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

?對于自主且對時間要求嚴(yán)格的應(yīng)用程序行為的需求，需要一個靈活的分布式系統(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)濟和組織限制-以及越來越多的

復(fù)雜的需求和競爭壓力—阻止開發(fā)人員完全從頭開始構(gòu)建復(fù)雜的DRE系統(tǒng)軟件。因此，程序員迫切需要開發(fā)，驗證并最終標(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)的屬性可以通過兩種方式進行修改：

靜態(tài)地：利用特定平臺的功能來實現(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；

動態(tài)地：系統(tǒng)響應(yīng)針對不斷變化的環(huán)境或要求進行了優(yōu)化，包括組件互連，功率級別，CPU /網(wǎng)絡(luò)帶寬，延遲/抖動和可靠性需求。

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行這些修改，同時滿足嚴(yán)格的端到端QoS要求。

反射式中間件更進一步，可以自動檢查中間件的功能并進行自動調(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?？梢苑纸鉃槎鄬右粯樱虚g件也可以分解為多層（見圖1）。以下各節(jié)將對每個這樣的層進行描述，并進行相關(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。

主機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中間件。主機基礎(chǔ)設(shè)施中間件封裝并增強了本機操作系統(tǒng)的通信和并發(fā)機制，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)視對象，活動對象和組件配置器[10]。這些組件消除了單個操作系統(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，易錯和不可移植的方面。它們是通過低級操作系統(tǒng)編程API（例如Socket和POSIX Pthreads）來實現(xiàn)的。

與DRE系統(tǒng)相關(guān)的主機基礎(chǔ)設(shè)施中間件R＆D的一個示例是開放虛擬機（OVM）項目，該項目是美國國防高級研究計劃局的一部分，在普渡大學(xué)，馬里蘭大學(xué)和紐約州立大學(xué)奧斯威戈分校進行信息技術(shù)辦公室的嵌入式系統(tǒng)程序組合（PCES）程序（請參見www.ovmj.org）。OVM是實現(xiàn)Java實時規(guī)范（RTSJ）[2]的開源實時Java虛擬機。RTSJ是對Java的一組擴展，它通過封裝實時操作系統(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無關(guān)的方式來執(zhí)行代碼。RTSJ的主要功能包括范圍內(nèi)存和不朽內(nèi)存，具有增強調(diào)度支持的實時線程，異步事件處理程序以及線程內(nèi)控制的異步傳輸。

OVM虛擬機完全用Java編寫，其體系結(jié)構(gòu)強調(diào)可定制性和可插入組件。它的實現(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)場訪問和速度等操作的實現(xiàn)。OVM允許動態(tài)更新正在運行的虛擬機的指令的實現(xiàn)。盡管RTSJ虛擬機（如OVM和TimeSys Jtime）相對較新，但由于它們具有降低軟件開發(fā)和演進成本的潛力，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別的分布式編程模型，其可重用的API和機制可自動執(zhí)行和擴展由主機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中間件封裝的本機操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編程功能。分布式中間件使開發(fā)人員能夠像獨立應(yīng)用程序一樣對分布式應(yīng)用程序進行編程，也就是說，通過對目標(biāo)對象進行操作，而無需對其位置，編程語言，操作系統(tǒng)平臺，通信協(xié)議和互連或硬件特性進行硬編碼依賴性。分發(fā)中間件的核心是啟用QoS的對象請求代理（ORB），例如CORBA、COM +和Java Remote Method Invocation。這些ORB允許對象在網(wǎng)絡(luò)之間進行互操作，而與對象所使用的語言或部署對象的操作系統(tǒng)平臺無關(guān)。

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

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

通過線程池，優(yōu)先級機制，進程內(nèi)互斥（互斥量）和具有固定優(yōu)先級的實時系統(tǒng)的全局調(diào)度服務(wù)來獲得處理器資源；

圖1.中間件層及其上下文

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

通過在隊列中緩沖請求并限制線程池的大小來獲得內(nèi)存資源。

使用自適應(yīng)通信環(huán)境（ACE）主機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中間件工具包（請參見www.cs.wustl.edu/~schmidt/ACE.html）[8]中的可重用框架來實現(xiàn)TAO。ACE和TAO是從研究原型到DRE應(yīng)用的中間件過渡的成熟示例，已在數(shù)百個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)，航空電子功能計算，軟件定義的系統(tǒng)。無線電，雷達系統(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)通過定義高級的領(lǐng)域無關(guān)組件來增強分發(fā)中間件，這些組件允許應(yīng)用程序開發(fā)人員專注于對應(yīng)用程序邏輯進行編程，而不必編寫開發(fā)分布式應(yīng)用程序所需的“管道”代碼，而使用較低級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?，而通用中間件服務(wù)側(cè)重于通過分布式系統(tǒng)在整個分布式系統(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。開發(fā)人員可以重用這些服務(wù)來管理全局資源并執(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，實時調(diào)度，容錯和事務(wù)，否則每個應(yīng)用程序或應(yīng)用程序?qū)⒁耘R時方式實現(xiàn)這些事務(wù)。

集成開發(fā)人員與DRE系統(tǒng)相關(guān)的常見中間件服務(wù)示例是QuO項目（請參見www.dist-systems。bbn.com/tech/QuO），研究人員位于BBN Technologies是DARPA ITO Quorum和PCES計劃的一部分[5]。 QuO是基于圖2概述的分層中間件體系結(jié)構(gòu)的一組開源中間件服務(wù)。QuO體系結(jié)構(gòu)在兩個方面將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，中間件可確保在遠程對等方之間有效，可預(yù)測，可擴展，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路徑負責(zé)確定功能交互相對于關(guān)鍵DRE系統(tǒng)QoS屬性的端到端行為。此類屬性的示例包括：如何以及何時將資源用于系統(tǒng)的多個級別上的客戶端/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和恢復(fù)策略。

QuO中間件負責(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)的多個級別上功能交互的發(fā)生情況。面對快速變化的應(yīng)用程序需求和環(huán)境條件，包括局部故障，瞬態(tài)過載以及動態(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)計算，雷達處理，在線金融交易和分布式過程控制。與前面的三個中間件層（它們提供可廣泛使用的“水平”機制和服務(wù)）不同，特定于領(lǐng)域的中間件服務(wù)針對垂直市場。

從COTS和R＆D的角度來看，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，因此最有可能提高質(zhì)量并縮短周期時間，并且集成商需要開發(fā)特定類別的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程序中用作開放實驗平臺。BoldStroke是用于任務(wù)計算航空電子功能的開放式體系結(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)）。

近期進展與未來需求

在過去五年中，DRE中間件的研發(fā)和部署取得了重大進展，這主要歸功于以下方面：

多年的研究，迭代，完善，使用

中間件和相關(guān)的分布式對象計算（DOC）中間件并不是新的[7]。中間件概念是從對早期Internet（甚至是其前身ARPAnet）的試驗中演變而來的； DOC中間件系統(tǒng)自BBN的Cronus和Corbus系統(tǒng)問世以來，它自1980年代中期開始運營。從那時起，對這些想法的構(gòu)想，設(shè)計，以及最重要的軟件，都經(jīng)過了嘗試和完善（針對那些行之有效的軟件），并被丟棄或重定向（針對那些無效的軟件）。

這個迭代的開發(fā)過程需要大量的資金和時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持到底。當(dāng)過程成功時，通常會產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)（整理邊界），模式和框架（確認如何應(yīng)用技術(shù)的知識）。

標(biāo)準(zhǔn)的成熟

在過去的十年中，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。

實時CORBA

包括允許應(yīng)用程序以可預(yù)測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，請求優(yōu)先級和排隊規(guī)則。

容錯CORBA

使用對象的實體冗余來支持復(fù)制，故障檢測和故障恢復(fù)。這些CORBA功能和服務(wù)的多種可互操作且健壯的實現(xiàn)方案現(xiàn)已上市。此外，諸如動態(tài)調(diào)度實時CORBA，Java的實時規(guī)范和Java的分布式實時規(guī)范之類的新興標(biāo)準(zhǔn)正在將開放標(biāo)準(zhǔn)的范圍擴展到更廣泛的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，以促進高質(zhì)量的開發(fā)和再利用。

中間件技術(shù)：

模式

模式匯集了設(shè)計專業(yè)知識，從而為某些情況下常見的軟件問題提供了經(jīng)過時間驗證的解決方案[3，10]。模式簡化了設(shè)計，構(gòu)造和性能調(diào)整。通過編纂DRE應(yīng)用程序模仿過曾經(jīng)成功解決過類似問題的開發(fā)人員的專業(yè)知識。模式還提高了在描述軟件開發(fā)活動時的討論水平，從而將重點放在戰(zhàn)略架構(gòu)和設(shè)計問題上，而不僅僅是戰(zhàn)術(shù)上的編程和表達。

消息詳細信息

構(gòu)架

框架是相關(guān)模式組的具體實現(xiàn)[4]。精心設(shè)計的框架可以根據(jù)中間件本身提供的功能以及應(yīng)用程序提供的功能來驗證模式。在沒有先驗上下文無關(guān)的最佳解決方案的情況下，框架還集成了各種解決問題的方法。諸如ACE，OVM，QuO和TAO之類的中間件框架可以包括策略化的選擇和優(yōu)化模式；然后可以自動集成和配置多個獨立開發(fā)的功能，以滿足各個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DARPA程序（Quorum和PCES）中，已經(jīng)進行了許多有關(guān)中間件模式和框架的開創(chuàng)性研發(fā)工作。每種方法都集中在CORBA和Java開放系統(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)橛糜趯崟r和容錯CORBA規(guī)范和商業(yè)化工作的標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)定義和實現(xiàn)。Quorum和PCES是政府專注的研發(fā)工作如何通過將其輸出到其他正在進行的公共和私人活動中并將其與也使用相同的開放式中間件基質(zhì)進行合并的結(jié)果來利用其結(jié)果的示例。在基于標(biāo)準(zhǔn)的開放中間件平臺可行之前，此類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)中進行了部署，包括航空電子任務(wù)計算，軟件定義的無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，無法涵蓋大規(guī)模，動態(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)來增強中間件，尤其是當(dāng)它涉及通用和特定于域的服務(wù)時。如果這些努力成功了，未來的中間件技術(shù)將能夠控制多個系統(tǒng)級別上多個系統(tǒng)組件使用的單個資源和聚合資源，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。

中間件是開發(fā)DRE系統(tǒng)的戰(zhàn)略元素，它彌補了應(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)濟回報源于將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)化水平提高了幾個層次，因此可用于COTS的獲取和定制。有了適當(dāng)?shù)母呒壯邪l(fā)環(huán)境和將研發(fā)成果商業(yè)化的有效流程，COTS中間件市場將不可避免地適應(yīng)，采用和實施關(guān)鍵任務(wù)DRE系統(tǒng)所需的強大硬件和軟件功能。

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

編輯：黃飛

?