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分布式智能软件(二)JADE平台

JADE, 分布式智能软件

本文是分布式智能软件课程的笔记及心得记录

大纲

JADE发展史

1998年年底意大利通信公司Telecom发起第一个软件开发计划，最终发展成了JADE(Java Agent DEvelopment framework)平台
JADE平台的主要优势是遵循FIPA规范，其基于JAVA语言实现了一个Agent抽象并提供友好的API

JADE中的Agent抽象思想

  • Agent具有自主性：Agent不向其他Agent提供回调功能和自身对象引用，因此Agent不能控制其他Agent服务
  • Agent具有主动性：Agent具有自己的线程，利用其控制自己的生命周期和自主决定的动作
  • Agent之间是松耦合的：Agent之间的通信是异步的，发送者和接受者之间没有时间依赖，发送者不需要知道接受者的准确名称标识，只需知道接受者是一个具有某种特征的Agent集合
  • Agent是端到端的：每个Agent都定义了一个全局唯一名称标识，可以任何时刻加入或者离开JADE平台，并通过白页和黄页服务发现其他Agent

JADE核心功能

基于上述Agent抽象思想，JADE为程序员提供一系列核心功能

  • Agent分布式系统：每个Agent可以作为一个单独线程运行于不同远程机器相互透明交互
  • 完全兼容FIPA规范
  • 位置透明的消息传输机制：实现了高效的跨平台异步消息传递
  • 白页黄页服务
  • Agent生命周期管理：创建Agent时分配标识符和传输地址(白页服务使用)，简单API和GUI界面完成本地远程Agent生命周期管理(创建、暂停、恢复、冻结、解冻、迁移、复制和销毁)
  • Agent在进程、机器之间迁移服务
  • Agent订阅机制
  • GUI工具：监视Agent运行、单步调试等
  • 本体和内容语言
  • 交互协议库

JADE平台体系结构

主容器：Agent生存在容器中，容器是提供JADE运行环境、管理Agent运行所需服务的JAVA进程，主容器是平台的入口点，其他容器必须通过在主容器注册才能加入JADE平台
主容器特殊能力：

  • 对容器表(CT)管理：CT中有平台所有容器节点对象引用和传输地址的注册表
  • 对全局Agent描述表(GADT)管理：GADT中有平台所有Agent的注册表(Agent状态、位置等)
  • 启动和管理特殊Agent——Agent管理系统(AMS)：AMS是监督平台运行、提供白页服务的Agent，所有Agent都必须向AMS注册获得有效的AID
  • 启动和管理特殊Agent——目录服务器(DF)：DF是提供黄页服务、订阅服务的Agent，Agent需向DF注册其可提供的服务和查询DF来检索其他Agent服务

JADE平台安装及使用

官方网站下载JADE压缩包，如JADE-all-4.3.1.zip
解压后可得到四个文件

设置环境变量(JADE_HOME和ClassPath):根据解压路径，JADE_HOME为安装路径\JADE-bin-4.3.1\jade，ClassPath添加%JADE_HOME\lib\jade.jar%;D:\JADE\test
启动JADE平台：在命令行输入java jade.Boot -gui
jade.Boot是平台的主类，-gui表示启动平台的同时创建一个远程监视Agent RAM(Remote Monitoring Agent)可以图形化显示所有相关Agent与容器

HelloWorld类

编写HelloWorldAgent的源代码

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//导入Agent包
import jade.core.Agent;

public class HelloWorldAgent extends Agent {
  //每个启动的Agent会首先调用其setup()方法启动
  protected void setup() {
    //输出
    System.out.println("Hello World! My name is "+getLocalName());
    //调用doDelete()结束Agent生命周期
    doDelete();
  }
}

编译HelloWorldAgent代码
在HelloWorldAgent所在文件夹启动CLI或者GitBash，输入命令javac -encoding UTF-8 HelloWorldAgent.java

之后可在文件夹看到编译后的.class文件

启动JADE平台，点击主容器Main-Container右键Start New Agent添加HelloWorldAgent
AgentName为实例Agent名称，ClassName填入编译Agent类名称

点击OK可以看到在主容器下并没有出现新的Agent是因为HelloWorldAgent在输出信息后调用了doDelete()方法结束了自身，在控制台可看到其输出的消息

基础Agent类

创建Agent类：只需要从jade.core.Agent类继承Agent类
Agent类不同于java类：其对象由JADE平台实例化，对象名从不在外部公开，Agent间采用异步通信，不通过方法调用进行交互
setup()方法：用于实现Agent类的初始化操作，通常包括

  • 显示图形用户界面
  • 建立数据库连接
  • 在黄页中注册其提供的服务
  • 获取启动参数
  • 添加初始行为
    识别Agent：通过Agent标识符AID识别，可在Agent类内部通过getAID()方法查询自身标识符
    AID：ADI类提供方法查询Agent实例的本地名称(getLocalName())、GUID(getName())、地址(getAllAddresses())

GetName类

编写GetName类

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import jade.core.Agent;
import java.util.Iterator;

public class GetName extends Agent {

  protected void setup() { 
    System.out.println("Hello World. I'm an agent!");
    System.out.println("My local-name is "+getAID().getLocalName());
    System.out.println("My GUID is "+getAID().getName());
    System.out.println("My addresses are:");
    Iterator it = getAID().getAllAddresses();
    while (it.hasNext()) {
      System.out.println("- "+it.next());
    }
  }
}

编译并运行

基础Agent类生命周期

终止Agent：可调用其doDelete()方法，Agent终止前会调用其takeDown()方法执行各种终止前的清理操作
带参数创建Agent：可通过指定String参数创建Agent，在Agent内的setup()方法中通过getArguments()以数组的形式获取启动参数

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Object[] args = getArguments();
if (args != null) {
  for (int i = 0; i < args.length; ++i)
    System.out.println("- "+args[i]);
}

Agent行为

Agent行为表示Agent要执行的任务，通过继承来自jade.core.behaviours包中的Behaviour类来实现
添加行为：通过调用addBehaviour()方法将行为添加到Agent行为队列中
行为类基本方法：任何继承Behaviour的子类都必须重写两个抽象方法

  • action()方法：行为类每次被调度时执行的操作
  • done()方法：行为类结束操作后执行，返回一个boolean型变量，若为true则将行为从Agent队列删除，否则行为轮换到Agent队列后

Agent行为

  • 普通行为Behaviour：包含最基本的action()和done()方法，还有一些行为的生命周期方法onStart(首次调用action()方法之前执行一次)/onEnd(调用done()方法返回true后执行一次)/block()/restart()
  • 简单行为(Simple Behaviour)
    • 单次行为OneShotBehaviour：action()方法仅执行一次，因为done()方法总是返回true，因此仅编写action()方法即可
    • 循环行为CyclicBehaviour：action()方法不断被重复执行，因为done()方法总是返回false，仅编写action()方法即可
    • 一个特殊的单次行为WakerBehaviour(唤醒行为)需要在构造行为时通过参数指定时间，行为开始后到达指定时间后执行onWake()方法，执行一次后自动结束行为
    • 一个特殊的循环行为TickerBehaviour(周期行为)：需要在构造行为时通过参数指定周期，周期性(隔一段时间)执行一次onTick()方法，可通过移除行为、调用stop()方法结束行为
  • 每个Agent行为都拥有一个myAgent成员变量表示执行行为的Agent，提供了一种行为访问Agent资源的方法
  • 每个调用行为的Agent都拥有一个removeBeahaviour()用于终止Agent行为队列中当前被调度执行的行为
  • JADE Behaviour的依赖类图：

Agent通信

  • Agent通信模式：基于异步消息传递，每个Agent有一个Agent消息队列用于接收消息**

  • 消息格式：遵循FIPA-ACL消息结构，包含如下字段

    • 消息发送者
    • 接受者列表
    • 通信行为(通信原语)，表示发送者希望通过发送消息达到的目的，如REQUEST表达请求执行特定动作，INFORM表示接收通知，CFP(Call for Proposal)表示发起一个协商
    • 通信内容
    • 内容语言，规定描述内容的语法
    • 本体，规定内容中使用的符号词汇表
    • 控制对话，如conversation-id,reply-with,in-reply-to字段等，接收回应超时设定reply-by字段等

  • 消息实例：消息均是作为jade.lang.acl.ACLMessage的对象实例，其中包含一些方法

    • 各种getter()/setter()来访问/设置消息的字段
    • createReply()方法创建新的回复的ACLMessage对象

  • 发送消息：

    • 1.通过通信原语创建消息：ACLMessage msg = new ACLMessage(ACLMessage.INFORM);
    • 2.设置收件Agent：msg.addReceiver(new AID(“Peter”,AID.ISLOCALNAME));
    • 3.设置内容：msg.setContent(“Today it’s raining”);
    • 4.发送：send(msg);

  • 接收消息：

    • 1.从消息队列中取出消息：ACLMessage msg=receive();
    • 2.判断消息队列是否有消息：if(msg!=null){ // process the message};

  • 消息模板：通过对jade.lang.acl.MessageTemplate实例化对象设置模板，使用模板可仅接收和模板匹配的消息，类似消息过滤器，模板中的静态匹配方法包括匹配通信行为(MatchPerformative(performative))/发送者(MatchSender(AID))/会话ID(MatchConversationID(String))/本体(MatchOntolog(String))等

    • 1.创建消息模板：
    • 创建匹配一种特性的模板，如MessageTemplate mt = MessageTemplate.MatchPerformative(ACLMessage.CFP);
    • 创建匹配多种特性的模板，使用and、or、not逻辑运算符，如MessageTemplate mt = MessageTemplate.and(MessageTemplate.MatchPerformative(ACLMessage.INFORM)，MessageTemplate.MatchSender(new AID(“Agent1”,AID.ISLOCALNAME)));
    • 2.使用消息模板接收消息：ACLMessage msg=receive(mt);

  • 阻塞行为：我们希望只有在新消息到达时才执行监听消息的行为action()，可以采用Behaviour的block()方法阻塞行为，有新消息插入消息队列时，所有阻塞的行为都会被激活执行action()方法

    • ACLMessage msg=receive();if(msg!=null){// process the message}else{block();}

黄页功能

  • DFAgent提供黄页服务：每个遵从FIPA的平台都默认有一个DFAgent(Directory Facilitator目录服务器的Agent)提供黄页服务

  • 黄页功能设计的三个重要类：

    • DFService类(jade.domain.DFService)用于发布服务、搜索服务等
    • DFAgentDescription类(jade. domain. FIPAAgentManagement)用于描述自身(如AID，可提供的服务描述列表等)
    • ServiceDescription类用于描述每个发布的服务(服务种类、名称、语言、本体等)

  • 发布服务：

    • 1.建立黄页描述：DFAgentDescription dfd=new DFAgentDescription();dfd.setName(getAID());
    • 2.建立服务描述：ServiceDescription sd=new ServiceDescription();sd.setType(“Book-selling”);sd.setName(getLocalName()+”-Book-selling-“);
    • 3.将服务描述添加到黄页描述中：dfd.addService(sd);
    • 4.发布服务：DFService.register(this,dfd);
    • 5.终止Agent时注销服务：DFService.deregister(this);

  • 搜索服务：

    • 1.建立黄页描述:DFAgentDescription dfd=new DFAgentDescription();
    • 2.建立服务描述：ServiceDescription sd=new ServiceDescription();sd.setType(“Book-selling”);
    • 3.将服务描述添加到黄页描述中：dfd.addService(sd);
    • 4.搜索服务：DFAgentDescription[] result=DFService.search(myAgent,dfd);result[0].getName();
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