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Access Grid可视化群组协同工作环境建设技术报告

http://www.GridTeam.com 2008年10月2日网格工场来源：

随着Internet和Grid技术的飞速发展，建立一个可视化的群组工作环境已经成为现在各个研究所和公司的重要目标。Access Grid就是这样一个致力于研究搭建该环境所涉及的技术的组织，这些技术包括视音频播放、视音频传输协议、环境建设（包括房间建设）、硬件设备建设以及新一代高速网络建设等。现如今，越来越多的公司和研究所，特别是那些地域分散的单位，已经注目于被广泛使用的Internet网络。使用Internet网络来进行视音频会议，可以随时随地进行一些工作会议、报告、培训、讨论会等等。建立这么一个协同工作的环境已经成为下一代互联网的一个重要的应用。本项目的目的就是在中国科学院计算机网络信息中心建立这样一个Access Grid结点（以下简称AG结点）。在网络中心建立这样一个AG结点，能方便研究所开展国际学术交流与合作，推动相关技术的研究与应用，从而促进网络中心的研究开发工作，为知识创新工程提供有力支持。该结点建成后，就可以参加国际上Access Grid组织的相关活动，能够同国内外近百个研究单位进行视频、音频的实时交互，并可在此基础上开展广泛的合作研究。
本报告首先介绍了一下Access Grid的基本情况及其近期发展，然后针对建立AG结点所涉及的各类技术问题进行具体说明，最后叙述了中国科学院网络中心AG结点的建设情况以及以后工作。
1 Access Grid介绍
Grid（网格），最初出现于90年代初，阿贡实验室（ANL）的Ian Foster认为，Grid问题解决的是如何在一种动态的、多单位参与的虚拟组织中实现资源共享与协同工作。随着Grid概念及技术的发展，在全球出现了许多网格的项目，如TeraGrid、EU DataGrid、Globus、IPG、GriPhyN、PPDG以及我们现在要介绍的Access Grid。
Access Grid，译为访问网格，它是属于应用网格的范畴，是为方便其他作计算网格研究的工作人员服务的。该项目的主要目标是在Internet2上研制适合高速网络特点的可视化群组协同工作环境。它是美国科学基金会和能源部支持的重大基础研究项目，由美国阿贡实验室（ANL，Argonne National Laboratory）和芝加哥大学（University of Chicago）承担，1998年开始启动。到现在为止，已经有90个左右的大学和科研机构加入了这个组织，包括美国的50多所，覆盖全世界10多个国家和地区。它已经成为I2公共服务环境的主要组成部分。
Access Grid是由多媒体显示、多媒体数据采集等可视化交互环境通过网格中间件组合而成。它能适应大规模的分布式视频会议、协同工作会议、研究讨论会、演讲会、培训会议等的需要。Access Grid的设计主要是针对那些群组与群组之间的交流会议，而不是像传统的小型的个体间的会议。Access Grid系统由每个分布在不同地域的Access Grid结点（以下简称AG结点）组成。现在，AG结点数目已经接近100个，其中大多数是那些学校和研究所。每一个AG结点不仅要满足大规模的交互式视频会议的需要，也要能够适应随时可能举行的小型会议。
Access Grid比起其他类型的网格应用，如计算网格，它有其自身的特点。它是属于最上层的应用，它为每一个组织提供了进入其他网格系统（如计算网格）的通道，解决了网格访问的问题。它的出现能大大促进网格技术的进一步发展。
Access Grid在技术方面主要依靠的是流媒体的可靠组播传输协议。每个AG结点之间主要是采用组播（multicast）为主要的通信方式，支持多路视频演示。IP组播的最大的一个特点就是发送方使用单一的信道来传输数据到不同的各个客户端，这样能有效的节省带宽，所以说IP组播是进行大规模群组协同的有效工作模式。
2 AG项目目标
该项目的主要目的是使工作群组能更好的与网格资源进行交互，利用网格技术来为远距离的群组交互服务，主要目标是在Internet2上研制适合高速网络特点的可视化群组协同工作环境。它包含以下几个方面的内容。
l 实现群组交互和协同工作
通过Access Grid技术连接各类群组、团队，使得各群组之间能利用此技术，通过音频视频以及各种媒体流的传输方便的进行交流和讨论，起到交互的效果。并且最终实现协同工作，为其它网格技术的研究提供环境支持。
l 增进用户的交流程度
在这一方面，AG技术要比一般的电话会议优越。它在感官上为用户提供了更多的支持，支持自然交互特征的交流，如人的画面和声音的交流。这样更有利于协作双方进行正常的交流。
l 在IP上传输A/V信息并且有好的质量
在IP上进行A/V信息传输是一个大的挑战，而AG使用了现在在视频会议系统领域流行的开放源代码的工具Mbone软件，使得A/V信息能利用组播技术在IP网上进行正常的传输并且提供了好的质量服务。
l 能进行复杂的多结点可视化协作会议
AG的另外一个方向就是与高端可视化环境结合，进行复杂的多个结点可视化协作会议。现在在阿贡实验室的AG结点有一个连接单播和组播的Bridge，这样使得整个AG系统能与VRVS等视频会议系统进行互通。另外，ActiveMural，Powerwall，CAVE Family，Workbenches是一系列协同工作或者虚拟现实的环境，未来的AG将要实现与这些系统进行互通，共同进行可视化协作会议。
l 建立完整的网格服务体系
AG的最终目标是为了建立一个完整的网格服务体系，提供最新的支持群组协同工作的技术，并且为全球的网格技术的开发和研究提供一个可视化的、群组工作式的、共同协作的环境。
3 AG项目主要研究成果
达到多个结点之间的群组合作需要有一个总的系统架构能支持可扩展的广域连接。这种支持的一个重要部分是在网路上能有效的传输视频和音频。在这里AG使用的是IP组播技术，并且用户已经可以方便的使用别人开发的软件在支持组播的网络上进行组播。为了能观察到到底谁参加了此次会议，AG建立了一些虚拟房间，并且长时间开放。主持或者参加会议的人可以随时的进入所有房间。对于整个群组来说，有一个相对固定的虚拟和物理的房间是很重要的。现在AG建立了若干个主要虚拟房间并且为每一个AG结点建立了一个虚拟房间，并且在AG主页上提供了所有AG结点的单位列表。这样方便各个结点的技术人员进行交流。
平常我们举行的会议，与会者能直接看到会议室里面所有的人，能听到他们的说话，能直观的寻找到他们在什么位置。这主要依靠的是他们的视觉听觉器官，他们能够看到所有的用户。而在AG中间要实现的就是在虚拟的房间里面也要达到这种效果，增加感观的信息。为了达到这种效果，AG使用了免提的、完全双工的音频工具，并且每一个AG结点提供了4路视频信号。这样就要求AG上面能提供大规模的视频流传输，这就需要我们在网络控制、编解码能力、高帧传输率和高质量音频上面有一个总的平衡。
为了保证大数量的媒体流在广域网上进行IP组播传输的高可靠性，我们必须随时对AG所使用的这个网络的组播路由的情况做一个当前状态的分析。这样开发一个网络监控工具就非常有必要。在AG toolkit里面AG就开发了这么一套网络监控工具。依靠个人主观的观察来发现组播问题是耗时而且不准确的。在AG中间，我们使用了组播通道灯塔（Multicast channel beacon）软件，该软件在每一个AG结点上面运行，并且不断的向外发送消息。同时还监听其他结点灯塔(beacon)传过来的信息，从而将网络统计数据和状态传给灯塔服务器(beacon server)。
为了方便与其他AG结点之间进行网络调试，AG另外还开辟了一条交流通道MOO（MUD, Object Oriented）。这个后通道跟会议时候使用的主通道不同，两个完全脱离。MOO提供了一种可靠的文字调试工具，在主通道不能用的情况下，我们仍然可以轻松使用MOO通道进行交流。MOO的使用使得我们能方便的处理会议中遇到的问题，保证整个系统能进行正常的交流、协同工作。
在利用AG进行协同工作研究的时候，能否记录工作研究的整个过程是一个关键。在AG会议时候将会有十几个基于IP的媒体流传播到每一个AG结点，这样记录下所有的媒体流是一个挑战。对于一个系统来说，记录一个虚拟的会议最重要的是在保证继续会议的同时能够把多个流媒体视音频文件没有错误的记录在磁盘里。另外，系统必须能够回放保存的多个媒体流。现在，阿贡实验室已经开发了具有此功能的程序－Voyager Multimedia Multistream record and playback engine。
4 建立AG结点的几个问题
为了更好的认识AG，AG组织定义了一个基础的框架，来建立AG结点。为了节省开发费用，AG软件开发人员尽可能的利用开放的源代码来进行软件移植和修改。要建立一个AG结点，关键的几个问题是显示、计算机、声音处理、视频处理、房间设计、网络要求以及软件工具。关于这一方面的内容在网络中心AG建设方案里面有具体的叙述，这里只简单描述。
l 显示
首先，当我们开始准备建立AG结点的时候，我们就必须为显示屏幕准备足够的空间，并且至少能容纳一小组人员进行观看。其次，显示屏必须足够大，使得能够显示足够多的、合适大小的流媒体视频图像。对于这个要求，有不同的解决方案可以选择，一般我们使用三个投影仪以及前投幕布。
l 视频处理
一个AG结点必须同时能提供有关此房间的多路视频流，以便于在其他结点的人能全方位的看到本会场的情况。在这里，AG认为4台摄像机能达到这种效果：一台用来摄现场听众总体的图像，一台用来摄主讲的图像，一台用来摄投影屏幕，最后一个用来补充摄现场观众。它们的位置必须安排妥当，使摄像的角度相对合理。
l 音频处理
为了能更方便的、更好的跟其他结点进行交流，在音频方面，我们首先需要配置一些基础配件，如足够多的麦克、声音控制设备等。其次，为了避免回声，我们还必须配备能消除回声的回声抑制器，例如Gentner的AP400。
l 计算机
建立一个AG结点需要4台计算机。其中显示的机器安装windows2000操作系统，同时配置多头显卡；视频和音频处理的机器安装linux系统，并分别配置4块视频捕捉卡和一块声卡；控制机器可以用windows2000和windows98，主要用来配置回声抑制器和做整体控制。
l 软件
除了上面提到的操作系统外，一个完整的AG结点还需要安装一系列的AG组织开发的软件。其中包括Multicast beacon和viewer，distributed PowerPoint tools，一个MOO客户端以及UCL Mbone工具－VIC和RAT。同时，使用阿贡实验室开发的Virtual Venue软件（简称VV），可以建立虚拟会议房间。VV软件提供的房间能供各AG结点在里面进行会议。在VV内部，它能自动的分配、控制组播地址。通过该软件，每一个AG结点的工作人员只需要点击网页就能够切换到不同的虚拟房间。对于有好几路视频、并且涉及4台机器的AG结点来说，单单从单击显示机器的网页着手就能协调整个系统正常切换、正常工作，是一个挑战，这也正是整个系统整体协调性能的体现。AG组织将会在这方面继续做努力。
l 网络
AG结点是依靠网络组播技术来进行工作的。现如今，组播在很多网络中都不支持，例如中国科技网，所以我们必须为没有组播功能的网络用户提供从单播到组播的桥梁（Bridge）。为解决这个问题AG使用了Fermi MultiSession Bridge技术。但是使用Bridge技术会增加延时、增加复杂度、并且增加网络负载。所以，每一个想加入AG的结点都必须考虑首先他们所在的网支持组播技术。一个完整的AG结点一般要发送几路视频，比如4路视频。每一个流所需要带宽一般在128Kb/s和512Kb/s之间或者更大。
5 AG在中科院
Access Grid在全世界的发展迅速，在中国，目前也已经建立两个AG结点，其中包括中国科学院网络中心的Access Grid结点。而另外一个AG结点2001年在北航建成。
中科院网络中心的AG建设项目开始于2001年底，到2002年6月底，基本的AG环境已经建成。在AG建设方案中具体的Access Grid结点在中科院的建设情况介绍，这里只从三方面简单的介绍一下AG结点在中科院的建设情况。
l 硬件设备建设
按照功能的不同，硬件设备建设可以分为以下几个方面的内容：
? 计算机及其附件。主要包括四台Dell Precision530工作站（1.7G双CPU，512M内存、80G硬盘）以及其它声卡、双头显卡、视频捕捉卡等附件。
? 摄像设备。主要包括四台Sony EVI-D31带云台摄像机。
? 投影设备。主要包括三台EIKI投影仪以及投影幕布。
? 音响设备。主要包括Gentner AP400回声抑制器、ATI BI100音频匹配器以及相对应的音频辅助器材，如麦克风。
l 软件建设
在软件方面，中科院AG结点主要使用的是Access Grid Toolkit软件包，并在Display、Video、Audio、Control四台机器上分别进行安装调试，包括drm、arm、vrm等软件。除了这些进行AG会议必须的软件之外，我们还安装了如下软件：
? Distributed PowerPoint Tools。上面已经讲过，这是一个保持远程PowerPoint同步的软件。
? Beacon和Beacon Viewer软件。该软件用来检测组播网络的可用性和进行网络连通状况的统计。
? MOO软件。这是一个提供单独通道的Mud工具。在组播出现问题的时候我们可以通过该软件进行联络。
整个Access Grid项目正在发展中，随着时间的推移，他们会开发出更多，更使用的AG软件可供使用，我们也会随时进行更新和安装。
l 网络
中科院AG结点建设主要依靠的网络是NSFCNET－中国高速互连研究试验网络，NSFCNET试验网是在国家自然科学基金委的资助下，由清华大学、中国科学院计算机信息网络中心、北京大学、北京邮电大学、北京航空航天大学等单位承担建设的重大联合研究项目。该网络支持组播技术，有10M的带宽分别与美国和日本相连，给召开AG会议提供网络支持。
6 AG未来工作
四年来，AG组织从一开始的同一幢楼里面的两个结点发展成现在全世界将近100个结点，可以说有了突飞猛进的飞跃。在未来的几年里，AG将会有更大的发展，到那时，会有更多的更大规模的国际会议在上面召开，并且提供更好的音频视频效果。
在AG项目中，许多工作虽然已经完成，但是还有却还存在好多问题，例如可视化问题，而且，我们需要做更多的工作以便于用户之间能更接近、能更好的进行交流。免提的、完全双工的音频处理，这是曾经出现过的一个有难度的问题，现在AG已经解决这个问题，并且已经可以被大家接受和认可。但是在音频的其他方面却还需要做一些努力，例如开辟一个单独的音频信道、音频平衡、声音自动切换等方面。另外在AG中图像传输所使用的编码是H.261编码，它在调整帧大小、压缩技术和帧率传输上还有很多缺陷，所以需要开发一种更先进的、更具有灵活性的新的编码方法。现在，AG软件开发人员已经在考虑把开放的MPEG编码方法应用到VIC工具中去。而且，现在也没有合适的工具来监控色彩平衡和视频质量，这就需要AG工作人员在这方面继续做努力。
现在，所有的媒体流使用的都是同一个网络通道，他们对网络资源的竞争是平等的。在AG中还没有一种方法能使一部分媒体流优先被传送，或者在发生拥塞的时候能重新被路由。下面一些问题已经成为了不争的事实：在AG的流媒体传输中必须考虑QoS控制技术，并且我们必须开发一些网络流量引擎来解决AG应用程序在网络方面可能发生的问题，例如动态配置、切换路由等等。在以后，人们可能使用自己的移动电话或者手提电脑或者拥有能自动集成到AG中间的设备，从而利用这些设备跟AG结点进行交流。所以AG开发人员必须考虑一种灵活的架构来满足这种要求，把一些个人的单个的AG参与者连接成一个整体。这意味着AG开发人员在AG设备定义、网络协调、群组编制、网络协议以及数据和程序传输方法上还需要做相应的工作。
另外AG还需要开发特定的更多功能的脚本语言，它们能使整个会议自动化并且使整个会议保持同步。并且该工具必须能自动检测在每一台机器上的资源有无配置并且对于没有配置的资源进行配置。该工具还需要有如下功能：自动打开应用程序、自动唤起媒体播放器进行播放、自动对整个资源进行分配以及自动优化网络性能。这些都是AG项目以后要发展的重点问题。
7 我们以后的工作
AG结点在中科院网络中心已经建成，但是我们的工作却才刚刚起步，我们不仅要在实际视频会议中应用这套系统，而且要在实际的协同工作环境中继续对Access Grid技术进行研究。我们以后的工作主要可以从以下几个方面进行：
l 参加国际上大型的AG会议
建立Access Grid中科院结点之后，我们的当前的工作就是测试建立的这套协同工作环境并使之付诸应用，并且积极参加国际上大型的基于AG系统的会议，例如SC Global2003会议。从而在交流中提高网络中心研究人员的研究和开发水平。
l 应用AG组织开发的先进的网格协同工作软件
当前另外一个很有意义的工作就是密切关注AG组织的工作动态，及时的了解当前AG组织的发展情况，并且对AG组织新进开发的软件进行测试应用，使有助于我们的这个可视化协同工作环境，对我们的AG结点起到扩展的目的。目前AG的有关VV Server（Virtual Venues Server）和Voyager Multimedia Multistream record and playback engine工具刚刚发布，我们将在中科院AG结点中进行应用并争取在AG建立一个虚拟的VV。
l 开发具有中科院特色的AG测试床
在以后我们将在这个Access Grid 结点基础上，在中科院建立一个VV Server（Vitual Venues Server），从而建设一个具有中科院特色的AG测试床，建立以中科院网络中心为中心的可视化协同工作环境。这样有利于各个所之间进行研究和交流，并且为我们在各所之间开展工作打下基础。这里面主要的两个问题是VV Server的建立和单播、组播之间的互通技术研究。
l 在科学数据网格中的应用
在开发具有中科院特色的AG测试床基础上，建设一套适合科学数据网格的可视化协同工作环境，辅助进行科学数据库网格服务体系的研究和开发。在这一方面我们将会有更多的设想和研究工作要做。
8 结论
Access Grid的研究在全世界已经被广泛开展起来，它在可视化群组协同工作环境方面的作用有目共睹。在Access Grid方面已经开展了许多教程、讲座、工作研讨会甚至许多大型的视频会议。而且现在AG结点遍布10多个国家和地区，还有几十个点正在进行AG结点建设。2002年6月，在欧洲曼彻斯特大学还建立了一个欧洲AG组织分支－European Access Grid（EuroAG）。人们会发现使用AG系统能大大降低会议所需费用，能使物理位置相距很远的两个工作组能面对面协同工作交流。我们相信，随着AG组织的努力，AG会开发出更多的有用的软件和系统方便我们进行可视化的群组协同工作，并且在可视化协同工作于虚拟现实之间建立一座桥梁，从而更好的为建立一个完整的网格服务体系服务。
9 参考文献
[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] http://www.accessgrid.org.

(作者：董科军中国科学院计算机网络信息中心)

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