（电力系统及其自动化专业论文）铁路管控系统qos通信解决方案.pdf

c h i n ar a i l w a yc o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e m c r c m i sah u g ed i s t r i b u t e ds y s t e mt h a t c o n s t i t u t e d b ys e r i o u ss u b s y s t e m s i td e p e n d so nc o o p e r a t i o no fs u b s y s t e m st h a t t h ew h o l e c r c ms y s t e mf u n c t i o n sn o r m a l l y t h ed e g r e eo fc o o p e r m i o no ft h e s es u b s y s t e m sd e t e r m i n e s e f f i c i e n c yo ft h ew h o es y s t e m sf u n c t i o nt oac e r t a i nd e g r e e a tp r e s e n t t h e s es u b s y s t e m sa r e i n d e p e n d e n te a c ho t h e ra n dc a nn o ts h a r ei n f o r m a t i o nw i t he a c ho t h e re f f i c i e n t l y w h i c hl o w e r c r c m s y s t e m se f f i c i e n c y s oi tb e c o m e sv e r yi m p o r t a n t t oi n t e g r a t et h e s es u b s y s t e m ss oa st o i m p r o v er a i l w a y sl e v e lo f m a n a g e m e n t a n d q u a i l t yo f s e r v i c e i n t e g r a t e t h ec r c ms y s t e ms h o u l dm e e tt h e f o l l o w i n gr e q u i r e m e n t a u t o n o m o u s c o n t r o l l a b i l i t ya n da u t o n o m o u sc o o r d i n a b i l i t y o n l i n ef a u l tt o l e r a n t o n l i n e m a i n t e n a n c ea n d o n l i n ee x p a n s i o n a ht h es a m et i m e t h e r ea r ev a r i o u st y p e so fd a t af l o w si nc r c ms y s t e m d i f f e r e n tt y p e so fd a t af l o w sh a v ed i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o nd e m a n d i n t e g r a t es y s t e mn e e dt o p r o v i d et h eq o s c o m m u n i c a t i o ns e r v i c ei nw a n t r a d i t i o n a lc l i e n t s e r v e r c s a r c h i t e c t u r e sr o u t ea l lc o m m u n i c a t i o n st h r o u g hac e n t r a l s e r v e r t h i sm a k e st h e mi i i s u i t e dt oh a n d l ea u t o n o m o u sc o o r d i n a b i l i t y o n l i n ef a u l tt o l e r a n t o n l i n em a i n t e n a n c ea n do n l i n e e x p a n s i o n w h e n i tc o m e st o p u b l i s h s u b s c r i b e p s a r c h i t e c t u r e s i tc a nm e e tt h ei n t e g r a t ed e m a n do f t h ec r c m w e l l t h i se s s a ya n a l y s i st h ed a t af l o w ss e m a n t i c si nc r c m s y s t e m c o m p a r t m e n t a l i z et h e mi n t o 3t y p e s c o m m o nd a t af l o w o p e r a t i o nd a t af l o wa n dc o n t r o ld a t af l o w t h e nt h ee s s a y p r o p o s e s a p sb a s e d2 l e v e la r c h i t e c t u r eq o sc o m m u n i c a t i o ns o l u t i o ni n c r c m g i v e st h e c r i t i c a l t e c h n o l o g i e so ft h i s s o l u t i o ni n c l u d et h ee s t a b l i s ho ft h em u l t i c a s tg r o u pd y n a m i c r e l i a b l e m e c h a n i s ma n dt h en o d e sj o i na n dl e a v e a tl a s t t h e e s s a ys i m u l a t e sa n dc o m p a r e st h ec s i n t e g r a t es c h e m ea n dp ss c h e m e a n a l y s i st h em a i np a r a m e t e ro f t h em o d e l k e y w or d s c h i n a r a i l w a y c o n t r o la n d m a n a g e m e n ts y s t e m c r c ms y s t e m p u b l i s h e r s u b s c r i b e p i s 0 u a l i t yo fs e r v i c e q o s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 需求的提出 第1 章绪论 当前 各个部门间的联系越来越紧密 一个工作通常需要几个不同部门协同 爿 能完成 就铁路管控系统而畜 是由铁路客票发售和预订系统 p a s s e n g e r m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m p m i s 铁路运输调度指挥管理系统 d i s p a t c h i n gm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m d m i s 铁路运输管理信息系 统 t r a f f i cm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o i ls y s t e m t m i s 铁路车号自动识别系统 a t i s 铁路行包营运管理系统等多个子系统构成 整个铁路管控系统的正常 运营有赖于这些子系统的协同工作 这些子系统的整合程度的大小在一定程度 上决定了整个系统运行效率的高低 例如 调度部门需要综合客流分布情况 货运需求情况 设备情况 线路状况等多个部门的信息来合理调整运力 实现 最优化调度 接触网的维护需要工务部门 机务部门和电务部门的合作等 与此同时 近年来随着我国交通运输业的不断发展 交通运输市场出现了一 系列新的变化 随着公路 民航 管道 水运等其它运输方式不断向铁路传统 优势领域扩展 铁路业面对的竞争同趋激烈 各种运输方式之阃的市场占有程 度和比例构成也发生了极大的变化 铁路客运市场份额由i 9 7 8 的6 2 7 下降到 1 9 9 8 年的3 5 4 而公路客运市场份额则从1 9 7 8 年的2 9 9 上升到5 6 3 民航旅客周转量所占比重由1 9 7 8 年的1 6 上升到7 6 铁路货物周转量所占 比重由1 9 7 8 年的5 4 4 下降到1 9 9 8 年的3 2 5 水运货物周转量则由1 9 7 8 年 的3 8 4 上升到5 1 3 面对激烈的市场竞争 中国铁路要提高自身竞争力 就需要为顾客提供优质 高效的服务 这要求铁路系统提高运营速度 及时准确的为乘客提供来自其各 个子系统的各种服务信息 同时铁路也需要及时的将乘客的意见反馈到铁路各 相关部门 以针对顾客意见及时做出相应的调整 这也要求铁路管控系统的各 个子系统恒j 能够进行及时有效的信息共享 然而长期以来中国铁路管控系统都处于一种上报下达烦琐冗慢 各个部门 系统间相互隔离的状态 这大大的阻碍了铁路的发展 降低了铁路的运营效率 和服务质量 因此 为了提高铁路的现代化水平 增强铁路竞争力 急需将整个铁路管控 系统的各个子系统集成 以改变当前这种落后的管理运营水平的局面 保持和 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 提高铁路运输业在2 1 世纪的竞争力 但铁路管控系统的各个子系统在结构上 开放性上存在很大个性差异 要 互联这些异构系统 必然会遇到 系列的问题 如平台异构问题 在线特性问 题 广域网内的q u a l i t yo fs e r v i c e q o s 通信问题等等 本文要重点研究的是 如何实现广域网环境下铁路管控系统的q o s 通信 并提出一个基于p s 的解决 方案 并分别对c s 与p s 集成方案进行仿真 对两者进行比较 1 2 本文研究的主要内窑和目标 本文着眼于中国铁路管控系统的集成 分析其集成需求 讨论应该采用何种 结构集成 以及集成所面l 临的问题 论文的目标是提出一个铁路管控系统q o s 通信解决方案 分析其实现关键技术 并分别对c s 通信结构与p s 通信结构 进行仿真 比较这两个模型 论文主要的研究内容包括 铁路管控系统的组成 铁路管控系统集成面临的问题 铁路管控系统数据流语义分析 当前广域网环境下异构系统间通信模型的优缺点 国内外相关领域的发展现状 铁路管控系统q o s 通信实现的关键技术 一一 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第2 章铁路管控系统基本情况 2 1 铁路管控系统及其组成 中国铁路管控系统是中国铁路各个管理系统和控制系统的总称 承担着铁 路系统的管理和控制工作 其由若干个承担不同任务 相对独立而又互相联系 的子系统构成 这些子系统主要包括 铁路客票发售和预订系统 p m i s 铁 路运输调度指挥管理系统 d m i s 铁路运输管理信息系统 t m i s 铁路行包营 运管理系统 铁路车号自动识别系统 自动闭塞系统等等 铁路管控系统的正常运营有赖于这些子系统的协同工作 协同效率的高低 对整个系统运行效率高低有很大的影响 予系统协同工作得越好 铁路管控系 统的运行效率就高 反之则低 铁路管控系统是一个大的连动机 例如 调度 部门在制定调度计划时候 需要综台客流分布情况 货运需求情况 设备情况 线路状况等多个部门的信息来合理调整运力 实现最优化调度 接触网的维护 需要工务部门 机务部门和电务部门的合作 紧急救援系统执行紧急救援任务 时 需要和供电 铁路车号自动识别系统 铁路运输调度指挥管理系统 自动 闭塞系统等多个部门协调 2 2 铁路管控系统主要子系统介绍 2 2 1 铁路客票发售和预订系统 附ls 该系统是一个覆盖全国铁路的计算机售票网络系统 由车站售票系统 地 区客票中心 铁道部客票中心三级构成 铁道部客票中心系统主要管理全国铁 路客票的宏观售票业务 地区客票中心系统主要管理本地区铁路客票的售票业 务 地区客票中心系统与铁道部客票中心系统分离时 可对所有数据进行维护 组织所辖车站独立运行 车站系统主要从事直接面向旅客的售票业务 客票系 统各级局域网通过t c p i p 协议连成一个地域上覆盖全国的广域网 主干网采用 2 m 高速专线将铁道部与2 7 个地区中心相连 地区中心与车站采用x 2 5 或不同 速率的专线连接 车站客票系统主要面向售票的实时交易服务 地区客票中心 主要是面向以座席为核心的调度控制和地区内客运业务的管理 铁道部客票中 心主要是面向以全路客运的宏观管理 营销分析和保障全路的联网售票 客票 系统实行铁道部 铁路局 铁路分局 车站四级管理模式 目前 p m i s 系统已 基本建成 7 1 2 个车站7 2 8 8 个窗口实现了计算机售票 通过p m i s 系统发售的车 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 票已占客票收入的9 0 以上 p m i s 系统具有若干接1 2 1 与调度部门连接以便接收调度命令 与电视台 互 联网 显示牌连接以便发布余票等信息 与统计部门连接以便输出用于统计的原 始数据 当车站系统与上级地区客票中 1 1 系统分离时 可对所有数据进行维护 独立开展正常的售票业务 p m i s 系统结构如图2 1 图2 ip m i s 系统结构圈 2 2 2 铁路运输调度指挥瞥理系统 蹦1 8 d w i i s 工程是为了解决全国铁路调度指挥管理系统的现代化而专门立项的 d m i s 工程的完成将使全国铁路调度指挥管理水平迈上现代化的台阶 传统的铁 路调度 是由铁道部 铁路局和铁路分局组成 以行车调度为中一t l 但基本依 靠电话调度的方式 目前 随着铁路运输周转量的增加 需要现代化的调度管 理中一t k 铁道部运输指挥中 t l 大楼的建成 以计算机网络系统为主要硬环境的 铁道部调度指挥系统 采用现代亿的工具 将大大提高铁道调度的效率 提高 各级行车调度的可靠性 时效性 准确性和行车安全 该系统以实时采集列车 动态运行数据为基础 实现列车的调度监督管理 为铁路运行调度提供决策依 据 其覆盖全国铁路 由铁道部 铁路局 集团公司 铁路分局 总公司 局域 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 网及基层网四缴网络组成 包括郝 局 分局三级运输调度指挥中心和列车运 行基层自动采集与控制系统 充分发挥车站和区间的通过能力 提高行车安全 性和丁f 点率 减轻调度人同的劳动强度 d m i s 系统具有以下几个特点 可靠性 要求高 不允许因为出现故障而影响铁路运营指挥 实时性强 对任一任务请 求做到及时处理 数据量大 路局 分局 分界口等数据全部汇总到部调度中 心 系统复杂 以计算机为主体 联接通信 声像等系统 目前 d m i s 一期工程 已基本完鼢 2 2 3 铁路运输蕾理信惠系统 硼i s 铁路运输管理信息系统 矗i s 是一套实时的应用系统 该系统的作用是实 现全路货车实时追踪 其基本构想是在铁道部建立由若干台大型计算机和大容 量数据库构成的中央处理系统 在全路6 0 0 0 多个站段中选择作业量较大的2 2 0 0 个站段作为信息报告点 通过x 2 5 公用数据交换网实时地将列车 机车车辆和 所运货物的动态信息报告给中央处理系统 经加工处理后 及时提供给各级运 输指挥人员 作为调度指挥的主要依据 其在总部建有存放全路运输信息的中 央数据库 浚数掘库出铁道部 路局和分局的运输指挥管理人员使用 铁路运 输管理信息系统的网络是一个基于t c p i p 的新一代网络 整个网络分为两个层 次即骨干网和基层网 骨干网将6 6 个路局 分局连接到铁路的网络 作为t m i s 广域骨干网 为了使以上各个部门的员工可以有效她使用网络信息资源 铁道 部将建立6 6 个局域网 从而使各级客户可以访问中央数据库和整个网络信息资 源 基层网分布于全国的2 0 0 0 多个站段 连接到5 2 个分局的网络实现实时地 向中央系统报告 为三级运输指挥提供详细信息 系统在可靠性与容错性 网 络延迟 网络的可用性和安全性等方面 都有很高的要求 t m i s 网络是为铁道 部管理全国铁路运输系统而建立的 其全国广域网网络拓扑的设计是基于铁道 部管理组织架构 t m i s 应用系统的数据流量与分布进行o 具体如下 1 铁道部组织管理架构 铁道部全国网络按照4 层层次式结构连接各个部门 即铁道部 铁路局 铁路分局和车站 2 t m i s 数据的流量与流向分布情况 1 t m i s 需要进行从总部到路局相邻层之间通信 路局到分局 分局到车站之 间也进行通信 所有的车站需要实时访问诸如运输管理信息系统之类的集中式 应用 3 t m i s 广域骨干网结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 在铁道部的具体环境中 总部 路局和分局可以考虑作为主干或者地区性 网络 圉2 2 t m i s 结构图 2 2 4 远动系统 s c a d a 远动系统可为调度控制中心采集实时数据 实现对远方设备的监视和控制 因此它是电力系统调度自动化的基础 电力系统远动的主要任务是 将表征电 力系统运行状态和交电所的有关实时信息采集到调度控制中心 把调度控制中 心的命令发往变电所 对设备进行控制和调节 遥信 遥测 遥控和遥调是远 动系统的四项基本功能 在我国称之为四遥 监控系统是一种实时性要求很高的应用系统 大量的实时信息要求在很短 的 规定的时间内到达接收方 电力系统远程监控技术的发展有如下特点 硬件 软件采用模块化 分布式结构 适应性强 可靠性高 性能良好 的操作系统 数据库管理系统以及成套的软件包为用户的开发和使用提 供了极大的方便 并逐步走向开放式 标准化 统 通信规约 以适应 不同型号装冕之问的信息交换 通信网络化 作为多机系统的调度端内部以及烂个远程监控系统 采用 计算机网络通信 也便于和其它计算机系统交换信息 远程监控系统的通道对通信质量有重大影响 目前国内电力系统中的一 些主干通信线路已建成微波通道 光纤通道 逐步形成专用通信网络 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 通信质量大大提高 2 3 铁路警控系统的发展以及面临的问曩 2 3 1 铁路瞥控系统发晨趋势 2 0 世纪7 0 年代以来 面对社会和经济发展对铁路运输不断增长的 高速 高密度 的需求 中国铁路运输系统经历了从以人工为主的 机械化的 电子化 的 信息化进而向智能化方向发展的历程 世界发达铁路国家铁路运输的信息化过程已经基本完成 并在现代信息技 术的支撑下改造内部组织模式 基本上完成了市场商业化运行的改革 大大提高 了运输产品的生产效率 与此同时 基础智能化的进程正以更快的速度和更高的 效率进行 通过实现智能化使传统铁路运输向铁路智能运输系统转化已成为各 发达国家使铁路传统产业升级 保持和提高铁路运输业在2 1 世纪竞争力的核心 战略之一 我国铁路历来重视科技进步 自 七五 以来 我国已根据国情 路情研制 并推广了各种先进的面向业务的信息系统 如面向安全保障的计算机联锁系统 列车运行状况监控系统 计算机化的自动闭塞系统和列车运行控制系统 面向运 营管理和服务水平提高的铁路运输管理信息系统 t m i s 客票发售与预定系统 p m i s 和调度管理信息系统 d m i s 等覆盖全国的大规模信息系统 自动抄车号 系统以及面向信息传输的覆盖全路完整的包括广域网 城域网 地区网 本地 网与接入网在内的通信基础设施 其中某些业务系统已达到或超过同期的国际 先进水平 这些自动化 信息化技术推广应用 将对我国铁路的内部高效细分的 专业化管理模式 带来极大的冲击 2 3 2 铁路管控系统面临的阊题 整个铁路管控系统缺乏一个先进的 可行的总体规划 使其建设还带有一 定的盲目性和重复性 虽然当前根据铁路运输需要而建设的若干业务系统已经初具规模 如p m i s d m i s 办公系统等 但这些系统的应用均局限于铁路内部的某一业务领域 难 以与铁路管控系统其他相关子系统联系 与国内 外相关系统 金融 交通 民航 海关 的联系更加困难 铁路管控系统规模庞大 其建设只能是由试验线路 试验子系统 然后一 步一步扩展到整个系统的 在建设新子系统 子系统新部分或进行子系统改造 时 系统要保证可靠运行 铁路管控系统是在不断地扩展变化的 无法得到整 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 个系统的所有信息 无法事先对整个系统进行详尽描述 因此 传统的自上向 底的方法不适用 要采用自底向上的设计方法 铁路是国家经济命脉 不能因为铁路管控系统某部分出现故障或对系统进 行维护而停止其运行 即铁路管控系统的一部分陷入瘫痪或正在维修 其它部 分也应该能够保持正常工作 铁路管控系统中存在多种数据流格式 不同的数据流格式有不同的实时性 可靠性要求 应针对不同的数据类型采用相应的传输方式 传统的处理方法采 用单一的收发处理机制 将系统复杂的性能要求人为地简单化是机械的 不合 适的 2 4 铁路瞥控系统集成需求 淹了提高铁路管控系统运行效率 为旅客 客户提供更完善的服务 集成 铁路管控系统是必由之路 针对铁路自身的特点和社会对铁路的要求 铁路管 控系统集成主要有如下需求 1 自律可控性和自律可协调性 铁路管控系统由多个担负不同任务的子系统的有机组合 系统的集成要求 各个子系统在保持其原功能基础上来实现各子系统数据的共享 同时 需要各 个子系统能够很好协调和其他子系统的关系 从而实现整个系统的良好运行 因此 要求集成系统的各子系统有自控性和自协调性 2 在线扩展功能 铁路管控系统的建设是分步进行的 因此 集成系统应具备在线扩展功能 3 在线容错 在线维护功能 作为关系国计民生的重要部门 铁路管控系统出现局部故障或进行维护时 系统不能停止运行 因此 集成系统应具备在线容错 在线维护功能 4 o o s 遵信功能 铁路管控系统中存在多种不同数据流类型 不同类型数据流对通信的要求 不同 集成系统应能提供q o s 通信服务 q o s 指发送和接收信息的用户之间 以及用户与传输信息的集成服务网络 之间关于信息传输的质量约定 该约定可被解释为服务提供者与服务用户之间 的一份服务契约 即服务提供者承担支持给定的服务质量层次的义务当且仅当 服务用户按照约定的信息流量特征产生数据时 q o s 可简单理解为通信服务提 供者能根据用户对通信的具体需求 提供相应的服务 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第3 章集成铁路管控系统面l 临的问题 中国铁路管控系统的技术体系相当复杂 各子系统采用的技术 系统体系结 构 系统的数据属性等许多方面都存着很大差异 这给其子系统互连带来了一 系列的问题 根据子系统属性 这些系统可以划分为两大类 即信息系统和控 制系统 其中信息系统包括t m i s d i i s p m i s 财务系统 物资管理系统 紧 急救援系统等 控制系统包括远动系统 追踪系统 机车控制系统等 3 1 铁路管控系统集成面临的问题 3 i 1 平台不同 首先 铁路管控系统的各子系统在平台上存在很大的差异 不同子系统内 采用的c p u 不同 采用的操作系统不同 系统内采用的通信协议不同 开发语 言不同 网络结构也不同 这些不同的计算机硬件和操作系统对数据的描述不 同 一个平台的数掘难以为另一个平台所理解 这些问题都由于各个子系统在物理层上异构带来的问题 通过采用c o r b a d c o m 等分布对象技术 采纳通用通信标准协议t c p i p 等通用通信标准协议等方 法 人们已经较好的解决了这些问题 3 1 2 在线特性 通过系统集成需求部分中的介绍 我们知道 铁路管控系统需要具备一系 列在线特性 包括在线扩展 在线容错和在线维护 在局域网范围内 采用自律分布技术 可以获得优越的在线性能 并已经 在工程实际中得到良好应用 叭川 3 在广域网环境下 采用 p u b l i s h s u b s c r i b e 技术 也能够取得良好的在线特性 3 1 3 数据处理能力 铁路管控系统中 不同予系统对信息的处理能力差别很大 控制系统中的数 据量不大 系统信息处理能力相对较低 而信息系统中 包含音频 视频等各 类数据 数据量大 其信息处理能力也相对较高 因此 将这两类系统互连 必须解决互连后数据过滤问题 舫止信息系统中的数据大量涌入控制系统 造 成控制系统运行效率的降低乃至瘫痪 将控制系统与信息系统的数据分开 采用网关过滤技术 防止信息系统中 无关数据进入控制系统 是这 问题的解决方案之一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 3 1 4 数据处理方式 信息系统接收并处理其收到的所有数据 并全部存储下来 而控制系统只 接收处理其感兴趣的数据 一般以队列形式存储 只存储最新数据 对这一问题 参考文献 1 4 中 提出了这样的解决方案 将控制系统数据 和信息系统数据分开 同时在内存设立两个处理区 分别处理这两种信息 3 1 5 数据同步 控制系统中要求各种数据严格同步 而信息系统对数据同步的要求并不严 格 因此 这两类系统互连以后 应该怎样实现信息同步 需要重新考虑 采用1 3 a d s 模型 是这一问题的解决方案之一 3 1 6 异构系统o o s 通信 铁路管控系统的各类予系统中流动着各种各样的数据 这些数据在类型 特性 模式等方面都不同 对服务质量的要求也不同 这些子系统可以看作是 应用层异构系统 因此 需要通信协议能够针对不同数据类型的需求 采用相 应的策略来满足不同类型数据流的通信需求 在局域网环境下 基于p s 结构的q o s 通信已经实现 n d d s 就是其中一 个比较成功的应用 在广域网环境下 针对中国铁路管控系统的具体情况 如何实现广域网环 境下异构系统间的q o s 通信 还没有统一的方案 本文将主要针对这一问题进 行研究 并给出 个基于p s 结构的铁路管控系统q o s 通信解决方案 3 2 广域月通信原理 广域网 w i d ea r e an e t w o r k 简称w a n 是在一个广泛范围内建立的计算 机通信网 广泛的范围是指地理范围而言 可以超越一个城市 一个国家甚至 及于全球 因此广域网对通信的要求高 其复杂性也高 在实际应用中 广域 网可与局域网 l a n 互连 即局域网可以是广域网的一个终端系统 组织广 域网 必须按照 定的网络体系结构和相应的协议进行 以实现不同系统的互连 和相互协同工作 广域网是 种跨地区的数据通信网络 使用电信运营商提供的设备作为信 息传输平台 对照o s l 参考模型 广域网通信模型位于底层的3 个层次 分别是 物理层 数据链路层和网络层 表3 1 列出了的广域网通信模型同o s i 参考模 型之间的对应关系 1 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图3 1 广域网通信模型同o s i 参考模型之间的对应关系表 o s il a y e rw a ns p e c i f i c a t i o n s 3 3 通信方式的选取 当前有三种主要的通信结构 传统c s 结构 分布对象结构和p s 结构 下面将分别对这几种结构进行介绍 分析其优缺点 找出最适合应用于铁路管 控系统集成的结构 3 3 1 o s 结构 传统c s 结构简介 c s 软件体系结构 即c l i e n t s e r v e r 结构 是基于资源不对等 且为实现 共享而提出来的 8 0 年代以来 一些主要的计算机技术 网络 廉价p c 图形 化用户界面和关系数据库 推动了这种模式的发展 9 0 年代成熟起来 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 传统c s 结构中 软件分为客户和服务器两部分 分别运行于 不同的机器或进程中 二者协同工作 采用c s 结构的优点 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 c s 结构的出现简化了复杂应用程序的开发和维护 s e r v e r 为c i i e n t 提供 系统定义的各种服务 如各种基于文件的服务 数据库服务 名字目录服务 事务处理等 为用户提供了 种有效的资源共享手段 与传统的分时共享模式 和资源共享模式相比 c l i e n t s e r v e r 系统具有如下优点 1 提高利用率 减少了网络流量 客户机只把请求的内容传给服务器 服务器也只是返回最终结果 系统中 不必传输整个数据文件的内容 特别是数据库操作时 由于处理数据的主要过 程和数据是放在 起的 库的内容可以不必传来传去 而在资源共享模式中 出于整个文件要在本地处理 信息通常都要下载到工作站上 其间要传输大量 的数据 2 响应时间较短 改进的原因之一是网络的流量减少了 特别是如果当c s 模式中允许在本 地留下远端数掘库的副本时 数掘查询的性能会得到很大的提高 3 开发简单 把应用程序同它们处理的数据隔离 可以使数据具有独立性 这样 服务 器就能对数据的存取进行充分而且有效的控制 未通过鉴别和授权的用户将无 法对数据进行访闽 系统数据的完整性可以得到充分的保证 此外 数据的封 装性使得改变对数据本身的操作较为容易 通过少量的改动就可把新的数据集 成到已有应用中去 可以更快地开发出新的应用 o s 结构的不足 c s 模式的不足之处主要包括 j 应用接口的异构性严重影响系统间互操作 许多相同的功能模块被多次 重复开发 代码的重用很困难 最常见的复用方式是拷贝代码块并对其进行修 改 2 c 1 i e n t 与s e r v e r 直接连接 没有中间结构来处理请求 s e r v e r 定位通 常需要网络细节 客户端的应甩程序严格依赖于服务器端数据存储和组织方式 3 维护成本高 随着客户端增加丽增加 特别是在客户端物理分布广的情 况下 成本更高 因为很多操作人员对电脑并不会很精通 如果在安装和操作 过程中出问题他们很难自行处理 4 如果业务发生变化 客户端的改动成本很高 即使是很小的一点改动也 需要对大量的客户端进行更新 5 无法保证数据的实时性 系统扩展困难 容错性差 无法实现在线维护 1 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 在线扩展 对多数据类型的应用支持较差 6 出一个中心服务器处理所有数据 所有的通信都必须通过中心服务器 当服务器具备所有需要的信息的时候 这种模式可以正常工作 当数据来源于 多个节点同时又被多个节点使用的时候 c s 结构就显得力不从心了 因为这种 结构要求所有的数据都必须通过服务器的中转 而不是直接的点对点的方式 这样一束 对整个系统的通信就增加了不必要的延时 而且 服务器还是整个 系统的性能瓶颈 当服务器由于某种原因出现故障的时候 整个系统的通信便 陷入瘫痪 c s 结构中存在的服务器瓶颈问题影响了该结构的进一步运用 这是由该结 构本身决定的 当前也有采用多服务器方案分流服务器负担的改良方案 但采 用多服务器方案 系统结构复杂 设计和维护都很困难 扩展性能差 同时也 没有从根本上解决服务器瓶颈问题 以上这些c s 结构的缺点限制了它的应用 针对这些缺点c s 结构也提出 了相应的改进方法 多服务器网络是一种可能的替代解决方案 但这种系统相 对而言非常复杂 对它的建立 管理都比较困难 存在的问题较多 这种方案 在解决了性能瓶颈和单点故障对系统的重大影响的同时又带来了效率低下 带 宽消耗过多的问题 3 3 2 分布对象结构 分布对象技术简介 所谓分布对象 是指其位置透明 可存在于网络的任何地方 并能被远程客 户应用以方法调用的形式访问的实体 分布对象技术采用面向对象的多层客户 服务器计算模型 该模型将分布在网络上的全部资源 无论是系统层还是应用层 都按照对象的概念来组织 每个对象都有定义明确的访问接口 创建和维护分布 对敦实体的应用称为服务器 按照接口访问该对象的应用称为客户 客户应用 无须知道它所访问的分布对象在阿络中的具体位置以及运行在何种操作系统上 浚分布对象与客户应用可能在同一台计算机上 也可能分布在由广域网 如 i n t e r n e t 相连的不同计算机上 分布对象具有动态性 它们可以在网络上到处 移动 服务器中的分布对象不仅能够被访问 而且自身也可能作为其他对象的客 户 因此在分布对象技术中 客户与服务器的角色划分是相对的或多层次的 分布式对象技术研究分布于网络不同节点上的对象如何进行协作 共同完 成特定的任务 其核心内容在于对象之间的互操作 尤其是异构环境中的互操 作问题 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 分布式对象技术建立在组件 c o m p o n e n t 的概念之上 分布对象计算中 参 与计算的计算体 分布对象 被称为组件 组件是 些独立代码的封装体 在 分布计算的坏境下可以是一个简单的对象 但大多数情况下是一组相关的对象 复合体 提供一定的服务 目前 分布对象技术 d o t 在开发大型分布式应用系统 例如应用服务器 中 已表现出强大的生命力 并形成了以下三项具有代表性的主流技术 分别是 o m g c o r b a m i c r o s o f ld c o m c o m 和j a v a r m l 下面分别对这几种技术进行简要介 绍 o m go o r b a c o r b a 是由对象管理集团 d 提逝的一种面向对象体系结构规范 c o r b a 规范的主要内容包括c o r b a 消息服务 通过值传递对象 c o r b a 构件 实时c o r b a 嵌入式c o r b a j a v a i d l 映射 防火墙和d c e c o r b a 之间的协作 其核心组成 部分主要由下面几部分 1 1 1 o m g 的o m a 对象管理体系结构o m a o b j e c tm a n a g e m e n ta r c h i t e c t u r e 用于描述c o r b a 的体系结构 如图3 一l 所示 o m a 由四个部分组成 糸 c o r b 一 li l r b a i i i i i i i i i imii miiailriqdiilidd lg j 1 1q of 圈3 i o m a 模型 基本组件对象请求代理o r b 0 b j e c tr e q u e s tb r o k e r 提供了分布式 对象及其管理的基础底层操作 针对分布对象管理 用于开发者的附加服务 这些服务为多数分布 式对象所需 由许多应用程序提供的服务集成 称为公共对象工具 c o m m o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 o b j e c tf a c i l i t i e s 各种应用对象所组成的分布式应用本身 2 对象请求代理 o r b o r b 提供了分布式对象的基本底层操作和管理 其它技术多依赖于它 因此 是各厂商分布对象平台产品的关键 c o r b a 进程与服务器的守护进程均可通过o r b 的库调用进行连接 另外o r b 支持动态调用接口d i i d y n a m i c i n v o c a t i o ni n t e r f a c e 及动态骨架接口 d s i d y n a m i cs k e l e t o ni n t e r f a c e 3 接口定义语言i d l 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 定义了包含服务器组件调用方法函 数的接口 对应客户端的存根 s t u b 描述了客户端如何进行调用 而对应服务 器端的骨架 s k e l e t o n 则用于描述服务器端请求的接口 每个c o r b a 对象有 个用i d l 定义的接口 这是c o r b a 系统的关键 通过接口才可以实现对象的互 相访问 i d l 的接口操作有名字 参数 返回值 支持许多基本数据类型 包括 结构 序列 数组 联合体等 i d l 编译器根据i d l 接口定义产生客户端的存根 及服务器的骨架 因此 客户端到服务器端的映射是自动的 完全符合接口定 义如图3 2 所示 服 务 调 用 图3 2 存根与骨架原理 存根和骨架提供o r b 与客户 服务器各自不同的应用 使用c o r b a 时 客户 通常调用本地存根中的方法 存根将请求交给o r b o r b 负责定位到可以处理请 求 提供服务的合适对象 并在调用服务前将请求提交给服务器端骨架 每个 c o r b a 实现必须将i d l 映射到客户与服务器端的编程语言 i d l 编译器则提供了 这种映射 ls 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 4 i j o p 协议 典型的i i o p i n t e r n e ti n t e ro r bp r o t o c 0 1 协议分组对目标对象标识 调 用操作及传递到对象上的参数加以编码传送 象i d l 一样 i i o p 反映了互操作 的标准化的一种尝试 i i o p 协议是一种消息处理协议 它允许o r b 跨i n t e r n e t 域进行通信 i i o p 支持7 种消息类型 请求 r e q u e s t 回答 r e p l y 取消请求 c a n c e lr e q u e s t 定位请求 l o c a t er e q u e s t 定位回答 l o c a t er e p l y 关闭连接 c l o s ec o n n e c t i o n 以及消息错误 m e s s a g ee r r o r 5 对象服务 c o r b a 服务 c o r b as e r v i c e s 扩展核心o r b 的功能 部分可运行在o r b 上层 有些则被嵌入到o r b 中 主要包括 名字服务 事件服务 安全服务 事务处理 等 6 对象工具 c o r b a 定义的工具 f a c i l i t f e s 包括 用户界面 信息管理 系统管理 任 务管理等 7 基本对象适配器b o a b o a b a s i co b j e c ta d a p t e r 了解对象实现的风格并选择不同的激活方式 c o r b a 的不足 c o r b a 虽然拥有一系列的优点 但是其仍存在许多不足 主要包括 c o r b a 是 很重量级的协议 有许多附加的描述 通信负担过重 有人 将c o r b a 形容成一头大象 c o r b a 对于一般的小型企业还可以应用 但 对于铁路管控系统一个大系统来说 不太适用 c o r b a 的开发困难 编程复杂 一个资深的工程师都需要一到两年的时 间刁 能掌握 所有接口都需自己从低层开始写 特别要连接已有系统很 困难 除非企业保证以后所有系统都使用c o r b a 开发 否则今后难免又要推 倒从来 c o r b a 不具备对各种异种协议的互连能力 不能支持多数据流类型的处理 i c r o o f td o o m m i c r o s o f t 的分布式应用体系d n a 是w i n d o w s 应用平台的 个企业应用开发 模型 它与w i n d o w s 操作系统紧密结合 d n a 采用的分布对象构件模型称为d c o m d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l 即分布构件对象模型 它提供构件 阃必要的粘合和完全的服务 包括协同工作 位置透明性 安全性 网络化和 1 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 基本服务 使得构件能够彼此通信并且以标准方式操作 d c 例的底层通信技术 是从o s f d c e r p c 发展而来的 增加了少许m i c r o s o f t 自身的扩展 但仍深深地 打上了面向过程的r p c 烙印 由于d c 嘣并未提供继承的能力 严格来说 它只 能算是一种基于对象而非面向对象的分布计算技术 1 d c o m 的体系结构如图3 3 所示 类似于c o r b a d c o m 服务对象也需要定义 一个对应的对象类 该对象类是通过m i c r o s o f t 的i d l 语言 m i d l 定义的 一 个对象类可以定义多个接口 每个接口可以定义多个操作 每个对象类和每个 接口都被赋予一个全局唯 的标识符g u i d g l o b a lu n i q u ei d e n t i f i e r 分别 称为类标识符 c l s i d 和接口标识符 i i d 通过编译m i d l 文件 可以产生相应 的打包 解包代码 在0 c 踟体系中 客户方打包 解包代码称为代理 p r o x y 服务方打包 解包代码称为存根 s c m 服务控制管理器 s e r v i c ec o n t r o lm a n a g e r o x i d 对象输出器标识符 o b j e c te x p o r t e ri d e n t i f i e r 圈3 3d c 删体系结构 d c o m 于1 9 9 6 年推出 目前已在w i n d o w s 9 5 9 8 和n t 中得到广泛应用 随着 时间的发展 企业内基于w i n d o w s 的p c 服务器的生存能力和i n t e r n e t 的持续 高速发展给现代应用带来了新的负担 在w i n d o w s 2 0 0 0 产品系列中 d c o m 已被 1 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 重新命名为c o m 通过将d c o m 的重点转移 c o m 支持对象合并 动态负载平 衡和数据库缓存 可以更好地管理不断增加的高度动态调运负载 综合基于浏 览器的客户及处理新的分布安全模式 j a v a r mi r m i 是分布在网络中的各类j a v a 对象之间进行方法调用的o r b 机制 利用 蹦i 某 台j a v a 虚拟机上的对象在调用另外一台j a v a 虚拟机上的函数时 使 用的程序语法规则和在本台j a v a 虚拟机上对象间的函数调用的语法规则一样 正是这种机制给分布计算的系统设计和编程都带来了极大的方便 只要按照r m i 规程设计程序 程序员可以不必再过问r