网构软件特性：相对独立性、主动性和自适应性

作为Internet 环境下的一种新型的软件形态, 网构软件对传统的软件开发理论、方法与技术提出了一系列的挑战. 作为一种以软件复用为核心思想、以软件构件为基本实体、以软件体系结构为中心、以软件中间件为运行支撑的软件开发方法学, ABC(architecture based component composition)方法能够有力支持网构软件的开发. 其中, 基于特征的领域建模以及特定应用的特征模型剪裁方法和技术, 反映了网构软件在问题空间实现自底向上、从“无序”到“有序”的构造过程;基于自适应软件体系结构的分析与设计方法, 支持自适应网构软件的开发; 具有反射机制、支持自主构件的中间件平台则为网构软件的运行, 尤其是网构软件结构的自适应和实体的自适应提供支撑机制Internet 的发展为信息技术的应用开启了新的篇章, 同时也带来了诸多的技术挑战, 并由此产生了多个信息技术研究与实践的热点领域. 这些领域往往从某种侧面或层次对信息技术提出一种新型模式或理念, 如, 网格计算从资源共享与管理的角度探讨未来网络系统的应用与构造模式; 普适计算从“人机交互”的角度研究未来网络系统的应用模式; 服务计算从“软件即服务”的理念出发, 提出了一种新型的软件形态并着重探讨软件的协同性和动态性; 模型驱动的开发以特定于领域的代码自动生成为基础, 探讨基于中间件的软件系统的开发方法与技术。基于类似的出发点, 网构软件从软件形态的角度考察开放、动态、多变的Internet环境对软件理论、方法和技术的挑战. 作为传统软件结构的自然延伸, 网构软件具有区别于传统软件形态的独有的基本特征, 包括自主性、演化性、协同性、多态性和反应性等

从网构软件的角度来考察当今有代表性的软件工程方法学,可以发现传统的软件工程方法学体系由于其本质上是一种静态和封闭的框架体系, 难以支持由开放、动态、多变的Internet 环境衍生的网构软件的开发.从技术的角度看, 网构软件在Internet 上展现为一种与当前的信息Web 类似的Software Web. 以软件构件等技术支持的软件实体将以开放、自主的方式存在于Internet 的各个节点之上, 任何一个软件实体可在开放的环境下通过某种方式加以发布, 并以各种协同方式与其他软件实体进行跨网络的互连、互通、协作和联盟. 由于Internet 的开放、动态和多变, 以及用户使用方式的个性化要求, 决定了网构软件的开发不同于传统软件开发的“一次成型”式, 具体表现为, 网构软件在发布之后, 能够感知外部网络环境的动态变化, 并随着这种变化按照功能指标、性能指标和可信性指标等进行静态的调整和动态的演化, 以使系统具有尽可能高的用户满意度, 而且, 由于用户需求的多样化和个性化以及投资回收等因素,一个软件系统往往存在时间较长, 因此, 网构软件的演化过程也在长时间内持续不断. 显然, 开发具有上述技术特点的网构软件面临着开发过程、开发方法以及支持技术3 个方面的挑战在软件开发过程方面, 传统软件系统的开发因所基于的平台相对封闭、静态、稳定, 基本采用自顶向下的途径, 确定系统的范围(即scoping)总是建立需求的第一步, 然后通过分解而实施分而治之的策略, 整个开发过程处于有序控制之下. 而网构软件系统的开发所基于的平台是一个有丰富基础软件资源但同时又是开放、动态和多变的框架, 开发活动呈现为通过将原本“无序”的基础软件资源组合为“有序”的基本系统, 随着时间推移, 这些系统和资源在功能、质量、数量上的变化导致它们再次呈现出“无序”的状态, 这种由“无序”到“有序”的过程往复循环, 基本上是一种自底向上、由内向外的螺旋方式. 此外, 在传统的软件工程体系中, 软件生命周期概念所强调的是从问题提出到软件交付的整个开发过程的重要性, 而对于交付之后的软件变化过程往往只采用“软件维护”加以简单概括.

这样一种软件生命周期概念对处于静态封闭环境下的软件系统的开发是合适的,但对处于Internet 开放、动态和多变环境下网构软件系统的开发则有明显的局限性. 首先, 新的软件实体往往通过已有的软件实体组装而成, 由于这些实体彼此独立、自主运行, 不受任何机构或组织的统一控制, 因此, 在系统交付运行之前,很难由这些被组装的软件实体准确无误地推演出目标系统的功能和质量. 其次,环境的开放、动态和多变决定了软件实体及其之间的协同均面临着诸多变化, 不论这些变化能否在运行前准确预知, 运行系统都不得不进行持续的适应性调整.第3, 网构软件既服务于处在不同时区的用户也服务于随时到达的其他网构软件的请求, 而且, 一个网构软件系统本身往往由散布在Internet 上的其他软件组成,因此, 一个网构软件系统一旦交付使用, 往往就不能完全停机. 这意味着改错、优化、增加新功能等活动均需在线执行, 这些活动也需要经历分析、设计、实现、测试、部署, 而传统软件生存周期中的维护期难以准确刻画这些活动.在软件开发方法方面, 对于网构软件所具备的自主性、演化性、协同性、多态性和反应性, 传统的开发方法考虑不多、支持远远不够. 

首先, 网构软件自主性是指软件实体具有相对独立性、主动性和自适应性. 从技术角度看, 网构软件实体一般都是独立开发和管理的, 它们可能在不同的网络节点上独立运行. 它们的目标和所提供的服务由其所有者来决定, 其行为受自身的目标驱动, 而并非单纯地被动用于组装或部署. 它们在运行过程中可能实时收集环境的各种变化信息, 并根据预先设定好的策略, 在必要时自动调整自身的行为以适应环境的变化;其次, 协同性是指网构软件系统中软件实体与软件实体之间可按多种静态连接和动态合作方式在开放的网络环境下加以互连、互通、协作和联盟. 从技术角度看, 传统软件系统在封闭集中环境下往往采用单一静态的连接模式, 而网构软件则支持连接模式的适应性调整, 如, 不同互操作协议的切换, 连接安全级别的升降, 同步异步的转变, 消息传递可靠性的调整等; 第3, 反应性是指网构软件具有感知外部运行和使用环境并对系统演化提供有用信息的能力. 

从技术角度看, 网构软件的外部环境由其他网构软件以及底层支撑平台组成, 因此, 反应性既要求网构软件能够以某种方式暴露自身的状态和行为信息, 也要求网构软件支撑平台能够开放底层实现细节及运行状态; 第4, 演化性是指网构软件结构可根据应用需求和网络环境变化而发生动态演化, 主要表现在其实体元素数目的可变性,结构关系的可调节性和结构形态的动态可配置性. 从技术角度看, 演化性要求软件体系结构具备动态调整能力; 最后, 多态性是指网构软件系统的效果体现出相容的多目标性, 它可根据某些基本协同原则, 在动态变化的网络环境下, 满足多种相容的目标形态. 从技术角度看, 多态性既要求系统开发过程中需要支持多目标建模, 又要求系统运行时能够基于环境变化进行动态目标的适应性选择. 

基于上述分析, 网构软件诸多特性在技术上的主要共性可归结为自适应性, 具体表现为软件实体的自适应性和软件结构的自适应性, 即, 网构软件在运行过程中能够在合适的时刻、合适的场合、准确捕捉变化并进行合理的适应性调整, 以满足功能和质量的需求. 人在网构软件适应过程中的参与程度决定了网构软件自适应能力的高低. 因此, 如何开发出具有这种自适应能力的软件系统, 并尽可能减少运行过程中人的参与, 是网构软件开发方法的关键挑战在软件运行支撑技术方面, 传统的软件开发工具往往针对软件交付前的分析、设计、实现、测试中的一个或几个阶段, 而软件交付后则部署在运行平台上,并利用各种管理工具进行维护. 

而基于上述分析, 网构软件的开发已经不仅仅局限于软件交付之前, 软件开发的重心从交付前逐渐转移到运行过程中, 而网构软件自动或手动的调整往往依赖于软件生存周期各个阶段的活动与制品. 因此, 网构软件开发工具不仅要覆盖整个软件生存周期, 还有必要与运行平台融合, 从而支持软件运行中持续不断的开发活动. 另一方面, 网构软件的诸多特性对运行平台提出了极大的挑战, 首先, 运行平台不仅要具备实时显示自身运行状态和行为的能力, 还应协助实现上层软件实体内部状态和行为的实时展现, 其次, 运行平台必须支持网构软件实体与结构的动态调整,否则, 自适应很难甚至在某些情况下无法实现综上所述, 网构软件的开发在过程方面, 需要遵循自底向上、从“无序”到“有序”的新型构造途径, 开发重心由系统交付前向系统运行时转移; 在开发方法方面, 需要重点考虑软件实体和结构的自适应性; 在支持技术方面, 需要整合开发工具和运行平台以支持跨整个软件生存周期的开发, 而运行平台应提供软件实体和结构自适应所需的基本机制.本文针对网构软件需求, 考虑网构软件更关注实体组合的特点, 提出一种以软件体系结构为中心的网构软件开发方法, 该方法采用ABC(architecture basedcomponent composition)方法框架, 即以构件组装为基本手段, 使用软件体系结构的理论与概念来指导软件开发, 以提高系统开发的效率和质量. 考虑网构软件的特性, 该方法重点关注3 个问题: (1)Internet 上“无序”软件资源的有效建模、组织和管理, (2)网构软件自适应建模, (3)支持网构软件特征的支持工具和运行平台

ABC 方法概览

ABC 方法于2000 年正式提出, 从支持软件复用的角度来看, 是软件体系结构(SA)研究和基于构件的软件开发(CBSD)途径的结合. SA 研究提供了一种自顶向下实现基于构件的复用的途径, 即通过体系结构描述语言(ADL, architecturedescription language)在较高抽象层次上描述构件接口的语法和语义、系统中的构件和连接子以及它们之间的交互关系、构件的非功能属性、以及构件间协议, 从而建立系统的体系结构模型. 但是, 当前的SA 研究大都局限于体系结构描述和一些高层的性质验证, 对体系结构求精和实现的支持能力明显不足. 另一方面,CBSD提供了一种

通过使用现存的中间件基础设施自底向上地实现基于构件的软件复用的途径, 强调使用已经开发好的构件来构造软件系统. 但是, 当前CBSD讨论的重点主要局限于COM, CORBA 和EJB 等二进制构件, 这些中间件技术仅仅提供了在实现层次上支持构件交互的基础机制, 缺少指导CBSD 过程的系统化的方法学, 特别是对高抽象层次的构件组装无能为力. 作为一种自然的解决方案,ABC 方法有机组合了这两种途径, 以支持有效的基于构件的复用.ABC 方法的核心思想是将软件体系结构引入到软件开发的各个阶段, 作为系统开发的蓝图, 利用工具支持的自动转换机制缩小从高层设计到实现的距离,而后在构件运行平台(软件中间件)的支持下实现自动的系统组装生成. ABC 方法过程模型如图1