中间件——构筑复杂分布式应用的关键技术

中间件
——构筑复杂分布式应用的关键技术
中科院软件所 仲萃豪
九十年代初客户机/服务器计算模式开始成为主流技术，将数据统一存储在数据服务器上，而有关的业务逻辑都在客户端实现，即所谓胖终端的解决方案，这种两层结构的模式大大阻碍着系统的发展，单一的服务器结构紧密地依赖供应商；数据存取受到限制；难以扩展到大企业广域网或国际互联网；也难以管理客户端的机群。随着用户业务需求的增长及Internet/Intranet的普及，将以三层或四层体系结构取而代之。三层结构就是把用户端的业务逻辑独立出来，并与数据库服务器中存储过程合并在一起，构成应用层，以提高计算能力，实现灵活性。在这种结构中用户端仅仅是处理图形用户界面(GUI)，而目前趋势是采用具有交互功能的浏览器，即形成瘦终端的工作方式，为此，中间又增加了一层，称为Web服务器层，形成了四层体系结构。

这类多层结构的分布系统，各服务器和终端机之间都是通过网络连接起来的，并有大量信息和数据进行传递。对每个应用系统而言，在设计和实现时需要开发的，仅是在应用服务器上的业务逻辑部分的软件，除此之外，还必须要设计处理分布系统所特有的功能的软件，而目前的系统软件(操作系统和支撑软件)都不支持。为此出现了中间件，它是处于系统软件和应用软件之间的一批软件。使设计者集中设计与应用有关的部分，大大简化了设计和维护工作。通过五、六年的大量应用和实践，中间件已有一批成熟的产品，并成为设计分布系统时不可缺少的软件。仅仅几年时间，中间件以迅雷不及掩耳的速度迅猛发展，每年的市场销售额均是成倍的增长。

什么是中间件
中间件是处于操作系统和应用程序之间的软件，也有人认为它应该属于操作系统中的一部分。人们在使用中间件时，往往是一组中间件集成在一起，构成一个平台(包括开发平台和运行平台)，但在这组中间件中必需要有一个通信中间件，因此，我同意这种定义：

中间件=平台＋通信

这个定义也限定了只有用于分布式系统中才能称为中间件，同时还可以把它与支撑软件和实用软件区分开来。

中间件的作用和分类
要说清这个问题我们用一个生活中的实例来比喻。把分布式系统看作北京市区的交通系统，网络看作市区马路，通过交通工具(汽车)实现通信，每分钟将有几万辆车在马路上行驶，如果没有相应的交通设施和管理规划，北京市将会乱成一团，发生各种交通事故。

1.通信处理（消息）中间件
首先要修好马路，安装红绿灯，设立交通管理机构，制定出交通规则，也就是我们要建网和制定出通信协议，能在不同平台之间通信，实现分布式系统中可靠的、高效的、实时的跨平台数据传输(如TongLINK、BEA eLink 、IBM的MQSeries等)，称为消息中间件。这是中间件中唯一不可缺少的，是销售额最大的中间件产品，目前在Windows 2000操作系统中已包含了其部分功能。

2.事务处理（交易）中间件
在分布式事务处理系统中要处理大量事务，常常在系统中要同时做上万笔事务。例如在北京市就要设置各种运载汽车，完成日常的运载，同时要随时监视汽车运行，出现故障时，要有排除措施，发生堵塞时要进行调度。在联机事务处理系统(OLTP)中，每笔事务常常要多台服务器上的程序顺序地协调完成，一旦中间发生某种故障时，不但要完成恢复工作，而且要自动切换系统，达到系统永不停机，实现高可靠性运行；同时要使大量事务在多台应用服务器能实时并发运行，并进行负载平衡地调度，实现昂贵的可靠性机和大型计算机系统同等的功能，为了实现这个目标，要求系统具有监视和调度整个系统的功能。BEA的 Tuxedo由此而著名，它成为增长率最高的厂商。一个事务处理平台，根据X/OPEN的参数模型规定，应由事务处理中间件、通信处理中间件以及数据存取管理中间件三部分组成。东方通科技公司的TongLINK 和TongEASY实现了这个参考模型规定。

3.数据存取管理中间件
在分布式系统中，重要的数据都集中存放在数据服务器中，它们可以是关系型的、复合文档型、具有各种存放格式的多媒体型，或者是经过加密或压缩存放的，该中间件将为在网络上虚拟缓冲存取、格式转换、解压等带来方便。

4.Web服务器中间件
浏览器图形用户界面已成为公认规范，然而它的会话能力差、不能作数据写入、受HTTP协议的限制等，就必需进行修改和扩充，形成了 Web服务器中间件，如 SilverStream公司的产品。

5.安全中间件
一些军事、政府和商务部门上网的最大障碍是安全保密问题，而且不能使用国外提供的安全措施(如防火墙、加密、认证等)，必需用国产的产品。产生不安全因素是由操作系统引起的，但必需要用中间件去解决，以适应灵活多变的要求。

6.跨平台和构架的中间件
当前开发大型应用软件通常采用基于构架和构件技术，在分布系统中，还需要集成各节点上的不同系统平台上的构件或新老版本的构件，由此产生了构架中间件，功能最强的是CORBA，可以跨任意平台，但是太庞大；JavaBeans较灵活简单，很适合于做浏览器，但运行效率差;DCOM模型主要适合 Windows平台，已广泛使用。实际上国内新建系统主要是UNIX(包括LINUX)和 Windows，因此针对这两个平台建立相应的中间件要实用得多。

7.专用平台中间件
为特定应用领域设计领域参考模式，建立相应构架，配置相应的构件库和中间件，为应用服务器开发和运行特定领域的关键任务(如电子商务、网站等)。

8.网络中间件
它包括网管、接入、网络测试、虚拟社区、虚拟缓冲等，也是当前最热门的研发项目。

中间件模型和形态
中间件从诞生起，仅仅是五年时间，但发展极其迅速，是有史以来发展最快的软件产品，但在技术上还处于成长阶段，还没有统一的标准和模型，通常都是用C＋＋语言以面向对象的技术来实现的，但是它的特性已超出面向对象的表达能力，由于它属于可重用构件，目前趋向于用构件技术来实现。然而中间件要涉及软件的所有标准、规范和技术，它含有更多的内涵，因为它包括平台功能，自身具有自治性、自主性、隔离性、社会化、激发性、主动性、并发性、认识能力等特性，是近似于Agent(代理)的结构，采用Agent的概念和技术更合适一些，建立模型和规范是促进技术发展的核心措施。

消息中间件产品
IBM MQSeries

IBM MQSeries是IBM的消息处理中间件。MQSeries提供一个具有工业标准、安全、可靠的消息传输系统。

它的功能是控制和管理一个集成的系统，使得组成这个系统的多个分支应用(模块)之间通过传递消息完成整个工作流程。MQSeries基本由一个信息传输系统和一个应用程序接口组成，其资源是消息和队列。

MQSeries的关键功能之一是确保信息可靠传输，即使在网络通信不可靠或出现异常时也能保证信息的传输。MQSeries的异步消息处理技术能够保证当网络或者通信应用程序本身处于“忙"状态或发生故障时，系统之间的信息不会丢失，也不会阻塞。这样的可靠性是非常关键的，否则大量的金钱和客户信誉就会面临极大的损害。

同时，MQSeries是灵活的应用程序通信方案。MQSeries支持所有的主要计算平台和通信模式，也能够支持先进的技术(如Internet和Java)，拥有连接至主要产品(如Lotus Notes和SAP/R3等)的接口。

东方通科技 TongLINK/Q

TongLINK/Q是面向消息的中间件。TongLINK/Q的主要功能是在不同的网络协议、不同的操作系统和不同的应用程序之间提供可靠的消息传送。

高效、可靠、灵活的传输功能
通过预建连接、多路复用、流量控制、压缩传输、断点重传、传输优先级管理、服务（类）驱动等机制来保证实现。

事件代理机制
事件代理机制提供了一种异步应用开发模型，用户只需要定义一个事件及怎么处理，TongLINK/Q自动完成操作。利用事件代理机制，可以实现事件订阅与发布，实现策略管理。

会话管理
TongLINK/Q通过一个简单的会话标识来描述一种复杂的通信关系，实现了更高层次、更抽象的通信服务。

良好的易用性和可管理性
TongLINK/Q实现了实时监控和管理，提供了日志机制、动态配置、远程管理功能。并提供多层次安全管理，支持多种开发工具。

交易中间件
BEA Tuxedo

BEA Tuxedo作为电子商务交易平台，它允许客户机和服务器参与一个涉及多个数据库协调更新的交易，并能够确保数据的完整性。BEA Tuxedo一个特色功能是能够保证对电子商务应用系统的不间断访问。它可以对系统组件进行持续的监视，查看是否有应用系统、交易、网络及硬件的故障。一旦出现故障，BEA Tuxedo会从逻辑上把故障组件排除，然后进行必要的恢复性步骤。

BEA Tuxedo根据系统的负载指示，自动开启和关闭应用服务，可以均衡所有可用系统的负载，以满足对应用系统的高强度使用需求。借助DDR（数据依赖路由），BEA Tuxedo可按照消息的上下文来选择消息路由。其交易队列功能，可使分布式应用系统以异步“少连接”方式协同工作。BEA Tuxedo LLE安全机制可确保用户数据的保密性，应用/交易管理接口（ATMI）为50多种硬件平台和操作系统提供了一致的应用编程接口。BEA Tuxedo基于网络的图形界面管理可以简化对电子商务的管理，为建立和部署电子商务应用系统提供了端到端的电子商务交易平台。

东方通科技TongEASY

TongEASY是面向交易处理的中间件。负责正确传递交易，对交易完整性进行管理，调度应用程序的运行，保证整个系统运行的高效性。TongEASY把自己的交易管理功能和数据库的交易管理功能有机的结合在一起，实现对分布式交易的全局管理。

交易管理机制是TongEASY最具有独创性的方面。TongEASY有两种方式管理交易完整性：一种方式是应用程序处理提交/撤销命令，另一种方式是建立在XA协议基础上的。基于XA的交易管理方式又可以细分为标准的XA方式和快速XA两种。

TongEASY在交易管理上的多样性是为了解决中国应用环境的特殊性。国内多数应用是建立在一个速率传输偏低、可靠性差强人意的广域网上。XA方式是建立在两阶段提交协议上的，在一个低速的广域网上使用两阶段提交协议时会带来一些问题，一是握手次数多、数据库加锁时间长，因而效率较低，二是不能很好地解决由于网络故障所造成的交易完整性问题。因此，TongEASY在交易管理方面提供了多种选择，以求得效率、交易完整性、开发工作量等关键指标的上佳表现。

 仲萃豪：中国科学院软件研究所研究员，博士生导师，研究方向是计算机软件与计算方法，仲老是我国第一代软件专家，曾率先研究软件中各领域课题：编译程序、语言、操作系统、应用软件等。近10年来主要从事应用软件开发及其软件工程研究。曾先后任10多所院校的兼职教授、北京市软件专业顾问、软件工程国家工程师研究中心研究员，并获得国家科技进步二等奖、省部级一等奖等8项。