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软件体系结构设计案例体系结构设计案例科学数据共享网空中交通管制科学数据共享网体系结构设计科学数据共享网科学数据共享网的系统需求“中国地球系统科学数据共享网”是国家科学数据共享工程的重要组成部分，同时也是科技部推动“国家科学数据共享工程”2002年试点的三个科学数据共享网之一。该系统针对基于各圈层（大气圈、水圈、生物圈）相互作用的地球系统科学的整体研究，利用互联网，整合、集成各科研院所、高等院校和国际数据组织以及科学家个人手中的相关专业数据资源，瞄准地球系统科学的前沿研究，开展数据组织、加工与服务，构建物理上分布、逻辑上统一的地球系统科学数据管理与共享服务网。这一工作对于增强我国基础科学研究和前沿科学创新能力具有重要的意义。数据方面的特殊需求和特点能够快捷地收集数据科学数据分散在科研院所和科学家手中，要设计开发一套收集数据的机制，使其能够快速地整合到系统中，提供数据共享服务。数据收集的途径应主要通过网络媒介，而且不能影响系统所提供的网络服务的正常运行。有效存储和管理海量数据，并快速定位数据该系统能够提供目录服务，合理地管理数据。提供用户查阅、下载、使用数据的服务。当用户在系统中查找数据时，希望能够快速定位数据，提供服务，平均响应时间最长不超过20秒。数据方面的特殊需求和特点保护数据版权，保证数据的安全性科学数据是科学工作者辛勤劳动的果实，同书籍一样也存在版权的问题。所以在数据的使用上，需要版权保护。此外，由于一些数据有其时效性和保密性，所以在提供服务时需要对数据访问进行相应的安全控制。系统需求架构师一般通过两种途径来获得系统的需求：用户直接主动地提供的需求（一般都是功能性需求和领域知识）希望“科学数据共享网”能通过Internet为用户提供数据服务，包含：数据目录服务、数据资源导航、数据下载功能、对数据进行稳妥地安全管理。构架师设计“对话问题”，通过对用户提问，进一步与他们沟通，从而得到明确的需求。构架师以用软件系统各方面的质量属性为索引，系统地启发用户谈出他们实际需要、但没有表达出来或是表达不完全的内容。非功能性需求质量属性针对质量属性的需求可用性/可靠性系统应能长期稳定地提供服务，近似7×24小时工作强度；在负载过重或是系统崩溃的情况下，能保证用户的请求不丢失；当系统出现故障或崩溃时，恢复时间不超过两小时；可维护性修改某个子系统或服务时，不影响其他子系统或服务；性能高峰时系统的平均响应时间控制在20秒以内；系统能够满足100个并发的用户查询请求；系统至少能够支持2000个用户的在线服务；安全性对有保密性要求的数据实施安全控制；提供系统运行日志监控信息，供管理员了解系统的运行和安全状态；商业属性2005年中期完成系统，年底前投入正式使用；能够利用现有系统的可利用资源；初期总共投资2000万，分别用于系统的集成建设和开发、共享数据标准的制定。科学数据共享网的体系结构？科学数据共享网的体系结构原型的体系结构及其分析根据需求，数据将以Internet为传输途径完成共享。在目前以Internet为前提的系统中，应用最广泛的是B/S（Browser/Server）结构。这样的结构已经相当成熟，并具有很大的灵活性。科学数据共享网也是基于这样初衷而设计的。系统的原型设计系统的原型设计对于科学数据的存储、管理、共享等诸多计算都是由“中心”服务器承担。在中心服务器中，又划分了数据收集、数据访问、平台数据管理和平台管理四个模块。数据收集负责收集用户通过Internet上载或是其它途径（光盘、磁盘）提交上来的科学数据。数据访问负责向用户提供访问科学数据的服务---查询和下载平台数据管理承担了与数据库交互，管理和存储数据的工作。它提供的接口负责将收集的科学数据先暂存在平台数据库中；然后供工作人员对数据进行有效性检查和加工，并将合法数据转移到发布数据库中；最后管理发布数据库中数据的接口提供数据的访问服务。平台管理承担了管理用户信息、管理用户和数据的安全信息，以及生成平台运行日志的任务。是否合适？对原型系统的分析所有的数据都由“中心”服务器负责存储，并向用户提供服务。这样的结果是所有的用户请求都由中心服务器来响应。即使内部的四个模块部署到不同的服务器上，“平台数据管理”和两个数据库所承担的运算量也是可观的。考虑到未来的科学数据将会越来越庞大，大量的数据都存储到服务器中，对服务器来讲必然是巨大的负担。而且，数据管理和维护的成本也随着数据量的增加而加大。“中心”服务器承载了众多服务，因而其运算量会很繁重；因此为了达到性能方面的要求，对“中心”服务器的要求就会比较高，比如：增加内存容量，CPU数量。这也增加了系统的投入成本。有时，仅仅通过提高服务器的性能是不能够达到性能方面要求的。对原型系统的分析请求都由“中心”服务器做出响应，一旦它出现了故障，无法提供服务，则存储在系统中的科学数据就无法向外界提供共享服务。补救办法：增加备份服务器，组成集群当系统升级时，也会对所提供的服务造成影响。客户要求尽量达到7×24小时服务，平均修复时间不超过2小时。实现客户要求相当难度，成本也高。数据都存储在一个系统内，采取了通过Internet上载或是其它途径（光盘、磁盘等方式）提交科学数据的方式。考虑到地学领域的数据通常是较大的地图，网络提交数据的方式会影响到“中心”服务器的数据吞吐量，降低了系统性能。重新设计的面向服务的体系结构体系结构说明面向服务的体系结构门户（主数据中心），安全中心和分数据中心通过由WebService构建的数据共享服务、全局服务、安全服务相互连接，组成了科学数据共享网的体系结构。新的体系结构划分了主数据中心、分数据中心和安全中心；三类中心分别有各自基于B/S结构的管理系统，相对独立。遵循面向服务的体系结构思想，为了实现数据的共享服务，各个中心将服务内容封装成WebService，作为其他中心访问本中心数据的入口，并通过Internet传输数据。SOAP提供一种简单的、可扩展并且功能丰富的XML消息处理框架，用于定义高级别的应用程序协议，从而在分布式异构环境中提供更高的互操作性。体系结构说明在该系统中，科学数据存储在各个数据中心上；各分数据中心通过数据服务的Webservice组件向主数据中心公布其元数据信息，作为实现数据共享的基础（元数据是描述数据的数据）。通过在主数据中心上查找元数据信息，可以快速地获取科学数据的消息信息，定位数据访问入口-----某个分数据中心的数据共享服务，然后实现数据的访问。体系结构说明主数据中心作为整个系统共享服务的一个入口，它提供了查询主数据中心上元数据信息的服务；负责向分数据中心转发用户访问科学数据的请求。分数据中心也可以作为共享服务的入口。每个分数据中心都具有各自的管理信息系统，收集和管理某个研究领域内的科学数据，用户可以直接登录某个分数据中心上访问数据。加入了安全中心。用户的基本信息，如密码、住址、所属单位等，都由安全中心保存和维护。安全中心为所有数据中心提供了用户的身份验证、维护的安全服务。但是用户访问数据的权限则由各个数据中心独立地设置和管理。各中心的信息存储结构数据中心的分层体系结构数据中心的分层体系结构分层体系结构：某一层功能和实现的变化只是上下层有关（低耦合，可扩展、组件复用）安全管理：访问权限日志管理：多种操作的记录数据访问层：审查、发布数据的操作应用服务层：多个共享服务组件共享服务接口：访问接口、入口，重用部分应用服务组件主数据中心:全局服务分服务中心：数据收割（为主数据中心收集元信息）注意连接件设计p133安全中心的体系结构体系结构分析面向服务的体系结构是一种松耦合、协议和实现独立的体系结构；松耦合与随需应变是SOA的两大特点。采用这种体系结构，可以重用已有系统作为分数据中心；允许异构数据的存在和访问；并且能够给系统带来良好的可维护性和可扩展性。新的系统中，最主要的一点变化就是：科学数据将不再统一由“中心”服务器存储和管理，改为由数据所有者（科研工作者或是科研院所）负责存储和管理。数据共享网可维护性解决策略在科学数据共享网系统中，在不同的层次设计中分别采用了“间接化、封装、分离”。首先，整个系统的分布式体系结构设计，采用了SOA的体系结构设计，这种设计是将数据共享服务封装为WebService，由特定的WebService提供数据共享服务。WebService的引入，将共享数据内容和共享服务实现细节分离。当实现细节发生变化或是增加新的服务时，对原有系统的运行影响很小。在数据中心和安全中心的系统设计上，采用了分层的设计。这是一种间接化的体系结构设计策略，上层的共享服务需要通过数据访问层提供的接口访问数据；当底层数据存储结构变化后，对上层的共享服务的影响较小。数据中心和安全中心的web应用系统采用的是MVC模式，将模型、控制、视图有机地分离。空中交通管制系统概况系统概况飞机从顺利起飞到安全到达目的地，受到空中交通管制系统各个不同部分的管理。地面控制部分负责协调和管理飞机在机场地面上的运动；塔台控制部分控制飞机在该机场的终端控制区中的飞行；最后，该系统还有多个中途中心，将整个美国领空划分为22个责任区。初始区段组（InitialSectorSuiteSystem，ISSS）ISSS是针对22个中途中心的软硬件升级系统需求与质量分析空中交通管制系统若运行不好，可能会造成生命财产损失极高的可用性必须保证系统不能正常工作的时间非常短（一年内停机时间不能超过5分钟）高性能系统必须保证在不丢失任何数据的情况下对大量数据进行处理；通信网络必须能够处理这种负载，软件必须能够快速、带有预测性的进行计算。ISSS的功能获取存储在主计算机系统的现有空中交通管制系统中的雷达目标数据转换雷达数据以供显示，并将其广播给所有控制台。每个控制台选择自己需要显示的报告数据，每个控制台都能够显示任何方位的数据处理冲突警告，或其它由主计算机发送来的数据提供与主计算机的接口，以便于输入和查询飞行计划提供诸如网络管理等多方面的监控信息，允许场站管理员实时地重新配置所安装的系统提供记录能力，以供事后回放在控制台上提供如窗口形式的图形用户界面，有必要提供特殊的与安全相关的功能，如显示的窗口有一定的透明度，以免遮挡住重要信息在主计算机、主要的通信网络以及主要的雷达传感器出现故障时，提供一定的后备能力ISSS系统所处的物理环境主计算机负责对监控数据和飞行计划数据进行处理通用控制台空中交通管制人员的工作站；一个区段组可以有1~4台通用控制台通用控制台通用控制台通用控制台本地通信网络（LCN）双LCN接口单元与LCN相连4个并行令牌环网增强直接访问雷达信道BCN监控控制台监控控制台测试培训子系统外部系统接口（ESI）物理视图模块分解视图显示管理通用系统服务记录、分析与回放全国空域系统修改操作系统捕获交通管制系统中的会话，以备事后分析进程视图ISSS系统按照多处理器的环境设计。这些处理器在逻辑上组成处理器组。处理器组的目的是要分别运行一个或多个应用程序的副本。其中，一个为主，其他为辅，称统一应用程序及其不同副本为主地址空间（PAS）和备用地址空间（SAS）。操作单元：一个主地址空间和与其相应的备用地址空间的集合称为操作单元。功能组：未以容错方式实现的ISSS系统的其他部分在不同的处理器上独立运行，称其为功能组。进程视图添加一个新的操作单元的步骤如果在SAS内部发现了错误，就要在另外的处理器上