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适用于Ad Hoc网络的环境自适应服务总线研究

【摘 要】为了解决民用服务总线技术在Ad Hoc网络环境的局限性问题,采用结合终端呈现能力的宽带服务缓存与离线服务、自适应内容分发与数据自适应压缩技术,提出了适用于Ad Hoc网络环境自适应的服务总线架构方案,并通过实验验证了设计的有效性。 【关键词】Ad Hoc网络
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【摘 要】为了解决民用服务总线技术在Ad Hoc网络环境的局限性问题,采用结合终端呈现能力的宽带服务缓存与离线服务、自适应内容分发与数据自适应压缩技术,提出了适用于Ad Hoc网络环境自适应的服务总线架构方案,并通过实验验证了设计的有效性。
  【关键词】Ad Hoc网络 服务总线 数据内容自适应
  doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.007 中图分类号:TP393 文献标志码:A 文章编号:1006-1010(2016)20-0036-05
  1 引言
  针对日益增长的信息共享和业务整合的需求,基于SOA(Service Oriented Architecture,面向服务的体系架构)的企业应用集成已是大势所趋。基于SOA的ESB(Enterprise Service Bus,企业服务总线)可屏蔽各类异构网络环境、操作系统、编程语言的差异,在固定网络环境得以有效应用。若将其应用于Ad Hoc网络,则需考虑其适应性。现有的SOA关键技术XML(Extensible Markup Language,可扩展标记语言)、Web Service等均建立在具备可靠通信、高带宽能力的TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol,传输控制协议/因特网互联协议)网络之上,而Ad Hoc网络具有通信不稳定、带宽受限、终端性能低下等特点[1],如果无线用户想要获取固定网络的服务资源,必然受到无线环境的约束,无法忍受固定网络服务技术带来的负荷影响。因此,需要对目前现有的服务技术进行改进,以解决无线环境的适应性难题,提高无线用户访问固定网络服务的可行性和效率,从而实现Ad Hoc网络环境的信息共享和业务整合需求。
  鉴于国外的研究经验以及国内的技术基础[2-3],本文提出一种适用于Ad Hoc网络的环境自适应服务总线架构,通过数据内容自适应技术来解决Ad Hoc网络环境的约束。
  2 系统结构
  在Ad Hoc网络环境中搭建基于SOA的系统框架,实现服务共享与协作,需要增加适应于无线受限环境的设计技术,以减轻其约束影响,如图1所示。可以从两个角度来考虑设计方法:
  (1)与服务相关的:将设计方法作为服务的一部分,直接在服务中增加对环境的适应性处理;
  (2)独立于服务的:将设计置于服务总线之中,既减轻服务的复杂性,也便于重用[4-6]。
  本文选用方法(2),提出一种适用于Ad Hoc网络的环境自适应服务总线架构。
  本文提出的Ad Hoc网络环境自适应服务总线包括两大组件:业务逻辑组件和数据访问组件。其系统结构如图2所示:
  2.1 业务逻辑组件
  业务逻辑组件由四大功能部件组成,包括:Ad Hoc网络接口、固定网络接口、服务代理和数据内容自适应。数据内容自适应作为核心功能部件,可进一步分解为:宽带服务缓存、离线服务、自适应内容分发、数据自适应压缩和协议转换。
  ◆Ad Hoc网络接口:为服务总线提供与Ad Hoc网络的通信接口,实现无线环境消息的接收和发送功能。考虑到带宽有限,根据终端呈现能力的不同,本系统选择灵活、标准、轻量级的消息格式,包括VMF(Variable Message Format,二进制消息格式)、经过高效压缩的SOAP(Simple Object Access Protocol,简单对象访问协议)消息,为无线用户提供高效的传输服务。在国内外Ad Hoc网络研究中,VMF协议已在无线终端得以有效推广使用。
  ◆固定网络接口:为服务总线提供与固定网络的通信接口,实现固定网络消息的接收和发送功能。使用XML/SOAP/Web Service技术,实现面向服务架构。
  ◆服务代理:服务总线为各服务提供代理功能,它通过UDDI(Universal Description Discovery and Integration,通用描述、发现和集成)目录服务器获取待访问服务的属性(包括服务地址、接口等信息),代理客户端访问服务以获取服务应答,并向客户端转发服务应答。
  ◆数据内容自适应:根据Ad Hoc网络环境特点,以减轻网络带宽占用和终端处理负荷为目标,开展针对性设计。包括:
  宽带服务缓存:将远端的固定网络服务(简称宽带服务)前端化,提供服务数据的临时缓存,以提高访问效率。在有效期内,当用户重复请求该服务或服务器离线时,对用户返回本地缓存的服务数据。
  离线服务:为无线用户的不稳定连接提供服务保证。若无线用户请求服务时发生连接中断,则服务总线为其保存服务应答,并在用户恢复连接时向其推送服务应答。
  自适应内容分发:根据接收方无线终端的设备能力(如屏幕大小、计算能力、内存、存储容量、操作系统、浏览器和网络带宽等),自适应调整传输内容。接收终端能力越差,送达的数据内容将越少,以减小终端处理负荷。
  数据自适应压缩:根据用户终端呈现能力,对服务数据进行自适应的数据压缩,以实现Web服务的轻量化。
  协议转换:提供消息翻译功能,实现Ad Hoc网络与固定网络之间消息的协议格式转换。例如,无线终端选用轻量级二进制协议VMF技术,服务总线通过对VMF消息与SOAP/XML消息协议转换,支持无线用户对固定网络服务的访问。
  (1)宽带服务缓存与离线服务
  Ad Hoc网络服务总线通过将固定网络服务(简称宽带服务)如气象、地图服务等的服务数据在本地缓存,为无线用户访问宽带服务提供网关功能,如图3所示:
  ◆当无线用户初次成功获取固定网络服务(如气象服务)时,将服务数据写入服务总线的本地缓存,则有效期内当用户再次访问该服务时,直接通过本地缓存提供服务应答而无需访问网络,以提高访问效率。  ◆当服务器离线或拥塞时,对用户返回本地缓存,以提高服务成功率。
  ◆服务总线为离线用户保存服务数据,并在用户恢复连接时向其推送服务应答。
  (2)自适应内容分发
  Ad Hoc网络服务总线结合呈现服务,根据接收方无线终端的设备能力(如屏幕分辨率、CPU类型、内存、存储容量、系统软件特性和网络带宽等特征),自适应调整传输内容。接收终端能力越差,送达终端的数据内容将越少,以减小终端处理负荷,提高服务应答效率。以访问气象服务为例,实现流程如图4所示:
  ◆无线终端定期向呈现服务器上报自身的设备能力,呈现服务定期更新终端能力的数据信息。
  ◆当用户请求气象服务时,服务代理结合呈现服务提供的终端设备能力信息,根据预设规则选择适合的数据内容调整方法,将服务应答数据(气象信息)转换为适用于当前用户接收的数据格式后再行分发,从而实现自适应内容分发。
  ◆数据内容调整方法包括内容分页显示、分层显示、多媒体格式转换与调整技术等。
  (3)数据自适应压缩
  根据客户端接入带宽能力和服务应答数据类型,本系统提供一种数据自适应压缩的机制,实现Web服务的轻量化。该策略可以降低数据传输量与响应时间,有效地改善Web服务性能。
  ◆根据“呈现服务”提供的客户端接入带宽信息,服务总线决定是否对SOAP应答消息进行压缩。当客户端为窄带接入时,则对应答消息进行压缩;当客户端为宽带接入时,则不予压缩处理,以减少由压缩、解压缩带来的处理性能负荷。
  ◆参考文献[7]至文献[13]对SOAP/XML压缩算法的研究,本系统选择XMill和Gzip压缩算法。对典型结构的SOAP/XML文本消息,XMill算法能实现至少20%的压缩率;Gzip对小于20 kB的文本具有良好的压缩性能,可以对携带图片、声音等二进制附件的SOAP消息进行压缩。经过权衡这2种算法的优缺点,服务总线根据SOAP应答消息的大小和携带的附件类型动态来选择压缩算法。
  2.2 数据访问组件
  数据访问组件包括宽带服务数据库和离线服务数据库两部分,具体如下:
  (1)宽带服务数据库:用于保存固定网络的服务数据,由“宽带服务缓存”部件负责建立与维护;
  (2)离线服务数据库:用于保存用户因离线无法接收到的服务数据,由“离线服务”部件负责建立与维护。
  3 实验分析
  下面将通过实验具体分析在无线带宽、链路稳定性受限因素影响下,该软件设计方案中服务运行的有效性。
  3.1 实验环境
  实验环境如图5所示。Ad Hoc网络服务总线、UDDI目录服务器、Web服务器(呈现服务、气象服务)和无线终端共同搭建形成SOA平台,硬件/软件运行环境如表1所示。
  3.2 实验结果
  无线终端通过SOAP协议接入服务总线,发起气象预报服务请求。服务应答初始大小4.5 MB,其中携带图片大小2.3 MB。通过Linux系统工具设置网络链路带宽、时延和丢包率,以模拟无线链路。服务总线设备分别启用民用服务总线、Ad Hoc网络服务总线,开展测试100次,比较在接入侧无线链路不同带宽、时延、丢包率环境下,获取服务的成功率、响应平均时延和服务应答大小。实验结果如表2所示。
  由表2可见,在无线网络环境下,通过宽带服务缓存与离线推送、数据压缩技术、图片内容自适应分发技术的应用,本文提出的适用于Ad Hoc网络的服务总线明显优于民用传统服务总线,服务成功率高且服务响应平均时延、服务应答占用带宽明显减小。
  4 结束语
  本文在民用企业服务总线的基础上,结合无线受限环境特点,提出一种适用于Ad Hoc网络环境自适应的服务总线架构并进行研究。在Ad Hoc网络中,通信的不稳定性和带宽有限是实现SOA架构的主要障碍。实验结果表明,通过结合终端的呈现能力,本系统提供的宽带服务缓存与离线服务、自适应内容分发与数据自适应压缩技术,可减少对网络带宽的占用,实现服务轻量化,并提高了服务访问效率。由此可见,本文提出的适用于Ad Hoc网络的服务总线技术可降低无线受限环境的约束影响,加速实现服务共享的进程。
  参考文献:
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  [2] 付建川,吴正午,朱恩成. 栅格服务总线在战术级信息系统中的应用研究[A]. 2013中国指挥控制大会论文集[C]. 北京: 国防工业出版社, 2013: 1317-1320.
  [3] 王均波,郭雷平,王建斌,等. 移动战术信息栅格的一种消息服务总线设计方法[J]. 火力与指挥控制, 2013,38(12): 79-82.
  [4] DISA. Tactical Edge Service: Design Principles and Patterns[R]. 2011.
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  [10] 熊静,魏建,张旭,等. 移动计算环境下Web服务性能的动态优化策略研究[J]. 宁夏大学学报: 自然科学版, 2008,29(1): 52-55.
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