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文档简介
r f ld 中间件设计与关键技术的研究 摘要 近年来,随着电子商务中的物流技术的高速发展,r f i d ( r a d i o f r e q u e n c yl d e n t i f ic a t i o n ,射频识别) 标签技术发展十分迅速。r f i d 中间件作为一种面向消息的中间件,是r f l d 各项产业应用的神经中 枢,包含的功能不仅是传递信息,还包括解译数据、安全性、数据广 播、错误恢复、定位网络资源、找出符合成本的路径、消息与要求的 优先次序等服务。它的作用主要体现在三个方面,一是操纵控制r f i d 读写设备按照预定的方式工作,保证不同读写设备之间配合协调;二 是按照一定规则过滤数据,筛除绝大部分冗余数据,将真正有效的数 据传送给后台信息系统;三是保证读写器和企业级分布式应用系统平 台之间的可靠通信。上述这三方面正是在r f i d 中间件设计中需要攻 克的主要技术难点。 设计了一个r f i d 中间件,运行在硬件系统与w e b 软件系统之间, 负责硬件和w e b 软件的通信,主要研究内容包括软件的架构、通信 协议设计、接口设计、程序的开发等等。 基于3 n 多层架构和中间件的软件工程技术是目前构建大型分布 式系统的主流技术,利用中间件,用户得以专注于业务逻辑开发,负 责在不同的技术之上共享资源、管理计算资源和网络通讯,整合应用 系统,负责确保数据交换、传输的正确性、可靠性、安全性和较高的 传输效率。本文研究的r f i d 中间件在构建大型物流系统中有着重要 的地位。 本文阐述了“r f i d 中间件”技术和总体设计。详细叙述了r f i d 中 间件关键技术中的数据交换模块、信息服务器的设计和实现以及平台 的组件规范和数据完整性保证机制、处理机制。最后是r f id 中间件 在企业级物流系统中的应用举例。 关键词:射频识别中间件数据转换物流系统 , d e s i g na n dr e s e a r c ho nk e y t e c h n i q u eo f r f i d m i d d l e r a r e a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ,w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl o g i s t i c st e c h n i q u ei nt h e e l e c t r i c sb u s i n e s s ,r f i d ( r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) t e c h n o l o g y d e v e l o p sq u i c k l y a s ak i n do fm e s s a g e o r i e n t e dm i d d l e w a r e ,r f i d m i d d l e w a r ei st h en e r v ec e n t e ro fa l lr f i da p p l i c a t i o n i t sf u n c t i o n sa r e n o t o n l y t r a n s a c t i o n i n f o r m a t i o n ,b u ta l s od e c i p h e r , s e c u r i t y ,d a t a b r o a d c a s t ,e r r o rc o r r e c t i o n ,u r l ,t h eo r d e ro fm e s s a g ea n dr e q u e s t ,e t c i t s f u n c t i o n si n c l u d et h r e ef a c e t s f i r s t ,c o n t r o l l i n gt h ew o r k i n gm o d eo f r f i dr e a d e r sa c c o r d i n gt oc o n c e r t e dw a y sa n da s s u r ed i f f e r e n tr e a d e r f a c i l i t i e sw o r k i n gi np h a s e s e c o n d ,f i l t e rm o s t o fr e d u n d a n td a t a a c c o r d i n gt os o m er u l e s ,a n ds e n da v a i l a b l ed a t at ob a c ki n f o r m a t i o n s y s t e m t h i r d ,a s s u r et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nr e a d e r sa n de n t e r p r i s e d i s t r i b u t e da p p l i c a t i o np l a t f o r m s t h e ya r et h ek e yp o i n t si nd e s i g n i n g r f i dm i d d l e w a r e i nt h er f i dm i d d l e w a r e ,w eh a v et om a k et h ev a r i o u ss o f t w a r e s y s t e mw o r ko nt h eh a nw ed e s i g na r f i dm i d d l e w a r e ,w h i c hi n c l u d e s t h e b u i d i n go ff r a m e w o r k ,c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ,a n di m p o r t a n t i n t e r f a c e s b a s i n go nt h r e eo rm o r el a y e r so ff r a m e w o r ka n dm i d d l e w a r e i i , t e c h n o l o g ya r et h em a i nt e c h n o l o g i e s b yu s i n gm i d d l e w a r e ,u s e r sc a n d e v o t ei nd e v e l o p i n gb u s i n e s sl o g i c ,s h a r i n gr e s o u r c e ,a d m i nc o m p u t i n g r e s o u r c e ,i n t e g r a t ea p p l i c a t i o ns y s t e m ,a s s u r et h ec o r r e c t i o n ,a v a i l a b l e , s e c u r i t yd u r i n gd a t at r a n s a c t i o n r f i dm i d d l e w a r ei n t h i s t h e s i sh a sa n m p o r t a n ts t a t u sw h e nb u i l d i n gl a r g el o g i s t i cs y s t e m t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ed e s i g no f ”r f i d m i d d l e w a r e i nd e t a i l o ft h em o d u l eo fd a t at r a n s f e ra n di n f o r m a t i o ns y s t e m a tl a s t ,t h e r ei sa n e x a m p l eo fr f i dm i d d l e w a r ew h i c hi sa p p l y i n gi ne n t e r p r i s el o g i s t i c k e yw o r d s :r f i d ,m i d d l e w a r e ,d a t at r a n s a c t i o n ,l o g i s t i c 、 r w 掌掌m * 文r f i d 中间件设计与关键技术的研究 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 近年来,r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ,射频识别) 标签技术发展十 分迅速。它集印刷、信息、计算机、电子技术于一体,并由单一的防伪功能向物 流管理、航空行李管理、超市商品管理、自动化生产线部件管理等方向发展。基 于r f i d 技术的智能标签正以每年1 0 一2 0 的速度增长,5 年内r f i d 标签的 应用将增长1 0 倍。r f i d 标签的突出特点是利用无线电射频技术,不需要接触标 签,无须肉眼既可识别,即使标签被雪、雾、冰、涂料、灰垢等遮盖,仍能对标 签进行识别。因此,在环境条件较差、传统的条码识别技术无法使用的情况下, 也能使用r f i d 标签技术。 在国外,大型的商业企业,例如沃尔玛在物流系统中已经开始采用r f i d 技 术。r f i d 技术已逐渐成为企业提高物流供应链管理水平,降低成本,企业管理 信息化、参与国际经济大循环、增强企业核心竞争力不可缺少的技术工具和手段。 在我国,从两年前开始,r f i d 技术已经逐步应用到大型的物流系统中,由 于近期r f i d 技术应用的爆发式发展,2 0 0 5 年还被计算机业界称为r f i d 年。国 内的研究出来的r f i d 中间件还不多见,东方励格公司在去年推出了r f i d 中间 件a l e ,该产品只是实现应用级别事件。2 0 0 5 年,香港大学和华南理工大学等 内地三所大学开展r f i d 中间件研究合作。 由于r f i d 技术一般应用于大型的分布式物流系统中,为了快速、高效地构 建这样的大型系统,采用中间件技术自然成为程序设计者的首选。 r f i d 中间件将企业级中间件技术延伸到r f i d 领域,是r f i d 产业链的关键 共性技术。r f i d 中间件屏蔽了r f i d 设备的多样性和复杂性,能够为后台业务 系统提供强大的支撑,从而驱动更广泛、更丰富的r f i d 应用。r f i d 中间件技 术重点研究的内容包括:并发访问技术、目录服务及定位技术、数据及设备监控 技术、远程数据访问、安全和集成技术、进程及会话管理技术等,浓缩了采用 r f i d 技术必须面对的复杂技术问题。此外,由于目前国际上r f i d 的技术标准 繁多,生产r f i d 标签卡的厂商有各自采用的标准,还没有形成一个真正统一的 国际标准,给中国建立自己的国家标准创造了很好的机会,而r f i d 中间件可以 兼容各个不同技术标准和识别不同厂家的r f i d 标签卡,兼容不同的硬件和操作 系统平台,从而大大节约社会资源和开发的投入。研究我国的r f i d 中间件技术 可以为发展我国的r f i d 技术做出贡献。因此,本课题所研究的r f i d 中间件是 r 日 掌掌m 论r r f i d 中间件设计与关键l 置术的z 4 t - 究 很有价值、及时的和必要的。 1 2 本课题的主要工作 本文通过对现有的中间件技术的大量的分析和技术总结,提出了r f i d 中间 件的设计方案,并实现出r f i d 中间件的核心模块,其中所做的工作及研究成果 如下: ( 1 ) 对中间件这种特殊形态的软件进行了深入分析。分析了中间件的一般 结构、内部消息通信机制以及与不同操作系统、数据库、应用服务器之间的通信 以及和应用程序之间的a p i 接口等层次结构。 ( 2 ) 针对本课题所研究中间件对r f i d 射频识别的需求,本文设计一个能适 应不同射频识别标签和阅读器,读取不同标准的标签信息的r f i d 中间件原型系 统。以该设计方案为基础,使用j 2 e e 技术实现出方案的核心模块。 ( 3 ) 针对r f i d 领域的信息反冲撞问题进行了专门研究,设计了一个反冲撞 处理方案,然后对此方案进行排队建模、并对此排队模型进行验证分析。 1 3 本文的组织 本文围绕r e i d 中间件进行了讨论,其具体组织如下: 第一章:讨论了本课题提出的背景和意义,同时给出了本课题的主要工作和 创新点。 第二章:背景知识的研究,对r f i d 的概念、特征、分类、工作原理以及相 关标准作一结构化梳理。对中间件的定义、特征、分类、中间件的体系结构以及 其应用领域进行了详细概述。 第三章:探讨开发r f i d 中间件的j m s 技术 第四章:提出一个r f i d 中间件的框架设计。对该框架下的成员关系服务、 组通信服务等进行了具体功能设计。 第五章:系统的具体模块的实现过程以及系统环境配置。 第六章:介绍了系统测试环境,给出了测试结果。针对r f i d 中间件中的反 冲撞机制进行了研究,根据实际阅读器和应答器的方案进行排队建模,在建模基 础上设计出j a v a 模拟仿真平台过程。 第七章:对本文进行了总结与展望。 r 日 掌掌t * i r f i d 中间件设计与关键技术的研究 2 1r f i d 概述 第二章研究背景 2 1 1r f i d 的概念以及工作原理 最基本的r f i d 系统由三部分组成【l 】: 标签( t a g ) :由耦合元件及芯片组成,每个标签具有唯一的电子编码,附着 在物体上标识目标对象: 阅读器( r e a d e r ) :读取( 有时还可以写入) 标签信息的设备,可设计为手持 式或固定式; 天线( a n t e n n a ) :在标签和读取器间传递射频信号。 r f 电源 1 玎d 空中接口 读写器 1 5 3 g 空中接口 服务器 e 命令 无线连接 1 回应( 代码) :p 池数据: 图2 1r f i d 识别原理图 f i g u r e 2 1r f i di d e n t i f yt h e o r yc h a r t r f i d 技术的基本工作原理并不复杂:标签进入磁场后,接收读写器发出的 射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息( p a s s i v e t a g ,无源标签或被动标签) ,或者主动发送某一频率的信号( a c t i v et a g ,有源 标签或主动标签) ;读写器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据 处理。 但是,在采用r f i d 技术进行应用程序的构建就远不是这么简单了,因为在 应用程序构建时一定会面对以下问题: ( 1 ) 如何适应不同类型的r f i d 读写器和不同的r f i d 协议。 ( 2 ) 如何在分布式系统中使用,与不同结构的网络相适应。 ( 3 ) 如何满足不同规模级别的应用环境的需要。 ( 4 ) 如何适应不同的网络硬件和不同的操作系统平台的需要。 这就意味着程序的构建者一定要考虑以上技术问题和作大量相应的编程工 作,显然,这种传统编程思路已经不适应更多地采用系统架构概念来组建大型应 用系统的技术潮流了。而直接采用r f i d 中间件则是高质量和高效率地解决以上 r f i d 中间件设计与关1 建技术的研究 问题的最佳途经。 2 1 2r f i d 的分类 射频识别技术依其采用的频率不同可分为低频系统、中频系统和高频系统三 大类。低频系统典型的工作频率有1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 、1 3 5 6 m 等,基于这些频 点的射频识别系统一般都有相应的国际标准。其基本特点是读写器成本较低、存 储数据量较少、阅读距离较短( 无源情况,典型阅读距离为1 0 c m ) 、读写器外形 多样( 卡状、环状、钮扣状、笔状) 、阅读天线方向性不强等:高频系统典型的 工作频段有:9 1 5 m h z 、2 4 5 0 m h z 、5 8 0 0 m h z 等,其基本特点是射频卡及阅读 器成本较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远( 可达几米至十几米) , 适应物体高速运动性能好,外形般为卡状,天线有较强的方向性。 根据读写器内是否装有电池为其供电,又可将其分为有源系统和无源系统两 大类。 从读写器内保存的信息注入方式可将其分为集成电路固化式、现场有线改写 式和现场无线改写式。 按系统功能划分,也就是说,射频识别系统可按数据载体的存储能力、处理 速度、作用距离和密码进行分类。其中只读系统在功能上可取代条码系统,可用 在控制货物流、识别产品品种、集装箱运输等方面。 r f i d 中间件只负责对读写器进行读写、应对现场实时双向交互。 2 1 3r f i d 的相关标准 e f i d 系统的工作频率主要又1 2 5 m h z 、1 3 5 6 m h z 、8 9 6 m h z 、9 0 2 9 2 8 m h z 、 2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等,允许的最大发射功率电平和频率分配因国家和地区的不同 而有所不同。 各个频段的系统都有不同的国际标准与之对应,这些标准对系统的识别格 式、传输速率、应用范围等方面都进行了详细的规定。比如,i s 0 1 4 4 4 3 标准规 定系统的频率为1 3 5 6 m h z ,读写距离稍近,识别距离一般为几厘米。但应用较 广泛,一般应用在公共交通和门禁系统等领域。目前的第二代电子身份证采用的 标准是i s 0 1 4 4 4 3t y p eb 协议。i s 0 1 5 6 9 3 标准对应的系统识别距离则为几十厘 米,采用特殊制作的天线最大识别距离为1 5 米左右。在u h f 频段( 8 6 9 m h z 和9 0 2 9 2 8 m h z ) ,系统的识别距离可以从几米到几十米,主要应用在高速公路 收费、集装箱识别和铁路车辆的识别、跟踪等业务中;2 4 5 g h z 系统的被动式系 统一般可以提供1 米左右的识别距离:主动式系统可以达到十几米的识别距离。 5 8 g h z 系统主要应用在交通领域,目前我国公路联网收费系统暂行标准也把此 r 日 掌# m * 文r f i d 中间件设计与关键技术的研究 频段作为车辆识别的系统标准。 本论文开发的是遵循i s o i e c1 8 0 0 0 3 国际标准的r f i d 中间件。i s o l 8 0 0 0 系列含括了有源和无源r f i d 技术标准,主要是基于物品管理的r f i d 空中接口 参数。 i s o i e c1 8 0 0 0 3 标准工作频率为1 3 5 6 m h z ,该频率的波长大概为几十米。 除了金属材料外,该频率的波长可以穿过大多数的材料,但是往往会降低读取距 离。感应器需要离开金属一段距离。虽然该频率的磁场区域下降很快,但是能够 产生相对均匀的读写区域。i s o i e c1 8 0 0 0 3 具有防冲撞特性,可以同时读取多 个电子标签。可以把某些数据信息写入标签中。 i s o i e c1 8 0 0 0 3 标准规定阅读器的工作频率为1 3 5 6 m h z ,定义了系统的物 理层、防冲撞算法和通讯协议。标签中的识别码为6 4 位( 8 个字节) ,各位有不 同的规定和含义,用于通信的暑假报文包括了1 1 位的起始域( 头标) 、6 4 位( 8 个字节) 有用数据、1 6 位( 2 个字节) c r c 校验码以及2 4 位( 3 个字节) 终止 域( 尾标) 。每传输8 位后,插入一个具有逻辑“l ”电平的填充位,以便避免出 现头标为“0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ”的情况。这样,标签每次要传输的信息至少为1 2 8 位。 2 2 中间件的概述 2 2 1 中间件的基本概念 中间件是介于应用系统和系统软件之间的一类软件,它使用系统软件所提供 的基础服务( 功能) ,衔接网络上应用系统的各个部分或不同的应用,能够达到 资源共享、功能共享的目的。目前,它并没有很严格的定义,但是普遍接受的定 义是:中间件是一种独立的系统软件或服务程序,分布式应用软件借助这种软件 在不同的技术之间共享资源,中间件位于客户机服务器的操作系统之上,管理计 算资源和网络通信,从这个意义上可以用一个等式来表示中间件:中间件= 平台 + 通信,这也就限定了只有用于分布式系统中才能叫中间件,同时也把它与支撑 软件和实用软件区分开来。 一般认为,中间件必须具有以下特点: ( 1 ) 标准的协议和接口。 ( 2 ) 分布计算,提供网络、硬件、操作系统透明行。 ( 3 ) 满足大量应用的需要。 ( 4 ) 能运行于多种硬件和操作系统平台。 其中具有标准的接口和协议非常重要,因为它可以实现不同硬件和操作系统 平台上的数据共享和应用互操作。 广西大掌硕士学位论文 r f i d 中间件设计与关键技术的研究 从理论上讲,中间件有以下的工作机制:在客户端上的应用程序需要从网络 中的某个地方获取一定的数据或服务,这些数据或服务可能处于一个运行着不同 操作系统的特定查询语言数据库的服务器中。客户服务器应用程序中负责寻找 数据的部分只需访问一个中间件系统,由中间件完成到网络中找到数据源或服 务,进而传输客户请求、重组答复信息,最后将结果送回应用程序的任务。 在具体实现上,中间件是一个用a p i 定义的软件层,具有强大的通信能力和 良好的可扩展性的分布式软件管理框架。 2 2 2 中间件的分类 中间件的作用简单来说就是试图通过屏蔽各种复杂的技术细节使技术问题 简单化。具体地说,中间件屏蔽了底层操作系统的复杂性,使程序开发人员面对 一个简单而统一的开发环境,减少程序设计的复杂性,将注意力集中在自己的业 务上,不必再为程序在不同系统软件上的移植而重复工作,从而大大减少了技术 上的负担。所以说中间件带给应用系统的不只是开发的简便、开发周期的缩短, 同时也减少了系统的维护、运行和管理的工作量,还减少了计算机总体费用的投 入。其次,中间件作为新层次的基础软件,其重要作用是将不同时期、在不同操 作系统上开发的应用软件集成起来,彼此像一个天衣无缝的整体协调工作,这是 操作系统、数据库管理系统本身做不了的。 目前,针对不同的应用涌现出各具特色的中间件产品。从不同的角度和层次 对中间件有不同的分类。根据中间件在系统中所起的作用和采用的技术不同,可 以把中间件大致分为以下几种【l5 】: ( 1 ) 数据访问中间件( d a t a a c c e s sm i d d l e w a r e ) 数据访问中间件是在系统中建立数据应用资源互操作的模式,实现异构环境 下的数据库联结或文件系统联结的中间件,从而为在网络中虚拟缓冲存取、格式 转换、解压等带来方便。数据访问中间件在所有的中间件中是应用最广泛、技术 最成熟的一种。一个最典型的例子就是o d b c 。不过在数据访问中间件处理模型 中,数据库是信息存储的核心单元,中间件完成通信的功能,这种方式虽然是灵 活的,但是并不适合于一些要求高性能处理的场合,因为它需要大量的数据通信, 而且当网络发生故障时,系统将不能正常工作。 ( 2 1 远程过程调用中间件( r p c ) 远程过程调用是另外一种形式的中间件,它在客户服务器计算方面,比数据 库中间件又迈进了一步。它的工作方式如下:当一个应用程序a 需要与远程的 另一个应用程序b 交换信息或要求b 提供协助时,a 在本地产生一个请求,通 过通讯链路通知b 接收信息或提供相应的服务,b 完成相关处理后将信息或结果 返回给b 。r p c 的灵活性使得它有比数据库中间件更广泛的应用,它可以应用在 r f i d 中间件设计与关键技术的研究 更复杂的客户h e 务器计算环境中。远程过程调用的灵活性还体现在它的跨平台 性方面。r p c 也有一些缺点,对于些大型的应用,同步通信方式就不是很适 合了,因为此时程序员需要考虑网络或者系统故障,处理并发操作、缓冲、流量 控制以及进程同步等一系列复杂问题。 f 3 1 面向消息的中间件( m o m ) 面向消息的中间件m o m ( m e s s a g e o r i e n t e dm i d d l e w a r e ) 指的是利用高效可 靠的消息传递机制进行平台无关的数据交流,并基于数据通信来进行分布式系统 的集成。通过提供消息传递和消息排队模型,它可在分布环境下扩展进程间的通 信,并支持多通讯协议、语言、应用程序、硬件和软件平台。目前流行的m o m 中间件产品有i b m 的m q s e r i e s 、b e a 的m e s s a g e q 等。消息传递和排队技术有 以下三个特点:通讯程序可在不同的时间运行:程序不在网络上直接相互通话, 而是间接地将消息放入消息队列,因为程序间没有直接的联系。所以它们不必同 时运行。消息放入适当的队列是,目标程序甚至根本不需要正在运行,即使目标 程序在运行,也不意味着要立即处理该消息。对应用程序的结构没有约束:在复 杂的应用场合中,通讯程序之间不仅可以是一对一的关系,还可以进行一对多和 多对一方式,甚至是上述多种方式的组合。多种通讯方式的构造并没有增加应用 程序的复杂性。程序与网络复杂性相隔离:程序将消息放入消息队列或从消息队 列中取出消息来进行通讯,与此关联的全部活动,比如维护消息队列、维护程序 和队列之间的关系、处理网络的重新启动和在网络中移动消息等是m o m 的任 务,程序不直接与其他程序通话,并且它们不涉及网络通讯的复杂性。 消息中间件能在不同平台之间通信,实现分布式系统中可靠的、高效的、实 时的跨平台数据传输,它常被用来屏蔽掉各种平台及协议之间的特性,实现应用 程序之间的协同;其优点在于能够在客户和服务器之间提供同步和异步的连接, 并且在任何时刻都可以将消息进行传送或者存储转发,这也是它比远程过程调用 更进一步的原因。另外消息中间件不会占用大量的网络带宽,可以跟踪事务,并 且通过将事务存储到磁盘上实现网络故障时系统的恢复。当然和远程过程调用相 比,消息中间件不支持程序控制的传递。 消息中间件适用于需要在多个进程之间进行可靠的数据传递的分布式环境。 它是中间件中惟一不可缺少的,也是销售额最大的中间件产品。 本文所研究的r f i d 中间件是一种面向消息的中间件,包含的功能不仅是传 递信息,还包括解译数据、安全性、数据广播、错误恢复、定位网络资源、找出 符合成本的路径、消息与要求的优先次序等服务。它的作用主要体现在三个方面, 一是操纵控制r f i d 读写设备按照预定的方式工作,保证不同读写设备之问配合 协调:二是按照一定规则过滤数据,筛除绝大部分冗余数据,将真正有效的数据 传送给后台信息系统;三是保证读写器和企业级分布式应用系统平台之间的可靠 r 日 掌掌m 论r r f i d 中间件计与* 技_ 爿乞日,0 通信。 f 4 1 面向对象的中间件( o b j e c to r i e n t e dm i d d l e w a r e ) 面向对象的中间件是对象技术和分布式计算发展的产物,它提供- , e e 通讯机 制,透明地在异构的分布计算环境中传递对象请求,而这些对象可以位于本地或 者远程机器。在这些面对对象的中间件中,功能最强的是c o r b a ,可以跨任意 平台,但是太庞大;j a v a b e a n 较灵活简单,很适合于作浏览器,但运行效率差; d c o m 模型主要适合w i n d o w s 平台,已广泛使用。d c o m 和c o r b a 这两种标 准相互竞争,而且两者之间有很大的区别,这在一定程度上阻碍了面向对象中间 件的标准化进程。当前国内新建系统实际上主要是u n i x ( 包括l i n u x ) 和w i n d o w s , 因此针对这两个平台建立标准的面向对象中间件是很有必要的。 ( 5 ) 事务处理中间件( t p m ) 事务处理中间件是在分布、异构环境下提供保证交易完整性和数据完整性的 一种环境平台;它是针对复杂环境下分布式应用的速度和可靠性要求而实现的。 它给程序员提供了一个事务处理的a p i ,程序员可以使用这个程序接口编写高速 而且可靠的分布式应用程序基于事务处理的应用程序。事务处理中间件向用 户提供一系列的服务,如应用管理、管理控制、已经应用于程序间的消息传递等。 常见的功能包括全局事务协调、事务的分布式两段提交( 准备阶段和完成阶段) 、 资源管理器支持、故障恢复、高可靠性、网络负载平衡等等。 ( 6 ) 网络中间件 它包括网管、接入、网络测试、虚拟社区、虚拟缓冲等,也是当前研究的热 点。 ( 7 ) 终端仿真:屏幕转换中间件 它的作用在于实现客户机图形用户接口与已有的字符接口方式的服务器应 用程序之间的互操作。 2 2 3 中间件与多层应用体系结构 计算机体系结构经历了从主机集中的终端方式、c s 结构、b s 结构以及现 在越来越普遍的多层次客户机i l l 务器结构。分布式系统体系结构的提出为多用 户系统提供了前所未有的双向交互性和灵活性。传统的分布式系统采用客户j 1 日, 务器两层结构,客户端软件不仅要完成用户界面和数据显示工作,还要完成业务 逻辑的处理工作,客户端往往过于庞大,负载过重,导致“胖客户端”产生,服 务器不能支持大量用户的访问和高容量事务处理的应用。此外,当应用系统需要 改变时,所以客户端的应用程序都必须改变,系统维护成本很高。因此,在这种 模式下丌发的系统,移植性和扩展性较差,开发和维护复杂,不能适应不断增长 的多方面需求。为了解决两层c s 结构的问题,分布式多层结构计算模式应运而 r 目 掌m # m * ir f i d 中间件设计与关键技术的研究 生。三层结构将客户端的事务处理逻辑独立出来,单独构成一层,即应用层,也 叫中间层,这样,客户端、应用逻辑层和原有的数据服务层形成了一个三层体系 结构。 1 4 1 在以中间件为运行平台的应用系统中,客户端提出的服务请求不是直接提交 给数据库,而是通过中间件提供的高速数据信道传送到服务器端,进而提交给数 据库,这种高速数据信道有效地降低客户与服务器以及客户机与数据库的连接数 量,同时,交易服务中与数据库无关的逻辑处理任务也由中间件完成,从而进一 步分担很多原来需要数据库完成的工作,从而提高了系统的工作效率。中间件将 整个应用完成业务逻辑、表示逻辑和数据三个不同处理层,如图2 2 所示: ( 1 ) 表示逻辑为第一层:该层又称客户层,其主要功能是实现用户交互和 数据表示,为以后处理收集数据,向第二层业务逻辑请求调用核心服务处理,并 显示处理结果。 ( 2 ) 业务逻辑为中间层:业务逻辑即服务器组件,这些组件由中间件管理, 实现核心业务逻辑服务,并将这些服务按名字广播、管理并接受客户服务请求, 向资源管理器提交数据操作,同时将处理结果返回给请求者、客户或其他服务器。 ( 3 ) 数据构成模型的第三层:数据也可称为资源管理器,比如关系数据库 负责管理应用系统数据资源,完成数据操作;中间层服务器组件在完成服务的过 程中,通过该层资源管理器存取它所管理的数据,即请求资源管理器的数据服务。 冒n 圈弓陌务卜一 压石磊 ,一 用户界萄业务逻辑数据逻辑 图2 - 2 三层体系结构图 f i g u r e 2 - 2t h r e el a y e r sf r a m e w o r kc h a r t 中间件是成功构造三层结构应用系统的基础,它即作为底层支撑环境,又作 为客户方与服务方的联结纽带,使系统成为一个有机高效的整体,主要提供了以 下两个功能: ( 1 ) 负责客户机与服务器之间的联系与通讯,提供了表示层与功能层之间、 功能层与功能层之间、功能层与数据层之间、数据层与数据层之间的连接和完善 的通信机制。 ( 2 ) 提供了一个三层结构应用开发和运行的平台,包括:支持模块化应用 开发的框架:硬件、操作系统、数据库和网络差异的屏蔽:保证事务完整性和数 据一致性的事务管理机制;应用的负载均衡和管理功能;应用的高可用性及安全 控制机制等。中间件为建立、运行、管理和维护三层c s 、b s 体系结构的应用 撇圄 广日 掌王页掌m * xr f i d 中间件设计与关t 庖技术的研究 提供了一个基础框架,降低了应用开发、管理和维护的人力物力开销,提高其成 功率,真正使大型企业应用的高效实现成为可能。 针对不同的应用领域,对中间件又有各种不同的要求,由于实际的应用环境 千差万别,不能指望一种中间件能解决所有的问题。如:对于邮件系统,需要提 供存储转发功能:对工作流应用,需根据条件以及条件满足状态将信息及响应状 态从一个应用传递到另一个应用;对联机事务处理系统,需要保证分布式的数据 一致性、不停机作业、大量并发的高效率;对于一个数据采集系统,需要保证可 靠传输等等。 2 2 4 中间件的技术标准 中间件技术的标准主要有c o m 、c o r b a 、j 2 e e 三个标准【l ”。 ( 1 ) c o m c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 最初作为m i c r o s o f t 桌面系统的构件技术, 主要为本地的o l e 应用服务,但是随着m i c r o s o f t 服务器操作系统n t 和d c o m 的发布,c o m 通过底层的远程支持使得构件技术延伸到了分布应用领域。c o m 是m i c r o s o f t 提出的一种组件规范,多个组件对象可以连接起来形成应用程序, 并且在运行时,在不重新连接或编译的情况下被卸下或换掉。c o m 既是规范, 也是实现,它以c o m 库( o l e 3 2 d l l 和o l e a u t d 1 1 ) 的形式提供了访问c o m 对 象核心功能的标准接口及一组a p i 函数,这些a p i 用于实现创建和管理c o m 对 象的功能,m i c r o s o f t 对c o m 的发展包括d c o m 、m t s ( m i c r o s o f tt r a n s a c t i o n s e r v e r ) 以及c o m + ,c o m 把组件的概念融入到w i n d o w s 中,但它只能使本机 内的组件进行交互,d c o m 则为分布在网络上不同节点上的组件提供了交互能 力,m t s 针对企业w e b 的特点,在c o m d c o m 的基础上添加诸如事务特性、 安全模型等服务,c o m + 把c o m 组件的应用提升到应用层,它通过操作系统的 各种支持使组件对象模型建立在应用层上,把所有组件的底层细节如目录服务、 事务处理、连接池及负载平衡等留给操作系统,尽管有些厂商正在为u n i x 平台 使用c o m + 而奋斗,但c o m + 基本上仍是w i n d o w s 家族平台的解决方案。 ( 2 ) c o r b a c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ) 分布计算技术是o m g 组 织基于众多开放系统平台厂商提交的分布对象互操作内容的公共对象请求代理 体系规范。 c o r b a 分布计算技术,是由绝大多数分布计算平台厂商所支持和遵循的系 统规范技术,具有模型完整、先进、独立于系统平台和开发语言,被支持程度广 泛的特点,己逐渐成为分布计算技术的标准。c o b r a 标准主要分为3 个层次: 对象请求代理、公共对象服务和公共设施。最底层是对象请求代理( o r b ) ,规 1 0 r 日 掌掌t 论文 r f i d 中间件设计与关键技术的研究 定了分布对象的定义( 接口) 和语言映射,实现对象间的通讯和互操作,是分布 对象系统中的“软总线”。在o r b 之上定义了很多公共服务,可以提供诸如并发 服务、名字服务、事务服务、安全服务等各种各样的服务;最上层的公共设施则 定义了组件框架,提供可直接为业务对象使用的服务,规定业务对象有效协作所 需的协定规则。目前,c o r b a 兼容的分布计算产品层出不穷,其中有中间件厂 商的o r b 产品,如b e a m 3 ,i b m c o m p o n e n t b r o k e r ,有分布对象厂商推出的产 品,如i o n a 0 b i x 和0 0 c 0 b a c u s 等。 c o r b a 是编写分布式对象的一个统标准,这个标准与平台、语言和销售 商无关。c o r b a 包含了很多技术,而且范围十分广泛,c o r b a 中有一个称为 l i o p ( i n t e r n e ti n t e r - o r bp r o t o c 0 1 ) 的协议。它是c o r b a 的标准i n t e r n e t 协议,用 户看不到i i o p ,它运行在分布式对象通信的后台。c o r b a 中的客户通过o r b 进行网络通信,它使得不同的应用程序不需要知道具体的通信机制也可以进行通 信,它负责找到对象来服务方法调用,处理参数调用,并返回结果。它使得通信 变得非常容易,c o r b a 中的i d l ( i n t e r f a c ed e f i n i t i o nl a n g u a g e ) 用来定义客户端 和它们调用的对象之间的接口,它是一个与语言无关的接口,定义之后可以用任 何面向对象的语言来实现,现在有很多工具可以实现从i d l 到不同语言的映射, c o r b a 是面向对象的基于i i o p 的二进制通信机制。 ( 3 ) j 2 e e 为了推动基于j a v a 的服务器端应用开发,s u n 于是在1 9 9 9 年底推出了 j a v a 2 技术及相关的j 2 e e ( j a v a2p l a t f o r me n t e r p r i s ee d i t i o n ) 规范,j 2 e e 的目标是: 提供平台无关的、可移植的、支持并发访问和安全的,完全基于j a v a 的开发服 务器端中间件的标准。 在j 2 e e 中,s u n 给出了完整的基于j a v a 语言开发面向企业分布应用规范, 其中,在分布式互操作协议上,j 2 e e 同时支持r m i 和i i o p ,而在服务器端分布 式应用的构造形式,则包括了j a v as e r v l e t 、j s p ( j a v as e r v e rp a g e ) 、e j b 等多种 形式,以支持不同的业务需求,而且j a v a 应用程序具有“w r i t eo n c e ,r u n a n y w h e r e ” 的特性,使得j 2 e e 技术在分布式计算领域得到了快速发展。 j 2 e e 简化了构件可伸缩的、其于构件服务器端应用的复杂度,虽然d n a 2 0 0 0 也一样,但最大的区别是d n a 2 0 0 0 是一个产品,j 2 e e 是一个规范,不同的厂家 可以实现自己的符合j 2 e e 规范的产品,j 2 e e 规范是众多厂家参与制定的,它不 为s u n 所独有,而且其支持跨平台的开发,目前许多大的分布计算平台厂商都公 开支持与j 2 e e 兼容的技术。 j 2 e e ( j a v a2p l a t f o r me n t e r p r i s ee d i t i o n ) 干lc o r b a 最大的区别是c o r b a 只 是针对单个对象而不是被应用服务器自动管理的可部署的服务器端组件, c o r b a 的特点是大而全,互操作性和开放性非常好。c o r b a 的缺点是庞大而 r 日 掌m 掌m 论ir f i d 中间件设计与关键技术的研究 复杂,并且技术和标准的更新相对较慢,c o b r a 规范从1 0 升级到2 o 所花的 时间非常短,而再往上的版本的发布就相对十分缓慢了。 j 2 e e 是当前异构数据集成普遍采用的标准,本文中所用到的j a v a 、x m l 等中间件关键技术都是j 2 e e 技术体系的一部分。j 2 e e 是提供平台无关的、可移 植的、支持并发访问和安全的,完全基于j a v a 的开发服务器端中间件的标准。 j 2 e e 包括很多内容,其中的每一个组成部分都是一个庞大的系统,但是它的 核心技术有四个: j 2 e e 的多层应用体系结构:这是j 2 e e 平台的基本构架,典型的应用就是它 的四层结构。 j 2 e e 应用组件:这一部分构成j 2 e e 应用的软件元素,j 2 e e 标准定义了一 套相当完备的应用组件构架,应用组件就是建筑在这个构架上的“砖瓦”。利用 这个架构,几乎可以构建从简单的门户到复杂的分布式企业级应用的任何系统: 它包括客户层的a p p l e t 、j a v a b e a n ;表示逻辑层的s e r v l e t s 、j s p ;业务逻辑层的 e j b 等。 j 2 e e 企业服务:它是指应用组件需要用到的一些公共服务设施,相当于组件 之间的“粘合剂”,主要包括连通性服务( j d b c 、j c a ) 、通信服务( j m s 、 j a f j a v a m a i l 、r m i 、j a x ) 和其它服务( j n d i 、j t s 、j a a s ) 等。 j 2 e e 容器:它是指j 2 e e 的运行环境。j 2 e e 标准定义了四种容器:a p p l e t 容 器、客户端应用程序容器、w e b 容器和e j b 容器;这些容器一般都提供很多服 务:内存管理、同步、线程管理、垃圾收集、负载平衡和容错等。 其实,上面介绍的四个核心概念共同组成一个有机的整体:多层体系结构定义 了一个框架,这个框架中包括应用组件这样的“砖瓦”,这些“砖瓦”通过企业 服务将它们连接起来,最后连接起来的这个整体运行在j 2 e e 服务器提供的容
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