李軍懷，高 苗，張 璟

(西安理工大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

隨著移動設(shè)備的廣泛應(yīng)用，移動協(xié)同工作(Mobile CSCW)成為必然趨勢[1-2]。在移動CSCW中，用戶與遠程協(xié)同工作的同事及相關(guān)資源構(gòu)成了一個虛擬的工作空間，用戶在虛擬空間中交互信息，克服了時空的限制，但是卻缺乏在面對面的協(xié)作環(huán)境下工作的自然性和真實性，為了保證協(xié)同工作順利進行，群組成員之間的感知就變得非常重要了。移動終端設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)進行通信時，由于無線網(wǎng)絡(luò)帶寬小，連接穩(wěn)定性差，常常會導(dǎo)致暫時的網(wǎng)絡(luò)斷接，妨礙了協(xié)作者之間流暢的信息交流，不利于群組成員之間的協(xié)同工作。而且移動終端設(shè)備的存儲能力、可用能量有限，例如，電池的供電時間有限，這也許會導(dǎo)致意想不到的中斷，對協(xié)同工作的結(jié)果造成極大的危害[2-4]。針對這些問題，本文通過對能耗與消息大小之間的關(guān)系進行分析，采用消息隊列和減少消息大小的上下文存儲等機制，保證移動環(huán)境下協(xié)同工作感知消息的有效傳遞，同時減小網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)母兄⒋笮?，以減小響應(yīng)時間，達到減少能耗的目的。

1 基于能耗的協(xié)同感知模型

無線網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定性差，經(jīng)常會出現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端網(wǎng)絡(luò)斷接的情況，隨著移動設(shè)備的廣泛應(yīng)用，在短時間網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下保證協(xié)同工作的正常進行成為一種必然要求[5-6]。同時，移動設(shè)備受到可用能量的限制，它的工作狀態(tài)是在睡眠模式和活動模式之間轉(zhuǎn)換，如果移動設(shè)備處于睡眠模式，幾乎不消耗電池能量；如果其運行在活動模式下就可以進行諸如消息傳送等操作，這時移動設(shè)備開始消耗電池能量?？蛻舳嗽诨顒幽Ｊ较陆邮障ⅲ浔O(jiān)聽通道的持續(xù)時間被稱為調(diào)諧時間，調(diào)諧時間與能量消耗是成比例的。從調(diào)諧時間與能量消耗的相關(guān)公式出發(fā)，可以推導(dǎo)出通過減小網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)南⒋笮?，達到節(jié)約能量的目的。

1.1 問題分析

假設(shè)一個客戶端每tp個時間單位調(diào)諧一次網(wǎng)絡(luò)，調(diào)諧時間保持tc個時間單位。如果我們用X表示客戶端成功接收兩條消息之間的時間間隔，用f表示處于活動模式的客戶端單位時間的能量消耗，那總的能量消耗就是E0=λ·f·tc，λ表示在這個周期內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整次數(shù)，即

(1)

因此，我們有

(2)

客戶端連續(xù)的從網(wǎng)絡(luò)中接收消息，消息的大小為Y，消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速率為V，那么第一條消息與第二條消息之間的時間間隔即為第二條消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時間，分為兩種情況：

第一種情況：第2條消息到來時，移動設(shè)備處于活動模式，這時X=Y2/V2；

第二種情況:第2條消息到來時，移動設(shè)備處于睡眠模式，等待設(shè)備轉(zhuǎn)換到活動模式后接收消息，這時X=Y2/V2+tp，即：

(3)

或者

(4)

從公式(3)和(4)可以看到，由于消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速率V一般是固定的，那能量消耗E0與消息的大小Y有很大關(guān)系，隨著消息的變小，Y2/V2變小，能量消耗變小。因此，可以得出結(jié)論，通過減小網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)南⒋笮?，可以達到節(jié)約能量的目的[7]。

1.2 基于能耗的協(xié)同感知模型

在對消息大小與能量消耗之間的關(guān)系進行了數(shù)學(xué)分析以后，本節(jié)從如何收集感知信息，如何描述感知信息以及采用一種什么樣的信息傳遞方式出發(fā)，著重從減小消息大小，保證信息完整性、協(xié)作流暢性為目的，給出了一個基于能耗的感知模型感知消息處理模型，如圖1所示。

考慮到無線網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的局限性，為了保證用戶之間流暢的感知信息交互，使得協(xié)同工作順利的進行，我們使用消息隊列來收集感知信息。為了減少移動客戶之間傳輸消息的大小，以達到降低移動設(shè)備能量消耗的目的，我們引入了一種基于消息上下文存儲機制的方法。同時，采用遠程指針來體現(xiàn)感知性[8-9]。

圖1 基于能耗的感知模型

2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

2.1 感知消息的收集

基于消息隊列的感知信息收集方法主要思想是將消息緩存在消息隊列中，以防止由于網(wǎng)絡(luò)斷接造成的信息丟失。為了便于區(qū)分，將位于服務(wù)器的消息隊列稱為通知隊列。我們將發(fā)送消息的移動主機稱為生產(chǎn)者客戶，接收消息的移動主機稱為消費者客戶。生產(chǎn)者客戶產(chǎn)生的消息緩存在消息隊列中，如果網(wǎng)絡(luò)連接正常，消息出隊發(fā)送到服務(wù)器。服務(wù)器接收來自生產(chǎn)者客戶的消息，并將其緩存在通知隊列中，如果消費者客戶與服務(wù)器連接正常，消息從通知隊列中出隊，發(fā)往消費者客戶端。

服務(wù)器端接收來自客戶端的消息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理以后放入相應(yīng)的通知隊列，準備分發(fā)消息之前先判斷所有的協(xié)作者是否能夠順利的收到消息，如果發(fā)現(xiàn)有協(xié)作者與網(wǎng)絡(luò)斷接，消息會被重新送入通知隊列，然后將其發(fā)送出去。

2.2 消息處理

由于無線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性和斷接性，使得客戶端不一定能夠收到完整的一條或多條消息，這就需要客戶端進行消息的整合和解析?？蛻舳藦木W(wǎng)絡(luò)中以字節(jié)流的方式接收消息并存儲在一個字節(jié)數(shù)組中等待處理，我們假設(shè)一條數(shù)據(jù)處理完畢后，緊接著的第二條數(shù)據(jù)經(jīng)過判斷已經(jīng)不符合處理規(guī)則，就將這條數(shù)據(jù)暫時存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，等待下一條數(shù)據(jù)的到來，我們將接收到的新數(shù)據(jù)與緩沖區(qū)中的舊數(shù)據(jù)整合在一起，再一次判斷是否符合處理規(guī)則，如果不符合，他們將繼續(xù)被保存在數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，直到符合為止。

數(shù)據(jù)解析就是將數(shù)據(jù)分別提取出來，判斷一條數(shù)據(jù)是否符合處理規(guī)則以及是否讀取完畢。 它和數(shù)據(jù)整合部分結(jié)合起來完成了用戶的數(shù)據(jù)處理請求。

2.3 感知消息的分發(fā)

消息的分發(fā)方法主要從兩個方面考慮：減小數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的大小和設(shè)計合理的通信方式以減少客戶端接收數(shù)據(jù)時的延時。

減小數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的大小，通常采用無失真冗余度壓縮算法，其中較為常用的有動態(tài)Huffman算法及LZW壓縮算法以及Zip壓縮算法[10]。以Zip壓縮算法為例進行測試，實驗發(fā)現(xiàn)壓縮一條消息需要0.031 25 s，解壓一條消息需要0.032 1 s，隨著消息數(shù)量的增加，壓縮和解壓消息的時間會逐漸增長。因此，無論采取何種壓縮方法，壓縮和解壓都要占用一定時間，雖然消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳送時間減少，但是從客戶端發(fā)送消息到收到消息的響應(yīng)時間卻增長了。

針對數(shù)據(jù)壓縮方法存在的問題，通過分析感知消息的結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)其由動態(tài)和靜態(tài)兩部分組成。因此，為了減小網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)南⒋笮?，將消息的靜態(tài)部分存儲在消息存儲器中，避免了冗余信息在網(wǎng)絡(luò)中重復(fù)傳送[7,11]。消息分發(fā)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在技術(shù)實現(xiàn)中，使用普通的text作為消息存儲器來存儲消息的靜態(tài)部分，原因是text文檔存取速度快，節(jié)省訪問時間。每一個客戶端都有一個消息存儲器，消息從消息隊列出隊，客戶發(fā)送消息之前，首先判斷消息的靜態(tài)部分是否已經(jīng)發(fā)送過，從text中讀出的消息都是以流的形式存在，對信息存儲器初始化以后的格式為“flag 00 length sender ”，所以標記位的值在字段flag和字段length之間的位置。讀取標記位的值和消息攜帶的標記號flag進行比較，如果匹配，則表明該客戶是非首次發(fā)送消息，這時我們僅向服務(wù)器端發(fā)送消息的動態(tài)部分及標記號。

圖2 基于能耗的感知消息分發(fā)結(jié)構(gòu)圖

如果不匹配，則表明該客戶端是首次發(fā)送消息，這時我們將message.flag， message.length，message.sender存入消息存儲器，然后向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送完整的消息。

客戶端接收到消息后，先檢查消息存儲器中是否有匹配項，如果有，直接從消息存儲器中取出sender和length進行解析，最后根據(jù)length的值得到消息的body。如果沒有就按照普通的方式進行數(shù)據(jù)的整合與解析，同時將message.flag，message.length和message.sender存入消息存儲器。

實現(xiàn)步驟如下：

(1)客戶端向服務(wù)器端發(fā)送信息前訪問消息存儲器，判斷消息存儲器中是否有與消息本身攜帶的標志匹配的項；

(2)如果有，僅發(fā)送消息的動態(tài)部分；

(3)如果沒有，將消息的標志及靜態(tài)部分一起存入消息存儲器中，然后發(fā)送完整的消息；

(4)服務(wù)器收到消息，判斷消息攜帶的標志是否與消息存儲器中的標志相一致；

(5)如果一致，將消息的動態(tài)部分發(fā)送出去；

(6)如果不一致，在消息存儲器中存儲消息標志及靜態(tài)部分，發(fā)送完整的消息；

(7)客戶端收到消息以后分為兩種情況，如果客戶端收到的是自己發(fā)出的消息，則不予處理；如果收到的是來自其他客戶端的消息，先判斷消息本身攜帶的標志是否與消息存儲器中一致；

(8)如果一致，從消息存儲器中拿出靜態(tài)部分進行解析，接著解析動態(tài)部分；

(9)如果不一致，對整條消息進行解析，然后將靜態(tài)部分存入到消息存儲器中。

2.4 感知消息傳遞方式

移動CSCW中的感知支持協(xié)議必須獲得能量消耗和通知時間之間的平衡，因為通報消息所需的時間越少，能量消耗就會越低。另一方面，如果客戶端為了刷新他們的感知信息頻繁的轉(zhuǎn)換到活動模式，這樣雖然可以更快的接收信息，但卻消耗了更多的能量。

廣播通信很有可能導(dǎo)致用戶的中斷(當信息傳遞給對它沒有興趣的用戶時，將會干擾這些用戶的注意力，強迫他們?nèi)ズ献?，因此我們采用多點傳送的方式通告感知信息。這種方式將需要接收組播數(shù)據(jù)的所有用戶加入到一個多播組中，設(shè)定客戶端監(jiān)聽組播的端口。服務(wù)器端接收到的來自客戶端的一條消息(稱為一個數(shù)據(jù)項)，這些數(shù)據(jù)項按照簡單的先來后到的順序在通知隊列中連成串，然后依次被服務(wù)器組播出去，如果有客戶端沒有收到消息，消息將再次入隊，等待下一次組播。這種方式可以較好地解決單播和廣播方式存在的問題。

3 協(xié)同感知方法性能對比與分析

實驗主要針對感知消息傳遞中分別采用組播和單播循環(huán)方式、消息存儲機制和壓縮方法的性能進行比較，對這些方法進行評價。

圖3中每條消息的大小為248B，可以看出，要傳輸?shù)男畔⑤^少時，組播與單播循環(huán)下消息的響應(yīng)時間是非常接近的。隨著信息量的增加，組播方式下消息的響應(yīng)時間明顯少于單播循環(huán)下消息的響應(yīng)時間，傳輸效率得到顯著提高。

圖3 組播方式與單播循環(huán)方式的比較

從圖4中可以看出，在信息量較少時，使用Zip壓縮方法改變消息的大小和使用消息存儲機制改變消息大小所產(chǎn)生的結(jié)果相近，但是信息量增加，壓縮和解壓的時間就會增長，從客戶產(chǎn)生消息到客戶接收消息的響應(yīng)時間增加的很快，而使用消息存儲機制，消息的響應(yīng)時間增加幅度比之較小。因此，消息存儲機制要優(yōu)于Zip壓縮。

圖5中對本文涉及的方法進行了綜合比較，每條消息的大小為248B，消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸數(shù)量取48、138、670和1524條。Normal表示使用單播循環(huán)方式，不對消息作任何處理的情況；Multicast表示使用組播方式，不對消息作任何處理的情況；Mess-Store表示采用組播的通信方式，同時采用基于消息存儲器的消息處理方法的情況，從圖中可以明顯的看到，綜合使用兩種方法后，更加優(yōu)化了消息的響應(yīng)時間。

圖4 Zip壓縮和消息存儲機制的對比

圖5 綜合比較

4 結(jié) 語

本文介紹了一種基于能耗的移動協(xié)同感知模型，分析了感知消息大小與能量消耗之間的關(guān)系，然后重點介紹了采用消息隊列機制收集感知信息，在網(wǎng)絡(luò)斷接的情況下在隊列中緩沖消息，連接恢復(fù)時發(fā)送消息以及從節(jié)省能耗角度出發(fā)，采用上下文存儲機制減小網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)母兄⒋笮?，減小響應(yīng)時間，達到減少能耗的目的等關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)方法。下一步的工作主要集中在針對移動用戶的帶寬動態(tài)分配和采用數(shù)據(jù)廣播技術(shù)進一步降低能耗等方面。

參考文獻：

[1] LUFF P, HEATH C. Mobility in Collaboration[C]//Proceedings of the 1998 ACM Conference on Computer Supported Cooperative Work. Seattle, Washington, USA, 1998:305-314.

[2] WIBERG M, GRONLUND A. Exploring mobile CSCW:Five areas of question for further research[C]// IRIS23, Sweden, 2000.

[3] ROUSSEV V, PRIEGO G P, RICHARD G G. Touchsync: lightweight synchronization for Ad-Hoc mobile collaboration[C]//Collaborative Technologies and Systems, 2006: 181-188.

[4] OHARA P M, SELLEN K, BROWN A, et al.Dealing with mobility understanding access anytime, anywhere[J]. ACM Transactions on Computer Human Interaction,2001, 8(4): 323-347

[5] RODRíGUEZ PERALTA L M, GONCALVES S. A M. A model-based awareness tool for synchronous collaborative sessions[C]// Proceedings of the 15th International Conference on Computing (CIC′06), Mexico City, USA, November 2006: 347-354.

[6] BORDETSKY ALEX, HUTCHINS S G, KEMPLE W G. Network awareness for wireless peer-to-peer collaborative environments[C]//Proceedings of the 37th Hawaii International Conference on System Sciences,2004:89-99

[7] PAPADOPOULOS C. Improving awareness in mobile CSCW[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2006,5(10):1331-1346.

[8] MARSIC I. Adaptive collaboration for wired and wireless platforms[J]. IEEE Internet Computing,2001,5(4):26-35.

[9] WIBERG M. Knowledge management in mobile CSCW:Evaluation results of a mobile physical/virtual meeting support system[C]//Proceedings of the 34th Hawaii International Conference on System Sciences,2001:11-13.

[10] NIKITAS M. Improve XML Web Services' Performance by Compressing SOAP[EB/OL]. http: //www.dotnetjun ies.com/Article/46630AE2-1C79-4D5F-827E-6C2857FF1D23.dcik, 2003.

[11] GANESAN P, OUCH K A. Context awareness in ad-hoc communication[C]// Proceedings of IEEE Pacific Rim Conference on Communications, Computers and Signal Processing,February,2003:28-30.