一個(gè)維度的服務(wù)水平必須與其他維度的服務(wù)水平進(jìn)行協(xié)調(diào)和/或折衷，以滿足特派團(tuán)的需求；?

?對(duì)于自主且對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的應(yīng)用程序行為的需求，需要一個(gè)靈活的分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)，以適應(yīng)任務(wù)要求和環(huán)境條件的動(dòng)態(tài)變化。

盡管常規(guī)的COTS軟件不能滿足所有這些要求，但是當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)和組織限制-以及越來(lái)越多的

復(fù)雜的需求和競(jìng)爭(zhēng)壓力—阻止開(kāi)發(fā)人員完全從頭開(kāi)始構(gòu)建復(fù)雜的DRE系統(tǒng)軟件。因此，程序員迫切需要開(kāi)發(fā)，驗(yàn)證并最終標(biāo)準(zhǔn)化支持嚴(yán)格的DRE系統(tǒng)功能和QoS要求的新一代自適應(yīng)和反射中間件技術(shù)[1]。

中間件是可重用的系統(tǒng)軟件，可以在功能上彌合應(yīng)用程序的端到端功能要求和任務(wù)原則與底層底層操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧之間的差距[7]。因此，中間件提供的功能的質(zhì)量和QoS對(duì)DRE系統(tǒng)至關(guān)重要。

自適應(yīng)中間件軟件[5]的功能和與QoS相關(guān)的屬性可以通過(guò)兩種方式進(jìn)行修改：

靜態(tài)地：利用特定平臺(tái)的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)功能子集并最小化硬件和軟件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的依賴性，從而減少內(nèi)存占用；

動(dòng)態(tài)地：系統(tǒng)響應(yīng)針對(duì)不斷變化的環(huán)境或要求進(jìn)行了優(yōu)化，包括組件互連，功率級(jí)別，CPU /網(wǎng)絡(luò)帶寬，延遲/抖動(dòng)和可靠性需求。

在關(guān)鍵任務(wù)DRE系統(tǒng)中，自適應(yīng)中間件必須可靠地進(jìn)行這些修改，同時(shí)滿足嚴(yán)格的端到端QoS要求。

反射式中間件更進(jìn)一步，可以自動(dòng)檢查中間件的功能并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整以優(yōu)化它們[1]。因此，反射中間件支持可以根據(jù)DRE系統(tǒng)內(nèi)部，系統(tǒng)環(huán)境或系統(tǒng)策略（由操作員和管理員定義）中的條件自主執(zhí)行的更高級(jí)的適應(yīng)。

中間件層和研發(fā)工作? ? ?

就像網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?？梢苑纸鉃槎鄬右粯?，中間件也可以分解為多層（見(jiàn)圖1）。以下各節(jié)將對(duì)每個(gè)這樣的層進(jìn)行描述，并進(jìn)行相關(guān)的研發(fā)工作，以幫助中間件滿足DRE系統(tǒng)的嚴(yán)格QoS要求。

主機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中間件。主機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施中間件封裝并增強(qiáng)了本機(jī)操作系統(tǒng)的通信和并發(fā)機(jī)制，以創(chuàng)建可移植且可重用的網(wǎng)絡(luò)編程組件，包括反應(yīng)堆，接收器連接器，監(jiān)視對(duì)象，活動(dòng)對(duì)象和組件配置器[10]。這些組件消除了單個(gè)操作系統(tǒng)的意外兼容性，從而幫助消除了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的許多繁瑣，易錯(cuò)和不可移植的方面。它們是通過(guò)低級(jí)操作系統(tǒng)編程API（例如Socket和POSIX Pthreads）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

與DRE系統(tǒng)相關(guān)的主機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施中間件R＆D的一個(gè)示例是開(kāi)放虛擬機(jī)（OVM）項(xiàng)目，該項(xiàng)目是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的一部分，在普渡大學(xué)，馬里蘭大學(xué)和紐約州立大學(xué)奧斯威戈分校進(jìn)行信息技術(shù)辦公室的嵌入式系統(tǒng)程序組合（PCES）程序（請(qǐng)參見(jiàn)www.ovmj.org）。OVM是實(shí)現(xiàn)Java實(shí)時(shí)規(guī)范（RTSJ）[2]的開(kāi)源實(shí)時(shí)Java虛擬機(jī)。RTSJ是對(duì)Java的一組擴(kuò)展，它通過(guò)封裝實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和CPU體系結(jié)構(gòu)之間的差異，提供了很大程度上與平臺(tái)無(wú)關(guān)的方式來(lái)執(zhí)行代碼。RTSJ的主要功能包括范圍內(nèi)存和不朽內(nèi)存，具有增強(qiáng)調(diào)度支持的實(shí)時(shí)線程，異步事件處理程序以及線程內(nèi)控制的異步傳輸。

OVM虛擬機(jī)完全用Java編寫(xiě)，其體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)可定制性和可插入組件。它的實(shí)現(xiàn)力求平衡性能和靈活性，允許用戶自定義消息發(fā)送，同步，現(xiàn)場(chǎng)訪問(wèn)和速度等操作的實(shí)現(xiàn)。OVM允許動(dòng)態(tài)更新正在運(yùn)行的虛擬機(jī)的指令的實(shí)現(xiàn)。盡管RTSJ虛擬機(jī)（如OVM和TimeSys Jtime）相對(duì)較新，但由于它們具有降低軟件開(kāi)發(fā)和演進(jìn)成本的潛力，因此引起了R＆D和DRE系統(tǒng)集成商社區(qū)的極大興趣。

發(fā)行中間件。分發(fā)中間件定義了更高級(jí)別的分布式編程模型，其可重用的API和機(jī)制可自動(dòng)執(zhí)行和擴(kuò)展由主機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中間件封裝的本機(jī)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編程功能。分布式中間件使開(kāi)發(fā)人員能夠像獨(dú)立應(yīng)用程序一樣對(duì)分布式應(yīng)用程序進(jìn)行編程，也就是說(shuō)，通過(guò)對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行操作，而無(wú)需對(duì)其位置，編程語(yǔ)言，操作系統(tǒng)平臺(tái)，通信協(xié)議和互連或硬件特性進(jìn)行硬編碼依賴性。分發(fā)中間件的核心是啟用QoS的對(duì)象請(qǐng)求代理（ORB），例如CORBA、COM +和Java Remote Method Invocation。這些ORB允許對(duì)象在網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行互操作，而與對(duì)象所使用的語(yǔ)言或部署對(duì)象的操作系統(tǒng)平臺(tái)無(wú)關(guān)。

用于DRE系統(tǒng)的分布式中間件R＆D的一個(gè)示例是TAO項(xiàng)目（請(qǐng)參見(jiàn)www.cs.wustl.edu/~schmidt/TAO.html），該項(xiàng)目由華盛頓大學(xué)，圣路易斯大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)的研究人員進(jìn)行， Irvine，作為DARPA ITO Quorum計(jì)劃的一部分[9]。?

TAO是開(kāi)源的實(shí)時(shí)CORBA ORB [6]，它允許DRE應(yīng)用程序保留和管理以下資源：

通過(guò)線程池，優(yōu)先級(jí)機(jī)制，進(jìn)程內(nèi)互斥（互斥量）和具有固定優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的全局調(diào)度服務(wù)來(lái)獲得處理器資源；

圖1.中間件層及其上下文

通過(guò)協(xié)議屬性和使用優(yōu)先級(jí)帶和專用連接到服務(wù)器對(duì)象的顯式綁定的通信資源；

通過(guò)在隊(duì)列中緩沖請(qǐng)求并限制線程池的大小來(lái)獲得內(nèi)存資源。

使用自適應(yīng)通信環(huán)境（ACE）主機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中間件工具包（請(qǐng)參見(jiàn)www.cs.wustl.edu/~schmidt/ACE.html）[8]中的可重用框架來(lái)實(shí)現(xiàn)TAO。ACE和TAO是從研究原型到DRE應(yīng)用的中間件過(guò)渡的成熟示例，已在數(shù)百個(gè)DRE系統(tǒng)中使用，包括電信網(wǎng)絡(luò)管理和呼叫處理，在線交易服務(wù)，航空電子功能計(jì)算，軟件定義的系統(tǒng)。無(wú)線電，雷達(dá)系統(tǒng)，表面安裝“拾放”系統(tǒng)以及熱軋鋼廠。

通用中間件服務(wù)。通用中間件服務(wù)通過(guò)定義高級(jí)的領(lǐng)域無(wú)關(guān)組件來(lái)增強(qiáng)分發(fā)中間件，這些組件允許應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員專注于對(duì)應(yīng)用程序邏輯進(jìn)行編程，而不必編寫(xiě)開(kāi)發(fā)分布式應(yīng)用程序所需的“管道”代碼，而使用較低級(jí)別的組件中間件功能直接。

分布式中間件主要側(cè)重于管理端系統(tǒng)資源以支持面向?qū)ο蟮姆植际骄幊棠Ｐ停ㄓ弥虚g件服務(wù)側(cè)重于通過(guò)分布式系統(tǒng)在整個(gè)分布式系統(tǒng)中分配，調(diào)度和協(xié)調(diào)各種端到端資源。組件編程和腳本編制模型。開(kāi)發(fā)人員可以重用這些服務(wù)來(lái)管理全局資源并執(zhí)行重復(fù)的分發(fā)任務(wù)，包括事件通知，日志記錄，持久性，實(shí)時(shí)調(diào)度，容錯(cuò)和事務(wù)，否則每個(gè)應(yīng)用程序或應(yīng)用程序?qū)⒁耘R時(shí)方式實(shí)現(xiàn)這些事務(wù)。

集成開(kāi)發(fā)人員與DRE系統(tǒng)相關(guān)的常見(jiàn)中間件服務(wù)示例是QuO項(xiàng)目（請(qǐng)參見(jiàn)www.dist-systems。bbn.com/tech/QuO），研究人員位于BBN Technologies是DARPA ITO Quorum和PCES計(jì)劃的一部分[5]。 QuO是基于圖2概述的分層中間件體系結(jié)構(gòu)的一組開(kāi)源中間件服務(wù)。QuO體系結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方面將DRE中間件和應(yīng)用程序解耦：功能路徑。

功能路徑是客戶端和遠(yuǎn)程服務(wù)器應(yīng)用程序之間的信息流。在分布式系統(tǒng)中，中間件可確保在遠(yuǎn)程對(duì)等方之間有效，可預(yù)測(cè)，可擴(kuò)展，可靠且安全地交換此信息。信息本身在很大程度上是特定于應(yīng)用程序的，這取決于所提供的功能（因此稱為功能路徑）。

QoS路徑負(fù)責(zé)確定功能交互相對(duì)于關(guān)鍵DRE系統(tǒng)QoS屬性的端到端行為。此類(lèi)屬性的示例包括：如何以及何時(shí)將資源用于系統(tǒng)的多個(gè)級(jí)別上的客戶端/服務(wù)器交互；如果可用資源不滿足預(yù)期資源，則適當(dāng)?shù)膽?yīng)用程序和系統(tǒng)行為；以及滿足端到端可靠性要求所需的故障檢測(cè)和恢復(fù)策略。

QuO中間件負(fù)責(zé)收集，組織和分發(fā)與QoS相關(guān)的元信息，以監(jiān)視和管理DRE系統(tǒng)的多個(gè)級(jí)別上功能交互的發(fā)生情況。面對(duì)快速變化的應(yīng)用程序需求和環(huán)境條件，包括局部故障，瞬態(tài)過(guò)載以及動(dòng)態(tài)功能和QoS重新配置，它還可以提供自適應(yīng)和反射性的決策，以強(qiáng)有力地支持非功能性QoS屬性。?

圖2.QUO體系結(jié)構(gòu)

特定于域的中間件服務(wù)。特定領(lǐng)域的中間件服務(wù)是針對(duì)特定DRE系統(tǒng)領(lǐng)域的需求量身定制的，例如航空電子任務(wù)計(jì)算，雷達(dá)處理，在線金融交易和分布式過(guò)程控制。與前面的三個(gè)中間件層（它們提供可廣泛使用的“水平”機(jī)制和服務(wù)）不同，特定于領(lǐng)域的中間件服務(wù)針對(duì)垂直市場(chǎng)。

從COTS和R＆D的角度來(lái)看，特定于域的服務(wù)是中間件層中最不成熟的部分原因，部分是由于歷史上缺乏穩(wěn)定的基礎(chǔ)來(lái)創(chuàng)建特定于域的中間件服務(wù)所需的發(fā)行中間件和中間件服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。但是，由于特定領(lǐng)域的中間件服務(wù)體現(xiàn)了領(lǐng)域知識(shí)，因此最有可能提高質(zhì)量并縮短周期時(shí)間，并且集成商需要開(kāi)發(fā)特定類(lèi)別的DRE系統(tǒng)。

與DRE系統(tǒng)相關(guān)的特定領(lǐng)域中間件服務(wù)的一個(gè)例子是Boeing Bold Stroke體系結(jié)構(gòu)[11]，該體系結(jié)構(gòu)已在許多DARPA ITO程序中用作開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。BoldStroke是用于任務(wù)計(jì)算航空電子功能的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，例如導(dǎo)航，平視顯示管理，武器目標(biāo)和釋放以及機(jī)身傳感器處理。Bold Stroke中特定于域的中間件服務(wù)位于COTS處理器（PowerPC），網(wǎng)絡(luò)互連（VME），操作系統(tǒng)（VxWorks），基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中間件（ACE），分發(fā)中間件（TAO）和通用中間件服務(wù)（QuO）上和CORBA事件服務(wù)）。

近期進(jìn)展與未來(lái)需求

在過(guò)去五年中，DRE中間件的研發(fā)和部署取得了重大進(jìn)展，這主要?dú)w功于以下方面：

多年的研究，迭代，完善，使用

中間件和相關(guān)的分布式對(duì)象計(jì)算（DOC）中間件并不是新的[7]。中間件概念是從對(duì)早期Internet（甚至是其前身ARPAnet）的試驗(yàn)中演變而來(lái)的； DOC中間件系統(tǒng)自BBN的Cronus和Corbus系統(tǒng)問(wèn)世以來(lái)，它自1980年代中期開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。從那時(shí)起，對(duì)這些想法的構(gòu)想，設(shè)計(jì)，以及最重要的軟件，都經(jīng)過(guò)了嘗試和完善（針對(duì)那些行之有效的軟件），并被丟棄或重定向（針對(duì)那些無(wú)效的軟件）。

這個(gè)迭代的開(kāi)發(fā)過(guò)程需要大量的資金和時(shí)間才能獲得正確的使用權(quán)并被用戶社區(qū)所接受，并且需要大量的耐心才能堅(jiān)持到底。當(dāng)過(guò)程成功時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)（整理邊界），模式和框架（確認(rèn)如何應(yīng)用技術(shù)的知識(shí)）。

標(biāo)準(zhǔn)的成熟

在過(guò)去的十年中，關(guān)于DRE要求，中間件標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)相當(dāng)成熟。例如，OMG已采用以下規(guī)范。

最低CORBA

從完整的OMG CORBA規(guī)范中刪除了不必要的功能，以減少內(nèi)存占用，使CORBA可在內(nèi)存受限的嵌入式系統(tǒng)中使用。

實(shí)時(shí)CORBA

包括允許應(yīng)用程序以可預(yù)測(cè)的端到端方式保留和管理網(wǎng)絡(luò)，CPU和內(nèi)存資源的功能；和CORBA消息傳遞。導(dǎo)出到應(yīng)用程序的其他QoS策略，例如超時(shí)，請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)和排隊(duì)規(guī)則。

容錯(cuò)CORBA

使用對(duì)象的實(shí)體冗余來(lái)支持復(fù)制，故障檢測(cè)和故障恢復(fù)。這些CORBA功能和服務(wù)的多種可互操作且健壯的實(shí)現(xiàn)方案現(xiàn)已上市。此外，諸如動(dòng)態(tài)調(diào)度實(shí)時(shí)CORBA，Java的實(shí)時(shí)規(guī)范和Java的分布式實(shí)時(shí)規(guī)范之類(lèi)的新興標(biāo)準(zhǔn)正在將開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的范圍擴(kuò)展到更廣泛的DRE應(yīng)用程序。

模式和框架

大量的研發(fā)工作集中在以下手段上，以促進(jìn)高質(zhì)量的開(kāi)發(fā)和再利用。

中間件技術(shù)：

模式

模式匯集了設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，從而為某些情況下常見(jiàn)的軟件問(wèn)題提供了經(jīng)過(guò)時(shí)間驗(yàn)證的解決方案[3，10]。模式簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，構(gòu)造和性能調(diào)整。通過(guò)編纂DRE應(yīng)用程序模仿過(guò)曾經(jīng)成功解決過(guò)類(lèi)似問(wèn)題的開(kāi)發(fā)人員的專業(yè)知識(shí)。模式還提高了在描述軟件開(kāi)發(fā)活動(dòng)時(shí)的討論水平，從而將重點(diǎn)放在戰(zhàn)略架構(gòu)和設(shè)計(jì)問(wèn)題上，而不僅僅是戰(zhàn)術(shù)上的編程和表達(dá)。

消息詳細(xì)信息

構(gòu)架

框架是相關(guān)模式組的具體實(shí)現(xiàn)[4]。精心設(shè)計(jì)的框架可以根據(jù)中間件本身提供的功能以及應(yīng)用程序提供的功能來(lái)驗(yàn)證模式。在沒(méi)有先驗(yàn)上下文無(wú)關(guān)的最佳解決方案的情況下，框架還集成了各種解決問(wèn)題的方法。諸如ACE，OVM，QuO和TAO之類(lèi)的中間件框架可以包括策略化的選擇和優(yōu)化模式；然后可以自動(dòng)集成和配置多個(gè)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的功能，以滿足各個(gè)DRE應(yīng)用程序的功能和QoS要求。

持續(xù)的政府研發(fā)投入

在前面提到的兩個(gè)DARPA程序（Quorum和PCES）中，已經(jīng)進(jìn)行了許多有關(guān)中間件模式和框架的開(kāi)創(chuàng)性研發(fā)工作。每種方法都集中在CORBA和Java開(kāi)放系統(tǒng)中間件上，產(chǎn)生了許多結(jié)果，這些結(jié)果已經(jīng)從研究原型轉(zhuǎn)變?yōu)橛糜趯?shí)時(shí)和容錯(cuò)CORBA規(guī)范和商業(yè)化工作的標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)定義和實(shí)現(xiàn)。Quorum和PCES是政府專注的研發(fā)工作如何通過(guò)將其輸出到其他正在進(jìn)行的公共和私人活動(dòng)中并將其與也使用相同的開(kāi)放式中間件基質(zhì)進(jìn)行合并的結(jié)果來(lái)利用其結(jié)果的示例。在基于標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放中間件平臺(tái)可行之前，此類(lèi)R＆D成果將被埋入定制或?qū)Ｓ邢到y(tǒng)中，僅作為一種生存證明，而不是從根本上重塑R＆D和集成商社區(qū)的基礎(chǔ)。

現(xiàn)在，基于標(biāo)準(zhǔn)的中間件也得到了證明，并已在許多關(guān)鍵任務(wù)DRE系統(tǒng)中進(jìn)行了部署，包括航空電子任務(wù)計(jì)算，軟件定義的無(wú)線電和水下信息系統(tǒng)。但是，由于COTS中間件技術(shù)還不夠成熟，無(wú)法涵蓋大規(guī)模，動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng)，因此這些中間件應(yīng)用程序僅限于相對(duì)小型靜態(tài)配置的DRE系統(tǒng)。

為了滿足以網(wǎng)絡(luò)為中心的DRE“系統(tǒng)系統(tǒng)”環(huán)境中對(duì)應(yīng)用和任務(wù)特定的QoS要求，仍需要大量額外的研發(fā)來(lái)增強(qiáng)中間件，尤其是當(dāng)它涉及通用和特定于域的服務(wù)時(shí)。如果這些努力成功了，未來(lái)的中間件技術(shù)將能夠控制多個(gè)系統(tǒng)級(jí)別上多個(gè)系統(tǒng)組件使用的單個(gè)資源和聚合資源，以可靠地管理通信帶寬，安全性以及DRE系統(tǒng)工件的調(diào)度和分配。

中間件是開(kāi)發(fā)DRE系統(tǒng)的戰(zhàn)略元素，它彌補(bǔ)了應(yīng)用程序與底層操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧之間的空白，從而提供了對(duì)這些系統(tǒng)至關(guān)重要的可重用服務(wù)。中間件研發(fā)工作的經(jīng)濟(jì)回報(bào)源于將DRE軟件技術(shù)工件（例如中間件框架，協(xié)議，服務(wù)組件和模式）的標(biāo)準(zhǔn)化水平提高了幾個(gè)層次，因此可用于COTS的獲取和定制。有了適當(dāng)?shù)母呒?jí)研發(fā)環(huán)境和將研發(fā)成果商業(yè)化的有效流程，COTS中間件市場(chǎng)將不可避免地適應(yīng)，采用和實(shí)施關(guān)鍵任務(wù)DRE系統(tǒng)所需的強(qiáng)大硬件和軟件功能。

作為此處討論的研發(fā)工作以及其他類(lèi)似工作的結(jié)果，下一代中間件將能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的條件，以便最大程度地使用可用的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來(lái)支持應(yīng)用程序需要。

編輯：黃飛

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