帶可信屬性的軟件體系結(jié)構(gòu)及其演化描述方法

姜火文，曾國(guó)蓀，熊煥亮，3

（1.江西科技師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，江西 南昌330038；2.同濟(jì)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，上海201804；3.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院，江西 南昌330045）

0 引 言

軟件體系結(jié)構(gòu) （software architecture，SA）演化主要涉及軟件系統(tǒng)中構(gòu)件或連接件的增加、刪除、替換，以及構(gòu)件聯(lián)系和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等的改變［1－4］。體系結(jié)構(gòu)及其演化過(guò)程的描述始終是SA演化研究的重點(diǎn)。文獻(xiàn)［5－8］用不同的體系結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言ADL （architecture description language）描述SA的組成及演化操作，具有形式化、描述精確等優(yōu)點(diǎn)，但大多數(shù)ADL主要用于描述SA的規(guī)范，以及側(cè)重分析SA 演化的某一方面，在整體上刻畫(huà)SA 演化方面還存在一些不足［9］；文獻(xiàn) ［10，11］采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML（unified modeling language）描述或分析SA演化，具有圖形化、直觀、易理解等優(yōu)點(diǎn)，而UML主要是一種面向?qū)ο蟮慕ＵZ(yǔ)言，更適合SA模型的描述，缺乏形式化語(yǔ)義，難以精確刻畫(huà)SA演化的特性［12］；文獻(xiàn) ［13－15］的研究均用圖描述SA，對(duì)圖的使用，各自賦予了不同涵義，但研究沒(méi)有討論基于構(gòu)件增、刪等基本操作的SA 演化過(guò)程，也沒(méi)有涉及軟件的可信特性；文獻(xiàn)［4，16］研究了基于超圖文法的SA動(dòng)態(tài)演化，但沒(méi)有考慮軟件的可信要求；文獻(xiàn) ［17］研究了一種支持軟件可信演化的構(gòu)件模型，側(cè)重研究提高構(gòu)件的環(huán)境感知與適應(yīng)能力，來(lái)保證可信演化，但沒(méi)有提取并表達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)件可信屬性，也沒(méi)有具體研究帶可信屬性表達(dá)的SA的演化過(guò)程。

可見(jiàn)，盡管有多種SA 及其演化的描述方法，但很少有表示構(gòu)件可信屬性，缺少對(duì)帶構(gòu)件可信屬性SA 演化的描述。本文提出類E－R圖描述方法，支持描述考慮可信屬性的SA演化，對(duì)帶可信屬性的SA 建立類E－R圖表示，并給出其形式化描繪，刻畫(huà)構(gòu)件和連接件的增加、刪除、替換操作，最后通過(guò)一個(gè)演化實(shí)例，例證了該描述方法的有效性。

1 SA－T及其類E－R圖表示

1.1 帶可信屬性的SA （SA－T）

定義1 （軟件體系結(jié)構(gòu)SA）：一個(gè)軟件系統(tǒng)的SA 由構(gòu)成功能單元的構(gòu)件，連接構(gòu)件并建立構(gòu)件間交互的連接件，以及規(guī)范構(gòu)件和連接件之間連接配置和相關(guān)拓?fù)湟蟮募s束。SA可以表示為一個(gè)3元組SA ＝（Cp，Cj，Cr），其中，Cp表示構(gòu)件集合；Cj表示連接件集合，Cr表示約束集合。

需要指出，對(duì)SA，迄今為止并沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的定義，本文所給定義參考了文獻(xiàn) ［4］中的概念。這里，構(gòu)件（component）指具有一定功能的軟件實(shí)體，可以是體現(xiàn)為一組代碼的程序模塊；也可以是獨(dú)立的一個(gè)程序。連接件（connector）在構(gòu)件之間起連接作用，定義了構(gòu)件間的交互，如過(guò)程調(diào)用、管道等都可以被看成連接件。約束（constraint）指某些限制 （constrain），用來(lái)確定如構(gòu)件是否連接正確、端口與角色是否匹配等，約束描述了軟件系統(tǒng)中構(gòu)件、連接件以及配置的相關(guān)要求［18］。

可信性是衡量軟件品質(zhì)量的重要屬性，軟件可信屬性主要包括功能完備性 （completeness）、行為一致性 （consistency）、質(zhì)量可靠性 （reliability）和程序安全性 （security）。功能完備性指軟件能多大程度上實(shí)現(xiàn)其預(yù)先設(shè)計(jì)的功能，并滿足用戶需求；行為一致性指軟件在運(yùn)行過(guò)程中，前后系統(tǒng)行為不引起操作沖突、表現(xiàn)為運(yùn)行中系統(tǒng)維持操作不矛盾的能力；質(zhì)量可靠性指系統(tǒng)面對(duì)應(yīng)用或者錯(cuò)誤，在意外或者錯(cuò)誤使用的情況下維持功能特性的能力；程序安全性指系統(tǒng)向合法用戶提供服務(wù)的同時(shí)，能夠阻止非授權(quán)用戶使用或者拒絕服務(wù)的能力。以上4個(gè)屬性綜合體現(xiàn)了軟件的可信性，構(gòu)成軟件可信的特征空間，其中每個(gè)屬性實(shí)質(zhì)是一個(gè)信任證據(jù)向量，如質(zhì)量可靠性包括平均可用時(shí)間、平均無(wú)故障時(shí)間、平均故障恢復(fù)時(shí)間等信任證據(jù)。

定義2 （構(gòu)件的可信屬性）：指反映構(gòu)件的質(zhì)量與性能等方面可信特性的屬性集，即功能完備性、行為一致性、質(zhì)量可靠性和程序安全性等。

構(gòu)件是軟件的功能組成單位，是構(gòu)成SA 并研究其演化過(guò)程的主要載體，軟件可信屬性通過(guò)各個(gè)構(gòu)件的可信屬性體現(xiàn)。構(gòu)件可信屬性可以用基于觀測(cè)邏輯的狀態(tài)自動(dòng)機(jī)、接口協(xié)議狀態(tài)機(jī)和契約自動(dòng)機(jī)等方法分析、評(píng)估，根據(jù)多個(gè)信任證據(jù)向量來(lái)源，綜合判斷構(gòu)件的可信度。SA 演化前后，根據(jù)可信度與設(shè)定閾值的比較，可分別決定演化是否進(jìn)行、演化能否被接受。

定義3 （帶可信屬性的SA，SA－T）：指在SA表示及演化過(guò)程描述中，包含有功能完備性、行為一致性、質(zhì)量可靠性和程序安全性，這4個(gè)構(gòu)件可信屬性表達(dá)的SA。即Software Architecture with Trusted Attributes，本文簡(jiǎn)稱SA－T。

SA－T 的表示及演化描述是SA 可信演化研究的必要基礎(chǔ)，其意義表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是演化前的可信性評(píng)估，可用于控制演化是否進(jìn)行，當(dāng)評(píng)估的可信度大于設(shè)定的閾值被認(rèn)為是可信的，可信構(gòu)件才允許進(jìn)行演化，不可信構(gòu)件的演化將蘊(yùn)含風(fēng)險(xiǎn)，禁止演化。二是演化后的可信度驗(yàn)證，可用于監(jiān)控演化效果，方便系統(tǒng)決定是否接受該演化，或改變演化策略。本文研究在于提出一種描述方法，刻畫(huà)包含構(gòu)件可信屬性表示的SA 及其演化過(guò)程。進(jìn)一步地，對(duì)構(gòu)件可信屬性特征值的感知、評(píng)估與驗(yàn)證等技術(shù)，將在后續(xù)論文中展開(kāi)討論。

1.2 SA－T的類E－R圖表示

在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常用到E－R圖 （entity relationship diagram）也稱實(shí)體－關(guān)系圖。在E－R圖中有4個(gè)成分：矩形框，表示實(shí)體，框中記入實(shí)體名；菱形框，表示聯(lián)系，框中記入聯(lián)系名；橢圓形框，表示實(shí)體或聯(lián)系的屬性，框中記入屬性名；連線，連接實(shí)體與聯(lián)系之間、實(shí)體與屬性之間和聯(lián)系與屬性之間的直線，直線上標(biāo)注聯(lián)系的類型，如：一對(duì)多聯(lián)系，在連線一的一方寫(xiě)1，多的一方寫(xiě)N。本文引入E－R圖形，對(duì)其4種成分賦予新的表達(dá)涵義，矩形框表示構(gòu)件、菱形框表示連接件、橢圓形框表示構(gòu)件可信屬性、帶標(biāo)注記號(hào)的連線表示構(gòu)件與連接件之間存在的相互關(guān)系，稱為 “類E－R圖”，用于表示帶可信屬性的軟件體系結(jié)構(gòu)。

圖1 為類E－R 圖表示的一個(gè)SA－T 實(shí)例，其中包含3個(gè)構(gòu)件：Client、Webserver 和DBMS，每個(gè)構(gòu)件附帶功能完備性、行為一致性、質(zhì)量可靠性和程序安全性這4個(gè)可信屬性；2個(gè)連接件：C－W Connector 和W－D Connector；4條帶標(biāo)記的邊 （簡(jiǎn)稱標(biāo)記邊）：連接各構(gòu)件和連接件，表示相應(yīng)構(gòu)件和連接件之間的交互關(guān)系，其中邊上面的標(biāo)記表示構(gòu)件傳遞給連接件的消息、邊下面的標(biāo)記表示連接件傳遞給構(gòu)件的消息，如：Rclient、Rwebserver、ADBMS、RC－W分別表示客戶請(qǐng)求、Web服務(wù)器請(qǐng)求、數(shù)據(jù)庫(kù)管理器響應(yīng)和Web服務(wù)器響應(yīng)等構(gòu)件與連接件的交互關(guān)系。

圖1 Client／Webserver系統(tǒng)SA－T 的類E－R

類E－R圖可直觀地表示SA－T 的結(jié)構(gòu)組成，還可以描述SA－T 的可觀交互行為。SA－T 的可觀行為是指軟件系統(tǒng)中構(gòu)件與連接件之間外部可見(jiàn)的交互序列，例如構(gòu)件間通信時(shí)發(fā)生的交互動(dòng)作序列［7］。如圖1 中所示，客戶Client發(fā)出查詢請(qǐng)求Rclient，連接件C－W Connector 收到該服務(wù)請(qǐng)求后，封裝成RC－W、傳送給Web服務(wù)器Webserver，Webserver 響應(yīng)請(qǐng)求、轉(zhuǎn)而發(fā)請(qǐng)求Rwebserver給連接件W－D Connector，經(jīng)W－D Connector 向后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)DBMS 發(fā)查詢請(qǐng)求RW－D，DBMS 響應(yīng)請(qǐng)求、發(fā)響應(yīng)信號(hào)ADBMS給W－D Connector，經(jīng)W－D Connector 封裝、轉(zhuǎn)發(fā)AW－D回應(yīng)給Webserver，Webserver 再將響應(yīng)消息AWebserver回復(fù)給CW Connector，再經(jīng)C－W Connector 檢查封裝、最后將響應(yīng)消息AC－W發(fā)給Client，完成一次完整的信息交戶過(guò)程。從圖1中抽離出該部分SA 可觀行為序列，可以表示為

2 SA－T基本演化操作的類E－R圖描述

SA－T 演化過(guò)程主要通過(guò)構(gòu)件或連接件的增加、刪除、替換等基本操作實(shí)現(xiàn)，研究SA－T 演化過(guò)程必須考慮體系結(jié)構(gòu)的表示和演化操作的描述。如引言所述，研究者分別采用了ADL、UML、圖或超圖等作為描述工具，通過(guò)建立相關(guān)的形式語(yǔ)義或超圖文法建模SA 演化過(guò)程，各有優(yōu)勢(shì)與缺陷。本文選用類E－R 圖及其形式化的描述方法，可以更直觀、簡(jiǎn)便地描述SA－T 及其基本演化過(guò)程。為方便對(duì)類E－R圖表示的SA－T 演化操作進(jìn)行形式化描述，下面先建立SA－T 圖及其形式化描述的概念。

2.1 SA－T圖及其形式化描述

定義4 （SA－T 圖）：利用類E－R 圖表示的一個(gè)帶可信屬性的軟件體系結(jié)構(gòu)圖，稱之為SA－T 圖，可以表示為一個(gè)五元組GSA＝（VSA，ESA，ecp，ecn，ARSA）。

例如上文圖1即為一個(gè)SA－T 圖。在SA－T 圖的五元組GSA＝（VSA，ESA，ecp，ecn，ARSA）中，VSA是圖中節(jié)點(diǎn)集合，表示SA－T 中所有構(gòu)件或連接件，即VSA＝（Cp，Cj），Cp是構(gòu)件集合、Cj是連接件集合；ESA是標(biāo)記邊集合，表示SA 中構(gòu)件與連接件之間的交互關(guān)系 （即可以表示兩者間的通信端口）；ecp和ecn均為VSA上的映射關(guān)系，分別是連接件和構(gòu)件的入節(jié)點(diǎn)映射，表示構(gòu)件與連接件之間的交互關(guān)系，其中，ecp：Cp→Cj，表示構(gòu)件到連接件的消息輸入，標(biāo)記在連接邊的上方，ecn：Cj→Cp，表示連接件到構(gòu)件的消息輸入，標(biāo)記在連接邊的下方；ARSA表示軟件構(gòu)件的可信屬性集合，由Completeness、Consistency、Reliability和Security這4個(gè)構(gòu)件的可信屬性組成。

在SA－T 圖中，具體的構(gòu)件ci、連接件cni可以分別用一元關(guān)系Cp（ci）和Cj（cni）表示；ci和cni的連接關(guān)系，即兩者的連接邊ei可以用二元關(guān)系ei（ci，cni）表示；構(gòu)件與連接件的交互關(guān)系，即消息傳遞關(guān)系ecp，ecn可以分別用一元關(guān)系cp（ei）和cn（ei）表示，cp（ei）表示對(duì)應(yīng)邊ei上，由構(gòu)件ci輸出到連接件cni的消息，cn（ei）表示反方向的、由cni輸往ci的消息流。

SA－T 演 化 可 以 表 示 為SA－T 圖 的 變 換?；?于SA－T圖中各成分的一元或二元關(guān)系表示，可以很方便地利用集合并、差運(yùn)算來(lái)反映圖中各成分的增減，從而建立SA－T 圖變化的形式化描述，方便刻畫(huà)SA－T 的演化過(guò)程。增加、刪除或替換構(gòu)件／連接件的操作構(gòu)成SA－T 的基本演化，而諸如拆分或重組構(gòu)件／連接件等復(fù)雜演化，都能由一些基本演化操作組合而成。下面針對(duì)SA－T 圖，分別給出其構(gòu)件和連接件的增加、刪除和替換演化的類E－R 圖描述。

2.2 SA－T演化的類E－R圖描述

軟件體系結(jié)構(gòu)演化包括構(gòu)件或連接件的增加、刪除基礎(chǔ)演化及替換、拆分、重組等復(fù)合演化。為方便討論，本節(jié)以增加、刪除和替換3個(gè)典型演化為例，給出SA－T 演化的類E－R圖描述方法。

2.2.1 增加構(gòu)件和連接件

假定G 為當(dāng)前SA－T 圖，增加一個(gè)構(gòu)件、連接件演化可以分別形式化描述為式 （1）、式 （2）

其中，式 （1）中Cp（ci）表示構(gòu)件ci；e1（ci－G（cn1））表示構(gòu)件ci與SA 圖G 中某連接件cn1的連接，該連接邊可能不止一條，即某構(gòu)件可能分別通過(guò)多個(gè)連接件與多個(gè)其它構(gòu)件建立聯(lián)系；cp（e1），cn（e1）表示對(duì)應(yīng)邊e1上構(gòu)件與連接件的交互關(guān)系，分別代表構(gòu)件ci的輸出與輸入方向消息流；ARci（Completeness），…，ARci（Security）表示構(gòu)件ci附帶的可信屬性。式 （2）中，Cj（cni）表示連接件cni，e1（cni－G（c1））表示連接件cni與SA圖G中某構(gòu)件c1的連接，該連接邊也可能不止一條，即該連接件可能互聯(lián)了兩個(gè)構(gòu)件；cp（e1），cn （e1）分別表示對(duì)應(yīng)邊e1上的交互關(guān)系。圖2為增加一個(gè)構(gòu)件／連接件演化操作的類E－R圖表示。

2.2.2 刪除構(gòu)件和連接件

刪除一個(gè)構(gòu)件、連接件的演化操作可以分別形式化描述為式 （3）、式 （4）

圖3用類E－R圖表示了刪除一個(gè)構(gòu)件／連接件的操作。

2.2.3 替換構(gòu)件和連接件

替換一個(gè)構(gòu)件、連接件演化操作可以分別形式化描述為式 （5）、式 （6）

圖4為類E－R圖表示的一個(gè)構(gòu)件／連接件的替換操作。

圖2 增加一個(gè)構(gòu)件／連接件的操作

圖3 刪除一個(gè)構(gòu)件／連接件的操作

圖4 替換一個(gè)構(gòu)件／連接件的操作

3 SA－T演化描述實(shí)例

為進(jìn)一步說(shuō)明SA－T 演化過(guò)程的類E－R 圖及其形式化描述方法，這里通過(guò)一個(gè)基于web的電子商務(wù)系統(tǒng)的演化實(shí)例說(shuō)明。該系統(tǒng)包含3 類構(gòu)件：web客戶、web服務(wù)器和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，兩類連接件：web 客戶與web服務(wù)器間的連接件 （簡(jiǎn)稱web連接件）和web服務(wù)器與SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器間的連接件 （簡(jiǎn)稱SQL 連接件）。Web客戶通過(guò)web連接件向web服務(wù)器發(fā)出查詢請(qǐng)求，web服務(wù)器再通過(guò)SQL連接件向SQL Server發(fā)出訪問(wèn)數(shù)據(jù)信息，SQL Server完成操作、將響應(yīng)信號(hào)通過(guò)SQL 連接件發(fā)回給web服務(wù)器，web服務(wù)器再通過(guò)web連接件將信息發(fā)回給對(duì)應(yīng)的客戶，完成一次用戶訪問(wèn)操作。該系統(tǒng)的SA如圖5所示，其中3個(gè)矩形框WebClient、WebServer 和SQLServer分別表示web客戶、web服務(wù)器和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，連接它們的4個(gè)橢圓框Completeness、Consistency、Security和Reliability分別表示各自的可信屬性；兩個(gè)菱形框WebConnector和SqlConnector分別表示web連接件和SQL連接件；RWClient、AWCon、RWebS、…分別表示web客戶請(qǐng)求、對(duì)web客戶的響應(yīng)、web服務(wù)器請(qǐng)求、…等。

圖5 系統(tǒng)初始SA－T

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)終端技術(shù)的發(fā)展，使移動(dòng)電子商務(wù)成為可能與趨勢(shì)，為了適應(yīng)該發(fā)展需求，系統(tǒng)需要相應(yīng)改變，即進(jìn)行演化。假定改變辦法是：①改用功能更強(qiáng)的新服務(wù)器 “WMServer”取代原web服務(wù)器，新服務(wù)器既支持原web服務(wù)器的功能又支持移動(dòng)電子商務(wù)功能，即利用上述演化式 （5）進(jìn)行構(gòu)件替換操作。②新增移動(dòng)連接件和移動(dòng)客戶，以體現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)用戶電子商務(wù)需求的支持，即分別利用上述演化式 （2）和式 （1）進(jìn)行添加連接件和添加構(gòu)件的演化操作。圖6為按此辦法演化后系統(tǒng)的SA－T。

圖6 增加移動(dòng)電子商務(wù)功能后系統(tǒng)的SA－T

將上文中的圖5標(biāo)記為G1，圖6標(biāo)記為G′1。則G1到G′1的變換表示了對(duì)原電子商務(wù)系統(tǒng)增加移動(dòng)電子商務(wù)功能的演化過(guò)程，可描述為

4 結(jié)束語(yǔ)

軟件演化已成為軟件的一種存在形式，軟件只有通過(guò)演化才能維持它的可用性。體系結(jié)構(gòu)演化從更高抽象層次反映了軟件演化，是研究與實(shí)現(xiàn)軟件演化的重要手段。目前，軟件可信演化正成為軟件演化研究的一個(gè)重要方面，而SA 可信演化則是研究軟件可信演化的主要途徑。研究SA 可信演化，一般要考慮SA－T 的表示及其演化描述。本文提出的類E－R 圖描述方法，既有圖的形式化理論基礎(chǔ)，又有類E－R 圖形化的簡(jiǎn)潔形象，能準(zhǔn)確直觀地描述SA－T及其演化過(guò)程。論文工作為深入研究SA 可信演化奠定了基礎(chǔ)，后續(xù)我們將研究SA－T 演化前后構(gòu)件可信屬性特征值的感知、分析與驗(yàn)證，SA 行為語(yǔ)義演化的描述等。

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