JP4568576B2 - データ共有システム及び通信端末並びにデータ共有方法 - Google Patents
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総務省:情報通信白書(2004年版) FIPA(The Foundation for Intelligent Physical Agents):http://www.fipa.org ランデブーアシスタンス:http://www.d-itlab.co.jp/ja/research/nag.html 増永良文、上林弥彦、金森吉成、北川博之、今井浩、古川哲也、徐海燕、加藤和彦:協調能動型データベースシステム技術の研究に向けて 宮西洋太郎、中村健二、佐藤文明、水野忠則:分散システムにおけるデータの複製管理方式 黒田正博、Lousheng Peng、渡辺尚、水野忠則、下間芳樹:オブジェクト同期化モデルを用いた無線ネットワークでのデータ転送方式 黒田正博、井上淳、渡辺尚、水野忠則:楽観的データ整合性モデルを用いた放浪型メッセージングシステム GD.Gelernter. Generative Communication in Linda. ACM Computing Surveys, 7(1):80-112, Jan. 1985. G.Picco, A.Murphy, and G.-C.Roman. LIME:Linda Meets Mobility. In D.Garlan, editor, Proc. Of the 21st Int. Conf. on Software Engineering, pages 368-377, May 1999. G.Cabri, L.Leonardi, and F.Zambornelli. MARS:A programmable coordination architecture for mobile agents. IEEE Internet Computing, 2000. Erich Gamma:オブジェクト指向における再利用のためのデザインパターン F.ブッシュマン、H.ローネルト、M.スタル、R.ムニエ、P.ゾンメルラード:ソフトウェアアーキテクチャ −ソフトウェア開発のためのパターン体系− JADE:http://jade.tilab.com/ SyncML:http://www.openmobilealliance.org/tech/affiliates/syncml/syncmlindex.html Sync4j:http://sync4j.funambol.com
(1)移動体環境におけるデータ共有
モバイル端末が中心の移動体が置かれる環境では、無線通信による接続が前提となる。さらに各端末は、突然電源が切られるなど稼働は保証されない。そのため、安定した接続が保証されない。無線遮断時にはデータ共有が不可能となる。そのため、各エージェントは他のノードの接続状態や、共有データのアクセス状態にかかわらず、処理を継続することが必要になる。そのために、共有データを分散させ、同期化手法を用いて、データ共有を行うことになる。さらに、無線環境ではナローバンドであり、また端末はリソース制約が厳しいため、同期のための転送データ量は、なるべく少なくする必要がある。
(2)共有データのアクセスコントロール
例えば、『ランデブーアシスタンス』においては、「スケジュール連携」をはじめとして、個人の情報を共有することが必須である。よって、アクセスコントロールは基本機能となる。そのため、まず、アクセスの単位となる、共有データのグループ化や、共有データ間の関連を構造化できる必要がある。さらに、同期化手法には、アクセス単位に応じた制御機構が必要になる。
(3)異種機器・システムベンダへの対応
多くの異種の機器、システムが関係するため、多ベンダへの対応を図るためには、ポータビリティ性の確保(実装の入れ替え、変更が可能)が必要になる。
前記複数の通信端末のそれぞれが、
自通信端末内の前記データを参照及び更新するデータ更新手段と、
他の前記通信端末との間で通信が可能か否かを監視する監視手段と、
前記通信が可能な場合に、他の前記通信端末に対して前記データの更新結果を通知することによって前記データの同期化を行うデータ同期化手段と、
前記複数の通信端末によって共有される前記データに関して、前記複数の通信端末のうちのいずれか1つによって保持される前記データに対してデータ更新の主導権を示すマスタ識別子が設定されており、前記データ同期化手段による前記データの同期化ができない場合には、前記データ更新の主導権を他の前記通信端末へ移譲する権利移譲手段とを、
有する。
自通信端末内の前記データを参照及び更新するデータ更新手段と、
他の前記通信端末との間で通信が可能か否かを監視する監視手段と、
前記通信が可能な場合に、他の前記通信端末に対して前記データの更新結果を通知することによって前記データの同期化を行うデータ同期化手段と、
前記複数の通信端末によって共有される前記データに関して、前記複数の通信端末のうちのいずれか1つによって保持される前記データに対してデータ更新の主導権を示すマスタ識別子が設定されており、前記データ同期化手段による前記データの同期化ができない場合には、前記データ更新の主導権を他の前記通信端末へ移譲する権利移譲手段とを、
有する。
自通信端末内の前記データを参照及び更新するデータ更新ステップと、
他の前記通信端末との間で通信が可能か否かを監視する監視ステップと、
前記通信が可能な場合に、他の前記通信端末に対して前記データの更新結果を通知することによって前記データの同期化を行うデータ同期化ステップと、
前記複数の通信端末によって共有される前記データに関して、前記複数の通信端末のうちのいずれか1つによって保持される前記データに対してデータ更新の主導権を示すマスタ識別子が設定されており、前記データ同期化ステップにおいて前記データの同期化ができない場合には、前記データ更新の主導権を他の前記通信端末へ移譲する権利移譲ステップとを、
有する。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。まず、図4を参照しながら、本発明の概要について説明する。図4は、本発明の基本概念を黒板アーキテクチャに適用した場合の一例を模式的に示す図である。なお、以下では、本発明の基本概念を黒板アーキテクチャに適用したシステムを、分散黒板アーキテクチャと呼ぶことにする。
また、図5は、図4に示す分散黒板アーキテクチャの参照モデルの一例をUMLによって記述したクラス図である。なお、図5に示す参照モデルは、図3に図示されている黒板アーキテクチャを拡張して、黒板と知識源を分散多重化させたものである。
図5に図示されている分散型知識源は、ユーザデータを格納して分散共有データとして扱うクラスである。知識源は、黒板に格納することで各モバイル端末及びホストに分散多重化することができる。分散多重化におけるオブジェクトの複製は、分散多重化手法によって施行される。複製されたオブジェクト(レプリカ)とその基点となったオブジェクト(マスタ)の関係は、マスタとレプリカ間の従属関係である。
また、図5に図示されている分散型黒板は、知識源を格納して分散共有データリポジトリとして扱うクラスである。この黒板を単位として、黒板に格納した知識源の集合を各情報端末及びホストに分散多重化することができる。また、この単位で同期化することができる。また、このクラスは知識源の汎化であるため、知識源と同様に、黒板に格納することができる。
また、図5に図示されているアクセスポリシーは、各種のアクセス制御のためのアクセスポリシーを格納するクラスである。知識源と黒板に対してアクセスポリシーを割り当てられるようになっている。また、アクセスポリシーを運用する対象(参照し施行するもの)としては、知識源、知識源から派生する黒板、分散多重化手法、同期化手法である。アクセスポリシーの種類としては、コピーポリシー(copyPolicy)、複製ポリシー(clonePolicy)、更新ポリシー(updatePolicy)、参照ポリシー(referPolicy)、マスタ権移譲ポリシー(delegatePolicy)、同期化ポリシー(syncPolicy)をサポートする。
また、図5に図示されている分散多重化手法は、分散多重化を施行するメカニズムクラスである。本発明においては、分散多重化におけるオブジェクト複製のメカニズムを実現し、これを提供する。また、このクラスはポータビリティ性を持っている。
また、図5に図示されている同期化手法は、同期化を施行するメカニズムクラスである。本発明においては、同期化のデフォルト手法として集中型同期化手法と分散型同期化手法のメカニズムを実装し、これを提供する。また、このクラスは分散多重化手法と同様にポータビリティ性を持つ。
また、図6は、本発明に係る分散多重化・同期化の概念を模式的に示す図である。図6に図示されるように、本発明では、移動体環境におけるデータ共有を実現するため、ノード間及びエージェント間における黒板と知識源の共有化を可能とする。知識源はマスタからレプリカに黒板の単位で分散多重化し、同期化する。さらに、複数の黒板の単位でも、分散多重化及び同期化を行える黒板は、役割単位(異種ベンダーアプリケーション間の相互運用におけるデータ管理の責務分担など)にデータ集合を形成することが可能である。
無線遮断中や相手側モバイル端末が停止中の状況では、知識源のマスタとレプリカ間における同期化ができない問題が発生し、黒板システムを使用するマルチエージェントの分散協調動作が阻害される。「移動体環境におけるデータ共有」を実現するため、本発明では、知識源(黒板を含む)のマスタ及びレプリカ間の同期化の方式に楽観的データ整合性方式を採用する。楽観的データ整合性方式とは、分散データベース技術における、データ更新開始から同期化完了までの長期的なトランザクション区間を提供し、更新・参照の開始時点から終了時点の短期的なトランザクション区間(以降、参照・更新フェーズと呼ぶ)と、同期化の開始時点から終了時点の短期的なトランザクション区間(以降、同期化フェーズと呼ぶ)を別離し、遅延同期を可能とする方式である。参照・更新フェーズと同期化フェーズを別離することによって、無線遮断中や相手側モバイル端末が停止中であっても知識源の参照・更新を実現できる。なお、同期化フェーズは、参照・更新フェーズの前後に存在することが可能である。
また、本発明では、分散オブジェクト環境における異種アプリケーション間のデータ相互運用を考慮する必要がある。そして、オブジェクト複製におけるディープコピーとシャローコピーの制御が必要である。また、不正なコピーを抑止する制御が必要である。図5に示す通り、分散多重化手法は、アクセスポリシーのコピーポリシー(copyPolicy)を使用して、この制御を実現する。(図7参照)。なお、図7(A)には、本発明に係るオブジェクト複製におけるディープコピーの制御の一例が図示されており、図7(B)には、本発明に係るオブジェクト複製におけるシャローコピーの制御の一例が図示されている。これによって、マルチエージェント開発者は、分散オブジェクト環境における異種アプリケーション間のデータ相互運用に対して、正しいオブジェクトの複製をもって振舞うことが可能となる。また、異種アプリケーションが提供するオブジェクト複製のコピーポリシーがブラックボックス化した知識源を、自分が管理する黒板に包含することが可能となる。
また、異種アプリケーション間のデータ相互運用や、複数のユーザ間で共有される黒板及び知識源のデータモデルは、黒板及び知識源の単位に複雑なアクセスポリシーの設定を要求される。そのため、黒板及び知識源は役割・責務などに応じて柔軟なデータモデル構造を提供する必要がある。
また、移動体は移動シーンに合わせて適時モバイル端末を切り替える。また、モバイル端末の種類によっては稼働時間が端的かつ断続的である。つまり、これらモバイル端末上にインスタンス化される知識源のマスタとレプリカ間の同期化については、マスタが設置されているモバイル端末が停止中の状態で同期化できない場合がある。したがって、知識源のマスタとレプリカ間において、マスタ権の移譲ができる仕組みが必要である(図8参照)。なお、図8には、本発明に係るモバイル端末間におけるマスタ権の委譲(マスタ権の交代)の様子が図示されている。また、マスタが設置されているモバイル端末が停止中の場合は、自動的にマスタ権を移譲する仕組みが必要である。このマスタ権の移譲の仕組みは、知識源のアクセスポリシーであるマスタ権移譲ポリシー(delegatePolicy)の制御ルールによって実現する。制御ルールの決定要因としては、以下の例がある。
・頻繁に更新が発生するレプリカに権利移譲
・安定永続性の高いレプリカに権利移譲
また、既存の黒板システムの多くは、閉鎖的なシステムにおいて専用のデータモデル(黒板と知識源)と制御機構で実現され、マルチエージェントのプラットフォームに汎用的ではない。つまり、データモデルと制御機構に「異種機器・システムベンダへの対応」を行うためのポータビリティ性が無い。本発明では、ポータビリティ性を実現するために、データモデルと分散多重化手法と同期化手法を含む制御機構の分離が可能な仕組みを提供する。また制御機構の追加・交換できる仕組みを提供する。これは、図5に示す通り、アクセスポリシーを媒介として、制御とモデル(黒板、知識源)を分離することで実現を可能とした。これによって、黒板及び知識源へのアクセス制御を施行するセキュリティ制御機構を後付けで搭載することなどが可能である。
また、本発明では、同期化手法として集中型同期化手法と分散型同期化手法を例として実現した。これは分散データベース技術において、一貫性を保障する機構を大別したものである。両者共に会話人数(n)における同期1回分の会話総数のオーダーはO(n)となり、完全P2P通信(O(n2))と比較して、会話人数の増加に対する高完遂性と高リアルタイム性の獲得が期待できる。ただし、知識源として扱うデータの特質とユーザアプリケーションの運用特性によって両者の有効性が変化することが予想される。
上記の集中型同期化手法は、一貫性保証方法における中央集権的なマージ方法である。同期処理プロトコルは分散型同期化手法にくらべて単純である。データの永続性を考慮した場合はこの手法が有効である。この集中型同期化手法に関連して、分散協調する各同期化手法インスタンス間の同期処理プロトコルについては、図9に図示されている。
また、上記の分散型同期化手法は、一貫性保証方法における非中央集権的なマージ方法である。同期のプロトコルは集中型同期化手法にくらべて複雑である。分散オブジェクトネットワーク環境、完全P2P環境の場合は会話総数オーダー(O(n2))の問題を改善できる。この分散型同期化手法に関連して、分散協調する各同期化手法インスタンス間の同期処理プロトコルについては、図10に図示されている。
また、各同期化手法における汎用的な同期化ポリシーを事例的に実現した。これはモバイル端末用の同期化手法として最も標準的なI/F仕様を提供しているSyncML(非特許文献14参照)を参考としたものである。
(a)ユーザ決定
ユーザ介入によってマージ時の競合解決を行う。自立的に競合解決できない場合、このメッセージを用いて解決することができる。
(b) レプリカ勝ち
無条件にレプリカの更新内容をマスタへ反映させる。分散型同期化手法で使用した場合、マージした結果が複数レプリカ間で再度競合する可能性がある。
(c)マスタ勝ち
無条件にマスタの更新内容をレプリカへ反映させる。分散型同期化手法で使用した場合、集中型同期化手法と等しい効率でマージ時の競合解決ができる。
(d)タイムスタンプベース
タイムスタンプが新しい更新内容を反映させる。バージョン管理機構などの履歴管理機構を使用することで高機能な競合解決ができる。
(e)ラスト/ファースト勝ち
メッセージキューシステムのスケジュール管理に従って更新内容を反映させる。集中型同期化手法、分散型同期化手法に関わらず、スケジュール管理に従った高機能な競合解決ができる。
また、本発明について、実現可否と速度性能についてプロトタイプ評価を行った。なお、以下に記載するプロトタイプ評価は、簡単な初期評価である。
実験環境は以下の通りである。ハードウェア以下のスペックのPC複数台にて実験を行った。
・CPU:Pentium(登録商標)4 2.60GHz
・Memory:2.0GB
・OS:Windows(登録商標) XP Professional
・LAN:100Mbps
また、以下の前提ソフトウェアを使用した。
・Java(登録商標):J2SE1.4.2
・JADE:jade snapshot20040323
・Sync4j:SyncServer-4.0.1
・SyncClient command line edition 1.0
本発明において、最も特徴的である無線遮断時の知識源の参照更新の可能な状況について、実現可否の確認と実行時の速度性能を確認するためにプロトタイプ実装を行った。プロトタイプ実装では、集中型同期化手法(図9参照)を組み込み、マルチエージェントが黒板のレプリカ知識源にデータ更新する状況を実装した。また、比較対象とする従来方式の黒板アーキテクチャの実装には、SyncMLの仕様に準拠したSync4j(非特許文献15参照)を用いた。これは参照・更新フェーズと同期化フェーズの短期トランザクション区間が同一(遅延同期しない状況)であるように調整を行った。確認方法は、黒板から25メガバイトのデータを878バイト単位に更新(同期化のマージ処理における競合は発生させていない)する処理(図9におけるシーケンス番号1〜3の工程)にて、通信開始5秒後に強制的にLAN線を切断し、10秒後に再接続する操作を行うこととした。これによって、従来の黒板アーキテクチャは更新が中断することが確認でき、本発明では、更新が中断しないことが確認できる。
また、本発明では、上述のように、会話人数(n)における同期1回分の会話総数のオーダーはO(n)となるはずである。よって、この会話人数(クライアント数)の増加に対してリニアな速度性能であるか確認を行う。確認方法は、上述のプロトタイプ実装に対して、クライアント数の増加を施行するものである。また、比較参考値として、上述の従来方式に係る実装も同様に実行した。ただし、従来方式に係る実装と本発明に係る実装では、1回のデータ更新に対する通信処理コストに差があるため(厳密には従来方式が無駄にファイルアクセスをしている分)、これについては速度性能に計上しない仕組みを加えた。
以上、説明したように、本発明は、無線遮断の状況に影響されずに黒板の共有データにアクセス可能であることから、分散多重化手法の効果を実証できたと考える。また、クライアント数の増加にも影響されず、リニアな速度性能劣化であることが確認できた。スケーラビリティも確保できたと考える。
Claims (6)
- 複数の通信端末によってデータが共有され、共有されるべき前記データが前記複数の通信端末のそれぞれに対して分散多重化されているデータ共有システムであって、
前記複数の通信端末のそれぞれが、
自通信端末内の前記データを参照及び更新するデータ更新手段と、
他の前記通信端末との間で通信が可能か否かを監視する監視手段と、
前記通信が可能な場合に、他の前記通信端末に対して前記データの更新結果を通知することによって前記データの同期化を行うデータ同期化手段と、
前記複数の通信端末によって共有される前記データに関して、前記複数の通信端末のうちのいずれか1つによって保持される前記データに対してデータ更新の主導権を示すマスタ識別子が設定されており、前記データ同期化手段による前記データの同期化ができない場合には、前記データ更新の主導権を他の前記通信端末へ移譲する権利移譲手段とを、
有するデータ共有システム。 - 前記権利移譲手段が、前記データの更新頻度が高い通信端末、又は、接続が安定している通信端末へ、前記データ更新の主導権を移譲するよう構成されている請求項1に記載のデータ共有システム。
- 複数の通信端末によってデータが共有され、共有されるべき前記データが前記複数の通信端末のそれぞれに対して分散多重化されているデータ共有システムにおける通信端末であって、
自通信端末内の前記データを参照及び更新するデータ更新手段と、
他の前記通信端末との間で通信が可能か否かを監視する監視手段と、
前記通信が可能な場合に、他の前記通信端末に対して前記データの更新結果を通知することによって前記データの同期化を行うデータ同期化手段と、
前記複数の通信端末によって共有される前記データに関して、前記複数の通信端末のうちのいずれか1つによって保持される前記データに対してデータ更新の主導権を示すマスタ識別子が設定されており、前記データ同期化手段による前記データの同期化ができない場合には、前記データ更新の主導権を他の前記通信端末へ移譲する権利移譲手段とを、
有する通信端末。 - 前記権利移譲手段が、前記データの更新頻度が高い通信端末、又は、接続が安定している通信端末へ、前記データ更新の主導権を移譲するよう構成されている請求項3に記載の通信端末。
- 複数の通信端末によってデータが共有され、共有されるべき前記データが前記複数の通信端末のそれぞれに対して分散多重化されているデータ共有システムにおける前記通信端末によって実行されるデータ共有方法であって、
自通信端末内の前記データを参照及び更新するデータ更新ステップと、
他の前記通信端末との間で通信が可能か否かを監視する監視ステップと、
前記通信が可能な場合に、他の前記通信端末に対して前記データの更新結果を通知することによって前記データの同期化を行うデータ同期化ステップと、
前記複数の通信端末によって共有される前記データに関して、前記複数の通信端末のうちのいずれか1つによって保持される前記データに対してデータ更新の主導権を示すマスタ識別子が設定されており、前記データ同期化ステップにおいて前記データの同期化ができない場合には、前記データ更新の主導権を他の前記通信端末へ移譲する権利移譲ステップとを、
有するデータ共有方法。 - 前記権利移譲ステップにおいて、前記データの更新頻度が高い通信端末、又は、接続が安定している通信端末へ、前記データ更新の主導権を移譲する請求項5に記載のデータ共有方法。
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