（计算机软件与理论专业论文）反射式移动应用中间件的研究——策略选择算法及其实现.pdf

反射式移动应用中间件的研究一策略选择算法及其实现 摘要 无线技术和移动计算设备的迅速发展，改变了传统的分布式计算。与固定网 络计算不同，移动计算在无线环境中运行，其资源有限且可用资源经常变动，应 用需要感知并适应环境变化以保证服务质量。利用中间件处理环境感知及自适应 问题，可以有效的简化和便利移动应用的开发。 利用反射原理可以动态重配置中间件，是实现环境感知的有效方法，因为反 射系统可以通过自省和调整来对自身进行修改。l o n d o n 大学的c a r i s m a 平台 采用了元数据和反射技术来实现移动计算中间件的环境感知。由于不同用户的服 务质量需求不同，应用为满足用户需求，会以不同方式定制中间件，这些方式互 相之间可能存在冲突。c a r i s m a 利用微观经济学中的暗标拍卖法来选择执行策 略，解决了策略冗余的问题，却不曾处理策略缺失的情况。 本文基于c a r i s m a 平台，改进中间件的元数据，使之能更好的描述基层系 统，细化策略冲突及其产生原因，提出追求最大用户满意度的让步协商机制，解 决了因用户服务质量需求差异而导致的策略缺失问题。并且对策略选择中的标值 算法进行改进，将策略提供的服务质量与用户对服务质量的要求进行比较，使所 选择的策略能够更好地满足用户的服务质量需求；引入标值扣减反映执行代价消 耗，简化计算。 在提出的策略选择机制的基础上，论文分别给出通信代价和计算代价最小的 两种分布式算法，对两者进行比较分析，并实现此算法，说明让步协商机制的可 行性和正确性。最后，给出一个环境感知的反射式移动应用中间件c a r m a m 的 体系结构，并用一个在其上开发的具体应用实例来显示c a r m a m 为环境感知的 移动应用开发提供的支持。 关键词：移动计算，反射，中间件，配置，策略，环境感知 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er a p i d g r o w t h so f w i r e l e s s t e c h n o l o g y , c o u p l e d 、析t ha d v a n c e s i nm o b i l e c o m p u t i n gd e v i c e s ，h a v ef u n d a m e n t a l l yc h a n g e d t h e l a n d s c a p eo ft r a d i t i o n a l d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g u n l i k ef i x e dn e t w o r kc o m p u t i n g ，m o b i l ec o m p u t i n gn m n i n gi n aw i r e l e s se n v i r o n m e n ts u f f e r sf r o ml i m i t e dr e s o u r c e sa n do f t e ne x p e r i e n c e sc o n s t a n t c h a n g e si nt h ea v a i l a b i l i t yo fr e s o u r c e s ，t h e r e f o r e ，a p p l i c a t i o n sh a v et ob ea w a r eo f , a n da d a p tt o ，v a r i a t i o n si nt h ee x e c u t i o nc o n t e x t ，i no r d e rt od e l i v e rag o o dq u a l i t yo f s e r v i c et ot h e i ru s e r s i tc a ns i m p l i f ya n df a c i l i t a t et h ed e v e l o p m e n to fm o b i l e a p p l i c a t i o nt h a tu s i n gm i d d l e w a r e t od e a lw i t ht h ea w a r e n e s so fc o n t e x ta n d a d a p t a t i o nt oi t r e f l e c t i v ep r i n c i p l e ，u s e dt or e c o n f i g u r em i d d l e w a r ed y n a m i c a l l y , i se f f e c t i v et o a c h i e v ec o n t e x t a w a r e n e s s ，a sar e f l e c t i v e s y s t e m c a nm o d i f yi t s e l ft h r o u g h i n t r o s p e c t i o na n di n t e r c e s s i o n t h ec a r i s m ap l a t f o r mo fl o n d o nu n i v e r s i t yi sa m o b i l ec o m p u t i n gm i d d l e w a r e ，w h i c he x p l o i t st h ep r i n c i p l eo fr e f l e c t i o nt oe n h a n c e t h ec o n s t r u c t i o no fa d a p t i v ea n dc o n t e x t a w a r em o b i l ea p p l i c a t i o n s a sd i f f e r e n tu s e r s m a yh a v ed i f f e r e n tq u a l i t y o f - s e r v i c en e e d s ，a n da p p l i c a t i o n s ，i na na t t e m p tt of u l f i l l t h e s en e e d s m a yc u s t o m i z em i d d l e w a r eb e h a v i o ri nc o n f l i c t i n gw a y s t h ec a r i s m a p l a t f o r mu s e sam i c r o e c o n o m i ca p p r o a c ht h a tr e l i e so nap a r t i c u l a rt y p eo fs e a l e d b i d a u c t i o nt os o l v et h ep r o b l e mo fp o l i c yr e d u n d a n c y , w h i l eh e l p l e s st op o l i c ys h o r t b a s e do nc a r i s m a ，t h i sp a p e ri m p r o v e st h em e t a d a t a ，a p p l i c a t i o np r o f i l e ，t o d e s c r i b et h eb a s e l e v e lm o r ea p p r o p r i a t e l ya n dr e f i n e st h ep o l i c yc o n f l i c t sa n dt h e c a u s eo ft h e m t of u l f i l lm o s ts a t i s f a c t i o no fe v e r ya p p l i c a t i o ni n v o l v e d t h i sp a p e r p r o p o s e sac o n c e s s i o nm e c h a n i s mt os o l v et h ep r o b l e mo fp o l i c ys h o r t i na d d i t i o n ， t h i sp a p e rm o d i f i e st h ea l g o r i t h m so fb i dc o m p u t i n gi nc a r i s m a ，c o m p a r e sq o s a f f o r d e db yp o l i c yw i t ht h er e q u i r e dq o so fu s e rt om a k et h ee l e c t e dp o l i c ys a t i s f yt h e q u a l i t yo fs e r v i c eo fd i f f e r e n tu s e r s ，a n di m p o r t sm i n u sb i dt oe x p r e s sr u n n i n gc o s ti n o r d e rt os i m p l i f yb i dc o m p u t i n g a c c o r d i n gt ot h ep o l i c yc h o i c em e c h a n i s mp r o p o s e da b o v e ，t h i sp a p e rp r o v i d et w o d i f f e r e n td i s t r i b u t e da l g o r i t h m st oi m p l e m e n ti t ，t h ef i r s to n et h a ta t t e m p t st om i n i m i z e c o m m u n i c a t i o nc o s t s ，a n dt h es e c o n do n et h a ta i m st om i n i m i z ec o m p u t a t i o nc o s t s t h e n ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e i rs i m i l a r i t i e sa n d ，m a i n l y , t h e i rd i f f e r e n c e s m o r eo v e r ， t h i sp a p e ri m p l e m e n tt h ea l g o r i t h m st oa r g u et h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo fo u r c o n c e s s i o nm e c h a n i s m f i n a l l y , t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ea r c h i t e c t u r eo fa c o n t e x t a w a r er e f l e c t i v em o b i l ea p p l i c a t i o nm i d d l e w a r e ，a n dp r o v i d e sa ni n s t a n c e o fac o n c r e t e a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n to nt o p o fi tt os h o wi t s s u p p o r tf o r c o n t e x t a w a r ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：m o b i l ec o m p u t i n g ，r e f l e c t i v e ，m i d d l e w a r e ，c o n f i g u r e ，p o l i c y , c 0 n t e x t a w a r e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：汩多年多月日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图 书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位 论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内 的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布 ( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：垒坠跏么年6 月日 反射式移动应用中间件的研究一策略选择算法及其实现 1 1 背景 第一章绪论 当前，移动计算设备，如掌上电脑、移动电话、p d a 、数码相机等，其计算 能力迅速增长，而体积却不断缩小，在日常生活中得到广泛应用。无线网络的带 宽迅速增长，使得移动单元能够集成而形成复杂的分布式系统结构，在位置改变 时无缝连接到固定网络。这些技术的结合使得人们可以随时随地访问个人信息和 公共资源。随着这些设备的联网和便于第三方开发应用的软件开发工具集的发 展，这些设备的使用更将迅速增加。然而，移动计算技术的发展了也产生了新的 问题。 1 1 1 移动计算环境的特殊性 传统的分布式系统是由固定主机组成的相对静止的网络结构，系统中的主机 执行在稳定的环境中。移动分布式系统与之相比，存在很大差异。第一，移动计 算终端固有的移动性造成了其资源环境是有限制的，尽管便携式设备的计算能力 迅速增长，其c p u ，内存等还是低于一般的固定设备，例如，使用电池作为电 源的便携式计算机，其有限的电池能量就是其在使用过程中的限制：由于当今的 技术允许硬件带电插拔，因而与这些构件相关的资源也是变化的。第二，移动网 络拓扑动态性很强，结点可以自由加入和离开。传统分布式系统中，主机也可以 加入，删除和移动，但是其频繁程度要远远低于无线设备。第三，固定分布式环 境中，执行环境是静态的，带宽高且较稳定，主机位置几乎不变化，服务虽然可 以变化，但可用服务的发现比较容易实现，如通过要求服务提供者注册知名的位 置服务。相比知下，便携式设备的执行环境是动态改变的，且这种改变迅速、未 知而剧烈。由于其位置不再固定，依赖于位置的服务和主机以及网络连接质量也 随之发生变化。无线网络的性能很大程度上依赖于使用的协议和技术，常常会发 生难以预见的连接丢失。此外，移动用户在移动过程中，还可能从一个网络转移 到另一个网络，例如在户外可以利用蜂窝电话或c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e t d a t a ) 进行连接，而在室内则可利用红外线或无线网络进行连接 移动性打破了传统分布式系统中稳定性的概念，产生了动态性的新概念。物 理基础设施稳定性的丢失向应用设计者提出了新的挑战。应用需要对环境中的频 繁改变( 如位置和可用资源的变化，网络带宽的变化) 做出应对。当主机移动时， 需要面对暂时和未知的网络连接丢失。它们通常参与短暂连接会话，需要以自主 模式发现其它主机和服务。并且需要应用根据采用的无线连接支持不同的通信协 议。 河海大学硕士学位论文 在移动设备提供的网络操作系统之上直接构建应用麻烦且易于出错，应用开 发要处理移动性带来的所有需求，因此，构建和维护移动应用开销较高，效率却 较低。 1 1 2 中间件的适应性 分布式系统是若干独立计算机的集合，这些计算机对于用户来说就像是单个 的相关系统。开发传统分布式应用时，网络操作系统和分布式应用之间的中间件， 实现了o s i 参考模型的会话层和描述层，为应用设计者提供了远程计算、消息传 递、事务和例外处理等抽象，使得设计者无需处理和分布性相关的问题，如异构、 可扩展性、资源共享和容错【l 】。由于移动计算环境的特殊性使得适应于移动分布 式系统的中间件和用于固定分布式系统的传统中间件有着不同的要求1 2 j 。 第一，系统负荷要求不同，移动计算设备的资源限制要求轻量级的计算负荷。 固定分布式系统由资源丰富的固定设备组成，在其上开发分布式应用时，为获得 最优的服务质量可以利用所有可用的资源( 如最快的处理器或最大的存储设备) 。 因为由中间件来处理容错、安全和资源共享等非功能性需求，所以服务质量越优， 中间件的负担越重。移动应用运行在资源有限的设备之上，需要权衡计算负担和 能够获得的非功能性需求。例如，可以允许数据复本中间暂时不一致，仅要求其 最终达到一致。 第二，通信模式不同，移动计算间歇性的连接要求异步通信。传统分布式系 统有稳定的网络基础设施，主机通过高带宽连接和网络长久相连。这意味着请求 的传递方和接受方同时连接到网络，因此通信一般采用同步模式，如分布式事务、 对象请求和远程过程调用。移动设备，通常只是短暂连接到网络，访问数据或请 求服务。其可用带宽远小于固定分布式系统，当进入无网络覆盖的区域时甚至将 突然降为0 。因为应用自愿( 节省电量) 或被迫( 失去网络覆盖) 断开连接，客 户请求服务和服务器传递服务经常不在同一时刻连接。因此，移动计算中间件需 要考虑网络基础设施的动态性并采用异步通信模式。 第三，透明性要求不同，移动计算动态变化的环境要求应用能够感知到环境 变化。固定分布式系统的执行环境一般是静态的：设备地址很少改变，系统拓扑 长期保持，带宽也比较稳定。因为其静态环境的特性，传统中间件向应用开发者 隐藏了环境信息，由中间件管理环境的些许改变，而无需开发者考虑。和固定分 布式系统不同，移动系统的执行环境动态变化。环境的高度变化和资源的限制将 影响中间件判定和选择的方式，因此，应用应可以感知到环境变化以优化应用和 中间件的行为。 虽然固定分布式系统的很多原理可以应用到移动计算中，但移动计算环境的 特殊性需要中间件的开发人员使用新的抽象和机制来为移动应用构建新一类的 中间件，适应移动计算的需要，便利移动应用的开发。 反射式移动应用中间件的研究一策略选择算法及其实现 1 2 相关技术 1 2 1 分布式系统及中间件 分布式系统由分布在不同主机上的组件组成，这些主机通过计算机网络连 接。这些组件互相之间需要交互来交换数据或访问其他组件的服务1 2 】。无论是固 定还是移动的分布式系统都符合上述定义，二者的区别主要体现在终端设备、网 络连接和执行环境三个方面。根据终端设备的固定或移动、网络连接的长期或间 歇和执行环境的静态和动态，典型的分布式系统可以分为：传统分布式系统、漫 游式( n o m a d i c ) 分布式系统和a dh o c 移动分布式系统【2 j 。 传统分布式系统是固定主机的集合，通过高带宽和稳定连接与网络持久相 连，在静态环境中执行，要确保可扩展性、开放性、异构性、容错性和资源共享 等非功能需求。漫游式分布式系统，介于完全固定和完全移动的系统之间，通常 由一些移动设备和基础设施组成，基础设施是由固定的有线结点组成的。漫游式 分布式系统中，移动设备在各地移动，维持和固定网络的连接，由无线网络连接 固定基础结构的边缘和移动设备。计算和连接过程的加载主要在主干网络上执 行，服务由核心网络提供给移动客户，允许网络断开并提供透明的重新连接和重 新同步服务。因为系统核心依然是固定网络，所以也有相应于固定分布式系统的 非功能需求。a dh o e 移动分布式系统由一些移动终端组成，通过质量高度变化 的连接和网络相连，在高度动态的环境中执行，没有固定的基础设施。其移动终 端不仅具有主机的功能，还具有路由器的功能。 中间件是一个分布软件层( 或平台) ，抽象了底层分布环境( 网络、主机、 操作系统、编程语言) 的复杂性和异构性。中间件通过提供简单、一致、集成的 分布编程环境，简化分布应用的设计、编程和管理1 3 j 。这种软件层位于应用程序 和网络操作系统之间，因此被称为中间件。中间件通过配置独立的a p i 层向应用 开发者隐藏分布式系统的复杂性，为应用编程和平台依赖架起桥梁。网络通信， 协调性，可靠性，可扩展性和异构性是传统中间件的基本要求。 1 2 2 反射式软件中间件 1 2 2 1 反射理论 计算反射( c o m p u t i n gr e f l e c t ) 是指系统访问、推理和作用于自身状态或行 为的一种能力。反射系统是一个包含描述其自身结构的系统，系统的所有这些结 构称为自表示，自表示与系统描述的问题域因果相连【4 1 。当系统能够用与其推理 和操纵问题域相同的方式推理和操纵自身时，系统就是反射的。 河海大学硕士学位论文 反射系统一般由两种不同的层次组成：基层( b a s e 1 e v e l ) 实现系统的业务逻 辑，是观测与调整的目标实体；元层( m e t a 1 e v e l ) 实现与反射相关的逻辑，是 观测与调整的执行对象。基层与元层因果相连( c a u s a l c o n n e c t i o n ) ，即，基层实 体状态或行为的任何变化导致相应元层实体的变化( 又称为自省i n t r o s p e c t i o n ) ； 反之，元层实体的变化也导致基层实体发生相应变化( 又称为调解i n t e r c e s s i o n 或e f f e c t u a t i o n ) 。元层实体进行的观测与调整都将转换为对基层实体的访问与操 纵，这种转换可理解为基层实体实化或具体化( r e i f y ) 了元层实体，而整个过 程则称为元层实体对基层实体的反射p j 。 1 2 2 2 反射中间件概述 传统的中间件主要侧重于解决异构和分布情况下的复杂问题，在这种思想指 导下，系统的实现细节通过抽象的方式隐藏起来，形成了一个典型的黑箱结构。 黑箱抽象的原则带来不少优点，在很大程度上提高了程序的可移植性和可重用 性，但是缺少必要的灵活性和适应性。而中间件处理的是复杂的分布式应用问题， 因而常常面对变化的运行环境和不同的用户需求。因此，开放实现的思想被引入 到中间件的设计中来，出现了一系列支持反射技术的中间件。 反射中间件( r e f l e c t i v em i d d l e w a r e ) ，是实现了反射机制的中间件系统。同 一般的中间件相比，其本质区别在于是否在中间件系统中采用了反射机制。具体 说，反射中间件是指在中间件系统工程中采用反射机制，以达到开放性 ( o p e n n e s s ) 、可配置性( c o n f i g u r a b i l i t y ) 和可重配置性( r e c o n f i g u r a b i l i t y ) 要求 的体系结构【6 】。在中间件设计中运用反射技术，可以检查系统的结构、状态和行 为；使系统更好的适用新的环境，并更好的应对各种变化；分离了系统的功能属 性和非功能属性，增强系统的可修改性。通过实现反射机制，反射中间件可以克 服传统中间件系统的单一性和不灵活性，从而可以更好的支持新的应用领域，例 如网络多媒体，实时系统和移动系统等。当前主流的反射中间件系统主要有： i l l i n o i s 大学的d y n a m i c t a o 系纠7 】，l a n c a s t e r 大学计算机系的b l a i r 等学者研制 的基于组件和反射技术的o p e n o r b l 8 】中间件平台，l a n c a s t e r 大学和朗讯科技 ( l u c e n tt e c h n o l o g i e s ) 公司的研究者们合作开发的支持移动应用的反射中间件 平台r e m m o c 引，法国学者l e d o u x 等研究的o p e n c o r b a j ，北京大学计算机 系的p k u a s 6 ，】系统等。 1 2 3 移动计算中间件 移动计算环境的移动性主要体现在三个方面【1 2 】：用户移动、终端移动和移动 访问。用户移动需要独立于用户所处的位置，为用户提供一致的工作环境，包括 用户的配置信息及其“订阅”的服务；终端移动需要终端设备无论在任何接入点 反射式移动应用中间件的研究一策略选择算法及其实现 接入网络，都能正常工作，也就是说底层网络对终端设备是透明的；移动访问需 要动态适应移动的资源和服务，保证用户及其终端设备可以随时随地找到这些服 务。移动计算需要一个基础设施将合适的协议、机制、工具集成起来，适应上述 三方面的移动性和动态性。一种方法是开发自适应的应用，这些应用根据当前环 境调整自身的操作，以向用户提供最好的方法。然而，这样就需要应用开发人员 检测当前环境信息并对环境变化做出反应，即需要处理移动性的问题。为减轻应 用程序员的负担，移动中间件就成为一种向程序员提供开发移动应用的支撑平台 的合适技术【1 3 】，它随时对移动用户和终端进行跟踪和重定位，保证移动实体的相 互通信，克服系统的异构性。 因为移动分布式系统的特殊性，移动应用和固定分布式应用的需求也有很大 差异。一些适用于移动环境的系统依赖于应用而不是中间件来处理服务和非功能 需求；另方面，一些学者也在研究满足移动计算某些需求的中间件，目前主要 集中于以下方面。 1 2 3 1 传统中间件应用于移动计算系统 传统中间件应用于移动计算，一种是关注连接性和消息交换，改造面向对象 中间件来适应移动设备，如1 1 0 p ( t h ei n t e m e ti n t e r o r bp r o t o c 0 1 ) 已成功转移到 移动设备用作移动设备的最小o r b t l 4 j ，c o r b a 和i i o p 与w a p ( w i r e l e s sa c c e s s p r o t o c 0 1 ) 栈一起使用，使得通过w a p 和网关连接的移动设备能够使用固定网络 上的c o r b a 服务。 传统中间件应用于移动计算的另一方向是半异步通信模式的研究，以适应移 动计算的异步通信模式要求，如r o v e r t l 5 1 是基于r p c 的中间件，增强了队列延 迟和缓存能力以处理间歇性的断开，面向消息的中间件j m s 【l6 j ( j a v am e s s a g e s e r v i c e ) 支持点对点的发布订阅模式。 移动计算的高度动态性和资源限制，对服务质量保证是一个挑战。 m o b i w a r e 1 。7 】是面向服务质量的中间件，它使用c o r b a ，i i o p 和j a v a 来调整移 动环境下的服务质量，l 2 i m b o t l 8 j 也是面向服务质量的中间件，它基于元组空间 的服务质量感知系统。 1 2 3 2 面向数据共享的中间件 面向数据共享的中间件的主要目标是支持离线操作和数据共享，主要系统有 c o d a 、o d y s s e y 、b a y o u 和x m i d d l e 。它们通过让用户访问复本而最大化数据的 可用性，相互之间的区别是确保最终一致性的复本迁移方式，即查找和解决移动 系统中数据冲突的方式。 河海大学硕士学位论文 c o d a 1 9 】是大规模分布式计算环境下的文件系统。通过服务复本和断开连接 操作这两个不同但互补的机制来适应服务和网络失败。o d y s s e y 2 0 1 改善了c o d a 采用的应用透明方法，引入环境感知和应用依赖的行为，允许在移动计算设备中 使用这些方法。b a y o u 【2 i j 存储系统为协作应用提供基础设施，管理并发活动导致 的冲突，依赖于移动计算中波动的连接。x m i d d l e 允许移动主机连接时共享数据， 断开时离线复制数据执行操作，重新连接后调整数据，其数据复制的详细过程参 见文献【2 2 】。 尽管已有上述用于移动设备的数据的异步协议，但是仍然缺乏一个异步的标 准，因为这些协议仅仅实现在个别设备上并只能访问某些网络数据。这对于用户、 应用开发者、服务提供者以及设备制造商都是一种限制。 1 2 3 3 面向服务发现的中间件 传统中间件系统中，服务发现使用固定命名服务，主机知道服务所处的位置。 分布式p 2 p 网络中，因为主机加入移出网络频繁，服务发现相对困难。漫游式移 动系统，因为有固定基础设施，服务发现并不十分困难，而a dh o c 移动分布式 系统中，允许服务存在于漫游的主机上，查找就相当困难。 大部分a dh o c 移动分布式系统有自己的服务发现方法，如l i m e 2 3 j 和 x m i d d l e 2 2 j 使用完全的a dh o c 策略，主机不断监测环境以检查可用服务，这种方 法以损耗电力为代价。当前标准的服务发现框架主要有：u p n p ( u n i v e r s a lp l u ga n d p l a y ) 2 4 】、j i n i 2 5 1 、s a l u t a t i o n 2 6 1 、j m a t o s 2 7 1 和s l p ( s e r v i c el o c a t i o np r o t o c o l l 2 s 】 等。 r e m m o cf r e f l e c t i v em i d d l e w a r ef o rm o b i l ec o m p u t i n g ) 9 1 是l a n c a s t e r 大学和 美国朗讯科技( l u c e n tt e c h n o l o g i e s ) 公司的研究者们开发的一个可配置和可重 配置的反射中间件平台，它支持移动应用开发并克服了移动环境的异构属性。 r e m m o c 结合反射中间件和w s d l ( w e bs e r v i c e sd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 编程模型 解决了移动客户交互问题。r e m m o c 是构建在o p e n o r b 项目中提出的反射和组 件概念基础上的中间件平台，平台构建在组件框架之外，包括组件的配置，其中 组件结构可通过元对象协议改变。通过元对象协议可以检查和调用框架内可用的 接口，观察和改变组件体系结构，并插入拦截器动态增加新行为。 1 2 3 4 环境感知的中间件 移动计算环境的高度变化性要求应用或者中间件能够感知到运行环境，适应 环境的变化，因此环境感知的移动计算中间件的研究也是热点之一，当前研究的 现状和主要的成果将在下一章详细介绍。 6 反射式移动应用中间件的研究一策略选择算法及其实现 1 3 本文目的及主要工作 移动设备运行在动态变化的环境中，需要对环境中频繁而未知的改变做出反 应，使用反射中间件可以支持自适应和上下文感知的移动应用。目前，国内外已 经有一些基于上下文感知的移动计算中间件的研究，其中伦敦大学的 c a r i s m a l 2 9 , 3 0 , 3 1 , 3 2 平台应用反射原理来增强自适应和环境感知的移动应用的构 造。当根据环境条件进行配置和重配置时，会发生策略冲突，c a r i s m a 采用微 观经济学的暗标拍卖法来解决策略冲突，但是该方法仅仅适用于策略冗余的情 形，对于策略缺失的情形束手无策；并且在策略的标值计算方面也存在一些问题。 本文在分析移动应用及计算环境中中间件的特点的基础上，使用元数据和反 射技术实现移动计算中间件的可配置性和可重配置性，对配置策略冲突进行分 类，区分策略缺失和策略冗余，改进暗标拍卖法，解决因服务质量问题而引起的 策略缺失，改善了策略选择机制，提出追求最大应用满意度的让步协商机制，使 策略的选择更能反映应用对服务质量的要求和资源消耗，并对该策略选择机制进 行了分析和比较。根据系统的通信和计算开销的要求，给出两种分布式实现算法， 并做出比较。最后文章给出了一个环境感知的移动应用中间件的框架，和符合此 框架的一个具体应用实例。 1 4 本文的组织 本文的余下章节的主要内容为： 第二章介绍基于环境感知的中间件，引入元数据和反射技术来支持环境感知 中间件的配置和重配置，并给出了改进后的元数据的表示应用剖面。 第三章详述环境感知的中间件在自适应策略选择时发生的策略冲突，以及现 有的策略冲突解决机制。并且介绍了其他领域相关冲突解决机制，与其不适用于 移动计算环境的原因。 第四章分析冲突解决机制的特征与要求，在c a r i s m a 中的暗标拍卖法基础 上提出了追求最大应用满意度的竞标算法，对算法进行分析，证明其有效性和合 理性。并且，以最小通信开销和最小计算开销为目标，分别给出了策略选择机制 两种的具体实现算法，并做出比较和分析。 第五章给出一个使用最大满意度机制进行服务策略选择的环境感知的反射 式移动应用中间件的体系结构，并用一个在此中间件之上运行的应用实例说明该 中间件为开发环境感知的应用提供的支持。 第六章总结全文工作，并对进一步的工作做出展望。 河海大学硕士学位论文 第二章移动应用中基于环境感知的反射 如前一章所述，移动环境的特殊性要求中间件具有环境感知的能力，而反射 技术的特征可以为环境感知和自适应提供支持。本章介绍主要的环境感知移动中 间件，使用元数据和反射技术实现中间件的可配置性和可重配置性，描述其反射 机制。并且，在c a r i s m a 平台的基础上，改进反射中间件的元数据应用剖 面。 2 1 环境感知与反射 移动系统执行在动态环境中。环境( c o n t e x t ) ，指影响应用行为的任何因素， 包括物理设备的内部资源，如内存大小、屏幕大小、电池电力和处理能力：外部 资源，如位置、网络带宽、网络连接质量、连接方式和可用主机或服务；用户行 为：开车或参加会议等【3 3 】。移动应用需要感知到执行环境中发生的变化，适应这 些改变，继续向用户提供高质量服务。 环境感知是应用软件系统感知和分析来自各种资源的环境的能力，使应用软 件在不同环境中自适应地采取不同行为。获得环境感知，适应环境改变，应用开 发人员必须面对以下问题：处理异构物理传感器收集环境信息，不同传感器获得 的信息格式不同，需要进行不同处理以便被不同应用使用。信息一旦被收集和处 理，应用行为必须适应新的环境配置，因此需要一种机制发现应用关心的环境变 化，执行需要的自适应策略。然而，这种机制不能简单基于可能的环境配置和相 应自适应策略的静态映射，因为应用开发者不能预见所有执行环境；并且用户需 要可能随着时间变化，因此不同时间需要不同的白适应策略。故而需要一种对应 于不同环境配置的动态自适应策略。 如果由应用开发人员处理这些问题，将增加应用开发人员的工作负担，阻碍 移动应用的构建和维护。中间件位于网络操作系统和应用之间，可以为应用开发 人员隐藏物理传感器异构性，并根据不同用户的需要，提供机制动态决定采用哪 个自适应策略以应对环境改变。即由中间件代替应用，和物理传感器交互，收集 环境信息，以特定于应用的模式处理信息，检查应用关心的配置，执行需要的适 应策略。从而中间件需要具有环境感知的能力。 分布式系统中，反射向中间件平台引入了开放性和灵活性，因为反射系统可 以通过自省和调整来对自身进行修改。利用反射原理可以动态重配置中间件，是 实现环境感知的有效方法。通过自省，系统的内部行为显露出来，从而可以插入 额外的行为来监测中间件的执行：通过调整，增加或修改系统属性，系统的内部 行为可以动态改变。这样，移动设备上只需安装具有最小功能集的中间件核心部 分，应用根据自身需要监测和调整中间件行为。因此，采用反射技术可以构造轻 反射式移动应用中间件的研究一策略选择算法及其实现 量级的中间件来支持环境感知。中间件可以把环境信息保存在内部数据结构中， 通过反射机制，应用可以获得其执行环境的信息并相应调整中间件的行为。 2 2 主要的环境感知移动中间件 当前移动系统的研究已经使用反射技术来实现动态环境感知和自适应机制， 环境感知的移动中间件的主要研究成果有以下一些： 2 2 1c a i u s m a c a r i s m a ( c o n t e x ta w a r er e f l e c t i v em i d d l e w a r e s y s t e m f o rm o b i l e a p p l i c a t i o n s ) 是伦敦大学计算机系c a p r a 2 9 3o 叭3 2 j 等人设计的移动计算中间件， 它应用反射原理来增强自适应和环境感知的移动应用的构造。基于环境感知的基 本思想，c a p r a 等人在设计c a r i s m a 系统时，一方面使得系统能在运行过程中， 不断探测底层操作系统和网络环境，并把相关信息组织成一定数据格式反馈给用 户，由用户据此做出选择判断，为自己定制相应的移动服务；另一方面，移动用 户也可根据自身要求向中间件递送请求，实现服务的定制与配置。在中间件和移 动用户的交互过程中，c a r i s m a 系统中采用应用剖面( a p p l i c a t i o np r o f i l e ) 作 为c a r i s m a 系统的反射元层，主要包括服务情况、环境资源情况、服务运行策 略三方面内容。中间件系统可将系统服务当前运行的结构行为和相关环境信息具 体化成应用剖面形式提供给客户应用，客户应用对应用剖面的修改和调整将直接 反射到中间件系统中去，完成对功能服务的重配置。 2 2 2r c s m r c s m ( r e c o n f i g u r a b l ec o n t e x t s e n s i t i v em i d d l e w a r e ) 3 4 , 3 5 j 是美国亚利桑那 州大学的研究者为便利环境感知的普适计算软件的开发和运行时操作而研究的 可重配置的环境感知的中间件。r c s m 通过提供基于对象的框架支持上下文感知 的应用，采用面向消息和应用透明的通信模型( 环境触发通信模型) 支持a dh o c 通信，并且两者相互结合。r s c m 还可以解决移动设备和网络基础设施( n e t w o r k i n f r a s t r u c t u r e s ，n i ) 的动态结合问题，动态结合是移动设备以应用透明的方式发 现、通信和使用附近n i 中的其所需资源的过程。动态结合的优势在于移动设备 和n i 中的应用可以互操作，好像移动设备本身是n i 的一个部分，反之亦然。 r c s m 的新特性是其动态结合机制是环境感知的，因此移动设备上的应用软件和 n i 间的结合可以限制到特定的环境，如特定地点或特定时间。再者，r c s m 在 动态资源发现和网络方面提供透明性，使得应用层结合容易达成，结合过程对 n i 中的应用软件没有开发时约束。 河海大学硕士学位论文 2 2 3m o b i p a d s m o b i p a d s 是香港理工大学的主动部署服务的移动平台系统1 3 引。m o b i p a d s 支持环境感知处理，通过提供一个执行平台使得主动服务部署和服务组件的重配 置根据环境的变化进行。与大多数移动中间件不同的是，m o b i p a d s 在中间件和 应用两层支持动态适应性，提供灵活的资源重配置来优化移动应用的操作。在 m o b i p a d s 系统内，服务配置为链式的服务对象，为下层移动应用提供可扩充的 服务和协议，缓解无线环境的不利条件。服务对象的交互和配置的抽象用x m l 语言描述，服务对象的动态组合是可定制的，直接使应用适应环境的操作环境。 m o b i p a d s 平台由两种a g e n t 组成：位于无线网络的m o b i p a d s 服务器和通过无 线或蜂窝网络连接到i n t e m e t 的移动设备上的m o b i p a d s 客户。m o b i p a d sa g e n t 由两部分组成：系统组件和m o b i p a d s 服务空间。 2 2 4c a s m c a s m ( c o n t e x t a w a r es e r v i c e sm i d d l e w a r e ) p7 j 是韩国电子和电信研究学会 的一个用于移动和泛在计算环境中的中间件，为构造和迅速开发环境感知的应用 和服务原型提供中间件层的支持，他提供对大部分处理环境信息的任务的支持， 包括从各种来源获得环境信息、环境信息的解释和环境信息的分发。c a s m 中间 件体系结构包括构建时和运行时两个部分：构造时为服务提供的信息建模，包括 传感器模型、环境模型、用户模型、任务模型和服务模型。运行时使用构造时环 境信息模型向用户提供服务，其组件包括环境管理器、任务引擎和事件通知系统。 c a s m 将真实世界视为由物理空间和计算机空间组成，c a s m 为用户和计算机 进行资源交互。物理世界中的各种物理对象被映射为计算机空间中的对象，由 c a s m 控制。c a s m 根据真实世界中物理对象的内部外部环境信息，决定一个 物理对象提供的特定服务。 2 2 5 其它 u i c ( u n i v e r s a l l yi n t e r o p e r a b l ec o r e ) 3 8 , 3 9 j 是用于移动设备的最小反射中间件， 它由可插拔的组件组成，允许开发者根据不同设备和环境配置中间件，解决异构 问题，其配置可以在编译时和运行时自动更新。，在和u i c 类似的框架之上， g a i a 4 0 】增加了对环境条件的动态适应支持。g a i a 定义了活动空间，可以描述和 动态操作服务、用户、数据和位置，还定义了事件分配、查找、安全和数据存储 等服务。文献 4 1 】提出了一种移动计算应用中事件通知的中间件，通过不同事件 信道来区分不同环境和环境变化的通知。 1 0 反射式移动应用中间件的研究一策略选择算法及其实现 2 3 自适应与重配置 2 3 1 移动中间件系统的自适应 中间件和应用需要对那些环境信息做