Access Grid視覺化群組協同工作環境建設技術報告

Access Grid 介紹[@more@]

摘要：
隨著Internet和Grid技術的飛速發展，建立一個視覺化的群組工作環境已經成為現在各個研究所和公司的重要目標。Access Grid就是這樣一個致力於研究搭建該環境所涉及的技術的組織，這些技術包括視音訊播放、視音訊傳輸協議、環境建設（包括房間建設）、硬體裝置建設以及新一代高速網路建設等。現如今，越來越多的公司和研究所，特別是那些地域分散的單位，已經注目於被廣泛使用的Internet網路。使用Internet網路來進行視音訊會議，可以隨時隨地進行一些工作會議、報告、培訓、討論會等等。建立這麼一個協同工作的環境已經成為下一代網際網路的一個重要的應用。本專案的目的就是在中國科學院計算機網路資訊中心建立這樣一個Access Grid結點（以下簡稱AG結點）。在網路中心建立這樣一個AG結點，能方便研究所開展國際學術交流與合作，推動相關技術的研究與應用，從而促進網路中心的研究開發工作，為知識創新工程提供有力支援。該結點建成後，就可以參加國際上Access Grid組織的相關活動，能夠同國內外近百個研究單位進行影片、音訊的實時互動，並可在此基礎上開展廣泛的合作研究。
本報告首先介紹了一下Access Grid的基本情況及其近期發展，然後針對建立AG結點所涉及的各類技術問題進行具體說明，最後敘述了中國科學院網路中心AG結點的建設情況以及以後工作。
1 Access Grid介紹
Grid（網格），最初出現於90年代初，阿貢實驗室（ANL）的Ian Foster認為，Grid問題解決的是如何在一種動態的、多單位參與的虛擬組織中實現資源共享與協同工作。隨著Grid概念及技術的發展，在全球出現了許多網格的專案，如TeraGrid、EU DataGrid、Globus、IPG、GriPhyN、PPDG以及我們現在要介紹的Access Grid。
Access Grid，譯為訪問網格，它是屬於應用網格的範疇，是為方便其他作計算網格研究的工作人員服務的。該專案的主要目標是在Internet2上研製適合高速網路特點的視覺化群組協同工作環境。它是美國科學基金會和能源部支援的重大基礎研究專案，由美國阿貢實驗室（ANL，Argonne National Laboratory）和芝加哥大學（University of Chicago）承擔，1998年開始啟動。到現在為止，已經有90個左右的大學和科研機構加入了這個組織，包括美國的50多所，覆蓋全世界10多個國家和地區。它已經成為I2公共服務環境的主要組成部分。
Access Grid是由多媒體顯示、多媒體資料採集等視覺化互動環境透過網格中介軟體組合而成。它能適應大規模的分散式視訊會議、協同工作會議、研究討論會、演講會、培訓會議等的需要。Access Grid的設計主要是針對那些群組與群組之間的交流會議，而不是像傳統的小型的個體間的會議。Access Grid系統由每個分佈在不同地域的Access Grid結點（以下簡稱AG結點）組成。現在，AG結點數目已經接近100個，其中大多數是那些學校和研究所。每一個AG結點不僅要滿足大規模的互動式視訊會議的需要，也要能夠適應隨時可能舉行的小型會議。
Access Grid比起其他型別的網格應用，如計算網格，它有其自身的特點。它是屬於最上層的應用，它為每一個組織提供了進入其他網格系統（如計算網格）的通道，解決了網格訪問的問題。它的出現能大大促進網格技術的進一步發展。
Access Grid在技術方面主要依靠的是流媒體的可靠組播傳輸協議。每個AG結點之間主要是採用組播（multicast）為主要的通訊方式，支援多路影片演示。IP組播的最大的一個特點就是傳送方使用單一的通道來傳輸資料到不同的各個客戶端，這樣能有效的節省頻寬，所以說IP組播是進行大規模群組協同的有效工作模式。
2 AG專案目標
該專案的主要目的是使工作群組能更好的與網格資源進行互動，利用網格技術來為遠距離的群組互動服務，主要目標是在Internet2上研製適合高速網路特點的視覺化群組協同工作環境。它包含以下幾個方面的內容。
l 實現群組互動和協同工作
透過Access Grid技術連線各類群組、團隊，使得各群組之間能利用此技術，透過音訊影片以及各種媒體流的傳輸方便的進行交流和討論，起到互動的效果。並且最終實現協同工作，為其它網格技術的研究提供環境支援。
l 增進使用者的交流程度
在這一方面，AG技術要比一般的電話會議優越。它在感官上為使用者提供了更多的支援，支援自然互動特徵的交流，如人的畫面和聲音的交流。這樣更有利於協作雙方進行正常的交流。
l 在IP上傳輸A/V資訊並且有好的質量
在IP上進行A/V資訊傳輸是一個大的挑戰，而AG使用了現在在視訊會議系統領域流行的開放原始碼的工具Mbone軟體，使得A/V資訊能利用組播技術在IP網上進行正常的傳輸並且提供了好的質量服務。
l 能進行復雜的多結點視覺化協作會議
AG的另外一個方向就是與高階視覺化環境結合，進行復雜的多個結點視覺化協作會議。現在在阿貢實驗室的AG結點有一個連線單播和組播的Bridge，這樣使得整個AG系統能與VRVS等視訊會議系統進行互通。另外，ActiveMural，Powerwall，CAVE Family，Workbenches是一系列協同工作或者虛擬現實的環境，未來的AG將要實現與這些系統進行互通，共同進行視覺化協作會議。
l 建立完整的網格服務體系
AG的最終目標是為了建立一個完整的網格服務體系，提供最新的支援群組協同工作的技術，並且為全球的網格技術的開發和研究提供一個視覺化的、群組工作式的、共同協作的環境。
3 AG專案主要研究成果
達到多個結點之間的群組合作需要有一個總的系統架構能支援可擴充套件的廣域連線。這種支援的一個重要部分是在網路上能有效的傳輸影片和音訊。在這裡AG使用的是IP組播技術，並且使用者已經可以方便的使用別人開發的軟體在支援組播的網路上進行組播。為了能觀察到到底誰參加了此次會議，AG建立了一些虛擬房間，並且長時間開放。主持或者參加會議的人可以隨時的進入所有房間。對於整個群組來說，有一個相對固定的虛擬和物理的房間是很重要的。現在AG建立了若干個主要虛擬房間並且為每一個AG結點建立了一個虛擬房間，並且在AG主頁上提供了所有AG結點的單位列表。這樣方便各個結點的技術人員進行交流。
平常我們舉行的會議，與會者能直接看到會議室裡面所有的人，能聽到他們的說話，能直觀的尋找到他們在什麼位置。這主要依靠的是他們的視覺聽覺器官，他們能夠看到所有的使用者。而在AG中間要實現的就是在虛擬的房間裡面也要達到這種效果，增加感觀的資訊。為了達到這種效果，AG使用了擴音的、完全雙工的音訊工具，並且每一個AG結點提供了4路影片訊號。這樣就要求AG上面能提供大規模的影片流傳輸，這就需要我們在網路控制、編解碼能力、高幀傳輸率和高質量音訊上面有一個總的平衡。
為了保證大數量的媒體流在廣域網上進行IP組播傳輸的高可靠性，我們必須隨時對AG所使用的這個網路的組播路由的情況做一個當前狀態的分析。這樣開發一個網路監控工具就非常有必要。在AG toolkit裡面AG就開發了這麼一套網路監控工具。依靠個人主觀的觀察來發現組播問題是耗時而且不準確的。在AG中間，我們使用了組播通道燈塔（Multicast channel beacon）軟體，該軟體在每一個AG結點上面執行，並且不斷的向外傳送訊息。同時還監聽其他結點燈塔(beacon)傳過來的資訊，從而將網路統計資料和狀態傳給燈塔伺服器(beacon server)。
為了方便與其他AG結點之間進行網路除錯，AG另外還開闢了一條交流通道MOO（MUD, Object Oriented）。這個後通道跟會議時候使用的主通道不同，兩個完全脫離。MOO提供了一種可靠的文字除錯工具，在主通道不能用的情況下，我們仍然可以輕鬆使用MOO通道進行交流。MOO的使用使得我們能方便的處理會議中遇到的問題，保證整個系統能進行正常的交流、協同工作。
在利用AG進行協同工作研究的時候，能否記錄工作研究的整個過程是一個關鍵。在AG會議時候將會有十幾個基於IP的媒體流傳播到每一個AG結點，這樣記錄下所有的媒體流是一個挑戰。對於一個系統來說，記錄一個虛擬的會議最重要的是在保證繼續會議的同時能夠把多個流媒體視音訊檔案沒有錯誤的記錄在磁碟裡。另外，系統必須能夠回放儲存的多個媒體流。現在，阿貢實驗室已經開發了具有此功能的程式－Voyager Multimedia Multistream record and playback engine。
4 建立AG結點的幾個問題
為了更好的認識AG，AG組織定義了一個基礎的框架，來建立AG結點。為了節省開發費用，AG軟體開發人員儘可能的利用開放的原始碼來進行軟體移植和修改。要建立一個AG結點，關鍵的幾個問題是顯示、計算機、聲音處理、影片處理、房間設計、網路要求以及軟體工具。關於這一方面的內容在網路中心AG建設方案裡面有具體的敘述，這裡只簡單描述。
l 顯示
首先，當我們開始準備建立AG結點的時候，我們就必須為顯示螢幕準備足夠的空間，並且至少能容納一小組人員進行觀看。其次，螢幕必須足夠大，使得能夠顯示足夠多的、合適大小的流媒體影片影像。對於這個要求，有不同的解決方案可以選擇，一般我們使用三個投影儀以及前投幕布。
l 影片處理
一個AG結點必須同時能提供有關此房間的多路影片流，以便於在其他結點的人能全方位的看到本會場的情況。在這裡，AG認為4臺攝像機能達到這種效果：一臺用來攝現場聽眾總體的影像，一臺用來攝主講的影像，一臺用來攝投影螢幕，最後一個用來補充攝現場觀眾。它們的位置必須安排妥當，使攝像的角度相對合理。
l 音訊處理
為了能更方便的、更好的跟其他結點進行交流，在音訊方面，我們首先需要配置一些基礎配件，如足夠多的麥克、聲音控制裝置等。其次，為了避免回聲，我們還必須配備能消除回聲的回聲抑制器，例如Gentner的AP400。
l 計算機
建立一個AG結點需要4臺計算機。其中顯示的機器安裝windows2000作業系統，同時配置多頭顯示卡；影片和音訊處理的機器安裝linux系統，並分別配置4塊影片捕捉卡和一塊音效卡；控制機器可以用windows2000和windows98，主要用來配置回聲抑制器和做整體控制。
l 軟體
除了上面提到的作業系統外，一個完整的AG結點還需要安裝一系列的AG組織開發的軟體。其中包括Multicast beacon和viewer，distributed PowerPoint tools，一個MOO客戶端以及UCL Mbone工具－VIC和RAT。同時，使用阿貢實驗室開發的Virtual Venue軟體（簡稱VV），可以建立虛擬會議房間。VV軟體提供的房間能供各AG結點在裡面進行會議。在VV內部，它能自動的分配、控制組播地址。透過該軟體，每一個AG結點的工作人員只需要點選網頁就能夠切換到不同的虛擬房間。對於有好幾路影片、並且涉及4臺機器的AG結點來說，單單從單擊顯示機器的網頁著手就能協調整個系統正常切換、正常工作，是一個挑戰，這也正是整個系統整體協調效能的體現。AG組織將會在這方面繼續做努力。
l 網路
AG結點是依靠網路組播技術來進行工作的。現如今，組播在很多網路中都不支援，例如中國科技網，所以我們必須為沒有組播功能的網路使用者提供從單播到組播的橋樑（Bridge）。為解決這個問題AG使用了Fermi MultiSession Bridge技術。但是使用Bridge技術會增加延時、增加複雜度、並且增加網路負載。所以，每一個想加入AG的結點都必須考慮首先他們所在的網支援組播技術。一個完整的AG結點一般要傳送幾路影片，比如4路影片。每一個流所需要頻寬一般在128Kb/s和512Kb/s之間或者更大。
5 AG在中科院
Access Grid在全世界的發展迅速，在中國，目前也已經建立兩個AG結點，其中包括中國科學院網路中心的Access Grid結點。而另外一個AG結點2001年在北航建成。
中科院網路中心的AG建設專案開始於2001年底，到2002年6月底，基本的AG環境已經建成。在AG建設方案中具體的Access Grid結點在中科院的建設情況介紹，這裡只從三方面簡單的介紹一下AG結點在中科院的建設情況。
l 硬體裝置建設
按照功能的不同，硬體裝置建設可以分為以下幾個方面的內容：
? 計算機及其附件。主要包括四臺Dell Precision530工作站（1.7G雙CPU，512M記憶體、80G硬碟）以及其它音效卡、雙頭顯示卡、影片捕捉卡等附件。
? 攝像裝置。主要包括四臺Sony EVI-D31帶雲臺攝像機。
? 投影裝置。主要包括三臺EIKI投影儀以及投影幕布。
? 音響裝置。主要包括Gentner AP400回聲抑制器、ATI BI100音訊匹配器以及相對應的音訊輔助器材，如麥克風。
l 軟體建設
在軟體方面，中科院AG結點主要使用的是Access Grid Toolkit軟體包，並在Display、Video、Audio、Control四臺機器上分別進行安裝除錯，包括drm、arm、vrm等軟體。除了這些進行AG會議必須的軟體之外，我們還安裝瞭如下軟體：
? Distributed PowerPoint Tools。上面已經講過，這是一個保持遠端PowerPoint同步的軟體。
? Beacon和Beacon Viewer軟體。該軟體用來檢測組播網路的可用性和進行網路連通狀況的統計。
? MOO軟體。這是一個提供單獨通道的Mud工具。在組播出現問題的時候我們可以透過該軟體進行聯絡。
整個Access Grid專案正在發展中，隨著時間的推移，他們會開發出更多，更使用的AG軟體可供使用，我們也會隨時進行更新和安裝。
l 網路
中科院AG結點建設主要依靠的網路是NSFCNET－中國高速互連研究試驗網路，NSFCNET試驗網是在國家自然科學基金委的資助下，由清華大學、中國科學院計算機資訊網路中心、北京大學、北京郵電大學、北京航空航天大學等單位承擔建設的重大聯合研究專案。該網路支援組播技術，有10M的頻寬分別與美國和日本相連，給召開AG會議提供網路支援。
6 AG未來工作
四年來，AG組織從一開始的同一幢樓裡面的兩個結點發展成現在全世界將近100個結點，可以說有了突飛猛進的飛躍。在未來的幾年裡，AG將會有更大的發展，到那時，會有更多的更大規模的國際會議在上面召開，並且提供更好的音訊影片效果。
在AG專案中，許多工作雖然已經完成，但是還有卻還存在好多問題，例如視覺化問題，而且，我們需要做更多的工作以便於使用者之間能更接近、能更好的進行交流。擴音的、完全雙工的音訊處理，這是曾經出現過的一個有難度的問題，現在AG已經解決這個問題，並且已經可以被大家接受和認可。但是在音訊的其他方面卻還需要做一些努力，例如開闢一個單獨的音訊通道、音訊平衡、聲音自動切換等方面。另外在AG中影像傳輸所使用的編碼是H.261編碼，它在調整幀大小、壓縮技術和幀率傳輸上還有很多缺陷，所以需要開發一種更先進的、更具有靈活性的新的編碼方法。現在，AG軟體開發人員已經在考慮把開放的MPEG編碼方法應用到VIC工具中去。而且，現在也沒有合適的工具來監控色彩平衡和影片質量，這就需要AG工作人員在這方面繼續做努力。
現在，所有的媒體流使用的都是同一個網路通道，他們對網路資源的競爭是平等的。在AG中還沒有一種方法能使一部分媒體流優先被傳送，或者在發生擁塞的時候能重新被路由。下面一些問題已經成為了不爭的事實：在AG的流媒體傳輸中必須考慮QoS控制技術，並且我們必須開發一些網路流量引擎來解決AG應用程式在網路方面可能發生的問題，例如動態配置、切換路由等等。在以後，人們可能使用自己的行動電話或者手提電腦或者擁有能自動整合到AG中間的裝置，從而利用這些裝置跟AG結點進行交流。所以AG開發人員必須考慮一種靈活的架構來滿足這種要求，把一些個人的單個的AG參與者連線成一個整體。這意味著AG開發人員在AG裝置定義、網路協調、群組編制、網路協議以及資料和程式傳輸方法上還需要做相應的工作。
另外AG還需要開發特定的更多功能的指令碼語言，它們能使整個會議自動化並且使整個會議保持同步。並且該工具必須能自動檢測在每一臺機器上的資源有無配置並且對於沒有配置的資源進行配置。該工具還需要有如下功能：自動開啟應用程式、自動喚起媒體播放器進行播放、自動對整個資源進行分配以及自動最佳化網路效能。這些都是AG專案以後要發展的重點問題。
7 我們以後的工作
AG結點在中科院網路中心已經建成，但是我們的工作卻才剛剛起步，我們不僅要在實際視訊會議中應用這套系統，而且要在實際的協同工作環境中繼續對Access Grid技術進行研究。我們以後的工作主要可以從以下幾個方面進行：
l 參加國際上大型的AG會議
建立Access Grid中科院結點之後，我們的當前的工作就是測試建立的這套協同工作環境並使之付諸應用，並且積極參加國際上大型的基於AG系統的會議，例如SC Global2003會議。從而在交流中提高網路中心研究人員的研究和開發水平。
l 應用AG組織開發的先進的網格協同工作軟體
當前另外一個很有意義的工作就是密切關注AG組織的工作動態，及時的瞭解當前AG組織的發展情況，並且對AG組織新進開發的軟體進行測試應用，使有助於我們的這個視覺化協同工作環境，對我們的AG結點起到擴充套件的目的。目前AG的有關VV Server（Virtual Venues Server）和Voyager Multimedia Multistream record and playback engine工具剛剛釋出，我們將在中科院AG結點中進行應用並爭取在AG建立一個虛擬的VV。
l 開發具有中科院特色的AG測試床
在以後我們將在這個Access Grid 結點基礎上，在中科院建立一個VV Server（Vitual Venues Server），從而建設一個具有中科院特色的AG測試床，建立以中科院網路中心為中心的視覺化協同工作環境。這樣有利於各個所之間進行研究和交流，並且為我們在各所之間開展工作打下基礎。這裡面主要的兩個問題是VV Server的建立和單播、組播之間的互通技術研究。
l 在科學資料網格中的應用
在開發具有中科院特色的AG測試床基礎上，建設一套適合科學資料網格的視覺化協同工作環境，輔助進行科學資料庫網格服務體系的研究和開發。在這一方面我們將會有更多的設想和研究工作要做。
8 結論
Access Grid的研究在全世界已經被廣泛開展起來，它在視覺化群組協同工作環境方面的作用有目共睹。在Access Grid方面已經開展了許多教程、講座、工作研討會甚至許多大型的視訊會議。而且現在AG結點遍佈10多個國家和地區，還有幾十個點正在進行AG結點建設。2002年6月，在歐洲曼徹斯特大學還建立了一個歐洲AG組織分支－European Access Grid（EuroAG）。人們會發現使用AG系統能大大降低會議所需費用，能使物理位置相距很遠的兩個工作組能面對面協同工作交流。我們相信，隨著AG組織的努力，AG會開發出更多的有用的軟體和系統方便我們進行視覺化的群組協同工作，並且在視覺化協同工作於虛擬現實之間建立一座橋樑，從而更好的為建立一個完整的網格服務體系服務。
9 參考文獻
[1] Lisa Childers, Terry Disz and Robert Olson, “Access Grid: Immersive Group-to-Group Collaborative Visualization”, In Proc. 4th International Immersive Projection Technology Workshop, 2000.
[2] G. A. Roediger and W. P. Lidinsky, “The multi-session bridge”, Computer Physics Communications, vol. 110, pp. 149-154, 1998.
[3]