支持SMC遠程交互的分布式綁定中間件研究

肖超恩，曾廣平，張青川，岳 洋

（北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京100083）

0 引 言

“軟件人”［1］是人工智能、人工生命的一個新興領域，它是模擬、延伸、擴展人的行為和功能的軟件實體。為了解決軟件系統(tǒng)中的演化問題，文獻［2－3］依托 “軟件人”的自感知、自規(guī)劃等擬人特性，提出了 “軟件人”構件模型（softman component，SMC）。基于此模型，軟件系統(tǒng)能夠自治地調(diào)整自身行為，并通過在線演化的方式來適應外部運行環(huán)境動態(tài)變化。SMC構件為電子商務、移動網(wǎng)絡等系統(tǒng)提供較好的演化支持，隨著其在相關領域廣泛應用，其不具備分布式處理能力的局限性突顯出來，大大限制SMC的進一步應用與發(fā)展。因此，如何為以演化為著力點的SMC構件模型提供分布式處理能力，進而能應用于“真”分布的開放環(huán)境中［4］，成為SMC亟須解決的問題。

現(xiàn)階段，可復用構件技術已成為網(wǎng)絡計算平臺上研建復雜系統(tǒng)的首選技術方案。OMG組織為實現(xiàn)構件級的分布式計算，以CORBA為遠程訪問通信基礎，提出了CCM（CORBA component model）中間件平臺［5］。SUN 公 司 提出了EJB（enterprise JavaBean）中間件以支持企業(yè)級應用開發(fā)，該中間件以JavaBean構件為基礎，利用Java平臺的RMI技術實現(xiàn)分布式計算［6］。美國許多大學和研究機構為解決高性能科學計算軟件開發(fā)復雜、周期長等問題提出了CCA（common component architecture）中間件平臺［7］。國內(nèi)學者在基于構件的中間件平臺方面也做了不少的研究工作。北京大學王千祥教授、梅宏教授為適合企業(yè)級應用提出了一種面向領域兼容EJB規(guī)范的構件運行支撐平臺PKUAS［8］。國防科技大學的王懷民教授等人開發(fā)了符合CCM規(guī)范的構件中間件StarCCM，該平臺底層通信由遵循CORBA規(guī)范的StarBus提供支持［9］。

在前期工作中，筆者所在的研究團隊提出了一種面向開放系統(tǒng)演化的SMC構件模型［2－3］，并研發(fā)了相應的運行支撐平臺。作為構件的底層執(zhí)行環(huán)境，該平臺負責將實例化后的SMC構件加載到同一地址空間。由于構件接口連接緊耦合在本地的同一上下文中，故構件實體之間尚不具備分布交互能力。為了使得同地址空間內(nèi)的SMC構件連接衍生為跨地址空間的透明互操作，我們提出了分布式綁定中間件的技術構想，以便為SMC構件提供統(tǒng)一、透明、高效的分布交互平臺。

1 分布式綁定中間件的體系框架

SMC構件是一個包含相關信息并能提供服務的計算實體，它僅通過接口與外界進行交互。其中接口分為管理邏輯接口與功能邏輯接口。管理邏輯接口用于描述、控制和調(diào)整SMC構件自身的行為和結構。功能邏輯接口定義SMC構件的功能邏輯，其分為服務型接口和請求型接口兩類。服務型接口說明了SMC構件能提供的服務，而請求型接口說明了SMC構件需要的服務。SMC構件之間是采用嵌套組合來實現(xiàn)構件的重用與系統(tǒng)的構造，構件間通過服務型接口與請求型接口的綁定建立關聯(lián)并進行通信。因此，為使SMC構件模型能具有分布式的處理能力，本文提出了SMC構件分布式綁定中間件（SMC distributed binding middleware，MCDBM），如圖1所示。

圖1 SMC構件分布式綁定中間件框架

SMC構件分布式綁定中間件由SMC注冊服務層、SMC遠程綁定層及分布式體系結構描述層三部分組成。SMC注冊服務層主要提供構件注冊、查找、注銷等分布式構件管理服務。通過注冊服務，服務構件能夠?qū)ν馓峁┳约悍招畔ⅲ煌ㄟ^查找服務，客戶構件則能查找所需的服務構件。SMC遠程綁定層主要為SMC構件提供遠程綁定服務。該服務為分布于不同節(jié)點上的SMC構件對應接口之間建立訪問鏈路。通過此鏈路，SMC構件之間能實現(xiàn)跨越進程邊界的互操作。分布式體系結構描述層通過擴展SMC構件體系結構描述語言（SMC／ADL），使得已有的構件能應用于分布環(huán)境，從而能顯式規(guī)約分布式SMC構件系統(tǒng)。

2 分布式綁定中間件關鍵構造技術

基于SMC構件分布式綁定中間件框架，本文采用構件化的方法來構造與實現(xiàn)該中間件。其中，SMC注冊服務構件（softman registry service component，SMRSC）用于實現(xiàn)分布式環(huán)境下SMC構件的注冊服務；SMC遠程綁定構件（softman remote binding component，SMRBC）用于負責為分布式SMC構件提供互操作服務，SMC／DADL解析構件（softman distributed ADL parser component，SMDPC）用于解析分布式描述文檔，并利用SMRSC和SMRBC提供的服務實例化分布式SMC構件系統(tǒng)。

2.1 SMC注冊服務構件

SMC注冊服務構件是從服務層面為構件間的分布式綁定提供一致操作。該構件主要提供構件注冊、查找、注銷等服務功能。

注冊服務。指向SMC構件注冊中心注冊SMC構件并公布該構件提供的服務型接口信息，以便其他SMC構件能查詢到。

查找服務。指在SMC構件注冊中心上搜索已注冊的服務構件，查找出能滿足需求的SMC構件。

注銷服務。指提供服務的SMC構件要進行替換操作或者結束其生命周期時，需向注冊中心進行注銷，并撤銷其公布的服務信息。

SMC注冊服務構件通過注冊服務接口，為SMC構件提供服務注冊、查找和注銷等功能，其IDL定義如下：

module ustb＿smcavs＿DMW＿SMComponentRegistry｛

interface RegistryService｛

SMComponentArray listAllSMComponent（）；

StringArray listAllSMComponentRegistryName（）；

SMComponent lookupSMComponent（in string name）；

SMComponentArray lookupSMComponent（in ProvidedInterfaceTypeArray inferfaces）；

boolean registrySMComponent（in ustb＿smcavs＿SMC＿api＿managementshell：：

SMComponent smcomponent）；

boolean registrySMComponent（in string name，in ustb＿smcavs＿SMC＿api＿managementshell：：

SMComponent smcomponent）；

boolean deregistrySMComponet（in string name）；

boolean deregistrySMComponet（in ustb ＿smcavs ＿SMC＿api＿managementshell：：

SMComponent smcomponent）

｝；

｝；

對于SMRSC構件而言，主要采用HashMap來存儲注冊的服務構件，并對外提供相應的查找，注銷等功能。SMRSC構件提供了兩種構件獲取的方式。一種方式是直接通過注冊的關鍵字來獲取提供服務的SMC構件；另一種方式 則 是 調(diào) 用lookupSMComponent（in ProvidedInterface－TypeArray interfaces）操作，通過向注冊中心提供所需的服務接口類型集，構件注冊中心將利用SMC構件的管理邏輯內(nèi)省功能，遍歷以注冊服務構件，查找能提供所需服務接口的所有SMC構件。

2.2 SMC遠程綁定構件

SMC遠程綁定構件主要為SMC構件提供遠程綁定服務。而對于SMC構件而言，接口是與外界進行交互的唯一入口。SMC構件接口之間的裝配連接操作，映射到對象空間，就是將構件的請求型接口對象（ItfClient）與提供服務的構件服務型接口（ItfServer）關聯(lián)（bind）在一起。所謂關聯(lián)，是指在對象之間建立一條鏈路，通過該鏈路一個對象實例能訪問到另一個對象實例。當SMC構件屬于同一個上下文時，對應的ItfClient對象與ItfServer對象都存在于同一個地址空間，那么接口的關聯(lián)操作就是ItfClient能獲取到ItfServer對象的引用。當SMC構件處于分布式環(huán)境中時，ItfClient對象與ItfServer對象屬于不同的地址空間。此時，若要實現(xiàn)接口之間的連接，則需要一系列的中間對象負責將ItfClient的調(diào)用傳遞給ItfServer，并將其返回值取回來。此時，SMC遠程綁定構件負責來創(chuàng)建這些中間對象幫助接口實現(xiàn)分布式的訪問。同時，利用SMC構件管理邏輯提供的控制、內(nèi)省等服務，SMC遠程綁定構件采用通信代理動態(tài)生成策略來實現(xiàn)，其模型圖2所示。

SMC遠程綁定構件由動態(tài)代理層、接口適配層、協(xié)議棧、網(wǎng)絡協(xié)議層四部分組成。動態(tài)代理層是指依據(jù)構件綁定對象動態(tài)生成遠端構件代理，此時將構件接口之間的連接分解為與代理的綁定，并由代理負責與對應的遠端構件進行交互。接口適配層依據(jù)接口的類型，構造相應的標識符，使得代理構件的接口對象能在分布式環(huán)境下被訪問到。協(xié)議棧用于定義SMC構件接口訪問協(xié)議，確保相關標識符能訪問到對應的遠程接口，且在接口操作中，傳遞的參數(shù)或返回值包含相關接口信息時，將其轉(zhuǎn)化接口適配層為對應的標識符，保證上層應用能獲取到正確的接口引用。網(wǎng)絡協(xié)議層則采用TCP等網(wǎng)絡通信協(xié)議保證上層的互聯(lián)互通。因此，該構件對外提供的服務接口IDL描述如下：

圖2 SMC遠程綁定模型

module ustb＿smcavs＿DMW＿RemoteBinding｛

Interface RemoteContext｛

Interface bind（in Identifier id）；

Interface bind（in string host，in int port，in int key）；

Identifier export（in Interface itf，in string host，in int port，in int key）；

Identifier getId（in string host，in int port，in int key）；

｝；

｝；

即，接口對象Itf必須先通過分布式上下文的export操作，將自己添加到分布式上下文中，并獲取由（host，port，key）三元素構成的標識符Identifier對象。其中，host元素確定了接口對象Itf所存在的節(jié)點，port元素確定了接口對象Itf存在的進程，key元素則用于關聯(lián)該進程中對應的接口對象Itf。其他構件則能利用bind操作，通過由（host，port，key）三元素構成的標識符在分布式上下文環(huán)境中獲取與之關聯(lián)的接口對象引用。

SMC遠程綁定構件主要包括以下構造單元：

（1）ProxyFactory單元：通過SMC構件接口的反射特性相應的動態(tài)生成服務型接口對象代理和客戶型接口對象代理。

（2）TCP＿Protocol單元：以TCP／IP協(xié)議為基礎，通過標識符中的（host，port）元素與外界建立會話，監(jiān)聽和接收請求者的數(shù)據(jù)，并負責將上層協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定節(jié)點。

（3）Itf＿Protocol單元：提供了一個簡單的接口遠程訪問協(xié)議，其請求消息和回復消息格式為：

請求消息格式

回復消息格式

其中，Request key用于標識接口對象的請求者。Receive key則用于標識被請求的接口對象，即被請求接口對象在其分布式上下文中對應的標識符中的key元素。Content中保存訪問請求的相關信息（如被請求接口對象的操作、參數(shù)）或者被請求接口操作的返回信息（如調(diào)用是否異常），其具體含義由Marshaller單元解析。

（4）Marshaller單元：提供了 Marshaller和 UnMarshaller兩種服務。Marshaller服務主要用于對客戶端的調(diào)用請求進行編碼操作；而UnMarshaller服務則對接收到的數(shù)據(jù)進行解碼，并返回給調(diào)用者。

2.3 SMC／DADL解析構件

SMC／ADL是面向SMC的體系結構描述語言，它利用一套XML Schema定義了軟件從設計、到運行、直至演化階段的完整的體系結構規(guī)約框架。對于分布式的SMC構件系統(tǒng)，SMC／ADL語言不僅需要描述組成系統(tǒng)的各個SMC構件及其構件間的關系，還需刻畫出分布式的計算環(huán)境。因此，為了給運行期的構件系統(tǒng)實例提供分布交互支持，本文對原有的SMC／ADL進行了適應性擴展，對SMComponent元素添加了DType屬性以及相關元素刻畫構件運行的分布式環(huán)境。其中，DType屬性的Schema句法聲明如下。

因此，SMC／DADL解析構件主要完成兩部分任務。首先，利用原有的ADL解析構件解析分布式體系描述文檔，構建構件實例化任務樹。然后，在對系統(tǒng)實例化與組裝時，若解析到分布式SMC構件時，則通過SMRSC查詢并獲取相應的分布式SMC構件引用。實例化所有構件后，再對構件進行組裝，若存在分布式SMC構件則利用SMRBC將相應構件接口綁定在一起，關鍵算法如下：

（）Input：smcADL output：SMComponent＿Distribute＿System＿Load in systemADL＝new ADLParseTask（smcADL）smcAdlList［］＝systemADL.getSMComponetAdlList（）registry＝CreateSMComponet（Registry）SMComponetList［］for each sadl in smcAdlList if（sadl.DType＝＝‘remote’）smc＝registry.lookupSMComponent（sadl）SMComponetList.push（smc）else smc＝CreateSMComponet（sadl）SMComponetList.push（smc）end if end for SMComponetOrchestrate（root，SMComponetList，systemADL）SMComponetItfBind（root，SMComponetList，systemADL）null Beg End

3 分布式綁定中間件的實現(xiàn)

基于上述描述，SMC分布式綁定中間件的構件化實現(xiàn)如圖3所示。SMC分布式綁定中間件不僅對外提供了SMC／DADL解析功能，同時，還對SMC遠程綁定構件和SMC注冊服務構件進行封裝，對外提供一個標準的Registry接口，進一步簡化構件間的分布式訪問。Registry接口的IDL定義如下：

其中，createRegistry（）操作用于創(chuàng)建注冊服務中心。其主要功能就是利用SMRBC構件提供的服務，在分布式上下文環(huán)境下，發(fā)布SMRSC構件，為構件提供注冊、查找等服務。而getRegistry（）操作，則是利用SMRBC構件在分布式上下文環(huán)境下獲取指定節(jié)點的SMRSC構件引用，從而獲取 “軟件人”注冊服務構件提供的服務。

圖3 SMC分布式綁定中間件實現(xiàn)

4 實驗與分析

對于分布式中間件平臺，許多學者對其性能測試方法進行了研究［10－12］。由于SMC構件具有自控制、自適應、動態(tài)演化的特性，其安全等特性尤其管理邏輯負責。因此，本文性能測試主要關注兩方面：遠程構件建立通信所消耗的時間和遠程構件調(diào)用所消耗的時間。同時，SMC構件的以JAVA平臺為參考實現(xiàn)平臺，本文選取JAVA平臺上成熟的RMI遠程方法調(diào)用和基于Java的CORBA平臺作為對比實驗對象，以此來評估SMC分布式綁定中間件的性能。

為進行性能測試，我們定義了IPerfromanceTest接口對其進行測試，并針對RMI、CORBA、SMC構件編寫了相應的實現(xiàn)。由于不同的數(shù)據(jù)類型將影響遠程的調(diào)用，因此在測試接口中對8種數(shù)據(jù)類型進行了測試，其中get－String（）方法返回長度為1024字節(jié)的字符串。同時為了減少對性能測試的干擾，接口的實現(xiàn)沒有進行其他的任何操作。在測試中，使用兩臺PC機，硬件環(huán)境為2.1GHz的Inter Core Duo處理器，2GDDR2內(nèi)存。軟件環(huán)境為基于window2003操作系統(tǒng)的JDK1.6環(huán)境。兩臺電腦通過100M以太網(wǎng)連接，平均網(wǎng)絡延遲為100μs。

測試過程中進行了兩組實驗。測試過程中進行了兩組實驗：①同一節(jié)點上不同進程間的遠程訪問性能測試；②不同節(jié)點上局域網(wǎng)環(huán)境下的遠程訪問性能測試。圖4為遠程接口在本地節(jié)點和網(wǎng)絡兩種環(huán)境下建立通信所消耗的時間。圖5為在本地和局域網(wǎng)兩種環(huán)境下接口交互的性能測試結果。

從性能測試可以看出，SMC構件遠程綁定器在建立連接時與JAVA RMI、CORBA相比耗時較長。這是由于JAVA RMI的stub及skeleton是通過接口實現(xiàn)類的繼承來實現(xiàn)，CORBA依據(jù)IDL，預先生成了客戶端stub以及服務端的skeleton，而SMC遠程綁定器采用的是輕量的通信代理動態(tài)生成策略，故導致在建連階段兩者性能差異較大。在隨后的交互通信階段，遠程綁定器在本地節(jié)點遠程訪問與JAVA RMI和CORBA相比耗時高4%～19%，在網(wǎng)絡遠程訪問中耗時高1%～8%，盡管也有性能下降，但耗損都在可接受的范圍內(nèi)。因此，分布式遠程綁定器在實際應用中是行之有效的。

5 結束語

針對SMC構件的分布式交互問題，本文設計并實現(xiàn)了一個適用于SMC構件的分布式綁定中間件。該中間件提供了構件注冊與遠程綁定服務及分布式操作約束機制。利用構件注冊服務，能有效的管理分布式環(huán)境中的SMC構件；借助遠程綁定機制，同地址空間內(nèi)的構件連接平滑衍生為跨地址空間的遠程綁定。同時借助SMC／DADL，原有的集中式構件系統(tǒng)能無縫的融入到分布式計算環(huán)境中。通過對比實驗，驗證了分布式綁定中間件的可行性和實用性。由于遠程綁定構件采用通信代理動態(tài)生成策略，使得構件間在第一次建立通信階段的耗時較高，故如何建立高效的代理動態(tài)生成機制有待進一步的研究。

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