（计算机应用技术专业论文）支持协同工作的广域网群组通讯研究.pdf

摘要 协同工作系统支持地域分散的用户以协作方式完成共同的任务。同其他分 布式系统相似，它需要在用户范围内实现消息的可靠有序传输。由于现有网络 通信协议不能有效支持这种通信方式，因此引发出群组通讯的研究。最早的研 究始于局域网环境，管理用户间的消息传输和动态组成关系。近年来涌现出一 些面向广域网的群组通讯系统，由于它们在系统架构及管理策略方面均存在不 足，因此本文对若干关键问题进行了研究，并提出新的群组通讯系统c s c w g r o u p 。 首先本文对现有群组通讯系统体系结构进行了改进。由于目前静广域网系 统研究多是针对由局域网互联而成的环境，因此它们的架构设计与局域网用户 分布有关，限制了系统的适用范围。为此本文提出了直接面向广域网环境的设 计方案，通过引入客户服务器簇架构，使系统能够向分散在网内的任意节点用 户提供管理服务，具有良好的扩展性和广泛的适用性。基于新的系统架构，文 中设计了实现消息可靠有序传输的管理机制和控制算法，并提出新的容错算法， 避免了k 级容错算法在消息排序过程中增加的延时，系统的及时响应能力和容 错能力得到有效保证。在用户组成管理方面，本文根据广域网传输延时差异大、 变化多的特点，提出检测用户故障的超时时间预测算法，并建立径向基神经网 络预测模型，克服了传统算法不能同时兼顾故障检测准确性和及时性的弱点。 在此基础上，本文改进了基于终止属性的故障判断算法，提出确定用户故障状 态的多周期判断算法，避免在不稳定用户状态和网络状态下对用户故障作出错 误判断。另外，双通道事件通知机制使系统能够及时提供用户状态变化信息， 增强了协作用户间的状态变化感知能力。为平衡服务器簇的负载量，本文针对 现有负载评价指标的不准确性和瞬时性，提出基于分类算法的负载评价方法， 在改进概率神经网络算法基础上建立了适用于消息服务器负载状态的分类模 型，并制定了用于平衡负载的调度策略。最后本文基于组件化模式开发了系统 的各项功能组件以及用户端的适配层接口，实现了群组通讯系统和协作应用系 统之间的无缝连接。 c s c w g r 叫p 系统是完全面向广域网设计的群组通讯系统，它克服了现有系统 因沿用局域网算法而不能很好适应广域网内复杂传输环境的不足，为广域网中 的协同工作提供了良好的群组通讯环境。 关键字：广域网群组通讯协同工作客户服务器簇架构可靠有序的消息传输用户故障预 澳4 模型负载状态分类模型组件化设计 a b s t r a c t c s c w s y s t e ms u p p o r t s t h e c o o p e r a t i v e w o r ko f g e o g r a p h i c a l l y d i s t r i b u t e dp e o p l e s l i k eo t h e rd i s t r i b u t e ds y s t e m s m e s s a g e sw i 1b e t r a n s m i t t e dt oa l la c t i v eu s e r si nt h e r e ll a b l ea n do r d e r e dm a n n e r b e c a u s ei ti sn o t s u p p o r t e db y t h ec u r r e n tn e t w o r kp r o t o c o l s ，g r o u p c o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e dt om a n a g et h em e s s a g et r a n s m i s s i o na n dt h e g r o u po r g a n i z a t i o n i np a s t ，t h er e s e a r c hw a sf o c u s e di nt h el a n s ，a n d r e c e n t l ye x t e n d e dt ot h ew a n s b e c a u s et h e r ea r es t i l ls o m es h o r t a g e s i nt h e i ra r c h i t e c t u r e sa n dm e c h a n i s m s an o v e l s y s t e mc s c 籽r o u pi s p r o p o s e d a tf i r s t t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ei sa n a l y z e da n dd e s i g n e d b e c a u s e t h ep r e v i o u ss y s t e m sl e v e r a g et h ei d e at h a tw a n sa r ei n t e r c o n n e c t e dl a n s t h e i rf r a m e w o r k d e s i g n s a r er e l a t e dt ot h el a nd i s t r i b u t i o n s t h e a p p l i c a b i l i t yo f t h es y s t e mi s l i m i t e d t h e r e f o r e ，t h ec l i e n t s e r v e r c l u s t e ra r c h i t e c t u r ei si n t r o d u c e di n t oo u rs y s t e m b yg r o u p i n gs e r v e r s int h ec l u s t e ri n d e p e n d e n to fu s e rd i s t r i b u t i o n s t h es y s t e mc a np r o v i d e t h es e r v i c e sf o ra n yu s e r sw i t hg o o ds c a l a b i l i t ya n dw i d ea p p l i c a b i l i t y b a s e do nt h en e wa r c h i t e c t u r e ，as e to fm a n a g e m e n tm e c h a n i s m si sd e s i g n e d f o rs u p p o r t i n gr e l i a b l ea n do r d e r e dm e s s a g et r a n s m i s s i o n an o v e lf a u l t t o l e r a n ta t g o r i t h mi sp r e s e n t e dt oe l i m i h a t et h ed e l a yi n t r o d u c e di n t o t h em e s s a g eo r d e r i n gp r o c e s sb yt h eo l dm e t h o d i nt h em a n a g e m e n to fg r o u p o r g a n i z a t i o n ，u n l i k ep r e d e f i n i n ga l g o r i t h ms e t t i n gt h ef a i l u r ed e t e c t i o n t i m e o u tv a l u ei na d v a n c e ，t h ef o r e c a s t i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e dt om a k e i ta d a p t i v et ot h ev a r i a b l et r a n s m i s s i o ns t a t e so fw a n s b o t ht h e a c c u r a t e n e s sa n dt h es e n s i t i v i t yc a nb eo b t a i n e di nf a i l u r ed e t e c t i o n b a s e do ni t t h em u l t i - c y c l ef a i l u r ee s t i m a t i o na l g o r i t h mi sd e s i g n e d t oa v o i dm a k i n gw r o n gf a i l u r ed e c i s i o h si nu n s t a b l em e m b e rs t a t e sa n d n e t w o r ks t a t e s i na d d i t i o n ，t h ed o u b l ee v e n tc h a n n e l sm e c h a n i s mi su s e d t ot r a n f e rm e m b e rs t a t ec h a n g ei n f o r m a t i o nt i m e l y t h ea w a r e n e s so ft h e c o l l a b o r a t o r si se n h a n c e d f o rb a l a n c i n gt h e1 0 a do fs e r v e rc l u s t e r ，t h e c l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h mi sp r e s e n t e dt od e s c r i b et h es e r v e rw o r k l o a d m o r ea c c u r a t e l y am o d i f i e dp r o b a b i l i s t i cn e u r a ln e t w o r km o d e li sb u i i t i nt e r m so ft h ec h a r a c t e r i s t i co fs e r v e r ss e r v i c e b a s e do r i tt h ei o a d b a l a n c es t r a t e g yi sd e s i g n e d f i n a l l y ，a l la b o v em e t h o d sa r e r e a l i z e d a st h ef u n c t i o n c o m p o n e n t s t h ea d a p t o r i n t e r f a c e i s p r o v i d e d t o c o n s t r u c tt h ec o o p e r a t i v ea p p l i c a t i o n so nc s c w g r o u ps y s t e ms e a m l e s s l y u n l i k e p r e v i o u sg r o u p c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si n h e r i t i n g t h el a n a l g o r i t h m s ，o u rs y s t e mi sd e s i g n e dd i r e c t l y t ot h ew a n sa n dc a na d a p t w e l lt ou n s t a b l en e t w o r k s t a t e g o o dm u l t i u s e r c o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n ti sp r o v i d e df o rc o o p e r a t i v ew o r k k e yw o r d s ：g r o u pc o m m u n i c a t i o ni nt h ew a n s ，c s c w ，c l i e n t s e r v e rc l u s t e r a r c h i t e c t u r e ，r e li a b l e a n do r d e r e dm e s s a g et r a n s m i s s i o n ， c l i e n tf a i l u r ef o r e c a s t i n gm o d e l ，l o a ds t a t ec l a s s i f i c a t i o n m o d e l ，c o m p o n e n td e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘鲎或其他教育机构的学位或 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。 学位论文作者签名：t _ 匆 签字日期：工一j年譬月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：记，移 签字日期：埽辛年参月万日 导师签名 俐棚 签字日期：3 。 年9 月“日 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 目前人类社会日益深入到信息时代，社会分工愈来愈细，人际交往愈来愈 频繁，群体性、交互性、分布性和协同性成为人们生活方式和劳动方式的本质 特征，很多工作需要群体的积极努力才能完成。由于传统意义上这种以群体参 与为特征的协同工作需要协作者在同时同地进行工作，因此造成协作具有效率 低、延时长、开销大等缺陷。计算机技术、信息技术和通信技术的日益融合为 克服传统协同工作方式中存在的时空障碍提供了良好的技术条件。人们可以在 不同时间和地点进行交流，这大大缩小了时间和空间对人类活动的限制。在这 样的社会背景和技术背景下，计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 应运而生。c s c w 概念一经提出，就受到了不同学科 人们的重视，成为一个多学科交叉的新兴研究领域，它的研究内容涉及很多方 面，主要包括c s c w 模型和体系结构、群组通讯支持、群组协作模式、协作控制 机制、协作同步机制、c s c w 应用开发环境、协作安全控制和应用共享技术等。 目前协同工作系统已经被广泛地应用教育、医疗、金融、工业、军事等许多领 域。 同传统的单用户程序相比，协同应用系统的特点是支持多个用户的共同操 作，为了实现用户对彼此行为的感知，它需要在当前用户范围内进行可靠有序 的消息传输。由于目前的异步通讯网络中存在着复杂的网络传输环境和用户机 器环境，用户间的消息传输是不可靠的，消息传输延时存在着很大差异，用户 随时有发生故障的可能，因此如何有效管理多用户间的消息传输和用户组成关 系一直是近年来的研究重点，并形成一个独立的研究领域，被称为群组通讯管 理，它的性能优劣从本质上决定着协同系统的运行效率和系统性能。 最初的群组通讯研究始于局域网环境，近年来随着网络技术的发展，出现 了一些面向广域网环境设计的群组通讯系统。由于它们在系统架构及管理策略 上均存在不足和问题，不能兼顾系统的广泛适用性和可扩展性。以及对复杂广 域网传输环境的适应性，因此本文对其中的若干关键问题进行了研究，提出了 新的系统架构模型和管理策略，目的是为广域网中的协作工作创建良好的群组 通讯环境。 第一章绪论 研究广域网内的群组通讯系统对推动c s c w 系统的发展有着深远意义。它不 仅能够从根本上提高协同系统的各项性能，还可以大大降低各类应用系统的开 发周期和成本，有助于实现c s c w 系统在各个行业的应用与发展，从而进一步加 强人与人之间的协作并提高整个社会的工作效率，因此有着十分巨大的研究意 义和应用价值。 1 2 相关工作回顾 群组通讯研究始于二十世纪八十年代中期，用于向异步通讯环境中的多用 户交互系统提供有效的通讯管理服务，以协调用户间的操作行为，并保持各用 户端的备份信息一致性。它以工作组形式将任务相关的用户组织起来，完成对 工作组内的消息传输管理和动态用户关系维护。目前，国内的研究主要集中在 基于群组通讯的应用系统上，还很少看到直接对群组通讯管理进行研究的相关 文献i 国外的一些知名院所对这方面进行了深入探讨，并取得了一定的研究成 果，推动着群组通讯研究从局域网环境向广域网环境的发展。 美国c o r n e l l 大学开发的i s i s 工具包 1 2 儿3 3 4 是最早出现的局域网群 组通讯系统之一，它提供了群组通讯会话服务，并设计了两种不同的多擂通讯 管理原语：c b c a s t 原语和a b c a s t 原语。前者基于l a m p o r t 5 的逻辑时钟概念 设计了时间戳矢量算法，用于实现对消息的因果排序：后者将消息的因果排序 扩展到全局排序，通过采用令牌控制方法来决定用户消息在工作组中的顺序。 另外，i s i s 还提供了成员关系更新服务，管理不断变化的成员组成。i s i s 系统 的最大贡献在于它提出了虚拟同步语义，很好的解决了成员关系变化时工作组 状态的同步闯题。尽管在此之后出现了许多性能更优的管理协议，但i s i s 系统 仍是目前存在的最成熟的、具有通用意义的群组系统。 美国s t a n f o r d 大学提出了处于操作系统层的v 系统 6 ，首次采用硬件支持 的多播方式来实现群组通讯管理。不过该系统仅提供了不可靠的、未经排序的 消息传输服务，类似的广域网服务由i p m u l t i c a s t 协议 7 提供。 a t & tb e l l 实验室的c h a n g 和m a x e m c h u k 设计了基于令牌传递的c m 协议 8 9 ，由持有令牌的用户负责提供对组内多播消息的排序服务。在可靠传输 方面，它采用否定响应机制向丢失消息的用户进行消息重传，优化了系统在网 络开销方面的性能。另外，该协议还向用户提供了成员关系管理和令牌恢复算 法。由于该系统的运行效率同构成令牌环网的用户组成有关。因此它在大规模 2 第一章绪论 用户数量下不具有良好的扩展性能。 同c m 协议相似，美国c a l i f o r n i a 开发的t o t e m 协议 2 0 3 和r m p 协议 1 1 也是使用令牌方法的协议。t o t e m 协议为避免对发送到组内的消息进行响应，仅 允许拥有令牌的用户发送消息，并通过在用户问循环令牌来监测和排除故障用 户，实现对群组成员关系的维护。该协议在低网络延时及高负载状况下具有较 高的系统吞吐率，而在高延时网络状态下系统吞吐率较低。r m p 协议与叫协议 的不同之处在于它支持多个工作组、提供k 级系统容错度及虚拟同步机制，确 保在成员关系发生变化前后所有节点传送相同的消息集。上述两种协议在高负 荷系统状态下他们具有相接近的吞吐率水平。尽管基于令牌的协议设计较为简 单，但用户常常会因等待令牌或从令牌节点处获得消息序号而不能得到消息的 及时响应服务。 荷兰v r i j e 大学的u n e o b a 分布式操作系统使用f l i p 协议来提供可靠多播 服务 1 2 1 3 。它采用排序器方法进行消息排序，将工作组中的某个用户指定 为排序器，由它对组内消息添加时间戳标记，并进行消息的多播发送。其他用 户通过查看时间戳的连续性来判断是否有未接收到的多播消息存在，并在消息 丢失发生时，以点到点的方式从排序器端重新获得消息。a m e o b a 系统能够提供 任意程度的容错服务，但是它的系统性能会随着容错级别的增加而下降。 上述协议设计都采用了集中控制的管理方法，由系统中的集中控制节点来 提供对群组通讯的管理服务，如i s i s 系统和c m 系统中的令牌节点、a m e o b a 系统中的排序器。由于这些节点容易成为系统瓶颈，因此许多研究机构提出了 基于对等模式的群组系统。a l l a c k 协议0 4 1 5 是其中最简单的类管理协议， 每个用户通过等待来自其他所有用户的消息来判断由它发送的消息顺序，并按 字典顺序来执行具有因果关系的消息集。尽管这种方式能够平衡系统各节点上 的负荷，但是系统中存在较长的排序服务延时，运行效率较低。 以色列h e b r e w 大学对对等结构的群组通讯进行了深入的研究，提出了三个 用于消息传输管理的协议，包括t r a n s 协议、t o t a l 协议 1 6 】和t o t o 协议 1 7 ，他 们对a 1 1 a c k 协议进行了优化。t r a m 协议使用有向图方法提供对消息的因果排序， 它利用正向响应消息的传递性来减少系统中响应消息的数量。t o t a l 协议建立在 t r a n s 协议基础之上，它通过制定选举规范来实现消息的全局排序。该类协议能 够提供k 级容错度，根据来自( n + k + 1 ) 2 个用户消息( n 是组内用户数量) 来确 定当前消息在组中的顺序。由于t r a n s 和t o t a l 协议过于复杂，需要相当大的系 统开销，因此实用性不强。t o t o 协议采用时间矢量和有向图方法，依据组内r d 2 + l 第一章绪论 个用户的消息来确定消息顺序，同t o t a l 协议相比，它减小了排序服务引入的消 息响应延时。基于这些协议和i s i s 应用程序编程接口，h e b r e w 大学设计了 t r a n s i s 系统 1 8 ，除提供消息管理服务外，它还建立了对等用户关系管理算法， 每个用户通过接收其它用户提供的消息来检测用户的运行状态。当有用户故障 发生时，系统会主动挂起它的消息管理服务，直至完成对用户组成关系的更新。 尽管该算法能够在对等结构基础上实现对工作组内成员关系的维护，但它会引 起大量的网络开销，并干扰消息管理服务的正常进行。因此，t r a n s i s 系统对该 方法进行了改进 1 9 ，它采用客户服务器的方式进行用户管理，由服务器监督 用户的运行状态。通过将系统中鲍消息管理服务和成员关系服务进行独立设计， 使系统中的消息排序服务不受用户状态变化的影响，系统的运行效率得到了提 高。另外由于服务器对用户状态的统一管理，系统能够很快确定新的成员关系， 增强了对成员关系变化的灵敏性。 在上述基于对等模式的群组通讯协议中，消息全局排序算法的建立完全独 立于因果排序算法。另外还存在一些协议，它们是在因果排序算法基础上实现 对消息的全局排序。如p s y n c 协议 2 0 ，它使用上下文圈确定消息的因果顺序， 然后通过某种确定性顺序( 如字典顺序) 实现消息的全局排序。m i s h r a 等人在 此协议基础上建立了成员关系协议 2 1 。另一个典型协议是英国n e w c a s t l e 大 学的n e w t o d 协议 2 2 ，它使用因果关系矩阵方法来确定消息顺序。每个因果块 定义了一个消息集合，块内的消息之间具有一定的因果联系，而块与块之间的 顺序决定了这些消息的全局顺序。由于因果块中消息的因果关系是不精确的， 因此该协议不能提供同p s y n c 协议一样有效的因果排序。另外，n e w t o p 协议还 提供了符合虚拟同步规范的成员关系服务。 以上协议都是面向局域网环境而进行设计的。随着网络技术的发展，i p 多 播技术c 7 】以b e s t e f f o r t 方式实现了i n t m n e t 上的多播传输，这项技术推动了群组 通讯系统的发展，使该领域的研究从局域网范围内逐渐扩展到广域网环境。由 于局域网环境下的群组通讯不能支持广域网中的大规模用户，因此许多系统对 原有的局域网系统进行了扩展，在局域网协议基础上实现广域网环境中的群组 通讯。 t r a n s i s 广域网协议 2 3 设计了一个层次化的网络模型，每层由若干个相邻 用户集组成，每个用户集内的用户处于同一个局域网，并存在一个静态代表， 该代表同时也是上层结构中的一个成员。系统在用户集内采用适用于局域网环 境中的t r a n s i s 消息排序算法和用户管理算法，丽在用户集间提供了新的控制 第一章绪论 机制x p o r t 协议，实现对多播消息的因果排序和全局排序管理服务，而且层次 化的设计方法为系统提供了较好的扩展性。 m u l t i p l e r i n gt o t e m 2 4 2 5 协议由两部分组成，底层的单环协议 2 6 9 为局域网内的用户提供了可靠的多播传输和用户关系管理服务，上层的多环协 议为整个网络范围内的群组通讯提供了可靠有序的消息传输服务。网关节点负 责在多个环网间转发消息和组成员的配置信息。同局域网环境内的单环协议相 比，该协议的系统性能得到了大大的改进，但是低丢包率、低延时和相同带宽 的假设限制了它在广域网中的应用。 美国l o h n sh o p k i n s 大学的s p r e a d 协议 2 7 同m u l t i p l e r i n gt o t e m 协议 具有相似的结构和控制算法，它在局域网范围内使用单环协议，在环网问使用 h o p 协议来提供可靠的多播发送。该协议能够在不同的负载状态和消息丢失率情 况下具有低延时和高稳定性的系统性能。 h r m p 协议 2 8 是一种混合的可靠多播协议。为了防止在大规模的多播工作 组中出现响应消息引起的“确认风暴”，它采用了基于环网拓扑和树状结构的混 合协议。在环网中使用均衡负载环网协议e l r p 协议，它采用否定响应机制来确 保局域网内的消息可靠传输，使系统具有较高的吞吐率。由于树状结构能够更 好的适用于广域网环境，因此在h r m p 协议中以树状结构作为连接环网的骨干网， 并采用正响应机制来确保各局域网间的消息可靠传输。 近两年来，出现了一些新的群组通讯系统，它们是直接面向广域网环境设 计的。i n t e r g r o u p 协议 2 9 3 0 是为运行在i n t e r n e t 上的大规模用户设计的群 组通讯协议，目的在于支持科学家和工程师间的协同工作，及控制远程设备等。 它以对等方式进行群组通讯，提供了因果顺序多播和全局顺序多播服务。该协 议的一个特点是对保证消息可靠传输的s r m 3 1 协议进行了改进。由于s r m 协议 在消息丢失时，指定最靠近重传请求发送者的用户执行重发操作，因此需要每 个用户测量他同其它用户间的距离，导致系统在大规模用户情况下产生大量的 网络开销，不具备扩展性。为此，i n t e r g r o u p 协议提出了层次化的结构设计， 根据用户的分布情况将他们组织到不同的子组中，并以自组织方式选出子组协 调者，由它替代子组内的其他用户进行距离测量，因此大大减少了用于可靠传 输的消息量。另外，i n t e r g r o u p 协议还改进了对等结构下的成员关系算法。以 往的算法时空开销大，一般需要0 ( n 2 ) 个( n 是组中用户数量) 消息来确定成员 关系变化，影响系统的扩展性，因此i n t e r g r o u p 协议设计了m r a 算法，仅由最 近发送过事件消息的用户负责维护成员关系，减小了参与成员关系算法的用户 第一章绪论 数量。 以色列h e b r e w 大学的c o n g r e s s 协议 3 2 提供了先入先出的消息传输服务， 允许用户在该协议基础上配置不同的消息管理服务。为了提高系统的扩展性， 它在每个局域网内设立了专用的关系服务器，将参与用户成员关系管理的机器 数目减小到服务器数目。另外，它还提供了虚拟同步语义的接口( 3 3 ，与m a e s t r o 协议 3 4 不同的是它允许用户在执行新的成员关系时，不用等待其他用户对虚 拟同步的响应，可以以并行方式执行虚拟同步和对新成员组成的确认。 1 3 现有群组通讯系统存在的问题和不足 由于过去对群组通讯系统的研究主要集中在局域网环境，近几年才拓展到 广域网环境，因此现有的系统设计还不完善，用于实现群组通讯管理的消息传 输控制机制和用户关系维护算法还存在不足，主要表现在以下四个方面： ( 1 ) 与用户分布情况有关的系统设计 在目前存在的许多广域网群组通讯系统中，系统设计主要是面向由多个局 域网互联而成的广域网环境，它们以层次化模式进行局域网内和局域网间的群 组通讯管理，通过将管理任务分散到不同局域网内来实现系统的可扩展性。由 于这种管理模式主要针对用户集中分布在多个局域网内的情况，因此限制了系 统对其它分布情况的有效支持。当用户稀疏分散在广域网中时，分层管理模式 并不存在优势，由于它不能减少用于群组通讯管理的任务量和网络开销，因此 制约着系统在大规模用户下的扩展性能。这种与用户分布相关的系统设计束缚 了它在广域网中的普遍适用性。 ( 2 ) 受容错性能制约的消息排序服务 容错服务是群组通讯系统中的一项重要服务，它用于防止由用户故障引起 的工作组内消息丢失，避免用户因执行不同的消息集合丽产生不一致的对象备 份状态。为此，一些系统提出了k 级容错算法 1 2 ，1 0 ，1 8 ，确保在k 个用户故 障发生时系统中不会出现消息丢失的现象。由于该算法是插入在消息排序过程 中执行的，系统在对用户消息进行排序之前，首先要确定至少有k + 1 个用户接 收到事件消息，因此拖延了排序服务对消息的处理和晌应。当容错程度增加时， 排序服务对消息的及时响应能力将被进一步降低，致使系统在设计过程中需要 对这两方面重要性能进行权衡。 ( 3 ) 预先设置检测用户故障的超时时间 6 第一章绪论 用户故障检测是实现工作组内动态成员关系管理的一个重要环节，它通过 查看在指定时间内是否接收到用户发送的状态消息来判断用户的运行状态。系 统等待状态消息到达的这段时问通常被称为超时时间。为了确定它的取值，许 多系统沿用了局域网系统中预先设置超时时间的方法。由于局域网传输环境较 为稳定，消息传输延时差异不大，因此在这种环境中使用固定的超时时间进行 故障检测是可行的。但是对于广域网环境中的群组通讯系统而言，由于广域网 中的传输延时易于变化、传输过程中存在不稳定的网络状态，使得不同用户间 以及不同时间内的状态消息传输延时具有很大差异。在这种情况下，较小的超 时时间设置会降低系统对故障检测的准确性，而较大的超时时间设置将会延缓 系统对用户故障的及时检测能力，因此使用固定的超时时间设置方法将使系统 很难同时兼顾故障检测的准确性和及时性。 ( 4 ) 忽略广域网中不稳定传输状态的故障终止属性 目前许多系统的成员关系算法仍保持着局域网算法的一些属性，其中包括 用户故障终止属性，它要求系统在检测到用户状态消息传输异常时终止用户的 工作组成员身份并更新当前的成员列表。同局域网相比，广域网环境中存在不 稳定的网络状态，它是除用户故障外引起消息传输异常的另一个主要原因。由 于基于故障终止属性的算法不能区分由用户故障和不稳定状态引起的消息传输 异常，因此容易引起系统对用户故障的错误判断，从工作组中排除正常工作的 用户。 上述问题制约着良好系统性能的实现，使现有群组通讯系统不能满足协同 应用系统对用户行为和用户状态变化的及时感知要求。鉴于这种现状，本文提 出了独立于用户分布的系统模型及适应网络状态变化的群组通讯管理策略，研 究了其中若干关键问题的解决方法。使它能够很好的支持广域网中的协同工作。 1 4 本文的主要研究工作和创新之处 为了能够向广域网中的协同工作提供了良好的群组通讯环境，本文对群组 通讯系统的体系结构和管理机制进行了深入了探讨，研究并开发了广域网环境 下的群组通讯系统c s c w g r o u p ，建立了全局排序多播协议t o m p ( t o t a lo r d e r e d m u l t i c a s tp r o t o c 0 1 ) 、消息可靠传输协议m r t p ( m e s s a g e r e l i a b l e t r a n s m i s s i o n p r o t o c 0 1 ) 、工作组成员关系协议s g m p ( s c a l a b l eg r o u pm e m b e r s h i p p r o t o c 0 1 ) 和适用于本系统设计的负载平衡协议l b p ( l o a db a l a n c ep r o t o c 0 1 ) 。为了便于 第一章绪论 在此基础上进行协同应用系统的设计，本系统向设计者开发了一套完整的功能 类库和简单的a p i 接口。本文的主要研究工作及创新点如下： 针对现有群组通讯系统在体系结构设计方面存在的不足，本文提出了基于客 户服务器簇结构的群组通讯系统，使系统设计独立于用户分布，并具有很 好的扩展性、适用性、容错性和负载平锸特性； 在新的体系结构基础上，文中设计了实现消息可靠有序传输的管理机制和控 制算法，包括消息排序算法、节点故障容错算法、消息的可靠传输算法和缓 冲资源回收算法。通过对排序算法和容错算法进行独立设计，有效地保证了 系统对消息的及时响应能力和容错能力； 根据不稳定的广域网传输特点，本文提出了基于预测的超时时间计算算法， 通过建立径向基神经网络预测模型，向系统提供了能够适应网络状态变化的 超时时间设置，在保证准确检测用户故障的同时，增强了用户对其它组内成 员状态变化的及时感知能力； 为了提高广域网中用户故障判断的准确度，本文提出了多周期故障判断算 法，它可以排除因不稳定用户状态和网络状态引起的错误判断。另外，通过 设计双通道关系事件通知机制，使系统能够及时向用户提供工作组内其他成 员的状态变化信息，为用户间的协同工作提供参考信息； 为了平衡服务器簇的负载量，本文基于分类算法提出了评价机器负载状态的 新方法，通过对概率神经网络算法进行改进，建立了适用于服务器负载状态 的分类模型，并制定和实现了服务器簇中的负载平衡策略； 为了支持协同应用程序的开发，本文以组件化模式为基础设计了实现系统中 各项功能的管理组件，并向协同应用程序开发者提供了用户端的适配层接 口，实现了群组通讯系统和协作应用系统之间的无缝连接。 1 5 本文结构 本文基于对群组通讯系统的体系架构、管理策略及性能的分析，针对当前 系统存在的不足提出并建立了适用于广域网环境的c s c w g r o u p 系统，对群组通 讯系统的架构和功能设计展开了论述。内容概要如下： 第二章对c s c w 和群组通讯系统进行了简单介绍。分析并总结了群组通讯研 究对c s c w 系统的意义，以及群组通讯系统研究包括的内容。 第三章提出了c s c w g r o u p 系统的设计模型，根据现有群组通讯系统架构的 第一章绪论 不足，将客户服务器簇结构引入到群组通讯管理中，并在此基础上建立了系统 的分层管理模式。 第四章主要研究了c s c w g r o u p 系统中的消息管理服务，基于本文提出的客 户服务器簇架构，设计了提供消息排序服务的t o m p 协议和消息可靠传输服务 的m r t p 协议，并进行了仿真测试。 第五章根据对广域网传输特点的分析，提出基于预测的用户故障检测算法， 建立了径向基神经网络预测模型，并从两个方面进行了算法的性能评价，其一 是对预测效果的评价，将它同自回归预测模型的预测效果进行了对比：另外对 运行预测算法的关系服务器性能进行了评测。在预测模型基础上，我们提出了 多周期用户故障判断算法和双通道关系时间传输服务，并同相关算法进行了性 能对比。 第六章对服务器簇内的负载平衡进行了研究，针对现有负载评价指标的不 足，提出基于分类算法的负载评价方法。在改进概率神经网络基础上建g r t 负 载状态分类模型，并对其分类效果进行了测试。依据新的负载评价指标，本文 设计了系统中的负载平衡l b p 协议。 第七章以组件化模式设计了实现c s c w g r o u p 系统各项功能的服务组件。为 实现c s c w g r o u p 系统同协同应用程序间的无缝连接，本文进行了适配层接口设 计，并在此基础上设计了一个简单的协同应用实例，通过实际应用来检验系统 中的各项性能。 第八章是全文的总结和对未来研究工作的展望。 第二章协同工作系统中的群纽通讯 第2 章协同工作系统中的群组通讯 2 1 c s c w 系统的起源、发展与分类 c s c w 是c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ew o r k 的首字母缩写，是。个 利用计算机技术、网络与通信技术、多媒体技术以及人机接口技术，将时间上 分离、空间上分布而工作上又相互依赖的多个协作成员及其活动有机的组织起 来，以共同完成某一项任务的分布式计算机环境。c s c w 体现并符合信怠时代人 们工作的群体性、交互性、分布性和协同性特征，因而日益受到人们重视。 c s c w 的研究，最早始于6 0 年代，n l s a u g m e n t 3 5 系统是最早研究的系统 之一。虽然该系统仅支持终端连接、电子邮件传递、文件共享等基本功能，但 系统设计者e n g l e b a r t 等第一次提出并实现了超级文本概念。到7 0 年代中期， 在美国斯坦福人工智能实验室建立了一个支持视频、声音、文本、图像等多种 媒体的防同环境，并将其命名为电视会议，但由于巨大的存贮丌销和极其昂贵 的通信媒体，以及通信速度的低下和数据压缩技术的落后，该系统的多媒体功 能十分薄弱。到了8 0 年代，和c s c w 相关的计算机技术、网络技术、多媒体技 术、数据压缩与存取技术、通信技术、分布与并行处理技术等都有了长足的进 步，同时由于指导多媒体技术和c s c w 技术的人机交互( h c i ) 理论i 拘逐渐成熟 大大地推动了c s c w 技术的发展。 1 9 8 4 年，m i t 的i r e ng r i e f 和d e c 公司的p a u lc a s h m a n 两人组织了一个由 来自不同领域的2 0 个科研工作者组成的工作组，共同讨论和探索如何发挥技术 在协同工作中的作用并第一次j _ l = 式提出了汁算机支持的协作c s c w 的概念 3 6 。 由于c s c w 是一个跨学科的新研究领域，涉及到计算机科学、信息科学、社会学、 心理学、人类学、组织理论等多种学科 3 7 ，研究工作又刚刚开始，故至今为 止尚没有精确的定义。但b a n n o n 和s c h m i d t 3 8 给出的定义有较强的影响力， 他们认为：c s c w 致力于研究协同工作的本质和特征，探讨如何利用各种计算机 技术设计出支持协同工作的信息系统。 c s c w 概念一经提出，很快吸引了许多a ；同领域的科研工作者。美国和欧洲 在c s c w 领域处于领先地位。美国a 6 3 1 主办的c s c w 系列会议，从1 9 8 6 起每两年 在北美召开一次，是c s c w 领域水平最高的会议。欧洲一些研究机构所组织的 e - c s c w 系列，从1 9 8 9 年开始，每两年在欧洲各国轮流召开，也具有较高的学术 第二章协同工作系统中的群组通讯 水平，正好与a c m 的c s c w 系列形成互补。国内关于c s c w 的研究源于分布式多 媒体领域，清华大学、国防科技大学、南京大学最早开始了对会议系统和协同 编辑系统的研究 3 9 。从1 9 9 5 年开始全面引进c s c w 的研究背景、基本概念、 系统结构、关键技术及典型应用。计算机世界报于当年9 月出版了由中科院 计算所c a d 开放实验室组织的c s c w 专题综述 4 0 。同年通讯学报和软件 世界杂志也介绍了国外一些有代表性的c s c w 方面的研究 4 1 ( 4 2 。1 9 9 8 年 1 2 月3 4 日在清华大学成功主办了第一次全国c s c w 学术会议c 4 3 j ，标志着c s c w 研究已经在我国逐步开展起来并取得初步成果。 图2 1c s c w 演化过程 实际上，c s c w 技术的演化历程是与整个计算机应用的发展密切相关的。如 果从计算机应用发展史这个更宏观的角度去观察，将更有助于理解c s c w 的发展 和研究意义。图2 - 1 展示了计算机应用系统4 0 多年来的发展历程，虽然它仅是 一个粗略的框架，但却涵盖了迄今该领域几乎所有的研究与实践活动。从图中 可以看出，在6 0 年代中后期，各种应用系统主要是面向一些组织目标。如事务 处理，订单和库存管理，计算机集成制造等，设计的系统多以大型主机或小型 机为核心。从7 0 年代中期开始，由于大量的政府项目合同，以项目为中心的应 用系统设计与支持技术如软件工程、办公自动化等技术开始兴起。进入8 0 年代， 随着网络建设的发展，商业产品开发商和电信公司等对诸如视频会议等能够激 发宽带需求的应用发生了浓厚的兴趣，这带动了以协作小组为目标的应用系统 和支持技术的研究，c s c w 就是在这个时候开始形成并获得发展。 c s c w 系统的应用领域很广，已经开发出和正在开发出的各种c s c w 系统有几 第二章防同工作系统中的群纽通讯 百种，但是任何一个c s c w 系统都有两个基本特征合作者的地域分布和交互 合作方式。前者是一个空间概念，具体指合作者的地域分布是远程的还是本地 的。后者是一个时问概念，具体指合作是同步还是异步的，在