基于自主研發(fā)的軟件框架在地震應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的研究和應(yīng)用*

段洪杰，楊黎薇，段 然，劉瓊仙，崔建文

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.中國(guó)電信翼支付，上海 200000)

0 引言

軟件框架是應(yīng)用系統(tǒng)的核心骨架，其應(yīng)用水平?jīng)Q定了應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的質(zhì)量(周曉翠等，2016；周偉良，2012；袁帥，2017)。

國(guó)際上，開(kāi)發(fā)者們正嘗試將各種軟件框架與不同新的編程思想相互融合，從而產(chǎn)出許多著名的編程思想及軟件框架。很多著名的開(kāi)源框架正在快速升級(jí)完善，有的框架已經(jīng)連續(xù)開(kāi)發(fā)了十多年，水平和層次步步提高，如Spring，Hibernate，EJB，SOAP，Open Stack，Struts等。而在國(guó)內(nèi)，大部分軟件開(kāi)發(fā)人員不愿投入精力去自主研發(fā)軟件框架，而是直接使用國(guó)外開(kāi)發(fā)的開(kāi)源框架，將其應(yīng)用到系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作中，軟件框架的自主研發(fā)水平與世界水平的距離逐漸拉大。國(guó)內(nèi)技術(shù)論壇上存在部分框架程序的代碼片段，但多數(shù)為娛樂(lè)性質(zhì)，實(shí)用性不大。少數(shù)的軟件科技公司擁有自己開(kāi)發(fā)并可以應(yīng)用的PHP框架，但是設(shè)計(jì)有短板。例如不同功能模塊的HTTP上POST和GET的入口點(diǎn)只有同一個(gè)page、把程序不相關(guān)邏輯的模塊捆綁一體、編程的可視化效果很差等。國(guó)內(nèi)地震行業(yè)中軟件框架存在兩種情況：一是簡(jiǎn)單的地球物理算法小程序編程，無(wú)需運(yùn)用軟件工程技術(shù)、軟件版本控制、設(shè)計(jì)模式理念以及考慮軟件框架；二是規(guī)模較大的地震應(yīng)用系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)仍然依托于國(guó)外流行的軟件框架開(kāi)發(fā)。

本文分析了缺乏自主框架技術(shù)造成的危害，并借鑒國(guó)外地震系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)模式，自主研發(fā)了軟件框架，并對(duì)自主研發(fā)框架的使用情況進(jìn)行了總結(jié)。

1 現(xiàn)有軟件研發(fā)存在的問(wèn)題

在開(kāi)發(fā)地震應(yīng)用系統(tǒng)的過(guò)程中，國(guó)外開(kāi)源的軟件框架得到了豐富的應(yīng)用，也取得了很多成果。但沒(méi)有基本框架的自主研發(fā)，會(huì)產(chǎn)生一系列嚴(yán)重的問(wèn)題：①存在隱性風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)有很多開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，例如單位保密系統(tǒng)、電子政務(wù)系統(tǒng)(OA)等(魏玉嬌，2017；高峻，2014；楊璇，2009)，就是采用國(guó)外開(kāi)源的框架，如果該框架隱匿了難以發(fā)現(xiàn)的后門漏洞，就有信息泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生國(guó)際糾紛，國(guó)外框架構(gòu)建者就可遠(yuǎn)程入侵或破壞(沈逸，2013；趙衍，2011)；②受制于人，存在使用局限性。就要遵守相應(yīng)限制規(guī)則，不僅軟件框架的開(kāi)發(fā)費(fèi)用會(huì)增多，應(yīng)用價(jià)值也會(huì)大大縮小。如果使用許可證帶有政治因素(開(kāi)源社區(qū)的軟件框架會(huì)受到美國(guó)的出口管制等)，還容易引起法律風(fēng)險(xiǎn)。③國(guó)外的軟件框架的開(kāi)發(fā)者若停止升級(jí)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)重大漏洞后無(wú)法挽救，將建立在該框架上的應(yīng)用系統(tǒng)置于不安全非穩(wěn)定狀態(tài)，甚至突然崩潰。例如由于開(kāi)發(fā)者在2010年停止升級(jí)WebWork2框架，致使使用該框架開(kāi)發(fā)的各種應(yīng)用系統(tǒng)面臨無(wú)補(bǔ)丁可打的難題(何華，2006)。④世界上流行的軟件框架并不是針對(duì)地震應(yīng)用系統(tǒng)去開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的?？蚣軟](méi)有專屬功能，就需要多種框架融合并行，將造成軟件框架龐大、功能重復(fù)、運(yùn)行效率低等問(wèn)題(楊萬(wàn)里，2016)，并且需要開(kāi)發(fā)人員長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)磨合才能熟練掌握。例如Struts為MVC模式(唐琳，2014)，但Spring帶有自身的MVC(薛峰等，2012)；Hibernate是數(shù)據(jù)庫(kù)通用接口層的實(shí)現(xiàn)(克里斯蒂安，2016)，但Spring也有自己的數(shù)據(jù)庫(kù)接口層；Spring自身的數(shù)據(jù)庫(kù)接口功能又弱于Hibernate；而Spring的AOP和IOC功能強(qiáng)大，又是開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的利器(翟劍錕，2013)。將Struts，Spring，Hibernate組合在一起使用非常有益，但是也產(chǎn)生了大量的冗余(林志燦，2018；張志鋒，2013；范新?tīng)N，2014)。⑤將不同類型的軟件框架強(qiáng)行捆綁，無(wú)法深入各框架的內(nèi)核銜接。這在性能、安全和穩(wěn)定性方面均是隱患。例如，Struts2軟件框架就出現(xiàn)了很多安全漏洞，而且多數(shù)都是高危、緊急的重大安全漏洞，詳見(jiàn)表1。

表1 2017—2018年3月Struts2框架的安全漏洞列表Tab.1 Security hole list of Strusts2 framewrok from 2017 to March 2018

注：表中數(shù)據(jù)來(lái)源于：https：//cwiki.apache.org/confluence/display/WW/Security+Bulletins(Apache Struts網(wǎng)站).

國(guó)外開(kāi)源軟件框架曾多次因安全漏洞問(wèn)題在中國(guó)導(dǎo)致大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)安全事件。如數(shù)量眾多的服務(wù)操作系統(tǒng)被破壞或被植入特洛伊木馬，大量重要的敏感數(shù)據(jù)外泄(呂志泉，賈子驍，2018)等。其中，大學(xué)、科研所、金融、保險(xiǎn)等行業(yè)網(wǎng)站屬于重災(zāi)區(qū)?！皣?guó)家信息安全漏洞共享平臺(tái)網(wǎng)站”的“綿羊墻”公開(kāi)查詢的資料顯示：在沒(méi)有出現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)安全事件的平靜期，僅2018年4月20日一天，國(guó)內(nèi)就有不少運(yùn)用系統(tǒng)或網(wǎng)站被入侵?？梢?jiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的安全是一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題，詳見(jiàn)表2。

表2 2018年4月20日公布在“綿羊墻”的被黑客入侵的應(yīng)用系統(tǒng)(公開(kāi)來(lái)源)Tab.2 The hacked application system released on Sheep Wall on April 20，2018(From public websites)

注：表中數(shù)據(jù)來(lái)源于：http：//www.cnvd.org.cn/sheepWall/list(國(guó)家信息安全漏洞共享平臺(tái)網(wǎng)站).

地震應(yīng)用系統(tǒng)在地震后要及時(shí)處理地震數(shù)據(jù)，承擔(dān)著重大的社會(huì)責(zé)任，出現(xiàn)安全漏洞、不穩(wěn)定、系統(tǒng)崩潰等問(wèn)題會(huì)造成不可挽回的損失。使用國(guó)外的開(kāi)源軟件框架，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性(王懷，2018)。因此，開(kāi)發(fā)具有自主研發(fā)的軟件框架，是非常重要和迫切的任務(wù)。

2 國(guó)內(nèi)外狀況

筆者分析了國(guó)內(nèi)一些地震應(yīng)用系統(tǒng)使用軟件框架的情況，見(jiàn)表3。將多種軟件框架整合到一起，不但會(huì)使應(yīng)用系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，還對(duì)開(kāi)發(fā)人員的專業(yè)能力有較高的要求。例如云南強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)烈度速報(bào)系統(tǒng)使用的Struts + Spring + Hibernate的流行開(kāi)源框架的組合(段洪杰等，2009)，需要配置一個(gè)管理Session會(huì)話的Servlet程序OpenSessionInViewFilter，以便啟動(dòng)服務(wù)時(shí)加載，還要配置ContextLoaderListener監(jiān)聽(tīng)等。

國(guó)際上地震行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)主要使用自主開(kāi)發(fā)的軟件框架，對(duì)第三方開(kāi)源軟件的依賴較少。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)開(kāi)發(fā)的ShakeMap 是一個(gè)震動(dòng)圖生成軟件，在世界上得到了廣泛的運(yùn)用。ShakeMap可繪制地震后儀器烈度的分布和嚴(yán)重程度，可以衡量受地震影響區(qū)域的范圍，確定哪些區(qū)域可能受到最大破壞，這些信息對(duì)地震救援的快速評(píng)估損失有重要意義。新版的ShakeMap4.0使用python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，使用自主設(shè)計(jì)的框架，減少了對(duì)開(kāi)源框架的依賴，不再使用ShakeMap3.5以前版本使用的開(kāi)源框架LWP，DBD(Perl語(yǔ)言)等。ShakeMap4.0的軟件框架的結(jié)構(gòu)和作用是：①數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、處理和渲染都在不同的計(jì)算單元中進(jìn)行；②處理序列在識(shí)別地震并決定產(chǎn)生震動(dòng)圖時(shí)，通過(guò)震動(dòng)組合模塊收集關(guān)于地震事件(起源和破裂參數(shù)，地震數(shù)據(jù)等)的可用信息，以及ShakeMap4.0的配置信息(其中包括關(guān)于事件的地震構(gòu)造模型和關(guān)于GMPE選擇的相關(guān)選擇的信息)，并生成HDF5格式的shake-data.hdf文件；③該文件被注入到消息傳遞系統(tǒng)中，生成各種周期的波譜和特定位置的地面震動(dòng)信息，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請(qǐng)求任何必需的震動(dòng)圖圖件數(shù)據(jù)，然后通過(guò)shake模塊，由shake-result.hdf渲染繪制出震動(dòng)圖圖件，通過(guò)消息傳遞系統(tǒng)或其他手段將其傳送到網(wǎng)站；④網(wǎng)站程序自動(dòng)為該地震事件創(chuàng)建“頁(yè)面”，震動(dòng)圖件在網(wǎng)站的緩存中緩沖，以提高網(wǎng)站響應(yīng)速度和圖片的顯示速度。ShakeMap4.0框架增加了穩(wěn)定性，減少了數(shù)據(jù)在模塊之間交互的復(fù)雜程度，具體如圖1所示。

表3 地震應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中使用的國(guó)外軟件框架Tab.3 Foreign software frameworks used in the development of seismic application systems

圖1 美國(guó)聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局(USGS)ShakeMap4.0軟件框架Fig.1 Software framework of USGS ShakeMap 4.0

亥姆霍茲中心波茨坦，GFZ德國(guó)地球科學(xué)研究中心開(kāi)發(fā)的SeisComP應(yīng)用系統(tǒng)，是全球運(yùn)用最廣泛的通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行地震數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的地震應(yīng)用系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議SeedLink成為了事實(shí)上的世界標(biāo)準(zhǔn)。SeisComP被設(shè)計(jì)為高標(biāo)準(zhǔn)的全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和(近)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理工具，包括質(zhì)量控制、事件檢測(cè)和位置以及事件警報(bào)的傳播，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了德國(guó)印度洋海嘯預(yù)警系統(tǒng)。SeisComP3使用自己的軟件框架，即SeisComP3軟件框架，由C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，其軟件框架的結(jié)構(gòu)和作用是：由一組獨(dú)立的應(yīng)用程序組成，每個(gè)應(yīng)用程序執(zhí)行一項(xiàng)離散任務(wù)，應(yīng)用程序之間的通信通過(guò)基于TCP / IP的消息傳遞系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該消息系統(tǒng)基于工具包Spread(開(kāi)源)，可在本地和廣域網(wǎng)上提供高性能消息服務(wù)。在Spread的頂部，通過(guò)scmaster負(fù)責(zé)處理非原生由Spread提供的其他SeisComP3需求。使用消息傳遞交換元數(shù)據(jù)(例如揀選)和配置信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊的協(xié)作，如圖2所示。

圖2 亥姆霍茲中心波茨坦，GFZ德國(guó)地球科學(xué)研究中心開(kāi)發(fā)的SeisComP3軟件框架Fig.2 SeisComP3 software framework of Helmholtz Centre Potsdam，GFZ German Research Centre for Geosciences

SeisComP3可將關(guān)鍵功能作為獨(dú)立模塊實(shí)施，以保證與其他功能的獨(dú)立性(例如選擇器，量級(jí)計(jì)算，交互式分析)；輕松實(shí)現(xiàn)自定義模塊，強(qiáng)化了硬件和軟件的獨(dú)立性；具備在不同的自動(dòng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的能力(分布式分發(fā)模塊)；提高了地震發(fā)生時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行速度，并增加了系統(tǒng)的可靠性。

綜上所述，國(guó)外的地震應(yīng)用系統(tǒng)主要針對(duì)地震業(yè)務(wù)的應(yīng)用特點(diǎn)自己設(shè)計(jì)框架，以消息控制器軟件模塊為主線，精練、高效。國(guó)內(nèi)的地震應(yīng)用系統(tǒng)主要依賴于國(guó)外的開(kāi)源軟件框架，缺乏自主研發(fā)。在軟件框架自主研發(fā)方面，國(guó)外地震行業(yè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地走在了國(guó)內(nèi)地震行業(yè)的前面。

3 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

國(guó)際上的計(jì)算機(jī)專家重視制定各種軟件開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，成立了一些計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)。各種軟件框架主要是實(shí)現(xiàn)其制定的最新軟件標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)實(shí)中，性能、易用性、兼容性等是放在第二位的。隨著軟件標(biāo)準(zhǔn)的快速更新，其軟件框架也不斷快速更新。由于軟件標(biāo)準(zhǔn)的前后差異，造成軟件框架功能龐雜、不穩(wěn)定、有些脫離實(shí)際應(yīng)用。因此要自主研發(fā)軟件框架，除了要吸收國(guó)際上通用的軟件框架和國(guó)際上地震行業(yè)軟件框架的優(yōu)點(diǎn)外，還要以實(shí)用為目標(biāo)。筆者在計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的選擇上考慮了python，Java，PHP三種編程語(yǔ)言：①Python語(yǔ)法簡(jiǎn)潔清晰，具有豐富和強(qiáng)大的庫(kù)，能夠把用其他語(yǔ)言制作的各種模塊輕松地聯(lián)結(jié)在一起，但考慮到Python各個(gè)版本之間的兼容性太差，未來(lái)升級(jí)Python版本時(shí)可能需要對(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成的軟件框架進(jìn)行修改，因此放棄Python。②Java曾經(jīng)用于開(kāi)發(fā)云南強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)烈度速報(bào)系統(tǒng)，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)Java操作系統(tǒng)底層的能力太弱。③為了增加系統(tǒng)底層控制能力，不得不另外使用PHP語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)底層。形成兩種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的底層混合編程，增加了復(fù)雜性。筆者根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)了2個(gè)自主設(shè)計(jì)框架的版本：一個(gè)是PHP版，專門用于需要對(duì)操作系統(tǒng)底層進(jìn)行操作控制的應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)(在Linux系統(tǒng)下，可以方便使用C Shell、管道命令等)；另一個(gè)是Java版，用于不需要對(duì)操作系統(tǒng)底層進(jìn)行操作控制，需要增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信能力的應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

設(shè)計(jì)自主的軟件框架時(shí)需考慮3點(diǎn)：一是盡量避免使用現(xiàn)有的流行國(guó)外軟件框架作為基礎(chǔ)框架，這樣才能擁有框架的自主性；二是使用消息做主線控制器模塊，以便適應(yīng)地震業(yè)務(wù)的特點(diǎn)；三是軟件框架要有通用性，除了應(yīng)用于地震系統(tǒng)外，還要可以運(yùn)用于不同行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。所以筆者自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了：面向方面編程的安全策略模塊Check，實(shí)現(xiàn)MVC(Action)設(shè)計(jì)模式的軟件模塊、Message消息主線控制器、Service業(yè)務(wù)邏輯層、DAO數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)模塊、Cache緩沖模塊。本軟件框架以實(shí)用為出發(fā)點(diǎn)，簡(jiǎn)單、高效、優(yōu)雅。PHP版命名為PSimple框架，而Java版命名為JSimple框架，兩個(gè)版本的框架結(jié)構(gòu)基本相同，軟件框架的模塊(包)，見(jiàn)表4。

PSimple 和JSimple 框架的結(jié)構(gòu)和作用是：在系統(tǒng)啟動(dòng)后調(diào)用init模塊進(jìn)行初始化。JSimple框架的初始化放在Servlet或構(gòu)造函數(shù)中，PSimple框架的初始化放在構(gòu)造方法中。初始化時(shí)開(kāi)辟3個(gè)緩沖區(qū)，分別是內(nèi)存緩沖、數(shù)據(jù)緩沖、網(wǎng)頁(yè)緩沖，并啟動(dòng)消息傳遞控制器(地震消息)處于待命狀態(tài)。各個(gè)MVC模塊的Action都可以與地震消息通信，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)Action的協(xié)同工作(地震發(fā)生后，監(jiān)測(cè)地震信息服務(wù)器的2個(gè)Action分別取到地震參數(shù)和強(qiáng)震數(shù)據(jù)，通過(guò)地震消息將數(shù)據(jù)傳到各個(gè)Action中，步調(diào)一致協(xié)同工作)。每個(gè)Action又將工作分解為MVC模式，數(shù)據(jù)放在模型(M)中，通過(guò)運(yùn)算流程(C)控制，如果Action有視圖(V)的話調(diào)用視圖層。在Action下增加一層業(yè)務(wù)邏輯層，專門用于存放數(shù)據(jù)計(jì)算處理的程序代碼。業(yè)務(wù)邏輯層之下再加一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)接口層(孟晨等2012)，專門用于程序與數(shù)據(jù)庫(kù)的聯(lián)結(jié)以及數(shù)據(jù)入庫(kù)、出庫(kù)等。數(shù)據(jù)緩沖接到數(shù)據(jù)庫(kù)接口中，用于提升數(shù)據(jù)庫(kù)查詢性能；網(wǎng)頁(yè)緩沖接入到MVC的視圖(V)層，用于增加網(wǎng)頁(yè)的打開(kāi)速度；內(nèi)存緩沖可以在軟件框架的任何地方調(diào)用，用于緩沖任何開(kāi)發(fā)人員需要緩沖的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)攔截模為一個(gè)自動(dòng)化模塊，在視圖層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出Action層，Action層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出業(yè)務(wù)邏輯層，業(yè)務(wù)邏輯層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出數(shù)據(jù)庫(kù)接口層時(shí)，成批處理數(shù)據(jù)賦值，大幅提高開(kāi)發(fā)效率(比如模型數(shù)據(jù)，不需要一一賦值每個(gè)數(shù)據(jù)屬性，只需要指定到模型即可)。另外，實(shí)現(xiàn)了SSO跨域的分布式單點(diǎn)登錄，便于將多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的用戶整合在一起(汪禺，2017)。該自主設(shè)計(jì)的軟件框架的通用性、靈活性好，便于系統(tǒng)維護(hù)、升級(jí)和擴(kuò)展，能運(yùn)行于UNIX系列的多種操作系統(tǒng)上(圖3)。

表4 基于自主研發(fā)的軟件框架PSimple，JSimple的主要框架模塊Tab.4 Framework modules of PSimple and JSimple based on independent development

圖3 自主研發(fā)的PSimple和JSimple軟件框架Fig.3 Self-developed PSimple and JSimple software framework

為了強(qiáng)化自主設(shè)計(jì)的軟件框架的安全性能，筆者專門設(shè)計(jì)了安全策略。自動(dòng)進(jìn)行入侵檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)方法是獲取Linux操作系統(tǒng)的進(jìn)程信息，自動(dòng)定時(shí)做快照和比對(duì)。發(fā)現(xiàn)有變化時(shí)給出警示，幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除特洛伊木馬(后門程序)。國(guó)外的軟件框架需要兼容全球不同國(guó)家的文字編碼，要在軟件模塊間傳遞特殊字符，容易形成unicode編碼漏洞和數(shù)據(jù)庫(kù)SQL注入漏洞。自主設(shè)計(jì)的軟件框架使用數(shù)據(jù)字典的設(shè)計(jì)方式，簡(jiǎn)化了軟件模塊之間復(fù)雜的信息傳遞。外界程序交互界面(Web等)與軟件模塊之間只允許傳遞阿拉伯?dāng)?shù)字和26個(gè)英文字母信息(包括數(shù)據(jù)字典的ID)，其它字符全部過(guò)濾掉，完全杜絕了unicode編碼漏洞和數(shù)據(jù)庫(kù)SQL注入漏洞。用自主軟件框架開(kāi)發(fā)出的應(yīng)用系統(tǒng)，要求以獨(dú)立的用戶身份運(yùn)行，進(jìn)行權(quán)限安全隔離(否則給出警示)，避免了權(quán)限提升漏洞，防止黑客獲得ROOT權(quán)限等。

4 應(yīng)用和優(yōu)化

4.1 自主框架的應(yīng)用

早期的云南強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)中心的烈度速報(bào)系統(tǒng)使用國(guó)外流行的開(kāi)源軟件框架開(kāi)發(fā)，主要由3個(gè)自行研發(fā)的分布式系統(tǒng)共同組成，并且使用了ShakeMap3.5的部分軟件模塊進(jìn)行渲染制圖。通過(guò)分布式系統(tǒng)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了云南烈度速報(bào)發(fā)布的全自動(dòng)化。由于沒(méi)有掌握國(guó)外軟件框架的設(shè)計(jì)技術(shù)，烈度速報(bào)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中存在國(guó)外軟件框架的常見(jiàn)的問(wèn)題和安全隱患，為系統(tǒng)的維護(hù)工作帶來(lái)了麻煩。因此，筆者使用自主研發(fā)的軟件框架PSimple和JSimple對(duì)烈度速報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)。主要升級(jí)了3個(gè)自主研發(fā)的分布式系統(tǒng)(圖4)：一是PHP控制中心子系統(tǒng)(PSimple框架)。系統(tǒng)啟動(dòng)后駐留在內(nèi)存中，(近)實(shí)時(shí)檢查云南強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)是不是收到新的強(qiáng)震數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)有新的強(qiáng)震數(shù)據(jù)，自動(dòng)解碼，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)；二是地震自動(dòng)響應(yīng)子系統(tǒng)(JSimple框架)。系統(tǒng)啟動(dòng)后駐留在內(nèi)存中，(近)時(shí)實(shí)檢查是否有地震速報(bào)信息，如果有地震發(fā)生，通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)組建虛擬強(qiáng)震臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)，獲取PHP控制中心子系統(tǒng)解碼后的強(qiáng)震臺(tái)站數(shù)據(jù)，計(jì)算出烈度數(shù)據(jù)后自動(dòng)調(diào)用烈度圖制圖子系統(tǒng)的部分軟件模塊進(jìn)行渲染制圖；三是HTML視覺(jué)發(fā)布網(wǎng)站系統(tǒng)(JSimple框架)。如果地震自動(dòng)響應(yīng)子系統(tǒng)產(chǎn)生震動(dòng)圖，則自動(dòng)將震動(dòng)圖傳到HTML視覺(jué)發(fā)布網(wǎng)站上，自動(dòng)顯示出來(lái)(圖4)。從圖4可以看出：PHP控制中心、地震自動(dòng)響應(yīng)和HTML視覺(jué)發(fā)布3個(gè)子系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)的是不同的功能，但都具有基本相同的軟件框架結(jié)構(gòu)，其中地震自動(dòng)響應(yīng)子系統(tǒng)駐留內(nèi)存運(yùn)行，沒(méi)有與用戶交互的可視化界面，所以MVC模型只使用了MC模式。

圖4 基于自主研發(fā)的軟件框架的烈度速報(bào)系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig.4 Architecture diagram of the intensity report system of software framework based on independent development

用自主研發(fā)的軟件框架升級(jí)后，減少了大量的冗余運(yùn)算代碼，構(gòu)架系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、運(yùn)行穩(wěn)定。且框架安全性較好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有黑客成功入侵的痕跡。同時(shí)，對(duì)漢化(震動(dòng)圖圖件)等底層的開(kāi)發(fā)工作有較好的幫助，有利于將軟件復(fù)雜性隱藏在框架底層(例如在框架內(nèi)部對(duì)漢字進(jìn)行硬編碼等)，提高了源程序代碼可讀性、便于維護(hù)性能。烈度速報(bào)系統(tǒng)升級(jí)后應(yīng)用效果良好，能夠在地震發(fā)生后的20 min內(nèi)自動(dòng)產(chǎn)出地震儀器烈度圖，及時(shí)將地震儀器烈度圖提交給應(yīng)急救災(zāi)相關(guān)部門。例如：2017年3月27日云南漾濞5.1級(jí)地震的地震儀器烈度圖的震中烈度與云南省地震局現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)布的震中烈度一致(VI度)(圖5)，且局部場(chǎng)地效應(yīng)明顯，對(duì)應(yīng)急救災(zāi)有較好的參考價(jià)值。

圖5 2017年3月27日云南漾濞5.1級(jí)地震儀器烈度圖Fig.5 Instrumental intensity diagram for the Yunnan Yangbi M5.1 earthquake occurred on March 27，2017

烈度速報(bào)系統(tǒng)是一個(gè)全自動(dòng)系統(tǒng)，由實(shí)際地震的信息觸發(fā)，自動(dòng)產(chǎn)出震動(dòng)圖。為了適應(yīng)地震演練等需要，工作人員與烈度速報(bào)信息交互的新情況，筆者用自主研發(fā)的軟件框架開(kāi)發(fā)了新的系統(tǒng)firstShake(JSimple框架)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了烈度速報(bào)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，可以通過(guò)系統(tǒng)界面對(duì)地震參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，有利于將其它方式算出的有價(jià)值的地震模型參數(shù)加入到全自動(dòng)烈度速報(bào)系統(tǒng)中。在2018年4月19日的大理洱源的地震演練中，通過(guò)自行研發(fā)的firstShake系統(tǒng)交互界面產(chǎn)出了加速度峰值預(yù)測(cè)圖和地震烈度預(yù)測(cè)圖。錄入地震參數(shù)后的5 min內(nèi)生成PS打印機(jī)格式的圖形。在沒(méi)有實(shí)際強(qiáng)震臺(tái)站收到可用數(shù)據(jù)的情況下，使用了Wald(2017)和Worden等(2010)提出的通過(guò)地形坡度計(jì)算剪切波速分布，再計(jì)算得到近似場(chǎng)地放大效應(yīng)(VS30)。所得到的加速度峰值預(yù)測(cè)圖和地震烈度預(yù)測(cè)圖的局部場(chǎng)地效應(yīng)效果明顯，應(yīng)用效果好(圖6，7)。

4.2 自主框架和環(huán)境的優(yōu)化

地震是突發(fā)事件，在沒(méi)發(fā)生地震時(shí)地震應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)算量較小，而當(dāng)發(fā)生地震后地震應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算量可能呈指數(shù)增長(zhǎng)，因此要防止地震應(yīng)用系統(tǒng)在關(guān)鍵時(shí)刻停止工作或崩潰。筆者對(duì)用自主研發(fā)軟件框架開(kāi)發(fā)的地震應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)一年多的性能優(yōu)化和測(cè)試，模擬對(duì)地震應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行DDOS分布式攻擊(王飛，2013)。方法是從數(shù)臺(tái)服務(wù)器上，使用壓力測(cè)試工具，遠(yuǎn)程對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行攻擊。隨著攻擊強(qiáng)度的不斷增強(qiáng)，不斷強(qiáng)化軟件框架性能、應(yīng)用系統(tǒng)性能和優(yōu)化運(yùn)行環(huán)境，具體操作如下：一是對(duì)軟件框架內(nèi)部的優(yōu)化。使用數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)結(jié)池(JSimple框架)，使用數(shù)據(jù)庫(kù)長(zhǎng)聯(lián)結(jié)(PSimple框架)。增大緩沖內(nèi)存，改進(jìn)緩沖數(shù)據(jù)獲取算法、存貯算法；二是對(duì)Java虛擬機(jī)、Web服務(wù)的優(yōu)化(王曉亮，2017)，優(yōu)化Xmx和Xms等內(nèi)存(JSimple框架)，把Apache服務(wù)改為Nginx(PSimple框架)(黃靜，李炳，2016)；三是對(duì)Linux操作系統(tǒng)的底層參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，包括最大打開(kāi)文件數(shù)，TCP/IP聯(lián)結(jié)數(shù)等，最后關(guān)閉Linux的OOM，以避免Linux操作系統(tǒng)承受不住內(nèi)存壓力而殺掉地震應(yīng)用系統(tǒng)的進(jìn)程。經(jīng)過(guò)這一系列的優(yōu)化后，用JSimple框架和PSimple框架開(kāi)發(fā)的地震應(yīng)用系統(tǒng)性能優(yōu)異。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：同時(shí)可以承受3 500個(gè)以上的TCP/IP聯(lián)結(jié)，響應(yīng)快速，內(nèi)存釋放速度快，已經(jīng)達(dá)到了目前國(guó)內(nèi)專業(yè)網(wǎng)站系統(tǒng)的高流量的優(yōu)異性能，如圖8所示。

圖6 在2018年4月19日的大理洱源的地震演練時(shí)產(chǎn)出的加速度峰值預(yù)測(cè)圖Fig.6 Prediction of peak ground acceleration for earthquake drills in Eryuan，Dali on April 19，2018

圖7 在2018年4月19日的大理洱源的地震演練時(shí)產(chǎn)出的地震儀器烈度預(yù)測(cè)圖Fig.7 Prediction of seismic instrument intensity for earthquake drills in Eryuan，Dali，April 19，2018

圖8 基于自主研發(fā)的軟件框架的性能優(yōu)化Fig.8 Performance optimization based on self-developed software framework

5 結(jié)論

本文分析了國(guó)內(nèi)軟件開(kāi)發(fā)缺乏自主研發(fā)的問(wèn)題與危害。在研究國(guó)際上通用著名框架和地震應(yīng)用系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上，吸收其優(yōu)點(diǎn)開(kāi)發(fā)了自主研發(fā)的軟件框架。在框架的設(shè)計(jì)上始終堅(jiān)持不過(guò)度設(shè)計(jì)，把復(fù)雜的事件做簡(jiǎn)單的原則，框架具有靈活性、高效性，簡(jiǎn)單易用性等，在地震應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)上取得了良好的效果。同時(shí)，對(duì)軟件框架做了深入的優(yōu)化、測(cè)試與研究，取得了優(yōu)異的性能，達(dá)到了開(kāi)發(fā)高性能、高容量的(地震)應(yīng)用系統(tǒng)的目標(biāo)。此外，該框架具有較好的通用性，可廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)。該框架的CRUD開(kāi)源模塊按照PGL許可證協(xié)議，在全球性網(wǎng)站github.com提供免費(fèi)下載。當(dāng)然，一個(gè)成熟的軟件框架，需要幾十年的升級(jí)維護(hù)，才會(huì)越來(lái)越成熟，未來(lái)依然任重道遠(yuǎn)。