Jini在分布式嵌入式系統中的應用

關(guān)鍵詞：Jini 分布式嵌入式系統 Jini代理體系結構 EIB

引 言

　　嵌入式系統是指以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎、軟件硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。隨著(zhù)計算機技術(shù)和相關(guān)電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統的應用已經(jīng)深入到社會(huì )中的各個(gè)領(lǐng)域，如家用電器、移動(dòng)通信、航空、航天、醫療、工業(yè)控制和軍事等。在嵌入式系統的某些應用中，通常采用分布式體系結構，不同的嵌入式設備之間以某種方式相互連接、彼此協(xié)作，這就要求整個(gè)系統具有很好的靈活性和可靠性。

　　Jini是一種全新的構建分布式系統的技術(shù)，具有動(dòng)態(tài)的、自形成的和自管理的特性，它是一種真正的基于服務(wù)的分布式體系結構。另外，基于Java的Jini技術(shù)提高了分布式系統編程的抽象級別，簡(jiǎn)化了分布式系統的開(kāi)發(fā)。在構建分布式嵌入式系統的過(guò)程中利用Jini互聯(lián)技術(shù)，不但可以降低系統開(kāi)發(fā)難度，實(shí)現嵌入式環(huán)境中基于服務(wù)級的互操作，而且還可提高整個(gè)系統的靈活性和可靠性。因此Jini技術(shù)推出后，人們很快就開(kāi)始關(guān)注如何將Jini應用于分布式嵌入式系統的開(kāi)發(fā)[1~3]。

1 Jini技術(shù)概述

1.1 Jini的體系結構

　　 Jini是1999年1月Sun公司發(fā)布的一種基于Java的全新的用于構建分布式系統的技術(shù)，利用Jini可以使得軟件和硬件自發(fā)地結合起來(lái)，形成一個(gè)Jini服務(wù)聯(lián)盟。

　　一個(gè)Jini系統由下列組件組成[4]：

◇基礎設施組件――提供一個(gè)在分布式系統中建立起服務(wù)聯(lián)盟的框架；

◇編程模型組件――支持建立可靠的分布式服務(wù)；

◇服務(wù)組件――可以成為Jini服務(wù)聯(lián)盟中的一部分并且向聯(lián)盟中的其它成員提供服務(wù)。

　　 盡管Jini系統由三部分組件組成，但是它們之間的界限是模糊的，組件之間緊密相連、彼此協(xié)作。Jini是建立在分布式系統、經(jīng)常動(dòng)態(tài)變化這一原則之上的。它的體系結構如圖1所示。

　　服務(wù)是Jini體系結構中最重要的概念。它可以指任何實(shí)體提供的功能。其中實(shí)體可以是任何硬件設備、軟件或是硬件和軟件的結合體。服務(wù)通過(guò)查找服務(wù)注冊后就可以通過(guò)實(shí)現了Java遠程接口的一個(gè)接口來(lái)調用。用戶(hù)通過(guò)向查找服務(wù)請求并且下載服務(wù)的代理對象來(lái)和服務(wù)之間通信。查找服務(wù)自身也是一個(gè)服務(wù)，能夠跟蹤每個(gè)服務(wù)并且向用戶(hù)提供服務(wù)的代理對象。

　　Jini的體系結構建立在以下環(huán)境假設的基礎上[5]：

◇有一個(gè)網(wǎng)絡(luò )并且具有合理的網(wǎng)絡(luò )延遲，以不影響Jini系統的性能(要求網(wǎng)絡(luò )底層使用的通信協(xié)議是TCP和UDP[3])；

◇每個(gè)支持Jini的設備具有一定內存和處理能力；

◇每個(gè)設備都需要裝備一個(gè)Java虛擬機。

任何實(shí)體都可以成為服務(wù)提供者（即服務(wù)）或服務(wù)請求者（即用戶(hù)）。當一個(gè)實(shí)體作為一個(gè)服務(wù)的提供者時(shí)，對它具有如下的要求：

◇為實(shí)現發(fā)現和加入查找服務(wù)的功能，服務(wù)提供者必須擁有網(wǎng)絡(luò )功能；

◇為了能夠下載一個(gè)查找服務(wù)的代理，需要一個(gè)Java虛擬機，并且虛擬機支持標準的Java和RMI；

◇為保存與注冊相關(guān)的信息，需要有存儲功能；

◇為了實(shí)現以上的各種計算，需要有一個(gè)處理器。

同樣，一個(gè)服務(wù)請求者的實(shí)體具有如下要求：

◇為實(shí)現發(fā)現查找服務(wù)的功能，服務(wù)請求者必須支持網(wǎng)絡(luò )；

◇為了下載并且服務(wù)對象代理，需要一個(gè)Java虛擬機和存儲功能；

◇需要實(shí)現計算的處理器。

因此，一個(gè)實(shí)體要接入Jini網(wǎng)絡(luò )成為服務(wù)提供者或是服務(wù)請求者，它自身需要具備一定的內存和處理能力，以及網(wǎng)絡(luò )和Java功能，稱(chēng)滿(mǎn)足這些要求的實(shí)體是支持Jini的。

1.2 Jini技術(shù)的特點(diǎn)

　　Jini的核心功能是提供一種基于網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)的、自形成的和自管理的服務(wù)聯(lián)盟，具有如下特點(diǎn)。

　?、?Jini是即插即用的：服務(wù)提供者加入Jini網(wǎng)絡(luò )后，通過(guò)查找服務(wù)注冊后即可向使用者提供服務(wù)；服務(wù)的使用者加入Jini網(wǎng)絡(luò )后即可通過(guò)查找服務(wù)使用相應的服務(wù)，之后離開(kāi)。

　?、?使用戶(hù)可以很容易地訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )中任何位置的資源，即使是用戶(hù)在網(wǎng)絡(luò )中的位置經(jīng)常變化。

　?、?Jini以自發(fā)的方式實(shí)現實(shí)體間的互聯(lián)：任何實(shí)體之間可以相互發(fā)現和加入Jini網(wǎng)絡(luò )來(lái)組成一個(gè)Jini聯(lián)盟。

　?、?Jini消除了硬件和軟件之間的差別：Jini把硬件和軟件都抽象為服務(wù)，是一種真正的基于服務(wù)的體系結構。

　?、?Jini是一種分布式計算框架，使得分布式編程變得容易：Jini將Java應用環(huán)境由單獨的Java虛擬機擴展到一個(gè)Java虛擬機網(wǎng)絡(luò )；Java虛擬機屏蔽了不同機器平臺和操作系統的異構性，降低了分布式編程的難度。

1.3 利用Jini開(kāi)發(fā)分布式嵌入式系統

　　近些年來(lái)隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展，分布式系統已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的研究和應用，分布式計算成為實(shí)現高性能和高可靠性計算的一種新的計算模型[5]。在嵌入式應用領(lǐng)域中采用分布式體系結構，一方面可以實(shí)現嵌入式環(huán)境中的分布式計算（例如一個(gè)系統本身可能是由分布在不同位置的多個(gè)嵌入式系統相互連接構成的，如電梯、汽車(chē)等）；另一方面可以在可靠性要求較高的嵌入式應用中實(shí)現容錯計算。

　　Jini可以把分布式嵌入式系統變成動(dòng)態(tài)的、靈活的和易管理的系統。Jini的自形成特性提供了一種自動(dòng)相互發(fā)現和加入Jini網(wǎng)絡(luò )來(lái)組成服務(wù)聯(lián)盟的能力，可以使各種嵌入式設備以一種簡(jiǎn)捷的方式實(shí)現集成和互操作。Jini的動(dòng)態(tài)性使得每個(gè)嵌入式設備可以靈活地加入和離開(kāi)Jini服務(wù)聯(lián)盟。這樣，當一些嵌入式設備（如移動(dòng)設備、PDA等）在需要使用服務(wù)時(shí)，可以建立暫時(shí)性的連接加入Jini聯(lián)盟；服務(wù)完成時(shí)，離開(kāi)。在不需要人為參與管理的情況下，整個(gè)系統仍具有良好的可伸縮性。

　　另外，Jini是基于Java的。Java虛擬機屏蔽了不同機器平臺和操作系統的異構性，簡(jiǎn)化了嵌入式系統的編程；而且Jini將Java的應用環(huán)境由單獨的Java虛擬機擴展到一個(gè)Java虛擬機網(wǎng)絡(luò )，為實(shí)現分布式計算提供了一個(gè)良好的計算平臺。它提高了分布式系統編程的抽象級別，使得用戶(hù)只需在高層的對象接口上進(jìn)行編程，而不必處理底層的通信協(xié)議，簡(jiǎn)化了分布式系統的開(kāi)發(fā)。

　　因此，Jini為開(kāi)發(fā)分布式嵌入式系統提供了一種新的解決方案。但是，要把Jini應用到嵌入式領(lǐng)域中也存在一些需要解決的問(wèn)題，下面將進(jìn)行說(shuō)明。

2 嵌入式系統接入Jini網(wǎng)絡(luò )的方法

　　Jini并不是專(zhuān)門(mén)為開(kāi)發(fā)嵌入式應用而設計的。由上面的分析可知，一個(gè)支持Jini的設備必須具備一定的處理能力、內存、網(wǎng)絡(luò )功能和Java功能；而通常嵌入式系統對資源是嚴格限制的，完全支持Jini的嵌入式設備實(shí)際上并不多。另外，一些分布式嵌入式應用中底層的通信協(xié)議也不支持Jini。

　　如何使嵌入式系統能夠加入到Jini網(wǎng)絡(luò )，成為在分布式嵌入式應用領(lǐng)域中應用Jini技術(shù)的難點(diǎn)。結合現有的技術(shù)，目前主要有三種解決方法：一種是提高嵌入式設備的資源，如采用32位的處理器、2MB以上的存儲空間和支持網(wǎng)絡(luò )連接，這樣的嵌入式系統可以完全支持Jini；另外一種方法是采用Jini代理體系結構，不要求設備自身支持Java和Jini技術(shù)；第三種方法是將Jini進(jìn)行移植。

2.1 J2ME與Jini技術(shù)相結合

　　 繼Java技術(shù)在桌面系統和后端服務(wù)器領(lǐng)域取得巨大成功后，為了將Java的應用擴展到消費類(lèi)電子設備和嵌入式設備，Sun推出了Java 2 平臺Micro Edition（J2ME）。它包括兩個(gè)基本的配置集：連接設備配置集（CDC ，Connected Device Configuration）和連接有限設備配置集（CLDC ，Connected Limited Device Configuration）。CDC面向的是具有更強計算能力的嵌入式設備；CLDC面向的是資源有限的消費類(lèi)電子設備。對應于CDC和CLDC兩個(gè)不同的配置集，可以將J2ME設備分為兩類(lèi)：低端信息設備和高端信息設備。J2ME設備分類(lèi)如表1所列。

表1 J2ME設備分類(lèi)表

　　這兩種不同設備要求的J2ME的運行環(huán)境也不同。低端信息設備比較適合使用CLDC中定義的KVM，這是一款專(zhuān)用的Java虛擬機，是以小型的資源有限的消費類(lèi)設備為目標平臺的；而高端信息設備適合使用CDC中定義的CVM，它與常規的JVM是完全兼容的。

　　J2ME CDC可以使嵌入式設備具備Java 2的功能?；贘2ME CDC的RMI可選包完全滿(mǎn)足實(shí)現Jini的技術(shù)需求，因此可以直接加入Jini網(wǎng)絡(luò )。

　　對于那些J2ME CLDC的設備或是根本不支持Java和Jini的嵌入式設備來(lái)說(shuō)，Jini代理體系結構（Jini Surrogate Architecture）使其接入Jini網(wǎng)絡(luò )成為可能。

2.2 Jini代理體系結構

　　Jini代理體系結構是由Sun公司的工程師Jim Waldo提出的，現在已成為www.jini.org站點(diǎn)中一個(gè)開(kāi)放源代碼的項目。開(kāi)發(fā)Jini代理的主要目標是使那些資源有限的設備能夠完全參與到Jini網(wǎng)絡(luò )中。

　　Jini代理體系結構由下列組件構成：可宿主機（host-capable machine）、代理宿主（Surrogate Host）、宿主資源（Host Resources）和相互連接（Interconnect）。組件之間的關(guān)系如圖2所示[6]。

　　設備是指那些不能夠加入Jini網(wǎng)絡(luò )的任何硬件設備或者軟件；可宿主機具備執行Java語(yǔ)言編寫(xiě)的，用于代表設備的代碼，并且能夠為執行這些Java代碼提供所需的資源；代理宿主是駐留在可宿主機上，為執行代理體系結構的組件提供Java運行環(huán)境的框架，除了提供計算資源、運行環(huán)境和生命周期管理外，它還提供宿主的其它資源來(lái)幫助體系結構中的組件。

　　可宿主機在Jini網(wǎng)絡(luò )和設備兩者之間建立連接，在Jini網(wǎng)絡(luò )中充當這個(gè)設備的代言人。設備和代理宿主之間可以用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式相互連接。連接也可以采用任何的協(xié)議，有線(xiàn)連接如TCP/IP、RS-232、USB和IEEE1394等；無(wú)線(xiàn)連接可以采用藍牙協(xié)議。

　　這樣，Jini代理體系結構通過(guò)降低對設備資源的要求，實(shí)現了小型設備完全參與到Jini網(wǎng)絡(luò )中的目標，使得那些資源有限的小型設備可以充分利用Jini技術(shù)的優(yōu)勢。代理通過(guò)一個(gè)運行Java 2虛擬機支持Jini技術(shù)的宿主代理系統，使得本來(lái)需要運行在用戶(hù)中的服務(wù)代理對象可以在代理的環(huán)境中運行。任何小型設備與代理宿主通過(guò)相互連接進(jìn)行對話(huà)，從而成為一個(gè)完全的支持Jini的用戶(hù)或服務(wù)，且仍保持Jini即插即用的特性。

2.3 移植Jini

　　Jini體系結構假設網(wǎng)絡(luò )底層使用的通信協(xié)議是TCP和UDP，而一些分布式嵌入式系統中通常采用的是實(shí)時(shí)、可靠的數據傳輸協(xié)議，如CAN、TTP等。為了在這樣的應用領(lǐng)域中使用Jini技術(shù)，可以考慮將Jini進(jìn)行移植。RoSES（Robust Self-Configuring Embedded Systems）[3]是卡耐基梅隆大學(xué)通用發(fā)動(dòng)機協(xié)作實(shí)驗室的一個(gè)研究項目。目的是尋找一種建立靈活的、健壯的和可維護的分布式嵌入式系統的通用方法，在研究過(guò)程中嘗試把Jini移植到CAN上。移植Jini的方法也可以解決嵌入式系統接入Jini網(wǎng)絡(luò )的問(wèn)題，但其中的工作量相對較大。

3 應用實(shí)例

　　Jini在開(kāi)發(fā)分布式嵌入式系統方面已經(jīng)做了很多的工作[1~3]。下面介紹一下Jini在EIB（European Installation Bus）中的應用[1,2]。

　　現場(chǎng)總線(xiàn)分為多種，不同廠(chǎng)商的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品是不兼容的。為了解決這一問(wèn)題，EIBA（European Installation Bus Association）提出了EIB。EIB代表了最新的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，主要應用領(lǐng)域是家庭和建筑物的自動(dòng)化。EIB網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構可以是線(xiàn)形、星形和樹(shù)形。

　　EIB網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)是一個(gè)EIB設備。一個(gè)EIB系統中最大可以安裝60 000個(gè)設備。每個(gè)EIB設備中有一個(gè)嵌入式微控制器用來(lái)運行通信協(xié)議。它從總線(xiàn)上接收數據后傳送給應用程序，或是把應用程序數據傳給其它設備。每個(gè)EIB設備通過(guò)LC（Line Connector，具有路由功能）連接到主線(xiàn)（Main Line）上，BC(Bus Coupling)向特定應用的硬件（如傳感器和作動(dòng)器）提供了定義良好的接口。

　　EIB中的設備（例如傳感器）都是資源非常有限的設備，很難直接支持Jini，而且EIB系統使用的底層通信協(xié)議也不支持Jini。因此在實(shí)現中，采用Jini代理體系結構來(lái)使EIB設備接入Jini網(wǎng)絡(luò )。系統結構如圖3所示[2]。

　　EIB代理（EIB Agent）是EIB設備在Jini網(wǎng)絡(luò )中映射的服務(wù)代理。它向服務(wù)的使用者（Service User）提供EIB設備的功能；EIB服務(wù)器（EIB Server）由Jini數據庫（Jini Database）和EIB控制器（EIB Controller）兩個(gè)模塊組成。它負責管理代理宿主機與現場(chǎng)總線(xiàn)之間的連接，其中Jini數據庫是一個(gè)存放EIB設備和相應的EIB代理之間的映射關(guān)系的數據庫。EIB代理和EIB服務(wù)器運行在代理宿主機上。

　　這樣，在EIB系統中使用Jini技術(shù)會(huì )帶來(lái)如下好處：

◇EIB系統中，每個(gè)設備提供的功能都可以映射成Jini服務(wù)，這樣，不僅可以被其它的現場(chǎng)總線(xiàn)使用，而且還可以被支持Jini的任何設備（如PDA）來(lái)訪(fǎng)問(wèn)；

◇Jini簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )編程，并且Java提高了系統的安全性；

◇EIB網(wǎng)絡(luò )可以連接到Internet，這樣系統變成了開(kāi)放的，提高了EIB設備的可訪(fǎng)問(wèn)性；

◇Jini使EIB系統中的設備可以與家用消費電器和自動(dòng)化設備通信，增強EIB設備的功能；

◇Jini提供了一種獨立于廠(chǎng)商的服務(wù)平臺，使得不同廠(chǎng)商的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品相互兼容。

　　應當指出的是，Jini并不是完全適用于實(shí)時(shí)性要求高的嵌入式應用。RoSES的研究項目中，將Jini移植到了CAN上；但實(shí)驗結果表明，Jini的實(shí)時(shí)性能并不令人滿(mǎn)意。

4 總 結

　　在構建分布式嵌入式系統的過(guò)程中利用Jini技術(shù)，不但可以降低系統的開(kāi)發(fā)難度、實(shí)現嵌入式環(huán)境中基于服務(wù)級的互操作，而且可使系統具有很好的靈活性和可靠性。同時(shí)，在分布式嵌入式領(lǐng)域中使用Jini技術(shù)也存在一些需要解決的問(wèn)題，包括如何使得嵌入式系統支持Jini以及Jini的實(shí)時(shí)性等。