（计算机软件与理论专业论文）普适计算环境下服务发现中间件的关键技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 继主机计算、个人机计算之后，网络计算已经发展成为第三代的计算模式。 在网络计算中，普适计算又成为其中最重要的分支之一。普适计算强调以“人” 为中心的计算，目的在于形成一个无时不在、无处不在而又不可见的计算环境， 是2 l 世纪的计算模式。在普适计算环境中包含多种异构资源，其异构性包括不 同的网络架构之间，不同的硬件平台之间，不同的操作系统之间，不同的应用 服务之间的集成，要想使环境中的服务无缝集成，协同工作，就要整合很多异 构的资源设备和不同的应用系统。服务发现中间件技术是解决普适计算环境异 构性、实现应用集成的有效途径，它能够在动态变化的普适计算环境中查找、 定位所需的服务，从而克服普适计算环境的动态变化特征对于用户发现并调用 服务的影响，因此，逐渐成为普适计算中研究的一个热点和重点。 与传统的中间件技术相比，普适计算中间件有自己的特性和需求。论文首 先介绍了国内外普适计算研究的现状和普适计算中间件的特性需求，对国外目 前已有的大部分服务发现协议作了一个比较总结；然后结合普适计算智能办公 环境给出了一个酱适计算中间件系统的设计方案，分析了服务发现中间件的设 计原则并给出了系统架构的设计，介绍了服务发现中间件各个组成组件的处理 流程；重点讨论了普适计算服务发现中间件涉及的若干关键技术：服务描述协 议、相对寻址技术、最佳服务匹配算法、安全与权限控制问题等，并给出了相 应的算法实现；论文的最后指出了今后进一步的研究方向。 本文的工作对于普适计算环境中服务发现中间件的设计和开发具有一定的 参考意义，对于普适计算环境下其它类型中间件的研究和开发也具有一定的借 鉴作用。 关键字 普适计算服务发现中间件 a b 咖c t a b s t r a c t a f t e rt l l em a i l l 疳咖ec o m p u 血g 柚dp t 嬲o n a lc o m p 咖g ，i tc o m e st h et h i r d c o m p m i n gp a r a d i g m ：r l e t 、o r kc o m p u 恤g i nn e t w o r kc o m p u t i n 易p e r v 船i v e c o m 删n gi so n eo ft h em o s ti n l p 删b r 趾c h e s p e n r a s i v ec o m p u t i n 岛w l l i c ha i m s a tb i l i l d i i 培a ni i l 、，i s i b l e 锄p u t i i l ge n v i r o n m e n tl l s o da t 锄删妇e 锄da n y w h e r e ，i s u s e h e n t c l e d 锄di sf o f2 l s tc e n t i l i i lp e r v 雒i v cc o m 叫n g 吼v 的砌c i l t s ，i t c o n t a i 璐v 撕o l l sh e t e r o g e n e o l l sr e s o u r ；c e s ，w h j c hc a nb cd i 珏的l ti nn e 伽o r k i i l 血哦r u c t i i r c s ，h a r d w a r ep l a 仃0 m 塔，郇l e r a t i n gs y s t 锄s ，觚da p p i i c a t i o ns e r v i c e s s o ，i t h 嬲t oi i l _ t e g r a t et l l e d e v i c 鹊锄d 印p l i c 砒i o ns y s t 锄st om a k em 锄w o r kt o g e t l l e r s e a l l l l e s s l y s e r v i c cd i s c o v e r yn i i d d l e w a t e c l l i i o i o g yc a np r o “d eab e t t e rf e s o l u t i o n t oi i l _ t e g r a t ev a r i o u sr c s o u r c e si i lp l 删i v ec o m p u t i n ge r i 、怖啪e n t s f 叫h 锄o r c ，i t c a i i 矗n da 1 1 dl o c a l ct l l er e q u i r e d n ，i c e si nd y 腑m i ce i l v 的砌e l l t s ，b yw l l i c ht o o v e r c 伽ed y l a i n i cc h a 瑚c t e r sn e g a t i v e 如皿u e n c et 0 啪e r s b e c a u s eo ft h i s ，九，i c e d i s c o v e r yb e c o m e sah o ts p o ta i l d 趾油p o 砌m f i e l di np c f v a s i v ec o m p u t i l l gr e a r c h c o m p a r e d 谢t i l 仃a d i t i o l l a lm j d d l 郫姗，p c r v 勰i v ec o m p u t i i l gm i d d l v a r eh 鹤i t s o 帅s p i e c i a lc h a r t c r i s 6 c s 锄dr e q u i 舢e n t s t h ed i s s e n a t i o nf i r s t i y 鲫m m a r i z e st l l e c i l a m i ：丽s t i c sf o fp e r v 勰i v ec o m p u t i i l ge n v i f o r 蚰e m s 锄dc h a l i e n g e sf o rp c r v 嬲i v e c o m p u t i n gm i d d i e 眦，a n a i y z e s 柚dc o m p a r e st l l em o s tc x t e n l a le ) 【i s t i n g f 、，i c e d i s c 0 v e r yp r o t o c o l s s e c o n d l y 圮b a s i so f 锄i n t e l l i g e mp e n r 鹤i v ec o m p m i n g o m c ee n v i m 砌e m ，as y s t i ：m 蒯t c c t l l r ef b rp e n r 够i v ec o m p 妇gm i d m e w a r ci s p r o p o d a n dt l l e i i ，d e s i g np r i i l c i p l e sf o rp e r v a s i v ec o m 删n gs e r l ，i c ed i s c o v e r ) ， m i d d l e w a r e 锄dt i l em i d d l e w a r e ss y s t c ma f c h i t e c t i l r ea r ep r e s e m e d c o m p o n t si n m e1 1 1 i d d l 郫v a a a l s od i s c l l s s e d s e v e r a lk c yt e c h n o l o 西e sf o rt h ei i l i d d l e w 甜e ，鲫c h 鹬s e n ，i c ed c s c r i 埘o np r o t o c o l ，l a l i v ea d d r e s s i i l g ，b c s t 吲m c em a t c h i i l ga l g o r i t l l i n ， 锄d 辩c l 埘t ) ，o o n 扫d l ，a d i 琳s e d 锄di l l l p i 锄e n 剐a tl 戤6 kd j s s e r t a t i o n 西v c sa s 吼m a r y 锄dap r o 印e c t k e y w b r d s p c a s j v ec 0 m p 晌矾b i q u i t o u sc o m 叫i l g ，s e n ，i c ed i s c o v e 劬m i d d l c w 种 d e 章 孳确熏 l k m 够絮 ；产差 声0 e棚，0- 鼍 图目录 图1 1 计算模式的发展趋势 图1 2 普适计算系统架构图 图目录 2 6 图2 1 服务发现示意图一一1 4 图3 1 普适计算智能办公环境 图3 2 普适计算中间件系统架构示意图 图3 3 普适计算服务发现中间件架构示意图 图3 4 设备，服务注册组件处理流程图 2 7 2 8 3 2 3 2 图3 5 手持设备发送查询，预定会议室请求及服务器处理流程图一3 3 图3 6 设备发送操作类服务请求及服务器端处理流程图一3 4 图3 7 监听服务注册，声明，请求处理流程图 图3 8 服务查找定位处理流程图 图4 1 相对信息提取算法流程图 图4 2 相对寻址处理流程图 图4 3 服务最近最佳匹配算法流程图 图4 4 预定信息算法处理流程图 m 鲐 钇 私 钉 钞 图目录 图4 s 安全控制处理流程图 图4 6 环境设备结点示意图 图4 7 测试结果一 5 l 5 2 5 3 图4 8 测试结果=一5 4 表目录 表目录 表2 1 服务访问策略总结与比较 1 9 表2 2 服务发现机制总结与比较 表2 3 服务描述机制总结与比较 表2 4 上下文感知能力总结与比较 表2 5 安全机制总结与比较 表2 6 实现机制总结与比较 表4 1 服务属性表口b ls e r v i f o ) 3 8 表4 2 设备属性表c r b l p 时b f o ) 3 8 表4 3 位置信息表口b u h h 蠡d ) 表44用户信息表l：urinfo)39 表45权限控制表u瞄gctrd39 表4 6 测试环境 5 l 加 殂 殂 勉 毖 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：扮趸掺 锄g 年爹只泌b 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下； r 一一 5 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年)! ；秘密l o 年( 最长1 0 年，可少于l o 年)l 4 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) l。一 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：枪珑 年争目国b 第一章绪论 第一章绪论 第一节普适计算概述 自1 9 4 5 年计算机诞生以来，经过六十年的历程，计算环境的发展先后经历 了三个主要时期。前两个时期分别是大家早已熟知的主机计算( m a i n 锄m e c o m p u 缅g ) 时代和个人机计算( p e r s o n a lc o m p u t i i l g ) 时代，经过一个很短的分 布式计算( d i s 仃i b u t e d c o m p u t i l l g ) 的过渡期之后，网络计算( n e t w o r k c o m p 西n g ) 已经发展成为第三代的计算模式。人们对网络计算的理解是：“网络计算”以网 络为中心或者以网络为基础，集成网络上连接的各种资源和系统，以期实现资 源共享、协同工作和联合计算，为用户提供各类综合性服务【l 】。一般地，把企业 计算n t a 砸c o m l m 曲d 、网格计算( g r i dc 伽p m i n g ) 、对等计算( p e * t o p e e r c o m p u t i n g ) 和普适计算【2 1 ( p e 鹤i v ec o m p u t i i l go ru b i q u i t o 懈c o n l p u t i n g ) 归为 网络计算。这其中，普适计算又成为最重要的一个分支。 1 1 1 普适计算介绍 普适计算最早是由m a r kw j i s e f 博士于1 9 9 1 年提出的，普适计算4 翔也称 作无处不在计算、普及计算、普存计算，它强调计算同人的生活空间相融合， 形成一个“无时不在、无处不在而又不可见”( a n ”i m e ，a n y w h e 陀，i i l v i s i b l c ) 的计算环境。在普适计算环境中，计算不再局限于传统的桌面模式，普适计算 设备嵌入到人们日常生活和工作的环境中，用户可以通过各种可穿戴设备、手 持设备或其它设备访问环境中的任何资源或服务。普适计算涉及的研究课题范 围非常广泛，包括分布式计算，移动计算，人工智能，人机自然交互，中间件， 嵌入式系统，传感器感知网络，信息安全以及信息融合等多方面技术。普适计 算具有以下特点： ( 1 ) 普适计算具有无处不在性。在普适计算环境下，计算遍布于地下、墙壁、 桌椅、日用品、衣服、家电等日常用品和生活环境中，普适计算设备通常利用 无线网络提供信息的访问和资源设备的共享，一般具有高度可移动性。 ( 2 ) 普适计算将改善人与计算机的关系。在普适计算环境下人可以使用语 第一章绪论 音、手势、表情等更自然的方式和计算设备进行交互，而不需再将精力过多地 关注于鼠标键盘等设备的使用，从而可以极大地提高个人或与他人协同工作的 效率隔4 】。 ( 3 ) 普适计算具有上下文感知能力。它可以感知何时、何地、在和谁交互， 主动发现人的需要为人提供服务，从而使服务提供更具个性化和智能化。 ( 4 ) 普适计算服务具有不可见性( i n v i s i b i l i t y ) 。普适计算环境下不需要人工 干预，普适计算设备具有自我调整和自我配置的能力，信息空间将同人们学习 工作生活的物理空间融合在一起。 总之，普适计算将彻底改变“人使用计算机”的方式，将人与计算机的关 系改变为“计算机为人服务”，让人与计算环境更好地融合在一起，是2 1 世纪 的计算模式。图1 1 给出了整个计算模式的发展趋势： i “帖 蛄5 韩 郸5 盯5 辩蛐51 9 驵_ 蛄2 u 幽5 ( 伽r ：i d cl 咖”斌啪i n 山t i y 咖船域1 9 好曰 图1 1 计算模式的发展趋势 1 1 2 国内外对普适计算的研究 目前国外对于普适计算的研究开展地如火如荼，美国排名前l o 位的大学无 一例外地投巨资设立了以“普适计算”为主要方向的研究计划。 麻省理工学院( m i t ) 人工智能实验室率先提出了著名的“o x y g 删”计 划【q ，寓意普适计算的发展使得计算像氧气一样充满人们的日常生活空间，计算 将不再以计算机为中心，而要形成以人为中心的模式。o x y g e n 的设备技术主 2 侣俘佗伸8 8 2 o 第一章绪论 要实现手持设备( h 2 1 ) 和环境设备( e 2 1 ) ，提供计算( c o m p u t a t i o n ) 、通信 ( c o m m l l i l i c a t i o n ) 和理解( p e r c e p t i o n ) 能力，以建立一个普适计算环境；o x y g e n 的网络技术( n 2 1 ) 主要研究资源发现、定位，普适计算环境下的安全控制等问 题；0 x y g e n 的软件技术能够实现软件的自动下载等功能；o x y g e n 的感知技 术，也就是人机交互技术，采用多种交互模式的组合( 如语音、视频图像、面 部表情、嘴唇的动作以及眼神等) 使得人可以同普适计算设备进行自然的人机 交互。 乔治亚理工学院( g i t ) 对普适计算做了大量的研究，如e c l a s s ( 原名为 c l 嬲s r o o m2 0 0 0 ) 、a 啪r eh o m e 、e v c r y d a yc o m p u t i n g 等【7 j o 其中e c l 嬲s ( c l a s s r o o m 2 0 0 0 ) 系统【8 】提供了一个教育领域的应用，它基于普适计算环境对课堂经验捕捉 和访问开展相关研究，通过自动捕捉课堂的内容辅助大学教学。e c l 鹊s 系统的目 的之一是能够有效地捕获和访问到丰富的现场经验，系统保持一定的健壮性， 可以提供对课堂经验捕捉和访问的功能，是对普适计算应用的一个重要尝试， 对于人机交互、远程教学技术、分布式系统、网络技术、计算感知、软件工程 以及机器学习等方面的研究具有很大的参考价值，基于这个系统进行相关技术 的扩展进而可以支持人们的日常生活工作等行为。 卡耐基梅隆大学( c m u ) 的a u r a 计划【9 】致力于研究在普适计算环境中，在 用户和计算环境之间增加一层软件层( 称为a i 】r a ) ，由a u r a 代理用户去管理、 维护环境中频繁变化、松散耦合的多个普适计算设备【l l ，以完成用户的计算请求。 a u m 的研究目标是设计、实现和评估大型的普适计算系统。a 啪计划环境中的 设备包括可穿戴设备、手持设备、个人计算机和其它相关的基础计算设备，其 中“d 衲”是核心智能系统，“o d y s s e y ”是支持资源自适应的操作系统，“c o d a ” 负责支持漫游的分布式文件服务。其整个研究的核心是普适计算中间件技术及 其应用。 伊利诺依大学( u n i v e 娼酊o f i l l i n o i s 砒u r b a n a c h 锄p a i 印) 正在从事普适计 算智能空间( a 咖es p a c 髂) g a i a 项目l l o 】的研究。g a i a 架构分为两个层次：底层 核心组件和高层服务g a i a 正在开发的中间件系统工作包括：组件管理核心、 上下文文件系统、事件管理器、空间知识库、组件知识库、设备框架、数据描 述等方面。 斯坦福( l f i ) r d ) 大学的m t e 髓c t i v cw 研k s p a 项目f l l j 搭建了一个实验环境 i r d 0 m ，目前正在从事多设备、多用户应用；多模式及流交互( m u l t i l n o d a l 锄d n l 】i d 3 第一章绪论 i n t e r a c t i o n ) ；基于c o t s ( c o m m e r c i a lo 停n e s h e i f ) 的普适计算环境系统软件 以及集成计算设备等方面的研究工作。 加州大学b e r k e l e y 分校的e n d e a v o 一1 2 j 项目研究目标是建立全球的、自组织、 自适应信息设施，旨在通过运用信息技术，从根本上方便人们与资源、设备和 他人进行交互。其创新点之一是“流体软件”( f l u i ds o r 慨嘴) ，这种软件能够自 动选择在何处执行、在何处存储处理，它通过协议获得可用资源并向其它实体 提供服务【1 1 ，从而能够动态实时地协调世界上任何可用的资源来满足用户对任何 普适计算设备的服务请求。 在欧洲，由兰开斯特大学、卡尔斯鲁厄大学和y r r 交互研究所等单位共同 参与的s m a n - i t s 项目【1 3 】的研究目标是在环境中的所有物体上均嵌入各种通过无 线连接的传感器设备，使得这些物体具有计算、通信和感知能力，做到将这些 物体“智能化”的目的。 国内方面，中国科学院对普适计算研究已经作了一些很有意义的工作。软 件所在人机交互理论( 如泛化计算下的人机交互、基于感知的认知理论和多通 道的用户模型等) ，自然用户界面、传感器网络、分布式计算、移动计算等方面 取得了一些很有意义的成果。自动化研究所也有一些相关的研究，如对普适计 算环境中的身份鉴别与行为理解的研究，对人脸图像及人脸视频图像、动态指 纹、虹膜、笔迹、步态等的识别来进行身份鉴别，支持人脸跟踪，研究智能机 器人自然语言交流，同时在手写体识别，语音识别等方面都有不错的研究成果。 计算所在多功能感知技术( 如手语识别与虚拟人合成、面像识别系统等) 、分布 智能( 如智能主体、神经计算、认知科学等) 、高性能计算和网格技术等研究 方面也取得了显著的成果。心理所对自然汉语理解的人工智能、注意维度转移、 复杂信息环境中意识、思维和语言等的认知过程等方面也进行了一系列的相关 研究。 清华大学人机交互与媒体集成研究所对普适计算开展了大量的研究，其中 比较著名的有s m a r tc l 嬲s 项卧1 4 1 。该项目将普适计算和远程教育相结合，建立 了基于智能空间( s m a r ts p a c e ) 的智能远程教室【l5 1 。在智能教室中，教师的操作 包括调用课件、在电子黑板上作注释、与远方的学生互动等。系统能根据对教 师动作的理解，在不同的场景下向远方的学生转发相应的视频镜头或电子黑板 内容，系统还能自动记录在远程智能教室中发生的所有事件【1 6 l 。 北京大学的普适计算实验室( u b i q u l l d u sc o m p i 用附gl a b o 啪r y ) 4 第一章绪论 目前侧重于开展通用的信息访问和传送平台、自适应代理( a d a p t i v ea g e m ) 系 统的结构、存在论工程( o n t o l o g ye n 百n c e r i n g ) 和基于存在论的语义网页( s e m a n t i c 、c b ) ，利用语义w 曲以及本体技术建立多功能的教育服务平台、应用于科学、 工程和国防的基于知识的系统1 1 7 j 等方面的研究。 浙江大学计算机系统结构研究所主要开展了分布式虚拟环境系统与分布式 网络中问件平台等研究工作，其中基于c o r b a 技术的多用户分布式虚拟环境系 统可以支持信息服务和资源查找定位、动态负载平衡等功能；惠普实验室专门 从事高性能网格计算和移动普适计算的研究。 总结目前我国国内对于普适计算的研究内容，主要集中于以下几个方面： 普适计算嵌入式中间件技术f 18 嘲。 普适计算系统架构设计：比如普适计算体系结构的研究脚】，移动代理 在可穿戴计算机数据处理中的应用口”，普适计算中的无缝迁移策略嘲 等。 普适计算软件体系结构：比如面向普适计算设备的软件体系结构【2 3 1 ， 面向普适计算的自适应技术研列捌，基于普适计算的软件平台s o p c a ( s o f h 础p l a t f 瑚f o r c o n n e c t e d a p p i i a n c e s ) 1 2 5 】等。 普适计算上下文感知技术：比如基于主动推理的情境感知系统框架邮l ， 面向普适计算的扩展的证据理论方法【2 ”，普适计算中基于上下文触发 的事务模型口羽、基于语义w 曲技术的上下文感知系统架构【2 9 】、觉察上 下文计算环境中上下文服务器的设计【3 0 l 等。 普适计算环境安全问题：如普适计算环境中的安全机制【3 l l ，普适计算 中私有信息保护问题的研究【3 2 】等。 普适计算服务发现方法：如普及计算服务发现技术【3 3 1 ，普及计算中基 于接口语义描述的动态服务组合方法瞰】，普及计算中基于语义描述的 服务发现方法嘲，网上服务合成系统中的服务描述【3 6 】等。 普适计算人机交互理论：如普适计算的人机交互框架研究口7 1 ，笔式用 户界面开发工具研究【3 8 j ，手持移动计算中的多通道交互【3 们，基于上下 文感知的智能交互系统模型【帅】等。 普适计算传感器网络：如无线传感器网络的路由协议设计研究【4 l 4 2 l ，室 内无线传感器网络设计岬j 等。 普适计算定位技术：如普适计算中的上下文及纯方位定位模型l 、无 5 第一章绪论 线局域网环境下的位置服务研究4 5 1 等。 目前普适计算的研究还停留在实验室，虽然形成了一些重要突破，但还没 有形成统一的、规范的普适计算体系结构，也没有完全解决其中的人机交互问 题，对于用于普适计算环境下的中间件研究也只是处于起步阶段。 第二节普适计算环境下中间件技术的研究 1 2 1 普适计算中间件的研究 普适计算环境的多样性、异构性，决定了必然有多种操作系统、多种平台、 多种形式的设备和资源集成在这个计算环境中，因此，中间件将是普适计算环 境服务无缝集成应用中涉及的非常关键的技术。中间件技术可以起到屏蔽不同 的普适计算设备的作用，可以为不同普适计算设备应用程序提供统一的接口和 规范，减少普适计算软件的开发难度和时间、增加系统的兼容性和重用性。 用户 。人机交巨腼 i 普遁计苒设 羲j 晕 蠹 晷 系统支撑平台 普遁计算网络j _ i 晚 图l - 2 普适计算系统架构图 普适计算的系统架构可以用图1 2 来表示。由图1 2 可以看出中间件处于一 个中间支撑的位置，从这一点也可以看出中间件的重要性。涉及普适计算的各 种设备构件在不同的技术领域中存在，要将其无缝集成为一个统一的可以协同 工作的计算环境，则必须以中间件技术作为支撑。如果普适计算中间件不存在， 6 第一章绪论 那么普适计算环境所要形成的无时不在、无处不在而又不可见的计算环境就会 成为空谈，用户也就不可能随时随地获得环境中的计算能力和信息资源。因此， 如果对于嵌入式中间件技术的研究不能跟上，普适计算的系统架构就会失去技 术基础保证。在图1 2 的体系结构中，中间件的作用非常明显，它处于普适计算 系统支撑平台，网络环境与普适计算设备之间，同时又可以嵌入到系统支撑平台 层和普适计算设备层提供应用，负责处理普适计算环境下各种设备与系统支撑 平台，外界网络的通信问题和其它应用问题。此体系结构中的系统平台多种多样， 网络可以是同种网络也可以是异构网络，结构中的计算设备更是可以具有多种 类型，如何屏蔽其中的差异就成为一个非常重要的问题，本文将采用嵌入式中 间件技术解决这个问题。 中间件是一种独立的系统软件或应用程序，位于操作系统和应用程序之间， 分布式应用软件正是借助这种软件屏蔽掉操作平台的差异，可以通过网络相互 通信并在不同的系统平台之间共享资源。世界著名的咨询机构s t 锄d i s h g r o u p 在 一份研究报告中归纳了中间件具有的十个优点m l ： 缩短应用的开发周期； 节约应用的开发成本； 减少系统初期的建设成本； 降低应用开发的失败率； 保护已有的投资； 简化应用集成； 减少维护费用； 提高应用的开发质量； 保证技术进步的连续性； 增强应用的生命力。 具体来说，中间件屏蔽了底层硬件平台及操作系统的复杂性。程序开发人 员不必考虑应用跨不同平台的互操作问题，仅仅面对一个简单统一的开发环境， 大大减少了程序设计的复杂性，从而可以提高系统开发的效率，减少系统开发 的成本此外，中间件技术还可以将应用于各种不同平台或操作系统的应用系 统集成在一起协同工作，这是中间件的另外一个重要特性。 在普适计算环境下，计算模式不再仅仅局限于桌面，它要形成一个无时不 在、无处不在而又不可见的环境，而普适计算环境中涉及的各种计算设备或资 7 第一苹绪论 源在不同的技术领域中存在，要将其无缝集成、协同工作，就必须以中间件技 术进行衔接。这样，普适计算中间件的研究就面l 临很大的挑战：一方面，面f 临 和传统中间件相似的问题：异构性，扩展性，统一的编程接口等，问题更复杂、 规模更大i l 研；另一方面，普适计算作为一种新的计算模式具有自身的特点，对 中间件的要求也增加了许多特殊性，如资源受限、上下文敏感性、不可见性、 需求的多样性、动态性等等。 由于普适计算应用的特殊性，现有中间件技术的局限随着普适计算应用规 模的扩展以及计算模式的发展进化日益突现出来，所以很有必要开展适用于普 适计算环境下的嵌入式中间件技术的研究。 1 2 2 普适计算中间件技术的特性和研究现状 普适计算模式不再局限于桌面，它更强调计算的高可获性，不可见性和对 信息资源的无缝访问能力。在普适计算环境中构建嵌入式中间件从其自身特点 出发，对中间件的要求也增加了许多特殊性：如无线传感器感知上下文信息、 动态资源定位及服务发现问题、网络动态可自身配制性问题、环境的安全控制 机制等等。 在普适计算环境下，普适计算中间件相对于传统计算环境中的中间件应用 具有其独特性，归纳这些特性，主要包括： 异构性：在普适计算环境中，由于环境的异构性、多样性、复杂性以 及没有统一的业界标准，因而有多种硬件设备、操作系统和网络协议或 标准存在，而这些不同的协议或标准的应用又增加了普适计算环境的异 构性、多样性、复杂性； 动态性：普适计算环境的高度动态性主要表现在环境网络拓扑结构的 不断变化，用户的不断移动和变化，计算设备的地理位置分布不断变化 等方面，而这些变化又是不可预期的，这就要求普适计算中间件具有环 境自组织、自适应处理能力； 上下文感知：环境智能是普适计算的先决条件，上下文感知技术集中 体现了普适计算以人为服务中心的思想。所谓上下文感知是指具备收 集、解释、分析并利用来自各种资源的数据( 如设备上下文、用户上下 文和环境信息等) 并提供适合当前情景( 包括计算任务、用户位置、时 8 第一章绪论 间、用户身份等) 的服务的能力，从而实现服务的人性化、个性化、智 能化。因此，普适计算中日j 件应该提供一种平台无关的可移植的上下文 感知方法； 资源受限：普适计算环境中的设备是多种多样的，包含各种资源受限 的设备，如移动设备、手持设备和其它各种小型嵌入式计算设备； 安全性：安全问题不是普适计算环境特有的要求，在普适计算设备无 处不在时如何保证通信过程的安全、用户的隐私以及在资源受限设备上 如何控制过重的安全计算任务消耗也是普适计算中间件需要考虑的一 个问题； 需求的多样性：普适计算环境强调用户可以随时随地访问资源和得到 计算服务，它涉及多种计算应用及信息资源，其中大部分用户会要求实 时、服务质量( q o s ) 、可靠性等方面的保证，这就要求普适计算中间 件的运行条件和提供的计算服务具有充分的灵活性和自主性； 扩展性：普适计算使大量的嵌入式设备加入网络，其连入的计算设备 数量和交互的频率都将是空前的，而如何保证这些异构设备的无缝集 成、相互协作是普适计算中间件需要考虑的一个重要问题； 不可见性：这是普适计算的主要目标之一，普适计算环境的特点是可 以透明地进行交互，它指用户与计算环境或计算设各无须过多地进行交 互和互操作，环境具有自动配置和自我调整的能力。因此，普适计算中 间件应该具有动态可自动配置、动态服务发现等能力以及良好的人机交 互接口。 目前国外的一些科研机构对于普适计算中间件的研究大部分集中在上下文 敏感中间件的研究上，如a r i z 嗽乩她u i l i v e r s 酊的r c s m 【4 7 】中间件，它突出了 对上下文敏感和动态自组网络的支持，这种中间件的原型系统主要由一些可移 动的手持设备即时构成临近网络。s o c a m 【郫】是一个面向服务的上下文感知中间 件体系架构，可以对智能车辆环境移动上下文感知服务快速建模。而文献【4 9 】 提出了另外一种采用组件框架( c 伽p 伽翎tf 豫m e w o r k ，c f ) 的方法构造适用于 普适计算和自组网络( a d h o c ) 计算环境中上下文感知中间件的方法。此外， 国外关于这方面的研究还有很多。 国内方面，文献【1 8 】提出了构建普适计算中间件的四个设计原则，分析了 c 0 t s ( c o 删i a lo 尽n 峥s h c l f ) 中间件技术并指出了未来普适计算中间件技 9 第一章绪论 术的发展趋势。文献【1 9 】采用c o r b a 技术构建了p v c w c o 砌认中间件，可以支 持普适计算环境中的无线接入功能，并且具有自动接续能力。总之，国内关于 普适计算中间件的研究刚刚起步，有关研究成果目前很少见到。 1 2 3 普适计算服务发现中间件 普适计算模式强调把各种计算设备嵌入到人们的日常生活和工作环境中， 形成一个无时不在、无处不在而又不可见的计算环境。在这样的环境中，计算 不再局限于桌面，目标是让用户可以通过手持设备、可穿戴设备或其它常规、 非常规的计算设备，随时随地无障碍地享用环境中的计算能力和信息资源【5 们。 普适计算目标的实现需要资源查找定位、服务的描述和组织、智能人机交互等 关键技术，各个环节互相协作，必不可少，而用户如何匹配、定位合适的服务 又是其中的关键所在，因此，服务发现成为普适计算环境中的一项最基本的技 术，逐渐成为目前普适计算研究的一个热点和重点。 在普适计算环境中，服务的概念是非常宽泛的，环境中的资源、设备等都 可以看成为服务，要在计算机系统上进行面向服务的设计，如何对有关服务的 信息进行描述、存储、查找、匹配、定位、组合和调用，是需要解决的首要问 题。目前国外各大商业机构和科研院所正在纷纷开展普适计算环境下的服务发 现技术的研究，其中比较著名的有：微软公司的u p i l p ( u n i v 蹦谢p l u ga i l d p l a y ) 【5 l l 、 s 1 1 1 1 微系统公司的j “i 捌、i e t f o n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i 胀：r i l e t 工程任 务组) 的s l p ( s e “i c el o c a t i o np r o t o c 0 1 ) 【5 3 】、m m 的s a l u t a t i o n l 5 4 1 、b l u e t o o m s d p ( s e n ，i c ed i s c o v e r yp m t o c 0 1 ) o ”j 、d e a p s p a c e p o j 、u d d i ( u l l i v e r s a ld e 面m o n d i s c o v e r y 缸dh n e g r a t i o n ) 【5 7 1 、g s d l 5 8 1 、a l l i a 【5 9 1 、i n s m 五n e 嗍、s s d s ( s e c u r cs e r 、，i c e d i s c o v c r ys e “i c e ) 6 1 】等，这些协议都在服务发现方面提出了自己的解决方案。但 这些协议均是针对某一问题而开发，以某种特殊的应用作为研究目标，并不能 适用于所有的普适计算环境。 本文以南开大学创新基金项目普适计算中间件关键技术研究和天津市 科技攻关计划项目普适计算环境下的嵌入式中间件技术的研究为研究背景， 结合项目实际，提出了一种新的适用于普适计算智能办公环境的服务发现协议， 并采用嵌入式中间件技术来实现，给出了服务发现中间件的设计原则及系统架 构设计，并给出了其中涉及的一些关键技术的解决方案和具体算法实现。 1 0 第一章绪论 第三节本文的组织 第一章介绍了普适计算的概念，当前国内外对于普适计算的研究情况，以 及在普适计算环境下研究嵌入式中问件技术的必要性、普适计算中间件的特性 和需求，并分析了国内外关于普适计算中间件的研究现状以及服务发现中间件 在普适计算研究中的重要性。 本文其它部分安排如下： 第二章，介绍普适计算环境下服务、服务发现以及服务发现协议的概念， 分析与总结当前已有的国内外比较著名的大部分普适计算服务发现协议并进行 分类比较。 第三章，总结普适计算环境的特点，给出一个普适计算中间件系统的架构 设计，提出普适计算服务发现中间件的设计原则并设计了一个应用于普适计算 环境的服务发现中间件系统架构，介绍中间件各个组成组件的处理流程。 第四章，详细讨论服务发现中间件涉及的关键技术：服务命名规则及完备 信息集、服务描述协议、相对寻址技术、服务最佳匹配算法、预定信息算法以 及权限管理和安全控制等，分析其中的重点难点问题并给出相应的解决方案和 算法实现。 第五章，总结全文并提出进一步的研究方向。 第二章普适计算环境下服务发现的研究 第二章普适计算环境下服务发现的研究 第一节服务发现的定义 2 1 1 服务发现技术在普适计算环境中的重要性 普适计算环境的系统软件应该能在人们日常生活学习工作的空间中而不是 一个特定的环境中提供各种功能和服务，而这是一个组成、结构都会经常变化 的工作环境，此外，普适计算环境中的设备、资源的可用性也是频繁变化的， 因此，在这样的环境下对于给定的用户请求，如何定位合适的服务是其关键所 在。服务发现技术能够帮助用户在动态变化的普适计算环境中查找、匹配、定 位所需的服务，检测服务可用性状态的变化，从而克服普适计算环境的动态变 化特征对于用户发现并调用服务的影响。 服务发现系统通常工作在频繁、快速变化的动态普适计算环境中，它追求 最小化的人为管理开销，简化服务的发现、配置和使用，支持环境中服务的动 态更新和自动配置，为客户提供访问服务的手段口孤。此外，服务发现系统还可 以向用户提供统一的接口和规范，提高服务的查询效率，减少服务查找的系统 开销，提供灵活方便的服务描述方法，增加同其它服务发现系统的兼容性。 2 1 2 服务、服务发现及服务发现协议的概念 在普适计算环境中，服务是一个更为宽泛的概念，环境中的资源、设备以 及设备提供的各种应用都可以称为服务。 服务发现就是在普适计算环境中为服务请求动态地、自动地寻找提供所需 服务的设备或者资源并提供访问接口的行为。服务发现过程以环境中的网络和 各种代理作为通信媒介和支撑平台，涉及的实体一般需要包括客户机( 发送服 务请求) 、服务列表( 服务目录，列出所有可用的服务，执行服务发现任务) 和 计算设备( 提供服务，完成计算任务) 。 服务发现协议是在普适计算环境中的有线或无线计算机网络中动态自动监 第二章普适计算环境下服务发现的研究 测资源或提供服务的设备的网络协议，通过适当的服务描述来查找定位服务， 提供接口允许服务请求者调用相应的服务。服务发现协议需要执行以下功能： 定义并使用服务描述语言、存储服务信息、搜索查找服务、定位最佳服务、不 需或最小化人工管理、自动维护服务状态的变化、维护网络拓扑结构的变化等。 服务发现过程描述如下图2 1 【6 2 j 所示： 设备 服务列表 用户 图2 1 服务发现示意图 其中用户端可以是固定的设备或者各种可移动设备，用以发送服务请求； 服务列表包括各种资源列表以及提供各种应用的设备列表，通过服务列表可以 获得当前普适计算环境中提供的所有服务的具体信息，进而请求这些设备提供 服务，服务列表可以在一台服务器上实现；设备代表分布在环境中的各种可用 资源以及提供服务的各种计算设备。 第二节国内外相关研究 服务发现问题是普适计算环境中研究的热点问题之一，目前国内外各大学 以及商业机构都在积极地开展这方面的研究工作。 2 2 1 国外相关研究 按照这些协议提出的目的，主要分为两大类；用于商业目的和用于科研需 要。 各大商业机构提出的服务发现协议，主要用于商业目的 u p i l p 协议1 5 i 】是微软公司提出的。它基于t c p ，口协议，使用协议栈来发现 服务、广告、描述和进行事件通知。u p i l p 使用简单服务发现协议( s i i i l d l cs e r v i c e d i s c o v e r yp r o “) c o l ，s s d p ) 完成服务发现，服务描述采用基于“l 的格式，它 的一个缺点是当有服务请求时所有的设备都需要答复客户。u p i l p 一般应用于家 庭网络环境。 1 4 第二二覃酱适计算环境f 服务发现的研究 j i n i i ，2j 是s u n 微系统公司提出的一种基于j a v a 技术的分布式服务发现协议， 它将所有可以提供一定功能的硬件或软件都视为服务，服务描述基于j a v a 接口， 用户可以通过r m l ( r e m o t em e t i l o di n v o k e ) 来实现对服务的访问。j i n i 可以应 用于设备网络和企业网络。 i e t f 提出的s l p 【5 3 】基于分布式的体系结构，采用基于形式文法的服务描述 语言，可以提供非层次式的、轻量级的、扩展的服务发现。它主要针对企业应 用，但也可用于家庭网络或办公环境。 i b m 的s a l u t a t i o n 【5 4 j 协议基于r p c ( r e n l o t cp r o o c d u r ec a j l ) ，它更多地采用 了智能主体( i m e l l 培e ma g e n t s ) 技术，具有良好的可扩展性，可适用于企业网 络或设备网络。 b l 咖t l ls d p l 5 5 l 是只适用于蓝牙设备的一种相对比较简单的服务发现协 议，它的特点是规模非常小。 大学及科研机构提出的服务发现协议，主要用于科学研究 按照这些服务发现协议的设计目的及实现过程中强调的重点内容，又可以 分为以下几类： 利用、改进已有的商业协议 r 伽缸代理框架在j “协议的基础之上引入了混合的架构，形成了一个面向 代理和面向服务的架构，在移动环境中为应用高度动态分布