中間件領(lǐng)域建模案例研究

1、中間件領(lǐng)域建模案例研究要點(diǎn)瀏覽：特征模型有組織地描述了一個(gè)特定領(lǐng)域的軟件所具有的特征，是一種便于軟件復(fù)用的需求規(guī)約工具。本節(jié)將利用特征模型刻畫(huà)軟件中間件的主要特征，為中間件的功能劃分奠定基礎(chǔ)。不同的建模人員、從不同的角度得出的特征模型不盡相同，本文給出的特征模型反映了中間件用戶（即基于中間件分布應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和管理人員）在使用中間件時(shí)關(guān)心的、也是可見(jiàn)的功能或質(zhì)量，并不排斥其它形式的特征模型。此外，該特征模型側(cè)重于主流中間件的主要特征，不是中間件特征的全集。同時(shí)，該特征模型選擇性地細(xì)化了一部分特征，而不是將所有特征都進(jìn)行細(xì)化。具體而言，您可以了解到：n 中間件封裝的共性機(jī)制解決了系統(tǒng)的哪些需求。n

2、不同中間件功能在需求層次的關(guān)系。 1 中間件特征模型概覽圖 Error! No text of specified style in document.1 軟件中間件特征模型概覽如圖 Error! No text of specified style in document.1所示，現(xiàn)有的主流分布計(jì)算中間件具備協(xié)同（Coordination）、構(gòu)件化（Componentization）、可靠性（Reliability）、安全性（Security）、持久性（Persistency）、透明性（Transparency）、伸縮性（Scalability）、生命周期（LifeCycle）等主要特征。其

3、中，協(xié)同是中間件提供的主要功能，其它特征則描述了中間件非功能屬性。以CORBA為例，協(xié)同特征往往由GIOP/IIOP互操作協(xié)議、命名服務(wù)、接口定義語(yǔ)言和編譯器提供，非功能特征往往由各種服務(wù)提供，如安全服務(wù)、事務(wù)服務(wù)、容錯(cuò)服務(wù)、持久服務(wù)、生命周期服務(wù)。隨著中間件對(duì)基于構(gòu)件的軟件開(kāi)發(fā)的支持，構(gòu)件化成為中間件的主要特征之一。中間件對(duì)構(gòu)件化特征的支持主要表現(xiàn)為三個(gè)方面：首先是提供部署特征，因?yàn)闃?gòu)件與對(duì)象的主要區(qū)別之一在于構(gòu)件是一個(gè)可獨(dú)立部署的單元Szyperski 97Bachman 00；其次，增強(qiáng)了生命周期管理特征，尤其是上層應(yīng)用單元的裝載、實(shí)例化、卸載等工作由中間件而不是上層應(yīng)用完成；其三，增強(qiáng)

4、了透明性特征，使得應(yīng)用程序代碼無(wú)需考慮如何使用中間件提供的安全、事務(wù)、持久、容錯(cuò)等特征。例如，CORBA和RMI應(yīng)用程序往往需要將整個(gè)實(shí)現(xiàn)打包在一起發(fā)布，應(yīng)用實(shí)現(xiàn)中往往包含與生命周期管理和安全、事務(wù)、持久等特征相關(guān)的代碼，而CCM和EJB應(yīng)用可拆分成多個(gè)包單獨(dú)發(fā)布，程序中也沒(méi)有那些與中間件相關(guān)的代碼。在實(shí)現(xiàn)上，中間件對(duì)構(gòu)件化特征的支持往往通過(guò)容器實(shí)現(xiàn)，如CCM容器和EJB容器。容器為上層應(yīng)用的構(gòu)件提供了部署和運(yùn)行空間，自動(dòng)管理構(gòu)件的生命周期，并協(xié)助上層應(yīng)用合理使用互操作、安全、事務(wù)、持久等中間件提供的各種特征。2 協(xié)同特征中間件的最主要特征就是協(xié)調(diào)散布在多個(gè)主機(jī)上的構(gòu)件以完成特定目標(biāo)。目前的主

5、流中間件致力于兩個(gè)構(gòu)件之間基于接口的協(xié)同，而新型中間件，如Web Services，則開(kāi)始關(guān)注多個(gè)構(gòu)件之間、基于流程的協(xié)同。如圖 Error! No text of specified style in document.1所示，中間件的協(xié)同特征主要包括互操作（Interoperability）、同步（Synchronization）與并發(fā)（Concurrency）三個(gè)子特征。其中，互操作使能分布環(huán)境下構(gòu)件之間的交互，同步負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)交互構(gòu)件的時(shí)序關(guān)系，而并發(fā)則側(cè)重于構(gòu)件交互過(guò)程中的資源管理。互操作是中間件的基本特征，為了使能分布構(gòu)件之間的交互，中間件必須提供合約（Contract）、協(xié)議（Pro

6、tocol）和綁定（Binding）三種互操作子特征，如圖 22所示。圖 Error! No text of specified style in document.2軟件中間件特征模型互操作及其子特征合約是指構(gòu)件對(duì)外提供服務(wù)的承諾以及這些服務(wù)正常使用的條件。其中，接口規(guī)約（Interface Specification）是服務(wù)功能的文法描述，定義了服務(wù)的名稱(chēng)、方法名、輸入輸出參數(shù)等，如CORBA IDL；非功能約束（Non-functional Constraint）則描述了服務(wù)接口的質(zhì)量屬性，如安全、事務(wù)等，如CORBA IDL中的Context；協(xié)奏（Orchestration）則規(guī)定了

7、接口在使用過(guò)程中一些隱含的次序關(guān)系。構(gòu)件內(nèi)部協(xié)奏（Intra-Component Orchestration）是指一個(gè)構(gòu)件的接口方法之間存在一定的調(diào)用次序，違背這些次序可能導(dǎo)致調(diào)用失敗，例如，要調(diào)用某構(gòu)件的方法B，必須首先調(diào)用該構(gòu)件的方法A，這是EJB構(gòu)件調(diào)用的典型場(chǎng)景，即，調(diào)用正常的業(yè)務(wù)方法之前必需先調(diào)用Home接口中的實(shí)例創(chuàng)建方法SUN 01a。構(gòu)件間協(xié)奏（Inter-Component Orchestration）是指使用系統(tǒng)某個(gè)特定功能時(shí)，需要多個(gè)構(gòu)件按照一定的次序共同完成，如必須依次調(diào)用構(gòu)件M的方法A、構(gòu)件N的方法B、構(gòu)件P的方法C才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的某個(gè)功能。值得一提的是，傳統(tǒng)中間件，如

8、CORBA、RMI、COM，并不提供協(xié)奏特征，構(gòu)件內(nèi)部以及構(gòu)件之間的協(xié)奏關(guān)系由上層應(yīng)用構(gòu)件負(fù)責(zé)。而目前的中間件熱點(diǎn)之一Web Services既考慮顯式定義構(gòu)件內(nèi)部協(xié)奏（如Web Services Choreography Language Austin 03），又重點(diǎn)解決構(gòu)件間協(xié)奏（如Business Process Execution LanguageAndrews 03），這意味著協(xié)奏正式成為中間件的主要特征之一。協(xié)議（Protocol）是指交互雙方必須共同遵循的一組規(guī)則，典型的互操作協(xié)議包括CORBA的GIOP/IIOP、RMI的JRMP以及DCOM的RPC。互操作協(xié)議主要定義交互過(guò)程

9、中使用的消息格式（Message Format）、編解碼算法（Mashalling）以及網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議（Networking）。綁定是指構(gòu)件必須首先與中間件建立聯(lián)系，然后通過(guò)中間件與參加交互的其它構(gòu)件建立聯(lián)系，最后才能開(kāi)始交互?？蛻舳藰?gòu)件與中間件的關(guān)聯(lián)通過(guò)客戶樁綁定（Stub Binding）實(shí)現(xiàn)，服務(wù)端構(gòu)件與中間件的關(guān)聯(lián)通過(guò)服務(wù)骨架綁定（Skeleton Binding）實(shí)現(xiàn)。構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)則是通過(guò)命名綁定（Naming Binding）實(shí)現(xiàn)的。命名綁定有包括命名的格式（Naming Format）、命名的發(fā)布（Naming Publish）以及命名的查詢（Naming Discovery）三

10、個(gè)子特征。盡管中間件的初衷就是盡量使得分布應(yīng)用的編寫(xiě)與本地應(yīng)用類(lèi)似，開(kāi)發(fā)人員仍不得不面對(duì)分布應(yīng)用的一些特殊情況。同步就是分布應(yīng)用的主要特點(diǎn)之一，也是中間件用戶在開(kāi)發(fā)分布應(yīng)用過(guò)程中不得不關(guān)注的中間件主要特征之一。如圖 23所示，同步又可細(xì)分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)同步、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)異步和分組：圖 Error! No text of specified style in document.3 軟件中間件特征模型同步及其子特征點(diǎn)對(duì)點(diǎn)同步（Peer-to-Peer Sync）協(xié)調(diào)分布環(huán)境中的兩個(gè)構(gòu)件，要求這兩個(gè)構(gòu)件必須同時(shí)可用。其中，簡(jiǎn)單同步（Simple Sync）是指客戶構(gòu)件發(fā)出請(qǐng)求后就阻塞等待直至服務(wù)構(gòu)件完成處理并返

11、回應(yīng)答后才繼續(xù)執(zhí)行；延遲同步（Deferred Sync）則是指客戶構(gòu)件發(fā)出請(qǐng)求后并不阻塞等待服務(wù)構(gòu)件完成處理即可繼續(xù)執(zhí)行，在隨后的某個(gè)時(shí)刻客戶構(gòu)件主動(dòng)查詢是否產(chǎn)生應(yīng)答；單向同步（Oneway Sync）則是指服務(wù)構(gòu)件不會(huì)返回任何結(jié)果。單向同步常常被誤認(rèn)為異步協(xié)調(diào)，但其實(shí)仍要求服務(wù)構(gòu)件在客戶構(gòu)件發(fā)出請(qǐng)求時(shí)可用。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)異步（Peer-to-Peer Async）也負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)分布環(huán)境中的兩個(gè)構(gòu)件，但并不要求這兩個(gè)構(gòu)件同時(shí)可用。其中，回調(diào)異步（Callback Async）是指客戶構(gòu)件發(fā)送請(qǐng)求后繼續(xù)執(zhí)行，隨后由服務(wù)構(gòu)件主動(dòng)通知客戶構(gòu)件處理應(yīng)答；詢問(wèn)異步（Poll Async）則是指客戶構(gòu)件在請(qǐng)求發(fā)送后

12、，會(huì)立即收到服務(wù)構(gòu)件的一個(gè)即時(shí)應(yīng)答，對(duì)預(yù)期的處理結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明，客戶構(gòu)件可以根據(jù)該即時(shí)應(yīng)答決定是否阻塞等待返回結(jié)果，或者決定何時(shí)查詢返回結(jié)果。分組（Grouping）協(xié)調(diào)分布環(huán)境中兩個(gè)以上的構(gòu)件，一般不要求所有構(gòu)件同時(shí)可用。其中，發(fā)布/訂閱模式的分組（Publish/Subscribe）要求參與同步的構(gòu)件主動(dòng)注冊(cè)或注銷(xiāo)，如典型的事件服務(wù)、消息服務(wù)或通告服務(wù)均提供該特征。而隱式分組（Implicit Grouping）則無(wú)需參與方主動(dòng)注冊(cè)或注銷(xiāo)，這些管理工作由額外的機(jī)制負(fù)責(zé)，如典型的集群以及CORBA容錯(cuò)服務(wù)均支持該特征。在分布環(huán)境下，同一個(gè)構(gòu)件可能要同時(shí)為多個(gè)客戶服務(wù)，為此，需要并發(fā)特征以有效利

13、用有限的資源。并發(fā)主要考慮在服務(wù)器端對(duì)線程（Servant Thread）和網(wǎng)絡(luò)連接（Access Point）兩種資源的管理，如圖 24所示。圖 Error! No text of specified style in document.4軟件中間件特征模型并發(fā)及其子特征對(duì)于一個(gè)服務(wù)構(gòu)件（或者駐留多個(gè)構(gòu)件的服務(wù)端點(diǎn)）而言，可為每個(gè)請(qǐng)求分配一個(gè)線程（PerRequest Threading），或者為每個(gè)客戶分配一個(gè)線程（PerClient Threading,該客戶的所有請(qǐng)求均由同一個(gè)線程串行處理），或者建立一個(gè)線程池（Pool Threading）為所有請(qǐng)求分配有限的線程。線程池并發(fā)包含關(guān)閉

14、策略（Shutdown Policy）和阻塞策略（Block Policy）兩個(gè)子特征。線程池關(guān)閉意味著不再為請(qǐng)求分配線程，對(duì)于已經(jīng)分配的線程，或者等待它們處理完畢（Shutdown After Processing），或者立即中斷這些線程（Shutdown At Once）。當(dāng)線程池中所有線程均處于執(zhí)行狀態(tài)，沒(méi)有多余線程分配給新的請(qǐng)求時(shí)，線程池處于阻塞狀態(tài)。此時(shí)可將線程池唯一的調(diào)度線程分配給請(qǐng)求（Run When Blocked），或者等待某個(gè)線程處理完畢后再分配給新的請(qǐng)求（Wait When Blocked），或者直接拒絕新的請(qǐng)求（Discard When Blocked），或者拒絕最老的

15、等待請(qǐng)求（Discard Oldest When Blocked），或者關(guān)閉整個(gè)線程池（Abort When Blocked）。一個(gè)服務(wù)構(gòu)件往往具備一個(gè)訪問(wèn)點(diǎn)，允許客戶在分布環(huán)境下訪問(wèn)該構(gòu)件，訪問(wèn)點(diǎn)可進(jìn)行四種網(wǎng)絡(luò)連接分配策略，分別是為每個(gè)請(qǐng)求（PerRequest Connection）、每個(gè)客戶（PerClient Connection）、每個(gè)客戶端（PerEndpoint Connection）一個(gè)客戶駐留在一個(gè)客戶端，一個(gè)客戶端可同時(shí)駐留多個(gè)客戶）分配一個(gè)連接，或者建立一個(gè)連接池（Pool Connection），進(jìn)行與線程池類(lèi)似的管理。3 可靠性特征可靠性是任何實(shí)用的軟件系統(tǒng)必須考慮的

16、特征，如圖 25所示，中間件提供的可靠性特征包括三個(gè)方面：圖 Error! No text of specified style in document.5 軟件中間件特征模型可靠性及其子特征請(qǐng)求可靠性（Reliable Requesting）是指構(gòu)件之間的互操作和同步兩個(gè)特征能夠持續(xù)正確運(yùn)行的概率，可分為點(diǎn)到點(diǎn)請(qǐng)求的可靠性（Peer-to-Peer Reliable Requesting）和分組請(qǐng)求的可靠性（Grouped Reliable Requesting）。前者往往依賴四種子特征實(shí)現(xiàn)，包括最佳努力請(qǐng)求（best-effort Requesting，不需要任何可靠性機(jī)制）、最多一次請(qǐng)求

17、（At-most-once Requesting）、至少一次請(qǐng)求（At-least-once Requesting）、正好一次請(qǐng)求（Exactly-once Requesting）。而分組請(qǐng)求的可靠性可由K可靠（k-reliability，保證至少k個(gè)構(gòu)件收到消息）、超時(shí)（time-outs，保證在指定時(shí)間后不傳輸消息）、全序（totally-ordered，保證某個(gè)組請(qǐng)求肯定在前一個(gè)組請(qǐng)求收到之后才被收到）等子特征實(shí)現(xiàn)。事務(wù)性特征（Transaction）適用于多個(gè)請(qǐng)求的可靠性，其ACID（Atomic, Consistency preserving, Isolated, Durable）原

18、則保證一系列的請(qǐng)求或者全部得到處理、或者任何請(qǐng)求都沒(méi)有得到處理，即，每一次事務(wù)都是一致的。事務(wù)特征又可分為平滑事務(wù)（Flat Transaction）和嵌套事務(wù)（Nested Transaction）兩個(gè)子特征，兩者的主要區(qū)別在于后者允許在一個(gè)事務(wù)中包含其它事務(wù)。復(fù)制（Replication）是實(shí)現(xiàn)分布系統(tǒng)可靠性的主要機(jī)制之一，也是用戶可見(jiàn)的特征。其中，主動(dòng)復(fù)制（Active Replication）是指兩個(gè)或多個(gè)副本同時(shí)運(yùn)行，每個(gè)副本都會(huì)接收客戶請(qǐng)求、執(zhí)行操作、修改狀態(tài)、并發(fā)送應(yīng)答。當(dāng)有副本失效時(shí)，其余副本仍繼續(xù)正常工作。被動(dòng)復(fù)制（Passive Replication）是指兩個(gè)或多個(gè)副本同

19、時(shí)運(yùn)行，但任意時(shí)刻有且僅有一個(gè)副本接收客戶請(qǐng)求、執(zhí)行操作、修改狀態(tài)、并發(fā)送應(yīng)答。4 其它特征伸縮性是指系統(tǒng)適應(yīng)未來(lái)增長(zhǎng)負(fù)載的能力。集中式系統(tǒng)中的系統(tǒng)負(fù)載只能在主機(jī)允許的范圍內(nèi)增長(zhǎng)，而分布系統(tǒng)增長(zhǎng)的負(fù)載可以分散到多個(gè)主機(jī)上。構(gòu)造可伸縮分布系統(tǒng)的關(guān)鍵是在不修改系統(tǒng)體系或構(gòu)件的設(shè)計(jì)與代碼的前提下改變構(gòu)件在多個(gè)主機(jī)的分布。負(fù)責(zé)構(gòu)件分布和交互的中間件需要提供相應(yīng)的支持。目前伸縮性較優(yōu)的中間件大多基于分組協(xié)調(diào)特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。安全性是開(kāi)發(fā)分布系統(tǒng)，尤其是Internet環(huán)境中的軟件系統(tǒng)，需要考慮的主要問(wèn)題之一，也是中間件技術(shù)與產(chǎn)品面臨的主要挑戰(zhàn)之一。現(xiàn)有中間件在安全方面進(jìn)展不理想，如CORBA龐大的安全規(guī)范實(shí)用程度很低，而Web Services的安全也在探索中。目前中間件大多提供簡(jiǎn)單的訪問(wèn)控制，實(shí)際應(yīng)用的安全往往采用中間件以外的其它機(jī)制，如在物理網(wǎng)絡(luò)層采用路由器認(rèn)證或虛擬專(zhuān)網(wǎng)，在主機(jī)層采用防火墻或操作系統(tǒng)的安全機(jī)制，應(yīng)用層往往利用數(shù)據(jù)庫(kù)的安全機(jī)制。持久性則是中間件對(duì)上層應(yīng)用屏蔽后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)而產(chǎn)生的特征。對(duì)于目前主流的分布對(duì)象中間件用戶而言，持久信息不再是數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，而是持久對(duì)象具有的持久屬性，如J2EE支持的實(shí)體EJB。生命周期是指中間件對(duì)上層應(yīng)用構(gòu)件生命周期的管理，從中間件用戶角度而言，生命周期特征表現(xiàn)為構(gòu)件實(shí)例的生命周期狀態(tài)。不同的中間件支持的構(gòu)件生命周期狀