机上实现的用户界面和部分事务逻辑被移到 6 ! ：兰重生兰堕旦堡型里茎 p c 机上运行，而大型机则提供部分事务逻辑处理和数据存取的功能。根据事务逻辑 在客户端和服务器端分配的不同，该种模型有图2 - 4 所示几种形式。 图2 - 4 两层客户，月良务器应用模型的三种形式 f i g 2 - 4t h r e ef o r m so ft w o - t i e rc l i e n t s e r v e ra p p l i c a t i o nm o d e l 2 1 3 多层客户，月务器应用模型 两层应用模型中的客户端逻辑有可能随着事务逻辑的改变而变化，从而需要重新 实现并发布一个新的客户端。三层或是更多层应用模型的出现，解决了这样的问题。 在三层的应用模型中，事务逻辑与用户界面和数据存取明显的分离开来，将客户端的 用户界面与服务器端的数据存取隔离开来从而极大地增强了应用程序的可维护性。 最常用的多层客户服务器模型是三层模型。现在已经出现了将事务逻辑层和数据存 取层增加的趋势，这种更多更细的分层不但提高了系统的可维护性能，同时也增加了 系统的可重用性和与分布式系统概念融合的可能性。图2 - 5 所示为一个典型的三层模 犁。 图2 5 三层客户朋务器应用模型 f i g 2 - 5t h r e e - t i e rc i i e n t ，s e n ，e r a p p i i c a t i o nm o d e l 普适计算核心技术研究 2 1 4 分布式应用模型 在多层的客户服务器应用模型中，下一层为上一层提供服务，上层调用下一 层提供的服务，这对功能的可重用性支持不够。为了最大限度地发挥系统的功能，分 布式系统打破分层系统中对于客户和服务器的定义，将应用程序的代码实现分解为遵 循某个标准规范的对象，这些对象中提供的功能被封装到接口中。在某个具体的事务 逻辑中，一个对象可能充当客户的功能，它需要调用另一个对象提供的服务；而在另 一个事务逻辑中，同一个对象可能为其它对象提供服务，充当服务器的功能。常见的 分布式对象规范有c o m d c o m 、c o r b a 、j a v ar m i 等。分布式应用模型如图2 - 6 所示。 图2 - 6 分布式应用模型 f i g 2 - 6d i s t r i b u t e da p p l i c a t i o nm o d e l 2 1 5 基于w e b 的多层应用模型 w e b 的发展，使得互联网的应用不再局限于提供一些静态的或者简单的动态的内 容。传统以独立的软件包形式发布的一些应用程序，正逐渐被搬上i n t e m e t ，以出租 2 普适计算应用模型研究 服务的方式提供给用户。w e b 的特点是i n t e m e t 上的h r r r p ，是一种请求应答式的服 务形式，这种基于w e b 的应用程序在体系结构上有其独有的特点。基于w e b 的多层 应用模型如图2 7 所示。 厂。 潞 卜( 龇枞s a - t u t ) 1 f 。 u 咄膦l r i p 胳 0 、 用莺颢 阚朝麟卜 益盅) 十 尊溯 ( 黼解)一 图2 7 基于w e b 的多层应用模型 f i g 2 - 7w e b - b a s e dm u l t i - t i e ra p p l i c a t i o nm o d e l 2 2 普适计算环境 在普适计算环境中，各种终端设备通过服务网关能够自动获得它所需要的设备 驱动，应用程序以及各种增值服务：服务集成商通过服务网关发布服务：服务仓储存 放着大量的后备服务；服务网关管理着各种服务，负责服务的装载，运行，绑定和依 赖关系等相关的服务操作，它向终端设备屏蔽了获取服务的各种细节，同时向服务集 成商隐藏了管理各种服务之间交互的烦恼，使人们将注意力集中到他们的任务上。这 不仅大大方便了人们使用各种各样的计算设备，而且大大增强了人们使用这些计算设 备的信心，体现了以人为本的计算。 为此，我们提出普适计算环境中各方的合作模型。如图2 8 所示。 9 普适计算核心技术研究 ， 月略 宜妾魁 多 、 服耕强卜 弋! ，)、- ，i l 、r 合懈 j 硒蚴晓 = _服 设 务 ：疗 接备 服黼 集 叫 入 制 成造 家献圄匏嗽 一 图2 - 8 普适计算环境中的合作模型 f i g 2 - bc o l l a b o r a t i v em o d e lo fp e r v a s i v ec o m p u t i n g 图中的服务开发商实现服务，然后把它提供给服务代理商来进行服务的大规模发 布，也可以直接提供给服务集成商。服务开发商可以提供服务给多个服务代理商和服 务集成商。 服务代理商收到服务开发商开发的服务，测试和验证那些服务是否符合标准( 如 o s g i 规范) ，然后把它们销售给服务集成商进行大范围的分发。它在开发商和集成 商之间提供了必要的代理服务，简化了两者的关系。 服务集成商会收到来自多个服务代理商或是服务开发商的服务包，并把服务包提 供给订户订购。集成商维护提供的服务的目录，管理客户对服务的订购( 比如订户的 信息，用户网关的信息等) ，负责给订户的系统软件和服务进行升级。 互联网服务供应商( i s p ) ，提供互联网服务给客户。它也能作为服务集成商的角 色。 接入供应商在客户家庭和互联网服务供应商的业务节点之间提供通信接入。接入 的带宽可能从低速p s t n 到宽带如a d s l ，接入供应商管理和操作网络接入设备，包 括安装，差错诊断和控制等。 设备制造商制造家庭网关等设备，给它们装上基本的客户组件如操作系统，虚拟 机等，给集成商提供了服务分发的硬件平台。 订户订购自己需要的服务。 1 0 ! ：矍堕笪竺壁旦苎型堕塞 开发商，代理商，集成商，互联网供应商，接入商和设备制造者一起合作为订户 提供需要的服务。在具体实施过程中，一个公司可以充当多个角色。 2 3 普适计算应用模型 如上所述，在普适计算环境中，服务成为最重要的概念，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。普适计算模式下的应用需要从服务的自适应 性角度来考虑。传统的应用模型如客户服务器应用模型、分布式应用模型、w e b 应用 模型等适用的问题空间和普适计算环境中的问题空间不同，在普适计算环境中难以发 挥作用。为了适应普适计算模式下的应用，便于普适计算模式下的应用开发，我们提 出了普适计算模式下的应用模型，这是一种基于服务的应用模型。普适计算应用模型 在逻辑上被看成是由网络环境中的“使用服务”和“提供服务”组成的，这些服务可 以分布、跨越物理和功能的边界以支持许多不同的应用。图2 - 9 描述了普适计算环境 下的基于服务的应用模型： or f 1 0 0 * ，7 ，。、，、 i 凰画i ij 、 一，、 一， 图2 - 9 普适计算应用模型 f i g2 - 9a p p l i c a t i o nm o d e lo fp e r v a s i v ec o m p u t i n g 昔适计算核心技术研究 图中，服务开发商提供各种服务；服务仓储存储后备服务：服务代理在服务开发 商和服务集成商之间提供了一个“买卖”接口：服务框架负责服务的分发、查找、绑 定等功能性事务；服务本身则在各种各样的终端计算设备上运行。总之，普适计算应 用模型是以“服务”为中心来设计的。 在普适计算应用模型中，用户界面将在各种各样的终端计算设备上依靠服务进行 处理，事务逻辑将通过服务的行为来体现，数据存取则关心逻辑上对服务的访问。 普适计算应用模型具有以下特点： 1 ) 极大地体现了以人为本的思想。在普适计算应用模型中，人们只需关注服务， 关注服务提供的功能能否满足人们的需求，而不用再关注相关软件是否安装了，是否 兼容等分散注意力的因素。 2 ) 极大的支持了服务的自主性。服务框架负责服务的分发、服务的查找、服务 的绑定等功能性事务，解决了服务的自动装载、运行、发布。 2 4 普适计算应用模型的若干关键技术 应用模型的改变，将必然带动相关计算机技术的发展。为了适应普适计算应用模 型，我们需要在下面的一些关键领域发展相关技术。 2 4 1 网络互联技术 在普适计算时代，成为应用主角的各种终端计算设备更多地将进入到家庭应用中 来。由于这些设备大量地进入到家庭，将迫使人们考虑如何将这些设各联入网络以获 取服务。家庭网络互联至少需要两种网络技术的支持：家庭内网互联技术和宽带接入 技术。其中，家庭内网互联技术有基于电力线、电话线和无线技术的。宽带接入技术 有光纤接入、混合接入、无线接入、铜线接入等。这些技术研究的公司众多，而且已 经十分成熟，进入了实用阶段，本文将不对它们进行研究。有了这两种技术，家庭网 络就可以实现接入，但是考虑到家庭网络连接的设备各种各样，到底把什么设备连入 i n t e m e t ，如何安全地把它们连入i n t e m e t 是个值得探讨的课题。家庭网络的接入需要 有一个考虑全面周到的方案。第3 章将研究家庭网络接入的几种方案，提出一种基于 s s p 和v p n 的安全的接入方案。 2 ，普适计算应用模型研究 2 4 2 家庭服务网关技术 家庭服务网关是一种将家庭网络无缝连接到宽带网络，使所有家庭内连网设备同 时享有高速连接的设备。家庭网关是互联网进入家庭，p c 在家庭中普及，家用电器 数字化，便携式通信和数据处理设备应用，家庭安全及环境控制的智能化要求的产物。 家庭网关本质上是作为连接家庭内部和外部网络的一种物理接口，家庭网关是智能家 庭局域网的核心部分，完成家庭内部同外部通信圈络之间的数据交换功能，同时网关 负责家庭智能设备的管理和控制，提供了一个用户获得各种电子服务的平台。第4 章将研究家庭服务网关，在此基础上提出一种家庭服务网关体系结构设计方案。 2 4 3 服务管理框架技术 家庭网络的接入和智能设备的互联是为了从i n t e m e t 上获取各式各样的电子服务 为人们提供生活和工作的便利。电子服务是一种在信息设备上运行的软件，它需要有 一定的运行环境，这个运行环境叫做服务管理框架。 电子服务及其执行平台必须满足以下几个条件： 1 ) 电子服务必须能在各种操作系统和平台上运行； 2 ) 电子服务的执行代码必须小巧，能在小内存设备上运行，对c p u 等计算资源 要求低。这样才能在各种嵌入式设备上运行； 3 ) 服务以及运行平台能远程自动升级，同时也能由授权的管理员手动升级： 4 ) 服务平台必须支持版本管理，一个尚未升级的节点必须仍能和升级完毕的节 点通信，反之亦然。 为了满足条件1 和2 ，目前只有使用j a v a 虚拟机和j a v a 语言。j a v a 具有平台无 关性和动态代码装载能力，用它写出的代码编译为字节码后十分短小紧凑。为了满足 条件3 和4 ，必须在j a v a 虚拟机上再加一层服务管理框架软件，电子服务在该框架中 运行，框架负责版本管理以及动态升级。 这里服务管理框架是关键，为了保证不同厂商开发的服务框架能互相兼容，能相 互通讯，保证电子服务能在不同厂商的的服务框架上运行，必须要为服务框架制定一 个标准，框架的开发必须符合标准的规定，提供一致的接口。现在这个服务框架的的 规范已经由o s g i ( 开放式服务网关开发小组) 制定并公开发布。i b m 开发了s m f ， 最新版本为3 1 ，主要用在q n x 操作系统上。s u n 发布了j e s 2 0 ，主要用在s o l a r i s 上。使用这些软件都是要收费的，而且它们的源代码是不公开的。这为不同系统间的 移植带来了困难，因此开发一套自主知识产权的服务框架软件十分必要。第5 章将在 苎望生墨堡：坚垫查堡塞 研究o s g i 制定的服务管理框架规范的基础上，利用o s g i 提供的a p i 实现一个服务 管理框架原型，并通过创建一个简单的b u n d l e 来验证框架原型实现的可应用性。 2 5 小结 本章在研究传统应用模型和普适计算环境的基础上提出了普适计算环境下的应 用模型一基于服务的应用模型，普适计算应用模型的提出，极大地体现了以人为本的 思想，给出了普适计算环境中解决问题的一种新思路，有助于人们解决普适计算中复 杂多变的计算问题，并对普适计算模式下应用程序的开发起着一定的指导作用。接着， 讨论分析了普适计算应用模型中若干需要发展的关键技术领域一家庭网络接入技术， 家庭服务网关技术和服务管理框架技术。当然，本章列出的这些关键技术领域并不能 概括所有的技术内容。随着应用的发展，更多的技术将被应用到普适计算应用模型中 来。在本章列出的这些技术领域中，有些领域已经有非常成熟的技术，有些领域才刚 刚开始研究，有些还在探索中。为此，在接下来的三章中，根据作者的研究情况，将 研究家庭网络接入技术，家庭服务网关技术和服务管理框架技术。 3 家庭网络接八方案研究 3 家庭网络接入方案研究 3 1 家庭网络要接入的设备 在普适计算时代，家庭网络要连接的设备除了p c 机以外，大量地将是各种智能 信息终端设备。另外通过使用x 1 0 ，l o n w o r k s ，c e b u s 等技术，还可以把传统设 备如电灯、电铃、电表等连到家庭网络中。家庭网络连接的设备是各种各样的，有基 于i p 的设备，也有不是基于i p 的设备。但是，为了把家庭网络连接到i n t e r a c t 中， 家庭网络必须和基于i p 的互联网进行通讯。如何在不是基于i p 的设备和基于i p 的 i n t e m e t 间进行物理连接及协议的转换，研究的公司众多，相关技术已十分成熟，这 里不作讨论。我们这里讨论家庭网络接入时，假定家庭网络是一个基于i p 的或者是 与i p 兼容的网络。 3 2 家庭网络接入方案 为了能从i n t e m e t 中远程的控制和管理家庭中的各种设备，以及这些设备能访问 互联网获得想要的服务，首先要解决的问题是家庭网络的接入。 现在在家庭网络接入方案方面的研究是个热点，通常接入方法是通过家庭网关直 接连接到互联网服务供应商( i s p ) 。这种方法有很多弊端，如要在网关上实现复杂的 防火墙来保护家庭内部的电器。下面本文将对家庭网络的接入方案作一个系统的研 究，在此基础上提出基于s s p 和v p n 的接入方案。 3 2 1 接入方案一 把家庭网络联入i n t e m e t 的最简单方案【7 】就是直接接入。家庭中的各种电器通过 集线器fh u b ) 连在一起，直接连到i s p 。如图3 - i 所示。 图3 - 1 简单的直接接八方案 f i g 3 - 1d i r e c tc o n n e c t i o ns o l u t i o n 普适计算核心技术研究 这种接入方案需要i s p 为每个家庭保留一定数量的口地址，以备用户家庭中不 断增加的联网家电之需。i s p 负责在i n t e m e t 和家庭网络间作数据包的转发工作，以 及实现防火墙以及安全策略。随着i p v 6 的到来，解决了i p 地址短缺的问题后，这种 接入方案在技术上是可行的。它的优点是简单，用户不需要在接入上作任何设置。但 这种方案的缺点也很明显，家庭网络中设备的地址是由某个i s p 提供的，如果用户希 望换另一家i s p ，那就要导致家庭中每个电器的i p 地址都要重新设定。虽然在技术上 可以通过改动i s p 的路由表来避免用户i p 地址的重设，但这会使i s p 的路由表不断 变大以及网络路由的不稳定，从长远来看不是一种好方法。 3 2 2 接入方案二 为了避免方案一中的i p 地址变动问题，在方案二中我们在家庭网络中使用私有 地址，通过家庭网关连接到i n t e r n 乱，网关上作网络地址转换( n a t ) 工作。如图3 2 所示。 图3 - 2 基于家庭网关的接八方案 f i g 3 - 2h o m eg a t e w a y b a s e dc o n n e c t i o ns o l u t i o n 这种方案中家庭网络中使用的是私有地址( p r i v a t ei p ) 这样用户在更换i s p 时 就不需要改动内部网络的地址设定。而且每个家庭最少只需要一个公有i p 地址就可 以实现接入，节省了i p 地址。网关负责实现数据包的地址转换工作，这一过程是透 3 家庭网络接入方案研究 明的，无需用户的参与。但这种方案的缺点是需要在家庭网关上做复杂的设置，加上 防火墙，设置访问策略，如果这种设置一旦需要改动就非常麻烦。目前的试验型家庭 网络的接入方案都是这种方式，由于具有上述缺点，这种方案缺乏灵活性，不适合家 庭网络的大规模推广。 3 2 3 接入方案三 为了解决家庭网关设置复杂性和难以改动的问题，我们提出在i s p 和家庭网络间 增加一个检查站，执行网络安全检查任务，我们把这个新增加的机构叫安全服务供应 商s s p ( s e c u r i t ys e r v i c ep r o v i d e r ) 。如图3 - 3 所示。 图3 - 3 基于s s p 的接八方案 f i g 3 - 3s s pb a s e dc o n n e c t i o ns o l u t i o n 通过在家庭网络和i s p 之间增加安全服务供应商s s p ，把家庭网关上的安全策略 设置的复杂性转移到了s s p 。s s p 负责实现安全策略提供家庭网络的安全接入。对 于家庭用户来说，s s p 充当了i s p 的角色。s s p 除了实现安全策略外，还可以对家庭 网络进行服务代理，加快访问速度。但是这种方案也有缺点，s s p 是家庭网络和i s p 之间必经之路，有可能会成为家庭联网的瓶颈。而且需要在家庭网络和s s p 之间重 新布线十分不方便。 普适计算核心技术研究 3 2 4 接入方案四 为了解决方案三中的问题，家庭网络通过家庭网关直接连线到i s p ，家庭网络和 s s p 不需要直接连线，而是通过v p n 技术8 1 连接。家庭网络设备发起的i n t e m e t 连接 通过i s p 直接送到互联网中。而由互联网发起的到家庭网络的连接由i s p 送到s s p ， 经过s s p 的安全检查后通过v p n 送到家庭网络中。如图3 4 所示。 图3 - 4 基于s s p 和v p n 的接八方案 f i g 3 - 4s s pb a s e dc o n n e c t i o ns o l u t i o nu s i n gv p n 这种接入方案避免了在家庭网络和s s p 间重新布线通过网络分流避免了s s p 的单点瓶颈问题，是一种安全的家庭网络接入方案。 3 3 小结 本章研究了家庭网络的几种接入方案，直接接入，基于家庭网关接入，基于s s p 的接入等，比较它们之间的优缺点，提出了基于s s p 和v p n 的接入方案。这种接入 方案避免了在家庭网络和s s p 间重新布线，通过网络分流避免了s s p 的单点瓶颈问 题，是一种较为完善的家庭网络按入方案。家庭网络的接入需要有家庭服务网关，家 3 家庭网络接入方案研究 庭服务网关本质上是作为连接家庭内部和外部网络的一种物理接口，家庭网关是智能 家庭局域网的核心部分，完成家庭内部同外部通信网络之间的数据交换功能，同时网 关负责家庭智能设备的管理和控制，提供了一个用户获得各种电子服务的平台。在下 面一章中作者将对家庭服务网关做一个系统的研究，在此基础上提出一种家庭服务网 关体系结构设计方案。 1 9 4 家庭服务网关体系结构设计研究 4 家庭服务网关体系结构设计研究 家庭网络要接入互联网，家庭网关 9 1 是关键，它是连接家庭内部网络与互联网的 接口，是分发服务的节点。家庭服务网关是一种将家庭网络无缝连接到宽带网络，使 所有家庭内部网络中的设备同时享有高速i n t e m e t 连接。家庭网关本质上是作为连接 家庭内部和外部网络的一种物理接口，家庭网关是智能家庭局域网的核心部分，完成 家庭内部同外部通信网络之间的数据交换功能，同时网关负责家庭智能设备的管理和 控制，提供了一个用户获得各种电子服务的平台。 4 1 家庭服务网关的定义 关于家庭网关的概念目前还没有形成一个标准。不同的人或不同的厂商对家庭网 关有着不同的定义。r e s i d e n t i a lg a t e w a yg r o u p ( r g ) 组织的家庭网关定义为：一种简 单的、智能的、标准化的、灵活的整个家庭网络接1 3 单元，它可以从不同的外部网络 接收避讯信号，通过家庭网络传递信号给某个消费设备。