Most researches for ubiquitous services have been interested in constructing intelligent computing environments in physical spaces such as conference hall, meeting room, home, and campus. In these spaces people are able to share data easily. However, as cooperative works from a distance anywhere and anytime make a social issue, we need a data sharing system for an ubiquitous community that is a group of people with a common interest and purpose in different places like a location-free conference/meeting.
In this thesis, we propose UbiFS, a distributed file system for the data sharing of the ubiquitous community, which is not only location-free but also dynamic and has heterogeneous devices. Considering the distributed member of the ubiquitous community, UbiFS is designed for WAN environments. To simply construct a shared data space in the dynamic manner, UbiFS self-organizes an overlay topology of the devices without the static file servers. Moreover our system keeps a flexible overlay topology of the participant devices recognizing the devices' capabilities and current processor workloads. The capabilities includes processor performance, memory/storage capacity, network connectivity, battery power. Each UbiFS device acts as a server or a client according to the device's capabilities. UbiFS also performs file operations fitted to the capabilities. The powerful devices construct a ring server group with a ring-shaped network topology, and this ring server group provides the data sharing and adapted streaming services to the weak devices working as the clients. The server group manages the whole shared data for the ubiquitous community and guarantees both of availability and consistency. The clients on the feeble devices just access the remote data by using streaming protocols with a content adaptation for fitting the original data to capabilities and preferences of the devices.
어떠한 목적이나 공통 관심사를 가지고 모인 사람들은 공동의 작업을 위해 서로의 파일을 공유하고 접근할 수 있도록 데이터 공유가 필요합니다. 간단한 파일 공유를 위해서 P2P 공유 시스템이 널리 사용되고 있지만, P2P 시스템은 분산 파일시스템처럼 파일 공유뿐만 아니라 일반적인 파일 오퍼레이션을 투명하게 제공하지 못합니다. 따라서 실제로 많은 유비쿼터스 프로젝트들이 협동 작업 환경을 구축하기 위해서 분산 파일시스템을 이용하고 있습니다. 일반적으로 전통적인 분산 파일시스템은 파일 서버와 같은 중앙집권적인 인프라를 지닙니다. 사용자들은 그러한 인프라가 없는 곳에서는 공유 파일에 접근을 할 수가 없습니다. 만약 서버가 고장이 났다면, 그 시스템은 파일 공유 서비스를 제공할 수가 없게 됩니다. 게다가 파일 서버 주변의 네트워크 링크 상태가 나쁘거나, 많은 클라이언트들이 서버에 요청을 하게 된다면, 이 서버는 병목 현상을 겪게 됩니다. 이러한 경우는 유비쿼터스 서비스 개념에 위배됩니다. 분산 파일시스템을 사용하는 사람들은 때와 장소에 상관없이 여기 저기 퍼져있는 파일들을 끊김 없이 접근하고 공유할 수 있어야 합니다. 따라서 특별한 인프라 없이 사용자들의 단말들만을 이용하여 분산된 데이터 공유 공간을 자율적으로 구축할 수 있는 시스템이 요구됩니다. 한편, 기술의 진보와 다양한 어플리케이션의 등장으로 하드웨어는 점점 더 초소형화 되고 강력해짐에 따라, 모바일 단말들의 수와 종류가 증가하고 있습니다. 협동 작업을 위해 분산 파일시스템을 사용하는 환경 역시, 사용자들의 단말은 다양하며, 어떤 사람은 여러 개의 단말들을 이용할 수도 있습니다. 이러한 단말들의 다양성은 서로 다른 능력을 의미합니다. 즉, 프로세서의 성능, 메모리와 저장매체의 용량, 네트워크 연결성, 그리고 배터리 파워의 차이가 그것입니다. 따라서 노트북이나 데스크톱과 같이 강력한 단말에서부터 PDA나 스마트폰과 같은 약한 단말에 이르기까지 수많은 다양한 단말들이 존재하게 됩니다. 이 논문에서는 유비쿼터스 서비스와 다양한 단말의 특성을 고려한 지능적인 분산 파일시스템인 UbiFS를 최초로 제안하였습니다. UbiFS는 사용자의 단말들로만 이루어진 완전 분산형으로, 단말의 다양성에 따라 유연한 오버레이 토폴로지를 가질 수 있습니다. 즉, UbiFS는 어떤 특별한 서버 없이 단말 스스로 데이터 공유 공간을 구축하기 위해서, 단말의 성능에 따라 자율적으로 서버 혹은 클라이언트로 동작합니다. 강력한 단말들은 링 모양의 토폴로지를 지니는 링 서버 그룹을 구성하고, 그 링 서버 그룹은 클라이언트로 동작하는 약한 단말들에게 파일 공유와 스트림 서비스를 제공합니다. 또한 UbiFS는 단말의 현재 컴퓨팅 워크로드에 따라, 서버에서 클라이언트로 토폴로지 동적으로 변화시킬 수 있습니다. 링 서버 그룹은 전체 공유 파일을 관리하며 데이터의 유효성(availability)과 일관성 consistency)을 보장합니다. 약한 단말의 클라이언트들은 단지 링 서버 그룹에 접속하며, 원격 파일을 읽을 시에는 링 서버 그룹이 클라이언트 단말의 성능과 선호도에 맞게 원본 파일을 변경하여 송신합니다. UbiFS는 공동 작업을 위해 형성된 커뮤니티의 수명이 일시적이라고 가정을 합니다. 즉, 원격 회의와 같이 어떠한 공통의 관심사와 목적을 가지고 모인 사람들이 공동의 작업을 마친 후에는 해체됩니다. 따라서 일시적으로 구축된 링 서버 그룹의 단말과 공유하는 파일의 수가 많지 않기 때문에, 시스템의 확장성(scalability)에는 초점을 맞추지 않습니다. 또한 서버를 유지하는데 드는 오버헤드를 최소화하고자 간단한 링 구조를 선택하게 되었습니다. 링 서버 그룹은 최적의 링 토폴로지를 형성하기 위해서 이웃 서버와의 네트워크 링크 상태 정보를 지니고 있습니다. 링 토폴로지는 out degree 2로 커넥션 유지 오버헤드가 적고, 링 서버 그룹 중에 어느 단말이 고장이 나더라고 링을 빠른 시간 안에 복구할 수 있습니다. 단말이 연속적으로 원격 파일을 읽으면, UbiFS는 캐시 쓰레드를 동작시켜 로컬 스토리지에 저장하여 차후에 같은 파일에 대한 접근 지연 시간을 최소화합니다. 만약 단말의 성능이 약하다면 캐시 오버헤드로 인한 성능 저하를 막고자 캐시를 수행하지 않습니다. 어떠한 강력한 단말이 링 서버 그룹에 조인할 경우에는 자신이 캐시하고 있는 파일들의 일관성을 버전 정보를 통해 체크합니다. UbiFS는 기존의 분산 파일시스템들과는 달리 LAN뿐만 아니라 WAN 환경도 고려하였기 때문에, 파일 read에 따른 딜레이와 낮은 대역폭을 극복하고자 멀티 소스로부터 파일을 블록단위로 병렬적으로 요청합니다. 파일을 write할 경우에는 링 서버에 락을 요청한 후 수행하기 때문에, 파일 간의 일관성이 완전히 보장됩니다. 일반적으로 write는 read에 비해 현저히 적고 사용자가 딜레이를 느끼지 못하기 때문에, UbiFS는 write된 데이터를 큐잉하였다가 일정 간격으로 링을 따라 다음 서버로 전송함으로써 링 서버 전체의 파일 일관성을 유지합니다. UbiFS는 기존의 분산 파일시스템과는 달리 원격 read를 수행하면서 캐시를 하고, 핵심적인 파일 오퍼레이션을 수행하는 모듈을 커널에 구현함으로써 read의 성능을 향상시켰습니다. 단말의 다양한 성능을 고려하여 디자인된 UbiFS는 단말의 능력과 워크로드에 맞게 전체 오버레이 토폴로지를 동적으로 변동시킵니다. 또한 단말과 주변 환경에 맞는 최적의 파일 오퍼레이션을 함으로써 성능을 향상시킵니다. 이러한 UbiFS의 지능적이고 동적인 동작은 시스템 전체의 에너지 효율도 고려하게 됩니다.
