于春燕，王匯彬，黃曉玲，趙生慧

大型園區(qū)網(wǎng)絡(luò)中，用戶數(shù)以萬計，同一用戶可能擁有多臺移動設(shè)備，計算及服務(wù)均有可能引發(fā)大量的異構(gòu)系統(tǒng)之間的互操作與數(shù)據(jù)交換，造成網(wǎng)絡(luò)使用高峰期帶寬資源的緊缺。Web服務(wù)是目前廣泛應(yīng)用的異構(gòu)數(shù)據(jù)交換形式，主要采用XML（eX－tensible Markup Language）實現(xiàn)服務(wù)的描述、數(shù)據(jù)共享和交換。由于XML文檔采用文本表示數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)量較大及移動智能設(shè)備訪問Web Services時，由于移動設(shè)備存在計算、存儲、電量及網(wǎng)絡(luò)訪問等限制，效率明顯降低［1］，同時帶來了較大的數(shù)據(jù)流量和費用，影響了用戶體驗。EXI是由W3C（World Wide Web Consortium）組織推薦、針對帶寬受限等環(huán)境發(fā)布的數(shù)據(jù)交換標準，是對XML文檔的高度壓縮形式，比Gzip的壓縮率要高10倍［2］。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，分析了面向大型園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的移動數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)組成，進而提出了一種適用于移動智能設(shè)備的數(shù)據(jù)交換模型，該模型在客戶端和服務(wù)器端均加入EXI處理、實現(xiàn)對Web服務(wù)交換數(shù)據(jù)的壓縮。在對模型的形式化分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個校園移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)，通過實驗分析了加入EXI處理前后的Web服務(wù)數(shù)據(jù)量、服務(wù)調(diào)用時間及移動設(shè)備的電量損耗等。

1 相關(guān)工作

研究人員對基于XML的數(shù)據(jù)交換開展了諸多研究，并有相關(guān)產(chǎn)品。Marcelo［3］等對XML與關(guān)系數(shù)據(jù)庫間的轉(zhuǎn)換進行了深入研究。Hossam［4］等人設(shè)計了一種框架，實現(xiàn)將數(shù)據(jù)庫模型轉(zhuǎn)換為XML Schema并成功應(yīng)用于某醫(yī)療系統(tǒng)。彭濤［5］等將XML Schema中的結(jié)構(gòu)與本體中的概念對應(yīng)，使得XML數(shù)據(jù)模型具有結(jié)構(gòu)信息和語義信息。

近年來，研究人員在Web服務(wù)的移動數(shù)據(jù)交換、移動網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)等情景下提高Web效率等方面開展了研究，并有少量關(guān)于EXI應(yīng)用的文獻。Lars［6］等人研究了移動網(wǎng)絡(luò)中的Web服務(wù)壓縮技術(shù)，對GZIP等通用壓縮技術(shù)和針對XML的壓縮技術(shù)進行了比較試驗，并在實際的GPRS等網(wǎng)絡(luò)中進行了測試。芬蘭阿爾托大學(xué)的研究者［7］試驗了移動優(yōu)化、HTTP壓縮、緩存、代理等節(jié)約手機能耗的方案。Sebastian［8］等人研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換技術(shù)，設(shè)計了EXI處理器將XML文檔與EXI數(shù)據(jù)流進行互相轉(zhuǎn)換，并在微處理器設(shè)備上測試運行一個真實的基于XML的Web服務(wù)。Joana［9］等針對軍事網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、低帶寬等特點，比較了Gzip、EXI等方法壓縮SOAP消息、壓縮JPEG圖片等空間和時間性能。Angelo［10］等人在溫濕度等傳感器節(jié)點上運行用于數(shù)據(jù)收集的Web服務(wù)，具有較好的內(nèi)存利用率。李建興［11］研究了優(yōu)化 Web Service性能的方法，對 Web service的SOAP報文進行EXI編碼，對Web服務(wù)的Servlet進行EXI編碼和解碼進行了分析，并在模擬環(huán)境中進行了測試。在基于XML的數(shù)據(jù)交換模型及形式化描述方面，文獻［12－13］采用了有限狀態(tài)機、UML模型、進程代數(shù)等方式對Web數(shù)據(jù)交換模型分析。

上述研究對于改善基于XML的數(shù)據(jù)交換開展了有益探索，但對移動及嵌入式環(huán)境下采用EXI進行數(shù)據(jù)交換的模型及具體應(yīng)用的效率等問題，還需要進一步研究其實現(xiàn)模型，基于EXI的實際應(yīng)用系統(tǒng)也仍不多見。

2 移動服務(wù)實現(xiàn)框架與模型

2.1 大型園區(qū)網(wǎng)絡(luò)移動數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)架構(gòu)

基于上述園區(qū)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用的特點，大型園區(qū)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，移動數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)主要包括通信網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、移動智能設(shè)備、基于云的服務(wù)器群、存儲設(shè)備五個部分，如圖1所示。其中服務(wù)器群由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、UDDI（Universal Description Discovery and Integration）注冊服務(wù)器等組成。每臺服務(wù)器為物理服務(wù)器或虛擬機，UDDI服務(wù)器提供簡單的服務(wù)注冊服務(wù)。

圖1 大型園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的移動數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)組成

當(dāng)前Web服務(wù)的主要實現(xiàn)方法為SOAP（Simple Object Access Protocol，簡單對象訪問協(xié)議 ）方 式 和 REST （Representational Service Transfer）方式，都采用XML描述消息，其移動數(shù)據(jù)交換的完整過程為：（1）Web服務(wù)提供者（表現(xiàn)為Web服務(wù)器）通過有線網(wǎng)絡(luò)向Web服務(wù)代理發(fā)布服務(wù)，并在UDDI注冊；（2）移動智能設(shè)備通過園區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)向UDDI中心請求特定的服務(wù)，或者通過鏈接等直接獲取服務(wù)地址；（3）UDDI向Web服務(wù)請求者返回滿足條件的Web服務(wù)描述信息WSDL文檔；（4）移動智能設(shè)備根據(jù)服務(wù)描述信息生成SOAP消息，發(fā)送給 Web服務(wù)提供者；（5）Web服務(wù)提供者根據(jù)SOAP消息運行相應(yīng)的Web服務(wù)，如進行數(shù)據(jù)庫處理等，并將服務(wù)響應(yīng)結(jié)果返回給Web服務(wù)請求者。

2.2 基于EXI的移動數(shù)據(jù)交換模型ECMDE

基于EXI的移動數(shù)據(jù)交換模型ECMDE（EXI－based Campus Mobile Data Exchange），描述了移動智能設(shè)備與Web服務(wù)提供者之間的數(shù)據(jù)交換過程。模型包括資源管理層、SOAP消息處理層、EXI處理層、HTTP處理層和傳輸層，如圖2所示。與傳統(tǒng)的Web服務(wù)交換模型不同，該模型在服務(wù)器端和移動智能設(shè)備上增加EXI處理器，對XML格式的Web請求和響應(yīng)數(shù)據(jù)進行EXI編碼壓縮后傳輸，接收方收到EXI數(shù)據(jù)后再解壓為XML格式的數(shù)據(jù)。

圖2 客戶端根據(jù)Web請求與服務(wù)器端進行數(shù)據(jù)交換

2.2.1 ECMDE模型的形式化描述

為了對系統(tǒng)進行精確描述并進行系統(tǒng)開發(fā)，基于代數(shù)理論，將基于ECMDE模型的系統(tǒng)表示為一個代數(shù)系統(tǒng)，由對象、對象的操作及操作的約束等組成。為便于分析，對系統(tǒng)定義如下。

定義1：移動數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，是一個抽象的代數(shù)系統(tǒng)，包括系統(tǒng)中的對象、對象的操作及操作的約束。表示為S（Ob，Op，Cons），其中Ob是對象的集合，Op是對這些對象所進行的操作的集合，Cons是對操作的約束。

定義2：對象，是系統(tǒng)的各組成部分，包括移動智能設(shè)備瀏覽器MClient、HTTP服務(wù)器HServer、UDDI服務(wù)器UServer、無線通信網(wǎng)絡(luò) WNetwork、SOAP 處 理 器 SProcessor，EXI處 理 器EProcessor，SOAP請求文檔SRequest，SOAP響應(yīng)文檔SResponse，HTTP請求文檔 HRequest，HTTP處理器 HProcessor，HTTP響應(yīng)文檔HResponse，EXI流 EStream。表 示 為 Ob＝｛HServer，

MClient，UServer，WNetwork，SProcessor，EProcessor，SRequest，SResponse，HRequest，HResponse，EStream｝

定義3：對象的操作，是系統(tǒng)中各對象上的操作的集合，表示為 Op＝｛HServer.Op，Mclient.Op，WNetwork.Op，

UServer.Op，SProcessor.Op，EProcessor.Op｝，包括操作：

HServer.Op：發(fā)送服務(wù)注冊請求，接收 HTTP報文，緩存，發(fā)送HTTP響應(yīng)，接收SOAP請求，發(fā)送SOAP響應(yīng)。

Mclient.Op：發(fā)送服務(wù)查找請求、接收服務(wù)查找結(jié)果，發(fā)送SOAP請求、接收SOAP響應(yīng)、發(fā)送HTTP報文、接收HTTP報文。

WNetwork.Op：傳輸HTTP報文。

UServer.Op：服務(wù)注冊，服務(wù)查找，發(fā)送 WSDL文檔。

SProcessor.Op：接 收 SOAP 請 求，發(fā) 送SOAP響應(yīng)。

EProcessor.Op：接收 XML文檔，發(fā)送 EXI文檔，編碼，解碼，發(fā)送 XML文檔，接收 EXI文檔。

將ECMDE模型定義為一個五元組：CMDE＝（S，∑ ，f，S0，Z），其中，S是有限狀態(tài)集；f是轉(zhuǎn)換函數(shù)；∑ 是有限輸入信息集，S0是初始狀態(tài)，Z是最終狀態(tài)，S0，Z∈S，∑ ＝｛SRequest，SResponse，HRequest，HResponse，EDoc｝；狀態(tài)對象S＝｛S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10｝，其中：

S0（wait）：MClient根據(jù)UServer提供的 Web服務(wù)地址，準備向服務(wù)器端發(fā)送服務(wù)請求。

S1（SOAPRequest）：MClient利用 SOAP消息處理中間件，根據(jù) WSDL生成XML格式的SOAP消息。

S2（EXIEncode）：MClient將 XML文檔編碼壓縮為EXI文檔。

S3（HttpRequest）：MClient將EXI文檔封裝到HTTP報文中，并將HTTP報文向Web服務(wù)器端發(fā)送。

S4（Transmit）：無線網(wǎng)絡(luò)傳輸HTTP報文到HServer。

S5（HttpRecieve）：從中 HTTP報文解析出EXI文檔。

S6（EXIDecode）：HServer解碼 EXI文檔為XML文檔。

S7（SOAPResponse）：HServer根據(jù) XML文檔中SOAP信封中的請求信息，進行數(shù)據(jù)庫操作等處理，將響應(yīng)結(jié)果封裝成XML格式的SOAP響應(yīng)文檔。

S8（EXIEncode）：HServer編碼 XML文檔為EXI文檔。

S9（HttpResponse）：HServer將 EXI文檔封裝到HTTP報文中，并將HTTP報文向Mclient發(fā)送。

S10（EXIEncode）：Mclient從 HTTP報文中解析出EXI文檔。

S11（EXIEncode）：Mclient將EXI文檔轉(zhuǎn)換為XML文檔并添加樣式進行顯示。

采用UML行為圖中的序列圖［15］描述一次Web服務(wù)調(diào)用過程中，該模型中的 MClient和WServer的行為、工作流及消息傳遞。如圖3、圖4所示。

圖3 MClient發(fā)送Web服務(wù)請求的序列圖

圖4 HServer接收Web請求并發(fā)回響應(yīng)的序列圖

可以得出ECMDE模型中與EXI處理相關(guān)的約束包括：EProcessor的編碼方式、編碼時間和解碼時間、Web服務(wù)中的數(shù)據(jù)庫操作時間、XML解析時間、EDoc的傳輸時間和 MClient的電量損耗。表示為：Cons＝｛EncodeOptions，TimeEncode，TimeDecode，TimeTransmit，TimeDataP－roc，TimeXMLPrase，Power，error｝

ECMDE模型的一次的Web服務(wù)調(diào)用時間為以上各時間的和，即TimeEncode＋TimeDecode＋TimeTrAnsmit＋TimeDataProc＋TimeXMLPrase。

2.3 EXI處理過程

ECMDE模型的核心是EXI處理層，部署在移動智能終端和服務(wù)器端，能將XML文檔無損地編碼為EXI文檔，以及從EXI文檔解碼為XML文檔。EXI解碼過程為編碼過程的逆序，包括編碼為事件流、預(yù)壓縮和壓縮三個步驟［1］。圖5為某SOAP請求文檔，以該文檔說明編碼過程。

圖5 示例SOAP消息的XML文檔內(nèi)容

（1）根據(jù)EXI語法，將XML文檔編碼為head流和boady流。XML文檔可采用Shema informed語法和builted－in（適用于無schema的XML）語法模式。Shema informed語法模式中對屬性進行了排序等優(yōu)化策略，處理效率更高。

EXI文檔包括EXI Header和EXI Body兩個部分。EXI Header是關(guān)于EXI的描述信息，由EXI Cookie（可選，用于區(qū)分EXI流與其他數(shù)據(jù)流）、Distinguishing Bits（表示為“10”，用于區(qū)分于 XML文檔）、Presence Bit for EXI Options、EXI Format Version（EXI數(shù)據(jù)流的版本）、EXI Options（編碼時的選項，如是否保留注釋等），Padding

Bits（可選，字節(jié)壓縮模式時填充為N個字節(jié)）等組成。

EXI Body是XML文檔壓縮后的部分，由一系列事件流和相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容組成。XML文檔中的標記、標記的屬性為結(jié)構(gòu)信息，屬性值、值為內(nèi)容信息。將結(jié)構(gòu)信息編碼為事件流，如XML文檔開始標記表示為SD，文檔結(jié)束標記表示為EE，元素起始標記表示為SE，元素結(jié)束標記表示為EE，屬性表示為AT。屬性值和值的內(nèi)容信息存儲在臨時數(shù)組中，編碼時用相應(yīng)的地址表示。圖6為圖5所示SOAP響應(yīng)文檔編碼為事件流的示意圖，包括編碼過程中的臨時表、編碼后的EXI事件流。

圖6 示例文檔編碼過程產(chǎn)生的臨時數(shù)組及生成的事件流

（2）預(yù)壓縮。將事件流中的結(jié)構(gòu)信息與內(nèi)容信息分開，以位對齊或字節(jié)對齊的方式重新排列，以便快速壓縮。

（3）壓縮。將body流壓縮為二進制信息。壓縮后的EXI文檔中標記名稱、元素值均只出現(xiàn)一次。

預(yù)壓縮和壓縮的過程示意圖如圖7所示。

圖7 SOAP文檔預(yù)壓縮、壓縮過程示意圖

3 EXI處理層的自動化實現(xiàn)

根據(jù)ECMDE模型的序列圖，并利用符合EXI標準的開源軟件OpenEXI［16］的開放接口，開發(fā)服務(wù)器端和智能手機端EXI處理程序。OpenEXI基于Java編寫，提供了GrammarOp－tions、 GrammarCache、 Transmogrifier 和TransmogrifierException等幾個包，可根據(jù)不同壓縮選項、是否有Schema等方式進行EXI編碼等。服務(wù)器端接收 Web請求、進行處理及返回SOAP響應(yīng)的偽代碼如下所示，其中也加入了傳輸時間及編碼時間的計算。

4 實驗與分析

結(jié)合實際應(yīng)用，以校園移動學(xué)習(xí)為應(yīng)用場景，開發(fā)了“基于EXI的移動學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)”，提供如下Web服務(wù)：登錄、認證；用戶信息修改；瀏覽課程列表、瀏覽指定課程的課程資源列表；下載課程資源，如PPT、DOC、PDF等文檔；對課程資料進行評分等。

測試環(huán)境：服務(wù)器端配置為Intel Xeon2.2G，內(nèi)存4G，JDK1.7，Tomcat6.0.36，RESTeasy；路由器為 TP－link TL－WR745N。移動智能設(shè)備分別采用HTCA810E進行測試。

測試目的和方法：比較普通的 Web服務(wù)、基于ECMDE模型的Web服務(wù)的傳輸文檔大小、時間消耗和手機電量消耗。根據(jù)上述的分析，ECMDE模型的Web服務(wù)調(diào)用過程中需進行EXI編碼和解碼，有一定的時間消耗，但減小了文檔尺寸，縮短了傳輸時間。需要比較縮短的傳輸時間與增加的編碼解碼時間。

實驗過程：手機充滿電后，關(guān)閉服務(wù)器端緩存功能，訪問服務(wù)器端的5個Web服務(wù)。分別對每個Web服務(wù)、EXI處理后的Web服務(wù)連續(xù)重復(fù)測試50次，記錄每次Web服務(wù)調(diào)用的總時間（從發(fā)出訪問請求開始，收到響應(yīng)的SOAP消息結(jié)束）、手機上XML文檔的壓縮時間、手機上EXI文檔的解壓縮時間、傳輸時間，取各項值的平均值，由于數(shù)據(jù)處理時間；50次調(diào)用完畢后的檢查手機電池的剩余電量百分比。編程計算請求時間和響應(yīng)時間，采用電池監(jiān)控軟件Battery Left查看電池剩余電量。

測試結(jié)果如表1所示，其中，SizeX表示SOAP文檔的大小，SizeE表示壓縮后SOAP文檔的大小，TimeX表示W(wǎng)eb服務(wù)調(diào)用的傳輸時間，TimeE表示基于EXI的Web服務(wù)調(diào)用時間，TimeE1為XML文檔編碼時間，TimeE2為EXI文檔解碼時間，TimeE2為文檔傳輸時間，PowerX表示手機調(diào)用 Web服務(wù)后剩余的電量，PowerE表示手機調(diào)用基于EXI的Web服務(wù)后剩余的能量。

表1 智能手機1訪問Web service測試數(shù)據(jù)

實驗表明，采用EXI處理后的Web消息文檔大小顯著減小，實驗采用builted－in壓縮模式，5個文檔的平均壓縮率也達到了55%，對于尤其是含有較多注釋、重復(fù)標記的XML文檔，壓縮率更高。傳輸時間也相應(yīng)縮短，傳輸時間平均減少65.2%，移動智能終端盡管仍需花費時間和能量進行EXI編碼和解碼，但總時間損耗和電量消耗未明顯增加。此外，服務(wù)器端因其計算等資源相對充足，其EXI處理時間均為幾毫秒至十幾毫秒。

針對大型園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的特點，在移動終端與服務(wù)器間增加EXI處理器來降低通信的數(shù)據(jù)量和通信時間，通過對移動數(shù)據(jù)交換模型的形式化描述和分析，開發(fā)了移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)對該移動數(shù)據(jù)交換模型進行實驗，實驗顯示移動數(shù)據(jù)交換量顯著減少，同時移動智能終端的時間和能量消耗并沒有顯著增加，在高并發(fā)的情況下，將能有效減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量。下一步的工作是進一步降低智能終端的EXI處理時間和能量消耗，通過采用緩存等多種策略進一步提升移動數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的整體性能。

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