10、架构框架：概念、应用与分析

架构框架：概念、应用与分析

1. 架构框架的特征

架构框架旨在告知用户如何描述架构。它通常包含“架构”及相关术语和概念的定义，以及一个或多个“视图”或表示形式的定义。架构通过一组符合框架要求的视图来描述，部分框架可能对视图集有额外要求，如跨视图一致性规则。

2. 美国国防部C4ISR架构框架文档

2.1 C4ISR架构框架

C4ISR架构框架是为满足美国国防部对指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察（C4ISR）系统的协调开发、集成和使用需求而开发的。该框架文档规定架构描述围绕三个视图展开，每个视图有一系列产品：
- 运营视图（OA） ：完成或支持军事行动所需的任务、活动、运营元素和信息流。
- 系统视图（SA） ：提供或支持作战功能的系统及其互连的描述，包括图形。
- 技术视图（TA） ：管理系统部件或元素的排列、交互和相互依赖关系的最小规则集，以确保符合规定的系统满足特定要求。

各视图的产品分为“基本”和“支持”两类，基本产品包含理解架构所需的最少信息。架构描述若提供所有基本产品和适当的支持产品，并使用与框架文档和国防部常规用法一致的术语和图形，则被认为符合该框架。该框架文档经过试用和审查，产生了2.0版本，并在国防部内强制使用，各军种负责确定如何实施。

2.2 C4ISR框架的实施 - 美国陆军案例

美国陆军采用C4ISR框架描述陆军部队及其指挥、控制和通信系统的连接方式，相关内容记录在陆军企业架构（AEA）文档中。AEA文档明确了三个视图的责任方：
|视图|责任方|
| ---- | ---- |
|运营视图|陆军训练与条令司令部（TRADOC），具体为堪萨斯州莱文沃思堡的TRADOC陆军作战指挥系统项目集成办公室|
|技术视图|五角大楼陆军总部的信息系统、指挥、控制、通信、计算机主任办公室（DISC4）|
|系统视图|佐治亚州戈登堡的陆军信号中心和新泽西州蒙茅斯堡的指挥、控制和通信系统项目执行官办公室（PEO C3S）|

陆军认为各视图可相对独立完成，且规定了视图的开发顺序：先开发技术视图和运营视图，再开展系统视图的工作。系统视图又分为两部分：
- 概念系统架构（SA - C） ：由陆军信号中心开发，确定组织和设备。
- 详细系统架构（SA - D） ：由PEO C3S执行，包含实现实际系统架构所需的所有特定设备。

各视图关联一个或多个产品，技术视图由《联合技术架构 - 陆军》（JTA - A）文档表示，运营视图通过IER数据库和相关出版物捕获，系统视图产品使用“netViz”工具捕获，陆军的实施将架构表示为文档和CASE工具数据库。

3. 核心架构数据模型

3.1 IDEF - 1X数据建模

数据建模基于实体 - 属性 - 关系（ERA）模型，以完全规范化的形式捕获数据元素和关系。常见用途包括捕获数据库需求和数据交换需求。

3.2 CADM目标：捕获C4ISR框架架构

C4ISR核心架构数据模型（CADM）旨在捕获表示C4ISR框架文档定义的架构产品所需的核心数据。它认为架构表示本质上是关于架构信息的数据库，可捕获不同方法开发的架构的底层数据，使不同架构能够进行组合和比较。CADM由专家团队开发，采用IDEF1X格式，为每个C4ISR框架产品提供单独的数据库视图，且具有自描述性。

3.3 将CADM应用于现有架构框架

美国陆军将CADM用作陆军信号中心（SA - C）和PEO C3S（SA - D）之间信息交换的基础。陆军从与netViz表示匹配的CADM实体开始，向两个方向扩展CADM：一是包含特定工具的数据，二是添加反映陆军特定数据需求的实体，同时尽可能保留CADM的关键结构。后续的物理模式设计将相关实体合并为一个表，不影响性能。此外，陆军数据模型还添加了一些新实体和键，以支持网络建模和仿真活动。

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    A[C4ISR框架] --> B[运营视图]
    A --> C[系统视图]
    A --> D[技术视图]
    C --> C1[概念系统架构（SA - C）]
    C --> C2[详细系统架构（SA - D）]

4. IEEE 1471：架构描述推荐实践

4.1 P1471基本元模型

IEEE项目P1471专注于规定如何对“软件密集型系统”进行架构描述。它通过视图、视点和利益相关者来描述架构，视点是视图的规范，包括描述视图的方法以及视图所解决的利益相关者及其关注点。视点可在不同描述中共享，为架构描述提供通用表示。P1471框架可捕获其他架构方法，其核心概念是通过视图和视点集来表示架构，以捕获利益相关者的关注点。

4.2 应用视点 - 利益相关者 - 视图方法

在MITRE的项目中，采用多阶段方法开发架构描述：
1. 确定系统需求和利益相关者 ：明确系统的功能需求、用户偏好和权衡，同时识别所有利益相关者及其关注点。
2. 选择视点 ：遍历先前的视点描述，选择能解决利益相关者关注点的视点，若有未覆盖的关注点，则定义新视点。
3. 完善视图 ：为每个视点完善视图，包含系统的实际架构内容。

经验表明，约75%的视点为现有视点，但每个系统仍需一些新视点来涵盖特定问题。

5. 架构表示的要点

5.1 架构描述需要多个视图

在多个领域，使用多个视图表示单个描述已被广泛接受。例如，在结构架构中，平面图、立面图和建筑模型用于表示建筑的不同方面。一些软件架构的单一视图表示可能无法轻易确定系统的关键属性，如性能和安全。在美国陆军对C4ISR框架的实施中，安全问题分散在三个视图中，整合安全方面的内容较为困难，单独的安全视图有助于集中捕获所有安全问题。

5.2 视点可独立于所描述的系统存在

在各种架构描述示例中，都存在独立于架构实例的“视点”概念。C4ISR架构框架文档以传统文本形式呈现视点，CADM以IDEF1X数据模型提供了另一种表示方式，IEEE P1471对视点概念进行了规范，但未指定视点内容，由架构师决定。因此，架构设计过程可包括选择用于特定架构描述的视点，同时隐含着定义和归档架构描述的前期步骤。

5.3 架构的比较和分析

获得架构表示后，下一步是比较或集成这些描述。在美国国防部，各军种为其部队开发架构，组建联合特遣部队（JTF）时需要架构描述来展示各军种在整体中的协作方式。若两个架构描述基于相同的视点集，比较将更容易。CADM通过数据模型描述视点，有助于架构的比较和集成，美国国防部有一些计划使用CADM进行架构集成，架构比较的工具和技术是一个有前景的研究领域。

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    A[确定系统需求和利益相关者] --> B[选择视点]
    B --> C[完善视图]

综上所述，架构框架、数据模型和相关标准为架构的描述、开发和分析提供了重要的方法和工具。多个视图和独立视点的使用有助于更全面、准确地表示架构，而CADM和IEEE P1471等为架构的集成和比较提供了支持。未来，随着技术的发展，架构比较和分析的工具和技术有望进一步完善，为复杂系统的架构设计和管理提供更有力的支持。

架构框架：概念、应用与分析

6. 多视图架构描述的优势与挑战

6.1 优势分析

多视图架构描述在多个方面展现出显著优势。从全面性角度来看，不同视图能够从不同维度对架构进行刻画。例如在C4ISR框架中，运营视图聚焦于军事行动的任务、活动和信息流，系统视图关注系统及其互连情况，技术视图则规定系统部件的规则。这种多维度的描述方式使得架构的各个方面都能得到详细呈现，避免了单一视图可能出现的信息缺失。
在可理解性方面，多视图架构描述有助于不同利益相关者理解架构。不同的利益相关者对架构的关注点不同，如军事指挥官可能更关注运营视图，技术人员则更关注技术视图。通过提供多个视图，能够满足不同人员的需求，提高对架构的理解程度。
从可维护性角度而言，当架构需要进行修改或扩展时，多视图架构描述可以更清晰地定位需要修改的部分。例如，如果需要对系统的安全性进行增强，可以分别在不同视图中查找与安全相关的信息，而不是在单一的复杂视图中进行全面搜索。

6.2 挑战应对

然而，多视图架构描述也面临一些挑战。其中一个主要挑战是视图之间的一致性维护。在C4ISR框架的陆军实施中，安全问题分散在三个视图中，整合这些安全信息以形成一个连贯的安全讨论较为困难。为应对这一挑战，可以建立跨视图一致性规则，明确各视图之间的关联和约束关系。例如，规定在运营视图中定义的信息流在系统视图和技术视图中必须有相应的实现和支持。
另一个挑战是视图的开发和管理成本。开发多个视图需要投入更多的时间和精力，并且需要对视图进行有效的管理。为降低成本，可以采用标准化的视图模板和开发流程。例如，在IEEE P1471中，视点的概念可以作为视图开发的模板，通过复用已有的视点，可以减少开发工作量。

7. 视点的管理与应用

7.1 视点库的建立

视点可以独立于所描述的系统存在，因此建立一个视点库是非常有必要的。视点库可以存储各种不同的视点，支持基于利益相关者和关注点的浏览和选择。在建立视点库时，可以按照不同的类别对视点进行分类，如数据视点、性能建模视点等。同时，为每个视点提供详细的描述，包括其适用场景、描述方法等信息。
|视点类别|描述|适用场景|
| ---- | ---- | ---- |
|数据视点|关注系统的数据结构、数据流动等方面|数据管理和分析相关项目|
|性能建模视点|用于对系统的性能进行建模和分析|需要评估系统性能的项目|

7.2 视点的选择与定制

在进行架构描述时，需要根据具体的系统需求和利益相关者的关注点选择合适的视点。选择视点的过程可以参考以下步骤：
1. 明确系统的利益相关者及其关注点。
2. 从视点库中筛选出可能满足这些关注点的视点。
3. 对筛选出的视点进行评估，确定最终使用的视点。
如果筛选出的视点不能完全满足系统需求，可以对现有视点进行定制或定义新的视点。例如，在陆军的远程学习项目中，针对培训开发者的关注点定义了新的视点。

8. 架构比较与分析的方法与工具

8.1 基于CADM的架构比较

CADM通过数据模型描述视点，为架构的比较和分析提供了一种有效的方法。基于CADM进行架构比较时，可以按照以下步骤进行：
1. 将需要比较的架构表示为CADM数据库的实例。
2. 提取CADM数据库中的数据元素和关系。
3. 对提取的数据进行对比分析，找出相同点和不同点。
例如，在比较两个不同的C4ISR架构时，可以通过CADM数据库查看它们在系统结构、信息流等方面的差异。

8.2 未来工具和技术的发展趋势

随着技术的不断发展，架构比较和分析的工具和技术也在不断演进。未来可能会出现更加智能化的工具，能够自动识别架构之间的差异，并提供相应的解决方案。例如，利用人工智能技术对架构数据进行分析，发现潜在的问题和优化建议。
同时，可视化技术也将在架构比较和分析中发挥更重要的作用。通过可视化工具，可以将架构之间的差异以直观的图形方式展示出来，提高分析的效率和准确性。

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    A[明确利益相关者和关注点] --> B[筛选视点]
    B --> C[评估视点]
    C --> D{是否满足需求}
    D -- 是 --> E[使用选定视点]
    D -- 否 --> F[定制或定义新视点]

9. 总结

架构框架、数据模型和相关标准为架构的描述、开发和分析提供了坚实的基础。多视图架构描述能够更全面、准确地表示架构，独立视点的使用有助于提高架构的可理解性和可维护性。CADM和IEEE P1471等为架构的集成和比较提供了有效的支持。
在实际应用中，需要充分认识到多视图架构描述的优势和挑战，合理管理和应用视点，采用有效的方法和工具进行架构比较和分析。随着技术的不断进步，架构领域将不断发展，为复杂系统的架构设计和管理带来更多的机遇和挑战。我们应持续关注这些发展趋势，不断探索和创新，以更好地应对未来的架构需求。