计算机软件技术研究现状与发展

计算机软件技术研究现状与发展项目代码 : CG0332完成单位 : 北京软件产业促进中心、北京航空航天大学等 研究人员 : 肖澜 高伟 刘旭东 陈向群 梅宏 虎嵩林 黄涛 丁蔚 任永杰 朱明远获奖情况 : 计算机软件作为一门学科，从其诞生到现在不过短短的半世纪，已取得了令人瞩目的发展，同时也随着技术的进步而在酝酿着不断的创新。本文在简单介绍软件技术的研究内容基础之上，按照可运行软件的功能分类，从系统软件、支撑软件、和应用软件三个方面对其现状和发展趋势予以综述。一、软件技术研究开发现状（一） 、软件及其分类软件技术是指支持软件系统的开发、运行和维护的技术。其核心内容是：高效的运行模型及其支撑机制，有效的开发方法学及其支撑机制。作为可运行的系统，软件已经形成共识的分层模型，即：软件可以分为系统软件（操作系统、数据库等） 、支撑软件（高级语言编译器、程序库、CASE 工具等）和应用软件。（二） 、世界各国的重大软件计划各国政府相继启动国家级的重大软件技术计划，基础软件和软件开发方法研究都成为这些国家级计划中优先推荐或重点发展的内容。中国信息产业部在 2001 年 5 月发布了信息产业“ 十五”计划纲要 ，其中软件业的发展被纳入重点。（三） 、系统软件研究开发现状作为计算机系统中最靠近硬件层次的软件，系统软件包括操作系统，数据库管理系统，以及诸如应用服务器等的中间件，下面将分别对各类系统软件的研究发展现状予以阐述。1、操作系统研究开发现状操作系统是管理硬件资源（处理器、存储器、显示器、打印机等） 、控制应用软件运行、改善人机界面并为应用软件提供支持的软件。操作系统向高层应用软件提供编程接口，为用户方便地开发应用系统提供了基础。随着计算机网络等技术的发展，近年来操作系统在网络化、并行化、智能化等方面将会取得更加显著的发展。2、商业嵌入式操作系统研究开发现状嵌入技术是信息技术发展过程中形成的一种新技术。所谓嵌入就是将计算机的硬件和软件嵌入其他机电设备中去，构成了一种新的系统，即嵌入式系统。可以说嵌入式技术和设备在我国国防、国民经济建设中有着广泛地应用，有着巨大的市场。目前嵌入式操作系统的品种较多，仅用于信息家电的嵌入式操作系统就有 40 种左右。近年来市场急速扩张，吸引着越来越多的厂商进入。3、数据库研究开发现状（1） 、网络化的大型通用数据库管理系统支持 Internet 数据库应用已经成为数据库系统的重要方面。数据库研究学术界以及各主流数据库公司都将其作为自己重要的发展方向。例如，Oracle 公司从 8 版起全面支持互联网应用，微软公司更是将 SQL Server 作为其整个.NET 计划中的一个重要的成分。（2） 、数据库安全系统及技术由于数据库系统在现代计算机系统中的地位越来越趋于核心的地位，数据库系统的安全问题自然受到越来越多的关注在目前各国所引用或制定的一系列安全标准中，最重要的两个是由美国国防部制定的：可信计算机系统的评估标准 （简称 TCSEC）和可信计算机系统的评估标准关于可信数据库系统的解释 （简称 TDI） 。（3） 、XML 及 Web 数据管理技术Web 上的数据（包括大量的 XML 数据）与传统的数据库中的数据不同，具有如下的一些特征：面向显示，半结构化和无结构，不同形式的数据源，动态变化，以及数据海量等。（4） 、嵌入式移动数据库技术随着移动通信技术的迅速发展和投入使用，加上移动计算机的大量普及，国内外许多研究机构都展开了对移动数据库的研究，并取得了许多有价值的成果。移动数据库技术涉及数据库技术，分布式计算技术，以及移动通讯技术等多个学科领域，具有较高的学术起点。4、中间件研究与开发现状随着网络应用的逐步增多，为了解决平台异构性和互操作问题，中间件作为一种新的软件类型（或层次）开始出现。从其提出的初始动因来看，中间件是指网络环境下处于操作系统等系统软件和应用软件之间的一种起连接作用的分布式软件，主要解决异构网络环境下分布式应用软件的互连与互操作问题，它可屏蔽实现细节，提高应用系统的易移植性。（1） 、中间件及其分类 由于所属领域的不同，面临的问题差异很大，因此，不同开发组织分离、开发出的中间件也不尽相同。一般，传统的中间件分为以下几个主要种类：远程过程调用中间件面向消息的中间件对象中间件事务中间件数据访问中间件（2） 、 消息中间件技术消息中间件基于队列与消息传递技术，支持应用的松散耦合集成，是最早的中间件分类之一。几年来，尽管新的中间件门类不断出现，支持应用集成的中间件有好几种，如事务管理中间件、Web 应用服务器、门户服务器、EAI 服务器等等，消息中间件作为基本的应用集成平台的首选地位一直没有改变。 （3） 、 基于 CORBA 的对象中间件目前对象中间件领域发展迅速，主导的标准规范除了 Sun 公司的 J2EE, Microsoft 的DCOM/COM+ 以至.Net 之外，最为重要的标准便是 OMG 的 CORBA。（4） 、基于 J2EE 的应用服务器应用服务器是运行在网络环境下的基础软件，因此，其功能与网络环境的特点密切相关。网络环境具有分布性、异构性、开放性、演化性等特点。（5） 、微软的.NetCOM(Component Object Model)是构件对象模型的缩写，是 Microsoft 公司开发的对象中间件，它主要由两部分组成：一个是 COM 规范，描述了 COM 构件的二进制标准。另一个是 COM 的运行支持库，嵌入在 windows 操作系统中，负责 COM 构件的注册、查找、创建等功能。（6） 、 Web Service随着构件技术的成熟以及 Internet 的飞速发展，Web 技术和 XML 逐渐成为实现企业解决方案的重要手段。几乎在所有的 Web 应用中，HTTP 都作为 Web 客户和 Web 服务器的连接桥梁，而构件诸如 COM、EJB 等都作为实现业务流程和状态持久化的后端系统。尽管计算驱动的后端系统这几年改变很多，但是前端却几乎没有什么变化，依然是 HTML 驱动的传输和显示格式。（7） 、行业应用中间件中间件技术向具体行业领域的延伸引出中间件发展的另一个方向，即所谓的行业应用中间件。一些具体的应用领域如电信、金融、保险等行业由于专业性强、对某些需求高，如果应用系统从底层开发，则开发周期长，开发困难大，因此迫切需要专门适合该领域的中间件产品。（四） 、支撑软件研究开发现状自从上世纪六十年代出现“软件危机”和“软件工程”以来，围绕如何开发高效的高质量软件的技术、方法和体系研究始终是软件技术的另一个重要研究内容。软件生产平台研制和质量认证体系研究是提高软件生产工业化水平的两个关键问题。1、CASE 工具研究开发现状CASE 工具是软件开发技术、方法、过程等的辅助性支持手段。随着软件开发复杂性的增加和人们对软件开发方法研究的深入，CASE 工具已成为软件开发中必不可少的基础设施。常见的 CASE 工具主要有需求管理工具、项目/计划/ 过程管理工具、建模/ 编译/部署工具、配置/版本管理工具和测试/度量工具几类。2、软件构件技术及其支撑工具研究开发现状软件开发方法的研究一直是软件开发技术研究的核心和基础，为人们的软件开发提供了全面的指南和支持。主流的方法从最早的结构化开发方法，发展到二十世纪九十年代成熟起来的面向对象开发方法，九十年代中期后，基于构件的软件开发方法在支持软件复用方面提供了更好的支持，并逐步与现时的工业化技术（如 CORBA、COM+、EJB、Web Service等）相结合，成为了倍受关注和快速发展的新型软件开发方法。软件构件技术是基于构件的软件开发方法的核心技术之一，涉及构件模型（Component model） 、软件体系结构（SA） 、分布式构件（对象） 、构件管理、构件组装、开发过程等技术。3、面向代理（Agent-Oriented）技术的研究开发Agent 是一种计算机系统，它能够在动态的、不可预知的环境下灵活自主地采取行动。很多人相信 Agent 代表着自面向对象的技术以来，软件开发领域内最重要的新的开发范型。（1） 、Agent 的体系结构Agent 的体系结构是自主 Agent 在开放性的动态环境里采取有效行为的基础引擎。在早期的研究中，Agent 研究领域主要集中于开发智能 Agent 的体系结构。 （2） 、Agent 技术Agent通信语言本体论Agent协同Agent协调Agent协商（3） 、 Agent 的应用随着 Agent 技术及多 Agent 系统技术的研究的逐步深入和成熟，越来越多的技术被用来解决现实生活中的实际问题，并且开发了各种各样的基于 Agent 技术的应用系统。到目前为止，Agent 技术已用于众多应用领域，如制造业、过程控制、电信系统、航空交通管理、交通和运输管理、信息过滤与收集、电子商务、商业过程管理、娱乐、医疗保健等。（4） 、 面向 Agent 技术面临的挑战与机遇尽管 Agent 技术对计算机软件系统的研究和开发已产生或正在产生着深远的影响，但Agent 系统在实际应用领域的普及和推广还远不令人满意，Agent 技术还面临着诸多挑战，也存在很多机遇。（5） 、面向 Agent 技术的应用前景周围环境智能生物信息学和计算生物学网格计算电子商务（五） 、领域工程技术研究开发现状领域工程对领域中的系统进行分析，识别这些应用的共同特征和可变特征，对刻划这些特征的对象和操作进行选择和抽象，形成领域模型，依据领域模型产生出领域中应用共同具有的体系结构(即特定领域的软件构架，缩写为 DSSA)或生成过程，并以此为基础识别、开发和组织可复用构件。 （六） 、 软件工程环境的研究开发现状软件工程环境的概念在 1970 年代中期出现，主要着眼于技术、方法和工具的和谐搭配。软件工程环境是一组软件构件，它们可以在一起工作，为软件工程活动提供自动化的支持。早期的软件工程环境多是作为一个整体进行研发的，希望能够提供一致、全面的支持，采用紧耦合的方式集成，但是由于研发难度和工作量的因素，特别用户需求的多样性和复杂性，使得整体工程环境的应用出现较大困难。进入二十世纪 90 年代中期后，随着 CASE 工具的广泛应用，软件工程环境开始转变为通过已有的 CASE 工具集成，采用松耦合的方式，结合相应方法论形成整体环境的趋势。（七） 、软件质量保证技术的研究开发现状软件质量保证技术主要从软件产品质量评测、度量和软件生存周期过程及其管理和改进两方面进行研究。1、 软件质量评测、度量技术主要包括以下几方面：（1）软件质量定义；（2）软件测试技术总述；（3 ）面向对象软件测试与软件构件测试技术研究现状；（4）软件度量技术研究现状2、 软件过程改进与质量保证技术软件具有生命周期，对其生命周期全过程的控制有利于提高软件质量。现有的软件过程及其改进技术的研究可通过若干国际标准进行归纳。（1）软件生存周期过程（2）ISO 9000 质量管理体系（3）CMM 能力成熟度模型与 TSP/PSP（小组/个体软件过程）（4）ISO 15504 信息技术-软件过程评估(SPICE)二、应用软件研究开发现状计算机技术和信息技术高速发展的今天，计算机和计算机技术大量地应用在我们的日常生活中，随之应用软件也有了长足的发展。下面我们分别从嵌入式系统软件和 Grid 技术方面予以介绍。（一） 、嵌入式系统软件的研究现状所谓嵌入就是将计算机的硬件和软件嵌入其他机电设备中去，构成了一种新的系统，即嵌入式系统。从计算机发展历史分析，嵌入式系统是计算机技术向深度、广度发展的产物，是 PC 机大规模发展从而使计算机普及到全社会后又一次飞跃，充分体现了信息技术的带动性和渗透性。1、嵌入式软件产品的应用与一般软件应用类似，嵌入式软件产品应用与应用对象及环境关系极为密切，需要应用专门知识。创新是能够应用好的前提，这里有大量的科研成果、大量的专利。即使对于以上各种应用中每个领域举一个实际例子，也需要非常宏大的篇幅，我们只能在数据处理、控制、网络和通讯中各举一些闪光点，说明嵌入式软件是如何在嵌入式系统中发挥核心作用的。2、嵌入式软件产品的硬件环境嵌入式系统实质上是一个小型的微型计算机系统，但是“ 麻雀虽小，五脏俱全”，其硬件基本结构为：嵌入式系统使用的主要集成电路；传统的微型计算机系统；单片机； DSP（ Digital Signal Processor 数字信号处理器）3、嵌入式软件的系统软件和支持软件（1）操作系统目前，嵌入式操作系统的品种较多，仅用于信息家电的嵌入式操作系统就有 40 种左右。近年来市场急速扩张，吸引着越来越多的厂商进入。(2)数据库嵌入式系统中的数据库所起的作用与一般计算机系统中类似，其中最重要的是嵌入式移动数据库系统，使得使用移动设备的人员可以随时通过无线通讯与所在机构交换数据。(3）嵌入式软件开发平台嵌入式支撑软件是嵌入式系统的基础，而与嵌入式操作系统紧密联系的开发调试工具是嵌入式支撑软件的核心，它的集成度和可用性将直接关系到嵌入式系统的开发效率。（二） 、Grid 技术的研究开发现状网格是一种分布式基础设施，用来实现在动态的、跨组织边界的虚拟组织（VO）内的资源共享与协同。松散耦合、异构和动态的环境，跨多个组织边界是网格区别于传统的分布式和并行系统的重要特征。网格是下一代的 WEB，是 21 世纪的先进技术。国外在这方面的研究也起步不久，而且还没有被国外厂商垄断的标准。因此，网格软件方面的创新机会很多。从需求上看，各种资源的信息化使得许多应用领域对网格的需求有了明显的增长。这些需求不仅表现在科学和工程计算方面，还表现在各行业对资源共享和信息服务等方面。三、软件技术发展趋势（一） 、系统软件发展趋势（二） 、操作系统发展趋势网络化操作系统研究与开发是面向网络计算的软件核心平台的重要组成部分，运用构件化技术构架操作系统是未来发展的技术趋势；面向存储的操作系统，应用特制的嵌入式操作系统是今后操作系统发展热点方向。Internet 虚拟机是面向 INTERNET 网络化操作系统的一个新构想和发展趋势可扩展的、可优化资源的、按需计算的、广域的操作系统是未来面向 INTERNET 的操作系统的发展趋势，智能化分布式数据资源访问协议，是这一网络化操作系统发展趋势的重要内容。（三） 、数据库系统发展趋势在 Web 环境下，对复杂信息的有效组织与集成，方便而准确的信息查询与发布，特别是高效的 XML 数据管理技术，是在网络软件平台上的新型数据管理的发展趋势。信息系统 XML 数据和流程标准的定义不仅支持基于数据层面的动态交换，而且支持面向流程的动态交换，从而实现信息系统在开放的环境下完成最大限度的共享，推动电子商务和电子政务系统的实施。1、面向互联网环境的大型通用数据库系统技术发展趋势面向 Internet 的数据库主要要解决以下关键技术，从而构建一个高性能、高安全、高可用的、能够支持海量数据和海量访问的数据库管理系统。2、XML 与 WEB 数据管理技术发展趋势从数据库的角度来研究 Web 数据管理的问题，着眼点主要是借用数据库的数据管理的思想，在 Web 环境下结合其特点提出相应的方法。XML 数据的出现为 Web 数据管理提供了新的机会，大量的研究工作也就此开展，取得了很多成果。但总的来说，目前的研究工作还远未成熟，许多问题仍有待于进一步的探讨，新的研究课题也不断涌现。3、网格数据管理技术发展趋势数据网格技术相对于计算网格技术起步较晚，其应用水平也较低。现已完成的数据网格项目也多针对数据密集计算（如欧洲数据网格项目） 。数据网格可向以下几个方面发展：将网格技术与数据库技术结合起来，形成网格数据库。数据库的发展应经历集中式数据库-分布式数据库- 网格数据库基于网格的商务数据管理技术，促使数据网格为电子商务等商业应用服务。在网格上进行信息和知识的管理，发展信息网格和知识网格技术。4、P2P-based 数据管理技术发展趋势目前国际上对于 P2P 的研究如火如荼，各种问题层出不穷，比如基于 P2P 结构的 web缓存，P2P 结构上的分布式搜索引擎，P2P 结构上的数据仓库缓存等等。P2P 技术的发展将会继续围绕着应用的需要展开。目前，全球各种基于 P2P 结构的研究项目层出不穷，应用软件也不断涌现。在不久的将来，随着 P2P 研究的不断深入和企业界的不断介入， P2P 技术将进入一个飞速增长的时期。5、嵌入与移动数据库技术发展趋势移动计算模式代表着网络发展的一种必然趋势。国际著名的 IT 市场研究机构 Meta Group 和 Gartner Group 等研究报告表明，在未来的十年之内，80%以上的商业用户将要求有一个远程或移动的解决方案；全球将有数亿职员的日常办公环境将是非传统的。这是一个巨大的市场，而在其中占据数据管理之核心地位的移动数据库技术也将具有广阔的市场前景和发展空间。6、数字图书馆技术发展趋势数字图书馆是一个集各种高新技术为一体的项目，它的建设将极大促进我国信息技术的发展，同时带动与之相关的计算机技术、网络技术、通讯技术和多媒体技术等各项技术的发展，形成的高新技术产业链，对于提供我国整体的信息产业水平将起到不可估量的影响。7、开放源码数据库技术发展趋势开放源码数据库凭借开放源码所带来的低成本、安全性和开放性，正在试图侵蚀传统商业数据库的领地，可以预见参与开放源码数据库的研究开发与应用的人和组织会越来越多，开放源码数据库的影响会越来越大。8、数据库安全技术发展趋势 安全数据库概念目标比较具体，也有明确的标准，各数据库厂商必须按照标准提供安全产品，尽管可能会有这样或那样的增强。大体看来，在进行安全数据库的设计实现中可以进行研究和改进的方向可以包括以下几个方面：数据加密 细化数据的标识粒度扩充主码（四）中间件技术发展趋势随着 Internet 的快速发展，中间件的定义正在走出其狭义空间，逐步形成更为广义的内涵。主要呈现出两方面的技术趋势，一方面，支撑软件越来越多地向运行层渗透，提供更强的对系统实现的支持，另一方面，中间件也开始考虑对高层设计和运行部署等开发工作的支持。而这两个技术趋势从本质上正是源于软件体系结构和软件构件等技术的发展和应用。从广义的角度看，中间件代表了处于系统软件和应用软件之间的中间层次的软件，其主要目的是对应用软件的开发和运行提供更为直接和高效的支撑。（五）支撑软件技术发展趋势总体上来看，随着软件技术和软件应用的日益复杂性，支撑软件平台正在日益与软件运行平台相集成，形成统一的基础平台。例如，构件运行平台主要有 J2EE 技术下的 EJB 环境、微软 COM 技术下的 COM+环境，以及 CORBA 和 Web Service 环境等，各平台均要求相关的软件技术，涉及到建模、分析、设计、编码、测试与维护等多方面，技术的复杂性要求提供更为全面的支持功能，简化开发过程，提高劳动生产率和软件产品质量。1、 CASE 工具发展趋势CASE 工具将包括两方面的适应性发展趋势，即 Internet 化和专业化。一方面适应Internet 环境下的大型软件开发需求，将对 Web Service 等共性构件技术提供更好的支持，同时工具本身也将 Internet 化，为网上虚拟软件工厂提供支持；另一方面，将在嵌入式软件领域为实时性、特性化、专门化等要求产生出大量相关的专用 CASE 工具。2、软件构件技术发展趋势软件构件技术不仅成为学术研究热点，同时也成为当前的产业界关注发展的核心技术。IBM、SUN 的 J2EE、EJB 技术、微软公司 “.net” 的 COM+技术和正在成为 Internet 软件标准环境的 Web Service 技术，都已成为了软件构件的基础实现模型。主要的研究发展趋势将体现在以下几方面。3、 领域工程技术发展趋