基于刻面算法的航天發(fā)射場服務(wù)構(gòu)件庫設(shè)計

唐立文, 鄧友義

(裝備學(xué)院航天指揮系,北京101416)

基于刻面算法的航天發(fā)射場服務(wù)構(gòu)件庫設(shè)計

唐立文, 鄧友義

(裝備學(xué)院航天指揮系,北京101416)

將服務(wù)構(gòu)件的理念應(yīng)用到航天發(fā)射場信息化建設(shè)中,可充分利用發(fā)射場積累的資源,提高應(yīng)用效率。但當(dāng)服務(wù)構(gòu)件規(guī)模增大時,則需利用服務(wù)構(gòu)件庫對其進行組織和管理。闡述了基于XML的服務(wù)構(gòu)件刻面分類算法以及分類流程,從軟件產(chǎn)品線的角度探討了航天發(fā)射場服務(wù)構(gòu)件的生產(chǎn)和組裝,設(shè)計了具有負載均衡調(diào)度策略的服務(wù)構(gòu)件庫,為快速搭建航天發(fā)射場信息系統(tǒng)提供各種應(yīng)用的裝載器。

航天發(fā)射場;刻面算法;服務(wù)構(gòu)件庫

航天發(fā)射場在多年的信息化建設(shè)中,積累了大量的資源和應(yīng)用,為充分利用這些資源,且避免“從零開始”,采用軟件復(fù)用與面向服務(wù)的理念,應(yīng)用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)和構(gòu)件技術(shù),設(shè)計航天發(fā)射場服務(wù)構(gòu)件,提高了其應(yīng)用效率[1-2]。然而,服務(wù)構(gòu)件只有當(dāng)數(shù)量達到一定的規(guī)模,才能真正滿足發(fā)射場信息系統(tǒng)復(fù)用和基于服務(wù)構(gòu)件的軟件開發(fā)需求。為此,需建立服務(wù)構(gòu)件庫來管理服務(wù)構(gòu)件,提供航天發(fā)射場信息系統(tǒng)所需的各類服務(wù)構(gòu)件的裝載器,為快速搭建信息系統(tǒng)提供支持。

論文首先闡述了基于可擴展標(biāo)記語言(extensible markup language,XML)的服務(wù)構(gòu)件的分類檢索算法,介紹了服務(wù)構(gòu)件存儲入庫流程,然后對航天發(fā)射場服務(wù)構(gòu)件的生產(chǎn)與組裝進行了說明,最后設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)構(gòu)件負載均衡調(diào)度的服務(wù)構(gòu)件庫,用于管理服務(wù)構(gòu)件。希望能通過標(biāo)準(zhǔn)化的方式,促成更廣范圍的發(fā)射場信息資源的共享。

1 服務(wù)構(gòu)件的分類檢索

服務(wù)構(gòu)件的檢索依賴于自身的表示和分類,只有對服務(wù)構(gòu)件進行翔實的分類和描述,才能保證大量服務(wù)構(gòu)件被使用者快速、便捷地找到,并且容易理解和識別。因此,服務(wù)構(gòu)件的分類情況和檢索效率體現(xiàn)了服務(wù)構(gòu)件庫設(shè)計的優(yōu)劣。

1.1 刻面分類算法描述

刻面分類算法能夠從若干個不同的維度來描述復(fù)雜對象,在刻面術(shù)語之間可以定義不同的關(guān)系(如一般特殊關(guān)系和同義詞關(guān)系),它兼具有屬性/值分類、枚舉分類和關(guān)鍵詞分類等幾種方法的共同優(yōu)點[3]。

刻面分類的定義是：假設(shè)每個術(shù)語T對應(yīng)于一個謂詞PT,那么檢索術(shù)語T將得到所有滿足PT的構(gòu)件集合,稱為CT。對任意的構(gòu)件C,當(dāng)且僅當(dāng)PT*(C)→PT(C)成立時,稱術(shù)語T是術(shù)語T*的“上層術(shù)語”。而當(dāng)且僅當(dāng)對所有以術(shù)語T為“上層術(shù)語”的術(shù)語t,式C∈(CT-Ct)均成立時,構(gòu)件C被索引為術(shù)語T。因此,建立構(gòu)件索引的算法是一個對構(gòu)件術(shù)語空間的深度優(yōu)選搜索。同一刻面中的術(shù)語被組織成層次結(jié)構(gòu),上層與下層術(shù)語之間稱為嚴(yán)格的一般/特殊關(guān)系。在刻面E中選擇多個術(shù)語T1,…,TN時,檢索得到的構(gòu)件集合為：CE=CT1∪…∪CTN。當(dāng)查詢條件中具有多個刻面時,各刻面檢索到的構(gòu)件集合的交集就構(gòu)成了最終的結(jié)果集。所以,可以根據(jù)術(shù)語之間一般特殊關(guān)系對刻面中的術(shù)語進行相應(yīng)的編碼,以提高檢索算法的效率。

由上述對刻面的描述方法可知,一個構(gòu)件可由多個刻面及各個刻面中多個術(shù)語來刻畫,而這些特征將使刻面算法能從多角度、多方面對構(gòu)件進行更為全面的描述。

1.2 基于XML的發(fā)射場服務(wù)構(gòu)件刻面描述

通過分析目前航天發(fā)射場各類應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)的情況,初步將發(fā)射場服務(wù)構(gòu)件分類所使用的刻面分為名稱標(biāo)志、基礎(chǔ)環(huán)境、基本功能、表示方法、應(yīng)用領(lǐng)域等[1]。

利用XML技術(shù)研究基于刻面的服務(wù)構(gòu)件分類與檢索方法[1,3-4],可實現(xiàn)對服務(wù)構(gòu)件的組織和描述,幫助使用者從服務(wù)構(gòu)件庫中快速定位并檢索到適合的服務(wù)構(gòu)件。完成對服務(wù)構(gòu)件的描述后,即可按照服務(wù)構(gòu)件庫要求,將其存儲到庫中,基于XML的服務(wù)構(gòu)件分類過程如圖1所示。

由于XML的可擴展、跨語言、跨平臺特性[5],經(jīng)XML描述的發(fā)射場服務(wù)構(gòu)件提高了服務(wù)構(gòu)件庫的互操作能力、可擴展能力以及未來擴充為分布式服務(wù)構(gòu)件庫的可能性。服務(wù)構(gòu)件庫將按照基于XML的服務(wù)構(gòu)件刻面分類的分類與檢索方法對發(fā)射場各種服務(wù)構(gòu)件進行分類、組織和管理,方便用戶查詢、提取和組裝構(gòu)件。

圖1 基于XML的服務(wù)構(gòu)件分類過程

2 服務(wù)構(gòu)件的生產(chǎn)與組裝

軟件產(chǎn)品線的概念是由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的軟件工程研究所(CMU/SEI)提出的,其概念是“產(chǎn)品線是一個產(chǎn)品集合,這些集合共享一個公共的、可管理的特征集,這些特征集能夠滿足選定市場或任務(wù)領(lǐng)域的特定要求,它們遵循一個欲描述的方式,在公共的核心資源(構(gòu)件、領(lǐng)域模型、領(lǐng)域架構(gòu)等)基礎(chǔ)上開發(fā)”[6-7]。

軟件產(chǎn)品線的核心思想,是支持開發(fā)者開發(fā)某領(lǐng)域特定的可復(fù)用資產(chǎn),這些軟件產(chǎn)品具有公共需求集合,屬于同一領(lǐng)域,可以根據(jù)用戶的需求對其進行定制。基于軟件產(chǎn)品線的開發(fā)特點是維護公共軟件資源庫,并在開發(fā)過程中復(fù)用這些資源。即花費較少的開銷就可以有規(guī)律的開發(fā)相似系統(tǒng)的產(chǎn)品譜系,而且這種開發(fā)方式可能產(chǎn)生的風(fēng)險比單獨開發(fā)每一個系統(tǒng)要少很多。在整個軟件產(chǎn)品線中,組裝是其中的一個重要環(huán)節(jié)。采用軟件產(chǎn)品線的概念來實現(xiàn)航天發(fā)射場服務(wù)構(gòu)件的生產(chǎn)與組裝流程如圖2所示。

圖2 服務(wù)構(gòu)件組裝流程

首先要根據(jù)應(yīng)用需求,從發(fā)射場現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)或資源中提取服務(wù)信息,按照發(fā)射場信息化建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,到服務(wù)構(gòu)件車間進行生產(chǎn),之后將其存儲到服務(wù)構(gòu)件庫中,供用戶使用;當(dāng)用戶需要使用某一個或某些服務(wù)構(gòu)件時,首先提出服務(wù)構(gòu)件需求,構(gòu)件庫系統(tǒng)將根據(jù)服務(wù)構(gòu)件描述的信息進行檢索并定位到該類服務(wù)構(gòu)件,然后用戶根據(jù)實際需要,從中選取出所需服務(wù)構(gòu)件,最后用戶將服務(wù)構(gòu)件提交到組裝車間,組裝成應(yīng)用系統(tǒng)。

3 服務(wù)構(gòu)件庫管理功能設(shè)計

航天發(fā)射場服務(wù)構(gòu)件庫管理功能主要包括用戶管理、服務(wù)構(gòu)件管理以及日志管理3個部分,如圖3所示。

圖3 服務(wù)構(gòu)件庫管理功能劃分

3.1 用戶管理

用戶管理分為用戶權(quán)限管理和用戶維護管理。用戶權(quán)限管理包括權(quán)限的瀏覽、使用、修改以及維護服務(wù)構(gòu)件列表等;用戶維護管理則實現(xiàn)對管理服務(wù)構(gòu)件庫和使用服務(wù)構(gòu)件用戶的管理。

發(fā)射場不同部站、不同職位、不同級別的用戶都會涉及服務(wù)構(gòu)件的使用,用戶情況的復(fù)雜性及不可預(yù)先控制性決定了必須設(shè)計相應(yīng)的用戶權(quán)限管理功能,對使用服務(wù)構(gòu)件的用戶及其權(quán)限進行嚴(yán)格的管控。同時,還要對權(quán)限進行細化,以達到每個用戶能分配到恰當(dāng)?shù)臋?quán)限。用戶權(quán)限管理要和操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫的權(quán)限管理共同配合來完成,主要采用用戶分級的機制來實現(xiàn),一般為三級：系統(tǒng)管理員、服務(wù)構(gòu)件管理員和普通用戶。

1)系統(tǒng)管理員：負責(zé)管理庫中所有用戶,它根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用需要可設(shè)立角色、用戶、用戶組,控制各個用戶的操作范圍,實現(xiàn)對用戶的增、刪、改、查等操作,對系統(tǒng)的權(quán)限進行控制,庫中默認存在一個系統(tǒng)管理員。

2)服務(wù)構(gòu)件管理員：具有對庫中服務(wù)構(gòu)件維護的權(quán)限,負責(zé)庫中服務(wù)構(gòu)件的生成、更新,維護服務(wù)構(gòu)件目錄等,為用戶提供方便快捷的功能。

3)普通用戶：即服務(wù)構(gòu)件的使用者,它們能夠查詢、瀏覽庫中感興趣的服務(wù)構(gòu)件,并根據(jù)需要將其組裝成應(yīng)用系統(tǒng)。

3.2 服務(wù)構(gòu)件管理

服務(wù)構(gòu)件管理主要有：① 服務(wù)目錄管理,用于管理庫中服務(wù)構(gòu)件的描述信息列表,方便用戶檢索服務(wù)構(gòu)件;②日常維護管理,用于提供服務(wù)構(gòu)件的瀏覽、增加、刪除、修改等操作,方便服務(wù)構(gòu)件的入庫、注銷、提取等;③ 統(tǒng)計分析管理,用于對庫中服務(wù)構(gòu)件的使用率、功能復(fù)用等進行統(tǒng)計和分析,為完善服務(wù)構(gòu)件庫提供依據(jù);④運行權(quán)限管理,用于管理在實際應(yīng)用系統(tǒng)中所用服務(wù)構(gòu)件的運行權(quán)限,這些運行權(quán)限決定了不用應(yīng)用程序使用服務(wù)構(gòu)件的權(quán)限,構(gòu)件庫設(shè)置了運行節(jié)點、用戶權(quán)限組、最大實例數(shù)、網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)等。

3.3 日志管理

該功能主要是實現(xiàn)對庫中各種用戶操作服務(wù)構(gòu)件情況的實時監(jiān)控,其內(nèi)容主要有瀏覽、檢索、使用、統(tǒng)計、更新、維護等對服務(wù)構(gòu)件的操作。它主要包括2部分：①日志瀏覽,根據(jù)多種條件,如時間、用戶、操作類型等進行查詢,將結(jié)果以多種形式展示,并提供導(dǎo)出功能;②日志歸檔,是維護人員根據(jù)日志時間和歸檔分類,將日志信息存儲到相應(yīng)文件,供統(tǒng)計分析。日志管理采用統(tǒng)一的機制,進行統(tǒng)一管理和統(tǒng)一存儲。

4 航天發(fā)射場服務(wù)構(gòu)件庫的服務(wù)調(diào)度

設(shè)計服務(wù)構(gòu)件庫,雖然會提高發(fā)射場信息系統(tǒng)建設(shè)的可擴展性和重構(gòu)能力,但大量復(fù)雜的服務(wù)構(gòu)件又會增加各個服務(wù)構(gòu)件之間的運行協(xié)作。如何協(xié)調(diào)和調(diào)度這些服務(wù),使其能夠按照自身功能以及所參與模塊重要性等因素進行排序,以獲取系統(tǒng)的最快響應(yīng),是建設(shè)服務(wù)構(gòu)件庫需要重視的問題。為此,論文研究動態(tài)負載均衡的服務(wù)調(diào)度策略,以實現(xiàn)服務(wù)構(gòu)件的調(diào)度和管理,增強服務(wù)構(gòu)件庫的有效性、靈活性和自適應(yīng)性。

4.1 任務(wù)調(diào)度與負載均衡

所謂調(diào)度策略,就是由任務(wù)各個階段的調(diào)度決策所組成的序列。日前,較經(jīng)典的任務(wù)調(diào)度策略有RM(rate monotonic)法、EDF(earliest deadline first)法、DM(deadline monotonic)法、FCFS (first come first served)法、SJF(shortest job first)法、HRN(highest response ratio next)法、BS(background scheduling)法以及PS(priority scheduling)法等[8]。這些調(diào)度策略都是靜態(tài)的,沒有考慮動態(tài)情況對請求調(diào)度的影響。航天發(fā)射場服務(wù)構(gòu)件庫,需要為不同的服務(wù)構(gòu)件請求提供實時快速響應(yīng),因此,引入負載均衡的思想。

負載均衡主要是解決網(wǎng)絡(luò)中不間斷、高質(zhì)量服務(wù)訪問問題的一種可靠性技術(shù)[9]。它通過提供一種較廉價有效的擴展服務(wù)器帶寬和增加吞吐量的方法,來加強網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理能力,提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性[10]。負載均衡是采用數(shù)據(jù)分流和負荷轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)各類資源高效利用和分配的重要手段,一般分為靜態(tài)負載均衡和動態(tài)負載均衡。靜態(tài)負載均衡是利用系統(tǒng)負載的平均信息,而忽視系統(tǒng)當(dāng)前的負載狀況;而動態(tài)負載均衡則根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的負載狀況來調(diào)整任務(wù)劃分,也就是在運行過程中,系統(tǒng)不斷地根據(jù)運行時各節(jié)點的負載情況,將工作量動態(tài)地分配到各個節(jié)點,負載輕的節(jié)點會被分配較多工作。目前,動態(tài)負載均衡正逐漸成為發(fā)展的趨勢。

4.2 服務(wù)構(gòu)件庫負載均衡調(diào)度策略

服務(wù)構(gòu)件庫中的負載均衡調(diào)度策略的框架如圖4所示。

圖4 服務(wù)負載均衡調(diào)度策略框架

該框架包括2部分：一是服務(wù)構(gòu)件集群,即服務(wù)構(gòu)件庫將不同類型的多個服務(wù)構(gòu)件劃分為不同的服務(wù)構(gòu)件集群;二是負載均衡調(diào)度,即各個服務(wù)構(gòu)件集群向其請求調(diào)度,該調(diào)度會根據(jù)所選的調(diào)度策略,產(chǎn)生調(diào)度隊列,該隊列區(qū)分服務(wù)構(gòu)件集群的先后以及各個服務(wù)構(gòu)件的先后。負載均衡調(diào)度策略的調(diào)度函數(shù)為

F(x)=F(靜態(tài),動態(tài))=

F(靜態(tài)調(diào)度)+F(動態(tài)負載均衡調(diào)度)(1)

靜態(tài)調(diào)度中,可以將前面所提到的調(diào)度算法封裝成服務(wù)構(gòu)件,使用該服務(wù)構(gòu)件時,該構(gòu)件會根據(jù)不同的選擇而調(diào)用不同的調(diào)度算法。當(dāng)有新的調(diào)度策略更適合當(dāng)前的服務(wù)調(diào)度時,只需根據(jù)設(shè)計規(guī)范將其封裝到該服務(wù)中即可,這種方法有利于調(diào)度算法的擴展。

動態(tài)負載均衡調(diào)度中主要是負載函數(shù)的設(shè)計,它需要綜合2種因素,最大負載量和當(dāng)前負載量,負載函數(shù)隨著最大負載值的增加而增加,隨著當(dāng)前負載值的增加而減少。設(shè)當(dāng)前有n個服務(wù)構(gòu)件需要調(diào)度,則總的負載函數(shù)為

式中：Imax(t)表示最大負載;表示當(dāng)前總的負載;Icur,i(t)表示服務(wù)構(gòu)件庫中第i個服務(wù)構(gòu)件的負載量。

5 結(jié)束語

隨著航天發(fā)射場信息化的深入發(fā)展,其應(yīng)用越發(fā)廣泛,服務(wù)構(gòu)件的理念也因此而被研究和使用。為此,本文研究了基于XML的刻面分類算法,闡述了如何對發(fā)射場服務(wù)構(gòu)件進行描述、提取、生產(chǎn)、組裝和管理,設(shè)計了對服務(wù)構(gòu)件進行組織、管理和調(diào)度的服務(wù)構(gòu)件庫,提供對服務(wù)構(gòu)件的提取、描述、分類檢索、存儲入庫、組裝、管理、調(diào)度等功能,以滿足航天發(fā)射場信息系統(tǒng)開發(fā)過程中的復(fù)用和基于服務(wù)構(gòu)件的軟件開發(fā)需求,為航天發(fā)射場實際應(yīng)用提供方便快捷的系統(tǒng)組裝方式,服務(wù)其信息化建設(shè)。

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(編輯：孫陸青)

The Design of Service Component Library of Space Launch Site Based on Faceted Algorithm

TANG Liwen, DENG Youyi

(Department of Space Command,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

The resources which have accumulated by the space launch site during past years can be fully used by putting the service component idea into the informatization of space launch site so as to enhance the application efficiency.But when the scales of service component raises,the library must be built to organize and manage them.The faceted algorithm,flow and search of service component based on XML are stated,and the storage flow of service component is introduced.Then,the production and assembly of service component are discussed from the aspects of software product line. Lastly,in order to quickly provide an application loader on the building needs for space launch site, one service component library is designed,which the load balancing scheduling strategy towards different demands of service component is designed.

space launch site;faceted algorithm;service component library

TP 31

2095-3828(2014)02-0052-04

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.02.013

2013-09-12

部委級資助項目

唐立文(1976-),男,講師,博士.主要研究方向：軍事航天,指揮信息系統(tǒng).tangli_wen@sina.com.