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无线监控管理系统u l 软件框架的研究与实践 【摘要】 工业无线监控管理系统用途广泛，然而目前市场上没有成熟的构 件式软件产品适用于该类系统，所以无线监控系统软件开发过程中存 在大量的重复劳动，开发周期长、开发效率低。 作者在论文期间参与了“基于g p r s 技术的夜景照明无线监控管 理系统”以及“基于g p r s 技术的中水管网无线监控系统”从设计到 建设的整个过程。论文工作以此为背景，分析了无线监控管理系统软 件的特征，分析了软件构件技术以及基于构件的软件框架技术，采用 了构件式软件框架技术进行设计，开发出了无线监控管理系统u i 软 件框架。在北京市夜景照明管理系统的基础上，实现了应用于郑州市 夜景照明监控管理系统和北京市中水管网监控系统的无线监控管理 系统u i 软件框架。这三个系统已经应用到实际中。实践证明，采用 构件式软件框架有利于提高无线监控管理系统己软件的开发效率和 软件质量，并能满足不断攀升的各类工业监控系统的建设需求，推动 无线监控管理系统的建设步伐。 关键词 无线监控系统用户界面面向构件的软件框架 通用分组无线业务客户端n 务器软件体系结构 k e s e a r c ha n di 咿l e m 匝n t a l t i o 、jo f w i r e l e s sm o n i t o r & a d m i n i s t r a t es y s t e mu i s o f t a r ef r a m 匣w o r k a b s t r a c t i n d u s t r yw i r e l e s sm o n i t o r & a d m i n s t r a t es y s t e m s a r eu s e dw i d e ra n d w i d e r b u tt h e r ei sn oa n ym a t u r ec o m p o n e n t b a s e ds o f t w a r ep r o d u c t w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h e s es y s t e m s d e v e l o p m e n ti nc u r r e n tm a r k e t t h ea u t h o rh a s p a r t i c i p a t e dt h r o u g h o u t t h ep r o j e c to f “g p r s - b a s e d l i g h t i n g s c a p e w i r e l e s sm o n i t o r & a d m i n s t r a t i o n s y s t e m ”a n d “g p r s b a s e dw a t e rm o n i t o r & a d m i n s t r a t i o ns y s t e m ”i nt h ep a p e r p e r i o d t h i sp a p e r i sb a s e do nt h o e sp r o j e c t s ，a n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ew i r e l e s sm o n i t o r & t h e t e c h n o l o g y o f c o m p o n e n t - b a s e df r a m e w o r k a d o p t i n g t h ec o m p o n e n t b a s e ds o f t w a r ef r a m e w o r k t e c h n o l o g y , t h e u i o f s y s t e m m e n t i o n e d p r e v i o u s l yw a sd e s i g n e d b a s e do n “b e i j i n g l i g h t i n g s c a p e m o n i t o r & a d m i n i s t r a t i o ns y s t e m r e a l i z e dt h eu to f w i r e l e s sm o n i t o rc e n t e rs o f t w a r ef r a m e w o r ko f z h e n g z h o u l i g h t i n g s c a p e m o n i t o r & a d m i n i s t r a t i o ns y s t e m ”a n d b e i j i n gw a t e r m o n i t o r & a d m i n s t r a t i o ns y s t e m ”a n dt h e s ew i r e l e s ss y s t e mw a s w o r k i n g w e l ln o w b a s eo nt h er e a l i t y , o d ec a l ls a ya d o p t i n gt h e c o m p o n e n t - b a s e d f r a m e w o r kh a s g r e a ta d v a n t a g e s i t c a r li n c r e a s e d e v e l o p i n ge f f i c i e n c ya n d e n h a n c eq u a l i t yo f t h eu io f w i r e l e s sm o n i t o r & c o n t r o lc e n t e rs o f t w a r e ，m e e tw i t ht h el a r g e ra n dl a r g e rc o n s t r u c t i o n d e m a n d s ，a n dp u s h t h es y s t e mc o n s t r u c t i o ne x t e n t f o r w a r d i n g k e yw o r d s w i r e l e s sm o n i t o r & a d m i n i s t r a t es y s t e m ，u s e ri n t e r f a c e ( u ) ， c o m p o n e n t b a s e ds o f t w a r e f r a m e w o r k ，g p r s ， c sa r c h i t e c t u r e 无线监控管理系统u i 软竹框架的研究1 j 实践 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或砭书而使h j 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l _ 1 作了明确的说明并表示了谢意。 ： 。- i f f c ：位i l - 交j 资判特有1 i 实之处，本人承担一切相关责任。 木人签名：业鼠趣 同期：塑：；! 兰! 关于论文使用授权的魄明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位剿唰论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：望塑堑 f = i j 期： 塑! 墨! ；! 盟 导师签名 日期 北京邮电大学硕士学位论文 无线监控管理系统u l 软件框架的研究与实践 第1 章概述 本文主要描述了作者在硕士论文期间对课题的研究成果，所作的工作以及在 这些工作中获得理论上的提高。 本章主要描述无线监控管理系统的行业背景、工控软件的现状和发展以及作 者所做课题的意义。 1 1 无线监控管理系统的行业背景 无线数据通讯在城市管理中的应用同面向单一用户的方式不同，应用针对的 是城市市政管理部门以及城市的基础设拖监控管理，包括水、电、气、热、交通、 城管、环保等诸多部门在内的集团用户。系统包括原始数据的采集、无线数据传 输、设备远程控制、数据处理等多个方面。 无线数据通讯在城市管理中的应用依托于无线数据通讯网络平台，远程实现 行业的生产、管理、监测、控制等等功能，在目标系统管理层面与终端设备之间 建立无线的移动数据通信通道，创建丰富和强大的信息管理系统、监控管理系统 和终端运营系统，并为这些系统提供具体解决方案以及全方位的决策支持系统。 传统的远程监控管理系统采用自动控制技术、计算机技术并已广泛应用于工 业自动化、工业控制领域。然而，由于传统的远程监控管理系统没有或无法解决 实时大数据量处理、无线远程实时通信等的问题，其应用受到很大的限制。 1 2 ，工控软件的现状和发展 工业生产系统和计算机技术的不断发展，以及二者之间的不断融合，促进了 计算机控制技术的不断进步。自6 0 年代计算枧引入工业控制领域，7 0 年代中期 分布式控制系统出现并得到广泛应用以后，控制系统的软硬件技术得到长足的发 展。根据分布式控制系统应用领域的特征，其性能指标一般包括：可靠性，指系 统可用率；稳定性，系统抗于扰的能力；系统容量，一般指系统中监控对象的点 数；远程通信速率：实时性：适应性，设备能否适应不同的应用环境；经济性等。 进入9 0 年代以后，由于软件产品费用的大幅降低和软件产品灵活性的大幅 提高以及大量低价通用硬件产品的出现，控制系统的发展重点逐渐从硬件转移到 软件，如何提供工控软件的功能和性能，成为控制系统发展的重点。近年来随着 新型的通用高速无线数据通信技术的趋于成熟和商业化，打破了工业监控现场地 域限制，为开展大觌模远程监控提供了通信保障，无线远程监控也必将稼为工业 j e 尿m b 咀犬字坝士掌佗论文 无线监控管理系统u i 软件框架的研究与实践 监控系统发展的一个热点。 随着新型的通用高速无线数据通信技术的趋于成熟，无线远程监控应用迅速 兴起。但是和有线通信相比，无线通信具有时延长，误码高和稳定性差等特点 当前市场上没有不存在较为成熟的组态软件产品适用于该类网络环境，所以在该 领域的软件建设中存在大量的重复劳动，从而导致生成效率低，软件质量低等问 题。 1 2 1 传统工控软件的局限性 工控领域需要采集的数据和控制的设备千变万化、异常繁杂，各个对象之间 的耦合性也非常强，不同的工业现场环境对于采集和控制的要求又各不相同，并 且随着运行系统的动态演化而不断发生变化。 传统的工控软件通常只是针对某个特定应用领域进行分析、设计和开发的， 各种系统功能被紧密封装成一个整体，系统内各模块之间关联非常紧密。随着工 业生产的不断发展，功能的不断增强，需求的不断加速变化，软件规模的不断扩 大，传统的工控软件存在以下些问题： 1 ) 软件开发周期长，生产效率低下； 2 ) 软件可维护性差，不易移植和扩展； 3 ) 存在严重的重复劳动。 1 2 2 解决问题的方法 随着软件工程技术的发展，出现了软件框架技术。软件框架技术是软件复用 的一种重要形式，软件框架是研究如何快速、可靠地应用可复用构件进行系统构 造，着重于软件系统自身的整体结构和构件之间的互联。因此，在无线远程监控 管理系统中应用软件框架技术进行开发可以避免传统工业控制系统的问题，具有 重要的现实意义。 1 3 论文研究的目标和内容 作者在参与实际工程项目的基础上，根据工程实践中遇到的问题和困难，参 考工程经验，以提高无线监控管理软件的开发效率和质量，增强无线监控管理软 件的可复用性、扩展性为目标，重点从以下几个方面入手进行了研究和实现： 1 ) 软件框架技术的研究，在北京市夜景照明监控管理系统的基础上，采用 软件框架分析技术，重新构建了一个适用于夜景照明、市政基础建设、市政管网 建设等的监控管理系统的u i 软件框架，并且应用于郑州市夜景照明监控管理系 统以及北京市中水管网监控管理系统。 2 ) 软件复用思想，着重分析了基于构件的软件构架技术。初步探讨基于构 北京邮电人学硕士学位论文 无线监控管理系统1 2 1 软件框架的研究与实践 件的软件构架的开发方法。 3 ) 参与实践工程设计，分析和设计无线监控中心u i 软件框架，实现该框 架在特定领域中b j 应用，并对应用情况进行分析。 北京邮电犬学硕士学位论文无线监控管理系统u i 软件框架的研究与实践 第2 章无线数据业务行业应用以及无线监控中心软件总体 结构介绍 本章首先介绍无线数据业务的行业应用。援着文章分析了无线监控中心软件 的总体需求特征，在此基础上介绍了无线监控中心软件的总体结构。 2 1 无线数据业务的行业应用 本节主要介绍了无线数据业务行业应用的特点，并详细介绍了无线数据应用 系统的总体体系结构以及各主要部分的功能。 2 1 1 概述 近年来，随着社会经济的迅速发展，人们对信息的需求量越来越大，从而使 得数据业务大有超过电话业务成为网络的主导业务的趋势。同时，人们希望不受 空间，地域的限制，能够随时随地获取所需的信息，如：收发e m a i l ，收发传 真，访问i n t e r n e t 等等。这样就促使了无线数据业务的迅猛发展。而且，由于无 线网络都只提供应用层以下的功能，运营商，以及用户自己可以根据自身的需要 生成更为丰富的增值业务。这样大量的无线数据业务就孕育而生。诸如远程控制， 电子购物，车辆调度，新闻浏览，移动多媒体等等。 2 1 - 2 几种无线数据通信分析 一、数字集群移动通信 数字集群移动通信属于专用移动通信范畴，与公众及全球移动通信相比较， 其一系列特殊功能，特别是调度功能以及网络结构与安全控制等方面有其独特的 特征与复杂性，具有很多通常公众移动通信系统所不具有的功能。专用移动通信 网是指某部门( 如交通运输、大型企业、港v i 码头、油田矿山、公安、政府等部 门) 内部使用的移动通信网。数字集群移动通信网内传输的是统一的数字信号， 比模拟集群移动通信系统容易实现与i s d n 、p s t n 和p d n 等网络的互联。但是 数字集群移动通信网络建设需要大量的资金投入，而且建设周辩较长、保养与维 护不便、覆盖范围有限。数字集群移动通信的典型系统有：美国m o t o r o l a 公司 的i d e n ( i n t e g r a t e dd i 舀t a le n h a n c e dn e t w o r k s ) 系统，欧洲电信标准协会( e t s i ) 的t e h 淞系统。 二、g s m 短消息 北京邮电人学硕士学位论文 无线监控管理系统u i 软件框架的研究与实践 随着g s m 技术的发展和g s m 网络的普及，g s m 短消息也有着长足的发展。 g s m 短消。申能充分利用移动公网资源，它可以大大节约建设投资，降低维护成本。 g s m 短消息通讯模式可广泛用于遥控、遥测、工业数据采集系统、防盗报警、交 通运输监控管理、广告信息发布等工业领域和智能家庭仪器等民用产品。但它有 几个特点： 1 ) g s m 短消息通讯方式为半双工通信方式，不能同时双向收发数据； 2 ) 短消息每次最多能传送1 6 0 个英文字符或7 0 个中文字符，适合进行小数 掘量传送； 3 ) 国内的g s m 网络建设仍然存在一些的问题，在重大活动或重大节日等 通信高峰期，容易发生信道堵塞，导致通信不畅。 4 ) 消息以数据报方式传输，平均传输时延大，并且传输时延没有保证。 三、c d p d 短消息 c d p d 的英文全称为c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ，中文的意思为蜂窝式数 字分组数据，这种技术是由美国移动通信公司( a m c i ) 等八大公司联合推出蜂 窝数字分组数据通信( c d p d ) 系统的一种无线数据通信技术规范，这种规范是 以数字分组数据技术为基础，以蜂窝移动通信为组网方式的移动无线数据通信技 术。c d p d 是一个新型的无线广域网系统，它与现在市面上所见的无线局域网不 同的是，该通信网络的工作在8 0 0 兆频段之间，该频段具有一定的穿透和绕射能 力，干扰较少。该网络所能达到的信道速率为1 9 2 k b p s ，去掉分组数据打包以 及信道复用的一些开销，对用户来说数据传输速率一般为5 - 1 0 k b p s ，最高可以 达到1 5 k b p s 左右。使用c d p d 技术组成的通信系统，采用全双工的通信方式，所 以它可以同时收发数据，另外该通信网络通过f e c 前向纠错和自动反馈重发技 术，保证在其网络上传输的数据不会出现差错，因此c d p d 被公认为目前最佳 的无线数据格式。不过c d p d 的网络覆盖存在很大的问题。 四、g p r s 无线数据通信 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是 在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组 形式的数据业务。g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样 的突发结构、同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构。g s m 现有的基站子系 统( b s s ) 从一开始就可提供全面的g p r s 覆盖。g p r s 提供了一种高效、低成本 的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输， 也适用于偶尔的大数据量传输。g p r s 网络能够实现“按流量收费，永久在线”。 同时g p r s 网络存在不同的终端i p 绑定策略，即静态i p 绑定和动态i p 绑定。静 态i p 绑定时，终端接入系统后所获得的i p 地址和手机号码绑定后的不变号码： 而动态i p 绑定，终端登录后，所获得的i p 地址有网络动态分配，即终端得到的 i p 是可变的。 北京邮电大学硕士学位论文 无线监控管理系统u i 软件框架的研究与实践 g p r s 数据网络在物理网络层上采用t c p i p 协议，终端可以使用调制解调 器通过拨号的方式接入g p r s 无线数据网络，进行正常的数据通信业务。目前已 经有网络终端设备实现了通过g p r s 网络完成串口数据的透传。借助公共的无线 数据传输网络，依托公共网络的电信级网络质量，实现全天候、稳定的无线远程 监控。 在工程实践中，g p r s 网络目前的连接稳定性不高，数据传输激活时延较大 ( 秒级) ，不能适应实时性能要求比较搞的系统，但是可以适用于对系统实时性 要求不高的系统。 g p r s 中心侧接八方案可以有多种方式：1 拨号方式，适用于小系统的建 设；2 专线接入方式，适用于大型并且对安全性要求比较高的系统；3 公网接 入方式，适用于提供公共访问接口的系统，一般需要增加安全服务器以确保整个 系统的安全等。 2 2 课题采用无线数据通信模式 图2 1 无线监控管理系统总体布局 图2 1 是课题中涉及的整个无线监控管理系统的总体布局，由于系统应用的 特殊性，我们需要考虑通信模式的在线情况以及通信费用在系统中所占的比重， 综合考虑，课题采用g p r s 作为数据传输模式。 北京邮屯大学硕士学位论文 无线监控管理系统u i 软件框架的研究与实践 2 3 。无线监控中心软件总体结构介绍 由本谤题中监控中心软件采用分层结构( 三层) 设计，因此本节首先介绍 了分层软件体系结构的优势，在此基础上介绍了整个无线监控中一i i , 软件的体系结 构。 2 3 1 三层c $ 软件体系结构 c l i e n t s e r v e r ( 客户机i n 务器) 软件体系结构，是基于资源不对等，且为实现 共享而提出来的，是2 0 世纪9 0 年代成熟起来的技术，c s 结构将应用一分为二， 服务器( 后台) 负责数据管理，客户机( 前台) 完成与用户的交互任务。 c s 体系结构具有强大的数据操作和事务处理能力，模型思想简单，易于人 们理解和接受。但随着企业规模的日益扩大，软件的复杂程度不断提高，传统的 二层c s 结构存在以下几个局限：当客户端数目激增时，服务器端的性能会因为 负载过重而大大衰减：一旦应用的需求发生变化，客户端和服务器端的应用程序 都需要进行修改，给应用维护和升级带来了极大的不便：大量的数据传输增加了 网络的负载等等。 正是因为二层c s 有这么多缺点，因此，三层c s 结构应运而生。三层c s 结构正是在对c s 结构的总结基础上产生的，即将应用功能分成表示层 ( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) 、业务逻辑层( b u s i n e s sl o g i cl a y e r ) 和数据层( d a t al a y e r ) 三个部分。这种层次关系是逻辑上的划分，其物理上的分布很灵活，各层相对独 立，只通过接口交互，各层的内聚性强而层闻的耦合性弱。典型的三层体系结构 模型如图2 2 所示。 i l 表示层 l 业务层 l 数据屡 图2 - 2 三层体系结构模型 表示层是应用的用户接口部分，它担负着用户与应用间的对话功能。它用于 检查用户从键盘等输入的数据，显示应用输出的数据。为使用户能直观地进行操 北京邮屯大学硕士学位论文 无线监控管理系统u i 软件框架的研究与实践 作，一般要使用图形用户接口，操作简单、易学易用。在变更用户接口时，只需 改写显示控制和数据检查程序，而不影响其他两层。检查的内容也只限于数据的 形式和取值的范围，不包括有关业务本身的处理逻辑。表示层既可以是w i n 3 2 程 序，也可以是动态的w e b 页面。 业务逻辑层相当于应用的本体，它是将具体的业务处理逻辑编入程序中。表 示层和业务逻辑层之间的数据交往要尽可能简洁。业务逻辑层响应用户的请求， 执行相应的业务行为，为表示层提供服务。业务逻辑层无需知道它处理的数据是 如何存储的，它依赖于实际读取和存储数据的数据层。一般来说，业务逻辑层中 包含有确认用户对应用和数据库存取权限的功能以及记录系统处理日志的功能。 业务逻辑层的程序多半是用可视化编程工具开发的，也有使用c o b o l 和c 语言的。 数据层就是数据库管理系统，负责管理对数据库数据的读写。数据层可以分 为数据库和数据对象。数据库负责定义、维护、存取和更新数据。数据对象由独 立代码实现的，负责与数据库建立连接，封装数据库方法，对外提供简单易用的 数据库访问接口，从而屏蔽了数据源的变化以及对数据库访问的细节和编码特 征。数据库管理系统必须能迅速执行大量数据的更新和检索。因此，一般从业务 逻辑层传送到数据层的要求大都使用s q l 语言。 从上述介绍可以看到，三层c s 软件体系结构具有以下优点： 1 ) 允许合理地划分三层结构的功能，使之在逻辑上保持相对独立性，从而 使整个系统的逻辑结构更为清晰，能提高系统和软件的可维护性和可扩展性。 2 ) 允许更灵活有效地选用相应的平台和硬件系统，使之在处理负荷能力上 与处理特性上分别适应于结构清晰的三层；并且这些平台和各个组成部分可以具 有良好的可升级性和开放性。例如，最初用一台u n i x 工作站作为服务器，将数 据层和功能层都配置在这台服务器上。随着业务的发展，用户数和数据量逐渐增 加，这时，就可以将u n i x 工作站作为功能层的专用服务器，另外追加一台专用 于数据层的服务器。若业务进一步扩大，用户数进一步增加，则可以继续增加功 能层的服务器数目，用以分割数据库。清晰、合理地分割三层结构并使其独立， 可以使系统构成的变更非常简单。因此，被分成三层的应用基本上不需要修正。 3 ) 三层c s 结构中，应用的各层可以并行开发，各层也可以选择各自最适 合的开发语言。使之能并行地而且是高效地进行开发，达到较高的性能价格比； 对每一层的处理逻辑的开发和维护也会更容易些。 4 ) 允许充分利用功能层有效地隔离开表示层与数据层，未授权的用户难以 绕过功能层而利用数据库工具或黑客手段去非法地访问数据层，这就为严格的安 全管理奠定了坚实的基础；整个系统的管理层次也更加合理和可控制。 2 3 2 无线监控中心软件体系结构的介绍 参考上述三层c s 软件体系结构的设计思想，在本课题的设计中，我们将无 线监控中心的软件分成三个逻辑部分进行设计编码。 一、无线监控管理器 北京邮电火学硕士学位论文 无线监控管理系统u i 软件框架的研究与实践 无线监控管理器主要用于实现与用户的交互，完成各种用户提交的操作，并 将各操作结果呈现于用户。 二、无线监控应用服务器 无线进空应用服务器主要用于管理器与数据层之扭 的信息交互以及各种后 台处理操作，是整个监控中心软件安全运行的前提保障。 三、无线监控数据层 数据层由数据库和数据访阅构件组成。数据库存储系统所有数据，包括配置 数据库、实时数据库和历史库数据；数据访问构件负责提供数据库访问接口，屏 蔽数据库访问细节。业务层，即本论文设计的监控应用服务器，由数据采集、系 统控制、报警控制、数据处理等组成，并可根据需要进行扩充。表示层由配置工 具、监控界面、报警、报表等组成，为用户提供可视化的显示和操作的界面。无 线监控中心软件体系结构的模型如图2 3 所示。 监控界面l 监控调度配 置 信 数 息 配置界面 i 系统控制 据 实 库 时 访 数 报警 问 据 报警控制 模 库 块 历 史 数 l报表 数据查询 据 i痒 管理器监控应用服务器数据层 图2 3 监控中心软件三屡体系结构模型 无线监控中心软件通过统一的接口机制，将各个相对独立的模块集成在一起 的有机实体，其具体的软件体系结构如图2 4 所示： 北京邮电大学硕士学位论文 无线监控管理系统u l 软件框架的研究与实践 一瀛摆 = j = il l m j i 1 i 翌呈竺兰一j + 叫 兰兰竺竺! 一j 图2 - 4 无线监控中心软件体系结构 1 l ；京i t t l ；电人学硕士学位论文 无线监控管理系统u l 软件框架的研究与实践 第3 章软件构件技术介绍 随着计算机技术的飞速发展，人们对软件产品的质量和软件的生产速度都有 了更高的要求，这就使软件开发方法和技术的更新日益成为当今最迫切的研究课 题。从传统的结构化开发方法到八十年代发展起来的面向对象开发方法无疑是软 件工程学的重大进步，但随着软件规模的不断扩大，人们希望软件的复用程度能 够得到进一步的提高，并且可以实现软件的“即插即用( p l u g a n dp l a y ) ”。实际 上，人们希望能够象组装汽车样地来生产软件，这也是软件工程界多年来梦寐 以求的理想，九十年代出现的“基于构件的软件开发技术”( c o m p o n e n tb a s e d d e v e l o p m e n t ) 使这个愿望逐渐成为现实。利用构件，我们可以堆积木似的“搭 建”软件系统，从而实现软件的大粒度复用，缩短开发周期，降低维护成本。 3 1 。大规模软件的特点以及相应技术的应用 本节简要介绍大规模软件的一些特点，同时引进了在大规模软件中使用的构 件技术。 3 1 1 大规模软件的特点 在中小规模的软件中，对象和对象之间的协作关系就能够满足需要。但是当 软件规模扩大，复杂度上升的时候，面向对象技术强调的协作却表现出另一个极 端的特点一耦合度太高导致的复杂度。这时候就需要有种新的方法来弥补面向 对象技术的弱点。 大规模软件主要特点是复杂度。比较典型的例子是集成性的项目。软件系统 需要将各种各样的硬件、遗留系统、外部接口整合起来。其简可能遇到不同的硬 件接口，不同的操作系统，不同的语言，不同的平台，不同的数据库，不同的消 息中闻件，不同的网络介质。这些都使得系统变得非常的复杂。 面向对象技术的特点是通过对象之间的职责分工和高度协作来完成任务。这 样的好处是代码量较少，系统布局合理，重用程度高。但是当对象的个数大量增 加的时候，对象之间的高度耦合的关系将会使得系统变得复杂，难以理解。 以前对于这个问题的方法是采用包作为容器来组织对象，对象之间的依赖性 将转化为包之间的依赖性。这种方法听起来有道理，但是在实际中仍会出现难以 解决的问题。包仅仅只是容器，这意味着对对象的组织可以是任意的而包之间 依赖关系的设计则还是取决于对象的依赖。此外，包的设计和对象样，缺乏一 个统一的风格，而统一的风格正是大规模软件设计所必须的，因为这样可以有效 改进系统的可理解性，这一点在大规模软件设计中非常重要。 扎琳邮电人手叫士字恤花义 尢线监控酋理糸统u i 软件框架的研究与实践 3 1 2 构件技术的引进 随着面向对象技术的开发和菠用，人们意识到了面向对象技术的不足，基本 上可吵归结为两个方面的原因，即对象类的粒度过小和对象类的继承扩展机制。 面向构件编程( c o m p o n e n t o r i e n t e dp r o g r a m ) 的缩写是c o p ，c o p 是对 o o p ( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m ) 的补充，帮助实现更加优秀的软件结构。 c o p 是对一种组织代码的思路，它将系统看作一个个的构件，通过定义构 件之间的协作关系( 通过服务) 来完成系统的构建。这样做的好处是能够隔离变 化，合理的划分系统。而框架的意义就在于定义一个组织构件的方式。 在c o p 中有几个重要的概念：一是构件，构件( c o m p o n e n t ) 实现了一组服 务，此外，构件必须符合容器订立的规范，例如，初始化，配置、销毁。二是服 务，服务( s e r v i c e ) 是一组接口，供客户端程序使用。例如，验证和授权服务， 任务调度服务。服务是系统中各个部件相互调用的接口。 3 2 软件构件技术 3 2 基本概念 一个应用程序通常是由单个的二进制文件组成的，当编译器生成此应用程序 之后，在对下一个版本重新编译并发行新生成的版本之前，应用程序一般不会发 生任何变化。操作系统、硬件以及客户需求的改变都必须等到整个应用程序被重 新编译之后才能够得以认可，整个软件工业就这样随着以发行软件的日益老化而 奔向未来。 目前这种状况已经发生了很大的变化，人们认识到应用程序在发行之后不应 该保持那种静止的状态。开发人员已经找到了一种改变这种状况的方案：将大而 复杂的软件应用分成一系列的可先行实现、易于开发、理解和调整的软件单元， 也就是构件( c o m p o n e n t s ) 。这些构件保持一定的功能独立性，可以使用不同的 开发工具分别开发，分别编译，甚至分别调试和测试。当所有的构件开发完成后， 把它们组合在一起就得到了完整的应用系统，构件间的协同工作是通过相互闻的 接口来完成的。当系统的外界软硬件环境发生变化或者用户需求有所更改时，并 不需要对整个系统进行修改、编译，而只需对受影响的构件进行修改编译，然后 重新组合得到新的升级软件。以此为基础的软件解决方案，效率高，花费也低。 北京邮电火学硕士学位论文无线监控管理系统u i 软件框架的研究与实践 单个的应用程序模式组件应用程序模式 1 = = 一 舞i j j 组照一薹拄i 墓缎；冀! 拦 j 组件。j 。? 。j 组髓蠢 - ：j 扣= = 誊组件8 i 。 组件c 图3 1 单个应用程序分解为多个构件 关于软件构件的定义比较多，目前还没有一个公认的标准定义，根据c l e m e n s s z y p e r s k i 的说法， 软件构件是”一个具有特定接口的组合单元，可以独立存 在，参与组成其它组建”。微软对构件的定义：是“可独立运作的软件单元”， 这里强调独立运作，也就代表着构件必须拥有低耦合性、高重用性等特点。 我们可以这样理解所谓“构件”就是可以明确辨识和管理、具有一定的独立 功能的软件单元。它具有如下特点： 1 ) 即插即用：构件可以方便地集成于系统中，不用修改代码，也不用重新 编译。 2 ) 以接口为核心：构件的接口和实现是分离的，构件通过接口实现与其他 构件或系统的交互，构件的具体实现被封装在内部，组装者只关心接口，不必知 道实现细节。 3 ) 标准化：构件的接口必须严格地标准化，这是构件技术成熟的标志之一。 4 ) 构件的来源广阔：大量成熟的构件可以通过市场购买可以从互联网上免 费下载，可以从自己现有的构件库中获得，也可以重新开发设计等等。同时市场 的竞争机制还可以促进构件生产的质量的提高、种类的增加和价格的降低。 总之，构件在功能上是离散的、被精确定义的：构件对自已拥有的方法都提 供标准而清晰的接口；可以单独使用，也可以与其他构件一起组装成一个完整的 应用系统。因此，它不同于面向对象( o o ) 方法中的“对象”或“类”，相比之 下，构件具有更高的用度，更灵活的产生方式，也更容易理解和分发 3 2 2 使用构件的优赢 采用构件结构开发软件，不仅可以使应用程序随着时间的流逝而发展进化， 还有一些可以使对已有的应用程序的升级更加灵活方便的优点；如定制应用程 序、构件库以及分布式构件等。 一、构件更新 通过将单个应用程序分解为多个独立的构件，随着技术的不断发展，我们可 以不断的采用新的构件来取代已有的旧的构件。此时的应用程序将不再像以前那 样是一个在发行之前旧命中注定要过时的静态实体，而是可以随着新构件的不断 扎句j 吧人予坝工子1 m w 义兀强盥任冒蛙承现u l 状仟难朵附谢f 艽 - - j 头战 取代旧的构件而日趋完善，并且可以从已有的构件建立全新的应用。 组件应用程序 图3 2 构件更新 传统的做法是将应用程序分割为文件、模块或者类，然后将它们编译并链接 成一个整体的应用程序。它与构件建立应用程序的过程( 构件构架) 由很大的不 同。一个构件同一个微型应用程序类似，即都是已经编译、链接好并且可以使用 的，应用程序是由多个这样的构件打包而成的。各定制的构件可以在运行时同其 他构件连接起来以构成某个特定的应用程序。当需要对应用程序进行改进或者修 改的时候，我们只需要将相应的构件进行版本更新旧可以了。 二、定制应用程序 用户通常希望能够定制他们使用的应用程序以使应用程序能够按照他们自 己的工作方式那样工作。在系统编程人员建立对实用应用程序的定制方案时，他 们需要的是可以被修改的应用程序。而构件构架从本质上来说就是可以被定制 的，因此可以满足用户提出的需求：用户可以用更能满足他们需要的构件来替换 系统中的某个构件。 三、生成构件库 构件构架嘴引人注目的优点之一就是应用程序的快速开发。这一个优点可以 使软件开发人员从某个特定的构件库中取出所需的构件并快速缉装到一起以构 造所需的应用程序，就像我们小时候搭积木块一样。 图3 - 3 从构件库取出构件用于应用程序开发 这种从标准的构件库中提取构件构造应用程序的方法有一个缺点是，我们所 北京邮屯大学硕士学位论文 无线监控管理系统u l 软件框架的研究与实践 开发的所有应用程序都不可避免的需要使用一些标准构件库无法提供的特殊的 构件，要解决这个问题一般有两种方法：一是购买专业的构件；还有就是自己开 发相应的构件。 四、分布式构件 随着网络带宽及其重要性的提高，对由分布在网络上的多个部分组成的应用 程序的需求毫无疑问将保持强劲的增长势头。构件构架可以简化开发此类分布式 应用的过程。实际上客户机服务器式的应用就是向构件构架跨出的第一步，c s 里整个应用程序破分为两部分：客户机部分和服务器部分。 在将已有的应用程序转化成分布式应用程序时，如果已有应用程序时由构件 组装而成的话，转化构成将变得简单的多。这是因为，首先，应用程序已经被划 分为可以位于远端的各外功能部分；其次，由于任意一个构件均是可以被替换的， 因此可以将某个构件替换专门负责同某个远端构件进行通信的构件 3 2 3 对构件的要求 使用构件的种种优点直接来源于可以动态地将它们插入或者卸出程序。为了 实现这种功能，所有的构件必须满足两个条件。第一，构件必须动态链接。第二， 构件必须隐藏( 或封装) 其内部实现细节。这两个需求事相互依赖的，其中动态 加载对与构件来说是一个至关重要的需求，而信息隐藏则是动态链接的一个必要 条件。 一、动态链接 系统编程人员使用构件的最终目标是使系统用户在应用程序的运行过程中 能够替换构件。虽然并不是所有的应用程序都需要给用户提供这种控制，但是编 程人员却希望能够拥有某种手段来支持这种控制能力。实际上，为了在运行时能 够改变构件，要求编程人员能将构件动态地链接到一起。 对于一个由构件构成的、但不能在运行时进行链接的应用程序，当用户需要 改变其中的相应构件时，开发人员不得不将整个程序重新链接或者编译一遍，然 后重新发行新的版本。但是这种重新编译或者链接对于用户来说几乎是不可能的 事情，即使用户知道应该如何重新链接，但是他们可能没有链接程序，或者没有 合适的链接程序。这种需要在每次改变一个构件时就将系统重新链接一遍的程序 同传统的应用程序实际上没有多大的区别。 二、信息隐藏 为组成一个应用程序，我们需要将各个构件连接起来：当需要替换一个新的 构件时，我们需要将此构件同系统断开，然后将新的构件连接上去。显然新的构 件必须按跟旧构件同样的方式连接到系统之中，负责将需要重新编写、编译或者 链接这些构件。不论构件或者应用程序是否支持动态链接，如果改变了某个构件 同其它构件的连接方式，那么整个系统的整体性实际上就被破坏了，此时至少需 要将整个系统重新编译一遍，或者需要重新编写代码。 为了说明为什么需要信息隐藏，下丽先定义一些术语。对于一个应用程序或 者构件，若干它使用了其他构件，那么我么称其为一个客户，客户通过接口跟其 他构件进行连接。如果某个构件发生了变化但其接口没有任何的更改，那么它的 北京邮电大学硕士学位论文 无线监控管理系统u 1 软件框架的研究与实践 客户就不需要进行任何的修改。类似地，如果客户发生了变化但没有改变其接口， 那么它所连接地构件也不需要任何改变。但是如果对客户或者构件地修改导致了 对接口的修改，那么接口的另一方也需要相应的发生变化。因此，为了充分发挥 动态链接的功能，构件和客户都应该尽其可能不要改变他们的接口，这就意味着 必须将它们封装起来，也就是说，构件和客户的内部实现细节不能反映到接口中。 接口同内部实现细节的隔离程度越高，构件或者客户发生变化时对接口的影响就 越小。在接口没有发生任何改变时，对构件的修改将几乎不会对应用程序的其他 部分产生什么影响。 为了很好的实现将客户同构件实现相应隔离开来的要求，我们需要对构件加 上一些必要的限制，主要如下所列： 1 ) 构件必须将其实现所用的编程语言封装起来。对于任何客户都能使用任 何构件，不论它们时用什么编程语言实现的。将实现用的编程语言暴露出来只会 在构件及客户之间引入新的依赖。 2 ) 构件必须以二进制的形式发布。为了隐藏实现构件的编程语言，构件在 发布时必须时已经编译、链接好并且是马上可以投入使用的。 3 ) 构件必须可以在不妨碍已有用户的情况下被升级。一个构件的新版本必 须既能够同老版本的客户一起使用，也可以同新版本的客户一起使用。 4 ) 构件在网络上的位置必须可以被透明的重新分配。构件及使用它的程序 应该能后在同一进程中、不同进程中或者不同的机器上运行。客户对远程构件的 处理方式应与对本地构件的处理方式一致，否则，当将某个本地构件移动到网络 上的另外某个地方时，客户程序必须被重新编译。 3 2 4 构件模型 构件生命周期由一方定义其规格说明，被另一方开发实现，然后供给第三方 使用组成。构件的核心在于其规格说明，说明中定义了构件与外界发生交互的连 接渠道一接口。同时必须指出的是，虽然构件可以独立部署，但是构件必定依赖 于特定的部署环境。 构件具有严格的接口定义。构件通过接口描述了构件对外提供的服务，同时 通过接口与外界进行交互。功能完善的构件模型通过接口可支持六种基本服务： 内省：通过某种机制向外界展示构件功能的机制，即自我描述； 属性：构件的特性； 方法：构件的行为； 事件：构件的动作，应用程序或者其它构件希望了解它并对它响应： 分布性：支持网络分布式应用； 持续性：构件的状态可存储和恢复机制。 目前，已经出现了较为成熟的构件、构件框架和接口的模型和技术规范，其 中以o m g 提出的c o r b a 、m i c r o s o f t 的c o m d c o m ( 或n e t ) 以及s u n 的 j a v a b e a n s e j b 占主导地位。由于在无线监控管理系统中我们使用m i s c r o s o f t 的 j 尿娜q 三大字坝士宇位馆又 尢线监控管理系统u l 软件框架的研究与实践 a c t i v e x 创建构件。而a c t i v e x 又是以c o m 构件为基础的，因此在这里我们对 c o m 作一下简要的介绍。 3 2 5 o o m 概述 c o m ( c o m p o n e n t o b j e c t m o d e l ) 即构件对象模型，是一种以构件为发布单 元的对象模型，这种模型使各构件可以用一种统一的方式进行交互，是不同语言 切作开发的一种标准。c o m 说明了如何建立可动态互变构件，提供了为保证能够 互操作，客户和构件都应遵循的一些标准。标准对于构件构架的重要性同其他任 何一个具有可改变部分的系统是一样的。c o m 规范就是一套为构件构架设置标 准的文档。 c o m 构件是由w i n 3 2 动态链接库或可执行文件的形势发布的可执行代码组 成的。遵循c o m 规范编写的构件将能够满足对构件构架的所有需求。 c o m 构件是动态链接的，它使用d l l 将构件动态链接在一起。但是动态链 接本身并不能满足对于构件构架的需求，构件还必须是封装的。对于c o m 构件 的封装是很容易的，这是由于它们能够满足下面的一些限制条件： 1 ) c o m