中間件技術概述

中間件技術課程介紹

課程設置目標了解中間件中間件的開發(fā)原理，如何開發(fā)中間件在中間件上進行開發(fā)相關的工業(yè)標準例如CORBA、EJB、WebService等參考張云勇,中間件技術原理與應用,清華大學出版社,2004李華飚,

Java中間件技術及其應用開發(fā),水利水電出版社,2007S.TanenbaumandM.V.Steen,分布式系統(tǒng):PrinciplesandParadigms,第一版,PrenticeHall,2002,ISBN:0130888931.ReferenceBooks:

G.Coulouris,J.Dollimore,和T.Kindberg,分布式系統(tǒng):ConceptsandDesign,3rdEdition,Addison-Wesley,2000,ISBN:0201619180.初步知識開放系統(tǒng)互操作性中間件遠地過程調(diào)用分布式計算環(huán)境開放系統(tǒng)及互操作性開放系統(tǒng)概述：網(wǎng)絡技術發(fā)展使得用戶的應用環(huán)境變得異常復雜繁多的硬件系統(tǒng)不同的操作系統(tǒng)和應用軟件用戶環(huán)境的復雜性和多樣性導致了開放系統(tǒng)技術的出現(xiàn)信息處理系統(tǒng)互連的需求不斷的增長，出現(xiàn)了分布式系統(tǒng)系統(tǒng)分布面臨的問題遠程性：組件在空間上分散并發(fā)性：組件間并發(fā)的執(zhí)行無全局狀態(tài)：分布系統(tǒng)的全局狀態(tài)不定部分失?。喝我唤M件失敗與其他組件無關異步性：通信和處理活動異步發(fā)生異質(zhì)性：多種技術的集合自主性：自主管理，若干控制當局系統(tǒng)分布面臨的問題 （續(xù)）聯(lián)合性：跨越多個自主實體伸縮性：在規(guī)模上是可伸縮的發(fā)展性：開放環(huán)境面對很多變化移動性：信息源，用戶在物理位置上移動開放環(huán)境具備的屬性開放的：可移植性和協(xié)同工作集成的：靈活模塊化可聯(lián)合的可管理滿足服務質(zhì)量安全提供透明性中間件概述定義中間件是一種軟件，他能使處于應用層中的各應用成分之間實現(xiàn)跨網(wǎng)絡的協(xié)同工作（也就是互操作）應用軟件中間層網(wǎng)絡軟件操作系統(tǒng)應用軟件中間層網(wǎng)絡軟件操作系統(tǒng)可協(xié)同工作中件服務并不能獨立構造分布式系統(tǒng)，它只是在原有的操作系統(tǒng)和語言基礎之上為分布應用提供互操作能力，在最終實現(xiàn)時，仍需要傳統(tǒng)程序設計語言和操作系統(tǒng)的支持。

開發(fā)模式的變化Win2KLinuxLynxOSSolarisVxWorksMiddlewareMiddlewareServicesMiddlewareApplicationsMIDDLEWAREARCH21stCenturyRTPDNSHTTPUDPTCPIPTELNETEthernetATMFDDIFibreChannelFTPINTERNETWORKINGARCHTFTP20thCentury中間件定義（IDG)

中間件是基礎軟件，處于操作系統(tǒng)（或網(wǎng)絡協(xié)議）與分布式應用之間，從而屏蔽操作系統(tǒng)（或網(wǎng)絡協(xié)議）的差異，實現(xiàn)分布式異構系統(tǒng)之間的互操作。目前，對中間件還沒有形成一個統(tǒng)一的定義，比較公認的IDC的定義是：中間件是一種獨立的系統(tǒng)軟件或服務程序，分布式應用軟件借助這種軟件在不同的技術之間共享資源，中間件位于客戶機服務器的操作系統(tǒng)之上，管理計算資源和網(wǎng)絡通信。中間件技術

最早具有中間件技術思想及功能的軟件是IBM在60年代開發(fā)的CICS（CustomerInformationControlSystem）。80年代初期，SunMicrosystems開發(fā)了一種最早的中間件，作為其開放網(wǎng)絡體系結(jié)構的一部分，這種中間件是基于RPC協(xié)議的。但由于CICS不是分布式環(huán)境的產(chǎn)物，而SunMicrosystems開發(fā)的不是完整的中間件產(chǎn)品，因此人們一般把Tuxedo作為第一個嚴格意義上的中間件產(chǎn)品，Tuxedo是在1984年由AT&T的貝爾實驗室開發(fā)完成的。到90年代，中間件技術得到了巨大的發(fā)展和廣泛的應用，出現(xiàn)了大量具有廣泛影響的中間件產(chǎn)品，如OMG的Corba、Microsoft的DCOM/COM+、IBM的MQS等。組成部分 執(zhí)行環(huán)境(ExecutionEnvironment)軟件簡稱EE軟件應用開發(fā)(ApplicationDevelopment)工具簡稱AD工具中間件的分類 中間件的平臺由于中間件需要屏蔽分布環(huán)境中異構的操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議，它必須能夠提供分布環(huán)境下的通訊服務，我們將這種通訊服務稱之為平臺?；谀康暮蛯崿F(xiàn)機制的不同，我們將平臺分為以下主要幾類：

遠程過程調(diào)用（RemoteProcedureCall）

面向消息的中間件（Message-OrientedMiddleware）

對象請求代理（ObjectRequestBrokers）中間件的分類 事務處理中間件(TPMonitor:TransactionProcessMonitor)消息中間件(MOM:Message-OrientedMiddleware)遠程過程調(diào)用分布對象請求代理事務處理中間件事物務理中間件又叫“事務處理監(jiān)控程序”，最初是作為聯(lián)機事務處理應用的支撐環(huán)境。事務處理中間件提供聯(lián)機事務處理所需要的通信、并發(fā)訪問控制、事務控制、資源管理、安全管理和其它必要的服務。事務處理中間件幾乎所有的功能與服務都被借用到Web應用服務器之中并被標準化的固定下來。事務處理中間件的功能

進程管理，包括啟動server進程、為其分配任務、監(jiān)控其執(zhí)行并對負載進行平衡。

事務管理，即保證在其監(jiān)控下的事務處理的原子性、一致性、獨立性和持久性。

通訊管理，為client和server之間提供了多種通訊機制，包括請求響應、會話、排隊、訂閱發(fā)布和廣播等。

面向消息的中間件

MOM指的是利用高效可靠的消息傳遞機制進行平臺無關的數(shù)據(jù)交流，并基于數(shù)據(jù)通信來進行分布式系統(tǒng)的集成。通過提供消息傳遞和消息排隊模型，它可在分布環(huán)境下擴展進程間的通信，并支持多通訊協(xié)議、語言、應用程序、硬件和軟件平臺。目前流行的MOM中間件產(chǎn)品有IBM的MQSeries、BEA的MessageQ等面向消息的中間件的功能特點

通訊程序可在不同的時間運行

對應用程序的結(jié)構沒有約束,通訊程序之間不僅可以是一對一的關系，還可以進行一對多和多對一方式，甚至是上述多種方式的組合。多種通訊方式的構造并沒有增加應用程序的復雜性。

程序與網(wǎng)絡復雜性相隔離:

程序?qū)⑾⒎湃胂㈥犃谢驈南㈥犃兄腥〕鱿磉M行通訊，與此關聯(lián)的全部活動，比如維護消息隊列、維護程序和隊列之間的關系、處理網(wǎng)絡的重新啟動和在網(wǎng)絡中移動消息等是MOM的任務，程序不直接與其它程序通話，并且它們不涉及網(wǎng)絡通訊的復雜性。遠程過程調(diào)用

遠程過程調(diào)用是一種廣泛使用的分布式應用程序處理方法RPC應用分為兩個部分：server和client。server提供一個或多個遠程過程；client向server發(fā)出遠程調(diào)用。分布對象

為滿足分布式計算對多對象、跨平臺和系統(tǒng)異構性等的需求，80年代后期至90年代初期，逐漸形成了分布對象模型(DistributedObjectModel,DOM)的概念，它以對象技術為基石，將OT融入分布環(huán)境中，支持在分布環(huán)境下對象之間的互操作和協(xié)作，最終建立開放的分布式系統(tǒng)。

DOM的概念非常適合于分布式異構系統(tǒng)，以DOM的觀點，分布式環(huán)境中的一個自治系統(tǒng)或一個應用都可視為對象或一組對象。對象對外提供操作界面，操作由消息激活，在協(xié)調(diào)機制參與下，對象之間通過傳遞消息完成共同的任務。

DOM中的一個重要概念是組件(component)。組件是一塊獨立可重用的二進制代碼，它具有特定功能，支持靈活的即插即用，可以被方便地插入到網(wǎng)絡、語言、應用、工具、操作系統(tǒng)中工作。幾種主要的分布對象中間件

1.ORB

基于對象的技術最重要的用途之一是系統(tǒng)集成，這種集成可以通過對象請求代理(ObjectRequestBroker,ORB)來進行。根據(jù)對象管理組織(OMG)的公共對象請求代理體系結(jié)構(CommonObjectRequestBrokerArchitecture,CORBA)的定義，對象請求代理提供了在異構分布環(huán)境下不同系統(tǒng)的應用之間互操作的能力，并且能無縫連接多重對象系統(tǒng)，它負責搜尋客戶請求的對象實現(xiàn)，使對象實現(xiàn)準備接受請求并傳輸構造請求數(shù)據(jù)的所有成份。ORB提供了如下方法：

抽象地定義應用程序（或者計算機上運行的任何軟件）的接口，以便其它應用程序也能使用這些接口。找出位于網(wǎng)絡另一地方的應用程序以及有關的接口。讓應用程序相互通信并且相互響應。使用接口定義語言(InterfaceDefinitionLanguage,IDL)和應用程序接口(ApplicationProgrammingInterface,API)。2.COM/DCOM

組件對象模型(ComponentObjectModel,COM)是Microsoft的組件軟件方案。COM中定義并提供了應用程序(客戶)和服務對象(softwareobject)的連接機制，連接建立后客戶和對象可直接通訊而不需COM介入。DCOM(DistributedCOM)使用DCE的RPC機制在網(wǎng)絡環(huán)境下為它們提供了場地透明性和安全性等機制。3.SOM/DSOM

系統(tǒng)對象模型(SystemObjectModel,SOM)是IBM提出的組件解決方案，其主要目的是建立一個語言中立(language-neutral)的二進制對象標準，從而實現(xiàn)對象的重用，它包括面向?qū)ο蟮哪Ｐ图捌鋵崿F(xiàn)。DSOM是SOM中實現(xiàn)分布對象訪問的一組類庫，它符合CORBA標準并做了擴充。中間件的優(yōu)點企業(yè)應用縮短應用開發(fā)周期StandishGroup分析業(yè)務邏輯30％基礎程序70％減少項目開發(fā)的風險沒有使用標準商業(yè)中間件的關鍵應用系統(tǒng)開發(fā)項目的失敗率高達90％自行開發(fā)中間件得不償失應用系統(tǒng)質(zhì)量及可維護性StandishGroup發(fā)現(xiàn)一個企業(yè)的應用系統(tǒng)有17000多個模塊接口標準中間件在接口方面都是清晰和規(guī)范的使用中間件企業(yè)只是維護業(yè)務邏輯增加產(chǎn)品吸引力中間件的優(yōu)點應用程序透明的與其它應用程序交互與運行平臺提供的網(wǎng)絡通信服務無關具有良好的可靠性和可用性良好的可擴展性流行分布中間件技術的比較

1）消息/隊列

支持同步和異步處理

不需要預編譯程序

事件驅(qū)動的編程范例

標準仍在出現(xiàn)2）RPC

基本上為同步處理需要預編譯程序熟悉的編程范例以DCE的標準為基礎3）ORB

同步處理需要預編譯程序面向?qū)ο蟮木幊谭独設MG的標準為基礎分布計算體系結(jié)構 1.DCE OSFDCE的體系結(jié)構是由遠程過程調(diào)用、線程、命名服務、分布文件系統(tǒng)、安全和數(shù)據(jù)類型編碼標準等子系統(tǒng)組成。DCE的分布目錄服務提供網(wǎng)絡中資源的位置透明性，允許通過邏輯名訪問資源而不需指定資源所駐留的節(jié)點；安全服務提供了安全地管理網(wǎng)絡中安全信息的分布服務，如支持單用戶定義，用戶以此名字作為一個實體登錄到網(wǎng)絡中而不是必須依次等登到每個獨立的服務器上；時間服務確保DCE環(huán)境中的所有成員都有一個統(tǒng)一的時間觀點，這對于網(wǎng)絡中事件的有序化、緩存信息的超時管理及其一致性維護等都具有重要作用；線程位于操作系統(tǒng)與其它所有DCE子系統(tǒng)之間，可以由本地操作系統(tǒng)或者專門的線程軟件包實現(xiàn)。

2.CORBA成立于1989年的對象管理組織是由一個擁有660個成員的國際性組織，它致力于推動面向?qū)ο蠹夹g理論及實踐在軟件開發(fā)中的應用。CORBA是對象管理組織在其對象管理結(jié)構(OMA)框架之下，以對象請求代理ORB為核心制定的分布對象標準，它定義了對象之間通過ORB透明地發(fā)送請求和接收響應的機制，保證了在分布異構環(huán)境下對象之間的互操作性。

CORBA依據(jù)以下的設計原則：

接口與實現(xiàn)分離，客戶方依賴于接口，而不是依賴與實現(xiàn)。對象引用通過接口實現(xiàn)類型化，能更好的隱藏實現(xiàn)細節(jié)。支持接口的多重繼承性，充分支持面向?qū)ο筇厣?。使用子類擴展功能。保持服務的簡單化和正交性，提供滿足需要的最基本服務。

DCE與CORBA的比較

在實現(xiàn)方面，OSFDCE提供參考實現(xiàn)并被多數(shù)廠商采用；OMGCORBA僅給出規(guī)范，不提供參考實現(xiàn)。在基礎設施方面，OSFDCE提供支持分布應用的分布服務基礎設施；OMGCORBA僅定義分布服務基礎設施的接口。在基礎服務方面，OSFDCE沒有定義事務服務等基礎服務；OMGCORBA在對象服務部件中定義了許多基礎服務，均支持標準接口。在模型方面，OSFDCE采用的是基于RPC的過程模型；OMGCORBA采用的是基于對象技術的對象模型。在引用方式方面，OSFDCE僅支持靜態(tài)引用；OMGCORBA支持、靜態(tài)引用客戶方DII和服務方DSI。在語義方面，OSFDCE提供at-most-once、independent、broadcast和maybe等多種語義；OMGCORBA提供at-most-once和best-effort兩種執(zhí)行語義，支持同步、延遲同步和異步交互模型。在線程并發(fā)性方面，OSFDCE將線程作為它的一個集成部件；OMGCORBA通過并發(fā)對象服務提供并發(fā)支持。 DCE和CORBA的差異主要源于二者核心技術的不同，DCE基于面向過程的RPC

機制，而CORBA是純正的面向?qū)ο蠹夹g，支持繼承、多態(tài)和封裝等面向?qū)ο筇卣?，這正是二者本質(zhì)的區(qū)別。

內(nèi) 容一、背景二、遠程過程調(diào)用（RPC）三、基于RPC的程序開發(fā)過程四、互操作體系一、背景1、TCP/IP2、基于TCP/IP的通信過程3、軟件互操作面向連接：負責

另一

客戶

請求

的套

接字

負責

客戶

請求

的套

接字

等待請求

等待連接（9）read()

（11）close()

（5）socket()

（2）bind()

（3）listen()

（4）accept()

close()

（1）socket()

（7）read()

（10）write()

客戶端流程

服務器端流程

等待返回結(jié)果

……

處理請求

處理結(jié)果

（6）connect()

（8）write()

負責

客戶

連接

的套

接字

套接字的出現(xiàn)促進了軟件從單機環(huán)境向網(wǎng)絡環(huán)境的發(fā)展

擴展了軟件的應用范圍

但隨著這種范圍的擴展

人們很快就不滿足于直接基于套接字的開發(fā)過程

原因：

基于套接字的開發(fā)方式較為繁瑣

軟件排錯十分困難當服務器端需要根據(jù)用戶的不同請求內(nèi)容區(qū)分不同的處理過程時這些問題表現(xiàn)得尤其突出必須提供高層開發(fā)環(huán)境！3、軟件互操作Interoperability

PeterWegner[96]:Interoperabilityistheabilityoftwoormoresoftwarecomponentstocooperatedespitedifferencesinlanguage,interface,andexecutionplatform.

Heiler[95]:Interoperabilityamongcomponentsoflarge-scale,distributedsystemistheabilitytoexchangeservicesanddatawithoneanother.

軟件互操作是

網(wǎng)絡環(huán)境中應用層的某一實體使用另一實體所提供功能的直接使用

網(wǎng)絡應用發(fā)展三步曲：

消息傳遞互操作協(xié)同工作

消息傳遞是指具有一定結(jié)構的信息從一個結(jié)點傳輸?shù)搅硗庖粋€結(jié)點的過程。

消息傳遞突破了單機環(huán)境中通過共享內(nèi)存(變量)進行信息交換的模式。通過消息的發(fā)送、消息的接收等環(huán)節(jié)，消息傳遞實現(xiàn)了不同運行實體間的信息交流。

消息傳遞使計算機從封閉、獨立的模式向開放、交流的模式轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變極大地豐富了計算機學科的研究內(nèi)容與應用范圍。

消息傳遞的目的性不強，只要正確地將信息從一結(jié)點傳給另一結(jié)點即認為成功，因此對語法的要求較高。

例如：TCP/IP

消息傳遞

互操作是一個結(jié)點上的成員對另一個結(jié)點上資源的使用?；ゲ僮鬟^程中，發(fā)送方將操作的方法與參數(shù)打包，作為一條消息進行發(fā)送，接收方則對消息頭進行解釋，并根據(jù)所載信息的含義、參數(shù)執(zhí)行相應的操作。

互操作的目標在于實現(xiàn)操作發(fā)出方的功能調(diào)用，并提供一定的透明性支持(Transparentutility)，實現(xiàn)不同操作空間之間的無縫連接(seamlessconnection)，強調(diào)消息的語義，即消息所包含的意義。

例如：RPC、ORB、RMI

互操作協(xié)同工作是協(xié)作范圍的進一步擴展，也是消息傳遞、互操作的目標與結(jié)果。協(xié)同工作的主體既可以是人，也可以是其他的計算機資源。協(xié)同工作的目標在于完成由許多人共同承擔的大型任務。消息被傳遞后，不僅要求語法、語義正確，還要求接收方根據(jù)消息的含義進行反應，使消息體現(xiàn)出一定的效用，而不是被簡單的傳送。例如：CSCW

（ComputerSupportedCooperativeWork）

協(xié)同工作1、動因與實例2、工作原理3、編排/還原4、請求分派RPC1、動因與實例開發(fā)基于SOCKET的網(wǎng)絡軟件非常復雜 FTP TELNET位于不同機器上的軟件互操作困難

連接管理

異構導致RPC（RemoteProcedureCalling）的產(chǎn)生主要實例： SUN公司等提出的ONC（OpenNetworkComputing）RPC

主要由SUN予以實現(xiàn) OSF（OpenSoftwareFoundation）RPC影響最大

主要由DCE(DistributedComputingEnvironment)實現(xiàn) DCE是OSF提出的分布計算體系結(jié)構 2、工作原理

Deposit(1000)

繼續(xù)運行

啟動服務器上的存款過程

intDeposit(number){

returntotal+number;

}

客戶端程序

服務器端程序

以對某銀行帳戶的一個存款過程為例：NetworkLocalCallClientStubRPCInterfaceRPCInterfaceServerStubRemoteProceduresendreceivesendreceive（1）調(diào)用過程客戶端程序服務器端程序過程描述：1）客戶按本地調(diào)用的方式

直接調(diào)用本地的客戶指代（Stub）

客戶指代具有與服務器相同的過程接口2）客戶指代將客戶的調(diào)用請求進行加工、打包 向底層通信機制（如套接字）發(fā)出請求消息

客戶指代 不進行任何邏輯處理 只是一個中介3）客戶端通過底層的通信機制

將消息傳送給服務器端的底層通信機制4）服務器需要部分地解析消息

找出客戶希望調(diào)用的服務器程序5）服務器指代對消息進行解析

從中獲得調(diào)用者的參數(shù)

然后調(diào)用服務器程序6）服務器程序執(zhí)行相應的過程7）服務器程序?qū)⒔Y(jié)果返回給服務器指代8）服務器指代將結(jié)果打包

向底層通信機制發(fā)出應答消息9）服務器端通信機制將消息傳送給客戶端通信機制10）客戶端節(jié)點上也可能有多個調(diào)出點

通信機制需要部分地解析返回的消息

找出消息應該返回給哪個客戶程序

并將消息發(fā)送給對應的客戶指代11）客戶指代從消息中解析結(jié)果 返回給客戶程序（2）編排/還原客戶端指代（Stub）的主要工作包括：1）建立客戶與服務器之間的連接2）將客戶的高層調(diào)用語句打包為一條底層的請求消息

這一過程在RPC中被稱為編排（marshal）3）等待服務器返回應答消息4）將來自服務器底層的應答消息解析為可以返回的數(shù)據(jù)

這一過程在RPC中被稱為還原（unmarshal）5）將返回值傳送給客戶程序需要特別處理：

編碼、字節(jié)序等問題（3）請求分派服務器端的指代：

除了需要進行編排、還原外

還需要 區(qū)分客戶所請求的過程名

然后將客戶的請求分派（dispatch）給正確的過程“指代”目前主要被用于專門代表客戶端的代理程序 而服務器端則由新的機制予以支持 在CORBA中專門分離出了對象適配器（OA：ObjectAdaptor）

在EJB中發(fā)展出了構件容器 用于在運行過程中專門管理構件的各種狀態(tài) 此時的服務器端不僅負責請求分派 還負責向底層機制的注冊（以方便請求的定位） 以及過程的激活（以加強系統(tǒng)的靈活性） 等等功能三、基于RPC的開發(fā)過程1、定義并編譯接口2、編寫實現(xiàn)具體服務功能的代碼3、編譯、連接，產(chǎn)生可執(zhí)行的服務器程序4、編寫客戶端代碼5、編譯、連接，產(chǎn)生客戶程序6、運行服務器端程序7、運行客戶端程序客戶端開發(fā)過程服務器端開發(fā)過程服務器端程序IDL編譯器(rpcgen)客戶端程序IDLaccount.haccount_clnt.caccount_svc.cserver.cclient.crpclib.o1、定義并編譯接口仍然結(jié)合銀行帳號的例子

接口定義文件account.x：programACCOUNT{versionACCOUNT_VER{intdeposit(int)=2;intwithdraw(int)=1;}=1;}=0x20010929;編譯后生成三個主要文件：

account.h account_clnt.c account_svc.c

互操作體系

－－－為支持應用層的某一實體使用另一實體，而制定的一套技術規(guī)范

1、底層協(xié)議2、互操作消息3、互操作接口定義4、互操作查找方式5、現(xiàn)有體系比較內(nèi)容

互操作消息

客戶端指代

互