基于Ａｄ ｈｏｃ網絡的ＣＳＣＷ應用共享機制的研究

（武漢理工大學 計算機科學與技術學院， 武漢430063）

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摘要：

近年來，由于其快速方便的自組織特性和無須預設網絡設備等特點，無線Ad hoc網絡已經得到廣泛關注。同時隨著移動終端的發展，移動CSCW逐漸成為CSCW的發展趨勢。需要一種結合兩種技術的共享機制存在。首先介紹了Ad hoc網絡的特點以及傳統的CSCW共享機制，然后提出一個基于Ad hoc網絡的完全復制式機制，最后給出一個具體的應用共享模型。

關鍵詞：Ad hoc網絡； 計算機支持的協同工作； 完全復制式共享

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：10013695(2009)03102904

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Research of CSCW’s application sharing mechanism based on Ad hoc networks

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XUE Shengjun， ZHOU Heng

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(College of Computer Science Technology， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China)

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Abstract:

In recent years，investigations on Ad hoc networks had received considerable interest due to its capability to deploy quickly without any infrastructure.And with the development of mobile terminal，mobile CSCW gradually became the developing direction of CSCW.So a sharing mechanism combining two technologies was needed. This paper introduced the Ad hoc networks characteristics and the traditional CSCWs sharing mechanism at first.Then put forward the theory of completed replicated application sharing based on Ad hoc networks.Finally discussed a application share model.

Key words：Ad hoc networks; CSCW（computersupported cooperative work）; completed replicated application sharing

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近年來，移動網絡在不斷快速發展，人們經常提及的移動網絡一般都是有中心的，由這個中心對網絡成員進行管理，所以傳統移動設備要基于預設的網絡設備才能運行，即需要一個基礎網絡(infrastructurebased network)[1]。但是對于有些特殊場合來說，有中心的移動網絡并不能滿足需求。比如，戰場上部隊快速展開和推進、危險地區的勘探、地震或水災后的營救等。這些場合的通信不能依賴于任何預設的網絡設施，而需要一種能夠臨時快速自動組網的移動網絡，Ad hoc網絡就能很好地滿足這樣的要求。

Ad hoc網絡（MANET）是一種動態多跳無線網絡，由一組共享無線信道的移動節點組成。由于其快速方便的自組織特性和無須預設網絡設備等特點，無線Ad hoc網絡現在已經得到廣泛關注，并正在得到越來越廣泛的應用，已經成為移動通信技術向前發展的一個重要方向，并將在未來的通信技術中占據重要地位。

計算機支持的協同工作（computersupported cooperative work，CSCW），是20世紀80年代逐漸發展起來的。隨著Internet以及無線移動網絡的發展，CSCW將在全球范圍內實現更廣泛的應用。一般CSCW系統的基本組成元素[2]可歸納成四類，即成員角色（role）、共享對象（shared object）、協作活動（activity）和協作事件（event）。其中共享對象是在協作過程中各成員共同操作的對象；而共享應用[3]是對共享對象的管理即應用，是CSCW系統中支持同步合作方面的研究領域之一，其目的就是使參加協作的用戶具有一個相同的視圖。其中一個用戶的操作工程和結果可為所有其他用戶所見。

1Ad hoc網絡

Ad hoc網絡是由一組帶有無線收發裝置的移動終端組成的一個多跳的臨時自治系統。網絡中的移動終端具有路由和報文轉發功能，可以通過無線連接構成任意的網絡拓撲。在Ad hoc網絡中，每個移動終端兼備路由器和主機兩種功能。作為主機，終端需要運行面向用戶的應用程序；作為路由器，終端需要運行相應的路由協議，根據路由策略和路由表參與分組轉發和路由維護工作。在Ad hoc網絡中，節點間的路由通常由多跳（hop）組成。由于終端的無線傳輸范圍有限，兩個無法直接通信的終端節點往往會通過多個中間節點的轉發來實現通信。它又被稱為多跳無線網、自組織網絡、無固定設施的網絡或對等網絡。Ad hoc網絡同時具備移動通信網絡和計算機網絡的特點，可以看做是一種特殊的移動計算機網絡。圖1為一個典型的Ad hoc網絡[4]。圖中終端A和I無法直接通信，但可以通過路徑A→B→G→I進行通信。

在Ad hoc網絡中每個用戶終端均兼有路由器和主機兩種功能，除此之外，Ad hoc網絡還有以下特點[5，6]：

a)多跳路由。當節點要與其覆蓋范圍之外的節點進行通信時，需要中間節點的多跳轉發。這種多跳轉發是由普通的網絡節點完成的。

b)動態變化的網絡拓撲結構。Ad hoc網絡中，用戶終端的移動具有很大的隨機性，加上無線發射裝置發送功率的變化、無線信道間的互相干擾以及地形等綜合因素的影響，網絡的拓撲結構可能隨時發生變化，而且這種變化的方式和速度難以預測。

c)有限的傳輸帶寬。Ad hoc網絡采用無線傳輸技術作為通信手段，而無線信道本身所能提供的網絡帶寬相對較低，再加上競爭共享無線信道帶來的信號沖突、衰減及干擾等多種因素的影響，移動終端可得到的有效帶寬將遠遠小于理論上的最大帶寬。

d)移動終端的局限性。Ad hoc網絡中的用戶終端一般以電池這樣易耗盡能源作為電源，并且CPU性能較低、內存較小，這就給應用程序的設計和開發帶來一定難度，尤其是每個主機都兼做路由器的工作，所以對路由選擇協議的要求就很高。

e）分布式的控制網絡。Ad hoc網絡中不存在中心控制點，用戶終端的地位平等，是一個對等式網絡，節點可以隨時加入和離開。網絡路由協議通常采用分布式控制方式，因此比中心網絡具有更強的魯棒性。

2問題的提出

在CSCW系統中，需要提供WYSIWIS（你見即我見）機制，允許參加者對同一事物的不同部分以不同形式進行觀看和修改，即對共享的同步要求比較高，但是Ad hoc網絡不同于傳統的移動網絡。在傳統的移動網絡中，移動終端通常都是圍繞著中心設備來工作，這種服務器的功能和計算能力比移動終端要高得多，它們通過無線電信號與移動終端進行連接。在傳統移動網絡中的共享機制由服務器來控制，服務器能接收移動終端傳送的操作事件，并將信息分發給各移動終端。

基于Ad hoc網絡的CSCW系統則要面臨更多的問題，首先由于Ad hoc網絡中的移動終端現在通常是單主機單電臺的節點，那么不可避免地會出現隱終端和暴露終端的問題，在信息的分發上很難保證完全同步。而且Ad hoc網絡經常采用分級結構，即Ad hoc網絡劃分為一到多個簇（cluster），而在移動終端出現簇間移動時，需要實現信息傳遞的延續性。本文將針對有限的網絡資源，利用現有的技術提出相應的CSCW系統共享模型。

3應用共享機制理論分析

3.1協同工作中的應用共享機制

CSCW中現有較常用的應用共享機制可以分為集中式和復制式兩種。

集中式共享方式下參加協同工作的不同計算機上的用戶可以共同操作安裝在某一臺計算機上的應用軟件，并且所有的用戶均可以看到操作的結果，用戶間傳遞的信息是應用程序的輸出結果，輸出結果由一個應用程序產生。集中式應用共享的優點在于集中式服務器可以簡化事件的調度，在保證各種數據對象及用戶視圖一致性方面無須作復雜的控制處理，整個協同工作系統中只有一個應用程序拷貝運行，同步機制簡單，程序容易開發維護，并且協作中用戶的動態加入和撤離容易實現;其缺點在于集中式結構可靠性較差，因網絡需要分發大量的圖形化應用程序顯示結果，因此網絡流程大，客戶端響應速度較慢，沒有彈性的控制機制，協作結果不能重放。Microsoft的Netmeeting中應用程序共享就是采用集中式共享機制。

比較而言，復制式應用共享中，用戶對應用程序的操作（如鼠標、鍵盤輸入消息等），通過應用程序共享技術被復制到其他計算機上，在其他計算機上產生同樣的輸出結果，使協作中每個用戶能夠感覺到其他人的存在。所以相對于集中式的應用共享，網絡數據流量要小得多;另外由于用戶是通過自己的計算機獲得輸出結果的，系統響應速度快。但難點在于每個協同工作計算機上運行的應用程序如何保持嚴格同步;協作中用戶的動態加入機制比較復雜，并且難以控制;計算機支持協同設計(coopCAD)研究中就采用該機制。

3.2基于Ad hoc網絡的完全復制式共享機制

Ad hoc網絡被劃分為一到多個簇，每個簇由一個簇頭(cluster head)和多個簇成員(cluster member)組成。這些簇頭形成高一級的網絡。在高一級網絡，又可以再分簇，形成更高一級的網絡。在分級結構中，簇頭節點負責簇間數據的轉發，它可以預先制定，也可以由節點使用算法選舉產生。單頻分級網絡如圖2所示，所有節點使用同一個頻率通信。為了實現簇頭之間的通信，要有網關節點的支持。在分簇結構中，網關是指同時位于兩個簇頭通信范圍內的節點。

在Ad hoc網絡的移動環境中每個移動終端都是對等的關系，而且每個對等點都有客戶端和路由器的雙重角色，所以實際應用中如果單獨使用以上兩種通用機制都是無法滿足要求的。因而在集中式和復制式應用共享的基礎上，利用分簇的網絡模式本文提出了完全復制式應用共享[7]。它的主要思想體現在：

a）在協同工作共享某應用時首先讓每個新加參與者必須擁有相同的應用代碼和初始數據對象，然后對于該共享工作產生具體的配置文件；對于離開網絡又重新加入的節點則只需要應用代碼保持一致，然后從離開時的操作事件版本繼續更新到最新版本。

b）利用對等組技術實現協同工作的通信管理，按照組內設備性能評估選出組內的某一節點充當服務節點，其余為客戶節點；服務節點負責組間數據的轉發，同時它要統一協調組內的發言權和并發控制，以確保在某一時刻只有一個節點擁有發言權，并且在服務節點上保留了最新的操作版本；如果協同工作的規模較大，如圖3可以對整個協同工作群體細分成多個組，設多個服務節點，由這些服務節點組成一個更高級別的組，在這個更高級別的組中選出高一級別的服務節點，進行統一的數據分發。

c）當組內某一客戶節點發起操作時，服務節點首先存儲操作，然后在所有客戶節點間進行操作的分發，然后每個客戶節點再將該事件執行響應在本地上，系統響應速度得到加快。

d）每個節點設置一個狀態對象，里面記錄了該節點的當前狀態，如當前操作版本號、當前會晤狀態、服務節點的ID等信息，以保證節點間正常協作所需的信息采集。

e）在該共享機制中，將所有的動作事件記錄保存在每個客戶節點上，并且在每個客戶節點上保存當前所有參加會晤的用戶隊列、啟動的共享應用隊列等公共信息。

這種機制的優勢在于：在任何一個當前的服務節點出現問題時，可以通過選擇算法選擇組內的某個客戶節點及時充當服務繼承節點，這樣每個客戶節點上都有動作事件的記錄和用戶的共享應用等公共信息，所以當服務繼承節點取代原服務節點時能保證其信息和原服務節點一致，這樣就加強了整個工作組的健壯性，弱化了服務節點的功能，而且因為服務節點只起到協調功能，就不會出現服務器由于負荷和訪問量過大而導致服務器癱瘓的情況。由于在Ad hoc網絡中節點的移動性，經常會導致節點的路由情況發生變化，在協同工作分為多組的情況下一個節點有可能從一個組的可察覺范圍移動到另一個組的察覺范圍，這時由于設置了狀態對象，在經過確認后可以從當前版本繼續進行更新，增強了對移動節點的適應。

4基于Ad hoc網絡的應用共享模型

4.1完全復制式應用共享模型

在分析了傳統應用共享機制的基礎上，結合Ad hoc網絡自身的網絡特點和通信機制，提出一個基于Ad hoc網絡的完全復制式應用共享模型。具體的模型實現如圖4所示。

在該完全復制式應用共享模型中本文描述了主要組件間的合作關系和信息交互路線。該模型由動作控制模塊(action control module)、數據管理模塊(data management module)、狀態管理模塊(state management module)和會晤控制模塊(meeting control module)組成。開始協同工作時首先創始節點自己做服務節點，然后加入新的節點時將節點的配置信息等加入服務節點的節點信息列表中，然后對客戶節點分發更新的節點信息列表和最新的操作環境，而客戶節點在得到最新的動作記錄時便在本地順序執行這些事件，這樣就可以取得與其他客戶節點一致的狀態。

4.2動作控制模塊

動作控制模塊是共享應用模塊的重要部分，在所有應用中產生的事件都是由動作控制模塊發送和接收。它的主要功能如下：

a）首先接收從人機交換界面傳來的操作請求，先要將請求發向服務節點，當服務節點傳回許可權時，動作控制模塊解除對應用程序的事件鎖，使得用戶能夠使用應用程序產生事件。

b）當用戶使用應用程序產生事件后，動作控制模塊將用戶操作分解成對幾個部件的操作。在一次會晤過程中，可以啟動一個或多個應用，因此需要表示出接收事件的部件對象，并將該部件的標志號連同事件數據一起發給服務節點。而服務節點接到標志號后找到相應的部件進行操作。在本機操作完畢后對應用程序上鎖等待下次的開鎖許可。

c）事件的執行，當接收到服務節點傳來的最新版本的操作后，按照接收到的部件標志號和事件數據在本地的應用程序上執行，顯示在人機交互界面上，讓協作中每個用戶能夠感覺到其他人的存在。

4.3數據管理模塊

數據管理模塊主要作用于移動設備上的小型數據庫，在CSCW系統中數據庫已經不是單個數據庫，而是由若干具有獨立自治功能的單個數據庫組成的數據庫群。這些數據庫分屬于協同工作群體各方，包括群體成員共享的數據庫系統以及個體的數據庫。物理上它們是分布的，邏輯上構成了一個透明的面向協同工作的虛擬環境。由于協同數據庫涉及到多個單位的不同數據庫，筆者認為現在就允許整個協同數據庫系統的用戶對數據進行修改、刪除等操作是不太現實的，而應當限制在瀏覽的范圍內。協同數據庫的數據管理包括：

a）用戶管理。對于整個協同數據庫系統，每個終端（包括服務節點和客戶節點）均保存著整個工作組成員的配置文件，即參與會晤的用戶隊列。當網絡的拓撲結構發生變化時由服務節點發起更新，對于某些網絡拓撲結構變化頻繁的網絡也可以采用定時更新的方式。

b）應用管理。協同工作中需要對工作的步驟和具體操作有詳細的記錄，所以在數據庫中需要設置啟動的共享應用隊列即事件記錄表（用于支持動作事件的記錄和回放）。

c）共享管理。在協同工作中客戶節點經常會有需要分發的文件發給其他會晤用戶，不同于前面的用戶管理和應用管理，共享文件管理支持本地數據庫中數據的刪除功能和瀏覽功能，而用戶管理和應用管理則只支持瀏覽功能。

4.4狀態管理模塊

狀態管理模塊主要實現對會晤控制和管理的人機交換界面，它提供了以下的操作功能：發起會晤、加入或離開會晤、請求或主動釋放發言權、查詢歷史記錄、啟動一個共享應用工具；如果是會晤管理者可發放發言權，強制剝奪發言權，允許新加節點進入會議，強制踢出節點。每一個參加應用共享的節點都需要首先運行狀態管理模塊，它相當于一個與使用者之間聯系的接口。動作控制模塊的動作對象就是由狀態管理模塊生成，同時，由于對會晤的控制也在這個模塊發起，在這個模塊還會生成會晤控制對象，然后作用在會晤控制模塊里實現與其他節點的對話。

4.5會晤控制模塊

在該應用共享模式中，會晤控制模塊是核心模塊，其主要功能是：

a）提供會晤管理，比如加入和退出會晤，并保存當前最新的事件記錄版本。會晤的加入過程如圖5所示，在新加節點提出申請后可能會遇到其他客戶節點正在發送動作信息給服務器，如果整個協作工作組的設備基礎是建立在單信道的基礎上，由于隱接收終端問題和暴露接收終端問題[8]的存在，有可能新加節點在提出申請后得不到回應，這時給新加節點設置一個沉默時間ST，在等待一個沉默時間ST過后再發出申請；如果沒有遇到隱終端或暴露終端問題，則可接收到響應信息，如果會晤處于繁忙狀態則新加節點進入休眠狀態，等待被激活；如果不同意節點加入，則申請過程結束；如果響應的信息是同意加入，那么服務節點開始更新成員信息并進行分發給所有用戶，然后更新新加節點到最新的事件記錄版本。

退出會晤過程比較簡單，因為在Ad hoc網絡中用戶終端的移動性，經常會有用戶移動到協作組無法察覺的地方而使得服務節點聯系不到，這時該節點就自動退出會晤，這種退出屬于主動退出。服務節點一段時間內無法感覺到成員節點的存在就自動認為該節點主動退出，但在用戶列表中不刪除該用戶的記錄和配置信息，只是顯示該用戶離線并不再發送信息，直到該節點響應時再激活。節點的被動退出與被動退出操作相似，但是發起者是會晤的管理者。

b）發言權控制[9]。在協同工作中，每個用戶均可以通過某一種方式獲得發言權，也可以主動地放棄發言權。另外還應有一種機制防止某個用戶過于積極發言而拒絕放棄發言權，所以一般提供以下三種模式的發言權控制：

（a） 主席控制模式。即由協同工作系統的管理者控制當前哪個用戶擁有發言權。

（b） 主動搶占模式。在這種模式下，所有無發言權的用戶可以對發言權控制設施發出申請，要求得到發言權。在根據某種約定的仲裁策略后，如根據請求到達的時間等，發言權控制設施剝奪當前發言人的發言權并將發言權賦給某個用戶。

（c） 主動放棄模式。在這種模式下，擁有發言權的用戶可主動讓出發言權，然后所有用戶可競爭發言權。

這三種模式同時存在大大增加了發言權分發的靈活性，首先各節點對發言權控制設施發出申請，在組內有一個發言權申請列表，與用戶列表一樣在每個節點之間進行隨時更新。

在服務節點對整個組的事件記錄本版本進行更新后設置一個等待申請時間，在這個時間內可以接收到新加節點的申請和發言申請。當申請被發送到服務節點時，服務節點自動更新申請列表。這時協同工作系統的管理者可以將發言權授予當前在申請列表中的用戶。如果管理者不主動控制則按主動搶占模式賦權。

c）選擇服務節點。類似Ad hoc網絡的分級方式，由于在一個大型的協作工作中某些工作的協作性高，而某些工作協作性較低，可以在一個大的協作群體中分成多個小組來進行協同工作，而服務節點就類似Ad hoc網絡分簇結構中的簇頭。由于服務節點的任務相對較重，它要對共享信息進行分發，如果服務節點的選擇不合理則有可能成為工作效率的瓶頸。這個時候需要使用某些分組算法進行分組然后選擇服務節點。需要注意的是服務節點不同于協同工作系統的管理節點，管理者一般由工作的創建人擔當并授權，其所在的節點為管理節點，而服務節點不固定，可以根據不同的算法發生變更。

5結束語

Ad hoc網絡無須基礎設施而能自動組網，是下一代網絡的重要組成部分。為了適應Ad hoc網絡的自由組網功能而提出的這個完全復制式共享擁有靈活的共享方式，在CSCW系統的協作組中共享應用和共享信息是每個成員都分發一份，所以可以利用多跳共享廣播信道對組內成員進行數據的分發。Ad hoc網絡的靈活性決定了它有很多不同的使用方式和領域，有著靈活的共享方式。所以如何建立更高效的共享模型有待進一步研究。

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