基于Jini互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：孫曉明，尚利宏，金惠華

引 言

嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)深入到社會中的各個領(lǐng)域，如家用電器、移動通信、航空、航天、醫(yī)療、工業(yè)控制和軍事等。在嵌入式系統(tǒng)的某些應(yīng)用中，通常采用分布式體系結(jié)構(gòu)，不同的嵌入式設(shè)備之間以某種方式相互連接、彼此協(xié)作，這就要求整個系統(tǒng)具有很好的靈活性和可靠性。

Jini是一種全新的構(gòu)建分布式系統(tǒng)的技術(shù)，具有動態(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(jié)構(gòu)。另外，基于Java的 Jini技術(shù)提高了分布式系統(tǒng)編程的抽象級別，簡化了分布式系統(tǒng)的開發(fā)。在構(gòu)建分布式嵌入式系統(tǒng)的過程中利用Jini互聯(lián)技術(shù)，不但可以降低系統(tǒng)開發(fā)難度，實(shí)現(xiàn)嵌入式環(huán)境中基于服務(wù)級的互操作，而且還可提高整個系統(tǒng)的靈活性和可靠性。因此Jini技術(shù)推出后，人們很快就開始關(guān)注如何將Jini應(yīng)用于分布式嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

1 Jini技術(shù)概述

1.1 Jini的體系結(jié)構(gòu)

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(gòu)建分布式系統(tǒng)的技術(shù)，利用Jini可以使得軟件和硬件自發(fā)地結(jié)合起來，形成一個Jini服務(wù)聯(lián)盟。

一個Jini系統(tǒng)由下列組件組成：

◇基礎(chǔ)設(shè)施組件——提供一個在分布式系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)、經(jīng)常動態(tài)變化這一原則之上的。它的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

服務(wù)是Jini體系結(jié)構(gòu)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(shè)備、軟件或是硬件和軟件的結(jié)合體。服務(wù)通過查找服務(wù)注冊后就可以通過實(shí)現(xiàn)了Java遠(yuǎn)程接口的一個接口來調(diào)用。用戶通過向查找服務(wù)請求并且下載服務(wù)的代理對象來和服務(wù)之間通信。查找服務(wù)自身也是一個服務(wù)，能夠跟蹤每個服務(wù)并且向用戶提供服務(wù)的代理對象。

Jini的體系結(jié)構(gòu)建立在以下環(huán)境假設(shè)的基礎(chǔ)上［5］：

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

◇每個支持Jini的設(shè)備具有一定內(nèi)存和處理能力；

◇每個設(shè)備都需要裝備一個Java虛擬機(jī)。

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）。當(dāng)一個實(shí)體作為一個服務(wù)的提供者時，對它具有如下的要求：

◇為實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)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；

◇為了能夠下載一個查找服務(wù)的代理，需要一個Java虛擬機(jī)，并且虛擬機(jī)支持標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)以上的各種計(jì)算，需要有一個處理器。

同樣，一個服務(wù)請求者的實(shí)體具有如下要求：

◇為實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)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Java虛擬機(jī)和存儲功能；

◇需要實(shí)現(xiàn)計(jì)算的處理器。

因此，一個實(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(nèi)存和處理能力，以及網(wǎng)絡(luò)和Java功能，稱滿足這些要求的實(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)。

① Jini是即插即用的：服務(wù)提供者加入Jini網(wǎng)絡(luò)后，通過查找服務(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)后即可通過查找服務(wù)使用相應(yīng)的服務(wù)，之后離開。

② 使用戶可以很容易地訪問網(wǎng)絡(luò)中任何位置的資源，即使是用戶在網(wǎng)絡(luò)中的位置經(jīng)常變化。

③ Jini以自發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)體間的互聯(lián)：任何實(shí)體之間可以相互發(fā)現(xiàn)和加入Jini網(wǎng)絡(luò)來組成一個Jini聯(lián)盟。

④ 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(jié)構(gòu)。

⑤ Jini是一種分布式計(jì)算框架，使得分布式編程變得容易：Jini將Java應(yīng)用環(huán)境由單獨(dú)的Java虛擬機(jī)擴(kuò)展到一個Java虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)；Java虛擬機(jī)屏蔽了不同機(jī)器平臺和操作系統(tǒng)的異構(gòu)性，降低了分布式編程的難度。

1.3 利用Jini開發(fā)分布式嵌入式系統(tǒng)

近些年來隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，分布式系統(tǒng)已經(jīng)得到了越來越廣泛的研究和應(yīng)用，分布式計(jì)算成為實(shí)現(xiàn)高性能和高可靠性計(jì)算的一種新的計(jì)算模型 ［5］。在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中采用分布式體系結(jié)構(gòu)，一方面可以實(shí)現(xiàn)嵌入式環(huán)境中的分布式計(jì)算（例如一個系統(tǒng)本身可能是由分布在不同位置的多個嵌入式系統(tǒng)相互連接構(gòu)成的，如電梯、汽車等）；另一方面可以在可靠性要求較高的嵌入式應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)容錯計(jì)算。

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

另外，Jini是基于Java的。Java虛擬機(jī)屏蔽了不同機(jī)器平臺和操作系統(tǒng)的異構(gòu)性，簡化了嵌入式系統(tǒng)的編程；而且Jini將Java的應(yīng)用環(huán)境由單獨(dú)的Java虛擬機(jī)擴(kuò)展到一個Java虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算提供了一個良好的計(jì)算平臺。它提高了分布式系統(tǒng)編程的抽象級別，使得用戶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，簡化了分布式系統(tǒng)的開發(fā)。

因此，Jini為開發(fā)分布式嵌入式系統(tǒng)提供了一種新的解決方案。但是，要把Jini應(yīng)用到嵌入式領(lǐng)域中也存在一些需要解決的問題，下面將進(jìn)行說明。

2 嵌入式系統(tǒng)接入Jini網(wǎng)絡(luò)的方法

Jini并不是專門為開發(fā)嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。由上面的分析可知，一個支持Jini的設(shè)備必須具備一定的處理能力、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)功能和Java功能；而通常嵌入式系統(tǒng)對資源是嚴(yán)格限制的，完全支持Jini的嵌入式設(shè)備實(shí)際上并不多。另外，一些分布式嵌入式應(yīng)用中底層的通信協(xié)議也不支持Jini。

如何使嵌入式系統(tǒng)能夠加入到Jini網(wǎng)絡(luò)，成為在分布式嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用Jini技術(shù)的難點(diǎn)。結(jié)合現(xiàn)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(shè)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(tǒng)可以完全支持Jini；另外一種方法是采用Jini代理體系結(jié)構(gòu)，不要求設(shè)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(jié)合

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

表1 J2ME設(shè)備分類表

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

J2ME CDC可以使嵌入式設(shè)備具備Java 2的功能。基于J2ME CDC的RMI可選包完全滿足實(shí)現(xiàn)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(shè)備或是根本不支持Java和Jini的嵌入式設(shè)備來說，Jini代理體系結(jié)構(gòu)（Jini Surrogate Architecture）使其接入Jini網(wǎng)絡(luò)成為可能。

2.2 Jini代理體系結(jié)構(gòu)

Jini代理體系結(jié)構(gòu)是由Sun公司的工程師Jim Waldo提出的，現(xiàn)在已成為www.jini.org站點(diǎn)中一個開放源代碼的項(xiàng)目。開發(fā)Jini代理的主要目標(biāo)是使那些資源有限的設(shè)備能夠完全參與到Jini網(wǎng)絡(luò)中。

Jini代理體系結(jié)構(gòu)由下列組件構(gòu)成：可宿主機(jī)（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(shè)備是指那些不能夠加入Jini網(wǎng)絡(luò)的任何硬件設(shè)備或者軟件；可宿主機(jī)具備執(zhí)行Java語言編寫的，用于代表設(shè)備的代碼，并且能夠?yàn)閳?zhí)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(jī)上，為執(zhí)行代理體系結(jié)構(gòu)的組件提供Java運(yùn)行環(huán)境的框架，除了提供計(jì)算資源、運(yùn)行環(huán)境和生命周期管理外，它還提供宿主的其它資源來幫助體系結(jié)構(gòu)中的組件。

可宿主機(jī)在Jini網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備兩者之間建立連接，在Jini網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)這個設(shè)備的代言人。設(shè)備和代理宿主之間可以用有線或無線的方式相互連接。連接也可以采用任何的協(xié)議，有線連接如TCP/IP、RS-232、USB和IEEE1394等；無線連接可以采用藍(lán)牙協(xié)議。

這樣，Jini代理體系結(jié)構(gòu)通過降低對設(shè)備資源的要求，實(shí)現(xiàn)了小型設(shè)備完全參與到Jini網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)，使得那些資源有限的小型設(shè)備可以充分利用Jini 技術(shù)的優(yōu)勢。代理通過一個運(yùn)行Java 2虛擬機(jī)支持Jini技術(shù)的宿主代理系統(tǒng)，使得本來需要運(yùn)行在用戶中的服務(wù)代理對象可以在代理的環(huán)境中運(yùn)行。任何小型設(shè)備與代理宿主通過相互連接進(jìn)行對話，從而成為一個完全的支持Jini的用戶或服務(wù)，且仍保持Jini即插即用的特性。

2.3 移植Jini

Jini體系結(jié)構(gòu)假設(shè)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(tǒng)中通常采用的是實(shí)時、可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，如CAN、TTP等。為了在這樣的應(yīng)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)動機(jī)協(xié)作實(shí)驗(yàn)室的一個研究項(xiàng)目。目的是尋找一種建立靈活的、健壯的和可維護(hù)的分布式嵌入式系統(tǒng)的通用方法，在研究過程中嘗試把Jini移植到CAN上。移植Jini的方法也可以解決嵌入式系統(tǒng)接入Jini網(wǎng)絡(luò)的問題，但其中的工作量相對較大。

3 應(yīng)用實(shí)例

Jini在開發(fā)分布式嵌入式系統(tǒng)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(yīng)用［1，2］。

現(xiàn)場總線分為多種，不同廠商的現(xiàn)場總線產(chǎn)品是不兼容的。為了解決這一問題，EIBA（European Installation Bus Association）提出了EIB。EIB代表了最新的現(xiàn)場總線技術(shù)，主要應(yīng)用領(lǐng)域是家庭和建筑物的自動化。EIB網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是線形、星形和樹形。

EIB網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)是一個EIB設(shè)備。一個EIB系統(tǒng)中最大可以安裝60 000個設(shè)備。每個EIB設(shè)備中有一個嵌入式微控制器用來運(yùn)行通信協(xié)議。它從總線上接收數(shù)據(jù)后傳送給應(yīng)用程序，或是把應(yīng)用程序數(shù)據(jù)傳給其它設(shè)備。每個 EIB設(shè)備通過LC（Line Connector，具有路由功能）連接到主線（Main Line）上，BC（Bus Coupling）向特定應(yīng)用的硬件（如傳感器和作動器）提供了定義良好的接口。

EIB中的設(shè)備（例如傳感器）都是資源非常有限的設(shè)備，很難直接支持Jini，而且EIB系統(tǒng)使用的底層通信協(xié)議也不支持Jini。因此在實(shí)現(xiàn)中，采用Jini代理體系結(jié)構(gòu)來使EIB設(shè)備接入Jini網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示［2］。

EIB代理（EIB Agent）是EIB設(shè)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(shè)備的功能；EIB服務(wù)器（EIB Server）由Jini數(shù)據(jù)庫（Jini Database）和EIB控制器（EIB Controller）兩個模塊組成。它負(fù)責(zé)管理代理宿主機(jī)與現(xiàn)場總線之間的連接，其中Jini數(shù)據(jù)庫是一個存放EIB設(shè)備和相應(yīng)的EIB代理之間的映射關(guān)系的數(shù)據(jù)庫。EIB代理和EIB服務(wù)器運(yùn)行在代理宿主機(jī)上。

這樣，在EIB系統(tǒng)中使用Jini技術(shù)會帶來如下好處：

◇EIB系統(tǒng)中，每個設(shè)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(xiàn)場總線使用，而且還可以被支持Jini的任何設(shè)備（如PDA）來訪問；

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

◇EIB網(wǎng)絡(luò)可以連接到Internet，這樣系統(tǒng)變成了開放的，提高了EIB設(shè)備的可訪問性；

◇Jini使EIB系統(tǒng)中的設(shè)備可以與家用消費(fèi)電器和自動化設(shè)備通信，增強(qiáng)EIB設(shè)備的功能；

◇Jini提供了一種獨(dú)立于廠商的服務(wù)平臺，使得不同廠商的現(xiàn)場總線產(chǎn)品相互兼容。

應(yīng)當(dāng)指出的是，Jini并不是完全適用于實(shí)時性要求高的嵌入式應(yīng)用。RoSES的研究項(xiàng)目中，將Jini移植到了CAN上；但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Jini的實(shí)時性能并不令人滿意。

4 總 結(jié)

在構(gòu)建分布式嵌入式系統(tǒng)的過程中利用Jini技術(shù)，不但可以降低系統(tǒng)的開發(fā)難度、實(shí)現(xiàn)嵌入式環(huán)境中基于服務(wù)級的互操作，而且可使系統(tǒng)具有很好的靈活性和可靠性。同時，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題，包括如何使得嵌入式系統(tǒng)支持Jini以及Jini的實(shí)時性等。

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