CN110737441B - 一种基于微服务架构的ima配置生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微服务架构的IMA配置生成方法，该方法建模利用AADL或SYSML等架构建模语言描述软硬件架构，并给出特性分析所需参数属性和分析需求。针对IMA系统面临的配置状态空间庞大，给出一种利用包含可靠性、实时性、可调度性、交互复杂性和负载平衡等多特性分析方法，分析优选出合适的配置方案。本方法作为对当前已有分析方法的使用场景补充，不仅将现有特性分析用于架构生成，而且也在工具架构上进行设计创新，将微服务架构用于软件架构设计，解耦特性分析服务和前端建模输入，提高系统的适用性和可拓展性。

Description

一种基于微服务架构的IMA配置生成方法
技术领域
本发明属于综合模块化航电系统设计领域，尤其涉及一种IMA配置生成系统，具体为一种基于微服务架构的IMA配置生成方法。
背景技术
综合模块化航电系统(Integrated Module Avionics，IMA)由包含核心软件在内的一个或一组模块组成的硬件平台，以及分配于其上的一组规定功能的驻留应用组成。IMA系统应该充分考虑飞机级功能在IMA平台中的分配，以确保其可靠性、可调度性、实时性、安全性等非功能性需求得以满足。分区、模块、系统等各级配置文件规定软件功能和硬件模块之间的绑定关系和配置属性。由于整机综合模块化航电系统是个软硬件密集型的复杂系统，其系统集成配置十分繁杂，同时模块化和综合化的特点也引入了更多配置信息，以实现在模块级和系统级综合调度硬件资源。由此，综合模块化航电系统配置成为难点和易错点，仅凭集成人员的个人技术和经验难以保证得到高效且正确的配置方案。
现已有方法普遍为针对已规定软硬件配置方案的IMA系统进行多特性分析，更多的是对人工配置方案的分析验证，具有不断试错和再迭代的人工流程，其效率低下且配置优化程度不够。
整机的综合模块化航电系统具有各类功能实现的软件数量较多，且需部署在若干个模块中，两者可能的绑定关系生成的状态空间大小会随软硬件数量指数级增长。正是由于其状态空间可能非常庞大，依靠单一计算机难以在有效时间内计算完成，故需依靠若干台计算服务器进行分布式计算。又由于特性分析数量不定并支持可拓展的情况下，特性分析服务的部署和任务管理的更新难以统一方便管理，分发任务难以高效并发的稳定运行。
微服务是一种近年来日益流行的软件架构风格，将一个大型软件应用分解为一个或多个微服务，每个微服务可以被独立部署，各个微服务之间是松耦合的。每个微服务是一个独立的服务单元，仅关注自身任务并通过接口来实现数据的交互。微服务可以方便部署在一台或若干台服务器上，且某个模块的故障不会影响整体的系统业务。因此，针对上述系列问题，本发明利用微服务架构来构建分布式特性分析计算，实现IMA配置的生成。
发明内容
发明目的：提出一种基于微服务架构的IMA配置生成系统，基于模型的工程实施，利用微服务架分布式架构，结合Spring框架搭建，以实现从前端模型信息输入到后端分布式计算的配置生成系统，并具有拓展性高、使用便捷的特点。
本发明采用以下技术方案实现：
一种基于微服务架构的IMA配置生成方法，包含以下步骤：
步骤一：利用AADL或SYSML系统建模语言构建IMA系统的硬件架构模型和软件架构模型；
步骤二：IMA系统构件属性信息描述和架构多特性分析所需相关信息输入；
步骤三：利用上述两步骤得到信息进行系统配置方案集生成以及架构多特性分析计算；
步骤四：基于多特性分析结果，优选得到符合设计要求的IMA配置方案，最后再结束。
进一步，IMA系统基于微服务架构搭建，包括Agent代理端、Worker服务端和GUI前端界面。所述GUI前端连接Agent代理端，Agent代理端连接Worker服务端；所述GUI前端包括建模模块、信息输入模块、结果显示模块；所述Agent代理端包括文件处理模块、状态空间生成模块、任务管理模块；所述Worker服务端包括所有多特性分析模块。
进一步，所述GUI前端为系统的控制中心，主要负责建模、信息输入和结果显示，即实现步骤一、二、三的方法，具备以下基本功能：
1)架构建模：建模模块主要负责IMA系统的软件架构和硬件架构的建模，描述构件属性信息和逻辑拓扑关系，建模完成并转化后可发送至Agent代理端；
2)信息输入：信息输入模块包括处理多特性分析所需信息的新建、删除和修改操作，并且选择配置生成所需的特性分析；
3)结果显示：结果显示模块处理优选配置的多特性分析结果的显示以及系统配置XML文件的显示并输出功能。
进一步，所述Agent端主要由文件处理、状态空间生成、任务管理组成，即实现步骤三中的配置方案集生成方法，具备以下基本功能：
1)文件处理：支持前端发送文件的读取和处理，将其信息集中并生成模型对象；
2)状态空间生成：软硬件绑定的状态空间生成，将每种配置方案编码为唯一标识码，并利用软件安全性约束缩减状态空间规模；
3)任务管理：将状态空间均分为若干个Task任务，放入任务队列，发送至每个正运行的Worker服务端进行分析计算，其中每个Task包含连续若干个job，每个job表示一种配置方案。任务管理模块仍需收集每个Task执行结果并优选。
进一步，所述Worker服务端主要负责多特性分析计算，即步骤三中的架构多特性分析方法，多特性分析包括并不限于可靠性分析、可调度性分析、任务实时性分析、交互复杂度分析和负载平衡分析等。Worker服务端分布式部署在若干台计算服务器中，利用Dubbo或Spring Cloud的注册中心管理分布式微服务架构。
本发明的有益效果：本发明作为应用于综合化航电系统设计的配置方案生成方法，针对IMA系统面临的配置状态空间庞大，给出一种利用包含可靠性、实时性、可调度性、交互复杂性和负载平衡等多特性分析方法，分析优选出合适的配置方案。该方法建模利用AADL或SYSML等架构建模语言描述软硬件架构，并给出特性分析所需参数属性和分析需求。本方法作为对当前已有分析方法的使用场景补充，不仅将现有特性分析用于架构生成，而且也在工具架构上进行设计创新，将微服务架构用于软件架构设计，解耦特性分析服务和前端建模输入，提高系统的适用性和拓展性。
附图说明
图1是IMA系统架构示意图。
图2是软件架构和硬件架构的AADL模型示意图。
图3是IMA配置生成问题求解流程。
图4是IMA配置生成系统示意图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
构建综合模块化航电系统配置生成方案，需要对航电系统架构有直观认识。参考图1所示，本发明示例的IMA系统架构主要包括2个基本的通用处理模块和4个分区级功能应用，两者之间绑定的配置方案生成即为本发明需要解决的问题。
图2主要表现综合模块化航电系统的软件架构和硬件架构的AADL模型，是IMA配置生成方法开始的模型输入信息。软件架构体现功能软件之间的逻辑拓扑关系，即功能之间的逻辑通信关系，需依托硬件架构物理通信链路实现真正通信。硬件架构包括硬件模块及其物理连接关系，还有模块内存在的存储器、处理器等体现硬件资源的子构件。硬件架构表述系统为承载软件功能所具备的各类资源能力，当然也有硬件之间的拓扑关系。软件架构和硬件架构的AADL模型构建依据AADL的ARINC653附件，同时仍可自定义额外的属性集满足后续多特性分析要求。软硬件架构模型包含拓扑信息和属性信息，将通过模型转换形成有向图，并在节点和边上存储属性。
图3描述的是IMA配置生成方法的执行流程，包括建模、参数输入、配置空间生成、多特性分析和结果显示共六大部分。在建模阶段，利用AADL的开源工具osate2分别构建如图2所示的软件架构模型和硬件架构模型，并描述构件部分属性信息。参数输入需先从模型提取构件名称和已存在属性值完善所有构件参数，然后再是安全性约束条件和功能任务链等分析所需信息输入。安全性约束主要是通过安全性分析得到的某些软件功能块不能同时放置在一个模块内，或是某些软件功能块必须放置在同一模块内等约束信息。安全性约束能有效减少软硬件绑定的配置方案的状态空间大小。功能任务链则用于分析功能任务链的实时性，评估当前配置是否满足实时性要求，此为否决项。将模型和参数信息共同打包发送至服务器端，将软件编号和模块编号的绑定关系利用算法编码为配置码，是从0开始到所有方案数量和的连续整数集合。配置码为每种方案的唯一标识，确保任务划分、特性分析和结果显示的配置方案的一致性，且可逆编码恢复为表示软硬件绑定关系的列表。多特性分析阶段，将每种配置方案下的系统架构进行可靠性、可调度性、实时性、交互复杂性和负载平衡等特性分析。分析算法可以复用先前常见的IMA系统架构特性分析方法，分析所需信息均已由前端模型和参数输入。结果显示阶段，整合所有配置方案集的分析结果，先由可调度性、实时性等否决项分析结果筛除部分配置方案，再根据权重要求综合考虑剩余特性分析结果，优选出若干备选配置方案集。结果显示既能查看每种配置方案的特性分析结果，同时也能再以AADL模型图形化显示并且输出为符合ARINC653标准的配置文件，以供设计人员参考使用。
依据图3描述整个方法的流程之后，再由图4来说明基于微服务架构实现整个方法流程的系统设计方案。图4的GUI FE即为GUI前端，用于处理建模、参数输入和结果显示，将osate2工具嵌入用户界面中。同时，参数输入再另开一个页面选项卡，用于构件参数和分析信息的输入界面。GUI前端可以将模型和参数信息打包发送至服务器Agent代理端，Agent代理端实现信息整理并存入数据库。同时，Agent代理端再将整个连续配置码划分为若干段，每段成为一个独立的任务Task，并将其全部存入任务队列Task Queue。在Dubbo管理下，Agent代理端进行任务调度，将Task Queue内的Task发送给已启动且注册的Worker服务端。每个Worker服务端可以部署在一台或若干台计算服务器上，也可以和Agent代理端部署在同一服务器上。Worker服务端执行分配得到的Task内的一组job，每个job即为一种配置进行多特性分析计算。计算完成之后，Worker服务端将分析结果发回给Agent代理端，Agent代理端收集所有Worker服务端发送的分析结果并实时排序维护一个固定数量的优选配置方案集。在Task Queue内所有的Task计算完成之后，Agent代理端将已固定不变的优选配置方案集发送回GUI前端。GUI前端依次显示配置方案的特性分析结果，并支持图形化显示和配置文件输出。

Claims (6)

1.一种基于微服务架构的IMA配置生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：利用AADL或SYSML系统建模语言构建IMA系统的硬件架构模型和软件架构模型；
步骤二：IMA系统构件属性信息描述和架构多特性分析所需相关信息输入；
步骤三：利用步骤一和步骤二得到信息进行系统配置方案集生成以及架构多特性分析计算；
步骤四：基于多特性分析结果，优选得到符合设计要求的IMA配置方案；
IMA系统基于模型的工程实施，利用微服务架构，结合Spring框架搭建，IMA系统包括Agent代理端、Worker服务端和GUI前端；GUI前端为系统的控制中心，主要负责建模、信息输入和结果显示；
Agent代理端用于：1)文件处理：支持GUI前端发送文件的读取和处理，将其信息集中并生成模型对象；2)状态空间生成：软硬件绑定的状态空间生成，将每种配置方案编码为唯一标识码，并利用软件安全性约束缩减状态空间规模；3)任务管理：将状态空间均分为若干个Task任务，放入任务队列，发送至每个正运行的Worker服务端进行分析计算，其中每个Task包含连续若干个job，每个job表示一种配置方案；任务管理需收集每个Task执行结果并优选；
所述Worker服务端主要负责多特性分析计算。
2.如权利要求1所述的一种基于微服务架构的IMA配置生成方法，其特征在于，步骤三中的多特性分析包括可靠性分析、可调度性分析、任务实时性分析、交互复杂度分析和负载平衡分析。
3.如权利要求1所述的一种基于微服务架构的IMA配置生成方法，其特征在于，所述GUI前端包括建模模块、信息输入模块、结果显示模块；建模模块主要负责IMA系统的软件架构和硬件架构的建模，描述构件属性信息和逻辑拓扑关系，建模完成并转化后可发送至Agent端；信息输入模块包括处理多特性分析所需信息的新建、删除和修改操作，并且选择配置生成所需的特性分析；结果显示模块负责显示优选配置的多特性分析结果，并生成系统配置XML文件。
4.如权利要求1所述的一种基于微服务架构的IMA配置生成方法，其特征在于，每个Worker服务端部署在一台或若干台计算服务器上，或和Agent代理端部署在同一服务器上；利用Dubbo或Spring Cloud的注册中心管理分布式微服务架构。
5.如权利要求1所述的一种基于微服务架构的IMA配置生成方法，其特征在于，其执行流程包括建模、参数输入、配置空间生成、多特性分析和结果显示共五大部分；在建模阶段，利用AADL的开源工具osate2分别构建软件架构模型和硬件架构模型，并描述构件部分属性信息；参数输入需先从模型提取构件名称和已存在属性值完善所有构件参数，然后输入安全性约束条件和功能任务链分析所需信息；参数信息包括构件部分属性信息、所有构件参数、安全性约束条件和功能任务链分析所需信息；将模型和参数信息共同打包发送至服务器端，将软件编号和模块编号的绑定关系利用算法编码为配置码，是从0开始到所有方案数量的连续整数集合；多特性分析阶段，将每种配置方案下的系统架构进行可靠性、可调度性、实时性、交互复杂性和负载平衡特性分析；分析所需信息均已由前端模型和参数输入；结果显示阶段，整合所有配置方案集的分析结果，先由否决项分析结果筛除部分配置方案，再根据权重要求综合考虑剩余特性分析结果，优选出若干备选配置方案集；结果显示既能查看每种配置方案的特性分析结果，同时也能再以AADL模型图形化显示并且输出为符合ARINC653标准的配置文件，以供设计人员参考使用。
6.如权利要求5所述的一种基于微服务架构的IMA配置生成方法，其特征在于，将osate2工具嵌入GUI前端中，GUI前端的工作流程如下：将模型和参数信息打包发送至服务器Agent代理端，Agent代理端实现信息整理并存入数据库；同时，Agent代理端再将整个连续配置码划分为若干段，每段即为一个Task，并将其存入任务队列Task Queue；在Dubbo管理下，Agent代理端进行任务调度，将Task Queue内Task发送给已启动且注册的Worker服务端；Worker服务端执行分配得到的Task内的一组job，每个job即为一种配置进行多特性分析计算；计算完成之后，Worker服务端将分析结果发回给Agent代理端，Agent代理端收集所有Worker服务端发送的分析结果并实时排序维护一个固定数量的优选配置方案集；在TaskQueue内所有的Task计算完成之后，Agent代理端将已固定不变的优选配置方案集发送回GUI前端，GUI前端依次显示配置方案的特性分析结果，并支持图形化显示和配置文件输出。
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