面向多終端異構系統的中間件平臺體系結構研究

陶 強，劉宴兵，肖云鵬

（重慶郵電大學 計算機學院，重慶400065）

0 引 言

互聯網已經由原來以PC機為主要接入設備的Internet架構轉向以移動終端和其他便捷移動設備為主要接入設備的移動Internet架構，移動終端成為了互聯網業務的最終載體，如何實現移動終端高效、安全、無縫地接入移動互聯網將是亟需解決的問題［1］。3G時代的到來，WiFi、WiMax等高帶寬無線技術的成熟商用，使得移動互聯網的帶寬瓶頸已經得到解決。然而移動終端設備由于技術限制使得自身的存儲和計算能力受限，多種異構系統之間差異明顯，體積較小而導致表現能力不足、人機交互能力差等問題［2－3］。

針對以上問題，本文提出一種面向多終端異構系統的中間件平臺，平臺采用 “能力＋中間件平臺＋終端應用”的新型應用服務模式。為終端應用提供一種高效、低成本、跨平臺的開發方式和豐富的應用資源。最后通過本平臺架構上開發的服務驗證平臺的正確性和可行性。

1 面向多終端異構系統的中間件平臺

為解決移動終端自身的弊端和多異構系統的接入問題，本文運用 “能力＋中間件＋終端應用”的新型應用服務模式，結合中間件、虛擬化技術，SOA、Web Service、OSGi標準以及統一的數據交互和終端接入方案，提出面向多終端異構系統的中間件平臺（MP－MTHS）。如圖1所示：該平臺框架上主要包括能力層、中間件平臺和移動終端應用平臺三層架構以及角色分配和安全監控兩個管理模塊。

圖1 面向多終端異構系統的中間件平臺體系結構

1.1 能力層

能力層通過網絡將大量的資源整合成資源池，并進行統一管理和調度供用戶隨時獲取、按需使用和彈性擴展，包括基礎設施和基礎設施監控管理兩部分［4］。基礎設施就是通過網絡整合大量資源所形成的資源池，包括計算機、分布式計算機集群等大量的硬件資源和數據庫包、基礎應用等豐富的軟件資源。基礎設施監控管理包括監控和管理兩個部分，監控是監測集群的運行使用情況，發現故障資源及時停止或利用其他資源代替；管理是將基礎資源根據用戶的需求統一分配，統一調度，向用戶提供一個完整的服務。

通過硬件虛擬化實現硬件設備的即插即用，即在不影響平臺正常操作和其他設備正常工作的前提下可以隨時加入或撤離［5］。軟件虛擬化實現了按需使用和動態擴展，即代碼可以根據邏輯動態地調度到所需的地方。虛擬化之后的資源以服務的形式向上層提供，用戶無需購買、維護硬件設備和相關軟件，就可以在其上構建自己的平臺和應用。

1.2 中間件平臺

中間件平臺組織底層資源并提供基礎服務和增強服務，以滿足上層需求。同時還可以屏蔽設備的差異，使得底層各種設備都可以向平臺提供資源服務，上層各種終端都可以使用平臺上的應用服務，而不必擔心彼此之間的兼容問題［6］。

如圖2所示，中間件平臺為移動終端提供一種高效、低成本、跨平臺的開發方式，為服務提供者和使用者搭建了一個廣闊的且都將獲益的雙邊平臺［7］。對于服務提供者而言，底層擁有強大的計算存儲能力，平臺上有眾多的基礎服務和詳細的用戶需求，提供者可以按需快速的進行創新設計，而不必擔心能力不足和需求不明的問題。對于服務使用者而言，平臺上有大量的服務供其選擇，如果不滿意還可以訂制服務，服務提供者會根據使用者的需求開發個性服務。

圖2 中間件平臺關系

1.3 移動終端應用平臺

傳統中間件平臺重點研究對計算機的服務提供，而忽略了對移動終端的服務提供，移動終端有易于攜帶、使用方便的優勢，終端服務需求大大提升。移動終端平臺利用基于網絡連接的界面提供給用戶豐富的應用，提供多用戶機制，無論是一對一還是一對多都能夠提供個性智能的用戶體驗［8］。

移動終端平臺面向移動互聯網終端用戶，提供的服務要考慮到移動互聯網終端顯示、計算、存儲等問題。如圖3所示，應用提供者提供移動終端的應用安裝文件和標準接口，移動終端用戶可以通過標準接口直接使用服務或者下載安裝文件使用；移動終端用戶可以向平臺訂制應用，應用提供者則按照應用需求來開發自己的應用。這樣充分體現了平臺性也實現用戶個性化，給用戶以良好的體驗。

圖3 移動終端應用平臺關系

1.4 角色分配

面向多終端異構系統的中間件平臺本身是開放的，因此平臺中的參與者很多，如果不能夠對參與者進行完善的管理，平臺很有可能由于參與者的誤操作而提供不了理想中的服務［9］。如圖4所示，平臺中的參與者大致可以分為3種：提供商，管理者和用戶。

圖4 平臺角色分配

提供商包括硬件和軟件提供商。硬件提供商提供計算機集群，路由器等硬件資源，軟件提供商則是提供操作系統，虛擬化軟件等軟件資源。管理者包括資源管理者，服務管理者和應用管理者。資源管理者就是管理軟硬件資源，保證基礎資源的穩定提供；服務管理者則是管理平臺服務，為后續開發者提供服務接口；應用管理者主要負責用戶應用的提供。用戶就是提供移動終端用戶的接入方式。

1.5 安全監控

連接到平臺中的設備都是開放的，任何信息都可以在任何設備上被找到，安全監控管理就成為了急需解決的問題。本框架中介紹了4種安全監控管理相關的模塊：賬戶密碼管理、安全防御系統、系統更新升級、保留系統日志［10］。

賬戶密碼管理是保護平臺的第一道防線，用戶通過密碼認證來獲得不同的權限，避免非法用戶和操作破壞平臺運轉。安全防御系統通過防火墻防止黑客的非法訪問和流量攻擊，將惡意的網絡連接擋在防火墻之外，通過入侵檢測系統可以監視服務器的出入口，識別并過濾入侵性質的訪問。系統的更新升級就是在被攻擊之前發現漏洞并及時打補丁，消除系統的不穩定因素。系統日志記錄了系統上的一切操作，可以根據日志的記錄進行追蹤和回滾來保護系統。

1.6 平臺數據流

面向多終端異構系統的中間件平臺中的3個層次和3種角色之間需要統一的協同機制和標準的數據傳輸規范才可以無縫連接，實現平臺的功能。

平臺數據流如圖5所示，能力層、中間件平臺和移動終端應用平臺不間斷地運轉，等待用戶的訪問。能力層向中間件平臺提供計算、存儲、網絡等基礎能力，中間件平臺將這些能力展示出來，供二次開發者使用。二次開發者可以通過重組基礎能力和開發新能力的形式來設計應用成品或網絡接口。移動終端用戶可以通過中間件平臺下載應用成品安裝和訪問網絡接口來享受平臺中所提供的應用。如果用戶沒有找到適合自己的服務，可以向中間件平臺訂制應用，二次開發者會根據用戶的需求開發出適合用戶的應用。

2 關鍵技術

2.1 基于中間件平臺的新型互聯網應用開發模式

本新型開發模式可以抽象表達為 “能力＋中間件＋終端應用”的開發模式。“能力”屏蔽底層設備異同，將底層設備的資源抽象成能力并向上層提供；“中間件”利用中間件技術屏蔽多平臺異構終端，向上層提供標準統一的網絡接口和應用服務；“終端應用”將下層提供的網絡接口和標準服務呈現給移動終端用戶，提供良好的用戶體驗。

借助于 “中間件”就可以實現 “能力”和 “終端應用”的獨立開發。開發人員無需參與到產品設計的整個過程，而是在精通的領域進行開發，精力集中在產品邏輯設計上，各模塊之間通過中間件兼容，產品整體質量得到提升。

2.2 基于OSGi的標準化平臺架構

OSGi平臺規范具有很好的跨平臺性，提供了一個開放、通用的架構，使參與者能夠互動地開發、部署和管理服務。OSGi利用標準組件接口和插件機制可以滿足不同用戶的需求，為網絡服務定義了一個標準的、面向組件的計算環境。基于OSGi技術的應用和模塊可以靈活地接入平臺系統，并且在不停機的狀態下安裝、起停、升級和卸載。因此，采用OSGi標準的平臺具有標準化、動態可擴展、模塊間松耦合和基礎能力可組裝的優勢［11］。

2.3 多終端異構平臺標準化接入技術

研究解決通過SOA、Web Service標準化技術，使中間件平臺支持多異構終端系統接入。SOA進一步屏蔽底層技術平臺，以客戶更易于理解的業務語言進行系統建模、編排設計和部署等，以標準化的服務形式實現應用之間的交互與集成，從而提升系統的綜合服務能力，降低運營管理成本［12］。Web Service是一種Internet上松散藕合的軟組件技術，它提供了簡單的服務器技術集成方案，規定了服務描述、發布和通信交互的規范，利用Web技術和XML格式的消息編碼，實現服務的遠程訪問。

圖5 平臺數據流

2.4 虛擬化基礎資源封裝技術

虛擬化基礎資源封裝技術是是物理實際的邏輯抽象，包括統一的資源描述和標準的資源封裝［13］。資源描述有助于資源的整合，方便資源之間的訪問；資源封裝則將整合之后的資源進行能力化的封裝，以便上層使用。平臺通過單機虛擬化、多機虛擬化、網絡虛擬化、計算存儲虛擬化等技術對分布式基礎服務資源進行透明化整合，經過整合封裝后的資源屏蔽了硬件資源的差異性，能夠按照需求靈活分配給用戶，提高了資源的利用率和復用性。

2.5 統一數據交互方案

異構設備有不同的接口，不同的數據格式，必須依靠統一數據交互方案來保證設備之間的正常通信，數據交互主要包括橫向和縱向兩個方面［14］。橫向來說，各層設備之間必須保證彼此不發生沖突，協同工作共同提供服務。縱向來看，各層之間也需要保證數據準確傳輸，資源服務正常提供。統一的數據交互方案保證了平臺在縱向、橫向兩個方面的數據交互，實現了平臺的松耦合、可配置和易測試。

3 系統實現

面向多終端異構系統的中間件平臺核心模塊包括能力層、中間件平臺和移動終端應用平臺3個層次，如圖6所示，每個層次都有相對應的模塊來實現層次功能。

3.1 能力層

圖6 核心模塊設計

能力層包括基礎設施和基礎設施監控管理兩層結構，采用Apache開源項目Hadoop來構建基礎設施，采用Xen進行資源的虛擬化工作，采用zabbix來監控整個集群。

采用Hadoop來構建基礎設施主要是由于其具有一種用于數據處理的編程模式MapReduce，該模式下的程序本質上是并行的。因此，Hadoop是一個能夠對大量數據進行分布式處理的軟件框架，并且處理方式是可靠、可伸縮和高效的。利用Hadoop可以異構不同的服務器、數據庫、網絡等基礎設備，共同提供強大的基礎能力［15］。

采用Xen進行資源虛擬化工作可以實現開源，且無需特殊硬件支持，就能達到高性能的虛擬化。Xen的模擬類型主要有半虛擬化和全虛擬化兩種，前者要求虛擬機與原操作系統相同，后者則可以兼容不同類型的操作系統。

利用開源監控集群zabbix，可以輕松得到集群運行時的數據，方便進行數據分析。Zabbix利用zabbix server可以監視遠程服務器／網絡狀態，進行數據收集，利用zabbix agent安裝在被監視的服務器上，完成對其硬件信息、內存和CPU等信息的收集，并且可以通過柔軟的通知機制以讓系統管理員快速定位／解決存在的各種問題。

3.2 中間件平臺

中間件平臺中主要包括Tomcat、Equinox和Eclipse。Tomcat實現一種運行環境，Equinox規定一種基于OSGi標準的框架，Eclipse提供一種簡單實用的開發工具。

選用Eclipse作為開發工具可以實現開源、易用、跨平臺和支持多種語言開發，方便本系統的協同開發，并且可以基于OSGi標準的框架Equinox來進行開發設計，Eclipse眾多插件使其相比于其他IDE更具有靈活性。

采用Tomcat實現運行環境是因為其是輕量級應用服務器，技術比較成熟。當配置好Apache服務器時，他可以響應對HTML的訪問請求，Tomcat作為Apache的擴展，可以響應對JSP、Servlet的訪問請求，增加了平臺的靈活性。

采用Equinox可以通過Java語言實現OSGi，提供了應用之間相互通信的支持，用戶可以向環境注冊自己的服務，也可以查詢環境中動態存在的服務并加以利用。根據OSGi標準開發出的服務就是Bundle，包含清單文件和一些Java類的組合。Bundle由許多功能互異且相互獨立的基本服務組成，主要實現安裝、升級和卸載、開始和停止、注冊、注銷和跟蹤服務的任務。Bundle中注冊的Service服務可以通過SOAP協議與其他Web服務實現消息傳遞，實現了異構平臺間的互操作。Bundles通過注冊中心發布之后，用戶通過查詢UDDI注冊中心，可得到所需服務的WSDL文件。

3.3 移動終端應用平臺

移動終端應用平臺就是將平臺上提供的各種應用、服務展現給用戶，供用戶選擇實用。

Web Service就是利用網頁來展示平臺上的各種應用，可以利用中間件平臺上的Tomcat來實現，網頁上面提供各種應用、接口以及說明介紹文檔，終端用戶按照說明文檔直接調用接口就可以享受到應用服務。Application Product則是移動終端應用軟件，通過軟件在終端上展示服務，供用戶隨時隨地下載使用，故其底層連接和Web相同，可以共用。

4 實驗與分析

用戶登陸平臺使用平臺服務的流程如圖7所示：用戶通過用戶名和密碼來鑒別，如果沒有注冊或者輸入錯誤則返回重新登錄或注冊。用戶名和密碼匹配之后根據注冊信息將用戶分為普通用戶、開發者和管理者3種級別，每種級別賦予不同等級的權限。普通用戶只是查看平臺上的服務和訂制自己所需要的服務；開發者可以查看平臺上的服務，也可以開發自己的服務上傳到平臺上供普通用戶使用；管理者則監控整個平臺，保證平臺的正常運行。

開發者可以利用平臺上的基礎能力快速開發服務，開發者快速開發過程如圖8所示。在Eclipse中，src中是自己開發的代碼，Referenced Libraries中是從平臺上下載的基礎能力，以jar包形式添加到項目當中，就可以利用接口實現功能，服務開發完成后可以上傳到平臺上供普通用戶使用。

普通用戶可以借助平臺上的服務接口直接使用服務也可以將服務成品下載到移動終端安裝后使用，圖9展示了Intelligence Campus在移動終端上的運行效果，左側是自習室查詢效果，右側是校園招聘信息效果。

圖9 終端展示

從圖9中可以清楚的看到在面向多異構系統的中間件平臺體系結構上的終端應用成功在移動終端上運行，我們可以簡單的查詢到適合自己的自習室，清楚的了解學校中的最新消息。說明 “能力＋中間件＋終端應用”服務模式的成功實現，也驗證了該面向多終端異構系統的中間件平臺框架結構的可行性和正確性。

5 結束語

針對目前移動終端自身所存在的弊端以及對中間件平臺、虛擬化等技術的研究，本文提出了一種面向多終端異構系統的中間件平臺架構，采用 “能力＋中間件平臺＋終端應用”的新型應用服務模式。能力層提供強大的能力，中間件平臺屏蔽異構設備和終端，終端應用平臺將移動終端接入平臺，角色管理明確用戶權限，安全監控保障平臺運轉，5個模塊協同工作實現了平臺的標準化、動態可擴展、模塊間松耦合、基礎能力可組裝和多終端異構系統可接入。最后通過Android智能移動終端測試了新框架下開發出來的應用軟件，驗證了服務模式的可行性和框架結構的正確性。

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