OSGi關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究*

胡佳慧 吳思竹 方 安

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)信息研究所 北京 100020)

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OSGi關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究*

胡佳慧 吳思竹 方 安

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)信息研究所 北京 100020)

總結(jié)和分析目前OSGi關(guān)鍵技術(shù)，包括分層模型、擴展功能、實現(xiàn)框架和技術(shù)特點，結(jié)合醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)、科研平臺建設(shè)和遠(yuǎn)程信息處理3個典型應(yīng)用領(lǐng)域，舉例說明OSGi在以服務(wù)為導(dǎo)向的現(xiàn)代信息應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中的獨特優(yōu)勢。

OSGi；Bundle；模塊化；面向服務(wù)；Java

1 引言

本文總結(jié)和分析OSGi關(guān)鍵技術(shù)，包括分層模型、擴展功能、實現(xiàn)框架和技術(shù)特點，結(jié)合醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)、科研平臺建設(shè)和遠(yuǎn)程信息處理這3個典型應(yīng)用領(lǐng)域，舉例說明OSGi在以服務(wù)為導(dǎo)向的現(xiàn)代信息應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中的獨特優(yōu)勢。

2 OSGi關(guān)鍵技術(shù)

2.1 OSGi分層模型

2.1.1 OSGi分層模型[1]見圖1，其中，OSGi中部署的最小單位為Bundle，指所開發(fā)的OSGi組件，其作為模塊化的具體實現(xiàn)貫穿于OSGi框架的每一層。Bundle的本質(zhì)為Jar包，其與Jar包的不同之處在于每個Bundle包含描述Bundle信息的Manifest .mf文本文件，描述信息可以包括Bundle的名稱、描述、開發(fā)商、類路徑、導(dǎo)入和導(dǎo)出包等。OSGi框架涉及服務(wù)、生命周期、模塊、安全和運行環(huán)境，各層的功能分別為：服務(wù)層采用“發(fā)布-尋找-綁定”模式，為Bundle提供動態(tài)連接，包括注冊服務(wù)、獲取服務(wù)對象以及監(jiān)聽服務(wù)；生命周期管理是OSGi框架最重要的特征之一，生命周期層提供安裝、啟動、停止、更新以及卸載Bundle的應(yīng)用程序接口(Application Program Interface,API)；模塊層負(fù)責(zé)處理Bundle間的關(guān)系，定義Bundle導(dǎo)入和導(dǎo)出代碼的方式，其重要機制包括模塊的類加載機制和模塊間的包共享機制，通過這兩個機制確保模塊間的相互獨立以及模塊間信息的交互與共享；安全層負(fù)責(zé)處理安全方面的細(xì)節(jié)，為OSGi框架的每一層提供必要的安全保障；運行環(huán)境定義具體平臺可獲取的方法和類。

圖1 OSGi分層模型

2.1.2 OSGi聯(lián)盟先后發(fā)布的一系列規(guī)范[1]見表1,在標(biāo)準(zhǔn)化之初，OSGi是一個嵌入式Java和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備市場領(lǐng)域的開放組件服務(wù)規(guī)范。2000年5月OSGi聯(lián)盟發(fā)布Release 1，旨在家庭和信息技術(shù)環(huán)境中實現(xiàn)基于組件的系統(tǒng)。自2005年起OSGi脫離嵌入式Java ME的約束，而將其關(guān)注領(lǐng)域轉(zhuǎn)向Java SE和Java EE，發(fā)布了Release 4系列規(guī)范。此外，基于OSGi規(guī)范在嵌入式領(lǐng)域所取得的良好效果，為了使OSGi更適用于企業(yè)級應(yīng)用，分布式OSGi逐漸受到業(yè)界的重視與關(guān)注。為了將OSGi擴展至云端應(yīng)用，2012年6月OSGi聯(lián)盟發(fā)布Release 5，以基于OSGi的模塊倉庫系統(tǒng)為建設(shè)目標(biāo)，補充了倉儲服務(wù)、子系統(tǒng)、命名空間和解析服務(wù)等API包。2014年6月在紐約召開的OSGi DevCon大會上，OSGi聯(lián)盟發(fā)布了OSGi的最新版本Release 6。新的規(guī)范補充了語義化版本的角色、數(shù)據(jù)傳輸對象規(guī)范、服務(wù)范圍和原型服務(wù)工廠等內(nèi)容，開發(fā)者可更為簡便地對其軟件進行功能擴展，改善網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和企業(yè)軟件服務(wù)的靈活性[8]。

表1 OSGi發(fā)展概覽

2.2 分布式擴展功能

2.2.1 概述 OSGi設(shè)計之初是面向嵌入式開發(fā)領(lǐng)域，隨著遠(yuǎn)程通信、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等新技術(shù)的興起，為了更好地適應(yīng)面向Java的動態(tài)模塊化系統(tǒng)開發(fā)需求，需要對現(xiàn)有的OSGi技術(shù)進行分布式擴展?，F(xiàn)有的OSGi分布式擴展功能主要包括遠(yuǎn)程處理、容錯機制、自主計算以及實時開發(fā)。

2.2.2 遠(yuǎn)程處理 OSGi框架未區(qū)分本地服務(wù)和遠(yuǎn)程服務(wù)，遠(yuǎn)程OSGi(Remoting-OSGi，R-OSGi)[9]通過本地實例化Bundle，為運行中的遠(yuǎn)程服務(wù)生成透明的客戶端代理，支持遠(yuǎn)程OSGi應(yīng)用。在R-OSGi中，服務(wù)提供者無需為客戶端代理保留任何代碼，該方法尤其適用于運行在資源受限設(shè)備上的服務(wù)。通過采用動態(tài)服務(wù)代理、分布式的服務(wù)注冊、網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程故障的映射以及類型注入4個基本步驟，R-OSGi提供了透明的遠(yuǎn)程調(diào)用，實現(xiàn)了對現(xiàn)有OSGi的無縫嵌入，OSGi應(yīng)用無需修改即可被分發(fā)。

因即將作官而互相慶賀。多用于貶義。宋蘇洵《嘉祐集》八《管仲論》：“一日無仲，則三子者可以彈冠相慶矣?！比?，指豎刁、易牙、開方三人。參見“彈冠”。 〔2〕1409

2.2.3 容錯機制 OSGi應(yīng)用大多需要可靠性支持，通過容錯機制可增加系統(tǒng)的可靠性。容錯OSGi(Fault-Tolerance OSGi，F(xiàn)T-OSGi)[10]是一種基于可靠性和可用性的OSGi擴展。FT-OSGi通過復(fù)制為基于OSGi的系統(tǒng)平臺提供冗余，增強了現(xiàn)有OSGi系統(tǒng)平臺的容錯性。其中，復(fù)制的方法包括基于主-備(Primary-backup)方式主動式復(fù)制和基于狀態(tài)-機器(State-machine)方式的被動式復(fù)制。

2.2.4 自主計算 由于OSGi具有動態(tài)性特征，組件可在任何時間被啟動和停止，因此難以確定其所提供服務(wù)在特定時刻的可用性?；贠SGi的系統(tǒng)開發(fā)支持熱部署，自主OSGi(Autonomic OSGi，A-OSGi)框架[11]利用OSGi平臺的優(yōu)勢，支持OSGi應(yīng)用的自主構(gòu)建。該框架提供多種補充機制，包括有提取部署B(yǎng)undle性能指標(biāo)的能力、服務(wù)綁定的精確控制機制和運行時的信息收集機制、允許管理員定義OSGi應(yīng)用的自主行為等。

2.2.5 實時開發(fā) OSGi框架是基于標(biāo)準(zhǔn)的Java，而標(biāo)準(zhǔn)Java不適合開發(fā)實時系統(tǒng)。將OSGi框架擴展與Java實時規(guī)范(Real-Time Specification for Java，RTSJ)相結(jié)合，可設(shè)計OSGi框架的實時規(guī)范框架RT-OSGi[12]，以支持可重構(gòu)Java實時應(yīng)用的動態(tài)部署。RT-OSGi應(yīng)用可被重構(gòu)，即在維持應(yīng)用有效性的同時，可增加新的實時組件以及更新或者移除當(dāng)前部署的組件，從而滿足應(yīng)用的高可用性要求。

2.3 實現(xiàn)框架

OSGi規(guī)范通過基礎(chǔ)框架進行實現(xiàn)，主要實現(xiàn)框架包括Apache Felix、Eclipse Equinox、Spring DM以及Knopflerfish。其中，F(xiàn)elix所提供的服務(wù)最為全面，Equinox與Eclipse緊密結(jié)合，Spring DM可用于實現(xiàn)OSGi框架下基于Spring架構(gòu)的應(yīng)用，Knopflerfish是標(biāo)準(zhǔn)的OSGi實現(xiàn)框架，但是其發(fā)展較為緩慢。目前，F(xiàn)elix和Equinox已作為成熟的OSGi實現(xiàn)框架得到了廣泛應(yīng)用。此外，Apache和Eclipse還針對分布式OSGi擴展分別提出了Apache CXF和Eclipse ECF的參考實現(xiàn)框架。通過與這些框架技術(shù)結(jié)合，可將應(yīng)用程序劃分為多個模塊單元，從而易于管理模塊間的交叉依賴關(guān)系。

2.4 技術(shù)特點

2.4.1 技術(shù)概述 OSGi發(fā)展至今，已得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可，這與其所具有的技術(shù)優(yōu)勢密不可分。OSGi的主要技術(shù)特點包括模塊化、動態(tài)性、可擴展能力、可復(fù)用性、可管性以及安全性，見圖2。

圖2 OSGi技術(shù)特點

2.4.2 OSGi特點 OSGi描述了一個實現(xiàn)動態(tài)組件模型的Java模塊化系統(tǒng)和服務(wù)平臺，其模塊化特點減少了軟件的復(fù)雜度；且支持熱插拔，無需停機重啟，即可進行代碼生命周期的動態(tài)管理，包括遠(yuǎn)程安裝、啟動、停止、更新和卸載以Bundle形式進行部署的應(yīng)用或組件。OSGi支持細(xì)粒度、模塊級的動態(tài)擴展，運行中的項目無需重新編譯，以Bundle形式實現(xiàn)的新增功能即可生效?，F(xiàn)有OSGi規(guī)范通過分布式擴展，更適用于基于Java的企業(yè)級應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。此外，OSGi框架具有較好的可復(fù)用性，每個Bundle都是獨立的可復(fù)用單元，有利于構(gòu)建面向接口的應(yīng)用程序架構(gòu)。OSGi還支持對Bundle和應(yīng)用的管理，包括包和Bundle的版本控制以及Bundle的配置、激活和部署等。與此同時，OSGi提供可擴展的安全模型，Java安全機制為該模型提供了基礎(chǔ)。通過安全策略、權(quán)限管理和簽名機制等，提供安全性保證。

3 典型應(yīng)用

3.1 醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)

3.1.1 輔助改善生活環(huán)境 大多數(shù)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備由于缺少對開放性和互操作性的支持，應(yīng)用于更為廣泛的醫(yī)療信息系統(tǒng)時受到限制。普適健康醫(yī)療(Pervasive Healthcare)可推動預(yù)防醫(yī)學(xué)的發(fā)展，輔助改善生活環(huán)境(Ambient Assisted Living，AAL)[13]是普適健康醫(yī)療的一個代表。AAL設(shè)想了一個為居民提供適當(dāng)監(jiān)測和支持能力的理想家庭環(huán)境，在該環(huán)境中，分散部署在家里的嵌入式傳感器可持續(xù)監(jiān)測居民的行為和環(huán)境的變化，老年人可長期獲得所有涉及個人、健康、社會和財務(wù)等方面的福利。隨著人口健康和社會老齡化的發(fā)展趨勢，采用OSGi為終端用戶設(shè)計服務(wù)接口是醫(yī)療保健服務(wù)領(lǐng)域的一個研究方向。目前，可實現(xiàn)基于OSGi的住院治療、監(jiān)控以及私人訓(xùn)練等醫(yī)療保健服務(wù)平臺。

3.1.2 SIXTH SIXTH[14-15]是一個基于OSGi框架的模塊化可擴展傳感器中間件，提供泛在感知的個人健康監(jiān)測功能，由都柏林大學(xué)的CLARITY研究中心開發(fā)，旨在通過提取感知設(shè)備的連接細(xì)節(jié)，提供統(tǒng)一的感知資源的接口。SIXTH支持異構(gòu)數(shù)據(jù)源，且是開放的，允許功能組件的置換，例如，數(shù)據(jù)分發(fā)策略可置換為滿足應(yīng)用需求的更為合適的解決方案。可擴展性是SIXTH的核心設(shè)計原則，通過OSGi可在運行時動態(tài)增加新功能。傳感適配器作為即插即用組件，實現(xiàn)到傳感器網(wǎng)絡(luò)的連接。

3.1.3 AALuis AALuis(AAL User Interfaces)項目[16]由AAL Joint Programme、BMVIT、Programm Benefit、BMBF和ZonMw共同發(fā)起，采用適合所有設(shè)計(Design-for-all)的原則，利用OSGi平臺的優(yōu)勢，為AAL提供豐富新穎的用戶接口，以便于老年人獲取和接受信息與通信技術(shù)(Information and Communication Technology，ICT)服務(wù)。由于服務(wù)可能采用不同類型的輸入和輸出設(shè)備或模式，該項目旨在已建成的基于OSGi的開放AAL中間件平臺之上，構(gòu)建服務(wù)、用戶接口和連接層，為終端用戶提供自由選擇服務(wù)和接口的功能，從而有利于老年用戶與各種服務(wù)之間的動態(tài)自適應(yīng)和個性化交互。AALuis用戶接口層保留各信息模式的變遷軌跡，以適應(yīng)從抽象任務(wù)描述到用戶接口的轉(zhuǎn)換過程，引導(dǎo)用戶以適當(dāng)?shù)姆绞竭M行交互?；贠SGi的AALuis層，服務(wù)提供者和用戶接口的開發(fā)者可通過標(biāo)準(zhǔn)的方式簡單集成新的或現(xiàn)有的解決方案，從而實現(xiàn)以用戶為中心的動態(tài)個性化服務(wù)體驗。

3.2 科技平臺建設(shè)

3.2.1 STKOS 利用OSGi可進行科研平臺建設(shè)，具有代表性的是科技知識組織系統(tǒng)(Science and Technology Knowledge Organization System，STKOS)的建設(shè)。STKOS的建立和完善需要多家單位相關(guān)人員的協(xié)同工作[17]，這些不同行業(yè)的專業(yè)人員所處地域較為分散。OSGi因其模塊化和組件式的系統(tǒng)開發(fā)優(yōu)勢，是分布式多用戶協(xié)同工作的STKOS建設(shè)的理想選擇，有利于消除相關(guān)科研人員協(xié)同工作過程中的時間和空間局限，加強不同科研單位之間的合作交流，提高科研平臺建設(shè)的質(zhì)量和效率。包括中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院以及中國科學(xué)院國家科學(xué)圖書館在內(nèi)的多家科研單位，已基于OSGi進行了STKOS相關(guān)平臺的設(shè)計、開發(fā)以及子系統(tǒng)的無縫集成，取得了較好的成效。

3.2.2 基于OSGi的STKOS建設(shè)案例 系統(tǒng)在開發(fā)、部署和應(yīng)用的各個不同階段，存在異地分布式開發(fā)、數(shù)據(jù)存取和共享、系統(tǒng)功能模塊的復(fù)用和集成以及工作流的管理等問題。針對這些問題，趙勝鋼等[18]將OSGi用于標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)存取接口和功能集成接口設(shè)計，基于OSGi數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了STKOS協(xié)同工作系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。鮮國建等[19]將OSGi用于STKOS知識服務(wù)應(yīng)用示范系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，提出了基于OSGi的系統(tǒng)體系架構(gòu)。針對不同參與單位獨立設(shè)計開發(fā)的各應(yīng)用示范子系統(tǒng)，完成了科技監(jiān)測知識服務(wù)示范等子系統(tǒng)的模塊化和組件式開發(fā)，實現(xiàn)了系統(tǒng)間的無縫集成和互操作，為相關(guān)信息資源和服務(wù)功能在各子系統(tǒng)間的廣泛共享和交互提供了便利。OSGi為該體系的設(shè)計和開發(fā)提供了規(guī)范化的應(yīng)用代碼結(jié)構(gòu)、靈活的動態(tài)應(yīng)用部署以及完善的安全性保證。錢力等[20]將OSGi用于科技情報分析的工具集成服務(wù)，提出了相應(yīng)的集成服務(wù)體系框架，設(shè)計了基于模塊化動態(tài)管理的集成服務(wù)平臺，將其用于世界科技發(fā)展態(tài)勢的監(jiān)測分析。其中，業(yè)務(wù)邏輯處理服務(wù)作為集成服務(wù)體系的核心層，承載著實際業(yè)務(wù)功能、算法和數(shù)據(jù)庫服務(wù)等插件構(gòu)建任務(wù)。所設(shè)計集成服務(wù)平臺實現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源與業(yè)務(wù)邏輯之間的物理隔離，通過OSGi的生命周期管理，新分析工具的部署無需影響其他服務(wù)。目前，國家“十二五”科技支撐計劃項目課題“科技知識組織體系共享服務(wù)平臺建設(shè)”的子課題3“科技知識組織體系(STKOS)相關(guān)工具集成服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)”已成功將OSGi用于基于插件的知識組織工具集成系統(tǒng)建設(shè)，提出了工具集成框架和組件建設(shè)、STKOS各課題組提交知識組織工具等的規(guī)范要求。通過將知識組織工具封裝為可控、可管的模塊化可擴展插件，實現(xiàn)了各課題組間知識組織工具的共用和共享，有效提升了科研工作效率。

3.3 遠(yuǎn)程信息處理

3.3.1 Android/OSGi 將Android與OSGi框架相結(jié)合是基于云的遠(yuǎn)程信息處理的一個研究方向。車載Android/OSGi平臺[21]綜合了OSGi和Android兩個平臺的優(yōu)勢，具有遠(yuǎn)程管理、豐富的類共享、特有的車輛應(yīng)用、安全策略、便捷的API管理以及開放的環(huán)境等優(yōu)點。將云計算機制與Android/OSGi平臺相結(jié)合，允許提供者向存儲云上傳其遠(yuǎn)程信息處理的Bundle。Android/OSGi平臺的管理代理通過使用遠(yuǎn)程存儲云，可同步更新其應(yīng)用服務(wù)模塊。隨著移動設(shè)備的智能化發(fā)展，有必要將智能技術(shù)用于車輛管理領(lǐng)域。采用OSGi框架，基于Android的遠(yuǎn)程調(diào)用車輛服務(wù)(Android-based Remote Call Vehicle Service，ARC-VS)[22]為車輛管理提供開放接口支持。通過移動設(shè)備產(chǎn)生調(diào)用，完成基于OSGi的無人車輛的Android遠(yuǎn)程調(diào)用車輛服務(wù)，從而實現(xiàn)了支持移動設(shè)備的Android應(yīng)用。

3.3.2 移動云計算OSGi 與傳統(tǒng)的以互聯(lián)網(wǎng)為中心的云服務(wù)模型相比，動態(tài)分布式服務(wù)環(huán)境中的移動服務(wù)管理較為復(fù)雜。移動云計算OSGi(Mobile Cloud Computing-OSGi，MCC-OSGi)[23]是一個基于OSGi的移動云服務(wù)模型，為移動設(shè)備提供動態(tài)有效的遠(yuǎn)程信息服務(wù)和資源接口。該方案采用OSGi和Android軟件開發(fā)平臺相結(jié)合的方式，將OSGi的Bundle作為基本的移動云服務(wù)組件，在云端和移動設(shè)備上構(gòu)建R-OSGi。通過整合支持服務(wù)發(fā)現(xiàn)、選擇和開發(fā)的R-OSGi組件，在移動云計算環(huán)境中搭建以服務(wù)為導(dǎo)向的OSGi體系架構(gòu)。所構(gòu)建的Bundle在基于Android的移動設(shè)備和云虛擬機上均能運行，且在不同平臺間的轉(zhuǎn)換和運行無兼容性問題。該方案驗證了通過優(yōu)化遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用，OSGi可改善云服務(wù)，且R-OSGi支持平臺即服務(wù)(Platform as a Service，PaaS)移動云的動態(tài)服務(wù)調(diào)用。

4 結(jié)語

OSGi在模塊化、動態(tài)性、可擴展能力、可復(fù)用性和可管性等方面為基于Java的分布式系統(tǒng)開發(fā)提供了條件，其規(guī)范了Java應(yīng)用程序的代碼結(jié)構(gòu)，節(jié)約了系統(tǒng)開發(fā)的時間，特別是由于動態(tài)模塊化特征，OSGi已吸引了眾多企業(yè)和大批科學(xué)研究工作者的重視。根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)中不斷更新的需求，OSGi規(guī)范及其技術(shù)范疇也在不斷擴展，目前的主要方向有遠(yuǎn)程處理、容錯機制、自主計算和實時開發(fā)。基于OSGi架構(gòu)的系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用案例層出不窮，較成熟的應(yīng)用領(lǐng)域有醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)、科研平臺建設(shè)和遠(yuǎn)程信息處理。研究表明，基于模塊化和組件式系統(tǒng)開發(fā)優(yōu)勢，OSGi可用于以服務(wù)為導(dǎo)向的醫(yī)療衛(wèi)生和分布式多用戶協(xié)同工作的科研平臺建設(shè)，與此同時，將Android與OSGi框架相結(jié)合也是基于云的遠(yuǎn)程信息處理的方向。隨著OSGi分布式擴展研究的深入以及新技術(shù)的涌現(xiàn)，OSGi將得到更大規(guī)模的推廣及應(yīng)用，特別是在以服務(wù)為導(dǎo)向的現(xiàn)代信息應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中將發(fā)揮出其更大的優(yōu)勢。

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敬告作者

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《醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志》編輯部

OSGi Key Technology and the Applying Research

HUJia-hui,WUSi-zhu,Fang

An，InstituteofMedicalInformation，ChineseAcademyofMedicalSciences,Beijing100020,China

The paper summarizes and shares the current key technology of OSGi including the hierarchical model, the extended function, the realization framework and the technical features. It illustrates OSGi's special advantages in service-oriented development of the modern information application system by giving examples and combining the three typical application fields, namely medical and health service, scientific research platform construction and remote information processing.

OSGi；Bundle；Modular；Service-oriented；Java

2015-04-07

胡佳慧，博士，助理研究員，發(fā)表論文10篇;通訊作者:方安 。

國家“十二五”科技支撐計劃項目課題“科技知識組織體系共享服務(wù)平臺建設(shè)”(項目編號：2011BAH10B03)和其子課題3“科技知識組織體系(STKOS)相關(guān)工具集成服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)”(項目編號：2011BAH10B03-1)。

R-058

A 〔DOI〕10.3969/j.issn.1673-6036.2015.08.011