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1、发展接口总线技术值得思考的一些问题李光汉1，奚全生2，李 淼3，王宏斌4（1. 中国资源卫星应用中心，北京；2 北京航天测控技术开发公司，北京；3.清华紫光比威网络设备有限公司，北京；4.中国专利代理（香港）有限公司，北京）摘要：回顾了测量与控制领域的接口总线技术发展，分析了进入 IT 时代接口总线技术面临的特点，简述了中间件对策，安全对策，自治化对策三个方面的发展思路。关键词：接口总线；中间件；安全；自治化进入 21 世纪，人类来到了信息时代的大门口。党的十六大提出要 “坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化 ” 。在 IT 时代，如何发展接口总线技术，成为值得思考的问题。本文以 “计算
2、机测量与控制 ”应用中的接口总线 ，进行讨论。1接口总线技术发展的历史回顾在 60 年代末期发展起来的 CAMAC 技术，是在人类科技进步许多重大事件尚未出现前产生的。事实上， CAMAC 技术怎么与各种重大科技创新同步发展，也是几十年来接口总线工作者一直奋斗的目标。70 年代的网络技术， CAMAC 有分枝驱动器，机箱控制器为中心的组网技术与之同步。80 年代，微电子学技术促使 IC 技术发展推动了 CAD、CAM、CAT、FMS、直至CIMS，这时 CAMAC 必须跳出原有规范的框架，考虑同步发展CAMAC 技术。例如原有CAMAC 时钟主频 800ns，原有 CAMAC 适应分离元件及中
3、小规模 IC 时的机械尺寸，电源指标等，也应适应新技术发展， VXI 等便应运而生。到 90 年代“客户机/服务器”体系结构发展，面向对象技术的发展，促使 “工业控制组态 ”技术发展与应用。从时间上看，接口总线技术，经由 ACAMAC，到 VXI，到“工控组态”逻辑，适应了各个时期的计算机应用的发展。到 20 世纪末，21 世纪初， “客户机/服务器”体系结构已不适应用户需求。2. IT 时代接口总线技术的对策2.1 接口总线技术的中间件对策IT 时代接口总线系统可以成为企业中实现信息流到物流间的互联接口。企业运作业务越来越复杂，即接口总线所嵌入的环境越来越复杂。企业可以有多种数据库、多种操作
4、系统、异构的网络环境。企业对网络信息系统的应用，是一个集成的有机协同的工作整体。对此企业应用特点， 20 世纪末，21 世纪初，人们提出 “中间件”（Middleware）概念，以便于企业应用系统的开发。 90 年代初“客户机/服务器”模式成为网络应用的主流技术，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机实现 ,即所谓“胖终端”解决方案。这种两层结构模式阻碍了系统发展。单一的服务器结构紧密地依靠计算机供应商，数据存取受到限制，难以扩展跨国公司的广域网，也难以管理客户端的机群。系统对用户而言，最大困难在于用户开发自己的在 internet/intranet 环境下的应用系统困难太
5、大。 如何让用户开发难度变小，即把“胖终端”变为“瘦终端” 。而应用系统开发都是以操作系统及系统软件为支撑。现有的系统软件又不支持 “瘦终端” ，这时计算机工作者想在系统软件与应用软件之间加一中间层，以屏蔽应用系统开发的困难。对用户而言，开发应用软件简单；对系统软件而言，使其更好支撑应用软件开发。这种介于应用软件与系统软件之间的支撑功能称为“中间件” ，也可视为操作系统与相应工具功能的扩充。接口总线系统的软件是实现企业的决策、管理、设计到生产、测试、运行的互联软件。因此，接口总线系统如何适应 IT 时代“中件间”的特点，是应考虑的问题。早期接口总线的代表CAMAC应用的技术思路可供借鉴。 CA
6、MAC 有两件工作。第一件是在计算机的操作系统与编译系统之上，增加一层子程序系统，如 “CAMAC SUBROUTINE FOR FORTRAN/BASIC”至于是把 CAMAC 功能子程序作为语言编译系统的一部分，或是作为FORTRAN/BASIC 在高级语言级的扩充，则是另一个属于实现方案的深层次问题，可以不加讨论。 第二件是 CAMAC 应用软件中调用子程序系统实现 CAMAC 的应用需求。仿此方法，在 IT 时代，若仍走 CAMAC 路线的接口总线技术也要作这两件事。主要工作是第一件事也要有一个“CAMAC SUBROUTINE For Middle Ware on internet/
7、intranet”,即“因特网上的中间件接口总线子程序系统 ” 。此处“CAMAC”这个符号表示接口总线的意思。有了第一件工作，第二件工作就是用接口总线子程序来编写接口总线系统的应用软件。方法与 CAMAC 完全类似。当前国内外中间件发展，有 “通信处理（消息）中间件 ” 、“事务处理（交易）中间件 ” 、 “数据存取管理中间件 ” 、 “web 服务器中间件 ” 、 “安全中间件” 、 “跨平台和构件中间件 ”等。开发中间件的困难有三 ：一是企业中的计算机是由不同厂商生产的计算机，有一个跨平台的问题；二是网络系统中有不同的协议，有一个跨协议的问题；第三是网上传输与处理的数据品目繁多，有一个跨
8、不同数据结构格式的问题。这三个问题，即是开发中间件的困难，也是开发接口总线系统子程序的困难，又是开发接口总线应用软件必须考虑的问题。第一， 关于跨平台问题，早在 1970 年 UNIX 操作系统就考虑了此类问题。 UNIX的层次结构如图 1 所示。图 1UNIX 由 C 语言写成,若换一台计算机 ,只用改写 800 行左右与计算机硬件相关的机器代码,UNIX 的其余部分不变 ,因此在 UNIX 的移植意义下 ,把跨平台问题解决，压缩到写 800 行代码的问题。于是由硬件与 800 行代码构成了一台抽象的系统 ,对此抽象的系统 UNIX 跨出了硬件平台。到 internet/intranet 时
9、代，跨平台问题更为突出，因为上网计算机来自不同厂商，相差甚远。JAVA 语言是跨平台的典范。 JAVA 编译如图 2 所示。JAVA 把编译系统分为编译环境与运行环境。编译环境解决通常编译技术的词法 扫描、语法识别、中间代码产生。这里中间代码即字节码。可以将中间代码设计为一图 2UNIX 操作系统C 语言编译系统800 行左右的机器代码硬件层JAVA 源程序(JAVA 文件)目标载入器,字节码检验器操作系统编译环境编译器字节码( class 文件)运行环境虚拟机运行系统解释器即时编译器硬件移入字节码(通过网络或本机)种抽象的语言。而把目标计算机的特殊问题，留待运行环境解决。运行环境中的关键问题
10、是虚拟机。虚拟机实现把字节码形成的一种中间形式的代码解释而成目标计算机可以执行的程序。虚拟机中通过即时编译器及运行系统，把字节码解释为硬件与操作系统能识别的在目标计算机上能运行的程序。因此把平台上个性的特征，由虚拟器来屏蔽掉。解决问题的办法，仍然与 UNIX 移植的办法有相似之处。 UNIX 是用 800 行与硬件相关的代码连同硬件实现出一个抽象的计算机，让UNIX 的语法语义中通用部分针对这台抽象机为目标模拟运行。 JAVA 则以硬件、操作系统，连同虚拟机三者结合成为一台抽象机为目标，让 JAVA 中通用的语法语义针对这台目标机模拟运行。 JAVA的跨平台的解决方案可由层次结构图 3 更清晰
11、看出。此图中以 UNIX 为例。图 3IT 时代,接口总线系统是在 internet/intranet 上嵌入其中的。前面提到的一种设想要开发“CAMAC SOBROUTINE FOR Middleware on internet/intranet”这样的系统。接口总线技术工作者，并不要求去作如图3 这样的 JAVA 系统的开发工作，但要能在JAVA 这样的系统中，把接口总线的功能集成进去。如同早期的 “ CAMAC SUBROUTINE FOR FORTRAN/BASIC”这样的系统中，实现 “LAM 说明” ， “LAM链接”这样的子程序,要能在操作系统及编译系统的相应接口部分作开发。如操
12、作系统中“中断管理程序 ”部分，要进行“中断向量”的重排， “中断处理程序 ”的链接工作。CAMAC 技术工作者不用开发操作系统，但要会扩充操作系统。接口总线工作者不用开发“中间件” ，但要会在“中间件”中嵌入接口总线技术系统。思路与具体工作很类似。第二， 跨不同协议的问题。 IT 时代在网上的接口总线也面对的是品目繁多的协JAVA 应用软件JAVA 编译环境JAVA(解释/即时编译)虚拟机运行系统操作系统800 条代理硬件议。前面列举的跨平台问题时的虚拟机，许多问题解决就与协议有关。所谓协议就是共同的关于数据结构格式和控制结构格式的一些约定。这种共同约定，有时称协议，有时称标准，有时称规格说
13、明。计算机中没有这种约定，无法工作。IT 时代的接口总线运行在 internet/intranet 上,也应遵守这些约定。一台计算机操作系统在某种意义上讲，要解释、应用、适配这台计算机的各种规范及协议才能开发出来。在网络上，与操作系统相应的有网络管理系统，如比较早期SNMP，即“简单网络管理协议 ” ，其典型结构如图 4 所示，表示了网络管理的功能及简单逻辑结构。图 4介绍 SNMP，其目的是为了解跨协议的问题如何解决的思路。 SNMP 是要把网络管理好，从图 4 可以看出，管理网络的各种功能，是通过 “数据库/知识库” ，还通过“管理协议机” ，再通过“协议栈” 。网络各种功能管理，最终要管
14、理各种协议。网络技术发展中网络管理越来越重要， SNMP 这类协议，已成为网络运行的保障。现代网络管理包括四个基本组成部分。第一部分是 “网络管理器” （Network Manager）,可以安装于网上任一台宿主计算机上。第二部分是若干个 “被管理代理” （Managed Agents） ，可以安装在网上某些计算机上，“被管代理”将受“网络管理器”委托，实现对指派的网络资源的管理。第三部分是一个公共的 “网络管理协议 ” （Network Management Protocol）,SNMP 是其中一种。第四部分是 “管理信息库” （MIB） 。这四部分中网络管理协议是最重要的，这定义了网络管理
15、器与被管代理间的通信方式，规定了 MIB 的存储者结构与访问方法，信息库中关键字的定义及各种事件的处理方法。用户接口网络管理员 (Adminis -tration)计费管理 （Accounting management)配置管理 （Configuration management)故障管理 （Fault management )性能管理 （Perform management )安全管理 （Security management )分布式管理 （Distributed management)数据库/知识库(Database/knowledge)协议管理机协议堆栈协议堆栈第三，跨不同数据结构格式
16、。为解决数据结构格式不一致问题，计算机工作者已作出了不断努力。如 FORTRAN 语言中， “整型说明” 、 “实型说明” 、 “数组说明” ，解决了大量矩阵运算的需求。 COBOL 语言中， “数据部” 、 “图画语句” ，解决了表格运算的需求。在接口总线中，“中断说明” 、 “中断链接” 、 “中断分级” ，解决了接口总线应用系统处理 “随机事件” 、 “随机时间”的需求。2.2 接口总线的安全对策IT 时代，信息与网络安全问题已成为影响上网应用的关键问题。军事机密、政治机密、商业机密、各种各样的机密，在 internet/intranet 出现后使问题严重、复杂。接口与总线技术也面临安全问题。举例说， Intel 这样的知名公司，曾聘用 Schwart 担当该公司的网络管理员，负责信息安全工作。 Schwart 是程序设计领域作过举足轻重贡献，在 internet 领域有很大影响的计算机科学家。他要为Intel 公司的存于磁盘上的产品有关的核心机密信息安全负责。 Intel 公司还有另一台计算机，其信息安全不是Schwart 的职责。但 Schwart 私下编写了破解
