（计算机科学与技术专业论文）多协议电报交换系统的设计与实现.pdf

国防科学技术人学研究生院学能论文 摘要 虽然民航系统构建了航行情报系绞、财务结算系统等众多系统，但联系这些系统的电 报却要依赖全翻航空魄报两的转报中心这一收赞系统来转发，增加了众业运营成本。为了 降低电报成本，提高企业内部网络的资源利用率，民航企业追切需要个建立在企业计算 辊网络基础上瀚电报交换系统。 本文的主要工作包括： ( ) 本文分孝厅了集中式体系结构与分布式俸系结掏的特煮，在满避可靠链、正确憔、 适应性、可扩充性等要求的基础上，通过将系统分为逻辑集成层和电报交换层，结合上述 嚣穆髂系结褥熬优点，提塞了一个适瘦当 ；誊嚣靛佥韭臻状需要戆多稔议龟壤分布式交换系 统的体系结构和模型； ( 2 ) 本文分季厅了蔻靛魏鸯a f t n 、s i t a 吸及控巷4 缀文3 耱瞧攘格式懿语法矮藏，研究 了基于转发的电报交换协议的特点，提出了电报交换系统的层次、最小费用的多播路幽选 择算法； 给出了使用模式系统裳现电报交换软件的关键技术，提出了一个通道抽象，并运 用该撼象接述7 系统的每个成分。 目前多协议电报交换系统融在某民航企业投入实际运行，取得了良好的效果。 关键溺：多协议；毫报；体系缡梅；路由算法；设计横式 a b s 王r a c t a l t h o u g hm a n ys y s t e m ss u c h 韪st h ea v i a t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e ma n dt h ef i n a n c i a ls e t t l e m e n t s y s t e mh a v eb e e nb u i l ti nt h ec i v i la v i a t i o ns y s t e m ，m e s s a g e sf o rc o n n e c t i n gt h e s es y s t e m sa r e f o r w a r d e db yt h et o l l i n gs y s t e m o f m e s s a g ef o r w a r d i n gc e n t e rf o rt 1 en a t i o n a la v i a t i o nm e s s a g e n e t w o r k ，w h i c hi n c r e a s e s 酶o p e r a t i o n a lc o s to f e n t e r p r i s e s 。i ao r d e rt od e c r e a s et h em e s s a g e c o s ta n di n c r e a s et h er e s o u r c eu t i l i z a t i o no ft h ei n t e m a ln e t w o r ko f e n t e r p r i s e s a v i a t i o n e n t e r p r i s e sn e e dt o b u i l dam e s s a g es w i t c h i n gs y s t e mo nt h eb a s i so fe n t e r p r i s e c o m p u t e r n e t w o r k s t h em a i nr e s e a r c h p o i n t si n c l u d e ： ( ) t h ep a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r i 妊c so ft h ec e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r e s ， a n dp u t sf o r w a r da na r c h i t e c t u r ea n dm o d e lf o rm u l t i p r o t o c o ld i s t r i b u t e d m e s s a g es w i t c h i n g s y s t e m s ，w h i e hi ss u i t a b l ef o rt h ec u r r e n tn e e d so ft h es t a r a so fa v i a t i o ne n t e r p r i s e s t h e ya l l m e e tt h er e q u i r e m e n t so f r e l i a b i l i t yc o r r e c t n e s s ，s u i t a b i l i t ym a ds c a l a b i l i t yb yd i v i d i n gt h es y s t e m i n t oal o g i ci n t e g r a t i o nl a y e ra n dam e s s a g es w i t c h i n gl a y e ra n dc o m b i n i n gt h em e r i t so ft h e a b o v et w oa r c h i t e c t u r e s ( 2 ) t h ep a p e ra n a l y s e st h eg r a m m a rs p e c i f i c a t i o n so f 3m e s s a g ef o r m a t s ( a f t n ，s i t a a n dc o n t r o lp a c k e tw h i c ha l ec u r r e n t l yb e i n gu s e di ne i 访la v i a t i o n ) ，i n v e s t i g a t e st h ef e a t u r e so f t h em e s s a g es w i t c h i n gp r o t o c o lb a s e do nf o r w a r d i n g ，a n dp r o p o s e st h eh i e r a r c h i e so f m e s s a g e s w i t c h i r i gs y s t e m sa n dt h em i n i m a m - c o s tm u l t i e a s tm u t i n gm g o r i t t m l 。 第3 贞 ：= ：垦墼型墅娄盔堂翌! 窒尘墼兰垡笙苎 第二牵系绫的设计与实现闫题 电报交换系统是一个典型泌分布式系统，这个分 奄式的系统必须其器足够的可 枣续性 和可定制能力，能适应不同环境的需求，满足企业的配置要求。为了达到这些目的，必须 设计一个合理的体系结构，保证系统的可靠运行和大范围的自适应能力。 电缀交换系统设计豹首要秘豹是清是企整的运行成本需求，j 立、矮设计一个徐当静潞由 选择算法，正确决定电报的输出通道，最大程度减少电报的外出可能性。 分蠢式电报交换系绞必须协调系统戆分东式部锌，城少部传之闻瓣羯合援度，撮态部 件的可重用性。为此，必须设计一个合理的软件体系结构，按照软件工程的设计原则，改 善软件的可维护性，满足系统可扩展能力和可裁减能力的需求。 勇舞考虑翊蠲户瀚使焉链力和金救鲍都署决策等方面的差器，系统的设诗盛须其备可 移植性，至少支持代码可移植，能适应不同体系结构计算机和操作系统的要求。 下蕊，我们对上述淘题迸纷诿缨讨论。 2 1 体系结构的选择 我们首先绘出“坐席”的定义：电报网络中对电报具有应用孺求的系统称之为“坐席”。 坐瘴在电强网络中箕有髌一靛寝发遣懿。我们将电报交换系统静逮葬之舞豹系统称为“端 系统”，端系统可能是垒| 垒席，也可能是上级转报中心( 地区或者省、市转报中心) 。端系 统是藏缀交换系统鳃电 薮来源帮疑标。 2 1 1 端系统的多样i 生 爨系统翻毫掇交羧系统之淹懿连缓方式多转多撵，趣括惫滚繇接强、m o d e m 搂国、 t c p i p 接口、e m a i l 接口等。如果按照接入方式的差髯则可以分成： f 1 ) 使用企业内部嘲络传埝瞧报的计冀机终端； 圆使用x 2 5 分组交换网络传输电报的电报终端； ( 3 ) 使用m o d e m 传输电报的电报仿真( 计算机) 终端： f 秭电流琢设各终端。 多种不同的接入方式要求交换系统支持不同的通道类型。 嗣群，民靛金业瓣多秘业务系统形成了多耪形式懿电擐交换方法。电报交攘系统支持 的交换方式可以是计算机通信网络交换、专用线路交换 电流环线路和m o d e m 线路) 以 及共事文件交换等三种形式。邋就要求各种通道具备支持各种交换方式的能力。 不鞫静接入方式帮交换方式对交换系统撬壅了不阉豹要求，交换系统需婺穰据不阏豹 要求提供相应的支持机制和交换策略。例如，来自全圜电报网上级转撤中心的电报使用专 _ 霹lm o d e m 线爨绩竣；宋叁全球s i t a 魄摄两戆瞧掇侵阕x 。2 5 阚终传输；企业存在许多电 流环终湍：业务系统茧然处予企业内部网中，但是它的交换方式则使用共享文件方式。 第4 页 豳防科学技术人学研究生院学倪论文 2 i 2 集中式电报交按系统体系结构 集中式电报交换系统是系绞体系结构设计中的第个选择。c o r n m s e r v e r 是其中的一 个典型代表。它利用n f s d f s 等分布式文件系统，提供一个鏊于共事文件机制的电报交换 缓冲池，其主要思想是： ( i ) 在c o m m s e r v e r 计算终点静文 串系统中开辟一个共享瓣文俘嚣录。( 翔瑟2 i 瑟示) 。 毛熵r v e 文俘系统 夕 ) 图2 1c o a u n s e r v e r 的共享文件方式 f 2 ) 所有端系统在这个文件目录中建立自酲的私商通道，为了避兔电报的混淆，这个 通道怒单向双工通道。为此，端系统在c o m m s e r v e r 上必须建立一个通道对，一 令羁予臻系绕熬毫掇发送，一个臻予端系统筑整摄矮浚。特剿在c o m m s c r v c r 兹 共享文件机制中，这样的通道对实际上分别是两个子融录i n 和o u t ( c o m m s e r v e r 的文传基录结媳形式如图2 , 2 艨示) 。 嚣2 。2c o m m s e r v e r 装享文讳嚣录终构示意甏 f 3 c o m m s e r v e r 的工终是在接收到电搬爱，经过路由选撰决定电报的接收者，然层 将电报存储蒯接收者的i n 目录中。与此同时，c o m m s e r v e r 周期性稔测所有潲系 统的o u t 目录，如果其中存在一个不空的o u t 且录则读取报文内容，为其选择 路盘。 f 4 ) 端系统通过n f s 或者d f s 共亭c o n u n s e r v e r 中相应目录的文件，周期性检测i n 垦秉，热果存在文l 孛剡读取嘏摄进行处理。露发送的魄擐一箨存臻到c o m m s e r v e r 上相应的o u t 目录。 这种方法简化了交换系统的接口设计，向所有的端系统提供了一个一致的共享文件接 西方式，僵燕存在一臻致命熬缺点。荫先，c o m m s c r v e r 豹稳定往帮冒靠毪蠹接影确了整 第5 页 圜防科学技术人学研究生院学戗论文 个系统的稳定性和可靠性。一旦c o m m s e r v e r 发生失效，在失效恢复之前的这段时间内 整个系统处于瘫痪状态3 ，所稳端系统在c o m m s e r v e r 失效期蝴无法进行正常的文 牛操作， 为了僚证监务的正确憔，整个系统全部都在等待c o m m s e r v e r 的恢复。 其次，c o m m s e r v e r 不能完全支持所有的终端类型，特别是企业中老式的电流环终端 无法秘c o m m s e r v e r 鞠连。毫流繇终漆盛矮绕黪透过转摄孛，0 与佥业箕德终撼遥摄。瞧无 法满足类似于e m a i l 交换的业务需求。 最后，c o m m s e r v e r 体系结构是一个封闭灼结构，不能遥应企业的可扩展需求。每个 分支机构内部的电报往来可戳使用c o m m s e r v e r ，僵怒分支机构之间的慢速连接决定了共 享文件方式不是一个良好的选择”- s ，。 当然，这个缝擒可驳遴霉亍菠送。c o m m s e r v e r 静主要运霆怒c o m m s e r v e r 文律系绕成为 了整个系统的文件服务器，集中式文件服务器是造成文件系统脆弱性的首要原因。为此， 我们可以将端系统的文件系统组成一个分布式文件系统，将集中文 牛服务器的受载分布到 各端系统，一旦c o m m s e r v e r 发生失效，所有端系统的电报发送蒋正常进行( 存放在本地 文件系统) 。出于电报的接收不具有严格的实时性4 ，当c o m m s e r v e r 恢复后重新建立与客 户藕文件系绞虢连接，逶过文律援索浚复正常豹宅投转发。邋释改逡燕然舞涤了系统蕤弱 性问题，但是燕享文件接口所县有的终端类型限制依然存在。 2 。l 。3 努毒式豁系绩梭 系统结构的另一个选择是分布式缩构。将每个终端都赋予电报交换能力，自主完成电 摄豹分发传递。翔图2 3 ，可鞋在每令漩系统中婆蟹一个“毫缀交换遴程”，它受责与系 统中其他的“电报交换进程”进行通信，完成电报的收发和路由决定。 图2 3 全分布式电报交换系统结构示意图 电报交换进程 这种结梅疑有最强豹灵滔缝，每个“电掇交换避程”可激穰据终演系统豹实际情况选 择各自不同的电报交换方式，而且“嘏报交换进程”之间的接口是一致的网络数据交换接 口。这载要袋设诗鲍“毫摄交换进程”具有较强懿酝墨能力或者较强数霹裁减蛙。 但是这种结构有藏固有的缺点，即所有分布式系统都面临的问题：一致髋问题。由于 “电报交换进程都必须进行路由选择，因此器端系统必须维护一个全局的路姬选择配置。 3 事实上，c o m m s e r v e r 已经建立在m i c r o s o f tw i n d o w s n ti 鬟个不稳定的系统i - ，c o m m s e r v e r 计算结点5 f 均7 天需要重 新寇动一次。一台计算艇上操作系统螅币稳定直接影响了整个系统的功能 t 电掇弼没鬣定，避险壤盛颂3 静钟之蠹发癍，特惫掇必须5 分锋之茂获出，如意壤必须l 垂分锌之蠹袋援，惫藩鞠抉援 堂堡= 坐鲢堕垄坐：! 塑堂缵! d ：鲢盎墼出! 皇亟鲤焦垡堕蠛星童垫盆艘堑： 一一 第6 页 圈防科学技术大学研究生院学位论文 问题是：怎样保证所有端系统都能保持最新的路由选择信息? 分布式系统中解决该问题的 方法主要有两种：广攒方法和集中处理方法。 鬻户( 警溪员) 可戬在锤何一个漆系统中歪薪路翻配置，然后使弼一个特殊的协议广 播路由配置更新。这种方法需疆一个可靠的通信支持，在一个大中型系统中可能会消耗过 多的网络豢宽褒潦。然瑟，虽然电报交换没鸯要求十分严撂懿实对蛙，毽是一个过霹麴邀 报传输会引起电报的错误投递，电报投递错误的处理依赖于业务系统的处理语义，一个容 错性不离的业务系统中错误电报可能会产生愍以预料的后果，因此推迟投递的结果往往比 错误投递驽。两路由戴置的曼新延迟商可能造成电报酌错误投递，这怒更新广播的另一个 缺点。 另箦一秘方法则怒使用一个数撂簿鼹务爨集中存糖全弱爨凌，这个数蠢纛骚务器爵懿 使用密错和其他技术保证其可靠性和可用性，降低集中式数据库服务器造成的系统脆弱 性。用户( 管理员) 使用一个驻置工具更新数据库记录，每个“电报交换进稷”在每次进 行路i 主i 选择时强制读取数据霹记录，驻保证路由的正确性。毯是这种方法在广域随络( 分 支机构组成的网络) 中并不可取，租用d d n 带宽不足以支持远程数据库的访问。 先此，我饲需要一零孛耘匏体系鬃秘，要求它缝缝会上述蘧静体系熊擒瓣黪点，扬长邃 短，充分满足企业的复杂需求和系统设计要求。 。 2 2 路由选撵算法的设计 电报交换系统的核心问题是路出选择闻题，为电辙选择一个合适的投递鞭标是系统正 确性的保证。在企业级电报交换系统中的路由选择算法具有如下特征： f 1 “爨漆器”懿鬣簧器籍楚分缀设嚣静，毽筵黪喹选撵舞法应该是一个分级鼹斑选 择算法； ( 2 1 路由逡择的髫标除了弧确性之外，必须尽可能降低愈报传递戏本； f 3 1 至少支持点对点的电报传输，同时还必须满怒多强标魄址要求。 在计算机遇信网络中，路由选择怒网络层的主要工作。在计算机网络研究领域，路由 选择繁法层毒不穷，这整路鑫选择算法餐基零其冬一整重要熬特援：轰确瞧、篱拳整、健 壮性、稳定性和公平性。 电报交换系统的网络拓扑结构( 如图2 4 ) 实际上已经对路由选择算法作出了自然的选 择层次路囊选择黛法。层次路由选择算法虽然会增加电报的行进鼹线长度琅m 1 ，但 是电报本身的实对住黉求不高，4 5 个跳步( h o p ) 的长度不会影响电报的正常牧发；而且 第7 更 一 幽防科辱：技术人学研究生院学位论文 路由器的较小空问开销以及网络的可扩展能力无疑是最具吸引力的因索。i 磊面聂菱j 页紊 统是否可以直接使用计算机网络中的层次路由算法悬系统设计中的又一个问题。i n t e n l e t 是捷鼷篷次籍洳算法豹成功典范h 豫，僵是这鎏方法都处予网络层，两我翻的交换系统 路由实际上是一个应用级的路由，过分地考虑网络层特征无疑会增加系统的负载，影响系 统惶熊。 我们的层次路由选择还应该考虑到企业计算机网络的存在，企业内部的计算机网络连 通了树形结构的叶结点，图2 5 是一个实际存在的网络拓扑图。构造柱这样一个图结构上 的路套选择算法必须避免琢路静密瑶。 图2 5 电报交换系统的网络撼扑结构 + 我们上面讨论的仅仅是全围电报a f t n 喇络的情澎，而且企业为了保证电报收发的可 靠性，通常使用了一些备份线路，这些备份线路通常造接在个上级转报中心计算机上， 岜可畿不是。这些备份线菇在电投交换系统中有辐藏簸者不鞠静睃费栎准，我髓懿算法可 以不考虑电报的转发路径长度，但是必须考虑暇报转发出口的费用问题，这个算法可能不 是最缎路径鼹出选择，毽是必须是最少费用路径选择。在考虑进口爨嶷夔用麴同聪，箕法 还应该适当考虑电报的流量。 在开通国际航线的企业中，为了方便与国外机构的联系，企业还建立了一个与s i t a 网络静连接( 当然，全国a f t n 阚络与国际s i t a 翻毯是互联豹) ，电掇交换系统静多出、 入口实际也打破了原商的层次结构，引入了甄联网络的路由选择问磁。与此间时，s i t a 嬲终粒全星a f t n 网终存在罄震羹，程金鼗骜滚，全强a f t n 题终镪食了s 锻鼹终，全 国a f i n 网络既支持硝t n 电报的收发也支持s i t a 电报的收发，而s i _ r a 网络只支持s i t a 电报的收发。 航空韭务鞫嚣亍为电报交换系统捷粥了其他的要求。亳鞭中可戳毯禽多哥搽缝薤，鼹交 选择算法实际上还是一个广播路由选择算法n0 ”1 。广播路由选择算法有广播法、扩散法 ( f l o o d i n g ) 、多嚣振鼹囊选择法、生成楗方法以及复自路径转发方法等等。在震瘸级实瑷广 播显然不是一个理想的选择，由于底层缺乏一个广播的机制，广播形成了源到每个目标的 独立分组，极大地浪费了极其商限的锩宽资源；其次，广播的富目性热必引越电报至企业 井部桶电报转发，可毹造成路静循环，而且秘大了电壤转发费愆。扩散法降骶了广播方法 第8 贾 嘲防科学技术人学研究生院学位论文 的盲嗣性，但是企业电报交换系统不可能存储所有的嗣标地址路由入口，因此更多的地址 超出了企业路融选择的认知范围，而这样的电报往往怒外出企业的电报，夕 出电报实质上 仍然采籍数莛广播法，还是存在电报转发的费用润题。 航空电报中需要给出电报的所有目标地址5 ，这是多目标路由选择法的基本特征，多目 拯选掭法是一穆基本镑合电搬转发要求黥路e l 选择翼法。但是这静舅法存在一个弱显粒缺 陷：需要为每个电报给定单个的目标地址，以确定这封电报的路由。如果一封电报包含了 两个以上的目标地址都需要上级转报中心转发，那么这样的路由选择黧法至少增加了一倍 以上酌转菱费塌。 总之，我们的路由选择算法应该具有如下特征： ( | ) 本矮上是一个层次路凑选择筹法； ( 2 ) 是个最少赞用算法； ( 3 ) 是一个基于流量的算法； ( 4 ) 是一个需要支持广播潞宙的簿法。 2 3 多傍谈交换软释系统的软律体系结构 遴系统发瞧的电投类型毯含a f t n 电摄、s i t a 魄摄嚣纛格式摄，鼓交羧系统黪燕疫 看，a f t n 电报和s i t a 电报携带业务数据，而无格式报是交换系统的控制撒文。这魑不 同协议的电报处理增加系统设计的复杂度。 有关面向对象系统构造静讨论是躅前软件工程领域的焦点，特嗣蹩来自工程实戥领域 的模式系统已经形成了面向对象系统的实现基础“4 叫 ，模式忍经成为描述面向对象设计、 入祝接口缓程鞠分蠢式诗算翡蠢力工粪。 在模式系统中，越来越多的模式用来支持网络和并发环境的软件开发。在并发( 网络) 对象邋信中典型魄有f o r w a r d e 卜r e c e i v e r 设计模式、c l i e n t d i s p a t c h e r - s e r v e r 设计模式、 p u b l i s h e r 。s u b s c r i b e r 设计模式锌。这些模式的使用语境在很大程度上舄电报交换的应翔背 景相吻合，电报交换系统的软件实现可以完全威者部分或者结合使用这些设计模式或设计 忍意。 f o r w a r d e r r e c e i v e r 设计模式特别适用于对等模型的分布筑环境，我们可以使用这种设 计模式完成电报鲍交换。f o r w a r d e r - r e c e i v e r 设计模式妇三秘组件组成：转发嚣、接收器和 对等实体。转发器为消息发送提供一个消息发送接口，然后将名字映射到物瑷地址，将参 数编组为消息并传送到远程接口；接收器为接收消息提供一个消息接收接口，接收来自远 程转茇器懿滔慧并将溺怠转抉为参鼗；对等实体挺供敷矮羧务，实凌辩等实搭之闯豹逶信。 这种模式的语境与2 1 3 节的分布式体系结构非常吻含，每个终端上的“电报交换进程” 都是一个对等蜜体，必了更好姥支持系统的移植性秘异橡臻壤的支持能力，可以在终端 将“电报交换进程”分离为f o r w a r d e r ，r e c e i v e r 设计模式的三个组件。 c l i e n t d i s p a t c h e r s e r v e r 设计模式主要应用于服务器集群的场合。c l i e n t 、d i s p a t c h e r 和s e r v e r 是设计模式中的三耱成分。这耪模式来源予r p c 静设计憨憋，c l i e n t 逶过诵嗣 d i s p a t c h e r 寻找合适的s e r v e r ，d i s p a t c h e r 返翻s e r v e r 的地址，c l i e n t 使用d i s p a t c h e r 返回 5 参考4 1 节的| u 报格式。 第9 页 ：= ：= ：= ：曼呈型! ：i ! 萎= ! 兰罂茎尘些堂熊兰：；茎 的地址直接与s e r v e r 通信。这种语境似乎在电报交换系统中并不存在，但是我们瓦鬲莲孬 模式的基本思想是可以重用的e 我们将c l i e n t 看作是一个电报终端，s e r v e r 麓作是另一个 终端鬣者篷醴线路，那么电报交换系绕粥是一个d i s p a t c h e r 。r p c 静c l i e n t - d i s p a t c h e r - s e e r 主要用于支持c l i e n t - s e r v e r 的稳定通信，我们使用的c l i e n t 。d i s p a t c h e r - s e r v e r 设计模式可 以支持终端对多个电搬交换照务器的选择。 p u b l i s h e r - s u b s c r i b e r 的语境是：当某个内部数据元素改变时，所有依赖于这个数据的 视图都必须更新。这个设计模式本质上与电报转发是一致的，电报发送者发送一封电摄也 就是发布了一条消惠，电报交换系统收集电掇后成为一个p u b l i s h e r ，消息豹秘标地韭决定 了电报的s u b s c r i b e r 。但是这个设计模式的实现可以有两种方式：c l i e n t p u l l 模式和 s e r v e r p u s h 模式，s e r v e r - p u s h 模式具蠢非掌稳定豹动态特缝，瑟c l i e n t - p u l l 裂其有菲鬻强 大的灵活性，而这种灵活性是以p u b l i s h e r 与s u b s c r i b e r 之间的消息交换开销为代价的。 网络和并发对象系统中，通信模式仅仅躺决了对蒙之间消息交换的设计问题，对象之 闻的协作关系以及对蒙内部的设计阀趱还必颓使用其他的设计模式。瓣络和并发对象设计 模式试图解决服务访问和配置、事件处理、并发以及同步问题，大致包括w r a p p e rf a c ；a d e 、 r e a c t o r 、p r o a c t o r 、a s y n c h r o n p u sc o m p l e t i o nt o k e n 、s c o p e dl o c k i n g 、a c t i v eo b j e c t 、m o n i t o r o b j e c t 等设计模式，其中主动对象( a c t i v eo b j e c t ) 的设计模式体现出与电报交换系统需求相 同的应用语境。 主动对象设计模式来源于c o r b a 等分布式计算环境韵设计思想，主要粥于通信网关 的设计，可以有效降低协作部件的耦合度，而且允许它们实现相互独立的交互。主动对象 模式彘含六个瓣 孛： f 1 ) p r o x y ：为客户提供访问主动对象的公开方法的接口； ( 2 ) m e t h o dr e q u e s t ：定义主动对象中可执行的方法； ( 3 ) a c t i v a t i o nl i s t ：使用一个有限缓冲，绻持一个调用请求的挂起队列； ( 4 ) s c h e d u l e r ：位于主动对象线程所在结点，决定将要执行的主动对象的方法； f 5 s e r v a n t ：定义了主动对象熬行为露获悉： f 6 ) f u t u r e ：提供了客户获得s e r v a n t 方法执行结聚的途径； 这砦模式的选择当然还取决于电掇交换系统懿体系结均，不同戆体系结誊萼设计决定了 不同软件设计问题，这个问题躐者语境是选择设计模式时最重鼹的标准。 2 4 小结 我们在这一章磷究了电羰系统终端酌多檬经，分糖了集中式和分布式钵浆结构的饶缺 点，提出了系统体系结构、算法及软件体系结构应满足的要求，针对系统的要求讨论了系 绞实琰中霹采髑懿模式技术。猩第三章襄第疆豢孛我翻将进行一步讨论应鼹孛熬钵系绫搀 和算法。 第l o 页 第三章系统体系结构的设计 翦西我们已经讨论了电报交换系统的体系结梅设计问题，电报交换系统豹体系缝鞠霉 要满足如下要求： ( 1 ) 系统可靠性要求，某节点的失效不能造成整个系统的瘫痪； ( 2 ) 委确攥要隶，路盘琵嚣静更掰必矮及时彩旗黪盘决定； ( 3 ) 适应性要求，系统必须支持各种不同类型的终端设备； 4 ) 可扩充性要求，系统毖须支持企业蠹瓣分支擞姆豹设鬟变化。 这里我们给出个折衷的解决方案，期望能解决各种可能出现的问题，满足企业电报交换 的需求。 3 1 电报交换系统的分布式体系结构 我们的体系结构结合了集中式结构和全分布式结构的特点，利用全分布式系统的健壮 性，降低集中式服务的脆弱性；剥用嶷中式系绞易予鹫理匏优点，避受分毒式系统懿一致 往问题；乖j 用了c o m m s e r v e r 的主要思想，试图给出一致的接口，简化系统的设计。 我们将系统分为两个层次：逻辑集成层和电报交换层。逻辑集成滕负责将各种终端的 电报交换方式转换成激掇交换蒙所需鹃报文格式。遥辑集成甏包含各稀接日转换部俘，包 括串口通信部件、文件读写部件、网络通信部件以及a s c i i 码和博多码转换部件等。电报 交换层只零要勰逻辑袋成层进行网络逶信，接收魏发邀毫报数攥，并藏受责对毫摄避行鼹 由选榉。 逻辑集成层与电报交换层的通信接口包括本地进程间通信、网络通信和过程调用三 种。强是，为了降低避辑集成藤帮电鞭交换露的藕合度，荠且适应环辘的变化，我们采用 了网络通信接口s o c k e t ( 后面我们将对这个问题进行专门讨论) 。 逻辑集或屡霹瞧掇交接瑟豹划分分离了系绞懿据铡秘策略，璞强了系统的垂适应麓力 和可扩展性。逻辑集成层平滑了系统中不同接口的差辨，电报交换层定义了一个一致的接 口规范，系统的接口变化不会影响电报交换层的设计。增加一种新的电报交换方式或糟通 信方式，只需要增艇一个新的逻辑集戒部 牛，电报交换层不需器进行任何改动。其次，逻 辑集成层和电报交换层的网络通信接阴提高了系统的爱活性。逻辑集成层的部件设计仅与 溃系统攘关，逻辑集戏模块霹双锰意扩充，熬逶应蠛系统窝逶辑集残熬蒋在黪理建餮上靛 差异，但是不改变与电报交换层的接嗣方式，这样，逻辑集成部件可以与端系统共存于 台计算机，也可以处予不同的计算机缝点；逻鞲集成层还可以姆电报交换层处予恩一续点， 当然识可以跫不同诗算机上的两个不潲的迸稷。 通过引入逻辑集成层，电报交换系统在逻辑集成部件和端系统的接口处形成了逻辑边 器，这个逮雾籍越了甥瑾嚣算橇逑赛彩残一个扩震鑫翔、灵滔多交豹系统，逶辑豢残部件 和电报交换部件相对位茕的不同组合可以形成各种不同形式的系统。如果逻辑集成部件和 电报交换层处予一台专用的计舞机，那么系统可以橡遗成为一个改进浆c o m m s e r v e r ( 图 3 1 ) ；如桑逻辑集成部件和电报交换艨处于每一台端系统计算机，那么可以构造一个全分 第l l 页 圈防科学技术人学研究生院学能论文 稚式的交换系统( 圈3 2 ) 。但是这掰稀结构都存在各种各样的问题( 我们在上一章进行 了讨论) 。一个实际的电报交换系统包含了电报交换服务器、a f t n 网关、s i t a 网关、网 络业务终溃、二缀网关缀务器稻数撂簿黢务器等六类计算瓿( 阚络鼗务终溃敬结点数强敬 决于业务的需要，可以是多个结点：除此之外的计算机结点数目均为一) ，圈3 - 3 给出了 它们的拓扑结构，这魃计算机结点上的部件类型以及数目取次予各结点的功黢霉要。 图3 1 集中式电报交换系统示意图 图3 2 全分布式电报交换系统示意图 蕊3 3 应蠲中弱魄摄交换系统据馨结梅圈 第1 2 页 国防科学技术人学螂究生院学位论文 实际系统中特殊终点的设霞来源于业务系统的应用需求，我们的体系结构可以适应于 这些业务需求的变化n 从系统运行成本上考虑，这些特殊结点的交换系统部件可以运行在 台诗簦季晁上，分鬟怒这个电撤交换藏务器上的不丽邋行实幸拳；觚系统可维护往角度出发， 逻辑集成层的分布性降低了交换系统服务器的运行要求，减少了数据库的维护成本，削弱 了系统怼交换系统鼹务器竣霹纛性菝簸关系，可默更瀵敷圭| 塾划分系绞维护久爨熬职责，芸 至更有利于系统的设计、更有利于发撵人的智力，以避一步降低企业电报成本( 这涉及到 电报的交换协议问题，我们将在后面的章节详细讨论) 。 这耱藩系结构髓够满足系统可靠性要求，任何节点的失效不至予造成整个系统的瘫 痪。电报交换服务器的失效会引起系统电报收发的暂时阻塞，仅仅影响系统的通信性能( 每 个蠛系统终点诗算壤可良蠖雳烹存甚至辅存爨供足够静邀掇缓冲空耀) ；糍系统戆失效不 会影响电报交换服务器的功能，电报交换服务器的服务实体使用大型的数据库作为后援存 储，不会造成缓冲溢出，电报交换服务器的服务器级配置也提供足够的通信缓存，保证 电报交换的正常进行。由于路幽配置信息保存在数摇瘁服务器( 根据电报交换量的不溺， 小型分支机构还可以使用本地文件保存路由配鼹) ，路由信息的集中存储避免了数据分布 数一致篷目题，对数摄痒戆及时裂薪霹蔽保远漆盘数正确牲。各耱不鞠匏逻辫集残部箨分 别是些设备炎型相关的服务模块，可以适应不同设备的通信骚求。上级交换系统可以通 过一个a f t n 网关相逡( 此时躲m o d e m 串口遥信部件可以用一个网络通信部l 牛代替) ， 而下级电报交换系统仪仅是上缀电报交换系统酌一个掰络业务终端；使用一个专用设备实 观相遣会加大系统的运行成本，因此，可以将这个专用设备合并n - - 级网关，扩展一个电 报霹终通信模块藏霹瞄完残分支税梅静缀联。无毒卺是遴过扩震专震诗舞凝结煮方法，逐楚 通过扩展二级网关的网络通信部件方法，均可以满足一个和多个( 一缴甚至多级的) 可扩 充性要求，通过这些设器的配麓可以灵活支持企业内部分支极梅的设爨变化。 下面，我们分别说明各个部件的功能和结构。 3 2 1a f t n 鹈荚 3 2a f t n 溺美和s i t a 丽美 a f t n 圈关是龟摄交换系统寒全豳a f f n 电摄秘豹转接设备，一方瑟接浚采叁转缀中 心的电报，并转接至魄报交换系统：另一方面接收电报转接系统的发撒，并转发至转报中 心。 a f t n 两荚使用一个专用m o d e m 与转报中心中的一个96 0 0 波特异步用户端口相连， 专用m o d e m 逑接在计簿机的r s 2 3 2 串口上，因此，从系统实现的角度看这是一种典型的 r s 2 3 2 枣曩异步逶信。m o d e m 宰1 3 遥髂帮 孛是运牙在a f t n 瓣芙毒 算税主熬一令独立遨抒 实体( 进程或糟线程) ，为了简化系统的设计，这个进程将从转报中心接收到的电报存放 到一个固定的默强录，荠旦周翅性检溅o u t 曩录是蠢存在文 睾，这攫的文l 牛均为来爨电 报交换系统的外发电报，因此将这些文件通过串口( m o d e m ) 发送后立即删除。这个部件 还将异常电报存储到l o g 目聚，留待人工处理。 a f t n 溺荚上麓黉一个逻褥集成部件粼是潮络逶俗部静，这是电豢交换系统鹃遴蠲帮 第1 3 页 潮防科学技术大学研究生院学觎论文 件。它负责接收来自电报交换部件的转发电报，并将电报存放在本地o u t 目录；并闵期 性渡巢蕊晷泵中静文件，将这些文件传输给邀报交豫帮舞蒿避行秘豫。这个部件也需要 将异常电报存储到l o g 目录，留待人工处理。a f t n 网关上述配备了一个电报终端系统， 受责处理与转掇中心鹣鑫霉缝妒事务 线路测试、调摄等) 。a f t n 瞻摄终壤不受毫缀交 换部件的控制，不接收任何来撤，只发送一些控制报文，并收集l o g 目录的文件，为人 工处理提供足够的辅助信息。 图3 , 4 是a f t n 剜关的较 辱结鞫图。无论楚特鬟设置一个荦猛静a f t n 潮关计算枫， 还是a f t n 网关的软件结构，在设计上其实还可以有欺他选择。我们农前面已经讨论过将 a k 聪瓣关合并裂二级鼹关涛形，实舔系统孛懿结稔淫嚣主要基予以下原毽： f 1 )与转报中心的低速谶接( 96 0 0 b p s ) 和较低的吞吐率( 平均3 封电报，分钟) 对计 算机配置要求非常低，一个蒋通配鬓的桌蘧计算机( 或者个人计算机) 就可以满 足a f t n 网关的收发需求，对系统的运行成本影确不大。 f 2 )a f t n 网关仍然需要一个非常稳定的软硬件环境。如果将各种功能集中在某一台 计冀凝，无疑会造藏系统瓣黥弱瞧。关键位麓静单狻结点哥淤最低骥度弦少磊统 的失效可能性。 图3 4a f t n 网失软件结构图 f 3 )二级网关是一个变化相对频繁的设备，特别是当扩展接1 5 1 需瑟在计辫机上添加设 备时，计算枧需要重新启动謦日配置。而a f t n 网关是电报交换系统的主要电报来 源，扩展一个终臻蔼彩确整个系统的滚态，这是系统不麓接受静事情。稼菲疑函 为a f t n 网荚自己的原因，其他原因都不能暂停与众国电报网的通信。 f 4 姨系统豹维护性方露漤，攀独设鬟一个a f t n 隧美缝点受爨予维护。瑕设一释 第1 4 页 嘲防科野：技术人学研究生院学位论文 情形：转报中心与a f t n 的线路发生了故障，信号受n t 严重干扰6 ，产生了大 量的废报，会占用大量的网络资源和计算资源( 电报交换部件的路由计算形成的 空瓣稻时藩嚣镑) ，此时需甏终止a f t n 弱关与龟掇交换系统的联系。这释祷况 下，一种处瑕办法是终止a f t n 网关的网络通信部件的执行，但是如果这个部件 的运行抽象怒线程，那么线稼鲍终止在实觋上相对困难；另一穆最麓单兹方法则 是切断a f t n 网关和电报交换系统的物理连接。显然在二级嘲关上稻者难以实现 ( 除非使用一个特殊的网络适配器专用于a f t n 网关的网络通信部件) ，而专用 诗冀裰结点麓结构燹荔予实撬错误隔离帮单元镶试。 ( 5 )从目前状况褥，全国电报转换网络向a t n7 的的升级改造势在必行81 9 1 ，转报 中心与电报交换系绞的接口方式呈璐逡计舅援网终化、多榉化熬发壤趋势。独立 的a f t n 网关结点更易于实现接口方式的变化，可以实现接入方式的透明升级。 从系统性能的角度上看，文l 牛共享的方式会增加磁盘读写次数，加大1 1 0 负载，在a f t n 溺关上合并m o d e m 串墨通信都 孛和两络通信都 孛，它稍之间壹接镘蠲过程调糟或者进程 问通信的接口方式可以避免磁盘操作。但是我们首先滤意到的是r s 2 3 2 串口通信带宽歪少 比磁熬萤竟低一个数燮缓，毙爨终带赛至少低逶令数爨缀，磁爨i o 戆开销不会过分影l 霆 电报传输性能；其次，同样因为网络带宽远远黼于r s 2 3 2 串口通信带宽，在r s 2 3 2 串口发 送端容易造成拥挤，粥必须注意到a f t n 网关是一台低端计算机，主存资源棚当有限，拥 挤造成的缓冲溢出会造成电报丢失8 ，使用磁盘这种菲常宽裕酌涤源作为缓冲可以最大程度 避免溢出；最后，同时也是最匿要的原因则是，网络通信部件是系统中最常用的部件，网 络通信部 譬静纛震最大化无疑可以洚鬣系统开发数设诗复杂度，提毫系统实瑷熬可靠经窝 代码可维护性。 3 2 2s i t a 丽荚 s i t a 丽关是连接s i t a 电缀丽霜窀摄交羧系统静专雳竣餐，察a f t n 圈关一撙，它是 电报交换系统的另一个重要接口，因此使用一个专用计算机保证其稳定运行e s i t a 网关与s i t a 电报嘲的电掇交换使用了s i t a 救专爰较传$ i t a t e x 5 “，s i t a t e x 与其他电报处理软件的接1 2 1 依然是共享文件方式。因此电报交换系统在s i t a 网关上只需 要配爨一个网络通信部件，负责读取i n 目录上来自s i t a 电报网的电报，以及将电报变换 系统翡夕 发电缀写入o u t 鹜慕。需要注意豹怒，s i t a 网关上瓣丽络邋信都耱与a f t n 网 关上的网络通信部件除了管理配置差别外，没有任何的其他差别。 3 3 电报交换服务器 电报交换服务器怒电报交换系统的核心成分，撼负着所有电报的往来转发- 我们在电 报交换服务器上设计一个专用的电报交换部件，主要霸的是为了加快电报的周转，提高电 6 由于韩种原w 这样的情形经常发生。 a e f o h t i c a lt e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 靛空逶蔷剩黪 ! ! 堕塑篓叁堕堕焦魈! 垫塑至鲎她堡垡量：塑墨塑塑囊堡是= 粪翅盟壅堂照童塑- _ 篓焦型蕉煎强垒塑笪煎趟至查墨熟三一 第1 5 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 报吞吐率。电报交换部件由一个电报交换器和若干电报通信通道组成，电报交换器和电报 通信通道分别是操作系统的运行实体，每个电报通信通道还占用了一个不同的网络端口。 电报交换服务器的软件结构如图3 5 所示。如果将电报交换器和电报通信通道实现为 进程，那么电报交换器和电报通信通道之间使用i p c ( 进程间通信) 机制进行通信：如果 它们实现为线程，那么可以使用共享存储进行通信，软件需要在共享存储上实现一个队列 抽象，以满足电报交换算法的调度要求。为此，我们为电报交换器设计了一个电报转发队 列，电报通信通道接收到网络中的电报后，根据电报的紧急程度将电报插入到电报转发 队列的适当位置；电报交换器周期性检测转发队列，一旦转发队列不空，则按照f i f o 顺 序将电报从队列中抽取出来，为其进行路由选择，根据电报的收电地址转发到不同的目标。 图3 5 电报交换服务器软件 电报交换服务器为每个电报通信通道设置了一个电报发送队列，电报交换器为电报选 择适当目标后，将电报根据紧急程度放置( 必要的时候进行复制) 到目标电报通信通道的 电报传输队列。电报通信通道周期性检测自己的电报传输队列，一旦发现队列中存在需要 发送的电报，立即将其按照f i f o 顺序从队列中取出，并通过网络子系统发送到网络。 一般情况下，由于各通道的带宽大致相同，各通道上的电报流量相差不大，队列中聚 集的电报数量不会太多，而在电报交换服务器的服务器级计算机配置中，c p u 带宽比网络 带宽高1 2 个数量级，电报交换器不会成为电报转发的性能瓶颈。即使是在网络负载不 平衡的情况下，电报交换服务器的大内存缓冲也足以保证充足的缓冲空间。 电报交换服务器的管理需要设计一个控制台，以实现路由更新、电报人工处理等管理 事务。这个控制台实质上是一个电报终端系统，因此控制台命令依然可以通过特殊的电报 来表示，在电报交换服务器看来，控制台和普通的网络终端没有区别。 一一 第1 6 页 3 4 二级网关服务器以及其他 3 4 1 二级网美服务器 连接电报交换系统