网络12-1-42-面向服务的分布式系统体系结构设计-网路121赵金良

面向服务的分布式监控系统体系结构设计面向服务的分布式监控系统体系结构设计 赵金良 计算机学院 网络工程系 12 1 42 号 摘要摘要 针对分布式监测系统传统体系结构开放性 灵活性较差的问题 在归纳分布式监测系 统通用模型的基础上 引入面向服务架构的思想 提出了一种面向服务的分布式监测系统 体系结构 该体系结构将分布式监测系统分为数据采集 数据处理 状态监测 信息融合 和决策支持5个功能模块 以Web Services作为支撑平台实现系统内部各个功能模块的集成 以及监测系统与管理信息系统的集成 实际应用表明 该体系结构降低了系统各部分的耦 合程度 提高了系统的实施效率 1 1关键词关键词 分布式监测系统 分布式体系结构 面向服务 Web 服务 系统集成 2 2引言引言 近年来 随着传感器技术 网络通信技术及计算机技术的 发展 分布式监测系统已 在设备监测诊断 环境监测 医疗监 控 工程健康监测等多个领域获得广泛应用 分布式 监测 系统的设计开发是一项复杂的系统工程 一方面 分布式监测系统通常需要集成不同 的软 硬件系统 是一个典型的异构 环境 另一方面 分布式监测系统通常具有较高的复 杂度 其 实施过程往往存在着较多的需求变更 此外 分布式监测系统 一旦建成 一般 还需要与其它信息系统集成 充分利用其采集的宝贵数据 这导致分布式监测系统的集成 过程受系统异构性和需求变更的影响较大 因此 系统在设计时采用何种体 系结构 将直 接决定系统的集成难度和实施效率 分布式监测系统的体系结构设计对于分布式监测系统的集成难度和实施效率至关重 要 对分布式监测系统的体系结构进行研究 有助于总结分布式监测系统的共有特性 为 各个应用领域的分布式监测系统的设计开发提供参考 已有学者对分布式监测系统的体系 结构进行了研究 如杨叔子等 针对大型关键设备的监测与诊断 提出了一种分布式监测 与诊断系统的分层体系结构 从宏观上定义分布式监测诊断系统的层次结构及各层功能 然而 分布式监测系统本质上是一种分布式系统 这些研究并未从分布式系统的角度对分 布式监测系统的体系结构进行分析 到目前为止 也尚未发现从分布式系统的角度对分布 式监测系统的体系结构进行系统性研究的相关文献 分布式监测系统的体系结构设计还停 留在仅仅满足某个特定系统的功能性和非功能性需求的层次上 通常采用传统的两层或三 层 Client Server 结构 系统各部分的耦合程度较高 开放性 灵活性较差 这增加了系 统的集成难度 已成为影响系统实施效率的一个重要因素 本文从分布式系统的角度归纳了分布式监测系统的一种通用模型 在此基础上 引 入面向服务架构的思想 提出了一种面向服务的分布式监测系统体系结构 service oriented architecture of distributed monitoring system SOA DMS 该体系结构降 低了系统各部分的耦合程度 可以为多个应用领域的分布式监测系统的快速设计开发提供 参考 3 3分布式监测系统通用模型分布式监测系统通用模型 分布式监测系统已经在多个领域得到广泛应用 尽管这些分布式监测系统的监测对 象不同 所采用的计算机系统 数据库系统 网络系统也有差异 但是从系统结构上讲 它们依然具有许多共同的特性 我们把分布式监测系统抽象为如图 1 所示的通用模型 该 模型是一种分层结构 由网络基础设施层 分布式架构层和功能层组成 网络基础设施层 是指分布式监测系统传输数据所采用的各种基础通信网络 如 Internet Ethernet GPRS CDMA 等 分布式架构层是指分布式监测系统所采用的分布式体系结构 如 Client Server 结构 三层 Client Server 结构 分布式对象结构等 功能层是指分 布式监测系统的功能模型 它描述了一个典型分布式监测系统通常 应具备的各种功能 结 合设备监测诊断 环境监测 医疗监控 工程健康监测等多个领域的分布式监测系统的应 用 情况 参考设备监测与维护领域的相关研究成果 我们将功能层划分为数据采集 数据 处理 状态监测 信息融合和决策支持 5 个功能模块 虽然各种分布式监测系统的具体功 能有较大差异 但经过归纳之后 它们大都可以采用这 5 个功能模 块近似表示 分布式架构层是功能层各功能模块之间进行数据交换 信息共享和互操作的基础 因此 需要采用一种开放性 灵活性良好 且具有松散耦合特性的分布式架构 以减弱系 统各功能模块异构性和需求变更带来的影响 增强系统的快速集成能力 4 4面向服务架构面向服务架构 面向服务架构 service oriented architecture SOA 是近年来 IT 界备受关注的 主题 也是未来的发展趋势 SOA 本质上是服务的集合 服务间彼此通信 这种通信可能 是简单的数据传送 也可能是两个或更多的服务协调进行某些活动 服务间 需要某些方法 进行连接 所谓服务就是精确定义 封装完善 独立于其它服务所处环境和状态的函数 SOA 是一种粗粒度 松耦合服务架构 服务之间通过简单 精确定义的接口进行通信 不 涉及底层编程接口和通信模型 面向服务架构并不是一个新的概念 它可以采用多种中间件技术来实现 如 DCOM CORBA EJB Web Services 等 Web Services 本身具有松散耦合特性 这使其成 为创建和部署 面向服务架构的首选技术 Web Services 支撑的面向服务架 构的概念模型 如图 2 所示 该模型基于服务提供者 服务注册 中心和服务请求者这 3 种角色之间的交 互 涉及服务的发布 查找 绑定和调用等操作 它采用 Web Services 协议和标准 实 现相关的功能 Web Services 协议覆盖了面向服务架构的所有方面 从基本的服务信息交 换机制 SOAP 到编程语言标 准 WS BPEL Web Services 一般使用 HTTP HTTPS 作为其 网络通信协议 它的数据交换格式和相关协议标准都是基于可扩展标记语言 extensible markup language XML 的 Web Services 以简单对象访问协议 simple object access protocol SOAP 作为其消息传递的标准 采用 Web 服务描述语言 web services description language WSDL 定义服务交互的接口和结构 使用通用描述 发现和集成协 议 universal description discovery and integration UDDI 来发布和查找 Web 服务 采用 Web 服务业务流程执行语言 web services business process execution language WS BPEL 进行 Web 服务组合 以支持基于 Web 服务的自动业务流程 由于 Web Services 一般采用 HTTP HTTPS 作为其网络通信协议 因此与 DCOM CORBA EJB 等 分布式 对象技术相比 Web Services 能方便的穿越企业防火墙 更适合于机构间的分布 式应用 5 5分布式监测系统体系结构设计分布式监测系统体系结构设计 随着分布式监测系统规模的不断增大 以及跨机构 跨地域的基于 Internet 的远程 分布式监测系统的不断涌现 分布式监测系统越来越复杂 系统异构性和需求变更带来的 影响越 来越大 若分布式监测系统依然采用传统的分布式架构 如两层 Client Server 结构或三层 Client Server 结构 由于系统各模块间耦合紧密 开放性 灵活性较差 系 统集成难度较大 将难以满足分布式监测系统快速集成的需要 因此 本文依据 图 1 所 示的分布式监测系统通用模型 结合面向服务架构的 思想 以 Web Services 为支撑技术 提出了一种面向服务的分布式监测系统体系结构 为设备监测诊断 环境监测 医疗监控 工程健康监测等多个应用领域的分布式监测系统的设计 开发提供了参考 5 15 1体系结构组成体系结构组成 面向服务的分布式监测系统体系结构的各个组成模块以 及它们之间的关系如图 3 所 示 该体系结构以前文提到的分布式监测系统通用模型为基础 其中分布式架构层采用了 面向服务的架构 以 Web Services 作为系统各功能模块之间进行 数据交换 信息共享和 互操作的支撑平台 监测对象的各种信息通过传感器 变送器采集并传送到数据采集模块 数据采集模块向其它相关功能模块提供关于监测对象的原始数据 分布式监测系统的各个 功能模块可以通过 Web Services 平台与管理信息系统等其它相关外部系统实现集成 该 体系结构的数据采集 数据处理 状态监测 信息融合 决策支持等功能模块同前文提到 的分布式监测系统通用模型 相一致 它们的具体功能如下 1 数据采集模块 data acquisition DA 其功能是通过各种传感器从监测对象上采 集数据 并进行相应的预处理 为监测系统其它功能模块提供原始数据 2 数据处理模块 data processing DP 用于对采集的各种 数据进行分析处理 并 进行相应的格式转换 生成满足要求且便于使用的数据 3 状态监测模块 status monitoring SM 从 DA DP 模块抽取数据 结合监测对 象固有特性 确定并输出监测对象的当前状态 4 信息融合模块 information fusion IF 结合监测对象的模 型库 方法库及专家 知识库等 融合系统实时采集的数据和历 史数据 评估监测对象的健康状况 5 决策支持模块 decision support DS 全面考虑监测对象 过去 当前的状态及其 发展趋势 结合其它相关因素 向用户或者其它系统提供或推荐应采取的相应措 施 5 25 2功能模块的基本结构功能模块的基本结构 分布式监测系统功能模块的设计采用接口和功能实现分离的原则 系统体系结构的各 个功能模块均采用 Web Services 技术进行封装 并以标准 Web 服务的形式部署到 Intranet Internet 上 系统各个功能模块均由业务处理组件和各种通信接口组成 业务处理组件用来处理本 地业务逻辑 实现本模块的功能 业务处理组件在实现相关功能时需要同其它功能模块及 数据库进行通信 其处理结果也需要被其它功能模块所访问 这些都是由功能模块的各种 通信接口来完成的 功能模块的通信接口具体又分为数据库访问接口 模块输入接口和模 块 输出接口 其中数据库访问接口为功能模块对数据库进行访问和存储提供支持 模块输 入接口通常作为 Web 服务请求者向其它功能模块提出 Web 服务请求 以协助业务处理组件 完成相关功能 模块输出接口作为 Web 服务提供者为其它功能模块提供所需的历史数据和 实时数据信息 并将数据封装成其它功能模块可用的形式后进行传输 简言之 模块输入 输出接口以 Web 服务的形式为各功能模块间的数据交换 信息共享及互操作提供支持 5 35 3系统支撑服务系统支撑服务 Web Services 为面向服务的分布式监测系统体系结构提 供了一个支撑平台 该体系 结构的各个功能模块的业务功能 通过标准的接口进行封装 并发布成 Web 服务 系统各 个功 能模块均提供多种 Web 服务以支持它们相互之间的数据交 换 信息共享和互操作 这些 Web 服务可划分成 3 类业务服务 动态数据服务 静态数据服务和配置服务 动态数 据服务 是系统各个功能模块为其它模块提供实时数据的接口 业务 处理组件被调用实现 其业务功能时产生实时数据并通过动态 数据服务发布 静态数据服务为其它模块提供相对 静态的信 息 包括系统自身固有的描述信息及运行过程的历史数据 配 置服务提供功能 模块的配置信息 通过该服务可以获取并改变 功能模块的当前配置 对业务处理组件的业 务逻辑进行调整 分布式监测系统的数据类型多样 数据结构复杂 为了实现系统无缝的跨平台互操作 性 增强系统各模块间的互操作能力 需要对数据进行一定的规范 由于 XML Schema 具 有彻底的平台无关性 因此根据分布式监测系统的应用领域和监测对象的不同 采用 XML Schema 定义共享的数据类型和结构 为各类分布式监测系统设计适合其应用领域的数据规 范 是解决系统互操作性问题的有效方法 本文采用 XML Schema 对业务数据进行建模 为系统各类服务的业务数据设计 XML Schema 定义数据的类型和结构 描述和约束需要交 换的数 据格式 XML Schema 和 WSDL 一起形成了与技术无关的可供 SOA 实现使用的接口 定义语言 在构建各类业务服务时均采用自顶而下的设计方法 首先使用 WSDL 和 XML Schema 构造定义 Web 服务接口 然后为服务生成框架实现代码 最后完成框架服务的实 现 实现基于 WSDL 和 XML Schema 的 Web 服务 5 45 4数据传输数据传输 分布式监测系统的数据传输问题可以归纳为两个方面 1 传感器 变送器从监测对象采集的数据发送给数据采集模块 2 系统内部各个功能模块之间以及系统内部功能模块与管理信息系统等其它外部系 统间的数据交互 从传感器 变送器到数据采集模块的通信方式可分为离线通信方式和在线通信方式两种 离线通信方式中 数据通过文件或数据库的形式传送给数据采集模块 这需要事先明确文 件格式或数据库设计 如果数据只能通过专用的软件工具从文件或数据库中解析出来 而 该软件并未提供二次开发 接口 那么数据采集过程就可能不会完全自动化实现 在线通信 方式需要以某种通信方式将传感器 变送器与计算机连 接起来 并且可能需要提供设备驱 动程序以支持它们之间的 数据通信 在线通信方式特别适合于智能传感器 变送器与 计算 机间的通信 其具体的数据传输策略又可以分为即时通信与定时通信 即时通信是指当传 感器 变送器采集到重要参数或数据采集模块发出数据采集指令时 传感器 变送器即时将 获得的数据传送到数据采集模块 而定时通信则是指传感器 变送器将采集到的普通参数信 息暂时在本地存储 并按照一定时间间隔集中发送到数据采集模块 系统内部各个功能模 块之间以及系统内部功能模块与外 部管理信息系统间的数据交互是通过 Web Services 进 行的 Web Services 在进行数据传递时 采用的是 SOAP 协议 SOAP 是一种简单的 轻 量级的 基于 XML 的通信协议 通常采用采用 HTTP HTTPS 作为底层网络通信协议 具有 跨平台 跨编程 语言等优点 适合于在分布式环境中对等地交换结构化的和类型化的信息 Web Services 为系统各个模块间的数据交互提供了一个柔性的分布式环境 是系统各个模 块间信息共享的基础 6 6实际应用实际应用 为实现大型科学仪器的网络化管理 促进其开放和共享 我们设计开发了国家大型科 学仪器工作状态监测系统 该系 统是一个跨机构 跨地域的基于Internet 的远程分布式 监测系 统 是一种典型的机构间分布式应用 在该系统的实施过程 中 我们对本文所提 出的面向服务的分布式监测系统体系结构进行了初步应用 系统的结构如图5 所示 整个 系统由大型科学仪器 网络化智能监测终端 包括智能监测装置和仪器 工作站 机构监测 服务器 国家级监测服务器和相关的管理 信息系统等部分构成 大型科学仪器的工作状态 监测通过两 种方法实现 一种方法是采用项目组研制的智能监测装置采 集标志仪器工作 状态的电流 电压 开关量 光强等特征物理 信号 监测大型科学仪器的工作状态 另一 种方法是通过项目 组研发的科学仪器状态监测软件对仪器工作站及仪器控制软 件进行检 测 间接获取仪器的工作状态 第二种方法适应于 工作过程完全由仪器工作站控制的 集 成化程度较高的大型 科学仪器 智能监测装置和安装有科学仪器状态监测软件的 仪器工 作站统称为网络化智能监测终端 它们均支持TCP IP 协议 可以通过以