闫继垒，赵宾华，杨国瑞，郭彦涛

(通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081)



体系结构设计方法及其在信息系统中的应用

闫继垒，赵宾华，杨国瑞，郭彦涛

(通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081)

体系结构设计方法是进行复杂系统顶层设计的重要指导工具，是实现信息高效流通、确保系统整体性和满足各类人员需求的重要手段。在对现有军事和民用领域中的体系结构设计方法介绍和比较的基础上，分别分析了美国国防部结构框架在全球信息栅格及统一能力项目中的应用和开放组织结构框架在各种商用信息系统中的应用，并总结了体系结构设计方法在云架构下的发展趋势，对开展复杂系统的研究和建设具有一定的指导意义。

企业结构；美国国防部结构框架；视角；开放组织结构框架；循环迭代；信息系统

0　引言

大型复杂系统的开发，需要系统工程思想和方法来指导。体系结构设计方法是一种重要的系统顶层设计方法，能够从多个角度进行系统的全面描述，展现系统与外界的接口、内部子系统的划分和各系统组成之间的相互关系。在统一的体系结构框架指导下进行系统架构设计，可以确保系统能够有效地满足不同用户的需求，实现系统内部的信息互通和共享，确保系统设计的完整性和一致性，易于实现系统间的综合集成，进而提高复杂系统的设计质量。

在军事领域，面对多军兵种作战需求、多部门协同管理和多领域技术手段快速发展的环境，体系结构设计技术已成为世界各国进行武器装备体系顶层设计和军事综合电子信息系统设计的重要手段，也是提升军事系统的综合能力和整体效能的重要支撑[1]。在民用领域，体系结构设计技术是指导企业从顶层出发，围绕企业愿景、业务服务和技术应用等进行企业架构设计，推动企业在信息化环境下创新式发展的重要动力[2]。本文针对现有典型体系结构设计方法进行了介绍，并在此基础上分析了其在典型军事和民用信息系统中的应用。

1　体系结构设计方法研究

体系结构是系统各组成单元的结构、关系以及制约它们设计的原则和指南，是系统人员对系统进行设计和实现的依据。在军事领域，体系结构是进行武器装备体系顶层设计、研究和开发国防信息系统的指导原则和所遵循的标准，典型代表是美国的国防部结构框架(Department of Defense Architecture Framework，DoDAF)、以及在此基础上开发的英国国防部结构框架(Ministry of Defense Architecture Framework，MoDAF)和北约结构框架(NAF)。在民用领域，体系结构是提高企业信息化管理水平、提升企业工作效率和市场竞争力的重要途径和方法，典型代表是IBM提出的Zachman架构技术和面向问题的系统架构(POSA)、以及开放组织结构框架(TOGAF)。

1.1军用系统体系结构设计方法

DoDAF是由C4ISR体系结构框架演化而来，本质上就是从复杂环境中提取出关键数据信息，并保持数据之间的统一性、关联性和一致性，最终将这些信息以易于理解的方式展示给决策者和执行者。在进行系统结构描述时，DoDAF采用“模型+视图+视角”的思路：首先采用文件、表格、仪表或图形化等表示方法建立组织和展示数据的模型，并通过模型将结构性的数据以直观的视觉形式展现出来，形成不同的视图产品；然后将不同的视图产品进行组织和整合，形成相应的视角；最终将各个视角进行适当的定义，得到整个系统的结构化描述。

作为指导所有军事工程项目研发的系统工程方法，美国国防部先后在2003年、2007年和2010年颁布了DoDAF标准V1.0、V1.5和V2.02版本[3]。在V1.0版本中，系统体系结构主要从作战应用、系统实现和技术标准3个视角进行分析，开始了“以数据为中心”的设计。在V1.5版本中，美国国防部充分吸收了网络中心战中的先进技术，引入了面向服务的体系结构的概念，增加了服务视图。在V2.0版本以后，DoDAF结构框架真正实现了以模型为中心向以数据为中心的转变，并最终针对不同领域提供相应的决策数据。在最新版本中，DoDAF具有以下8种视角：全局视角(AV)、数据信息视角(DIV)、标准视角(StdV)、能力视角(CV)、操作视角(OV)、服务视角(SvcV)、系统视角(SysV)和项目视角(PV)，各视角的主要功能和相互关系如图1所示。

采用DoDAF进行军用系统的结构框架设计，主要分为以下6个步骤：

① 确定架构的使用目的：包括如何开展架构描述工作，架构研究中用到的方法，需要的数据种类，对其他可能存在的影响，以及如何测定其性能和用户的满意程度；

② 确定架构的范围：定义架构描述的深度和广度、架构的问题集合、架构的上下文背景和详细程度；

③ 确定支持架构研究所需的数据：采用自下至上的方法组织收集数据，可以重用已有工作的相关数据；

④ 收集、组织、关联和存储结构性数据：利用公认的架构设计工具进行收集数据的存储和组织，以便提供给视图进行展示和决策制定；

⑤ 推导分析支持架构的目标：对结构性数据进行分析以验证系统的性能指标，并确定与架构所有者要求的符合程度，同时根据分析结果按需重新进行数据收集和组织；

⑥ 生成决策者所需的文本结果：根据不同类别的人员，将架构数据转换为有意义的展示形式，以便提交给决策者进行决策。

图1　DoDAF的视角

在借鉴DoDAF成果的基础上，英国国防部颁布了其结构框架设计方法MoDAF，基本思想是：采用本体术语进行内容的表述，采用元模型进行结构性数据的存储和交换，采用视角进行体系架构的展示[4]。此外，北约也以DoDAF为基础颁布了北约结构框架NAF(NATO Architecture Framework)来为其成员国提供开发军事系统的规则和指南，从而便于各系统之间的互联互通与综合集成[5]。

1.2民用系统体系结构设计方法

1.2.1Zachman框架方法

Zachman框架描述了一个系统架构的研究过程，可以用于创建、组织和管理结构性实体来更好地理解和研究商业信息系统[6]。Zachman框架方法采用的主要思想包括：首先，要借鉴多学科领域的体系结构设计方法，从而对概念需求和规范原则等进行分类细化；其次，需要从多个角度和多种视点两方面对系统进行结构性表述，具体表现为一个二维矩阵的形式，而且矩阵的每个元素都要从语义、概念、逻辑、物理、组件和功能等维度进行展开描述；最终，要求设计方案必须是所有者感性需求的展现，因为所有者明确知道产品将用于实现何种目的并且能够进行最终决策。

在进行信息系统架构设计时，Zachman框架分别从数据、功能、网络、人员、时间和动机等6个方面对系统的目标范围、业务模型、信息系统模型、技术模型、详细展现和功能系统等方面进行展开描述，从而能够方便地在整体、前后关系以及实际实现之间建立平衡。然而，Zachman框架采用了将需求分析和解决方法相割裂的结构设计方法，没有考虑到用户需求的模糊性、环境的动态变化性等因素对架构设计的影响，因而只适合于对复杂静态对象的描述[7]。

1.2.2面向问题的系统架构设计方法

针对Zachman框架设计方法存在的缺点，同时考虑到系统架构设计失败的更多原因是没有找到正确的问题，而不是采用了错误的方法，文献[8]提出了一种新的面向问题的系统架构设计方法(Problem-Oriented System Architecture，POSA)。POSA方法认为结构框架是实现想法和决策之间相互联系的纽带，而架构设计师是连接商业问题和其解决方案之间的桥梁。

POSA方法是基于人工头脑学、控制论和动态过程的控制学科，通过迭代的机制实现从确认目标、构建问题、预测解决方案、评估解决方案与问题和目标的契合度等全过程的架构设计。POSA的关键环节包括：划分、反馈和比较。划分是运用控制论等方法理清问题内部的非线性关系，进而对问题进行划分和建模；反馈是将框架设计的重要环节，通过将问题解决过程中采取的方法及所遇到的问题反馈到问题建模环节，以便于更加准确地分析复杂问题的本质；比较是把解决域的结果重新映射回问题域，并将划分后的子系统重新组合成一个完整的系统，验证是否达到原目标需求。

1.2.3TOGAF结构框架设计方法

基于美国国防部的信息管理技术架构TAFIM，国际标准权威组织The Open Group在1995年发布了第一版的TOGAF架构设计方法。TOGAF是一套基于迭代模型支持最佳实践和可重用的架构资产，不但提供了包括企业愿景、业务、信息系统、技术和治理在内的全面的架构内容框架，而且提供了以架构开发方法为核心的一系列技术与资源来指导企业设计、实施和建立正确的企业架构。同时，TOGAF支持开放的、标准的SOA参考架构。目前，TOGAF已经发展到第9.1版，并逐步成为商用领域公认的最开放、通用、完整和优秀的企业结构框架方法[9]。

TOGAF标准框架以元模型为基础，包括架构需求与愿景、业务架构、信息系统架构、技术架构和架构实现等内容，实现这些企业架构成果的关键是架构开发方法(Architecture Development Method,ADM)。ADM是TOGAF方法中最为核心的内容，对开发企业架构所要执行的各个步骤以及它们之间的关系进行了详细定义，是指导企业从基础架构、行业架构到实现最终特定架构的保障。

TOGAF架构开发方法如图2所示，在 ADM 中，包含了4种重要迭代方法：架构背景迭代、架构定义迭代、过渡计划迭代和架构管控迭代。在开展ADM迭代过程之前，需要确定企业架构定义的范围、描述的详细程度、建设周期和可用资源等。此外，ADM各个阶段的执行步骤也具有很高的灵活性，可以根据各企业的规模和实际情况等因素进行调整。

图2　TOGAF架构开发方法

1.3体系结构设计方法比较分析

自1987年Zachman框架提出以来，经过近30年的演进发展，企业架构领域已经衍生出了多种体系结构设计方法。各种方法在适用范围、设计理念和产品形式等多个方面都存在一定的差异，如表1所示。

表1　体系结构设计方法比较

2　体系结构设计方法在信息系统中的应用

2.1军用信息系统

全球信息栅格(GIG)采用了基于视图的DoDAF设计方法来研究其体系结构[10]，如图3所示。

图3　GIG 1.0系统各视图之间的关系

GIG 1.0系统包含了以下3类视图：

① 作战视图是面向GIG的各类用户，使得用户通过共享、接入和使用GIG提供的信息和服务，形成指挥控制的决策结果，并通过GIG接口进行信息的分发和下达。

② 系统视图包括基础设施和应用、服务与信息两大功能部分。基础设施又分为企业核心服务、计算、通信、信息保障和网络运行等基础设施；而应用、服务与信息则使用上述透明的、鲁棒的基础设施，采用SOA架构为国防部各类用户提供所需的GIG系统功能。

③ 技术视图的目的是快速吸收和发掘新技术的优势，如IPv6技术、移动自组织网络技术、极大规模数据存储分发传输技术、高性能计算技术和信息保障技术等，来实现目标GIG的系统功能。

此外，为实现跨越可互操作、安全、高度可用的IP网络基础设施，提供无处不在的综合语音、数据和视频等服务，美国国防部统一能力(UC)项目也采用DoDAF 2.0的体系结构设计方法，确定了统一能力的愿景设想、组织关系、服务与和功能种类、标准与技术规范、实施进度计划等[11]。在此基础上，美国陆军基于DoDAF 2.0 设计了包括接入网络层、汇聚骨干网络层、统一能力应用服务层、以及网络运维管理和信息安全管理的陆军统一能力参考架构，用于替代已有的瘦客户端架构、网络运维架构、鉴权和接入管理架构、顶层安全架构和任务保障架构等，并计划将所有通信相关能力集成到安全环境下的单一实体中并向世界上任何位置采用任何设备的士兵和军事用户提供一整套协作、实时通信和支撑服务[12]。

2.2民用信息系统

作为最主流的企业架构设计方法，TOGAF得到了众多国际主流厂商的推动，如IBM、HP、Oracle和中国的金蝶、北达软等公司，并在在政府部分、事业单位和商业公司等各行各业中得到了广泛的应用[13-14]。如英国电信利用TOGAF设计方法，通过对庞杂和割裂的各类信息系统进行整合和优化，建立了一个标准化程度高、有效性强和可扩展性好的UniApp系统架构，实现了业务流的全程贯通，极大的提升了公司的投资效率和资源使用效率。同样，英国社会保障部采用TOGAF方法对其信息服务平台进行了重新定义，通过对运营模式和业务架构的改进，消除了烟囱式系统建设导致的信息流通障碍，增强了系统的简洁易用性，全面提升了其居民管理信息系统的服务水平，达到了以服务为中心的企业目标。此外，针对电网设备监控的信息传输问题[15]，采用TOGAF方法从总体、业务、应用、数据和技术等5个方面出发设计了电网输电设备状态监测系统架构，基于数据源和数据模型的分析，确定了系统内外部接口与通信机制，为上层各种应用服务和集成提供了有力支撑，并通过试验验证和测试证明了该架构能够有效的提升了电网系统的稳定性。

2.3体系结构技术方法在信息系统中的应用前景

目前，DoDAF和TOGAF等主流体系结构设计方法都已实现了从“以模型为中心，面向对象/过程”向“以数据为中心，面向服务”的转变。随着计算机和互联网行业的快速发展，以“瘦客户端+数据中心”为建设思路的云架构将成为未来大多信息系统的核心[16]。因此，在企业架构信息化的发展道路上，体系结构设计方法应引入并融合云计算的各种新技术：在技术架构设计部署中，充分吸收基础设施即服务和各种虚拟资源池参考架构；在数据架构设计中，基于DoDAF的数据元模型DM2和TOGAF的内容原模型CM2建立新的适用于云架构的元模型[17]，同时运用分布式文件系统、分布式数据分析、非关系型数据库等技术实现大数据存储与访问；在业务架构设计时，充分考虑云架构对企业的业务模式和业务流程的影响，以“一切皆服务”的思想，对各种业务的静态和动态特性进行抽象提取并建模，形成云环境下的通用业务架构；在应用架构设计时充分运用Web2.0技术，制定系统与数据之间的接口，从而更便于开发和部署丰富的互联网应用。最终，通过体系结构设计方法与云计算技术的有机结合，帮助企业在更大范围内实现更高效的信息交互和资源共享，全面提升企业的创新发展能力。

3　启示和建议

目前，我国在民用领域通过借鉴IBM和The Open Group等组织的国际主流的企业架构设计方法，在企业管理信息化等方面取得了较大的进步。然而，现有的结构框架设计方法的涉及范围较广、设计周期较长，同时要求企业具有标准化的业务流程，一方面不能适应我国众多中小型企业要求的快速、简单、低成本和可持续发展的信息系统架构设计要求，另一方面也不能满足国有大型企业信息系统的多层级管理模式、多种业务板块和多运营发展战略的需求。在军事领域中，烟囱式的独立系统建设导致跨军兵种、跨部门信息共享困难和资源协调不畅，而采用企业化思想进行系统架构设计的还处于起步阶段，体系结构设计工具尚未成熟，结构框架设计方法没有形成体系化。

随着移动互联网、工业4.0等技术的快速发展，计算、通信与控制进一步走向有机融合与深度协作，信息系统在各行各业中的地位和作用更加凸显。信息系统的效率在很大程度上决定了一个企业的市场地位和整个国家的综合实力，因此必须紧紧抓住以云计算、大数据、软件定义网络和网络功能虚拟化为代表的新一代信息领域变革的契机，大力加强信息系统体系结构设计技术的理论基础研究工作，在充分借鉴国际主流结构框架设计方法优长的基础上，通过业务积累和技术创新逐步建立适合于我国国情的、独立自主的、可持续发展的体系化企业架构设计方法。

4　结束语

体系结构设计方法在大型复杂系统的顶层设计中具有极为重要的作用，能够提升企业的信息流通效率和资源利用率。随着信息化变革的逐步推进和新技术的快速涌现，体系结构设计方法将成为各领域信息系统设计的基石。应积极开展体系结构设计方法研究，如数据模型、描述语言、开发方法和设计工具等，为我国各行业企业的信息系统建设提供重要支撑，为我国武器装备和军事电子信息系统的规划建设提供指导和设计依据。

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闫继垒男，(1986—)，博士，工程师。主要研究方向：无线通信和网络总体技术。

赵宾华男，(1984—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：无线自组织网络。

Research on Architecture Framework DesignMethods and Their Application in Information Systems

YAN Ji-lei，ZHAO Bin-hua，YANG Guo-rui，GUO Yan-tao

(ScienceandTechnologyonInformationTransmissionandDisseminationinCommunicationNetworksLaboratory，ShijiazhuangHebei050081，China)

Architecture framework design method is a significant guidance tool for the top level design of complicated systems，which can improve the information flow efficiency，guarantee the system integration and satisfy the requirements of differentusers.Based on an introduction to and comparison of the existing architecture framework design methods in both military and civil fields，the application of Department of Defense Architecture Framework(DoDAF) in Global Information Grid and the Unified Capabilities program and the application of Open Group Architecture Framework(TOGAF) in various business information systems are analyzed.Furthermore，the evolution of architecture framework design methods in cloud environment is summarized，which provides some instructive guidance for the research and development of complicated systems.

enterprise architecture；DoDAF；viewpoint；TOGAF；loop iteration；information system

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.04

2016-05-06基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2015AA015701);通信网信息传输与分发技术重点实验室开放基金。

TP203

A

1003-3106(2016)08-0014-05

引用格式：闫继垒，赵宾华，杨国瑞，等.体系结构设计方法及其在信息系统中的应用[J].无线电工程,2016,46(8):14-18，82.