（计算机科学与技术专业论文）基于微内核的中间件自适应机制研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 中间件是普适计算环境下的重要基础软件。普适计算泛在、动态和开放的特 点要求中间件有能力对自身进行调整，从而适应应用环境的变化。然而，现有普 适计算中间件的自适应机制存在如下三个较突出的问题：自适应模型与实现技术 或使用场景紧密相关，抽象层次较低；结构较难扩展，难以应对普适应用需求的 快速增长；自适应逻辑与中间件业务逻辑混杂，使得自适应逻辑难以理解、修改 和重用。 微内核技术作为一种体系结构设计模式，强调动态可裁剪性和可扩展性。本 文使用微内核技术作为中间件的架构基础，借鉴反射技术、构件技术和a o p 方面 分离思想，提出了基于微内核的中间件自适应模型m m a m ，通过一阶时序逻辑对 模型进行形式化建模，系统化地给出了中间件自适应机制的形式规约，并以上述 模型为基础，设计了基于微内核的自适应中间件内核m a m k 。通过构件模型封装 中间件服务和自适应逻辑，在事件引擎驱动下实施中间件自适应行为，较好地达 到了普适计算对中间件适应性、扩展性要求的目标。 本文主要研究工作包括以下几个方面： ( 一) 研究了自适应中间件的基础概念、关键技术，对比分析典型项目，选 择微内核技术作为中间件自适应机制的架构基础，并重点研究了微内核技术的内 涵和应用现状。 ( 二) 提出了基于微内核的中间件自适应模型m m a m 。该模型采用“组件+ 连接子抽象中间件软件结构，使用面向方面的内核实体封装自适应逻辑，通过 内核自省机制和事件机制驱动中间件自适应行为。给出了m m a m 的形式化规约， 通过一阶时序逻辑描述该模型中的自适应实体、自适应行为和可重用的自适应逻 辑。 ( 三) 基于m m a m 模型，设计了基于微内核的自适应中间件内核m a m k 。 通过构件模型封装中间件服务，增强中间件的适应性和扩展性；通过构件化的自 适应方面，在事件引擎驱动下访问内核反射接口，实施中间件自适应行为。 ( 四) 实现了m a m k 原型系统，结合实际场景做了测试分析。结果表明： m a m k 具有良好的可扩展性，并能根据环境的变化，动态调整中间件组成结构。 主题词：普适计算，中间件，自适应，微内核 第i 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t m i d d l e w a r ei sa ni m p o r t a n ti n f r a s t r u c t u r ei np e r v a s i v ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fu b i q u i t y ，d y n a m i c sa n do p e n n e s s ，p e r v a s i v ec o m p u t i n g r e q u i r e sm i d d l e w a r et ob ea b l et oa d a p tt ot h ee n v i r o n m e n tc h a n g e s h o w e v e r ，t h e r ea r e t h r e er e m a r k a b l ed e f e c t si na d a p t i v em e c h a n i s mo fe x i s t e dm i d d l e w a r e f i r s t m o s to f a d a p t a t i o nm o d e l sa r e a tal o w e ra b s t r a c tl e v e lf o rb e i n gc l o s e l yr e l a t e dt ot h e i m p l e m e n tm e t h o d so ra p p l i c a t i o nf i e l d s s e c o n d ，i ti sd i f f i c u l tt oe x t e n dt h em i d d l e w a r e a r c h i t e c t u r et of u l f i l lt h er a p i d - g r o w i n ga p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s t h i r d t h ei m p l e m e n t o fa d a p t a t i o nl o g i c sa r es c a t t e r e dt h r o u g h o u tt h eb u s i n e s sc o d e ，r e s u l t i n gi nt h et a n g l e d a d a p t a t i o nl o g i cc o d et h a ti sd i f f i c u l tt ou n d e r s t a n d m a i n t a i na n dr e u s e m i c r o k e m e lt e c h n o l o g yi sa na r c h i t e c t u r e d e s i g np a t t e r nw h i c he m p h a s i z e s a d a p t a b i l i t ya n de x t e n s i b i l i t y b a s e do nm i c r o k e r n e lp a t t e m ，t h i st h e s i sp r o p o s e sa p e r v a s i v em i d d l e w a r ea d a p t a t i o n m o d e lb y u t i l i z i n gc o m p o n e n t ，c o m p u t a t i o n a l r e f l e c t i o na n da s p e c t - s e p a r a t i o nc o n c e p t b yf o r m a l i z i n gt h i sm o d e lw i t hf i r s t o r d e r l o g i c ，t h i st h e s i sg i v e saf o r m a ls p e c i f i c a t i o no fm i d d l e w a r ea d a p t a t i o nm e c h a n i s m s y s t e m a t i c a l l y b a s e do nt h i sm o d e l ，t h i st h e s i sd e s i g n sa n di m p l e m e n t sa na d a p t i v e m i d d l e w a r ek e r n e lw h i c hr e a l i z e st h e o b j e c t i v eo fm i d d l e w a r ea d a p t a b i l i t ya n d e x t e n s i b i l i t yb yu s i n gc o m p o n e n tt oe n c a p s u l a t em i d d l e w a r es e r v i c e sa n da d a p t i v e l o g i c s ，a n du s i n ge v e n t d r i v e ne n g i n et oc a r r yo u ta d a p t i v eb e h a v i o r 1 1 1 ec o n t e n to ft h i st h e s i sc a nb eg e n e r a l i z e da sf o l l o w s ： f i r s t ，t h i st h e s i ss t u d i e st h ep r i n c i p l e sa n dk e yt e c h n o l o g i e so fa d a p t i v em i d d l e w a r e ， a n a l y z e sa n dc o m p a r e ss e v e r a lt y p i c a lp r o j e c t s ，t h e nc h o o s e sm i c r o k e r n e lt e c h n o l o g ya s t h ea r c h i t e c t u r ef o u n d a t i o no fm i d d l e w a r ea d a p t i v em e c h a n i s ma n dd o e sr e s e a r c ho ni t s e s s e n c ea n da p p l i c a t i o n s s e c o n d ，t h i st h e s i sp r e s e n t sm i c r o k e m e lb a s e dm i d d l e w a r ea d a p t a t i o nm o d e l ( m m a m ) t h em o d e ld i v i d e st h em i d d l e w a r es t r u c t u r ei n t oc o m p o n e n t sa n dc o n n e c t o r s a n du s e sa s p e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g yt oe n c a p s u l a t ea d a p t a t i o nl o g i c 1 1 1 em i d d l e w a r e a d a p t i v eb e h a v i o ri sd r i v e nb yk e r n e li n t r o s p e c t i o na n de v e n ti n t e r a c t i o nm e c h a n i s m t h em o d e lu s e sf i r s t - o r d e rt e m p o r a ll o g i ct of o r m a l i z ea d a p t i v ee n t i t i e s ，a d a p t i v e b e h a v i o ra n dr e u s a b l ea d a p t a t i o nl o g i c t h i r d ，b a s e do nm m a m ，t h i st h e s i sd e s i g n sm i c r o k e r n e lb a s e da d a p t i v e m i d d l e w a r ek e m e l ( m a m k ) o nt h eo n eh a n d ，m i d d l e w a r es e r v i c e sa r ee n c a p s u l a t e d b ym a m ks e r v i c ec o m p o n e n tt oe n h a n c em i d d l e w a r ee x t e n s i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t y o nt h eo t h e rh a n d m a m ke v e n t d r i v e ne n g i n ed r i v e st h e a d a p t i v e a s p e c tc o m p o n e n t t o c a r r yo u tm i d d l e w a r ea d a p t i v eb e h a v i o r sw i t ht h eh e l po fk e r n e li n t r o s p e c t i o n m e c h a n i s m f i n a l l y ，t h i st h e s i si m p l e m e n t sm a m kp r o t o t y p ea n dd o e sa ne x p e r i m e n tw i t h 第i i 页 垦防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a c t u a ls c e n e sf o rv a l i d a t i o n t h ee x p e r i m e n tr e s u l tt u r n so u tt h a tm a m ki sg o o da t e x t e n s i b i l i t y ，a n dc a nd y n a m i c a l l ya d j u s ta n dc o n f i g u r em i d d l e w a r ew i t ht h ec h a n g e so f e n v i r o n m e n t 。 k e yw o r d s p e r v a s i v ec o m p u t i n g ，m i d d l e w a r e ，a d a p t a t i o n ，m i c r o k e r n e l 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1中间件适应能力分级表8 表2 2自适应中间件对比分析表1 5 表2 3 微内核设计模式中各部分职责和协作关系对比表1 8 表3 1t e s t m i d 自适应过程表3 3 表4 1m a m k 设计所用技术总揽表3 7 表4 2 构件生命周期状态含义4 0 表4 3 自适应方面构件与服务构件的异同5 1 表5 1自主单元核表( 单位k b ) 6 3 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图4 图4 图4 图4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图目录 经典的四层中间件结构分类视图8 反射体系1 0 o p e n c o r b a 元类反射机制1 2 o p e n o r b 的反射模型1 2 f l e x i n e t 细粒度自适应机制1 3 q u o 体系结构13 a s p e c t l x 分片对象模型1 4 c i a o 体系结构o 1 4 微内核操作系统与巨内核操作系统对比l6 微内核设计模式结构图1 7 微内核和内部服务的关系1 7 微内核模式中客户使用外部服务顺序图1 8 m m a m 概念结构2 2 m m a m 自适应流程2 4 组件加载2 8 组件卸载2 9 组件使用接口重绑定3 0 组件替换31 组件升级31 t e s t m i d 系统结构3 2 t 4 时刻t e s t m i d 系统结构3 4 执行完毕后t e s t m i d 系统结构3 4 m a m k 总体结构3 6 构件生命周期状态转换图4 0 构件类型信息文件语法4 1 构件提供接口和使用接口的例子4 2 构件生命周期管理模块4 2 构件生命周期管理引擎4 3 构件状态保存和恢复4 4 构件运行时管理器4 4 线程生命周期4 5 构件接口适配器4 5 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院颈 ：学位论文 图4 。ll 图4 1 2 图4 1 3 豳4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图 图 图 图 图5 9 图5 1 0 图5 。11 豳5 。1 2 图5 1 3 悉囱接口的连接子设计，4 6 构件依赖关系维护模块结构图4 7 事件交互模块4 8 自适应方面构 孛5 0 臼适应方面构件使用m a m k 核心接翻5l m a m k 自适应流程5 2 鸯主单元总体结构5 3 微内核类图。5 4 构件类实现5 6 构件元信息数据结构5 7 构件接豳代理实现5 8 构件连接子实现5 8 构件加载顺序图5 9 构件卸载顺乎图6 0 构件接豳重绑定顺序图6 0 构件升级顺序图6 l 囱适应决策伪码描述6 2 融主单元壳内部结构变化6 3 自主单元内存占用( 单位k b ) 6 4 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：基王邀凼趑的主闻往自适廛扭剑盟壅量塞理 学位敝储签名：奎墨型 魄刀咿年压晔 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：基王邀卤挞鲅主闻佳自重廑扭剑盈窥生塞理 学位论文作者签名：垄丝 日期：2 d p 脾压月2 产日 厂、 作者指导教师签名：垂纽= 丝 日期：争w t 占年1 1 月_ 泪 国防科学技术大学磁究生貌硕士学位论文 第一章引言 在普适计算环境中，计算技术囱然的融入人类生活中，成为人类认知能力的 延拓。人类将不再受制于物理世界或者信息世界在时空上的束缚，而自由的享受 计算技术革颏为生活带来的便利。普适计算模式的变革是一个由量变至l 质变的过 程，离不开众多支撑技术的发展与推动。中间件作为一种重要的软件基础设施在 普适计算的发展过程中扮演着重要的角色。然而，传统中间件往往针对的是静态 封闭的企业计算环境，难以满足普适计算泛在、动态、开放的特质。普适计算动 态变化的软硬件环境、快速成长的应用需求要求中闻件具有适应性和扩展性。中 间件自适应机制的研究成了当前普适计算领域的研究热点。 1 1 课题背景 随着嵌入式设备帮无线网络技术的发展，具有智能化、微型化、多种网络接 入手段等特点的计算设备的出现逐渐改变着人们使用计算机的方式，催生一种新 的计算模式：普适计算。普适计算将人们从“以计算机为中心 的计算模式带到 “以入为中心 的计算模式。西前，普适计算及其中间件己成为当前计算机领域 的发展潮流之一，成为学术界和工业界的研究热点。 l 。1 。1 普适计算 靠意义最深邃的技术是那些不可见的技术，它们将蠢身融入人们的吕常生活 直至不可区分1 1 】。普适计算的概念最早由x e r o x 公司p a l oa l t o 研究中心的m a r k w e i s e r 首次提出。其思想可归纳为计算设备隐入任务环境，透明地为人提供服务； 入与计算设备的交互隐式进行。w e i s e r 的这一思想具有划时代的意义，为计算技 术的发展揭开了新的一页。以计算枕与人的关系为分析维度，把w e i s e r 提出这一 思想的时间做为分界点。以前的时代是以计算机为中心，计算机牢牢控制了人求 解任务的过程，入被束缚在计算机的使用细节上。以后的时代是以人为中心，入 使用计算机就像使用水、电一样方便，不用关心计算机的使用细节，甚至根本不 感知计算机的存在。w e i s e r 的这一思想意义深远，开创了一个新的研究领域，吸 引了学术界和工业界的广泛研究。 随着研究力度的加强，人们对普适计算的认识也交得越发深刻。不同的学者 从不同的方蘧研究普适计算，为普适计算的研究做出了贡献。 国外学者开展普适计算的研究起步较早，成果比较卓著。s a t y a n a r a y a n a n 分析 了分布计算、移动计算到普适计算的发震轨迹，总结出普适计算的研究问题：智 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 能空i n ( s m a r ts p a c e s ) 、不u j 见。i 生( i n v i s i b i l i t y ) 、本地化扩展( l o c a l i z e ds c a l a b i l i t y ) 和 掩盖非均匀调节( m a s k i n gu n e v e nc o n d i t i o n i n g ) 口j 。d e b a s h i ss a h a 提出了一种基于 设备、网络、中间件、应用的四层普适计算模型，并将普适计算的挑战归纳为扩 展性、异构型、集成性和不可见性，他还特别强调异构软硬件设备数量巨大而带 来的问题【3 】。d a v i dg a r l a n 是知名普适计算项目a u r a 的主持者，a u r a 综合了硬件、 操作系统、中间件、应用软件和用户体验各个层次的研究成果，提出了一种系统 级自适应的的普适计算软件体系结构【4 1 。g u r u d u t hb a n a v a r 从移动计算应用软件模 型在普适计算中的不足出发，总结出了普适计算应用软件模型应具有的特点：开 发时设备无关、载入时动态配置、运行时可监控【5 】。这一模型将设备看做计算资源 的访问门户，把应用看做一组表达用户意图的任务集合，把计算环境看做用户感 知范围的延伸。 国内研究学者在普适计算领域的研究也比较显著。清华大学的徐光祜和史元 春提出信息空间与物理空间的融合是实现普适计算“随时随地”和“透明”的途 径1 6 】。围绕信息空间与物理空间融合这一概念，他们在上下文感知计算、智能空间 和系统软件等领域了开展了卓有成效的研究。浙江大学的郑增威和吴朝晖分析了 国外知名普适计算项目的研究内容和特点，讨论了普适计算应用层次化模型的设 计，将普适计算的特点归纳为无所不在、互联和动态性。北京大学人机交互多媒 体研究室的岳玮宁和董士海从认知心理学的角度分析了普适计算的用户认知特 征，提出了“多模型+ 上下文敏感”( m u l t i m o d e l + c o n t e x t s e n s i t i v e ) 的人机交互框 架【7 1 。 国防科技大学计算机学院将普适计算的特点概况为三个方面：泛在性、便捷 性、适应性捧j 。泛在性在物理维度上表现为广泛存在的环境感知、无处不在的网络 接入和多种多样的人机交互；便捷性在应用维度上表现为用户以最自然( 甚至不 觉察) 的方式享受丰富的计算服务；适应性在系统维度上表现为运行支撑环境可 感知上下文并适应其变化。其中适应性是普适计算软件支撑平台的核心，它保证 普适计算应用能够运行于泛在的物理设备之上并表现出便捷的行为特点。 1 1 2 中间件技术 随着互联网的出现，如何在分布式的计算环境中，将异构的网络通信协议、 应用接口和系统软件集成起来成了一个棘手的问题。工程和科研人员采用一种称 为中间件的解决方案。 ( 1 ) 中间件的概念和分类 北京大学的梅宏教授从狭义和广义两个角度给出了中间件的定义【9 】： 1 ) 狭义中间件。中间件处于网络环境中，是位于操作系统等系统软件和应用 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 程序之问的起连接作用的分布式软件。中l u j 件通过应用程序接u 的彤式为上层提 供一组软件服务，使得网络环境中的若干进程、程序或应用可以方便地交互和协 同。 2 ) 广义中间件。中间件通指中间层的软件，是处于传统系统软件和应用程序 之间的中间层次的软件，为应用软件的开发和运行提供更为直接和有效的支持。 与狭义的定义不同，广义上的中间件在软件层面包含的范围更广，而且为上层应 用提供的支持更多、更全面。 关于中间件的分类，伦敦大学的w o l f g a n ge m m e r i c h 将主流的中间件划分为四 大类，包括：面向过程的中间件、面向对象中间件、面向消息中间件和分布式事 务处理中间件【l 们。 1 ) 面向过程中间件。面向过程中间件使得分布式应用可以通过过程调用的方 式相互通信。面向过程中间件完成调用数据传输、过程绑定和结果数据传输等底 层、复杂和容易出错的网络编程工作，为上层系统提供简单的过程调用接口。面 向过程中间件有较好的异构支持能力，但在易剪裁性和容错方面有一定的局限性。 其主要产品有o p e ns o f t w a r ef o u n d a t i o n 的d c e ，m i c r o s o f t 的r p cf a c i l i t y 等。， 2 ) 面向对象中间件。在分布异构的网络环境中，面向对象中间件采用对象模 型将各种分布式对象有机地结合在一起，完成系统的快速集成。面向对象中间件 标准化较好，功能较强，适用面较广。典型的面向对象的中间件包括：微软公司 的c o m 体系、o m g 组织的c o r b a 体系以及s u n 公司的e j b r m i 体系。 3 ) 面向消息中间件。消息中间件使用消息为载体进行通信管理，其核心是消 息队列和消息传递。消息队列是一种间接通信模型，其通信基于队列来完成。而 消息传递是一种直接通信模型，其消息被直接发给感兴趣的应用实体。典型的消 息中间件包括i b m 公司的m q e s r i e s 、微软公司的m e s s g a i n g q u e u i n g 以及s u n 微 电子公司的j a v a m e s s a g e q u e u e 。 4 ) 分布式事务处理中间件。在大型数据管理中，分布式事务中间件负责对事 务进行管理和处理，为联机事务处理提供通信支持、并发访问控制、事务控制、 资源管理和安全管理。典型的分布式事务中间件包括：b e a 公司的t u x e d o 和东方 通公司的t o n g e a s y 。 ( 2 ) 普适计算时代的中间件技术 普适计算中间件是当前普适计算领域的研究热点之一，学术界和工业界已获 得了较大的成果。伊利诺斯州大学m a u e lr o m a n 主持开发了基于“主动空间( a c t i v e s p a c e ) 概念的普适计算软件基础设施g a i a 1 1 】，将普适计算环境和应用程序空间 作为一体化的可编程环境来管理；纽约大学r o b e r tg r i m m 等开发的普适计算软件 集成框架o n e w o r l d t l 2 】，强调暴露而不是屏蔽分布性，支持普适计算应用系统动态 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 变化、自由组合和资源泛在共享；亚利桑那州大学s t e p h e ns y a u 等开发了面向移 动自组网络、上下文感知的普适计算中间件r c s m 1 3 】，为上下文敏感的应用软件 提供透明的通信机制；德国斯图加特大学c h r i s t i a nb e c k e r 等开发了统一异构设备 和软件服务接口的普适计算中间件b a s e 1 4 】，并在其基础上开发了强调普适计算构 件支持的中间件p c o m t l 5 】，通过构件协约描述构件间依赖关系，借助用户预定义 策略支持构件的动态组合；德国达姆施塔特技术大学e r w i na i t e n b i c h l e r 主持开发 了普适计算网络通信中间件m u n d o c o r e 1 6 】，具有传输、路由、代理、语言绑定和 应用共五层的抽象通信协议栈，可动态配置实现多种普适计算通信协议。 总结以上综述的普适计算中间件，可以看出现有普适计算中间件呈现出适应 性、扩展性和不完全透明性等特点。 1 ) 适应性是普适计算中间件的核心特征。适应性使得普适计算中间件及其上 软件能够适应动态变化的计算环境，并且这种适应过程对用户透明。r c s m 、 m u n d o c o r e 强调通信适应性。b a s e 通过可动态插拔的服务插件支持中间件服务 能力的适应性。p c o m 以用户预定义策略支持应用层构件的适应性。中间件对适 应性的支持从中间件体系结构上可自下而上分为上下文感知、中间件层自适应和 应用软件层自适应支撑三层。 2 ) 扩展性指普适计算中间件在普适计算软硬件技术快速发展的趋势下，能够 扩充自身能力以满足新增应用需求对中间件服务功能的要求。g a i a 提出了一种基 于扩展m v c 的应用框架模型。p c o m 通过较严格的构件模型支持中间件扩展。 m u n d o c o r e 的通信协议栈可定制新的协议模块。扩展性一方面要求中间件是一个 开放的软件结构，能够吸收新的功能模块以扩充服务能力；另一方面要求扩充机 制是方便易用的，能够在中间件上较快的开发新的模块，及时满足应用需求。 3 ) 不完全透明性指普适计算中间件不应完全屏蔽底层细节。因为对环境的感 知能力是普适计算应用软件的关键之一。如果中间件完全屏蔽底层的异构性和动 态变化，则上层应用无法以高效的方式适应环境的变迁。普适计算中间件可以通 过提供统一的上下文感知接口、自身的q o s 参数的调整和相应的反射机制来实现 这种不完全透明性。不完全透明性的典型代表是o n e w o r l d 强调的暴露异构性。 1 2 研究动机 中间件作为支撑软件开发、运行、集成的重要基础设施，是实现普适计算“随 时随地、又不可见 的目标的关键技术。然而在面向普适计算的自适应中间件研 究中，存在着如下几个突出的问题，具有一般性，值得本文展开研究。 1 ) 在抽象层面，缺乏系统化的自适应模型的指导。当前，绝大多数普适计算 中间件自适应机制的研究仅停留在实现技术层面，造成中间件自适应能力与实现 第4 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 技术或使用场景紧密相关，缺少一种高层的、具有普遍意义的抽象模型。 2 ) 在架构层面，存在结构难以扩展的问题。现有研究成果主要集中在对系统 组成结构的动态调整上，较少考虑系统本身的成长性。而普适计算作为一个新兴 的研究领域，因技术进步而带来的应用需求增长很快，中间件应具有系统化、规 范化的服务扩充能力以应对应用需求增长而带来的挑战。 3 ) 在实现层面，存在自适应逻辑和业务逻辑混杂的问题。一般的中间件自适 应方法都是将自适应逻辑与中间件业务逻辑交织在一起，使得自适应逻辑本身的 修改意味着系统的重启或重新编译生成。自适应逻辑作为一种重要的软件知识资 产未能得到有效的管理和利用。 针对现有研究的上述不足，本文将以普适计算环境为背景，研究自适应中间 件相关技术，提出系统化的中间件自适应模型，设计实现原型系统并进行实验分 析与评价。 1 - 3 研究内容与贡献 本文从普适计算、中间件技术出发，深入研究了普适计算的内涵及其对自适 应中间件的要求，调研分析了自适应中间件相关技术。通过对各种自适应技术的 比较分析，本文选择微内核技术作为自适应中间件的架构基础，研究基于微内核 的中间件自适应模型及其构造技术。具体的研究内容和贡献分以下三点： 1 ) 提出了种基于微内核的中间件自适应模型。本文从抽象模型层次出发， 以阶逻辑描述自适应中间件组成结构，以扩展的时序逻辑描述自适应行为，结 合实际的场景演示了模型的表达能力。 2 ) 基于本文提出的中间件自适应模型，设计了基于微内核的自适应中间件内 核。本文提出了一种称为中间件服务构件模型的微内核中间件服务封装方法，介 绍了基于该构件模型的微内核中间件核心模块的设计，再通过构件化自适应逻辑 的方法提高中间件自适应逻辑的复用性。 3 ) 将基于微内核的自适应中间件内核集成在8 6 3 课题“面向普适计算的自适 应软件平台中，通过结合实际应用场景的实验验证了本文工作的有效性。 1 4 论文结构 本文剩余篇幅组织如下： 第二章介绍相关技术研究情况。首先介绍自适应中间件的研究基础和现状， 包括自适应中间件定义与分类、自适应关键技术和研究项目的综述。其次，对本 文所采用的技术路线微内核技术展开分析，就微内核技术的内涵和应用现状做了 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 综述。 第三章论述基于微内核的中间件自适应模型。首先给出高层概念结构，描述 微内核组成结构和自适应流程。其次，基于一阶时序逻辑对自适应机制建模，从 自适应实体、行为和方面三个角度分别阐述。最后，利用一个简单的场景验证自 适应模型的表达能力。 第四章在中间件自适应模型研究的基础上，设计自适应中间件内核原型，论 述了中间件服务构件模型、核心模块和自适应方面的设计。 第五章简述系统实现和应用背景，并结合一个实验对中间件进行评价。 第六章总结全文并对未来的工作提出了研究思路。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章相关技术研究 自适应中间件及微内核技术是与本文工作密切相关的两个方面，对其技术内 涵和研究现状的深入分析可以为后续研究奠定基础。从普适计算对中间件自适应 的要求出发，本章首先阐述了融适应中间件的基础概念、基于适应能力的中阀件 分类方法和自适应中间件关键技术，对典型自适应中间件项目作了对比分析；其 次对作为本文工作基础的微内核技术及其应用现状作了详细介绍。 2 。1 自适应中间件 普适计算具有的泛在性、动态性和开放性的特点对中间件提出了挑战，传统 中间件已很难胜任普适计算对中间件适应性、扩展性和不完全透明性的要求。在 中间件中弓l 入自适应技术而产生的所谓自适应中间件成了当前普适计算中间件的 研究热点之一。 2 1 1 自适应中闫件的定义 到目前为止，学术界还没有给出一个关予自适应中间件的明确定义。s 积 a d i 认力叁适应中间件可以在应用软件开发完毕后，根据功能需求或运行环境的变化 修改分布应用的行为l l7 1 。g u l a ，a g h a 认为自适应中间件具有动态配置性和高级抽 象性，能够简化应用的复杂交互模式i 硌l 。m i l a n f r a n c o 认为自适应中间件能感知环 境，调整自身以应对环境的变化，来追求性能的最大纯嘲。 现有的关于自适应中间件的定义，可分支持应用自适应的中间件和自身具备 自适应能力的中间件两类。本文倾向于第二类定义，即自适应中间件是类特殊 的中间件，除了具有传统中间件屏蔽分布异构性，为应用开发、运行和集成提供 支持终，还具有自适应机n - 能够在运行时感知环境，根据环境的变化修改自身， 以此来适应环境的变化【1 9 1 。“修改”有两层含义，包含中间件组成结构调整和运 行参数配置两部分。1 ) 组成结构调整包括功能模块的添加、删除或模块间连接关 系的修改。2 ) 运行参数配置指对功熊模块允诺服务的修改，包括行为模式的配置、 q o s 参数配置或其它非功能性配置等。定义中所指的“环境变化”指中间件所能感 知的物理空间或信息空间中的状态变化，如网络断链、内存溢出、消息到达或中 间件服务异常等。 2 1 2 自适应中间件的分类 s c h m i t 曾提出一种经典的四层中间件结构分类视副蒯，按照主机基础设施、 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 分布式支持、公共服务和领域服务分类。如图2 1 所示。 中间件层 图2 1 经典的四层中间件结构分类视图 这种层级分类方法一方面体现了中间件系统的历史演化轨迹，从底层基础设 施支持中间件发展到领域相关中间件；另一方面这种分类方式按照中间件的职能 划分，逻辑关系清晰，体现了不同中间件应用目标的不同。然而，本文所关注的 并不是中间件在不同应用领域的分类问题，而是从自适应中间件的实质目标自适 应的角度进行分类。为此，本文采用适应能力分级的方式分类自适应中间件，共 分5 级，级别越高自适应机制越灵活。如表2 1 所示。 表2 1中间件适应能力分级表 含义白适应时机 0 级 静态中间件 无 i 级 可定制中间件编译时 2 级 可配置中间件运行前 3 级 可调中间件运行时外界控制 4 级 可变中间件运行时自主适应 0 级自适应 实际上就是非自适应中问件。 1 级自适应 可定制中间件。指程序员在开发中间件时，通过编译链接不同的模块而使中 间件表现出不同结构或者行为特征。这种中间件的软件结构划分比较清晰，程序 员在设计时将中间件中存在变化的部分分离处来，以备编译链接时调整。常见的 定制方法是配置编译器的编译选项【2 l 】。近年来随着a o p 技术的兴起，将a o p 方 面静态编织【2 2 】入中间件也可看做定制的一种手段。此类中间件的典型代表是q u o 、 e m b e d d e d j a v a 。 第8 页 一一一一一一一一一一一 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 2 级自适应 可配置中间件。不同于可定制中间件，这种中间件的自适应时机在编译时期 后、程序启动前，常见的自适应手段是通过配置文件、命令行输入参数1 2 3 】或者其 它方式设置中间件的启动参数，使中间件适应应用需求或者运行环境的特点，如 o r b 的端口配置。典型代表是e t e r n a l 、i l u 和r o c k s 。 3 级自适应 可调中间件。指在中间件运行时由外部系统控制自适应的中间件。此类中间 件一般预留管理接口，允许外部系统在应用需求或者环境发生变化时手动调节中 间件的运行参数，使其表现出适应性。这种自适应一般通过组件配置模式【2 4 】和虚 拟组件等模式【2 5 】实现。典型的代表是d y n a m i c t a o 。 4 级自适应 可变中间件。自适应能力最强的一类中间件，可在运行时自主的调整结构或 行为模式。可变中间件的内核不是固定不变的，而是随着环境的变化而变化。并 且这种变化过程不需人的手动控制而由程序自主决策实施。比较有效的实现技术 有动态a o p 方面编织【2 6 】、构件晚绑定和反射【2 8 】。典型的代表是o p e n o r b 。 2 1 3 自适应中间件关键技术 自适应中间件关键技术可分为计算反射、a o p 技术、构件技术三种。 计算反射 反射的概念是由s m i t h 在1 9 8 2 年首次提出的，主要是指程序可以访问、检测 并进而修改它本身状态或行为的一种能力【2 9 1 。反射有助于更好地访问( 或调整) 系统的内部结构和实现，是实现软件自适应的根本途径【l 引。将反射引入中间件能 够使其以可控的方式开放平台内部的实现，从而提高了中间件的定制能力和运行 时的适应能力。 反射体系通常具有3 个基本元素：元模型、元数据、元协议，如图2 2 所示。 元模型通过层次结构定义了系统中各个实体之间的反射关系，即上层实体反射下 层实体。其中，最底层称为基层( b a s e 1 e v e l ) ，基层中的计算实体实现了系统的 业务功能。其他层次均称为元层( m e t a 1 e v e l ) ，元层中的计算实体实现了系统的 反射功能。元层实体封装的数据称为元数据( m e t a d a t a ) ，描述了系统的运行状 态与行为。而元协议( m e t a - p r o t o c 0 1 ) 则是访问和操纵元数据的一组规则，具体表 现为元层实体对外提供的操作。作为反射体系的核心，元数据决定了反射的内容， 元模型定义了内容的组织方式，元协议定义了内容的表现方式。 反射中间件既可以将其自身的内部状态和行为通过可编程访问的实体展露给 上层应用，又可以通过对这一实体抽象层面( 即元层) 的操