面向服務(wù)的軟件架構(gòu)及其在醫(yī)用超導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：介紹了基于面向服務(wù)的軟件架構(gòu)及其主要優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)研究了其在醫(yī)用超導(dǎo)監(jiān)控系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。重點(diǎn)闡述了如何使用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)使軟件從功能上實(shí)現(xiàn)解耦，從而提高軟件的可重用性、可伸縮性、可靠性，并設(shè)計(jì)了具體方案。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：SOA；面向服務(wù)；軟件架構(gòu)；醫(yī)用超導(dǎo)系統(tǒng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.143763

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）002011403

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：田宏宇（1979-），男，江蘇泰州人，碩士，江蘇美時(shí)醫(yī)療技術(shù)有限公司工程師，研究方向?yàn)橥ㄓ密浖?/p>

0引言

近年來，軟件規(guī)模在不斷擴(kuò)大，其復(fù)雜程度也在不斷增加。同時(shí)，隨著業(yè)務(wù)規(guī)模的快速變化，對(duì)軟件的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性提出了更高的要求。這些需求體現(xiàn)在軟件架構(gòu)上就是要求各模塊之間充分解耦，使模塊之間的關(guān)聯(lián)度更小。同時(shí)，要求模塊更加內(nèi)聚，使每個(gè)模塊都能擔(dān)任更專一的職責(zé)。

結(jié)構(gòu)化編程使得程序結(jié)構(gòu)更加清晰，流程更易于理解。面向?qū)ο缶幊谭椒ㄍㄟ^封裝代碼與數(shù)據(jù)來管理軟件復(fù)雜度，以真實(shí)世界的對(duì)象進(jìn)行建模。隨著軟件模塊數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，人們需要在更大的范圍內(nèi)加強(qiáng)內(nèi)聚性，提高軟件的復(fù)用度，由此出現(xiàn)了基于組件的開發(fā)。組件內(nèi)的模塊通過相互協(xié)作，對(duì)外提供更豐富且通用的功能，而組件之間是高內(nèi)聚、松耦合的?；诮M件的開發(fā)更關(guān)注子系統(tǒng)的邊界和子系統(tǒng)間的通訊設(shè)計(jì)。

近年來，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，人們需要通過全樣本的形式分析海量數(shù)據(jù)，對(duì)多節(jié)點(diǎn)、分布式、異構(gòu)的系統(tǒng)需求迫切。這就對(duì)軟件系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求，因而需要重新審視軟件的系統(tǒng)架構(gòu)。

1面向服務(wù)的軟件架構(gòu)

1.1面向服務(wù)架構(gòu)

面向服務(wù)架構(gòu)（Service-Oriented Architecture，SOA）是構(gòu)造分布式計(jì)算應(yīng)用程序的方法，是將軟件設(shè)計(jì)成一組可互操作的服務(wù)的一套原則或方法論，將應(yīng)用程序功能作為服務(wù)發(fā)送給最終用戶或者其它服務(wù)。它采用開放標(biāo)準(zhǔn)，與軟件資源進(jìn)行交互并采用標(biāo)準(zhǔn)的表示方式。

SOA將應(yīng)用程序的不同功能單元（稱為服務(wù)）通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。接口采用中立的方式進(jìn)行定義，它應(yīng)該獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和編程語言，這使得構(gòu)建在這種系統(tǒng)中的服務(wù)可以一種統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互[1]。

1.2SOA實(shí)現(xiàn)原則

在SOA中，服務(wù)通常通過3個(gè)元素來定義：①服務(wù)實(shí)現(xiàn)：服務(wù)的實(shí)現(xiàn)由實(shí)際代碼、應(yīng)用程序接口或包含（將通過此服務(wù)公開的）功能的其它技術(shù)資產(chǎn)組成；②服務(wù)接口：服務(wù)接口為服務(wù)的用戶提供一種基于標(biāo)準(zhǔn)的方法，用于根據(jù)它所提供的契約來訪問其功能；③服務(wù)契約：服務(wù)契約指定服務(wù)的目的、功能、約束和使用。契約細(xì)節(jié)的例子包括安全性需求、響應(yīng)速度、吞吐量和可用性。

1.3WCF——Dot Net中的SOA框架

Windows通信開發(fā)平臺(tái)（Windows Communication Foundation——WCF）是由微軟開發(fā)的一系列支持?jǐn)?shù)據(jù)通信的應(yīng)用程序框架，是.NET框架的一部分，從.NET Framework3.0 開始引入。它整合了.NET2.0及之前版本的.NET Remoting、Web Service以及Socket機(jī)制，并融合有Http和Ftp的相關(guān)技術(shù)，是Windows平臺(tái)上開發(fā)分布式應(yīng)用的最佳實(shí)踐方式。

WCF可簡(jiǎn)單歸結(jié)為4個(gè)部分[2]：①網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議，即用什么網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開放客戶端接入；②業(yè)務(wù)服務(wù)協(xié)議，即聲明服務(wù)提供哪些業(yè)務(wù)；③數(shù)據(jù)類型聲明，即對(duì)客戶端與服務(wù)器端通信的數(shù)據(jù)部分進(jìn)行一致化；④傳輸安全性定義。

通信雙方的溝通方式，由合約規(guī)定；通信雙方所遵循的通信方法，由協(xié)議綁定；通信期間的安全性，由雙方約定的安全性層次規(guī)定。

WCF的三大核心概念如下：

（1）契約（Contract）。WCF 的基本概念是以契約（Contract） 來定義雙方溝通的協(xié)議，合約必須以接口的方式來體現(xiàn)，而實(shí)際的服務(wù)代碼必須由這些合約接口派生并實(shí)現(xiàn)。合約分成了4種：①數(shù)據(jù)契約（Data Contract），訂定雙方溝通時(shí)的數(shù)據(jù)格式；②服務(wù)契約（Service Contract），訂定服務(wù)的定義；③操作契約（Operation Contract），訂定服務(wù)提供的方法；③消息契約（Message Contract），訂定在通信期間改寫消息內(nèi)容的規(guī)范。

（2）協(xié)議綁定 （Binding）。由于WCF支持HTTP、TCP、Named Pipe、MSMQ、PeerToPeer TCP 等協(xié)議，而HTTP 又分為基本 HTTP 支持（BasicHttpBinding）以及 WSHTTP 支持（WsHttpBinding），因而TCP亦支持 NetTcpBinding、NetPeerTcpBinding等通信方式。因此，雙方必須統(tǒng)一通信協(xié)議，并且在編碼及格式上保持一致。

WCF 的服務(wù)可以掛載于 Console Application、Windows Application、IIS （ASP. NET） Application、Windows Service以及Windows Activation Services中，但大多都會(huì)掛在 Windows Service上。

（3）安全性層次。WCF支持傳輸層次安全性以及消息層次安全性兩種：①傳輸層次安全性：在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)期加密，例如SSL；②消息層次安全性：在數(shù)據(jù)處理時(shí)就加密，例如使用數(shù)字簽名、散列或是使用密鑰加密法等。

WCF具有如下優(yōu)勢(shì)[3]：①統(tǒng)一性。WCF是對(duì)于ASMX、.Net Remoting、Enterprise Service、WSE、MSMQ等技術(shù)的整合。給開發(fā)人員一個(gè)統(tǒng)一的開發(fā)接口，將同樣的業(yè)務(wù)邏輯通過不同的通訊協(xié)議綁定來發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了高度的代碼重用；②互操作性。由于WCF最基本的通信機(jī)制之一是SOAP（Simple Object Access Protocol 簡(jiǎn)易對(duì)象訪問協(xié)議），這就保證了異構(gòu)系統(tǒng)之間的互操作性；③安全與可信賴。WSSecurity、WSTrust和WSSecureConversation均被添加到SOAP消息中，以用于用戶認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證、數(shù)據(jù)隱私等多種安全因素；④兼容性。WCF充分考慮到了與舊有系統(tǒng)的兼容性。安裝WCF并不會(huì)影響原有的技術(shù)如ASMX和.Net Remoting。

2SOA在醫(yī)用超導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用

我國(guó)高端醫(yī)療器械領(lǐng)域一直為大型跨國(guó)公司所壟斷。隨著近年來國(guó)家的一系列政策扶持，國(guó)內(nèi)一些公司正在加緊研發(fā)自己的高端醫(yī)療器械，尤其是超導(dǎo)型磁共振成像儀吸引著眾多企業(yè)的關(guān)注。

超導(dǎo)磁體是一種電磁鐵，它由超導(dǎo)導(dǎo)線構(gòu)成，能產(chǎn)生巨大的磁場(chǎng)。由于超導(dǎo)導(dǎo)線在4K的低溫下沒有電阻，因此維持磁場(chǎng)并不會(huì)消耗能量。通常將超導(dǎo)導(dǎo)線浸泡在液氦中以產(chǎn)生4K左右的低溫。

制造超導(dǎo)磁體的一大技術(shù)難點(diǎn)就是如何確保液氦在磁體中不發(fā)生泄漏和蒸發(fā)。因?yàn)橐坏┮汉ば孤?，就無法保證超導(dǎo)導(dǎo)線所需要的4K低溫，從而無法維持磁場(chǎng)，這一現(xiàn)象稱為“失超”。為了達(dá)到氦氣零泄漏這一理想目標(biāo)，一方便要加強(qiáng)超導(dǎo)磁體的密閉性制造工藝，另一方面也要嚴(yán)格對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。

我國(guó)的氦氣十分貧乏，只占全球探明資源總量的0.2%，主要依賴進(jìn)口。而氮?dú)獗群獗阋说枚啵且旱淖畹蜏囟戎荒苓_(dá)到62K左右，達(dá)不到4K要求。因此往往采用先用液氮將溫度降到62K，然后再用液氦將其降溫到4K這種折衷方法，節(jié)約了成本。

需要對(duì)整個(gè)超導(dǎo)系統(tǒng)中的液氮、液氦的溫度、液位等多點(diǎn)多指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，并對(duì)壓縮機(jī)、場(chǎng)強(qiáng)等相應(yīng)設(shè)備提供反饋以增加整體系統(tǒng)的可靠性，而且在整個(gè)超導(dǎo)磁體的生命期（典型值為10年）內(nèi)不能出錯(cuò)。

綜合以上考慮，將整個(gè)超導(dǎo)軟件監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)劃為3項(xiàng)主要服務(wù)：①Coordinator——核心服務(wù)，負(fù)責(zé)將底層接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為格式化的有意義的數(shù)據(jù)，同時(shí)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中；②Display——顯示服務(wù)，負(fù)責(zé)將Core服務(wù)提供的數(shù)據(jù)渲染成更加直觀的圖形界面，以及在系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱?bào)警。同時(shí)在Coordinator服務(wù)狀態(tài)出錯(cuò)時(shí)重啟服務(wù)；③Monitor——狀態(tài)監(jiān)控服務(wù)，負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)軟件系統(tǒng)的健康狀態(tài)以及整個(gè)超導(dǎo)系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

為了提高服務(wù)契約的可重用性，將基礎(chǔ)服務(wù)接口作為其它服務(wù)接口的父接口：

（1）基礎(chǔ)服務(wù)接口IServiceBase：

[ServiceContract]

public interface IServiceBase {

[OperationContract（IsInitiating = true， IsTerminating = false）]

WCFServiceStatus GetServiceStatus（）；

[OperationContract（IsInitiating = true， IsTerminating = false）]

void Stop（）；

[OperationContract（IsInitiating = true， IsTerminating = false）]

void Start（）；

}

IServiceBase接口為所有服務(wù)接口的父接口，增加了查詢服務(wù)狀態(tài)以及開始、停止服務(wù)的契約。

（2）帶回調(diào)的基礎(chǔ)服務(wù)接口ICallbackServiceBase：

[ServiceContract]

public interface ICallbackServiceBase ： IServiceBase {

[OperationContract（IsInitiating = true， IsTerminating = false）]

void Register（）；

[OperationContract（IsInitiating = true， IsTerminating = false）]

void Unregister（）；

}

ICallbackServiceBase進(jìn)一步擴(kuò)展了IServiceBase，提供了注冊(cè)與反注冊(cè)功能。如果想要在服務(wù)狀態(tài)或數(shù)據(jù)有更新時(shí)得到通知，就需要在服務(wù)處用Register注冊(cè)。

（3）核心服務(wù)接口ICoordinator：

[ServiceContract（SessionMode = SessionMode.Required，

CallbackContract = typeof（ICoordinatorCallback））]

public interface ICoordinator： ICallbackServiceBase {

[OperationContract（IsInitiating = true， IsTerminating = false）]

bool QueryDeviceUsability（string deviceName）；

[OperationContract（IsInitiating = true， IsTerminating = false）]

void ReadValue（string deviceName）；

[OperationContract（IsInitiating = true， IsTerminating = false）]

void ReadChannelValue（string deviceName， int ch）；

}

Coordinator服務(wù)實(shí)現(xiàn)了ICoordinator接口，提供了讀數(shù)據(jù)、持久化、通知等核心服務(wù)。

（4）服務(wù)狀態(tài)監(jiān)控IStatusMonitor

[ServiceContract（SessionMode = SessionMode.Required，

CallbackContract=typeof（IStatusMonitorCallback））]

public interface IStatusMonitor： ICallbackServiceBase {

[OperationContract（IsInitiating = true， IsTerminating = false）]

ICollection GetLastMMUStatus（）；

[OperationContract（IsInitiating = true， IsTerminating = false）]

void Repair（string title）；

}

StatusMonitor 實(shí)現(xiàn)了IStatusMonitor接口，以便在整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)出現(xiàn)更改時(shí)作出正確的響應(yīng)。