云打印體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)研究*

李春泉，張 能，尚玉玲，張 明，常鈺河

（桂林電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

云打印體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)研究*

李春泉，張 能，尚玉玲，張 明，常鈺河

（桂林電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

云打印是云制造的典型應(yīng)用，在比較云打印與網(wǎng)絡(luò)打印的相異性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于云制造服務(wù)體系的云打印體系結(jié)構(gòu)，并深入討論云打印的核心特征和云打印的關(guān)鍵技術(shù)，研究并設(shè)計了基于嵌入式的云打印服務(wù)器。為有效推動云打印的形成和應(yīng)用提供新的思路和基礎(chǔ)。

云打??；體系結(jié)構(gòu)；服務(wù)平臺；云打印服務(wù)器

0 引言

云打?。–loud Print，CP）是以“按需制造”、“制造即服務(wù)”的新興云制造服務(wù)為基礎(chǔ)，將云制造模式應(yīng)用到印刷業(yè)中，實現(xiàn)打印服務(wù)快速響應(yīng)與打印資源的高效節(jié)能使用，進步成一種更優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)化打印形式，云打印已經(jīng)成為當(dāng)前打印模式研究中的熱點問題［2-4］。

隨著個人及商業(yè)打印應(yīng)用的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的個性化、多樣化打印需求越來越明顯，而目前打印的主要方式還是以本地打印為主，已經(jīng)出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化打印也大多面向局域網(wǎng)絡(luò)，或者基于打印廠商提供的特定打印設(shè)備、打印類型為主，缺乏實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的，無縫、普適的打印共享與協(xié)同技術(shù)，急需結(jié)合先進智能化管理技術(shù)與嵌入式技術(shù)，聯(lián)合打印資源集，提高用戶打印過程的快速化、智能化及網(wǎng)絡(luò)化。

近年來，隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式等技術(shù)的日趨成熟，打印設(shè)備也逐漸步入云打印模式。部分學(xué)者、企業(yè)對打印的網(wǎng)絡(luò)化、便捷化進行多種設(shè)計與實現(xiàn)，蔡理金設(shè)計并實現(xiàn)了基于嵌入式Linux、價格低廉、體積小巧的網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器，能讓打印機連接到局域網(wǎng)，所有PC用戶可以通過訪問嵌入式網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器完成打印任務(wù)［5］。2010年4月，谷歌提出云打印概念，通過其Chrome OS操作系統(tǒng)的API編程接口，來實現(xiàn)云打印。同年11月，惠普發(fā)布云打印技術(shù)（HP ePrint），通過終端設(shè)備向具有云打印功能的云打印機唯一的E-mail地址發(fā)送郵件，即可實現(xiàn)云打印功能［6］。Yuqing Zhu提出一種提供多空間服務(wù)和多屬性決策的辦公室智能云打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以保護設(shè)備在辦公通信的異質(zhì)性和讓授權(quán)用戶在不需要作任何修改的基礎(chǔ)上隨意連接所有打印機終端［7］。

由于云打印是一種新興的網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)模式。在對云打印概念進行充分探討中，搭建云打印體系結(jié)構(gòu)，并對云打印與網(wǎng)絡(luò)打印的特點進行對比，在實際應(yīng)用實現(xiàn)與推廣中更進一步地研究云打印的核心特征與關(guān)鍵技術(shù)。

1 云打印的概念及其體系結(jié)構(gòu)

1.1 云打印的概念

云打印是在按需服務(wù)（pay-as-you-go）理念的基礎(chǔ)上，借鑒了云計算的技術(shù)支持、云制造［8］的思想發(fā)展起來的打印新模式。云打印是先進的信息技術(shù)、滿足個體與企業(yè)的不同需求及新興云制造平臺等技術(shù)交叉融合的產(chǎn)物，對促進真正的網(wǎng)絡(luò)化打印，提高打印服務(wù)水平具有積極作用。

云打印是一種結(jié)合基于嵌入式的云打印服務(wù)器、先進化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云打印服務(wù)平臺，讓用戶即時發(fā)布的需求與資源集提供者的打印資源在云打印平臺上智能快速匹配，形成網(wǎng)絡(luò)化打印新模式。云打印在云制造理論及框架、網(wǎng)絡(luò)打印技術(shù)的研究與應(yīng)用中，以“按需服務(wù)”為核心理念，支持不同終端對資源集虛擬化的訪問控制，將打印資源集共享，將打印任務(wù)進行解析協(xié)同，用打印服務(wù)器聯(lián)接跨區(qū)域、多種類的打印資源集，以云打印服務(wù)平臺為匹配中心，統(tǒng)一、集中的智能化管理和經(jīng)營，是一種面向服務(wù)、高效低耗的網(wǎng)絡(luò)化、便捷化打印新模式和技術(shù)。

1.2 云打印與其他打印的對比

在云打印體系中，云服務(wù)提供商（Cloud Service Provider，CSP）發(fā)布的打印資源有私有獨立資源，還有需要付費使用的云資源集，云資源提供者（Cloud Recourse Provider，CRP）完全控制其提供的云資源集。CSP聯(lián)接CRP滿足云服務(wù)消費者（Cloud Service Custom，CSC）的各種打印需求，克服了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)打印只能對私有打印機進行打印。在任意打印資源節(jié)點出錯時，CSP資源共享及智能調(diào)度服務(wù)可以不中斷任務(wù)過程，連貫性滴解決問題。云打印與其他網(wǎng)絡(luò)打印的相異性比較如表1所示。

表1 云打印與網(wǎng)絡(luò)打印的相異性比較

1.3 云打印的核心特征

云打印服務(wù)體系包括云打印平臺、云打印服務(wù)器，云打印平臺是基于云制造服務(wù)平臺與PHP技術(shù)等研究，考慮用戶需求與資源集的特點，把物聯(lián)網(wǎng)、云計算、嵌入式等技術(shù)結(jié)合起來，對面向用戶的便捷使用和快速響應(yīng)、基于網(wǎng)絡(luò)共享打印資源集的提高利用率和智能協(xié)調(diào)具有重要意義。云打印服務(wù)器結(jié)合基于開源軟件的嵌入式環(huán)境下打印軟件，打印終端設(shè)備的云端化設(shè)計與接入等功能，克服現(xiàn)在打印機的管理難度高，終端的數(shù)量和種類豐富等多種難題，并提高打印信息的安全性和保密性，打印功能更加豐富，使用更加便捷。

（1）打印資源的廣域性

云打印服務(wù)平臺按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，通過云打印服務(wù)器便捷地將跨地域的閑散打印機接入，CSP將其進行注冊、虛擬化發(fā)布到云平臺中，在平臺中實現(xiàn)資源集跨區(qū)域共享，任務(wù)需求信息的集中協(xié)同匹配等功能，特別是“多元化”的服務(wù)模式使云打印服務(wù)平臺較網(wǎng)絡(luò)化打印更具全面性和通用性。

（2）打印資源的便捷接入性

云打印服務(wù)平臺可通過打印服務(wù)器支持大部分多領(lǐng)域打印過程中的各類打印資源和數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化接入共享，并實現(xiàn)各類打印硬件資源的云端化、印刷過程狀態(tài)與硬件資源狀態(tài)實時獲取等服務(wù)，可以加快企業(yè)與個人打印需求的按需打印以及打印資源的管理共享。

2 云打印服務(wù)體系研究及架構(gòu)

2.1 云打印系統(tǒng)

根據(jù)云打印服務(wù)平臺含義提出了一個面向多用戶、能夠提供集團商務(wù)應(yīng)用與個體私人應(yīng)用的云打印系統(tǒng)，如圖1所示。云打印系統(tǒng)由云服務(wù)提供商（Cloud Service Provider，CSP）、云服務(wù)消費者（Cloud Service Custom，CSC）和云資源提供者（Cloud Recourse Provider，CRP）組成。

圖1 云打印平臺示意圖

云資源供應(yīng)者將打印資源和打印能力上傳到云打印服務(wù)平臺；客戶通過各種終端將打印任務(wù)發(fā)布到云服務(wù)提供商提供的云打印服務(wù)平臺上，在云服務(wù)綜合管理技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）應(yīng)用和服務(wù)品質(zhì)協(xié)議（service-level agreement，SLA）技術(shù)等支持下匹配打印資源與打印需求，并結(jié)合實際需求請求其他服務(wù)完成打印周期。

2.2 云打印系統(tǒng)體系架構(gòu)

云打印系統(tǒng)體系的研發(fā)、試用和推廣商用是一項全面的過程，許多主要性技術(shù)問題有待解決。云打印體系架構(gòu)是通過分析印刷行業(yè)服務(wù)的實現(xiàn)與需求對平臺層次的豎向構(gòu)造方式和實際的應(yīng)用等進行開發(fā)和設(shè)計［9］，初步規(guī)劃云打印服務(wù)平臺的架構(gòu)。綜合網(wǎng)絡(luò)化打印、云制造服務(wù)平臺等發(fā)展現(xiàn)狀［10-11］和云打印服務(wù)平臺的含義，提出了這種云打印服務(wù)體系架構(gòu)。如圖2所示。

圖2 云打印系統(tǒng)體系架構(gòu)

該架構(gòu)主要包括以下五個層次。

（1）平臺環(huán)境構(gòu)造層：包括提供云打印服務(wù)平臺的軟件、數(shù)據(jù)庫等原始框架，還為平臺運行提供保護、數(shù)據(jù)監(jiān)測、模塊支持等功能，提供一系列的資源集能夠支持客戶端層、軟件即服務(wù)層、平臺即服務(wù)層、基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)的層正常運行，包括各個服務(wù)層的接入、組織、協(xié)調(diào)，對硬件服務(wù)器等的維護和社區(qū)環(huán)境的創(chuàng)建。

（2）客戶端層：用戶可以通過B/S結(jié)構(gòu)（Browser/ Server，瀏覽器/服務(wù)器模式）或者C/S結(jié)構(gòu)（Client/Server，客戶/服務(wù)器模式）等不同的方式注冊、訪問和使用云打印系統(tǒng)平臺，可提供打印需求的即時發(fā)布，任務(wù)周期全過程可視化，參與行業(yè)評價、快速響應(yīng)更變?nèi)蝿?wù)等功能。

（3）軟件即服務(wù)層：軟件即服務(wù)層面多向企業(yè)用戶集，是業(yè)務(wù)模型塊與服務(wù)構(gòu)件塊的中間轉(zhuǎn)換層，通過對不同行業(yè)的用戶提供的任務(wù)需求進行解析，由此建立與實際需求相符的、粗細(xì)粒度不同的服務(wù)模塊，能夠快速的響應(yīng)供不同的業(yè)務(wù)模型調(diào)用。

（4）平臺即服務(wù)層：平臺即服務(wù)層將接入網(wǎng)絡(luò)的各類打印資源匯聚，通過云打印服務(wù)定義工具將虛擬資源封裝發(fā)布成云資源，為用戶發(fā)布的需求提供智能搜索匹配，提供任務(wù)調(diào)度、資源調(diào)度等服務(wù)，引導(dǎo)云需求與云資源的智能匹配，追蹤并記錄管理交易過程，并作信用評價。面向云服務(wù)運行商提供用戶管理、數(shù)據(jù)管理、資源提供商定價、計費收費等服務(wù)。

（5）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層包括各種基礎(chǔ)服務(wù)與基礎(chǔ)資源設(shè)施，通過統(tǒng)一注冊發(fā)布工具，形成標(biāo)準(zhǔn)接口的云構(gòu)件，以供不同需求用戶的匹配調(diào)用，對于打印機等硬件資源，可采用基于嵌入式云打印服務(wù)器的新型的云端接入方式，將物理資源接入到網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)打印物理資源的全面互聯(lián)。

3 云打印關(guān)鍵技術(shù)

（1）云打印模型設(shè)計及準(zhǔn)則制定：主要是從宏觀的角度出發(fā)，核心包括：云打印的產(chǎn)生條件及發(fā)展趨勢；云打印運行模式；云打印體系結(jié)構(gòu)；云打印服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)則，如云服務(wù)接入問題、云服務(wù)描述問題等。

（2）訪問控制技術(shù)：多元化多終端的即時管控技術(shù)符合云打印的要求，也滿足按需服務(wù)的核心思想，涉及個人用戶、集團用戶管理等。主要包括：用戶訪問云打印平臺方式與策略；私有云、公有云交錯技術(shù)。

（3）云服務(wù)匹配技術(shù)：云打印服務(wù)匹配技術(shù)是云打印實現(xiàn)的主要組成部分，其中有資源集、任務(wù)的集中、解析、匹配等方面。主要包括：任務(wù)的發(fā)布、描述、解析、調(diào)用、監(jiān)控、隊列、執(zhí)行等技術(shù)；資源集的發(fā)布、描述、虛擬化、調(diào)用、監(jiān)控、評價、匹配、遇錯調(diào)整、執(zhí)行等；服務(wù)目錄的即時跟蹤、資源的動態(tài)聚合直至需求與資源的匹配。

（4）云資源互聯(lián)技術(shù)：資源互聯(lián)技術(shù)是把一般打印機接入云打印平臺的重要技術(shù)。主要研究打印資源通過嵌入式技術(shù)在云打印平臺的部署、入網(wǎng)、注冊、狀態(tài)監(jiān)控、調(diào)用等技術(shù)，包括：支持云打印的物理終端通過云打印服務(wù)器的連接入網(wǎng)手段；云終端物理資源的定義描述、封裝、虛擬化、發(fā)布等應(yīng)用技術(shù)；嵌入式云打印服務(wù)器的入網(wǎng)協(xié)議等。

（5）云打印綜合應(yīng)用服務(wù)技術(shù)：云打印綜合應(yīng)用服務(wù)是云打印體系發(fā)展的主要因素。主要有：云打印面向市場集團業(yè)務(wù)、個人業(yè)務(wù)分別的流程管理與實現(xiàn)步驟；云打印服務(wù)成本與定價規(guī)范、運營策略以及支付平臺等技術(shù)；云打印模式下CSP、CSC、CRP這三個角色及其他服務(wù)的信用管理機制。

4 初步研究成果和典型應(yīng)用

為了驗證提出的云打印模式和理念，在基于嵌入式的新型云端接入方式、打印任務(wù)管理、設(shè)備管理等相關(guān)領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)上，已實現(xiàn)了云打印終端的云端化，開發(fā)了基于開源軟件的嵌入式云打印服務(wù)器［12］。其中，基于嵌入式云打印服務(wù)器的硬件設(shè)計設(shè)計如圖3所示。

圖3 硬件設(shè)計

研究云打印服務(wù)器涉及技術(shù)包括①標(biāo)準(zhǔn)化資源技術(shù)；②便捷化入網(wǎng)技術(shù)；③資源狀態(tài)獲取技術(shù)；④標(biāo)準(zhǔn)化管理技術(shù)；⑤嵌入式系統(tǒng)管理技術(shù)；

（1）標(biāo)準(zhǔn)化資源技術(shù)：針對當(dāng)前國內(nèi)的打印行業(yè)，傳統(tǒng)USB打印機比較多，網(wǎng)絡(luò)打印機被應(yīng)用于少數(shù)的商業(yè)和辦公場合，云打印服務(wù)器配置4個USB端口，可以連接多臺打印資源，并在實際操作中得到驗證。

（2）便捷化入網(wǎng)技術(shù)：以擺脫目前“PC機為服務(wù)載體”的控制、入網(wǎng)和使用模式，為云打印提供更加便捷的訪問接入云端模式，通過對RIP（路由信息協(xié)議）的研究［13-14］，初步實現(xiàn)普通打印機接入云平臺，實現(xiàn)服務(wù)訪問智能化、自動化，并在實際操作中得到驗證。

（3）資源狀態(tài)獲取技術(shù)：針對打印驅(qū)動都是國外技術(shù)，通過分析打印原理［15］，結(jié)合linux系統(tǒng)下打印驅(qū)動的兼容性，解析打印機內(nèi)核驅(qū)動源碼及USB協(xié)議規(guī)定獲取打印機狀態(tài)，包括打印機的出紙、墨盒、通信問題，實現(xiàn)云平臺對打印機的實時監(jiān)控和管理技術(shù)，并在實際操作中得到驗證。

（4）標(biāo)準(zhǔn)化管理技術(shù)：根據(jù)分析嵌入式打印機打印實現(xiàn)原理［15］，如圖4所示，選取統(tǒng)一的方式與標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)嵌入式打印，同時規(guī)范了打印文檔的格式，便捷了文檔的描述，加快了打印的速度，提高打印效率，并在實際操作中得到驗證。

（5）嵌入式系統(tǒng)管理技術(shù)：針對打印任務(wù)調(diào)度過程中可能出現(xiàn)的問題，綜合了應(yīng)用QT開發(fā)框架等技術(shù)，研究提出云打印服務(wù)器上的界面管理框架，能使資源管理者對打印資源實現(xiàn)完全控制。

圖4 嵌入式打印原理

5 結(jié)束語

近年來，隨著嵌入式、云制造等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，提出了一種按需即時的網(wǎng)絡(luò)化打印新模式——云打印，它是一種結(jié)合網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)、云打印服務(wù)平臺和云打印服務(wù)器，根據(jù)不同任務(wù)集合協(xié)調(diào)提供的打印資源集，來滿足用戶提出不同打印任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化打印新模式。云打印服務(wù)體系克服現(xiàn)有打印設(shè)備閑置、打印驅(qū)動多樣等復(fù)雜性等問題，提高打印效率和設(shè)備使用效率，進而對促進云打印技術(shù)的推廣與應(yīng)用具有積極的推動作用以及良好經(jīng)濟意義。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)打印現(xiàn)狀提出云打印的概念、核心特征、系統(tǒng)及體系框架。對云打印關(guān)鍵技術(shù)等問題進行分析研究，比較了網(wǎng)絡(luò)打印的技術(shù)，對云打印原始模式進行設(shè)計與建立。云打印技術(shù)的研究、應(yīng)用和發(fā)展不斷的進步，對打印“網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化、生活化”的不斷探索，將會對云打印全球信息化程度提高到一個新的水平。

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（編輯 趙蓉）

Cloud Print System Structure and Key Technology

LI Chun-quan，ZHANG Neng，SHANG Yu-ling，ZHANG Ming，CHANG Yu-he
（School of Mechancial&Electrical Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

Cloud Print is a typical application of Cloud Manufacturing.Based on the comparison between heterogeneous cloud print and network print，the core features and key technologies of cloud print are deeply discussed.Finally，a cloud print server based on embedded is researched and designed，which provides a new idea and basic for effectively promoting the formation and application of cloud print.

cloud print；system structure；service platform；cloud print server

TH122；TG506

A

1001-2265（2015）10-0150-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.10.041

2014-12-05；

2014-12-26

國家自然科學(xué)基金（51165004，51465013）；桂林電子科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（GDYCSZ201443，GDYCSZ201480）；廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點實驗室主任基金（YQ15109）

李春泉（1975—），男，北京人，桂林電子科技大學(xué)教授，博士，研究方向為先進制造技術(shù)，微電子制造工程（E-mail）lichunquan@gmail. com；通訊作者：尚玉玲（1977—），女，沈陽人，桂林電子科技大學(xué)副研究員，博士，研究方向為先進制造技術(shù)，電子工程，（E-mail）shang_ yuling@qq.com。