中間件技術(shù)概述

中間件技術(shù)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(guān)的工業(yè)標準例如CORBA、EJB、WebService等參考張云勇,中間件技術(shù)原理與應用,清華大學出版社,2004李華飚,

Java中間件技術(shù)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(shù)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(shù)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(guān)異步性：通信和處理活動異步發(fā)生異質(zhì)性：多種技術(shù)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(gòu)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(gòu)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(shù)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(shù)

最早具有中間件技術(shù)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(gòu)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(shù)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(gòu)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(guān)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(gòu)沒有約束,通訊程序之間不僅可以是一對一的關(guān)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(gòu)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(guān)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(guān)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(gòu)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(shù)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(gòu)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(shù)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(gòu)(CommonObjectRequestBrokerArchitecture,CORBA)的定義，對象請求代理提供了在異構(gòu)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(gòu)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(guān)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(guān)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(guān)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(shù)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(gòu) 1.DCE OSFDCE的體系結(jié)構(gòu)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(shù)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(gòu)(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(gòu)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(shù)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(shù)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(shù)，支持繼承、多態(tài)和封裝等面向?qū)ο筇卣鳎@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(gòu)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(gòu)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(gòu) 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(gòu)件容器 用于在運行過程中專門管理構(gòu)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(shù)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