基于Ｐ２Ｐ結構的協同設計系統的構架研究
2009-01-01 00:00:00孫立鐫楊首昂
計算機應用研究 2009年5期
（哈爾濱理工大學 計算機科學與技術學院 哈爾濱 150080）
摘 要：提出了一種混合結構的協同架構模型構架，采用客戶/服務器架構的部分來發現用戶，而在系統設計時采用一種任務分層分組的P2P協同設計構架。這樣設計既保證了用戶參與的方便性，又增加了系統的擴展性和可靠性，同時提出使用該模型的信息分類傳輸策略減少用戶進行設計時的網絡流通量。最后提出了沖突解決機制。
關鍵詞：計算機支持的協同工作；對等網；分組分層；信息分類傳輸策略；沖突解決機制
中圖分類號：TP391文獻標志碼：A
文章編號：1001-3695(2009)05-1803-03
Model of collaborative design system based on P2P architecture
SUN Lijuan，YANG Shouang
(College of Computer Science Technology Harbin University of Science Technology Harbin 150080 China)
Abstract:This paper presented an architecture model of collaborative system.The part of managing users is client/server architecture and the part of users’ design was based on P2P architecture supporting hierarchical models of grouping.It does this for making users easy to find the task making the system easy to expand and making the system reliable to work at the same time amount of the data in network decreased by transfers classed information. At the end，presented a mechanism of eliminating clash.
Key words:CSCW(computersupported cooperative work); P2P; hierarchical models of grouping; transfers classed information; mechanism of eliminating clash
自1984年計算機支持的協同工作（CSCW）[1]這一概念誕生至今，隨著研究的深入和廣泛的應用，CSCW已經幫助全球工業、企業創造了巨大的經濟效應。傳統的分布式協同設計系統都是使用客戶服務器模式的，通過一個功能強大的服務器為組內成員提供協作，主要的功能是為成員提供與當前工作相關的共享工作區，實現文件與信息的共享。但是，這種體系結構不靈活，協同用戶越多，就需要功能更強大的服務器，本質上是不可伸縮的，而且這種協作應用一般都有價格昂貴、配置復雜、維護成本高等缺點；其次多樣化的需求導致了新的應用不斷出現。現在網絡上協同設計流通的不再是簡單的文字信息，還有靜態圖片、動態視頻等，這就使得server的壓力越來越大，出現單點崩潰的可能性也越來越大。如何有效地使用網絡中大量閑置的高性能硬件資源，如何設計網絡模型使得網絡能夠提供高質量、高保障、高效能的服務？這成為目前研究的重點。
P2P的興起為互聯網的改變提供了可能，P2P突破了傳統的C/S模式，使得處于其中的每個節點的地位相同，服務器的地位和作用大大減弱，使信息和服務在對等實體間流動。因而在協同設計系統中引入P2P技術，就可以解決一般協作應用系統都有的價格昂貴、配置復雜、維護成本高等缺點。但是，P2P模式會使得難以對客戶進行管理[2]。
1 相關知識介紹
1.1 P2P簡介
P2P是一種分布式網絡，網絡的參與者共享他們所擁有的一部分資源，這些共享的資源需要由網絡提供服務和內容，能被其他對等節點直接訪問而無須經過中間實體。在此網絡中參與者既是資源的提供者，又是資源的獲取者。P2P打破了傳統的客戶/服務器模式，網絡中的每一個節點的地位都是對等的。每個節點既充當服務器，為其他的節點服務，同時也享用其他節點提供的服務。
1.2 P2P特征
a)它們本質上是自發的，應用可以在任意時間、任意地點由任意節點發起。
b)支持的體系結構包括許多分布式的服務提供者時，它們比一個單獨的、集中的服務器更有效率。
c)這種應用的用戶可以是由應用所抽象化的服務的提供者或者消費者，而它們往往同時扮演這兩種角色。
d)該應用的用戶也許會在任何時間、任何地點使用任何設備，即應用能夠跨操作系統、跨語言、跨網絡。
e)該應用的用戶不斷變化，因此也許不是在任何特定的點都能及時被訪問到。
1.3 P2P的目前主要應用
P2P當前主要的應用領域一個是即時通信。從廣義上講，終端對終端的即時通信產品都可以歸類為P2P的應用，終端和終端之間主要傳輸文字信息、語音信息和視頻信息，這類應用的典型代表有ICQ、騰訊QQ、微軟MSN等眾多產品。P2P的另一個主要應用領域是資源共享。目前以文件下載為代表的資源共享領域的共享軟件層出不窮，如BitTorrent、eMule、Kazaa和國內的迅雷。P2P在協同領域的應用還不多。
2 混合結構的協同概念模型提出
現存的協同設計系統大多數是基于C/S結構的，然而隨著計算機硬件的不斷發展，協作的層次和規模日益擴大，C/S結構的系統出現許多問題，如網絡擁塞表現明顯、服務的質量與硬件設備不相匹配、服務器負載能力有限。但同時C/S也有許多優點，如幾種控制有利于保證所有用戶本地數據的一致性、有利于用戶進行集中管理、有利于數據的安全。P2P在即時通信領域和文件共享領域的出現，改變了這兩個領域的現狀，人們下載文件的速度越來越快，同時由于用戶在下載的同時也上傳，也極大地豐富了資源的數量和種類。把P2P引入協同設計領域會同樣面臨一些問題：如何發現其他節點[3]；用戶難以有效管理[4]；參與協同的節點沒有統一的仲裁者，難以保證所有節點本地數據的一致性[5]；用戶數量多時，任何一個節點的數據都要傳輸給其他節點，就有可能造成數據通量過大、安全難以保證等。
由于上述原因，本文提出了一種混合的P2P結構，采用B/S模式的結構來實現對用戶的管理、發布任務、發現協作工作組[7]。而在完成任務的時候采用純粹的P2P結構，把節點分成層次不同的組來完成任務。協同設計部分主要作用是提供給用戶一個協同開發的環境，負責處理各個協作節點的通信，協調協作節點的沖突，使得協作開發可以進行下去。
3 P2P結構的協同概念模型設計
3.1 相關的定義
實際設計中，在遵循一定的標準和規范的前提條件下，按照任務的內部耦合程度和上下文環境，可以把一個任務劃分成許多子任務，同時給每個子任務制定一系列的接口規定和設計要求。
1）任務樹 整個大的任務就是根節點，它有后繼，但沒有前驅；除根節點以外的M個節點，每個節點都是一個任務樹，任意一個節點都只能向下劃分。 如圖1所示。
每個任務樹的節點都是一棵任務樹。一般來說，有下列幾種任務：
a）元子任務。在協同設計過程中，不可再分或沒有必要再分的任務。這樣的任務常常由一個處于任務樹的葉子節點的任務組來完成。
b）關聯性任務。這樣的任務與其他同層次任務相關，在完成該任務的過程中，需要了解與該任務同層的其他任務的完成和設計情況，才能完成該任務。
c）獨立性任務。這種任務與其他的同層次任務不相關，在完成該任務的過程中，不需要了解與該任務同層的其他任務的完成和設計情況。
2）一次操作記錄消息 一次操作記錄包含任務編號、組號、用戶號、操作對象、操作、操作時間。
3.2 用戶管理部分設計
用戶管理模塊都是采用瀏覽器/服務器架構的，它主要由以下四個模塊組成：
a）用戶注冊模塊。包括用戶的注冊信息，如知識結構、要參與設計的領域等。
b)用戶信息瀏覽模塊。顯示一些用戶信息，如用戶的知識結構、曾經參與過任務、目前參與的協同任務。用戶信息瀏覽模塊主要是為了讓已經分到任務的用戶找到自己需要的組員。
c)邀約與請求加入模塊。邀請別的用戶參與任務，當然可以邀請與自己任務相關的專家加入。同時沒有接到任務的用戶可以請求加入興趣的任務小組組長發出請求，請求加入該小組進行協同設計工作。
d)任務發布模塊。用戶可以在上發起一個任務，也可以瀏覽上面發布的任務，以便找自己感興趣的任務加入。
所有用戶都需要注冊一個自己的賬號，同時填寫一些個人注冊信息。只有用戶注冊以后，該用戶的信息會在用戶信息瀏覽模塊出現，同時他/她也就擁有了如下的功能：發布任務、請求別人加入自己的小組、請求加入別人的組、邀約在用戶信息模塊出現的用戶。
每一個任務發布后，且擁有自己的組員以后，就利用協同工作模塊進行會議來實現任務的分解，如圖1所示，每個任務都可按照耦合程度分成N個子任務。每個分到子任務的組員再次發布任務，同時根據用戶信息瀏覽模塊的用戶信息邀請其他用戶加入，重復上述過程，直到任務分解到一定的粒度，就不再細分了。如圖2所示，每一個小組有一個組長，M個設計的組員，一些專家及與本設計任務相關的其他組的成員組成。
3.3 協同工作模塊設計
協同模塊主要負責用戶一起協同工作，保證協同過程能夠正常進行下去。這里首先涉及到角色與權限的問題，而后在此基礎之上使用了傳輸和沖突管理兩種策略。P2P網絡中節點不穩定，為此提出節點管理方案。
3.3.1 角色和權限
在協同設計過程中，參與協同的用戶大致可以分為下列五種：組內設計人員、組外設計人員、專家、加工的工人和管理者，每一類用戶對應一個角色，一共有五種角色。對這些權限進行劃分，大致可以分成六種：用戶管理、設計模型的數據管理、對詳細設計信息的創建和刪除、對詳細設計信息的修改、對模型詳細設計信息的查看、對模型接口和外形信息的查看。
角色與權限是一對多對應關系。組長的角色擁有所有權限；組內設計人員的角色擁有除設計模型提交以外的所有權限；組外設計人員的角色擁有對模型接口和外形信息的查看權；專家的角色擁有對詳細設計信息的修改權限和對模型詳細設計信息查看的權限；加工工人的角色擁有對模型詳細設計信息查看的權限。
3.3.2 傳輸策略設計
在傳統的協同設計系統中，對任何一個設計者來說，所有設計的數據信息對他/她都是可見的，也是可以修改的。而實際上，一個設計者只對與其設計相關的部分感興趣。同時所有人共享所有設計的數據模型不但很容易造成信息的不安全，而且使得網絡中傳輸的數據量很大。本文將協同設計中數據信息的傳輸模型分成以下兩類：
a)模型詳細設計信息。在協同設計過程中，任意一個節點的任意一步操作都轉換成操作記錄，均以消息的形式傳輸給協作的節點。一個組的所有操作記錄都再現該協同過程的全貌。參與協作的節點對其他節點的任意一步操作都非常敏感，需要了解設計的全部信息。
b）模型接口外形信息。在協同設計過程中，任何關于接口信息和外形信息的操作都轉換成操作記錄，以消息的形式傳輸給協作的節點，而關于內部的操作記錄將不被傳輸。而那些參與協作的節點只對接口和外形以及其實現的功能感興趣，而不關心內部具體的設計信息。
在協同過程中，本文采用這樣的傳輸策略，將參與協同的用戶分成兩類，對于擁有對模型詳細設計信息查看權限的角色，采用傳輸模型的詳細設計信息傳輸；對于擁有模型接口和外形信息查看權限的角色來說，這些角色對應的用戶最關心的就是接口信息和外形信息，以此來查看自己組的設計是否與這些接口相匹配，而不在乎具體的內部設計，其適合采用模型接口外形信息傳輸。
3.3.3 沖突管理策略設計
在傳統的協同設計系統中，所有的操作信息都會在服務器上進行處理，服務器相當于一個仲裁者。在P2P系統中，如何保證所有的節點同步是一個關鍵性的問題。這里假定所有節點的時間是完全一致的情況下即誤差為Δt時，本文提到兩種方法：
a）延遲。它是指一條信息從一臺計算機傳送到另外一臺計算機的時間。在服務器被認為是客戶游戲環境中的權威時，按照客戶的觀點，它的輸入被驗證并被反射提前至少等待1/4 s。將這個概念引入協同設計中，所有的信息都會加蓋時間戳Ta，假設在一定時間Tt內，任意一個節點都可以把信息發送到組內的所有節點。任意一個節點收到消息以后，等待到時間Ta+Tt時再執行。
b)優先級。按照不同用戶的不同情況對每個用戶設計優先級。設用戶的經驗為Ex，在一個項目組中，一個節點曾經參加過的模塊數量為Nm，與小組人合作的次數為Ng，組長給予的評價值為Cg。根據實際設計中得出的經驗，分別對這幾個參數取加權值W1、W2、W3、W4，然后得出Ex×W1+Nm×W2+Nm×W3+Nm×W4為優先級的大小。在Ta到Ta+Δt時間內，筆者認為這是同時發出消息的。
本文采用延時和優先級形成沖突管理策略，用于解決協同設計過程中的問題。
3.3.4 節點加入
授權認證主要有兩個功能：對要加入該組的用戶進行授權使其可以加入設計組；識別別的節點是否是該組的用戶。
當用戶進行設計的時候，需要加入設計組的節點就首先要向組長請求。管理者同意這個節點的加入并根據該節點的情況授予相應角色，同時形成組內認證策略、傳輸策略和沖突管理策略，復制該組的認證策略、傳輸策略和沖突管理策略到每個用戶節點。組長有權更新認證策略，包括刪除參與設計的組的節點，然后在組內進行廣播。
當每個授權用戶登錄協同設計系統時，再登錄該工作組，并向全組在線的人員發出請求，組內的工作者根據本地的組認證策略進行認證，并按照傳輸策略把相關最新的設計變化信息發送給新登錄用戶。使用本地的沖突管理策略來管理本地節點的設計沖突。與此同時需要把當前的最新設計情況與本地記錄的最近設計情況作比較，并把以前的操作復制過來，然后與其他組員一起進行協同工作。
3.3.5 協同節點管理
在協同組中，設計一個組管理者來保證實時地了解用戶是否在線，用戶在協同工作中發現其他節點掉線，組管理者每隔一段時間，就發出查詢信息，該信息包含最新的更新編號。如果某一個節點在一段時間沒有收到查詢信息，該節點就認為自己已經掉線，需要重新登錄該工作組，并作相應的更新檢查；如果收到查詢信息，那么就與本地最新更新信息進行核對，如果不一致，則自動掉線并重新登錄工作組，如果一致，則反饋組長一個正常信息。
前面所述都是建立在組長不變的情況之下，但是實際情況中，組管理者也是不穩定的。組管理者下線以后，把組長評價值最高的在線節點作為新的組管理者。當其他的節點在重新登錄以后，向組長評價值次高節點發出請求；組長評價值次高節點如果收到請求信息，且發現組管理者不在，則該節點直接做組管理者；如果管理者在線，則回復相應請求信息。
4 與其他幾種協同系統構架的分析
本文提出的分組P2P模型的協同設計系統與傳統的C/S結構的協同設計系統相比較，傳統的C/S模型的服務器和參與設計客戶端處理的數據量都很大。當存在一個大的任務，其中N表示可以細分成的元子任務的數目，M表示可以每個元子任務平均參與的節點數，I表示每個元子任務平均需要的操作記錄數，P表示每個元子任務需要傳出的記錄數占總操作記錄的比率。其結果如表1所示，M是遠大于（1+P）的。所以P2P系統的節點處理數據要遠小于C/S結構的客戶端處理的數據量。同時，P2P在系統的可擴展性上要強于C/S模式，因為P2P沒有中間服務器，所以任何節點加入都不用考慮系統的負載量。用于層次和分組的應用，許多數據信息都只在一定范圍內設計共享，使得系統數據的安全性有所提高。
表1 C/S結構和P2P結構的協同系統比較
比較項C/S結構分組P2P結構
服務器處理操作記錄量M×M×I0
服務器分發信息量N×N×M×M×I0
用戶節點處理操作記錄量 N×M×IM×I×（1+P）
節點分發操作記錄量N×I M×I×（1+P）
5 結束語
本文提出了一種在P2P環境下的協同設計架構，并且討論了如何在P2P環境下建立協同設計系統，提出了分任務分組的設計思想。在此思想之下，本文提出了把系統分成兩部分：瀏覽器/服務器模式的用戶管理塊和基于P2P的協同工作塊。在瀏覽器/服務器模式的用戶管理塊中，具體解決任務的分解和節點與任務相互發現的問題；基于P2P的協同工作部分主要提出角色傳輸策略和沖突解決策略。這樣設計既利用P2P結構的優勢，又用B/S結構來彌補P2P結構的不足。這是一種有效解決現在的協同設計面臨問題的方法。
參考文獻：
［1］JENSEN C B.CSCW design reconceptualised through science studies[J].AI Society，2001，15(3):200215.
[2]CHEN Hua，QIAN Jianfei，HE Qingming.A P2P architecture for supporting group communication in CSCW systems[C]//Proc of the 10th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design.2006:199203.
