在一定程度上 人类的思维产生于 简单个体之间的相互作用 ——Marvin Minsky

第 三 讲 软件实体的交互基础

内 容 一、网络编程基本架构 二、软件互操作的基本架构 三、互操作协议 四、互操作接口定义 五、交互实体的查找

一、网络编程基本架构 1、TCP/IP 2、基于Socket的网络软件 3、直接基于Socket编程的不足

２、TCP/IP （1）ISO/OSI 参考模型 与TCP/IP的对照 ISO/OSI 参考模型 TCP/IP Application 应用层： telnet、ftp、smtp、snmp、 dns、http、nntp Presentation Session Transport TCP, UDP Network 因特网层：IP Data link 主机与网络的连接： ethernet、token-ring Physical

1 1 1 1 0 Reversed for future use （2）IP：Internet Protocol 地址范围 类 1.0.0.0 ~ 127.255.255.255 A B C D E 0 Network Host 1 0 Network Host 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 1 1 0 Network Host 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 1 1 1 0 Multicast address 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 1 1 1 1 0 Reversed for future use 240.0.0.0 ~ 247.255.255.255

IP头 20 bytes data Vers. H.len Service type Total length Identification Flags Fragment offset 20 bytes Time to live Protocol Header checksum Source IP address Destination IP address IP options (may be omitted) Padding data Service type Precedence D T R unused

（3）TCP :Transmission Control Protocol UNIX 中的命令 rsh, rcp 及 rlogin 全部基于 TCP 它是一个可靠但较慢的协议 在客户服务器双方进行缓冲 以提高速度

Acknowledgement number Options (0 or more words) TCP头格式 Source port Destination port Sequence number Acknowledgement number Window size H.len Reserved Code bits Checksum Urgent pointer Options (0 or more words) Data (optional)

UDP ： User Datagram Protocol 一个构件向另一个构件发送消息 另一个构件的标识包含在消息中 不可靠但快速的协议 消息长度固定 消息在接受方排队 UNIX rwho 命令基于UDP

2、基于Socket的网络软件 客户 服务器 连接请求 创建 等待连接套接字 通常对应于一个固定端口 通信套接字 通常通过随机分配得到端口

面向连接： 客户 服务器 Socket() bind() listen() Socket() accept() connect() 建立连接 阻塞，等待 客户连接 请求服务 write() read() 处理请求… 应答数据 read() write() close() close()

面向非连接： 客户 服务器 Socket() bind() Socket() readfrom() bind() sendto() 请求服务 阻塞，等待 客户数据 sendto() 处理请求… readfrom() 应答数据 sendto() close() close()

3、直接基于Socket编程的不足 套接字的出现 人们很快不满足于直接基于套接字的开发过程 促进了软件从单机环境向网络环境的发展 扩展了软件的应用范围 人们很快不满足于直接基于套接字的开发过程 基于套接字的开发方式较为繁琐 这种软件的排错十分困难 特别是当服务器端需要根据用户的不同请求内容区分不同的处理过程时 根本原因在于基于套接字的交互层次较低 不同软件之间需要约定专门的消息格式、数据类型等

二、软件互操作的基本架构 为支持 应用层的某一实体使用另一实体 而制定的一套技术规范

互操作规范 互操作实现（以 RPC 为例） 服务器端程序 实体查找方式 客户端程序 决定 互操作接口定义语言 客户端指代 服务器端指代 决定 互操作协议 互操作消息 互操作消息 底层协议 网络基础设施 网络基础设施

软件互操作体系与人类交互过程的比较 底层协议提供了基本的通信基础 互操作消息是软件之间进行交互时所表述的语言 互操作协议是对这些语言的语法说明 互操作接口定义是软件之间的一种约定 接口定义语言是合约的撰写规则 实体查找方式是交互双方建立联系的途径 包括白页、黄页、绿页等多种途径

1、 底层协议 底层协议是互操作协议所依赖的底层通信机制 目前最受重视的协议 是前面讲过的 TCP/IP协议 也可以是 ATM等其它协议

2、互操作协议 消息中关于字节序、数据表示等问题的解决方法 体现了通信双方之间关于消息的 数据格式 消息的类型 等的约定 体现了通信双方之间关于消息的 数据格式 消息的类型 等的约定 类似的约定还有 服务器的管理 等等 所有这些约定 共同构成了互操作的高层协议 互操作协议一般独立于底层协议 即互操作协议可以向不同的底层协议进行映射 从而由不同的底层协议进行支持 互操作协议一般都比较烦琐 其实现由应用服务器开发者承担 应用系统的开发者在开发具体系统时 不必关心协议的实现问题

3、互操作接口定义语言 客户指代主要完成上层代码（客户程序、服务器程序） 与底层代码（RPC API等）之间的“映射” 其参数传递、编排、服务器定位等功能完全 与应用系统具体的业务逻辑实现细节无关 因此 只要系统明确定义了服务器的接口 即可以产生与该接口对应的指代 接口定义语言（Interface Definition Language） 描述了 客户与服务器之间的接口

4、实体查找方式 实体查找方式主要是指服务器的定位 根据自己掌握的信息 客户如何才能查找到具体服务器 这实际上涉及 服务器端服务信息的发布 这实际上涉及 服务器端服务信息的发布 服务信息的管理等问题

现有互操作架构比较 互操作协议 接口定义语言 实体查找 RPC IDL RPC注册 DCOM ORPC MIDL 系统注册 CORBA 互操作体系名称 互操作协议 接口定义语言 实体查找 RPC IDL RPC注册 DCOM ORPC MIDL 系统注册 CORBA GIOP（IIOP） 命名服务 EJB JRMP Java Interface JNDI Web Service SOAP WSDL UDDI

三、互操作协议 1、概念 Protocol: IP、 TCP、UDP、 IIOP、JRMP、SOAP FTP、HTTP、SMTP、SNMP 通信消息 对于计算机的重要性 完全类似于人类的言语对于人类的重要性 协议是 通信双方传输消息时必须遵守的规则的集合

对于互操作协议，尽管其发展的历史不长 但目前也已经有许多协议被设计、实现 例如：RPC协议、IIOP、JRMP、SOAP等等 与人类言语类似，它们的实现方式也十分丰富 可以建立在不同的底层协议之上 例如TCP/IP、HTTP、ATM等等 到目前为止，在互操作方面使用得最广泛的协议是IIOP 这主要得益于 CORBA的巨大成功 以及IIOP对异构平台的支持

2、互操作协议要素 所谓互操作协议要素是指 设计一个互操作协议时必须考虑的主要问题 这些问题主要包括： 数据表示 消息格式 引用表示 等等 这些问题主要包括： 数据表示 消息格式 引用表示 等等 其它需要考虑的问题包括： 如何将协议映射到底层协议之上 如何管理连接过程 如何提高协议的效率 等等

（1）数据表示 在单机环境内，数据表示属于硬件层、语言层 而在网络环境下，调用参数必须经由网络进行传输 这意味着这些数据将变成一种字节流的形式 以便于参数（数据）在网络上传输 就产生了如何在网络传输上表示程序中的数据问题 数据表示是一种传输语法 描述各种数据类型在传输线路上 以字节流的形式表示出来的格式 ONC-RPC中使用的格式为外部数据表示 （XDR：eXternal Data Representation） 而CORBA中使用的格式为公共数据表示 （CDR：Common Data Representation）

（2）消息格式 底层协议 主要解决通信的 可行性 以及部分 可靠性 等问题 高层协议不同于底层协议的一个明显特征在于 底层协议 主要解决通信的 可行性 以及部分 可靠性 等问题 高层协议不同于底层协议的一个明显特征在于 高层协议带有一定的语义信息 几乎每种高层协议 都对消息进行分类 定义了多种不同类型的消息格式 对于互操作协议而言 一次调用通常至少包含请求与应答两种消息 消息的种类较为类似 但消息格式差异较大

（3）向底层协议的映射 互操作协议必须映射到底层协议上 方能得到实现 目前的互操作协议都定义协议一到多种向传输层的映射 例如 GIOP定义了向TCP/IP的映射：IIOP SOAP主要定义了向HTTP的映射

2、协议比较 1）互操作开销不同 IIOP、JRMP使用二进制的字节流形式编排消息 （CDR、XDR） SOAP采用字符型的XML编排消息 SOAP消息要比IIOP、JRMP消息长得多 SOAP的编排开销大、占用内存空间大 2）表达能力不同 SOAP易于学习、易于开发、易于调试 SOAP不支持消息的批处理、对象引用、对象激活等特性 降低了SOAP的表达能力 并使得基于SOAP的交互受到限制 而IIOP、JRMP等则不存在这种限制

3）适应能力不同 IIOP、JRMP严重制约于防火墙 防火墙一般由两个路由器与一个应用程序网关构成 路由器负责IP层的分组信息 列出可接受、禁止的源端和目标端等信息 应用程序网关在应用程序级进行控制 根据头信息字段、消息长度、消息内容等 决定传送还是丢弃消息 这是IIOP、JRMP的应用受到限制的核心因素之一 SOAP则基本不受其限制 4）适用环境不同 JRMP适用于使用JAVA的应用系统 IIOP、SOAP支持各种语言，因此适用面更广 IIOP适合于同一个防火墙内部之间的交互 而SOAP则适合于跨越防火墙的交互

四、互操作接口定义 1、概念 接口(Interface)

含义解释 模块通常由接口和实现两部分组成 模块的接口部分 刻画了各个模块是如何耦合的 其他模块的设计者和使用者需要知道 模块的接口部分 刻画了各个模块是如何耦合的 其他模块的设计者和使用者需要知道 模块的实现部分 是各个模块的内部事务 其他模块的设计者和使用者不需要知道 应用编程接口（API） 对象接口 构件接口 抽象？实在？ 包含什么具体内容？（功能性、约束性） 利用什么形式描述？（接口定义语言）

功能性（Functional） 单机环境下的不同软件模块之间 主要定义模块的功能性（Functional）内容 类似于一个函数的映射过程 接口的功能性定义是对接口中各个操作调用方式的描述 操作 是由操作符标识的实体 指明了一个不可再分的服务原语 请求一个操作的动作被称为调用一个操作 对一个操作功能的描述由输入、输出两部分组成 也被称为一个基调（signature） 用于描述操作的输入、输出参数名称及类型

约束性（Constraint） 网络环境下的不同软件模块的合作需要考虑的因素 不仅仅包含功能方面 还涉及分布性、可靠性、安全性等方面的因素 网络环境下的接口 除需要定义模块的功能性内容外 还需要定义模块的约束性内容 接口的约束性定义是指对功能以外特征的描述 简单的包括：例外处理、执行语义等 复杂一些的包括： （1）行为特征:用于描述操作的输出 通过对操作增加前置与后置条件而实现 （2）同步特征:用于描述分布性与并发性

2、接口定义语言 IDL: Interface Definition Language 服务描述语言 interface Hospital { typedef string PatientId; PatientId admit_patient ( ); void release_patient ( in PatientIdpatient ); }; 服务描述语言 WSDL: Web Service Description Language

比较 1）描述对象不同 有的以描述结构化程序的功能为主 例如 RPC-IDL 微软的-IDL 有的以描述对象的功能为主 例如 CORBA的IDL 有的以描述服务为主 例如 web service的WSDL

2）描述方式不同 有的以具体计算机语言的方式表达 例如SUN的Java Interface 有的以独立于具体的计算机语言 但十分类似于计算机语言的方式表达 例如：RPC-IDL 微软的-IDL CORBA的IDL 有的以XML为方式表达 例如：web service的WSDL

3）描述内容不同 有的仅描述接口的语法信息 例如：RPC-IDL 微软的-IDL CORBA的IDL 有的还包括与底层协议的绑定信息 例如：WSDL等 在CORBA中这部分信息包含在IOR中

五、交互实体的查找 网络环境中的资源具有明显的分布性 这些资源可能分布于不同的节点之上 问题： 分布在不同节点上的实体如何查找到其他的实体？

内 容 1、三种查找方式 2、命名服务 3、目录服务 4、合约服务

1、三种查找方式 命名(Naming)服务： 通过外部名字定位构件 类似于（电话本）白页 CORBA的命名服务 TCP/IP中的DNS ……….… 公司甲 67890001 公司乙 67890002 公司丙 67890003 …………………… CORBA的命名服务 TCP/IP中的DNS COM、JVM中的注册表等 皆提供了类似的服务

目录(Directory)服务： 通过服务特性定位构件 类似于（电话本）黄页 IT领域 存储器公司 公司甲 67890001 计算机公司 公司乙 67890002 公司丙 67890003 公司丁 67890004 …………………… SUN的网络信息系统（Network Information System：NIS） Novell目录服务（Novell Directory Service：NDS） IUT/ISO的X.500以及LDAP CORBA的交易服务 微软的Active Directory Service等 提供了类似的服务

合约(Contract)服务： 通过技术规范定位构件 绿页 Web Service的UDDI即包含这方面的信息 IT领域 计算机公司 公司乙 电话 67890002 地址 北京市海淀区中关村大街XX号 Email www.foo.com.cn CPU Intel P4 …… 硬盘 Seagate 40G …… 鼠标 双飞燕 USB…… Web Service的UDDI即包含这方面的信息 CORBA的接口池也具有部分“绿页”功能

不同的查找服务提供的功能：   白页 黄页 绿页 DNS  CORBA Naming CORBA Trading CORBA IR X.500/LDAP UDDI

2、命名服务 名字是知识的基础 本体论（Ontology） 名实论（名，所以谓也，实，所谓也 ——墨子） 操作系统中的进程名 文件系统中的文件名 程序语言中的 变量名、过程名、 数据结构名、对象名 网络环境下的计算机名、数据库名 、构件名

名字与标识、引用 名字与引用的关联 名字 引 用 服务使用者的空间 服务提供者的空间 查找 名字 注册 标识 解析 （绑定） 调用 指代

名字系统 例如：www.pku.edu.cn 主要功能是将名字映射到对象 一组context的集合 c:/win98/system 使用同样的命名规则 提供同样的操作集合并具有同样的语义 例如：www.pku.edu.cn c:/win98/system

名字分类 Atomic name(原子名字) 名字中不可分割的部分 Usr/local/bin中的usr, local, bin www.pku.edu.cn中的www, pku, edu, cn Compound name（复合名字） 包含了零个或多个原子名字的一个序列 Usr/local/bin, www.pku.edu.cn

Composite Name（合成名字） 与复合名字(compound name)不同 是跨越多个命名系统的名字 包含了一个有序的复合或原子名字的列表 每个复合或原子名字属于不同的命名系统名字空间 http://www.pku.edu.cn/public/index.html http : 来自“URL scheme-id”名字空间 www.pku.edu.cn : 来自DNS名字空间 Public/index.html : 来自主机文件的名字空间

命名服务（Naming Service） 维护了（分布或集中式）系统中资源的名字与地址之间的映射关系（binding）

命名上下文 Context Initial Context 是一个对象 其状态（属性）是一组binding的集合，这些binding的原子名字各不相同 每个Context都有自己的命名规则 至少提供lookup操作 允许用户查找指定原子名字的对象 也可能提供建立/删除/枚举binding的操作 Initial Context 用户使用命名服务的入口

Subcontext 某个Context对象中的原子名字可以与另一个Context对象绑定，此时后者就是前者的subcontext 目的是为了支持复合名字的查找 按照原子名字的顺序在对应的subcontext中查找binding 在UNIX文件系统中，目录类似subcontext（usr, local），而路径名类似复合名字(usr/local/bin)

解析名字 根据名字查找属性的过程

3、目录服务 目录服务 是增强的命名服务 存储了一组名字与属性的关联集合 基本实现

目录对象(Directory object) 命名系统中一类特殊的对象，用以表达计算环境的多种信息 换言之，维护了（分布或集中式）系统中资源的名字与及其多种信息的映射关系 一个目录对象具有多个属性(attributes) 一个属性具有一个标识符(identifier)以及一组值(values) 一个目录对象同时可以是一个context，因此，这种特殊的对象不仅可以维护名字到对象的映射，也可以维护与这个binding相关的一些信息 CORBA Trader Service

4、合约服务 合约服务 是增强的目录服务 可以在不断变化的网络环境中提供定位服务的功能 目前只有 Web服务的UDDI提供合约服务 合约服务 是增强的目录服务 可以在不断变化的网络环境中提供定位服务的功能 目前只有 Web服务的UDDI提供合约服务 CORBA的接口池提供了接近该功能的服务 动态性是网络环境的核心特点之一 这个特点影响了所有基于网络环境的应用系统 以商业系统为例： 必须持续不断地寻找哪些商业伙伴可以提供什么样的服务 在一个不断变化的网络环境中 快速地发现上述结果是一件十分困难的工作

UDDI 最核心的部分是 一个基于仓库池的目录服务 可以用来进行自动查询Web服务 UDDI的仓库池存放的是 业务实体（例如公司）的信息 以及它们所提供服务的相关信息 例如公司地址、联系人等 UDDI提供了一组API 允许软件同UDDI仓库池交换数据 例如注册、查找等 从而让用户得到所需要的Web服务的信息 UDDI 提供了一种基于分布式的商业注册中心的方法 该中心维护了企业和企业提供的Web服务的全球目录 其中的信息描述格式基于通用的XML 格式

UDDI的核心部分是UDDI商业注册库 企业本身和它所提供的服务都由一个XML文件来描述 从概念上说，UDDI商业注册库提供的信息由三部分组成： “白页”包括企业的地址、联系方法和得到公认的标记符 “黄页”包括标准的行业分类 “绿页”包括企业所提供服务的技术规格（规范） 绿页还包含了与该服务描述的关联 如果有必要的话 还包含与其他基于文件或URL的发现机制的关联

UDDI中四种信息之间的关系 UDDI定义了四种类型的信息 这些信息是技术人员 在需要使用合作伙伴 所提供的Web服务时 必须了解的技术信息： 业务实体信息 业务服务信息 绑定模板信息 服务的规约信息 < 业务实体 > 名字 、 联系方法、描述、标识符、分类 < 业务服务 > (1..n) < 绑定模板 > (1..n) 技术信息 <tModel> （服务规约信息） 名字 描述 指向技术规范的 URL 指针 UDDI中四种信息之间的关系