云打印体系结构及其关键技术研究*

李春泉，张 能，尚玉玲，张 明，常钰河

（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004）

云打印体系结构及其关键技术研究*

李春泉，张 能，尚玉玲，张 明，常钰河

（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004）

云打印是云制造的典型应用，在比较云打印与网络打印的相异性的基础上，提出了一种基于云制造服务体系的云打印体系结构，并深入讨论云打印的核心特征和云打印的关键技术，研究并设计了基于嵌入式的云打印服务器。为有效推动云打印的形成和应用提供新的思路和基础。

云打印；体系结构；服务平台；云打印服务器

0 引言

云打印（Cloud Print，CP）是以“按需制造”、“制造即服务”的新兴云制造服务为基础，将云制造模式应用到印刷业中，实现打印服务快速响应与打印资源的高效节能使用，进步成一种更优越的网络化打印形式，云打印已经成为当前打印模式研究中的热点问题［2-4］。

随着个人及商业打印应用的快速发展，网络的个性化、多样化打印需求越来越明显，而目前打印的主要方式还是以本地打印为主，已经出现的网络化打印也大多面向局域网络，或者基于打印厂商提供的特定打印设备、打印类型为主，缺乏实现互联网环境下的，无缝、普适的打印共享与协同技术，急需结合先进智能化管理技术与嵌入式技术，联合打印资源集，提高用户打印过程的快速化、智能化及网络化。

近年来，随着云计算、物联网、嵌入式等技术的日趋成熟，打印设备也逐渐步入云打印模式。部分学者、企业对打印的网络化、便捷化进行多种设计与实现，蔡理金设计并实现了基于嵌入式Linux、价格低廉、体积小巧的网络打印服务器，能让打印机连接到局域网，所有PC用户可以通过访问嵌入式网络打印服务器完成打印任务［5］。2010年4月，谷歌提出云打印概念，通过其Chrome OS操作系统的API编程接口，来实现云打印。同年11月，惠普发布云打印技术（HP ePrint），通过终端设备向具有云打印功能的云打印机唯一的E-mail地址发送邮件，即可实现云打印功能［6］。Yuqing Zhu提出一种提供多空间服务和多属性决策的办公室智能云打印系统，该系统可以保护设备在办公通信的异质性和让授权用户在不需要作任何修改的基础上随意连接所有打印机终端［7］。

由于云打印是一种新兴的网络打印服务模式。在对云打印概念进行充分探讨中，搭建云打印体系结构，并对云打印与网络打印的特点进行对比，在实际应用实现与推广中更进一步地研究云打印的核心特征与关键技术。

1 云打印的概念及其体系结构

1.1 云打印的概念

云打印是在按需服务（pay-as-you-go）理念的基础上，借鉴了云计算的技术支持、云制造［8］的思想发展起来的打印新模式。云打印是先进的信息技术、满足个体与企业的不同需求及新兴云制造平台等技术交叉融合的产物，对促进真正的网络化打印，提高打印服务水平具有积极作用。

云打印是一种结合基于嵌入式的云打印服务器、先进化网络技术和云打印服务平台，让用户即时发布的需求与资源集提供者的打印资源在云打印平台上智能快速匹配，形成网络化打印新模式。云打印在云制造理论及框架、网络打印技术的研究与应用中，以“按需服务”为核心理念，支持不同终端对资源集虚拟化的访问控制，将打印资源集共享，将打印任务进行解析协同，用打印服务器联接跨区域、多种类的打印资源集，以云打印服务平台为匹配中心，统一、集中的智能化管理和经营，是一种面向服务、高效低耗的网络化、便捷化打印新模式和技术。

1.2 云打印与其他打印的对比

在云打印体系中，云服务提供商（Cloud Service Provider，CSP）发布的打印资源有私有独立资源，还有需要付费使用的云资源集，云资源提供者（Cloud Recourse Provider，CRP）完全控制其提供的云资源集。CSP联接CRP满足云服务消费者（Cloud Service Custom，CSC）的各种打印需求，克服了当前网络打印只能对私有打印机进行打印。在任意打印资源节点出错时，CSP资源共享及智能调度服务可以不中断任务过程，连贯性滴解决问题。云打印与其他网络打印的相异性比较如表1所示。

表1 云打印与网络打印的相异性比较

1.3 云打印的核心特征

云打印服务体系包括云打印平台、云打印服务器，云打印平台是基于云制造服务平台与PHP技术等研究，考虑用户需求与资源集的特点，把物联网、云计算、嵌入式等技术结合起来，对面向用户的便捷使用和快速响应、基于网络共享打印资源集的提高利用率和智能协调具有重要意义。云打印服务器结合基于开源软件的嵌入式环境下打印软件，打印终端设备的云端化设计与接入等功能，克服现在打印机的管理难度高，终端的数量和种类丰富等多种难题，并提高打印信息的安全性和保密性，打印功能更加丰富，使用更加便捷。

（1）打印资源的广域性

云打印服务平台按照统一的标准和规范，通过云打印服务器便捷地将跨地域的闲散打印机接入，CSP将其进行注册、虚拟化发布到云平台中，在平台中实现资源集跨区域共享，任务需求信息的集中协同匹配等功能，特别是“多元化”的服务模式使云打印服务平台较网络化打印更具全面性和通用性。

（2）打印资源的便捷接入性

云打印服务平台可通过打印服务器支持大部分多领域打印过程中的各类打印资源和数据的标准化接入共享，并实现各类打印硬件资源的云端化、印刷过程状态与硬件资源状态实时获取等服务，可以加快企业与个人打印需求的按需打印以及打印资源的管理共享。

2 云打印服务体系研究及架构

2.1 云打印系统

根据云打印服务平台含义提出了一个面向多用户、能够提供集团商务应用与个体私人应用的云打印系统，如图1所示。云打印系统由云服务提供商（Cloud Service Provider，CSP）、云服务消费者（Cloud Service Custom，CSC）和云资源提供者（Cloud Recourse Provider，CRP）组成。

图1 云打印平台示意图

云资源供应者将打印资源和打印能力上传到云打印服务平台；客户通过各种终端将打印任务发布到云服务提供商提供的云打印服务平台上，在云服务综合管理技术、地理信息系统（Geographic Information System，GIS）应用和服务品质协议（service-level agreement，SLA）技术等支持下匹配打印资源与打印需求，并结合实际需求请求其他服务完成打印周期。

2.2 云打印系统体系架构

云打印系统体系的研发、试用和推广商用是一项全面的过程，许多主要性技术问题有待解决。云打印体系架构是通过分析印刷行业服务的实现与需求对平台层次的竖向构造方式和实际的应用等进行开发和设计［9］，初步规划云打印服务平台的架构。综合网络化打印、云制造服务平台等发展现状［10-11］和云打印服务平台的含义，提出了这种云打印服务体系架构。如图2所示。

图2 云打印系统体系架构

该架构主要包括以下五个层次。

（1）平台环境构造层：包括提供云打印服务平台的软件、数据库等原始框架，还为平台运行提供保护、数据监测、模块支持等功能，提供一系列的资源集能够支持客户端层、软件即服务层、平台即服务层、基础设施即服务的层正常运行，包括各个服务层的接入、组织、协调，对硬件服务器等的维护和社区环境的创建。

（2）客户端层：用户可以通过B/S结构（Browser/ Server，浏览器/服务器模式）或者C/S结构（Client/Server，客户/服务器模式）等不同的方式注册、访问和使用云打印系统平台，可提供打印需求的即时发布，任务周期全过程可视化，参与行业评价、快速响应更变任务等功能。

（3）软件即服务层：软件即服务层面多向企业用户集，是业务模型块与服务构件块的中间转换层，通过对不同行业的用户提供的任务需求进行解析，由此建立与实际需求相符的、粗细粒度不同的服务模块，能够快速的响应供不同的业务模型调用。

（4）平台即服务层：平台即服务层将接入网络的各类打印资源汇聚，通过云打印服务定义工具将虚拟资源封装发布成云资源，为用户发布的需求提供智能搜索匹配，提供任务调度、资源调度等服务，引导云需求与云资源的智能匹配，追踪并记录管理交易过程，并作信用评价。面向云服务运行商提供用户管理、数据管理、资源提供商定价、计费收费等服务。

（5）基础设施即服务层：基础设施即服务层包括各种基础服务与基础资源设施，通过统一注册发布工具，形成标准接口的云构件，以供不同需求用户的匹配调用，对于打印机等硬件资源，可采用基于嵌入式云打印服务器的新型的云端接入方式，将物理资源接入到网络中，实现打印物理资源的全面互联。

3 云打印关键技术

（1）云打印模型设计及准则制定：主要是从宏观的角度出发，核心包括：云打印的产生条件及发展趋势；云打印运行模式；云打印体系结构；云打印服务的标准与准则，如云服务接入问题、云服务描述问题等。

（2）访问控制技术：多元化多终端的即时管控技术符合云打印的要求，也满足按需服务的核心思想，涉及个人用户、集团用户管理等。主要包括：用户访问云打印平台方式与策略；私有云、公有云交错技术。

（3）云服务匹配技术：云打印服务匹配技术是云打印实现的主要组成部分，其中有资源集、任务的集中、解析、匹配等方面。主要包括：任务的发布、描述、解析、调用、监控、队列、执行等技术；资源集的发布、描述、虚拟化、调用、监控、评价、匹配、遇错调整、执行等；服务目录的即时跟踪、资源的动态聚合直至需求与资源的匹配。

（4）云资源互联技术：资源互联技术是把一般打印机接入云打印平台的重要技术。主要研究打印资源通过嵌入式技术在云打印平台的部署、入网、注册、状态监控、调用等技术，包括：支持云打印的物理终端通过云打印服务器的连接入网手段；云终端物理资源的定义描述、封装、虚拟化、发布等应用技术；嵌入式云打印服务器的入网协议等。

（5）云打印综合应用服务技术：云打印综合应用服务是云打印体系发展的主要因素。主要有：云打印面向市场集团业务、个人业务分别的流程管理与实现步骤；云打印服务成本与定价规范、运营策略以及支付平台等技术；云打印模式下CSP、CSC、CRP这三个角色及其他服务的信用管理机制。

4 初步研究成果和典型应用

为了验证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、打印任务管理、设备管理等相关领域的研究基础上，已实现了云打印终端的云端化，开发了基于开源软件的嵌入式云打印服务器［12］。其中，基于嵌入式云打印服务器的硬件设计设计如图3所示。

图3 硬件设计

研究云打印服务器涉及技术包括①标准化资源技术；②便捷化入网技术；③资源状态获取技术；④标准化管理技术；⑤嵌入式系统管理技术；

（1）标准化资源技术：针对当前国内的打印行业，传统USB打印机比较多，网络打印机被应用于少数的商业和办公场合，云打印服务器配置4个USB端口，可以连接多台打印资源，并在实际操作中得到验证。

（2）便捷化入网技术：以摆脱目前“PC机为服务载体”的控制、入网和使用模式，为云打印提供更加便捷的访问接入云端模式，通过对RIP（路由信息协议）的研究［13-14］，初步实现普通打印机接入云平台，实现服务访问智能化、自动化，并在实际操作中得到验证。

（3）资源状态获取技术：针对打印驱动都是国外技术，通过分析打印原理［15］，结合linux系统下打印驱动的兼容性，解析打印机内核驱动源码及USB协议规定获取打印机状态，包括打印机的出纸、墨盒、通信问题，实现云平台对打印机的实时监控和管理技术，并在实际操作中得到验证。

（4）标准化管理技术：根据分析嵌入式打印机打印实现原理［15］，如图4所示，选取统一的方式与标准实现嵌入式打印，同时规范了打印文档的格式，便捷了文档的描述，加快了打印的速度，提高打印效率，并在实际操作中得到验证。

（5）嵌入式系统管理技术：针对打印任务调度过程中可能出现的问题，综合了应用QT开发框架等技术，研究提出云打印服务器上的界面管理框架，能使资源管理者对打印资源实现完全控制。

图4 嵌入式打印原理

5 结束语

近年来，随着嵌入式、云制造等技术的广泛应用，提出了一种按需即时的网络化打印新模式——云打印，它是一种结合网络虚拟化技术、云打印服务平台和云打印服务器，根据不同任务集合协调提供的打印资源集，来满足用户提出不同打印任务的网络化打印新模式。云打印服务体系克服现有打印设备闲置、打印驱动多样等复杂性等问题，提高打印效率和设备使用效率，进而对促进云打印技术的推广与应用具有积极的推动作用以及良好经济意义。根据网络打印现状提出云打印的概念、核心特征、系统及体系框架。对云打印关键技术等问题进行分析研究，比较了网络打印的技术，对云打印原始模式进行设计与建立。云打印技术的研究、应用和发展不断的进步，对打印“网络化、智能化、服务化、生活化”的不断探索，将会对云打印全球信息化程度提高到一个新的水平。

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（编辑 赵蓉）

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

国家自然科学基金（51165004，51465013）；桂林电子科技大学研究生创新基金（GDYCSZ201443，GDYCSZ201480）；广西自动检测技术与仪器重点实验室主任基金（YQ15109）

李春泉（1975—），男，北京人，桂林电子科技大学教授，博士，研究方向为先进制造技术，微电子制造工程（E-mail）lichunquan@gmail. com；通讯作者：尚玉玲（1977—），女，沈阳人，桂林电子科技大学副研究员，博士，研究方向为先进制造技术，电子工程，（E-mail）shang_ yuling@qq.com。