无线CORBA中间件的系统结构分析与研究.doc

第 26 卷 第 7 期计算机工程与设计Computer Engineering and Design2005 年 7 月July 2005V ol . 26N o. 7无线 CORBA 中间件的系统结构分析与研究周艺林， 李仁发， 李肯立( 湖南大学 计算机与通信学院，湖南 长沙 410082)要：随着无线技术的快速发展，移动网络中的分布式计算也日趋重要。无线 CORBA 针对解决无线接入和终端移摘动这两个关键问题，系统地展现、归纳和评述了无线 CORBA 的总体系统结构、原理与规范，分析了移动 IOR、GIOP隧道协议和越区切换管理等无线 CORBA 中间件体系的核心支撑技术，给出了实现终端 GTP 通信处理的系统级设计解 决方案，指出了存在的问题和进一步的研究方向。这些工作对移动分布式系统的研究和实践具有一定的参考价值。关键词：无线 CORBA；移动 IOR；GIOP 隧道协议；越区切换中图法分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1000-7024 (2005) 07-1718-04Research on architecture and technology of wireless CORBAZHOU Yi-lin,LI Ren-fa,LI Ken-li(School of Computer Science and Communication, Hunan University, Changsha 410082, China)Abstract：With the rapid development of wireless technology, extending distributed developments to mobile network has become more and more important. Wireless CORBA architecture can meet two capital requirements-terminal mobility and wireless access in mobile network. The peculiarity of the architecture and specification of wireless CORBA were discussed. A deep survey presented on several core technology-mobile IOR, GIOP tunnel protocol and different handoff mechanisms in wireless CORBA. The solution to the design of GTP communication process was also given out. A discussion on the challenges of the mobile distributed system was provided. Considerable benefits from these works are referred to research and practice on distributed computing in mobile network.Key words：wireless CORBA; mobile IOR; GIOP tunnel protocol; handof是在不对传统静态 ORB 做任何修改的前提下，充分考虑了客户端和服务端同时移动的可能性，将分布式系统延伸到无线 移动网络的终端。通过服务代理和传输隧道技术来实现主机 移动的透明性，出错处理和越区切换的能力，有效地解决了无 线接入和终端移动这两个关键问题，是移动网络分布式系统 问题的新一代解决方案。1引言随着无线技术的迅猛发展，近年来基于移动网络的分布 式系统的研究正逐渐受到人们的重视。移动网络的特点是带 宽低，出错率高。网络需要在不同层次上支持计算的移动性： 物理层必须提供无线传输信道和接口；数据链路层则要实现 多用户无线资源的共享和在通信子网内自由地移动；网络层 还要保证移动情况下数据分组的正确路由和收发；传输层则 要考虑移动通信对相应协议的改进，如不能将无线连接链路 上的消息丢失简单地视为拥塞以避免降低系统的发送速率和 吞吐率等。长期以来，传统的 CORBA 中间件体系是解决分布 式计算环境中的跨语言通信和异构平台互操作问题的有效手 段，但是它仅适用于固定 IP 的有线网络，对移动网络则无能 为力。因此，针对移动网络的无线接入和终端移动这两个关 键的需求，OMG 提出了适用于移动网络的分布式中间件体系 结构 无线 CORBA。2.1总体系统结构无线 CORBA 只是制定了总体系统规范、接口和策略，它本身是基于元数据的自描述的，并未指定任何具体的实现方 案。无线 CORBA 的系统结构如图 1 所示，总体上可以划分为3 个不同的域：终端域、访问域和宿主域。(1)宿主域：是移动终端的归属网络，域内的宿主定位代理 (HLA)不仅负责跟踪移动终端当前所附着的访问桥的地址，而 且要完成终端地址的位置更新和查询等操作，以及提供域内 对象引用的发现和解析初始化等 CORBA 服务。(2) 访问域：是终端在移动过程中可能要访问到的外区网 络。除了要实现常规的域内对象引用的发现和解析服务外，还要进行越区切换管理和将终端的位移通知给 HLA，提供相2无线 CORBA 体系结构新一代 CORBA 规范的扩展Wireless CORBA 的出现，收稿日期：2 004-06-28。基金项目：湖南省自然科学基金项目 (03 jjy310 3)。作者简介：周艺林 （19 74-），男，湖南长沙人，硕士，研究方向为分布式计算等； 李仁发，男，教授，博士； 李肯立，男，副教授，博士。络中的对象向移动终端发起服务调用时，因为对象的 IOR 中的 IIOP 配置设置的是 HLA 地址，所以，首先由宿主定位代理 获得请求，经查询返回当前移动终端所附着的访问桥地址，客 户端根据收到的移动IOR 提供的地址向目标访问桥重新发出 请求连接，访问桥还是通过GIOP 隧道激活移动终端上的服务 对象，其后的客户/服务间的通信过程与前述类似。3 无线 CORBA 体系核心技术无线 CORBA 作为一种 CORBA 的无线扩展，OMG IDL 也 做了相应的扩充。其中，对移动 IOR 的扩展支持、GIOP 隧道 协议的建立与维护，以及多种越区切换控制方式的管理机制 是无线 CORBA 实现达到其移动位置透明性、保持接入连续性 和屏蔽无线通信传输信道各种问题的功能的核心支撑技术。3.1 移动 IORCORBA 使用可互操作对象引用（IOR）作为网络上被分布 的对象的惟一标识。通常 IOR 是一个数据结构，它提供了互 操作所需要的关于类型、协议支持和 CORBA 服务器对象进程固定网终 端域4GIOP 隧道宿 主域访 问 域6 5 73GIOP 隧道2终 端域1图 1 无线 CORBA 系统结构分析应的查询接口等。通常，域内的访问桥位于固定网络中，相当于是移动终端上 CORBA 对象的网关代理，它提供了对终端 ORB 的访问接口。并且，访问桥作为 GIOP 隧道的网络端的 结点，还要封装和解封装来往于终端桥之间的 GIOP 隧道消 息。访问桥将终端标志和 GIOP 隧道地址进行捆绑，来实现发 往终端的消息定位。(3) 终端域：实际上只规范了域的外部接口 终端桥。 所有由移动终端发起的 CORBA 调用都要发往该终端桥。终 端桥和访问桥一起构成了 GIOP 隧道，它是访问桥的无线连接 链路上的隧道终端对应结点，也要封装和解封装来往于访问 桥之间的 GIOP 隧道消息。每个移动终端在其归宿网络内都 有一个 HLA，同时，也允许无宿主终端的存在。相应地，OMG 的 IDL 扩增了 GTP.idl 和 MobileTerminal.idl等接口规范。的 IP 地址和 TCP 端口等信息。ORB 创建、使用并维护该 IOR。它由服务器发布，可以采用“FILE:”、“HTTP:”或“FTP”等不同的格式。一个传统 CORBA 的 IOR 格式主要如图 2 所示。图 2 典型的传统 IOR 数据结构然而，传统 IOR 显然已不能满足隐藏终端位移的要求。无线 CORBA 中，移动IOR 提供的移动透明性是通过客户终端 本身对 ORB 透明的方式来实现的。这样处理的好处在于：使 得非移动终端上运行的 ORB 不为了与移动终端互连而去实 现无线 CORBA 规范。移动 IOR 在对正常 IIOP 的配置 (TAG_ INTERNET_IOP) 的基础上，增加了对移动终端的配置 (TAG_ MOBILE_TERMINAL_IOP)。移动 IOR 可看做是可重定向的对象引用。不同于传统的IIOP 配置，为了能够路由访问到目标对象当前所附着的访问 桥，它对地址和对象键等字段添加了新的附加语义。主机和 端口所指的或者是目标对象终端的 HLA 地址或者是目标对 象当前所附着的访问桥地址。其运作机制是：如果存储的是 HLA 的 IP 和端口，表明客户端发起的是激活请求，HLA 则会 返回 Location_Forward 的 GIOP 消息以告知服务对象目前所附 着的访问桥。如果存储的是访问桥，而当终端移动至另一访 问桥，则新附着的访问桥应该回应客户 Location_ForwardGIOP 消息返回 Mobile IOR，以便指示终端目前新附着的访问桥。新增的移动终端配置包含有 HLA 和访问桥为了提供目 标终端的移动透明性而需要的各种信息。这就意味着：只有 实现 HLA 和访问桥功能的 ORB 才需要使用移动终端配置，而 对于客户端上的 ORB、移动 IOR 则不必此类信息。扩展后的 移动 IOR 的主要结构如图 3 所示。其中，当 HLA 和访问桥第1 次收到 GIOP 的激活消息时，它需要在 GIOP 消息中以某种 方式建立移动目标对象的终端 ID 和对象键，并且将其与对象键进行关联。而如果终端是无宿主终端，只要访问桥与终端系统工作原理终端域处于移动网络中，包含了驻留有 ORB 的移动终端 设备和使移动终端设备上的对象能与其它网络中的对象进行 通信的终端桥。访问域通常是位于固定网络中，若干的访问 桥与其对应的终端桥之间建立了GIOP 隧道，提供了对移动终 端 ORB 的访问。宿主域同样处于固定网络中，宿主定位代理 则负责终端的地址查询和定位，以达到移动终端位置的透明 性。整个无线 CORBA 中间件体系架构是对于传统 CORBA 体系的一个扩充，而不是重写，不失一般性。Wireless CORBA 支持客户端、服务端的同时移动。但更普遍的情形是客户端 移动，而服务端静止。所以，对于原有固定网络中的非移动 ORB 而言，不必为了与移动终端上的 CORBA 对象进行互操 作而实现无线 CORBA 规范。基于这一重大的设计原则，下面 我们来分析一下当移动终端客户向固定网络中的 CORBA 对 象发起服务调用时，一次完整的分布式调用流程，其主要处理 过程如图 1 所示：移动终端发出目标地址位于固定网络的 服务对象请求；终端桥获得消息，对其进行封装后发往 GIOP 隧道；对应的访问桥从隧道收到消息后，解封装，借助于 IOR 和 IIOP 完成服务对象的定位；服务端接受请求，执行调用， 返回运行结果给客户；移动终端所附着的访问桥将返回结 果封装，送到 GIOP 隧道；对应的终端桥将隧道传来的数据 解封装；最终，移动终端获取运行结果。反过来，当固定网2.2标志通信端点时间戳适配器标志对象标识终端桥访问桥HLAO R B终端桥访问桥桥之间存在 GIOP 隧道，那么对象引用也是合法的。系统内 GIOP 隧道通信的消息头数据格式由 5 个不同的字段组成。其中，gtp_msg_type 字段表明 GTP 消息的类型，决 定了对消息正文进行相应的解析；flags 字段的最左位表示 En- dianness 的方式：0x00 设置为 Big-Endian 表示方式，0x80 设置 为 Little-Endian 表示方式，剩余的 7 位备用；seq_no 字段表明消 息顺序号，取值范围是 1-65535，其中 0x0000 专用于隧道建立 请求；last_seq_no_received 字段表明最高确认顺序号；content_ length 字段则指明 GTP 消息的长度。3.2.2 GTP 消息映射GTP 层和传输层之间还存在着一个进行适配的过程，以 定义传输如何被使用以及传输端点的传输地址的数据格式。 常有的 3 种具体的隧道映射协议是 TCP、UDP 和 WAP 隧道协 议。TCP 已经提供了可靠，有序的传输服务，但它较复杂，并 且在无线连接链路上运行得不太理想，典型的问题是:TCP 的 传输机制通常假定了丢包是由拥塞所引起的，但是在无线传 输中，丢包往往不是拥塞而是由无线信道的不可靠所引起的。 所以，减低发送窗口的传统做法会导致系统的吞吐率和发送 速率的降低。而当 GTP 映射到 TCP 传输协议上时，GTP 消息 在 TCP 传输层上完全以字节流传送，不需要任何界定符号。然而 UDP 是非连接，不可靠的传输。对于 UDP 而言，为 了保证与 IIOP 的互操作性，还必须引入 UTP 作为 UDP 隧道映 射的协议适配器层。如图 5 所示，作为位于 GTP 层和具体传 输层间的适配器层，UTP 是存在于 UDP 数据报文的有效负荷 中。UTP 封装 GTP 消息，要保证面向连接的消息传送的可靠性和有序性，并且提供对分段、重组和选择性重新传送等特性的支持。UTP 消息由消息头和一组 UTP 段所组成。UTP 通信 的消息头占 4 个字节，其数据格式主要由 UTP 序列号和 UTP 段数这两部分组成，UTP 的分段则采用了典型的 TFLV 格式： 类型+标志+ 长度+消息值。其中，标志位 flags 的最右端的两 位数值来指明数据的分段标志信息。UTP 的分段主要有 5 种 类型：初始化访问请求：由终端桥发起，其值域包含有一个 历史序列号和访问桥的传输地址；初始化访问回应：由访问 桥发起，其中，值字段包含有一个历史序列号和终端桥的传输 地址；暂停：可由任何一端发起，其所有子段均为空，接收方 解释为发送方将停止发送消息；恢复：可由任何一端发起， 继续开始通信；确认：用来指明顺序接受UTP 消息的最高序 列号及相关信息。3.2.3 终端 GTP 通信处理的系统设计方案基于以上的研究分析，如图 5 所示，给出了实现终端桥上 的 GIOP 隧道处理的软件系统的设计框架。整个处理系统可 分为以下 3 大控制模块。图 3 移动 IOR 的数据结构3.2 GIOP 隧道如图 4 所示，按照消息通信方式划分，Wireless CORBA 的 通信协议可以分为以下 3 层：第 1 层是对象接口，对象间通过 对其的调用来相互交互；第 2 层是通用 ORB 间协议 GIOP，它 是一类抽象的协议，规定了标准的传递语法和 ORB 间通信的 消息格式标准集，以便对等 ORB 可以在任何面向连接的低层 传输上进行通信；第 3 层是 GIOP 隧道协议，一种无线 CORBA 中用来在访问桥和终端桥之间传送 GIOP 和隧道控制消息的 传输协议。移动终端就是通过 GIOP 隧道与固定网络相连接。 隧道的终端结点端称为终端桥，而网络结点端则称为网络桥。所以，从网络协议处理的角度看，访问桥上的 ORB 主要分成 两大功能模块：第 1 块是网络端隧道传输管理模块；第 2 块是 GIOP 消息的桥接模块。CORBA 对象调用对象对象GIOP 消息终端访问桥对等端图 4 GIOP 隧道通信的分层协议堆栈3.2.1 GIOP 隧道协议终端桥和访问桥之间的通信采用的是GTP，即GIOP 隧道 传输协议。它是抽象的，并且独立于任何具体的传输协议。GTP 解决的是如何在终端桥和访问桥之间传送 GIOP 和隧道 控制消息的问题，使移动终端得以接入固定网络。每对给定终端桥和访问桥之间仅存有一条GIOP 隧道，通过它实现 GIOP连接的多路共享。如果终端桥同时与两个访问桥连接，则在 和新桥建立隧道前必须关闭先前建立的隧道，而一个适度的 切换行为应该是能够使终端桥平滑地将 GIOP 隧道由旧的访 问桥转移到新桥上。GTP 提供了必要的控制消息，以便建立、 释放、重建 GIOP 隧道和传送、转交 GIOP 消息。GTP 消息由消 息头和消息正文组成。GTP 消息的 17 种消息类型，分布于访 问桥和终端桥之间。消息接收者根据消息头的分析，对消息 正文做相应的解释和操作。图 5 UTP 通信消息的数据结构类型标识长度值UTP 消息头UTP 负载UTP 段UTP 序号UTP 段数U DP 报头UD P 报头G IOPGIOPGTPG TPIIOPIIOP适配层TCP适配层传输层传输层IIOP 配置移动终端配置终端标志对象键HLA 标识对象引用AB/HLA(1) 终端前端处理模块：主要负责属于终端域的对象的列举初始化（ObjectIdList *list_initial_services ()）和解析初始化引 用（Object_ptr resolve_initial_references (const char *identifier)）等 CORBA 服务，以及实现移动终端的设备管理功能，包括有对 移动终端的配置注册管理；终端通信的连接，释放管理；移动 终端的越区切换管理。(2)GTP 协议处理引擎模块：负责 GTP 连接的建立、打开、 切换、转交和关闭以及相关资源的释放等处理。其中，定时器 管理部分包括了：空闲定时器负责IdleSync 消息的触发和释放 定时器负责 GTP 连接的超时重发；GTP 连接管理部分充当与 GIOP 进行通信的对应接口，配接响应的 GIOP 消息类型；GTP 解码器部分进行GTP 消息头的解析并且对相应的消息正文进 行接收与发送处理。(3) 协议映射处理模块：可以通过运用抽象工厂模式的设 计模式进行重构，以实现对 GTP 适配器的动态加载。而加载 的相应适配器实现 GTP 到 TCP、UDP 等不同传输协议的隧道 映射功能。通过映射后在实际具体的传输层上进行传输。端桥，同时，新桥通知老桥切换操作完成；(4) 终端桥收到隧道建立回应消息后，发通知给老访问桥。至此，根据状态老桥知道切换完成，等待释放请求，并通知所有定制跟踪了该移动终端的相关桥；(5)终端桥释放与老桥的连接，得到确认后，发出事件通知。终端发起的反向切换控制方式由终端在与老桥释放连接之前，与新桥建立传输连接，如 若不成功则需启用恢复连接机制。其工作机理与上类似。3.3.3 终端发起前向切换控制方式当终端桥检测到与访问桥失去连接后，终端域会发出一个吊线事件通知以启动访问恢复过程，可能产生两个成功的 结果：恢复到原先所附着的老访问桥或者连接到一个新的访 问桥。其主要工作流程如下：(1) 终端桥与访问桥建立连接，访问桥判断出这是否为一 个恢复连接消息；(2) 如果老访问桥回应了隧道建立消息给终端桥，终端桥 知道还是原先附着的访问桥，于是从丢失处重新开始传送 GTP 消息；(3) 如果支持事件，则发出相应的通知，另一种可能是从(2)中的返回消息得到的是新访问桥的信息。(4) 新桥收到 EstablishTunnelRequest 消息后，激活 HLA 进 行移动终端的位置更新操作，调用老桥的 recovery_request 操 作，并回应终端桥；(5)老桥收到应答后，如果检查是合法的终端，则会通知所 有定制跟踪的相关桥。3.3.2终端前端处理GTP 引擎处理定时器4存在的问题以及进一步的研究然而，无线CORBA 作为一种基于中间件层面的移动分布式系统的解决方案，也就是说，实现其移动透明性和越区切换 管理等都还离不开低层无线通信协议的支持。由于无线信道 具有可靠性不高、带宽窄、传输特性随时间显著地变化等特 点，在这种网络资源中，无线 CORBA 中间件体系具有自适应 地保证服务质量（QoS）的行为特性就非常有意义，特别是对于 实时响应性、高吞吐能力、安全可靠性的保证显得尤其重要。 另外，无线 CORBA 的体系架构目前主要定位于电信的2.5/3G GSM 移动网络，还不太适用于 P2P 通信、广播等方面的 应用。而且，因为移动节点大都是资源受限的系统，所以具有低功耗的设计也是架构实现中间件软件体系的必须注重的因 素之一。如上所述，这些都将是今后开展进一步研究工作的 重点问题。协议映射处理图 6 终端 GTP 通信处理的系统框架越区切换越区切换管理是保证用户在移动中能持续通信的重要功 能。越区切换不能和区内切换一样，仅仅简单地改变其相应 的通信频率或使用时隙。完整的切换过程由收集信息、决策 和执行 3 步组成。基于桥与桥之间的切换在 ORB 层是可见 的，属于执行阶段的一部分。切换分为反向切换和前向切换 两种类型。前者是正常地由旧访问桥切换到新桥，又可分为 终端发起和网络端发起两种方式；而后者通常是在无线通信 发生突发中断时，为了重新建立连接而由终端所发起的。3.35结论本文旨在研究能够解决在移动网络中分布式系统所存在 的无线接入和终端移动问题的中间件体系架构 无线 COR- BA。通过比较、探索，分析了该中间件架构的客观需要、必需 的功能、合理的系统结构、运作原理和适用的核心支撑技术。 并且，提出了 GIOP 隧道终端通信处理的系统设计解决方案。 最后，还指出了无线CORBA 体系架构存在的局限性和进一步 的研究方向。(下转第 1725 页)网络端发起的反向切换控制方式由外部比如基站，对无线信号的强度和无线连接链路的 传输质量进行测量，由外部应用发起 start_handoff 命令以启动 老访问桥的切换操作。一次成功切换的主要工作流程如下。(1)外部应用启动老访问桥发起 start_handoff 操作；(2)老访问桥调用新桥 transport_address_request 操作，终端 若被接受，老桥发出 HandoffTunnelRequ 调用给终端桥；(3) 终端桥与新桥建立隧道传输连接，新桥收到消息后激 活 HLA 进行终端位置更新操作，并发出回应消息给对应的终3.3.1动态加载适配器处理连接处理消息响应G TP 解码换CO RBA 服移动终端管理连接切注册数（/ 匹配的序列数失配的序列数）；·扫描被检测序列，如果发现违反了规则，则整个序列的 “总分值”加上（100*置信值）；·计算整个序列的“平均分值”（总分值/序列总数），根据 平均分值和指定的阈值判断是否存在入侵。j= j+ j; /偏差更新5结论EAIDS 系统采用分布式结构，数据收集和分析检测功能 分布在各个检测节点中，管理员通过控制节点对检测节点进 行配置和管理，管理员也可以通过控制节点查询检测结果，并 接收检测节点发送的入侵检测报警。检测节点中的数据收集 模块和检测模块采用插件机制，使检测节点非常容易集成多 种数据收集方法和检测方法，系统具有很强的可扩展性。系 统中实现了简单匹配、数据挖掘、神经网络 3 种基于异常的检 测算法，可以对未知特征模式的攻击提供比较有效的检测方 法，克服了基于误用检测方法的缺点。EAIDS 系统在有效性 和效率方面进行了综合考虑，系统采用了较为全面的建模算 法和检测方法，使系统的误报率大大降低。同时系统利用了 统计理论和信息论的知识降低了计算输入量，使系统具有较 高的检测效率。基于神经网络的系统调用序列分析方法典型的神经网络共分 3 层，基于异常的入侵检测中神经 网络的构建方法如下：·输入层（I）：结点数等于选择的系统调用序列长度(6 或 7)；·隐藏层（H）：选择 10，15，20，25，30，35，40，50，60 个中间 节点分别进行测试；·输出层（O）：只有一个节点，取值0,1，0 表示正常，1 表 示入侵。用 DARPA 提供的 4 个星期的正常数据训练神经网络，采 用经典的向后传播方法对神经网络进行训练，训练方法如下：·对输入系统调用序列中的每一个系统调用进行编码， 使其在 0,1 域内。这里采用简单的映射方法，将系统调用号 映射到0,1域内；·建立神经网络，输入结点为 I，中间结点为 H，输出结点 为 O，初始化神经网络的权值和偏差值；·训练过程while 终止条件不满足for 每个长度为 M 的系统调用序列/向前输入传播for 隐藏或输出层每个单元 jIj=iwijOi+ j; /相对于前一层 i，计算单元 j 的净 输入Oj=1/(1+e-Ij) /计算每个单元 j 的输入/后向传播误差for 输入层每个单元 jErrj=Oj(1 - Oj)(Tj - Oj);for 对于隐藏层每个单元 jErrj=Oj(1 - Oj)kErrkwjk;for 神经网络中每个权值 wij wij=(l)ErrjOj; /权增值 wij=wij+ wij; /权更新for 神经网络中每个偏差 jj=(l)Errj; /偏差增值4.3参考文献:1Forrest S, Hofmeyr S A, Somayaji A. 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