（计算机应用技术专业论文）可信分布式实时系统的面向方面的中间件研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r r e s e a r c ho n a s p e c t - - o r i e n t e dm i d d l e w a r ef o r d e p e n d a b l ea n dd i s t r i b u t e dr e a l - t i m es y s t e m c a n d i d a t e ：l i ud o n g x i n g 一一 s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gl i c h e n m a y2 0 10 f a c u l t yo fc o m p u t e r g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p 。r c h i n a ，5 10 0 9 0 摘要 摘要 随着网络和信息技术的不断发展，分布式实时系统的应用领域变得越来越广泛， 如国家安全领域中的航空、航天、卫星轨道控制等，居民生活领域中的股票交易、 电信、航班查询等。应用领域和平台的不断扩大不仅要求分布式实时系统具有可剪 裁性和可配置性以解决高性能计算和资源受限的问题，而且还要求分布式实时系统 可以提供确实可信服务的综合能力。 与此同时，作为基础软件重要组成部分的中间件通过网络连接、数据集成、应 用集成等形式，已成为分布式实时系统开发、集成、部署、运行、管理的关键支撑 软件。分布式实时系统中间件要求中间件具有在运行时能根据环境的改变而动态地 进行结构和行为的适应性剪裁和重新配置的能力，为上层的实时应用提供实时的、 可靠的服务，但是，传统的面向对象中间件并不具备这种能力。 面向方面软件开发的目的是用方面模块化横切系统的非功能性需求。通过把面 向方面软件开发方法运用到中间件的开发过程中，可以消除传统中间件固有的很多 问题，不仅方便了中间件的重构，也提高了中间件的性能，同样，对于分布式实时 系统可以考虑面向方面的软件开发方法。 面向方面中间件具有良好的模块化，可配置性，部署或运行时的可剪裁性，从 而平衡分布式实时系统中间件的通用性和专用性。 本文针对可信分布式实时系统对面向方面中间件的要求，着重从以下三部分进 行研究： 首先，对国内外中间件的研究现状做了一个综合概括，这包括面向方面中间件、 实时中间件、面向方面的实时中间件等。接着，阐述了研究所需的理论基础。 其次，对面向方面中间件进行系统化研究。 最后，阐述了面向方面中问件参考模型和实时组件模型，结合这二个模型得到 分布式实时系统的面向方面中间件模型，对该模型的分布性进行了详细讨论，建立 了该模型的分布性框架，重点提出了构建一个分布式实时系统的面向方面中间件模 型的自适应分布性框架，结合即时通讯服务的例子研究了该模型。 关键词：面向方面中间件；可信；分布式实时系统；自适应分布性框架 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o na r e a so f d i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e m sb e c o m em o r ew i d e s p r e a d ，s u c ha st h ea r e ao fn a t i o n a l s e c u r i t y , a v i a t i o n , a e r o s p a c e ，s a t e l l i t eo r b i tc o n t r o l , e t c ，a n dt h ea r e ao fl i v i n g ，s t o c k t r a d i n g ，t e l e c o m m u n i c a t i o n s ，f l i g h ti n q u i r y , e t c t h ee x t e n s i o no fd o m a i n sa n dp l a t f o r m s n o to n l yt h er e q u i r e m e n t so fd i s t r i b u t e dr e a l - t i m es y s t e mh a st ot a i l o ra n dc o n f i g u r a b l et o a d d r e s st h eh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n ga n dr e s o u r c ec o n s t r a i n e d ，b u ta l s of o r d i s t r i b u t e dr e a l t i m e s y s t e mc a np r o v i d et h ec o m p r e h e n s i v ea b i l i t y o fd e p e n d a b l e s e r v i c e a tt h es a m et i m e ，a sa ni m p o r t a n tp a r to fi n f i a s t r u c t u r es o f t w a r em i d d l e w a r e t h r o u g ht h en e t w o r kc o n n e c t i o n , d a t ai n t e g r a t i o n , a p p l i c a t i o ni n t e g r a t i o n , e t c ，w h i c h b e c o m ed i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e md e v e l o p m e n t ，i n t e g r a t i o n , d e p l o y m e n t ，o p e r a t i o n a n dk e ym a n a g e m e n ts u p p o r ts o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h ec h a n g e so fr u n - t i m ec o n t e x t s ， t h ed i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e mm i d d l e w a r ei t s e l fc a nd y n a m i c a l l ya d a p t i v et a i l o ra n d r e c o n f i g u r et h es t r u c t u r e sa n db e h a v i o rt op r o v i d er e a l - t i m ea p p l i c a t i o nt h er e a l t i m ea n d r e l i a b l es e r v i c e s ，b u tt h et r a d i t i o n a lo b j e c to r i e n t e dm i d d l e w a r ed o e sn o th a v et h i sa b i l i t y t h ep u r p o s eo fa s p e c t o r i e n t e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n ti su s i n ga s p e c tt om o d u l a r i z e t h ec r o s s c u t t i n gc o n c e r n s b yt h eu s eo fa s p e c t o r i e n t e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tm e t h o d s t om i d d l e w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，w ec a ne l i m i n a t em a n yp r o b l e m si n h e r e n ti n t r a d i t i o n a lm i d d l e w a r e ，w h i c hn o to n l yf a c i l i t a t e st h er e c o n s t r u c t i o no fm i d d l e w a r e ，b u t a l s oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm i d d l e w a r e ，s i m i l a r l y , f o rt h ed i s t r i b u t e dr e a l t i m e s y s t e mc a nb ec o n s i d e r e da s p e c t - o r i e n t e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tm e t h o d s t oa c h i e v et h et r a d e o f fo fg e n e r a l i t ya n ds p e c i a l i z a t i o no fm i d d l e w a r e ，a s p e c t - o r b e n t e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o v i d e sm i d d l e w a r em o r em o d u l a r i t y ，c o n f i g u r a b i l i t y , a n d c a nt a i l o rt h ea r c h i t e c t u r eo fm i d d l e w a r et of rs p e c i f i cn e e d sa td e p l o y m e n tt i m eo ra t r u n t i m e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h et h r e ep a r t so fa s p e c t o r i e n t e dm i d d l e w a r ef o rd e p e n d a b l e a n dd i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e m ： f i r s t ，t h em i d d l e w a r er e s e a r c hd i dac o m p r e h e n s i v es u m m a r yo ft h es t a t u sq u o ，i n c a b s t r a c t l u d i n ga s p e c t o r i e n t e dm i d d l e w a r e ，r e a l t i m em i d d l e w a r e ，a s p e c t o r i e n t e dr e a lt i m em i d - d l e w a r e ，e t c t h e nd e s c r i b et h eb a s i ct h e o r yr e q u i r e d s e c o n d l y , s y s t e m i ca n a l y s i so fa s p e c t o r i e n t e dm i d d l e w a r e f i n a l l y , w ed e s c r i b et h er e f e r e n c em o d e lo fa o ma n dt h er e a l t i m ec o m p o n e n t m o d e l , a n dt h e nw ec o m b i n et h e s et w om o d e l sa r eam o d e lo fa o m f o rd i s t r i b u t e da n d r e a l - t i m es y s t e m , t h ed i s t r i b u t i o no ft h em o d e lw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dt h ew e e s t a b l i s h e dd i s t r i b u t i o nf i a m e w o r kb a s e do nt h i sm o d e l ，w ef o c u so nb u i l d i n ga d a p t i v e d i s t r i b u t i o nf r a m e w o r kb a s e do nt h i sm o d e lt h ef u n c t i o n so fd i f f e r e n tl a y e r so nt h i s m o d e la r ea n a l y z e dt h r o u g ht h ee x a m p l eo ft h ei n s t a n tm e s s a g i n gs e r v i c e k e y w o r d s ：a s p e c t - o r i e n t e dm i d d l e w a r e ；d e p e n d a b i l i t y ；d i s t r i b u t e d a n dr e a l t i m e s y s t e m ； a d a p t i v ed i s t r i b u t i o nf r a m e w o r k i i i 目录 摘要。 a b s t r a c t 。 目录 c o n t e n t s 第一章绪论 目录 i i 。v v i i i l 1 1选题的背景及意义l 1 2对国内外研究现状的分析2 1 2 1可信性研究现状2 1 2 2 可信中间件系统2 1 _ 2 3面向方面中间件3 1 2 4实时中间件4 1 2 5 面向方面的实时中间件4 1 3论文的主要工作及组织方式5 1 3 1论文的主要内容。5 1 3 2论文的组织方式5 第二章研究基础。6 2 1可信基本理论6 2 2可信分布式实时系统6 2 2 1分布式系统6 2 2 2实时计算7 2 2 3 实时系统7 2 2 - 4 实时系统的特征7 2 2 4 分布式实时系统9 2 2 5 可信分布式实时系统9 2 3中间件基本理论9 v 广东工业大学硕士学位论文 2 3 1中间件的起源9 2 3 2中间件的定义1 0 2 3 3中间件的分类1 0 2 3 4中间件的体系结构l l 2 3 5中间件的特点及优势1 2 2 3 6中间件的发展趋势l3 2 4可信中间件14 2 5实时中间件l4 2 5 1实时中间件的定义1 4 2 5 2实时中间件的设计原则1 5 2 6面向方面编程( a o p ) 概述l5 2 6 1a o p 简介15 2 6 2a o p 基本概念16 2 6 3a o p 开发过程1 6 第三章面向方面中间件 3 1面向方面中间件相关技术一1 8 3 1 1关注点的分离1 8 3 1 2 反射机制简介1 8 3 1 3 设计模式简介1 9 3 1 4 组件机制简介19 3 1 5 面向对象框架简介2 0 3 1 6自适应中间件简介2 0 3 2面向方面中间件开发方法。2 0 3 2 1面向方面软件开发方法( a o s d ) 简介2 0 3 - 2 2面向方面建模( a o m ) 开发方法简介2 1 3 - 2 3 基于组件的实时系统的面向方面开发方法( a c c o r d ) 简介2 l 3 3面向方面中间件的优势2 l 第四章可信分布式实时系统的中间件策略。 4 1分布式实时系统的面向方面中间件模型2 3 4 1 1面向方面中间件的参考模型2 3 目录 4 1 2 基层2 6 4 1 3 支持层2 6 4 1 4 应用服务层2 7 4 2分布式实时系统的面向方面中间件模型的分布性2 7 4 2 1分布性映射到基层的组件模型2 8 4 2 2 分布性映射基层的a p l 。2 8 4 2 3 分布性映射到基层的微核2 9 4 2 4 小结2 9 4 3分布式实时系统的面向方面中间件模型的分布性框架2 9 4 3 1 共同组件集3 0 4 3 2 服务器端3 0 4 3 3 客户端3 4 4 3 4 小结3 7 4 4分布式实时系统的面向方面中间件模型的自适应分布性框架3 8 4 4 1动态重配置支持( d y r e s ) 框架3 8 4 4 2 集成自适应分布性框架4 l 4 4 3 应用举例一即时通讯服务( i m s ) i 4 2 结论。q l i 参考文献。4 9 攻读学位期间发表的论文。5 4 独创性声明 致谢。 5 5 ! ；6 v 广东工业大学硕士学位论文 c o n 删t s chin e s ea b s t r a c t e n g l i s ha b s t r a c t i i c h l n e s ec o n t e n t s 。 e n g l l s hc o n t e n t s 。 c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 一v v i l l i 1 1 1t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2 t h ed o m e s i ca n do v e r s e a sr e s e a r c hs t a t u s 2 1 2 1 d e p e n d a b i l i t y 2 1 2 2 d e p e n d a b l em i d d l e w a r e 2 1 2 3 a s p e c t o r i e n t e dm i d d l e w a r e 3 1 2 gr e a l t i m em i d d l e w a r e 4 1 2 5a o mf o rd i s t r i b u t e da n dr e a l - t i m es y s t e m 4 1 3c o n t e n ta n dc h a p t e ro f t h i sa r t i c l e 5 1 3 1t h ec o n t e n to f t h i sa r t i c l e 5 1 3 2t h ec h a p t e ro ft h i sa r t i c l e 5 c h a p t e r 2r e s e a r c hb a s i s 6 2 1t h eb a s i ct h e o r yo fd e p e n d a b i l i t y 6 2 2 d e p e n d a b l ea n dd i s t r i b u t e dr e a l - t i m es y s t e m 6 2 2 1d i s t r i b u t e ds y s t e m 6 2 2 2r e a l - t i m ec o m p u t i n g 7 2 2 3r e a l t i m es y s t e m 7 2 2 4t h ec h a r a c t e ro fr e a l - t i m es y s t e m 7 2 2 4d i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e m 9 2 2 5 d e p e n d a b l ea n dd i s t r i b u t e dr e a l - t i m es y s t e m 9 2 3t h eb a s i ct h e o r yo fm i d d l e w a r e 9 v c o n t e n t s 2 3 1 o r i g i n a lo f m i d d l e w a r e 9 2 3 2t h ed e f m i t i o no fm i d d l e w a r e l0 2 3 3t h ec a t e g o r i e so fm i d d l e w a r e 10 2 3 4t h ea r c h i t e c t u r eo fm i d d l e w a r e 1l 2 3 5t h ef e a t u r e sa n da d v a n t a g eo fm i d d l e w a r e 1 2 2 3 6t h ed e v e b p m e n to fm i d d l e w a r e 13 2 4 d e p e n d a b l em i d d l e w a r e 1 4 2 5r e a l t i m em i d d l e w a r e 14 2 5 1t h ed e f i n i t i o no fr e a l t i m em i d d l e w a r e 1 4 2 5 2t h ed i s g np r i n c i p l e so fr e a l - t i m em i d d l e w a r e 15 2 6i n t r o d u c t i o nt oa s p e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ( a o p ) 15 2 6 1 i n t r o d u c t i o nt oa o p 11 ； 2 6 2t h eb a s i cc o n c e p t so f a o p 16 2 6 3 t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f a o p 16 c h a p t e r 3a s p e c t - o r i e n t e dm i d d l e w a r e 。1 8 3 1a o mr e l a t e dt e c h n o l o g i e s 18 ：；1 1 s e p a r a t i o no fc o n c e r n s 18 3 1 2r e f l e c t i o n 18 3 1 3 d e s i g np a t t e r n s 1 9 3 1 4 c o m p o n e n t 19 3 1 5 o b j e c t - o r i e n t e df r a m e w o r k s 2 0 3 1 6 a d a p t i v em i d d l e w a r e 2 0 3 2 a s p e c t - o r i e n t e dm i d d l e w a r ed e v e l o p m e n tm e t h o d 2 0 3 2 1 a s p e c t o r i e n t e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t ( a o s d ) m e t h o d 2 0 3 2 2 a s p e c t - o r i e n t e dm o d e l ( a o m ) m e t h o d 2 1 3 2 3 a s p e c t u a lc o m p o n e n t - b a s e d r e a l - t i m e s y s t e m d e v e l o p m e n t ( a c c o r d ) m e t h o d 2 1 3 3t h ea d v a n t a g e so f a o m 21 c h a p t e r 4t h es t r a t e g i e sf o rd e p e n d a b l ea n dd i s t r i b u t e dr e a l - t i m es y s t e m m i d d i e w a r e ：! ：； i x 广东工业大学硕士学位论文 4 1am o d e lo f a o mf o rd i s t r i b u t e da n dr e a l - t i m es y s t e m 2 3 4 1 1t h er e f e r e n c em o d e lo f a o m 2 3 4 1 2b a s el a y e r 2 6 4 1 3 s u p p o r tl a y e r 2 6 4 1 4 a p p l i c a t i o ns e r v i c el a y e r 2 7 4 2d i s t r i b u t i o nf o rm o d e lo f a o mf o rd i s t r i b u t e da n dr e a l - t i m es y s t e m 2 7 4 2 1 m a p p i n gt ot h ec o m p o n e n t m o d e l 2 8 4 2 2 m a p p i n g t ot h ea p l 2 8 4 2 3 m a p p i n gt ot h em i c r o k e m e l - 2 9 4 2 4d i s c u s s i o n 2 9 4 3d i s t r i b u t i o nf r a m e w o r kf o rm o d e lo fa o m f o rd i s t r i b u t e da n dr e a l - t i m e s y s t e m 2 9 4 3 1c o m m o nc o m p o n e n t s 3 0 4 3 2 t h es e r v e rs i d e 3 0 4 3 3 t h ec l i e n ts i d e 3 4 4 3 4 d i s c u s s i o n 3 7 4 4 a d a p t i v ed i s t r i b u t i o nf r a m e w o r kf o rm o d e lo fa o m f o rd i s t r i b u t e da n d r e a l t i m es y s t e m 3 8 4 4 1 d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n ( d y r e s ) f r a m e w o r k ”3 8 4 4 2 i n t e g r a t e df r a m e w o r kf o ra d a p t i v ed i s t r i b u t i o n 二4 l 4 4 3i n s t a n tm e s s a g es e r v i c e ( i m s ) ”4 2 c o n c l u s i o n r e f e r e n c e s p u b l i c a t i o n sd u r i n gm a s t e r ss t u d y p r o m e t h e a na n n o u n c e m e n t 4 8 4 9 5 4 a c k n o w l e d g e m e n t 5 6 x 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论帚一早珀t 匕 上个世纪9 0 年代以来，随着计算机软硬件的迅速发展和网络的广泛使用，分布式 实时系统需要在异构和动态的环境下协同工作。传统的分布式实时系统必须通过专 门的定制以便能在专用的平台上操作，这样提高了分布式实时系统的复杂性和开销。 当前主流运用的分布式实时系统都是建立在中间件的基础上，中间件主要用于解决 异构性和互操作性相关的问题，对软件开发者屏蔽底层的、繁琐的和易错的平台细 节，分布式实时系统借助这种中间件在不同的系统之间共享资源。 分布式实时系统要求严格的服务质量以实现系统的时间可预测性，比如带宽、 执行时间、可靠性等，同时多数嵌入式设备的内存、处理器和电源等资源受限。因 为分布式实时系统具有分布性、实时性、动态性和自治性等特点，使得分布式实时一 系统开发、部署和运行等十分复杂。日趋增多的应用领域，尤其是电力、电信、航空 航天、工业实时控制等关键业务应用领域，对分布式实时系统提出了新的挑战。在这 些关键业务应用领域，一旦系统发生故障，将会给社会造成难以估量的生命财产损失， 甚至带来巨大的灾难，例如最近发生的波兰总统专机坠毁事件。因此，如何为这类应 用提供可信性支持，也就成为推动分布式实时系统中间件技术发展的关键。 传统中间件体系结构往往受制于通用性过强而可剪裁性不足n ，体系结构变化 过快而重用性不足乜，因此中间件的开发、配置、部署、修改和演化十分复杂。因 此中间件内部需要增强模块性，外部通过更成熟的范型。为了实现可信分布式实时 系统的相关需求，中间件平台需要是可配置的、可重配的、可定制的和可扩展的b ，。 基于面向方面的中间件构建技术，能够把中间件中的分布性、实时性、安全性、 监控、容错等横切关注分离出来，形成独立于中间件的核心功能的方面，不仅中间 件实现了系统零侵入的实时扩展或重构，而且实现了中间件核心功能关注点和系统 横切关注点的并行设计、开发和测试。中间件体系结构通过实现良好模块化，可配 置性，部署时或运行时的可剪裁性以平衡分布式实时系统中间件的通用性和专用性， 同时也满足了其性能、可靠性和灵活性的需求。 广东工业大学硕士学位论文 1 2 对国内外研究现状的分析 1 2 1 可信性研究现状 在软件系统的开发过程中，软件开发者为了解决系统可信性的问题，最初的策 略是针对具体的应用服务以达到某种目标，例如如何设计出健壮的应用程序，随着 系统复杂性的提高，人们认识到解决软件可信性的问题不能用单一的方法，必须在 系统的基础结构上保证可信性。 软件的高可信性研究涉及到应用软件和系统软件。对于应用软件，可以采用实 时容错技术、冗余技术、进程迁移技术、进程检查点技术，、各种监视检测技术捧 等。对于系统软件，可以考虑设计时对可信性的支持。 1 2 2 可信中间件系统 分布式实时系统的开发和运行的平台通常是中间件。对可信分布式实时系统而 言，可信中间件( d e p e n d a b l em i d d l e w a r e ) 有着重要的作用，因为可信分布式实时系 统需要大量复杂的机制，如复制对象、系统故障检测和恢复等，而中间件可以实现 这些机制。 e l e c t r 小，系统是瑞士苏黎士大学的研发的可性分布式对象服务框架，其目标是 通过扩展o r b 核心以支持可信性，该系统能提供可靠的分布式通信。 o r b i x + i s i # 系统是商用的可信中间件系统。其目标是通过修改o r b i x 核心以实 现与组通信系统i s i s 的有效集成，每个服务实现类都要具体地从一个基类继承以获 得可信对象组的行为。 a q u a t 町系统是美国伊利诺斯大学和朗讯贝尔实验室联合研发的可信中间件系统， 其目标是提供一个适应性可信计算基本框架以支持分布式应用程序。 e t e r n a l t 引系统是美国加州大学巴巴拉分校自主研发的可信中间件系统，其目标 是提供透明的可信计算基础设施以支持分布式应用程序。该系统运用拦截器将截获 到的o r b 至u 传输层的i i o p 消息重新映射到底层可靠的组通信系统t o t e m n 。，中，然后发 往服务器对象。该系统不仅能以更小的系统开销提供支持可信计算的服务功能，而 2 第一章绪论 且能支持主动复制和被动复制，在克服多线程c o r b a 内在的不确定性的同时，还引入 了容错域的概念。 o g s t 川系统是瑞士联邦工学院洛桑分校研发的可信中间件系统，其目标是为分布 式应用程序提供可信性需求。该系统通过在o r b 之上为应用程序定义相应的i d l 接口， 实现了一组通用的服务以支持容错。 r o a f t s n 钉系统是加州大学埃尔文分校研发的自适应可信中间件系统。其目标是 通过透明地监控和自适应重配系统资源的方式为实时系统提供可信性支持。 d o o r s “3 - 系统是l u c e n t 贝尔实验室的研究项目。其目标是将支持可信计算服务的 机制和策略作为o r b 之上的通用服务对象加以实现，从而为分布式应用程序提供可信 性支持。d o o r s 主要侧重于被动复制策略，并未对组通信和虚同步模型提供支持。该 系统允许软件开发者选择可靠性级别、故障检测机制、复制策略和恢复策略。 1 2 3 面向方面中间件 中间件系统研究组织针对传统中间件的方面化演化，展开面向方面中间件的研 究。国际中间件会议在不断地研究面向方面中间件对传统中间件构建方法的作用和 方法改进。a o s d e u r o p e n 引对面向方面中间件日益复杂化趋势提出了面向方面中间件 的参考模型。面向方面中间件现在能根据可用上下文信息动态组合，从而可以更精 确地描述远程事件的复杂组件，更好地抽象这种复杂性。 a s p e c t j 2 e e e t “，依赖中间件j 2 e