帶可信屬性的軟件體系結(jié)構(gòu)及其演化描述方法

姜火文，曾國蓀，熊煥亮，3

（1.江西科技師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，江西 南昌330038；2.同濟(jì)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，上海201804；3.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院，江西 南昌330045）

0 引 言

軟件體系結(jié)構(gòu) （software architecture，SA）演化主要涉及軟件系統(tǒng)中構(gòu)件或連接件的增加、刪除、替換，以及構(gòu)件聯(lián)系和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等的改變［1－4］。體系結(jié)構(gòu)及其演化過程的描述始終是SA演化研究的重點。文獻(xiàn)［5－8］用不同的體系結(jié)構(gòu)描述語言ADL （architecture description language）描述SA的組成及演化操作，具有形式化、描述精確等優(yōu)點，但大多數(shù)ADL主要用于描述SA的規(guī)范，以及側(cè)重分析SA 演化的某一方面，在整體上刻畫SA 演化方面還存在一些不足［9］；文獻(xiàn) ［10，11］采用統(tǒng)一建模語言UML（unified modeling language）描述或分析SA演化，具有圖形化、直觀、易理解等優(yōu)點，而UML主要是一種面向?qū)ο蟮慕ＵZ言，更適合SA模型的描述，缺乏形式化語義，難以精確刻畫SA演化的特性［12］；文獻(xiàn) ［13－15］的研究均用圖描述SA，對圖的使用，各自賦予了不同涵義，但研究沒有討論基于構(gòu)件增、刪等基本操作的SA 演化過程，也沒有涉及軟件的可信特性；文獻(xiàn)［4，16］研究了基于超圖文法的SA動態(tài)演化，但沒有考慮軟件的可信要求；文獻(xiàn) ［17］研究了一種支持軟件可信演化的構(gòu)件模型，側(cè)重研究提高構(gòu)件的環(huán)境感知與適應(yīng)能力，來保證可信演化，但沒有提取并表達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)件可信屬性，也沒有具體研究帶可信屬性表達(dá)的SA的演化過程。

可見，盡管有多種SA 及其演化的描述方法，但很少有表示構(gòu)件可信屬性，缺少對帶構(gòu)件可信屬性SA 演化的描述。本文提出類E－R圖描述方法，支持描述考慮可信屬性的SA演化，對帶可信屬性的SA 建立類E－R圖表示，并給出其形式化描繪，刻畫構(gòu)件和連接件的增加、刪除、替換操作，最后通過一個演化實例，例證了該描述方法的有效性。

1 SA－T及其類E－R圖表示

1.1 帶可信屬性的SA （SA－T）

定義1 （軟件體系結(jié)構(gòu)SA）：一個軟件系統(tǒng)的SA 由構(gòu)成功能單元的構(gòu)件，連接構(gòu)件并建立構(gòu)件間交互的連接件，以及規(guī)范構(gòu)件和連接件之間連接配置和相關(guān)拓?fù)湟蟮募s束。SA可以表示為一個3元組SA ＝（Cp，Cj，Cr），其中，Cp表示構(gòu)件集合；Cj表示連接件集合，Cr表示約束集合。

需要指出，對SA，迄今為止并沒有一個公認(rèn)的定義，本文所給定義參考了文獻(xiàn) ［4］中的概念。這里，構(gòu)件（component）指具有一定功能的軟件實體，可以是體現(xiàn)為一組代碼的程序模塊；也可以是獨立的一個程序。連接件（connector）在構(gòu)件之間起連接作用，定義了構(gòu)件間的交互，如過程調(diào)用、管道等都可以被看成連接件。約束（constraint）指某些限制 （constrain），用來確定如構(gòu)件是否連接正確、端口與角色是否匹配等，約束描述了軟件系統(tǒng)中構(gòu)件、連接件以及配置的相關(guān)要求［18］。

可信性是衡量軟件品質(zhì)量的重要屬性，軟件可信屬性主要包括功能完備性 （completeness）、行為一致性 （consistency）、質(zhì)量可靠性 （reliability）和程序安全性 （security）。功能完備性指軟件能多大程度上實現(xiàn)其預(yù)先設(shè)計的功能，并滿足用戶需求；行為一致性指軟件在運行過程中，前后系統(tǒng)行為不引起操作沖突、表現(xiàn)為運行中系統(tǒng)維持操作不矛盾的能力；質(zhì)量可靠性指系統(tǒng)面對應(yīng)用或者錯誤，在意外或者錯誤使用的情況下維持功能特性的能力；程序安全性指系統(tǒng)向合法用戶提供服務(wù)的同時，能夠阻止非授權(quán)用戶使用或者拒絕服務(wù)的能力。以上4個屬性綜合體現(xiàn)了軟件的可信性，構(gòu)成軟件可信的特征空間，其中每個屬性實質(zhì)是一個信任證據(jù)向量，如質(zhì)量可靠性包括平均可用時間、平均無故障時間、平均故障恢復(fù)時間等信任證據(jù)。

定義2 （構(gòu)件的可信屬性）：指反映構(gòu)件的質(zhì)量與性能等方面可信特性的屬性集，即功能完備性、行為一致性、質(zhì)量可靠性和程序安全性等。

構(gòu)件是軟件的功能組成單位，是構(gòu)成SA 并研究其演化過程的主要載體，軟件可信屬性通過各個構(gòu)件的可信屬性體現(xiàn)。構(gòu)件可信屬性可以用基于觀測邏輯的狀態(tài)自動機(jī)、接口協(xié)議狀態(tài)機(jī)和契約自動機(jī)等方法分析、評估，根據(jù)多個信任證據(jù)向量來源，綜合判斷構(gòu)件的可信度。SA 演化前后，根據(jù)可信度與設(shè)定閾值的比較，可分別決定演化是否進(jìn)行、演化能否被接受。

定義3 （帶可信屬性的SA，SA－T）：指在SA表示及演化過程描述中，包含有功能完備性、行為一致性、質(zhì)量可靠性和程序安全性，這4個構(gòu)件可信屬性表達(dá)的SA。即Software Architecture with Trusted Attributes，本文簡稱SA－T。

SA－T 的表示及演化描述是SA 可信演化研究的必要基礎(chǔ)，其意義表現(xiàn)在兩個方面：一是演化前的可信性評估，可用于控制演化是否進(jìn)行，當(dāng)評估的可信度大于設(shè)定的閾值被認(rèn)為是可信的，可信構(gòu)件才允許進(jìn)行演化，不可信構(gòu)件的演化將蘊含風(fēng)險，禁止演化。二是演化后的可信度驗證，可用于監(jiān)控演化效果，方便系統(tǒng)決定是否接受該演化，或改變演化策略。本文研究在于提出一種描述方法，刻畫包含構(gòu)件可信屬性表示的SA 及其演化過程。進(jìn)一步地，對構(gòu)件可信屬性特征值的感知、評估與驗證等技術(shù)，將在后續(xù)論文中展開討論。

1.2 SA－T的類E－R圖表示

在數(shù)據(jù)庫設(shè)計中，經(jīng)常用到E－R圖 （entity relationship diagram）也稱實體－關(guān)系圖。在E－R圖中有4個成分：矩形框，表示實體，框中記入實體名；菱形框，表示聯(lián)系，框中記入聯(lián)系名；橢圓形框，表示實體或聯(lián)系的屬性，框中記入屬性名；連線，連接實體與聯(lián)系之間、實體與屬性之間和聯(lián)系與屬性之間的直線，直線上標(biāo)注聯(lián)系的類型，如：一對多聯(lián)系，在連線一的一方寫1，多的一方寫N。本文引入E－R圖形，對其4種成分賦予新的表達(dá)涵義，矩形框表示構(gòu)件、菱形框表示連接件、橢圓形框表示構(gòu)件可信屬性、帶標(biāo)注記號的連線表示構(gòu)件與連接件之間存在的相互關(guān)系，稱為 “類E－R圖”，用于表示帶可信屬性的軟件體系結(jié)構(gòu)。

圖1 為類E－R 圖表示的一個SA－T 實例，其中包含3個構(gòu)件：Client、Webserver 和DBMS，每個構(gòu)件附帶功能完備性、行為一致性、質(zhì)量可靠性和程序安全性這4個可信屬性；2個連接件：C－W Connector 和W－D Connector；4條帶標(biāo)記的邊 （簡稱標(biāo)記邊）：連接各構(gòu)件和連接件，表示相應(yīng)構(gòu)件和連接件之間的交互關(guān)系，其中邊上面的標(biāo)記表示構(gòu)件傳遞給連接件的消息、邊下面的標(biāo)記表示連接件傳遞給構(gòu)件的消息，如：Rclient、Rwebserver、ADBMS、RC－W分別表示客戶請求、Web服務(wù)器請求、數(shù)據(jù)庫管理器響應(yīng)和Web服務(wù)器響應(yīng)等構(gòu)件與連接件的交互關(guān)系。

圖1 Client／Webserver系統(tǒng)SA－T 的類E－R

類E－R圖可直觀地表示SA－T 的結(jié)構(gòu)組成，還可以描述SA－T 的可觀交互行為。SA－T 的可觀行為是指軟件系統(tǒng)中構(gòu)件與連接件之間外部可見的交互序列，例如構(gòu)件間通信時發(fā)生的交互動作序列［7］。如圖1 中所示，客戶Client發(fā)出查詢請求Rclient，連接件C－W Connector 收到該服務(wù)請求后，封裝成RC－W、傳送給Web服務(wù)器Webserver，Webserver 響應(yīng)請求、轉(zhuǎn)而發(fā)請求Rwebserver給連接件W－D Connector，經(jīng)W－D Connector 向后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS 發(fā)查詢請求RW－D，DBMS 響應(yīng)請求、發(fā)響應(yīng)信號ADBMS給W－D Connector，經(jīng)W－D Connector 封裝、轉(zhuǎn)發(fā)AW－D回應(yīng)給Webserver，Webserver 再將響應(yīng)消息AWebserver回復(fù)給CW Connector，再經(jīng)C－W Connector 檢查封裝、最后將響應(yīng)消息AC－W發(fā)給Client，完成一次完整的信息交戶過程。從圖1中抽離出該部分SA 可觀行為序列，可以表示為

2 SA－T基本演化操作的類E－R圖描述

SA－T 演化過程主要通過構(gòu)件或連接件的增加、刪除、替換等基本操作實現(xiàn)，研究SA－T 演化過程必須考慮體系結(jié)構(gòu)的表示和演化操作的描述。如引言所述，研究者分別采用了ADL、UML、圖或超圖等作為描述工具，通過建立相關(guān)的形式語義或超圖文法建模SA 演化過程，各有優(yōu)勢與缺陷。本文選用類E－R 圖及其形式化的描述方法，可以更直觀、簡便地描述SA－T 及其基本演化過程。為方便對類E－R圖表示的SA－T 演化操作進(jìn)行形式化描述，下面先建立SA－T 圖及其形式化描述的概念。

2.1 SA－T圖及其形式化描述

定義4 （SA－T 圖）：利用類E－R 圖表示的一個帶可信屬性的軟件體系結(jié)構(gòu)圖，稱之為SA－T 圖，可以表示為一個五元組GSA＝（VSA，ESA，ecp，ecn，ARSA）。

例如上文圖1即為一個SA－T 圖。在SA－T 圖的五元組GSA＝（VSA，ESA，ecp，ecn，ARSA）中，VSA是圖中節(jié)點集合，表示SA－T 中所有構(gòu)件或連接件，即VSA＝（Cp，Cj），Cp是構(gòu)件集合、Cj是連接件集合；ESA是標(biāo)記邊集合，表示SA 中構(gòu)件與連接件之間的交互關(guān)系 （即可以表示兩者間的通信端口）；ecp和ecn均為VSA上的映射關(guān)系，分別是連接件和構(gòu)件的入節(jié)點映射，表示構(gòu)件與連接件之間的交互關(guān)系，其中，ecp：Cp→Cj，表示構(gòu)件到連接件的消息輸入，標(biāo)記在連接邊的上方，ecn：Cj→Cp，表示連接件到構(gòu)件的消息輸入，標(biāo)記在連接邊的下方；ARSA表示軟件構(gòu)件的可信屬性集合，由Completeness、Consistency、Reliability和Security這4個構(gòu)件的可信屬性組成。

在SA－T 圖中，具體的構(gòu)件ci、連接件cni可以分別用一元關(guān)系Cp（ci）和Cj（cni）表示；ci和cni的連接關(guān)系，即兩者的連接邊ei可以用二元關(guān)系ei（ci，cni）表示；構(gòu)件與連接件的交互關(guān)系，即消息傳遞關(guān)系ecp，ecn可以分別用一元關(guān)系cp（ei）和cn（ei）表示，cp（ei）表示對應(yīng)邊ei上，由構(gòu)件ci輸出到連接件cni的消息，cn（ei）表示反方向的、由cni輸往ci的消息流。

SA－T 演 化 可 以 表 示 為SA－T 圖 的 變 換。基 于SA－T圖中各成分的一元或二元關(guān)系表示，可以很方便地利用集合并、差運算來反映圖中各成分的增減，從而建立SA－T 圖變化的形式化描述，方便刻畫SA－T 的演化過程。增加、刪除或替換構(gòu)件／連接件的操作構(gòu)成SA－T 的基本演化，而諸如拆分或重組構(gòu)件／連接件等復(fù)雜演化，都能由一些基本演化操作組合而成。下面針對SA－T 圖，分別給出其構(gòu)件和連接件的增加、刪除和替換演化的類E－R 圖描述。

2.2 SA－T演化的類E－R圖描述

軟件體系結(jié)構(gòu)演化包括構(gòu)件或連接件的增加、刪除基礎(chǔ)演化及替換、拆分、重組等復(fù)合演化。為方便討論，本節(jié)以增加、刪除和替換3個典型演化為例，給出SA－T 演化的類E－R圖描述方法。

2.2.1 增加構(gòu)件和連接件

假定G 為當(dāng)前SA－T 圖，增加一個構(gòu)件、連接件演化可以分別形式化描述為式 （1）、式 （2）

其中，式 （1）中Cp（ci）表示構(gòu)件ci；e1（ci－G（cn1））表示構(gòu)件ci與SA 圖G 中某連接件cn1的連接，該連接邊可能不止一條，即某構(gòu)件可能分別通過多個連接件與多個其它構(gòu)件建立聯(lián)系；cp（e1），cn（e1）表示對應(yīng)邊e1上構(gòu)件與連接件的交互關(guān)系，分別代表構(gòu)件ci的輸出與輸入方向消息流；ARci（Completeness），…，ARci（Security）表示構(gòu)件ci附帶的可信屬性。式 （2）中，Cj（cni）表示連接件cni，e1（cni－G（c1））表示連接件cni與SA圖G中某構(gòu)件c1的連接，該連接邊也可能不止一條，即該連接件可能互聯(lián)了兩個構(gòu)件；cp（e1），cn （e1）分別表示對應(yīng)邊e1上的交互關(guān)系。圖2為增加一個構(gòu)件／連接件演化操作的類E－R圖表示。

2.2.2 刪除構(gòu)件和連接件

刪除一個構(gòu)件、連接件的演化操作可以分別形式化描述為式 （3）、式 （4）

圖3用類E－R圖表示了刪除一個構(gòu)件／連接件的操作。

2.2.3 替換構(gòu)件和連接件

替換一個構(gòu)件、連接件演化操作可以分別形式化描述為式 （5）、式 （6）

圖4為類E－R圖表示的一個構(gòu)件／連接件的替換操作。

圖2 增加一個構(gòu)件／連接件的操作

圖3 刪除一個構(gòu)件／連接件的操作

圖4 替換一個構(gòu)件／連接件的操作

3 SA－T演化描述實例

為進(jìn)一步說明SA－T 演化過程的類E－R 圖及其形式化描述方法，這里通過一個基于web的電子商務(wù)系統(tǒng)的演化實例說明。該系統(tǒng)包含3 類構(gòu)件：web客戶、web服務(wù)器和SQL Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，兩類連接件：web 客戶與web服務(wù)器間的連接件 （簡稱web連接件）和web服務(wù)器與SQL server數(shù)據(jù)庫服務(wù)器間的連接件 （簡稱SQL 連接件）。Web客戶通過web連接件向web服務(wù)器發(fā)出查詢請求，web服務(wù)器再通過SQL連接件向SQL Server發(fā)出訪問數(shù)據(jù)信息，SQL Server完成操作、將響應(yīng)信號通過SQL 連接件發(fā)回給web服務(wù)器，web服務(wù)器再通過web連接件將信息發(fā)回給對應(yīng)的客戶，完成一次用戶訪問操作。該系統(tǒng)的SA如圖5所示，其中3個矩形框WebClient、WebServer 和SQLServer分別表示web客戶、web服務(wù)器和SQL Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，連接它們的4個橢圓框Completeness、Consistency、Security和Reliability分別表示各自的可信屬性；兩個菱形框WebConnector和SqlConnector分別表示web連接件和SQL連接件；RWClient、AWCon、RWebS、…分別表示web客戶請求、對web客戶的響應(yīng)、web服務(wù)器請求、…等。

圖5 系統(tǒng)初始SA－T

無線網(wǎng)絡(luò)和移動終端技術(shù)的發(fā)展，使移動電子商務(wù)成為可能與趨勢，為了適應(yīng)該發(fā)展需求，系統(tǒng)需要相應(yīng)改變，即進(jìn)行演化。假定改變辦法是：①改用功能更強的新服務(wù)器 “WMServer”取代原web服務(wù)器，新服務(wù)器既支持原web服務(wù)器的功能又支持移動電子商務(wù)功能，即利用上述演化式 （5）進(jìn)行構(gòu)件替換操作。②新增移動連接件和移動客戶，以體現(xiàn)系統(tǒng)對移動用戶電子商務(wù)需求的支持，即分別利用上述演化式 （2）和式 （1）進(jìn)行添加連接件和添加構(gòu)件的演化操作。圖6為按此辦法演化后系統(tǒng)的SA－T。

圖6 增加移動電子商務(wù)功能后系統(tǒng)的SA－T

將上文中的圖5標(biāo)記為G1，圖6標(biāo)記為G′1。則G1到G′1的變換表示了對原電子商務(wù)系統(tǒng)增加移動電子商務(wù)功能的演化過程，可描述為

4 結(jié)束語

軟件演化已成為軟件的一種存在形式，軟件只有通過演化才能維持它的可用性。體系結(jié)構(gòu)演化從更高抽象層次反映了軟件演化，是研究與實現(xiàn)軟件演化的重要手段。目前，軟件可信演化正成為軟件演化研究的一個重要方面，而SA 可信演化則是研究軟件可信演化的主要途徑。研究SA 可信演化，一般要考慮SA－T 的表示及其演化描述。本文提出的類E－R 圖描述方法，既有圖的形式化理論基礎(chǔ)，又有類E－R 圖形化的簡潔形象，能準(zhǔn)確直觀地描述SA－T及其演化過程。論文工作為深入研究SA 可信演化奠定了基礎(chǔ)，后續(xù)我們將研究SA－T 演化前后構(gòu)件可信屬性特征值的感知、分析與驗證，SA 行為語義演化的描述等。

［1］Salehie M，Tahvildari L.Self－adaptive software：Landscape and research challenges ［J］.ACM Transactions on Autonomous and Adaptive Systems，2009，4 （2）：1－42.

［2］Breivold HP，Crnkovic I，Larsson M.A systematic review of software architecture evolution research ［J］.Information and Software Technology，2012，54 （1）：16－40.

［3］CHENG Xiaoyu，ZENG Guosun，XU Hongzhen.Description of software architecture evolution based on Delta－Grammar［J］.Computer Science，2010，37 （9）：127－130 （in Chinese）.［程曉瑜，曾國蓀，徐洪珍.基于Delta－Grammar的軟件體系結(jié)構(gòu)演化的描述 ［J］.計算機(jī)科學(xué)，2010，37 （9）：127－130.］

［4］XU Hongzhen，ZENG Guosun.Dynamic evolution of software architectures based on hypergraph grammars ［J］.Journal of Tongji University （Natural Science），2011，39 （5）：745－750（in Chinese）.［徐洪珍，曾國蓀.基于超圖文法的軟件體系結(jié)構(gòu)動態(tài)演化 ［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2011，39（5）：745－750.］

［5］Navasa Amparo，Perez－Toledano Miguel A，Murillo Juan M.An ADL dealing with aspects at software architecture stage［J］.Information and Software Technology，2009，51 （2）：306－324.

［6］Di Ruscio Davide，Malavolta lvano，Muccini Henry，et al.Developing next generation ADLs through MDE techniques［C］／／32nd International Conference on Software Engineering，2011：85－94.

［7］Mei H，Chen F，Wang QX，et al.ABC／ADL：An ADL supporting component composition ［G］.Lecture Notes in Computer Science 2495：Formal Methods and Software Engineering，2012：38－47.

［8］CHEN Xiangping，HUANG Gang，SONG Hui，et al.MOF based framework for intergration of software architecture analysis results［J］.Journal of Software，2012，23 （4）：831－845 （in Chinese）.［陳湘萍，黃罡，宋暉，等.基于MOF的軟件體系結(jié)構(gòu)分析結(jié)果集成框架［J］.軟件學(xué)報，2012，23（4）：831－845.］

［9］Mens T，Magee J，Rumpe B.Evolving software architecture descriptions of critical systems ［J］.IEEE Computer，2010，43 （5）：42－48.

［10］Qu Chunyan.UML－based software process modeling ［C］／／International Conference on Computer，Mechatronics，Control and Electronic Engineering，2010：247－250.

［11］Spanoudakis George，Zisman Andrea.Discovering services during service－based system design using UML ［J］.IEEE Transactions on Software Engineering，2010，33 （3）：371－389.

［12］Pelliccione P，Inverardi P， Muccini H.CHARMY： A framework for designing and verifying architectural specifications ［J］.IEEE Transactions on Software Engineering，2009，35 （3）：325－346.

［13］Frank Hermann，Hartmut Ehrig，Ulrike Golas，et al.Formal analysis of model transformations based on tripe graph grammars［G］.LNCS 5214：Graph Transformations，2008：178－193.

［14］Amirat Abdelkrim，Bouchouk Abderrezak，Yeslem Mohamed Ould，et al.Refactor software architecture using graph transformation approach ［C］／／Second International Conference on the Innovative Computing Technology，2012：117－122.

［15］Li Chen，Huang Linpeng，Chen Luxi，et al.BGG：A graph grammar approach for software architecture verification and reconfiguration ［C］／／Seventh International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing，2013：291－298.

［16］XU Hongzhen，ZENG Guosun，CHEN Bo.Conditional hypergraph grammars and its analysis of dynamic evolution of software architectures ［J］.Journal of Software，2011，22（6）：1210－1223 （in Chinese）.［徐洪珍，曾國蓀，陳波.軟件體系結(jié)構(gòu)動態(tài)演化的條件超圖文法及分析 ［J］.軟件學(xué)報，2011，22 （6）：1210－1223.］

［17］DING Bo，WANG Huaimin，SHI Dianxi，et al.Component model supporting trustworthiness－oriented software evolution［J］.Journal of Software，2011，22 （1）：17－27 （in Chinese）.［丁博，王懷民，史殿習(xí)，等.一種支持軟件可信演化的構(gòu)件模型 ［J］.軟件學(xué)報，2011，22 （1）：17－27.］

［18］Tibermacine Chouki，Sadou Salah，Dony Christophe，et al.Component－based specification of software architecture constraints［C］／／Proceedings of the 14th International ACM Sigsoft Symposium on Component based Software Engineering，2011：31－40.