體系結構設計方法及其在信息系統中的應用

閆繼壘，趙賓華，楊國瑞，郭彥濤

(通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，河北 石家莊 050081)

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體系結構設計方法及其在信息系統中的應用

閆繼壘，趙賓華，楊國瑞，郭彥濤

(通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，河北 石家莊 050081)

體系結構設計方法是進行復雜系統頂層設計的重要指導工具，是實現信息高效流通、確保系統整體性和滿足各類人員需求的重要手段。在對現有軍事和民用領域中的體系結構設計方法介紹和比較的基礎上，分別分析了美國國防部結構框架在全球信息柵格及統一能力項目中的應用和開放組織結構框架在各種商用信息系統中的應用，并總結了體系結構設計方法在云架構下的發展趨勢，對開展復雜系統的研究和建設具有一定的指導意義。

企業結構；美國國防部結構框架；視角；開放組織結構框架；循環迭代；信息系統

0　引言

大型復雜系統的開發，需要系統工程思想和方法來指導。體系結構設計方法是一種重要的系統頂層設計方法，能夠從多個角度進行系統的全面描述，展現系統與外界的接口、內部子系統的劃分和各系統組成之間的相互關系。在統一的體系結構框架指導下進行系統架構設計，可以確保系統能夠有效地滿足不同用戶的需求，實現系統內部的信息互通和共享，確保系統設計的完整性和一致性，易于實現系統間的綜合集成，進而提高復雜系統的設計質量。

在軍事領域，面對多軍兵種作戰需求、多部門協同管理和多領域技術手段快速發展的環境，體系結構設計技術已成為世界各國進行武器裝備體系頂層設計和軍事綜合電子信息系統設計的重要手段，也是提升軍事系統的綜合能力和整體效能的重要支撐[1]。在民用領域，體系結構設計技術是指導企業從頂層出發，圍繞企業愿景、業務服務和技術應用等進行企業架構設計，推動企業在信息化環境下創新式發展的重要動力[2]。本文針對現有典型體系結構設計方法進行了介紹，并在此基礎上分析了其在典型軍事和民用信息系統中的應用。

1　體系結構設計方法研究

體系結構是系統各組成單元的結構、關系以及制約它們設計的原則和指南，是系統人員對系統進行設計和實現的依據。在軍事領域，體系結構是進行武器裝備體系頂層設計、研究和開發國防信息系統的指導原則和所遵循的標準，典型代表是美國的國防部結構框架(Department of Defense Architecture Framework，DoDAF)、以及在此基礎上開發的英國國防部結構框架(Ministry of Defense Architecture Framework，MoDAF)和北約結構框架(NAF)。在民用領域，體系結構是提高企業信息化管理水平、提升企業工作效率和市場競爭力的重要途徑和方法，典型代表是IBM提出的Zachman架構技術和面向問題的系統架構(POSA)、以及開放組織結構框架(TOGAF)。

1.1軍用系統體系結構設計方法

DoDAF是由C4ISR體系結構框架演化而來，本質上就是從復雜環境中提取出關鍵數據信息，并保持數據之間的統一性、關聯性和一致性，最終將這些信息以易于理解的方式展示給決策者和執行者。在進行系統結構描述時，DoDAF采用“模型+視圖+視角”的思路：首先采用文件、表格、儀表或圖形化等表示方法建立組織和展示數據的模型，并通過模型將結構性的數據以直觀的視覺形式展現出來，形成不同的視圖產品；然后將不同的視圖產品進行組織和整合，形成相應的視角；最終將各個視角進行適當的定義，得到整個系統的結構化描述。

作為指導所有軍事工程項目研發的系統工程方法，美國國防部先后在2003年、2007年和2010年頒布了DoDAF標準V1.0、V1.5和V2.02版本[3]。在V1.0版本中，系統體系結構主要從作戰應用、系統實現和技術標準3個視角進行分析，開始了“以數據為中心”的設計。在V1.5版本中，美國國防部充分吸收了網絡中心戰中的先進技術，引入了面向服務的體系結構的概念，增加了服務視圖。在V2.0版本以后，DoDAF結構框架真正實現了以模型為中心向以數據為中心的轉變，并最終針對不同領域提供相應的決策數據。在最新版本中，DoDAF具有以下8種視角：全局視角(AV)、數據信息視角(DIV)、標準視角(StdV)、能力視角(CV)、操作視角(OV)、服務視角(SvcV)、系統視角(SysV)和項目視角(PV)，各視角的主要功能和相互關系如圖1所示。

采用DoDAF進行軍用系統的結構框架設計，主要分為以下6個步驟：

① 確定架構的使用目的：包括如何開展架構描述工作，架構研究中用到的方法，需要的數據種類，對其他可能存在的影響，以及如何測定其性能和用戶的滿意程度；

② 確定架構的范圍：定義架構描述的深度和廣度、架構的問題集合、架構的上下文背景和詳細程度；

③ 確定支持架構研究所需的數據：采用自下至上的方法組織收集數據，可以重用已有工作的相關數據；

④ 收集、組織、關聯和存儲結構性數據：利用公認的架構設計工具進行收集數據的存儲和組織，以便提供給視圖進行展示和決策制定；

⑤ 推導分析支持架構的目標：對結構性數據進行分析以驗證系統的性能指標，并確定與架構所有者要求的符合程度，同時根據分析結果按需重新進行數據收集和組織；

⑥ 生成決策者所需的文本結果：根據不同類別的人員，將架構數據轉換為有意義的展示形式，以便提交給決策者進行決策。

圖1　DoDAF的視角

在借鑒DoDAF成果的基礎上，英國國防部頒布了其結構框架設計方法MoDAF，基本思想是：采用本體術語進行內容的表述，采用元模型進行結構性數據的存儲和交換，采用視角進行體系架構的展示[4]。此外，北約也以DoDAF為基礎頒布了北約結構框架NAF(NATO Architecture Framework)來為其成員國提供開發軍事系統的規則和指南，從而便于各系統之間的互聯互通與綜合集成[5]。

1.2民用系統體系結構設計方法

1.2.1Zachman框架方法

Zachman框架描述了一個系統架構的研究過程，可以用于創建、組織和管理結構性實體來更好地理解和研究商業信息系統[6]。Zachman框架方法采用的主要思想包括：首先，要借鑒多學科領域的體系結構設計方法，從而對概念需求和規范原則等進行分類細化；其次，需要從多個角度和多種視點兩方面對系統進行結構性表述，具體表現為一個二維矩陣的形式，而且矩陣的每個元素都要從語義、概念、邏輯、物理、組件和功能等維度進行展開描述；最終，要求設計方案必須是所有者感性需求的展現，因為所有者明確知道產品將用于實現何種目的并且能夠進行最終決策。

在進行信息系統架構設計時，Zachman框架分別從數據、功能、網絡、人員、時間和動機等6個方面對系統的目標范圍、業務模型、信息系統模型、技術模型、詳細展現和功能系統等方面進行展開描述，從而能夠方便地在整體、前后關系以及實際實現之間建立平衡。然而，Zachman框架采用了將需求分析和解決方法相割裂的結構設計方法，沒有考慮到用戶需求的模糊性、環境的動態變化性等因素對架構設計的影響，因而只適合于對復雜靜態對象的描述[7]。

1.2.2面向問題的系統架構設計方法

針對Zachman框架設計方法存在的缺點，同時考慮到系統架構設計失敗的更多原因是沒有找到正確的問題，而不是采用了錯誤的方法，文獻[8]提出了一種新的面向問題的系統架構設計方法(Problem-Oriented System Architecture，POSA)。POSA方法認為結構框架是實現想法和決策之間相互聯系的紐帶，而架構設計師是連接商業問題和其解決方案之間的橋梁。

POSA方法是基于人工頭腦學、控制論和動態過程的控制學科，通過迭代的機制實現從確認目標、構建問題、預測解決方案、評估解決方案與問題和目標的契合度等全過程的架構設計。POSA的關鍵環節包括：劃分、反饋和比較。劃分是運用控制論等方法理清問題內部的非線性關系，進而對問題進行劃分和建模；反饋是將框架設計的重要環節，通過將問題解決過程中采取的方法及所遇到的問題反饋到問題建模環節，以便于更加準確地分析復雜問題的本質；比較是把解決域的結果重新映射回問題域，并將劃分后的子系統重新組合成一個完整的系統，驗證是否達到原目標需求。

1.2.3TOGAF結構框架設計方法

基于美國國防部的信息管理技術架構TAFIM，國際標準權威組織The Open Group在1995年發布了第一版的TOGAF架構設計方法。TOGAF是一套基于迭代模型支持最佳實踐和可重用的架構資產，不但提供了包括企業愿景、業務、信息系統、技術和治理在內的全面的架構內容框架，而且提供了以架構開發方法為核心的一系列技術與資源來指導企業設計、實施和建立正確的企業架構。同時，TOGAF支持開放的、標準的SOA參考架構。目前，TOGAF已經發展到第9.1版，并逐步成為商用領域公認的最開放、通用、完整和優秀的企業結構框架方法[9]。

TOGAF標準框架以元模型為基礎，包括架構需求與愿景、業務架構、信息系統架構、技術架構和架構實現等內容，實現這些企業架構成果的關鍵是架構開發方法(Architecture Development Method,ADM)。ADM是TOGAF方法中最為核心的內容，對開發企業架構所要執行的各個步驟以及它們之間的關系進行了詳細定義，是指導企業從基礎架構、行業架構到實現最終特定架構的保障。

TOGAF架構開發方法如圖2所示，在 ADM 中，包含了4種重要迭代方法：架構背景迭代、架構定義迭代、過渡計劃迭代和架構管控迭代。在開展ADM迭代過程之前，需要確定企業架構定義的范圍、描述的詳細程度、建設周期和可用資源等。此外，ADM各個階段的執行步驟也具有很高的靈活性，可以根據各企業的規模和實際情況等因素進行調整。

圖2　TOGAF架構開發方法

1.3體系結構設計方法比較分析

自1987年Zachman框架提出以來，經過近30年的演進發展，企業架構領域已經衍生出了多種體系結構設計方法。各種方法在適用范圍、設計理念和產品形式等多個方面都存在一定的差異，如表1所示。

表1　體系結構設計方法比較

2　體系結構設計方法在信息系統中的應用

2.1軍用信息系統

全球信息柵格(GIG)采用了基于視圖的DoDAF設計方法來研究其體系結構[10]，如圖3所示。

圖3　GIG 1.0系統各視圖之間的關系

GIG 1.0系統包含了以下3類視圖：

① 作戰視圖是面向GIG的各類用戶，使得用戶通過共享、接入和使用GIG提供的信息和服務，形成指揮控制的決策結果，并通過GIG接口進行信息的分發和下達。

② 系統視圖包括基礎設施和應用、服務與信息兩大功能部分。基礎設施又分為企業核心服務、計算、通信、信息保障和網絡運行等基礎設施；而應用、服務與信息則使用上述透明的、魯棒的基礎設施，采用SOA架構為國防部各類用戶提供所需的GIG系統功能。

③ 技術視圖的目的是快速吸收和發掘新技術的優勢，如IPv6技術、移動自組織網絡技術、極大規模數據存儲分發傳輸技術、高性能計算技術和信息保障技術等，來實現目標GIG的系統功能。

此外，為實現跨越可互操作、安全、高度可用的IP網絡基礎設施，提供無處不在的綜合語音、數據和視頻等服務，美國國防部統一能力(UC)項目也采用DoDAF 2.0的體系結構設計方法，確定了統一能力的愿景設想、組織關系、服務與和功能種類、標準與技術規范、實施進度計劃等[11]。在此基礎上，美國陸軍基于DoDAF 2.0 設計了包括接入網絡層、匯聚骨干網絡層、統一能力應用服務層、以及網絡運維管理和信息安全管理的陸軍統一能力參考架構，用于替代已有的瘦客戶端架構、網絡運維架構、鑒權和接入管理架構、頂層安全架構和任務保障架構等，并計劃將所有通信相關能力集成到安全環境下的單一實體中并向世界上任何位置采用任何設備的士兵和軍事用戶提供一整套協作、實時通信和支撐服務[12]。

2.2民用信息系統

作為最主流的企業架構設計方法，TOGAF得到了眾多國際主流廠商的推動，如IBM、HP、Oracle和中國的金蝶、北達軟等公司，并在在政府部分、事業單位和商業公司等各行各業中得到了廣泛的應用[13-14]。如英國電信利用TOGAF設計方法，通過對龐雜和割裂的各類信息系統進行整合和優化，建立了一個標準化程度高、有效性強和可擴展性好的UniApp系統架構，實現了業務流的全程貫通，極大的提升了公司的投資效率和資源使用效率。同樣，英國社會保障部采用TOGAF方法對其信息服務平臺進行了重新定義，通過對運營模式和業務架構的改進，消除了煙囪式系統建設導致的信息流通障礙，增強了系統的簡潔易用性，全面提升了其居民管理信息系統的服務水平，達到了以服務為中心的企業目標。此外，針對電網設備監控的信息傳輸問題[15]，采用TOGAF方法從總體、業務、應用、數據和技術等5個方面出發設計了電網輸電設備狀態監測系統架構，基于數據源和數據模型的分析，確定了系統內外部接口與通信機制，為上層各種應用服務和集成提供了有力支撐，并通過試驗驗證和測試證明了該架構能夠有效的提升了電網系統的穩定性。

2.3體系結構技術方法在信息系統中的應用前景

目前，DoDAF和TOGAF等主流體系結構設計方法都已實現了從“以模型為中心，面向對象/過程”向“以數據為中心，面向服務”的轉變。隨著計算機和互聯網行業的快速發展，以“瘦客戶端+數據中心”為建設思路的云架構將成為未來大多信息系統的核心[16]。因此，在企業架構信息化的發展道路上，體系結構設計方法應引入并融合云計算的各種新技術：在技術架構設計部署中，充分吸收基礎設施即服務和各種虛擬資源池參考架構；在數據架構設計中，基于DoDAF的數據元模型DM2和TOGAF的內容原模型CM2建立新的適用于云架構的元模型[17]，同時運用分布式文件系統、分布式數據分析、非關系型數據庫等技術實現大數據存儲與訪問；在業務架構設計時，充分考慮云架構對企業的業務模式和業務流程的影響，以“一切皆服務”的思想，對各種業務的靜態和動態特性進行抽象提取并建模，形成云環境下的通用業務架構；在應用架構設計時充分運用Web2.0技術，制定系統與數據之間的接口，從而更便于開發和部署豐富的互聯網應用。最終，通過體系結構設計方法與云計算技術的有機結合，幫助企業在更大范圍內實現更高效的信息交互和資源共享，全面提升企業的創新發展能力。

3　啟示和建議

目前，我國在民用領域通過借鑒IBM和The Open Group等組織的國際主流的企業架構設計方法，在企業管理信息化等方面取得了較大的進步。然而，現有的結構框架設計方法的涉及范圍較廣、設計周期較長，同時要求企業具有標準化的業務流程，一方面不能適應我國眾多中小型企業要求的快速、簡單、低成本和可持續發展的信息系統架構設計要求，另一方面也不能滿足國有大型企業信息系統的多層級管理模式、多種業務板塊和多運營發展戰略的需求。在軍事領域中，煙囪式的獨立系統建設導致跨軍兵種、跨部門信息共享困難和資源協調不暢，而采用企業化思想進行系統架構設計的還處于起步階段，體系結構設計工具尚未成熟，結構框架設計方法沒有形成體系化。

隨著移動互聯網、工業4.0等技術的快速發展，計算、通信與控制進一步走向有機融合與深度協作，信息系統在各行各業中的地位和作用更加凸顯。信息系統的效率在很大程度上決定了一個企業的市場地位和整個國家的綜合實力，因此必須緊緊抓住以云計算、大數據、軟件定義網絡和網絡功能虛擬化為代表的新一代信息領域變革的契機，大力加強信息系統體系結構設計技術的理論基礎研究工作，在充分借鑒國際主流結構框架設計方法優長的基礎上，通過業務積累和技術創新逐步建立適合于我國國情的、獨立自主的、可持續發展的體系化企業架構設計方法。

4　結束語

體系結構設計方法在大型復雜系統的頂層設計中具有極為重要的作用，能夠提升企業的信息流通效率和資源利用率。隨著信息化變革的逐步推進和新技術的快速涌現，體系結構設計方法將成為各領域信息系統設計的基石。應積極開展體系結構設計方法研究，如數據模型、描述語言、開發方法和設計工具等，為我國各行業企業的信息系統建設提供重要支撐，為我國武器裝備和軍事電子信息系統的規劃建設提供指導和設計依據。

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閆繼壘男，(1986—)，博士，工程師。主要研究方向：無線通信和網絡總體技術。

趙賓華男，(1984—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：無線自組織網絡。

Research on Architecture Framework DesignMethods and Their Application in Information Systems

YAN Ji-lei，ZHAO Bin-hua，YANG Guo-rui，GUO Yan-tao

(ScienceandTechnologyonInformationTransmissionandDisseminationinCommunicationNetworksLaboratory，ShijiazhuangHebei050081，China)

Architecture framework design method is a significant guidance tool for the top level design of complicated systems，which can improve the information flow efficiency，guarantee the system integration and satisfy the requirements of differentusers.Based on an introduction to and comparison of the existing architecture framework design methods in both military and civil fields，the application of Department of Defense Architecture Framework(DoDAF) in Global Information Grid and the Unified Capabilities program and the application of Open Group Architecture Framework(TOGAF) in various business information systems are analyzed.Furthermore，the evolution of architecture framework design methods in cloud environment is summarized，which provides some instructive guidance for the research and development of complicated systems.

enterprise architecture；DoDAF；viewpoint；TOGAF；loop iteration；information system

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.04

2016-05-06基金項目：國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2015AA015701);通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室開放基金。

TP203

A

1003-3106(2016)08-0014-05

引用格式：閆繼壘，趙賓華，楊國瑞，等.體系結構設計方法及其在信息系統中的應用[J].無線電工程,2016,46(8):14-18，82.