大型园区网络下基于EXI的移动数据交换模型

于春燕，王汇彬，黄晓玲，赵生慧

大型园区网络中，用户数以万计，同一用户可能拥有多台移动设备，计算及服务均有可能引发大量的异构系统之间的互操作与数据交换，造成网络使用高峰期带宽资源的紧缺。Web服务是目前广泛应用的异构数据交换形式，主要采用XML（eX－tensible Markup Language）实现服务的描述、数据共享和交换。由于XML文档采用文本表示数据，在数据量较大及移动智能设备访问Web Services时，由于移动设备存在计算、存储、电量及网络访问等限制，效率明显降低［1］，同时带来了较大的数据流量和费用，影响了用户体验。EXI是由W3C（World Wide Web Consortium）组织推荐、针对带宽受限等环境发布的数据交换标准，是对XML文档的高度压缩形式，比Gzip的压缩率要高10倍［2］。

本文在现有研究的基础上，分析了面向大型园区网络的移动数据交换系统组成，进而提出了一种适用于移动智能设备的数据交换模型，该模型在客户端和服务器端均加入EXI处理、实现对Web服务交换数据的压缩。在对模型的形式化分析的基础上，设计了一个校园移动学习系统，通过实验分析了加入EXI处理前后的Web服务数据量、服务调用时间及移动设备的电量损耗等。

1 相关工作

研究人员对基于XML的数据交换开展了诸多研究，并有相关产品。Marcelo［3］等对XML与关系数据库间的转换进行了深入研究。Hossam［4］等人设计了一种框架，实现将数据库模型转换为XML Schema并成功应用于某医疗系统。彭涛［5］等将XML Schema中的结构与本体中的概念对应，使得XML数据模型具有结构信息和语义信息。

近年来，研究人员在Web服务的移动数据交换、移动网络和物联网等情景下提高Web效率等方面开展了研究，并有少量关于EXI应用的文献。Lars［6］等人研究了移动网络中的Web服务压缩技术，对GZIP等通用压缩技术和针对XML的压缩技术进行了比较试验，并在实际的GPRS等网络中进行了测试。芬兰阿尔托大学的研究者［7］试验了移动优化、HTTP压缩、缓存、代理等节约手机能耗的方案。Sebastian［8］等人研究了传感器网络中的数据交换技术，设计了EXI处理器将XML文档与EXI数据流进行互相转换，并在微处理器设备上测试运行一个真实的基于XML的Web服务。Joana［9］等针对军事网络不稳定、低带宽等特点，比较了Gzip、EXI等方法压缩SOAP消息、压缩JPEG图片等空间和时间性能。Angelo［10］等人在温湿度等传感器节点上运行用于数据收集的Web服务，具有较好的内存利用率。李建兴［11］研究了优化 Web Service性能的方法，对 Web service的SOAP报文进行EXI编码，对Web服务的Servlet进行EXI编码和解码进行了分析，并在模拟环境中进行了测试。在基于XML的数据交换模型及形式化描述方面，文献［12－13］采用了有限状态机、UML模型、进程代数等方式对Web数据交换模型分析。

上述研究对于改善基于XML的数据交换开展了有益探索，但对移动及嵌入式环境下采用EXI进行数据交换的模型及具体应用的效率等问题，还需要进一步研究其实现模型，基于EXI的实际应用系统也仍不多见。

2 移动服务实现框架与模型

2.1 大型园区网络移动数据交换系统架构

基于上述园区网络及应用的特点，大型园区网络环境下，移动数据交换系统主要包括通信网络、网络设备、移动智能设备、基于云的服务器群、存储设备五个部分，如图1所示。其中服务器群由数据库服务器、Web服务器、UDDI（Universal Description Discovery and Integration）注册服务器等组成。每台服务器为物理服务器或虚拟机，UDDI服务器提供简单的服务注册服务。

图1 大型园区网络的移动数据交换系统组成

当前Web服务的主要实现方法为SOAP（Simple Object Access Protocol，简单对象访问协议 ）方 式 和 REST （Representational Service Transfer）方式，都采用XML描述消息，其移动数据交换的完整过程为：（1）Web服务提供者（表现为Web服务器）通过有线网络向Web服务代理发布服务，并在UDDI注册；（2）移动智能设备通过园区无线网络向UDDI中心请求特定的服务，或者通过链接等直接获取服务地址；（3）UDDI向Web服务请求者返回满足条件的Web服务描述信息WSDL文档；（4）移动智能设备根据服务描述信息生成SOAP消息，发送给 Web服务提供者；（5）Web服务提供者根据SOAP消息运行相应的Web服务，如进行数据库处理等，并将服务响应结果返回给Web服务请求者。

2.2 基于EXI的移动数据交换模型ECMDE

基于EXI的移动数据交换模型ECMDE（EXI－based Campus Mobile Data Exchange），描述了移动智能设备与Web服务提供者之间的数据交换过程。模型包括资源管理层、SOAP消息处理层、EXI处理层、HTTP处理层和传输层，如图2所示。与传统的Web服务交换模型不同，该模型在服务器端和移动智能设备上增加EXI处理器，对XML格式的Web请求和响应数据进行EXI编码压缩后传输，接收方收到EXI数据后再解压为XML格式的数据。

图2 客户端根据Web请求与服务器端进行数据交换

2.2.1 ECMDE模型的形式化描述

为了对系统进行精确描述并进行系统开发，基于代数理论，将基于ECMDE模型的系统表示为一个代数系统，由对象、对象的操作及操作的约束等组成。为便于分析，对系统定义如下。

定义1：移动数据交换系统，是一个抽象的代数系统，包括系统中的对象、对象的操作及操作的约束。表示为S（Ob，Op，Cons），其中Ob是对象的集合，Op是对这些对象所进行的操作的集合，Cons是对操作的约束。

定义2：对象，是系统的各组成部分，包括移动智能设备浏览器MClient、HTTP服务器HServer、UDDI服务器UServer、无线通信网络 WNetwork、SOAP 处 理 器 SProcessor，EXI处 理 器EProcessor，SOAP请求文档SRequest，SOAP响应文档SResponse，HTTP请求文档 HRequest，HTTP处理器 HProcessor，HTTP响应文档HResponse，EXI流 EStream。表 示 为 Ob＝｛HServer，

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

定义3：对象的操作，是系统中各对象上的操作的集合，表示为 Op＝｛HServer.Op，Mclient.Op，WNetwork.Op，

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

HServer.Op：发送服务注册请求，接收 HTTP报文，缓存，发送HTTP响应，接收SOAP请求，发送SOAP响应。

Mclient.Op：发送服务查找请求、接收服务查找结果，发送SOAP请求、接收SOAP响应、发送HTTP报文、接收HTTP报文。

WNetwork.Op：传输HTTP报文。

UServer.Op：服务注册，服务查找，发送 WSDL文档。

SProcessor.Op：接 收 SOAP 请 求，发 送SOAP响应。

EProcessor.Op：接收 XML文档，发送 EXI文档，编码，解码，发送 XML文档，接收 EXI文档。

将ECMDE模型定义为一个五元组：CMDE＝（S，∑ ，f，S0，Z），其中，S是有限状态集；f是转换函数；∑ 是有限输入信息集，S0是初始状态，Z是最终状态，S0，Z∈S，∑ ＝｛SRequest，SResponse，HRequest，HResponse，EDoc｝；状态对象S＝｛S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10｝，其中：

S0（wait）：MClient根据UServer提供的 Web服务地址，准备向服务器端发送服务请求。

S1（SOAPRequest）：MClient利用 SOAP消息处理中间件，根据 WSDL生成XML格式的SOAP消息。

S2（EXIEncode）：MClient将 XML文档编码压缩为EXI文档。

S3（HttpRequest）：MClient将EXI文档封装到HTTP报文中，并将HTTP报文向Web服务器端发送。

S4（Transmit）：无线网络传输HTTP报文到HServer。

S5（HttpRecieve）：从中 HTTP报文解析出EXI文档。

S6（EXIDecode）：HServer解码 EXI文档为XML文档。

S7（SOAPResponse）：HServer根据 XML文档中SOAP信封中的请求信息，进行数据库操作等处理，将响应结果封装成XML格式的SOAP响应文档。

S8（EXIEncode）：HServer编码 XML文档为EXI文档。

S9（HttpResponse）：HServer将 EXI文档封装到HTTP报文中，并将HTTP报文向Mclient发送。

S10（EXIEncode）：Mclient从 HTTP报文中解析出EXI文档。

S11（EXIEncode）：Mclient将EXI文档转换为XML文档并添加样式进行显示。

采用UML行为图中的序列图［15］描述一次Web服务调用过程中，该模型中的 MClient和WServer的行为、工作流及消息传递。如图3、图4所示。

图3 MClient发送Web服务请求的序列图

图4 HServer接收Web请求并发回响应的序列图

可以得出ECMDE模型中与EXI处理相关的约束包括：EProcessor的编码方式、编码时间和解码时间、Web服务中的数据库操作时间、XML解析时间、EDoc的传输时间和 MClient的电量损耗。表示为：Cons＝｛EncodeOptions，TimeEncode，TimeDecode，TimeTransmit，TimeDataP－roc，TimeXMLPrase，Power，error｝

ECMDE模型的一次的Web服务调用时间为以上各时间的和，即TimeEncode＋TimeDecode＋TimeTrAnsmit＋TimeDataProc＋TimeXMLPrase。

2.3 EXI处理过程

ECMDE模型的核心是EXI处理层，部署在移动智能终端和服务器端，能将XML文档无损地编码为EXI文档，以及从EXI文档解码为XML文档。EXI解码过程为编码过程的逆序，包括编码为事件流、预压缩和压缩三个步骤［1］。图5为某SOAP请求文档，以该文档说明编码过程。

图5 示例SOAP消息的XML文档内容

（1）根据EXI语法，将XML文档编码为head流和boady流。XML文档可采用Shema informed语法和builted－in（适用于无schema的XML）语法模式。Shema informed语法模式中对属性进行了排序等优化策略，处理效率更高。

EXI文档包括EXI Header和EXI Body两个部分。EXI Header是关于EXI的描述信息，由EXI Cookie（可选，用于区分EXI流与其他数据流）、Distinguishing Bits（表示为“10”，用于区分于 XML文档）、Presence Bit for EXI Options、EXI Format Version（EXI数据流的版本）、EXI Options（编码时的选项，如是否保留注释等），Padding

Bits（可选，字节压缩模式时填充为N个字节）等组成。

EXI Body是XML文档压缩后的部分，由一系列事件流和相关数据内容组成。XML文档中的标记、标记的属性为结构信息，属性值、值为内容信息。将结构信息编码为事件流，如XML文档开始标记表示为SD，文档结束标记表示为EE，元素起始标记表示为SE，元素结束标记表示为EE，属性表示为AT。属性值和值的内容信息存储在临时数组中，编码时用相应的地址表示。图6为图5所示SOAP响应文档编码为事件流的示意图，包括编码过程中的临时表、编码后的EXI事件流。

图6 示例文档编码过程产生的临时数组及生成的事件流

（2）预压缩。将事件流中的结构信息与内容信息分开，以位对齐或字节对齐的方式重新排列，以便快速压缩。

（3）压缩。将body流压缩为二进制信息。压缩后的EXI文档中标记名称、元素值均只出现一次。

预压缩和压缩的过程示意图如图7所示。

图7 SOAP文档预压缩、压缩过程示意图

3 EXI处理层的自动化实现

根据ECMDE模型的序列图，并利用符合EXI标准的开源软件OpenEXI［16］的开放接口，开发服务器端和智能手机端EXI处理程序。OpenEXI基于Java编写，提供了GrammarOp－tions、 GrammarCache、 Transmogrifier 和TransmogrifierException等几个包，可根据不同压缩选项、是否有Schema等方式进行EXI编码等。服务器端接收 Web请求、进行处理及返回SOAP响应的伪代码如下所示，其中也加入了传输时间及编码时间的计算。

4 实验与分析

结合实际应用，以校园移动学习为应用场景，开发了“基于EXI的移动学习管理系统”，提供如下Web服务：登录、认证；用户信息修改；浏览课程列表、浏览指定课程的课程资源列表；下载课程资源，如PPT、DOC、PDF等文档；对课程资料进行评分等。

测试环境：服务器端配置为Intel Xeon2.2G，内存4G，JDK1.7，Tomcat6.0.36，RESTeasy；路由器为 TP－link TL－WR745N。移动智能设备分别采用HTCA810E进行测试。

测试目的和方法：比较普通的 Web服务、基于ECMDE模型的Web服务的传输文档大小、时间消耗和手机电量消耗。根据上述的分析，ECMDE模型的Web服务调用过程中需进行EXI编码和解码，有一定的时间消耗，但减小了文档尺寸，缩短了传输时间。需要比较缩短的传输时间与增加的编码解码时间。

实验过程：手机充满电后，关闭服务器端缓存功能，访问服务器端的5个Web服务。分别对每个Web服务、EXI处理后的Web服务连续重复测试50次，记录每次Web服务调用的总时间（从发出访问请求开始，收到响应的SOAP消息结束）、手机上XML文档的压缩时间、手机上EXI文档的解压缩时间、传输时间，取各项值的平均值，由于数据处理时间；50次调用完毕后的检查手机电池的剩余电量百分比。编程计算请求时间和响应时间，采用电池监控软件Battery Left查看电池剩余电量。

测试结果如表1所示，其中，SizeX表示SOAP文档的大小，SizeE表示压缩后SOAP文档的大小，TimeX表示Web服务调用的传输时间，TimeE表示基于EXI的Web服务调用时间，TimeE1为XML文档编码时间，TimeE2为EXI文档解码时间，TimeE2为文档传输时间，PowerX表示手机调用 Web服务后剩余的电量，PowerE表示手机调用基于EXI的Web服务后剩余的能量。

表1 智能手机1访问Web service测试数据

实验表明，采用EXI处理后的Web消息文档大小显著减小，实验采用builted－in压缩模式，5个文档的平均压缩率也达到了55%，对于尤其是含有较多注释、重复标记的XML文档，压缩率更高。传输时间也相应缩短，传输时间平均减少65.2%，移动智能终端尽管仍需花费时间和能量进行EXI编码和解码，但总时间损耗和电量消耗未明显增加。此外，服务器端因其计算等资源相对充足，其EXI处理时间均为几毫秒至十几毫秒。

针对大型园区网络的特点，在移动终端与服务器间增加EXI处理器来降低通信的数据量和通信时间，通过对移动数据交换模型的形式化描述和分析，开发了移动学习系统对该移动数据交换模型进行实验，实验显示移动数据交换量显著减少，同时移动智能终端的时间和能量消耗并没有显著增加，在高并发的情况下，将能有效减少网络数据传输量。下一步的工作是进一步降低智能终端的EXI处理时间和能量消耗，通过采用缓存等多种策略进一步提升移动数据交换系统的整体性能。

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