（计算机应用技术专业论文）web服务组合qos容错处理架构设计与实现.pdf

摘要 w e b 服务作为一种流行的资源整合平台，可跨平台集成网络上的 各种资源和服务。w 3 c 将w e b 服务定义为“u r i 上的应用软件”。 w e b 服务组合通过一定的逻辑关系将多个服务按照特定的功能和逻 辑关系组合成新的服务，在企业应用集成、电子商务等方面得到了广 泛的应用。然而，逐步扩大的应用规模与网络环境的不稳定性，导致 w e b 服务组合在执行中出错的情况日益增加，如何让服务组合在运行 故障发生时进行容错处理，保证w e b 服务组合的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) ，显得尤为重要。 对w e b 服务组合进行容错处理，是提高服务可用性和可靠性的 有效途径。本文对服务组合流程运行时出错时进行故障分级，提出了 执行引擎w e b j e t f l o w 在执行过程中的的容错处理架构，在此架构中 针对w e b 服务组合运行时出错的故障分级，有针对性的设计和实现 了相应的在线处理策略，使流程执行时在业务功能和服务质量两方面 均得到保障。 在实际类似时间攸关的交互应用中最重要的q o s 属性是服务响应 延迟，因此对于时效性的保证成为了影响w e b 服务质量的一个关键 问题。本文在基于s l a 协议的基础上，设计了一套从用户界面开始， 延续到w e b j e t f l o w 执行引擎内部的容错处理框架，这套框架以提供 时效性保证为主，并同时保障了代价耗费、成功率，进而保障了w e b 服务组合在满足q o s 约束的情况下可顺利进行，最终本文通过一系 列的相关实际测试证实了它的有效性。 关键词：w e b 服务，服务质量，容错，w e b j e t f l o w ，在线处理策略 a b s t r a c t a st h em o s tp o p u l a rp l a t f o r mo fr e s o u r c ec o n f o r m , w e b s e r v i c ec a n a g g r e g a t ev a r i e t yo fr e s o u r c ea n ds e r v i c ev i ad i f f e r e n tp l a t f o r m s w 3 c d e f i n e sw e b s e r v i c ea s a p p l i c a t i o no fs o f t w a r eu n d e ru r i w e b s e r v i c e c o m p o s i t i o np u to t h e rs e r v i c e st o g e t h e rt h r o u g hs p e c i f i cf u n c t i o n a la n d l o g i s t i cr e l a t i o n s h i p ，a f t e rt h e n ，an e ws e r v i c e i ss e tu p b e c a u s e w e b s e r v i c ec o u l da p p l yt h es t r o n gf u n c t i o no fr e s o u r c ei n t e g r a t i o na n d e x t e n s i v es e r v i c e s ，i ti sb e i n gw i l d l yu s e di ni n t e g r a t ea p p l i c a t i o na n d e b u s i n e s s h o w e v e r , p r o b l e m sc o m eo u tw i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n to f w e b s e r v i c e g r o w t ho fa p p l i c a t i o ns c a l ea n dt h ei n s t a b i l i t yo fn e t w o r k e n v i r o n m e n tl e a df a u l t st o o kp l a c ei nt h er u n n i n go ft h ew e b s e r v i c e i ti s s oi m p o r t a n tt oa d j u s tt h ew e b s e r v i c ec o m p o s i t i o nt oh a n d l ef a u l ti nt i m e t og u a r a n t e eq o st h a tt om a k et h es e r v i c eg oo n f a u l th a n d l i n gi nw e b s e r v i c ec o m p o s i t i o ni sav a l i dm e t h o dt o i m p r o v et h eu s a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es e r v i c e t h ep a p e rc l a s s i f i e s p r o b l e m so f t e nt a k ep l a c ei nt h es e r v i c eb yo r d e ro fs e v e r i t y , s u g g e s t st h e f a u l th a n d l i n gf r a m e w o r ko ft h ew e b j e t f l o wa tr u n t i m e ，i nw h i c h d e s i g n e da n da c h i e v e dr e l e v a n to n l i n eh a n d l i n gp o l i c yp o i n t e d l y , w h i c h g u a r a n t e e st h ef u n c t i o na n dt h eq u a l i t yo f s e r v i c e t h em o s ti m p o r t a n tp r o p e r t yo fq u a l i t yo fs e r v i c ei st h ed e l a yo f s e r v i c es y s t e mr e s p o n s e ，s ot h ek e yp r o b l e mo fw e bq o si st h eg u a r a n t e e i i i o ft i m e l i n e s s t h ep a p e ri sb a s e do ns l a p r o t o c a l ，d e s i g n e das e to ff a u l t h a n d l i n gf r a m e w o r k f r o mu s e ri n t e r f a c et ow e b j e t f l o we x e c u t i n ge n g i n e ， w h i c h a p p l i e sg u a r a n t e eo ft i m e ，a sw e l la sc o s ta n dm i s s i o ns u c c e s sr a t e ， i no r d e rt og u a r a n t e et h ec a r r y i n go u to fw e b s e r v i c ec o m p o s i t i o nu n d e r t h eg u a r a n t e eo f q o s i nt h ee n d ，as e to fa c t u a lt e s ti sg i v e nt op r o v et h e v a l i d i t yo ft h ef r a m e w o r k k e yw o r d s ：w e bs e r v i c e s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，f a u l th a n d l i n g ， w e b j e t f l o w , o n l i n eh a n d l i n gp o l i c y i v 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：多f 勿乒，年月日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：f 易日期：毒列扩年月么日 导师签名：历齐鸪 日期：伽。8 年占月 日 w e b 服务组合q o s 容错处理架构设计与实现 1 绪论 本章主要介绍基于w e b 服务( w e b s e r v i c e s ) 在运行时，服务质量保 证与容错处理方面的研究背景、研究现状和进展、研究的问题以及论 文的内容。 1 1 研究背景 以x m l 为基础和核心的w e b 服务技术作为面向服务 ( s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，s o a ) 开发方式的最好实现，使传统 的软件开发方式发展到了一个新的阶段，并且随着i n t e r a c t 的逐步发 展，w e b 服务在b 2 b 电子商务平台上的逐步应用，也产生了巨大的 价值，为企业取得了良好的经济回报，在商业需求的不断推动下， w e b 服务正受到产业界和学术界越来越多的支持与关注。 ， 1 1 1w e b 服务 w e b 服务作为一个互联网开发模型，它实现了不同系统之间能相 互调用，打破了软件应用、网站和设备之间的不兼容状态。它所具备 的松散耦合和平台无关性非常适合网络环境下异构应用之间的互操 作和集成。它可以在网络中被描述、发布和查找以及通过w e b 调用 a p i ，即实现了能通过w e b 调用来实现某个服务功能。在最近几年， 随着各大技术厂商共同协作定义出新的技术标准，w e b 服务在商业活 动中的作用越来越不可忽视。 1 1 2w e b 服务组合 随着应用需求的不断增加，对于w e b 服务的需求数也在迅速增 长，人们对其功能需求也越来越复杂，而在实际应用中，用户不仅对 新的功能有所需求，对于服务在运行时如何保证服务质量，例如可以 保证的执行时间、效率等的要求也同样在提高【l 】。传统的w e b 服务技 术越来越难以满足用户提出的苛刻要求，因此，为了得到功能更强大 的复杂的w e b 服务，w e b 服务组合应运而生，w e b 服务组合即是对 现有w 曲服务进行整合与集成【2 】。 。 利用在i n t e m e t 上不断丰富的w e b 服务资源【3 】，通过u d d i 、 s o a p 、w s d l 4 】等协议，将不同的w e b 服务有效集成形成的新的增 值服务，成为了w e b 服务技术发展的趋势。在我们的实际应用中， 通过采用与用户协商q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) j 艮务质量，提供了一 个基于引擎容错技术的高度可用的服务组合功能，为进一步完善w e b 服务应用又开辟了新的道路。 1 1 3w - e b 服务的服务质量 随着w e b 服务的快速发展，服务质量成为了一个重要因素。q o s 决定了服务的可用性和有效性。电子商务前景要求在i n t e m e t 上无缝 继承业务流、w e b 服务和应用程序。而由于i n t e m e t 本身的状态是不 可预知的，因此在w e b 服务上提供q o s 保证是一个很重要且很有意 义的挑战【5 1 。 而随着w e b 服务技术的广泛使用，市场上也出现了许多功能相 同或类似的w e b 服务，为了对它们进行区分，人们也常常采用服务 质量作为评估标准。因此一个合理的w e b 服务质量描述和度量机制 是必不可少的【6 】。 ： 国际一些关于服务质量规范以及服务等级协议( s l a ) 的一些尝 试性工作正在进行，在已经存在的标准中，w s d l 已成为描述w e b 服务功能接口的标准语言，而对于非功能属性q o s ，工业界尚未形成 统一调准。然而各公司自己通过一些项目开发已经有了一些相应的体 系，例如有存在通过扩展w s d l 规范来描述q o s t t 。也有如i b m 的 w s l a 语言能够规范q o s 及q o s 度量标准，在服务提供者和服务使 w e b 服务组合q o s 容错处理架构设计与实现 用者间建立s l a 合约【8 1 ，h p 的w s m l 语割9 1 也存在与w s l a 类似 的功用，而w s o l 1 伽语言规范了动作、q o s 和定价的管理合约，并提 出了对服务质量进行分级对待的方法。而现在w e b 服务的事务过程 处理语言( b p e l 4 w s ) 1 1 1 也作为标准被提出。 1 1 4w e b 服务组件动态替换 i n t e m e t 网络环境异构性、分布式自治等特性决定了w e b 服务再 之行过程中可能会受到通信模式变化、服务拒绝攻击、基础设施失效、 w e b 协议的低性能以及w e b 上的安全性问题等的影响，各组件由于 自身的平台独立性，也可能在某个时刻不可用，另外还有可能由于更 新与升级导致了原有描述功能失效或者产生了对服务质量的影响，甚 至有可能是提供者进行恶意欺骗，这些情况都能导致业务流程的功能 与服务质量丧失保证。因此为了要处理这些复杂并且难以预测的w e b 服务运行故障，使w e b 服务功能和服务质量都能得到保证，需要重 新选择有效的w e b 服务组合方案，这即服务组件动态切换，在运行 时将其它有效服务替换掉当前存在问题的服务。 1 2 本文研究内容 服务组合是满足业务需求的流程规划。参考文献【1 2 1 3 】中的一些相 关讨论，我们的主要工作是基于已有的服务组合中间件平台w e b j e t ， 通过对外部a x i s 以及其引擎w e b j e t f l o w 的设计改造，完成了从外至 内的容错处理架构设计。 。 1 2 1 服务组合所存在问题 面向服务质量的组合问题是服务组合领域一个重要的问题。它的 目标是在用户设定约束条件下寻找一组最优服务，组成一种新的服 务，在此之上还需要保证最好的服务质量。 硕上学位论文 目前的服务质量保障体系主要几种在对时间管理和负载平衡的 控制上【1 4 1 。本文的工作主要通过服务组合中间件w e b j e t ( 它是一个 服务质量驱动的w e b 服务组合的中间件平台) ，来展现我们设计的多 维q o s 模型以及自行设计的w e b 服务组合容错处理框架，保证了在 服务执行时通过一系列的在线自动调整方案使服务满足客户设定的 q o s 约束。 1 2 2 w e b 服务中的q o s 随着企业和用户对w e b 服务的使用率逐步提高，供应商提供了 大量功能类似的w e b 服务。为了使用户能够更好的选择合适的w e b 服务q o s 属性，必须从使用者的立场出发的属性描叙模型。有些q o s 属性由于受通讯链接的影响所以更应该从服务请求者的立场来描述。 w e b 服务体系结构是基于服务提供者、注册中心和服务请求者三 种角色之间的交互而形成，其中包括发布、查找和绑定操作。现有的 w e b 服务框架中，通过服务代理和查找w e b 服务很大成都上依赖于 u d d i 注册中心。随着w e b 服务的发展，在u d d i 中的注册信息逐渐 增加，同质化的w 曲服务也开始加速递增，此时服务质量( q o s ) 就 成了重要的区分依据。此外，w e b 服务中的q o s 需求也是影响w e b 服务性能、质量和事务性服务的方法以及一种使用服务代理测量 w e b 服务响应时间的简单方法。 在电子商务逐渐快速发展的今天，将q o s 应用于w e b 服务也是 一项巨大的挑战，这是因为在网络上随时可能存在网络资源争夺、通 信模式变化、拒绝服务攻击等不可预测的对w e b 服务的影响，而通 常这些对q o s 会产生影响的问题如果没有得到很好的解决，将导致 极度的性能下降。另一方面也说明，在具体的应用领域，由于以上因 素的不确定性，也不可能试用一个单一有限的几个q o s 标准，而必 须是可以扩充的q o s 模型。 w e b 服务组合o o s 容错处理架构设计与实现 对于具体w e b 服务的服务质量建模，可以从多角度来进行。当 前研究人员已经在较大范围内定义了许多不同的服务质量属性。在文 献0 5 , 1 叼中，作者即定义了几种w e b 服务质量属性，包括可用性、可访 问性、规范性、响应时间、价格、安全性和网络带宽等等。 文献【1 7 】中，作者提出了更多的w e b 服务质量属性，并将它们分 成了若干种类别，而在文献【1 8 】中，作者将q o s 属性分为业务相关的 度量和通用质量度量。 1 2 3 选用w e b 服务组件 如何选用合适的w e b 服务组件，并建立代价模型来评估w e b 服 务组合，权衡影响系统性能各因素试系统总体性能最优化是另一个重 点研究问题。 j ? 在可替换服务中如何根据服务质量进行服务选择。随着i n t e m e t 上w e b 服务的不断丰富，大量可选用的组件服务不断出现，而作为 服务组合执行结果的q o s 是一个决定性因素。不同用户有各不相同 的q o s 需求和偏好。例如某些用户可能对约束时间有严格要求，另 一些用户则比较看重价格。因此在选用合适的w e b 服务组件时，需 要在考虑功能完善同时，如何让服务组合最大程度的保证实现服务质 量( q o s ) 。 1 2 4 建立容错处理架构体系 如何在服务执行时对q o s 设计一套良好的容错体系来增加服务 的可用性。在服务出错时能及时调整，让w e b 服务组合顺利进行下 去是保证w e b 服务顺利进行的基础。 w e b 服务逐渐形成为一种标准技术的计算平台后，逐渐在电子商 务、应用集成、业务流程惯例等领域开始广泛应用。然而随着应用规 模的逐渐扩大，其本身存在的一系列也逐渐开始明显，其中最重要的 硕士学位论文 一个方面即是容错。例如如何保证服务的可靠性，即是关键问题之一 1 9 , 2 0 ，而良好的容错处理方式是保障可靠性的保证。例如对于在执行 一个服务组合期间，某些组件的功能或接口产生了改变、或者产生了 网络中断可能产生的长期等待，甚至组件最终不可用等情况出现，如 果没有一个良好的容错处理架构进行应对，将对服务执行产生严重的 影响。为了使组合w r e b 服务的执行顺利进行，如果出现了上述情况， 则该服务的执行必须进行服务组件的切换或者本服务内部级别切换 或重构流程，即在执行中需要对失效的组件进行快速替换，或者对服 务流程进行重构并进行在线优化，这样才能保证服务组合的服务质 且 里。 目前，w e b 服务标准中并没有详细讨论w e b 服务组合的容错问 题。为设计和开发一个具有容错功能的w - e b 服务组合应用，实现者 不仅要正确实现复杂的应用逻辑，还必须完成诸如冗余配置、失效检 测、日志和恢复等容错管理细节，负担极为沉重【l o 】。因此对于设计并 完全实现了一个良好的容错处理的框架的例子十分稀少，在国内做容 错设计的主要存在有中国科学院提出的基于移动a g e n t 的复合w e b 服务容错模型【2 1 1 ，但是暂时只是提出一种处理模型而没有实现。在国 外，服务组合的容错研究主要有扩展标准协议为w e b 服务提供容错 能力，如文献2 2 1 提出容错s o a 的概念，文献【2 2 1 提出容错s o a p 的概 念，利用w e b 服务复制和日志的方法实现w e b 服务的故障恢复机 制工业界也在致力于制订容错的x m l 消息通信标准，如w s r m 2 3 1 和w s r e l i a b i l i t y t 2 4 1 文献【2 5 】扩展u d d i 标准提出主动u d d i 的方法， 建立一种基于代理的u d d i 复制机制文酬2 6 】提出w e b 服务复合行 为语言w s c a l ( w e b s e r v i c ec o m p o s i t i o n a c t i o nl a n g u a g e ) ，应用协调 原子行为( c o o r d i n a t e da t o m i ca c t i o n ) 技术为复合w r e b 服务提供前向 故障恢复机制虽然扩展w e b 服务标准可以解决容错问题，但因为 标准体系本身不断发展变化，并且标准之间的兼容性问题依然存在， w e b 服务组合o o s 容错处理架构设计与实现 这些因素造成现有的研究成果在容错实现方面受到诸多限制，可实施 性也较弱 具体而言，对成分服务的容错研究主要在成分服务提供者级别和 服务组合级别两个方面。对于成分服务提供者级别的问题，文献【2 7 1 提出用基于服务复本保证单个关键业务服务的可用性。而在服务组合 级别的问题上，主要集中在流程执行时的成分服务的动态选择和调 用，基于在线局部优化策略，采用直接加权法方法对候选服务实行打 分机n t 2 8 1 ，从而为每个活动选择最优的组件服务。这方面已有的工作 如e f l o w t 2 9 1 和c m i 3 0 1 等。 1 3 本文各章内容介绍 第一章：提出本文的研究背景，分析了本文研究的必要性和意 义，介绍了目前课题的研究现状和阐述了本文的主要内容，并提出了 当前研究中存在的问题并介绍了全文的主要内容。 第二章：介绍了本系统的服务质量模型。其中包括单个服务与服 务组合两种情况下的服务质量计算方法，并介绍了局部和全局两种情 况下q o s 服务选择策略。 第三章：介绍作为支持w e b 服务容错处理架构的w e b j e t 系统， 详细解释其主要部件及功能，概要性的介绍了w e b j e t 作为保证q o s 的w e b 服务平台的特性。 第四章：设计基于w e b j e t 的服务组合时动态切换机制，通过对 执行环境和服务组合者执行的影响，提出了三种适应动态适应环境的 策略：重试、替换失效服务以及流程重构，对这三种方法做出了详细 的描述，并通过p s o k 算法对三种方式做出了详细的边界划分，并 设计了一种半自动容错处理方案对前述三种方式进行补充。实现了基 于容错处理的w e b 服务q o s 保障体系，介绍了详细的设计方案和框 架，并且针对q o s 驱动的w e b 服务组合中服务动态选择和错误恢复 需求，设计了服务选择策略和错误恢复策略，并进行了测试，以结果 证明了此架构的有效性。 第五章：通过总结本文的主要研究成果分析，探讨在当前研究中 仍存在的不足之处，并指出了进一步需要研究的内容。 w e b 服务组合0 0 s 容错处理架构设计与实现 2 服务质量模型 w e b 服务质量作为一个成熟w e b 服务架构所需解决的问题【3 1 1 ， 在具体服务应用时显得尤为重要。虽然u d d i 能提供服务平台，但是 服务请求和提供方必须建立服务质量协议这个问题u d d i 并没有考 虑。因此是否选择使用某项服务，服务请求方仍需慎重考虑【3 2 1 。为此， 在w e b j e t 系统中，为了使w e b 服务在实际应用中确实可行，本章根 据w e b 服务中服务质量( q o s ) 的问题，提出了基于s l a 的单个和 服务组合的q o s 计算模型，并介绍了基于q o s 的w e b 服务选择的两 种策略。 2 1 服务等级协定s l a 由于需要对客户服务提供保障，而客户也需要对所提供的w e b 服 务质量提出自己的需求，因此客户与服务提供方就满意程度需要达成 协议，在此种情况下，s l a 就应运而生。通过实施s l a 协议，服务 提供方可以通过技术手段，有针对性的根据用户提出的q o s 需求选 择不同级别的业务，这主观上促进了服务提供方技术的不断攀升，也 使客户可以选择自己选则的w e b 服务，从而使用户与服务提供方的 供给需求都能得到满足。 作为服务提供者与客户之间的一个正式合同，s l a 可以用来规范 许多非功能型属性，并进行相应的服务分级。s l a 合同可以非常详 细的规定服务提供方所提供的服务在什么情况下是可用的，如可以假 定必须要该服务以往执行成功率超过9 0 或者设定最长响应时间值。 在一份s l a 协议中，用户不仅可以协商服务提供方必须要满足的q o s 属性值，还拥有一个完整的退出条款，即当服务无法正常结束时的处 理办法。例如当由于服务正常运行时间超过用户所需求的响应时间而 导致无法执行完毕时，我们则认为服务提供方违反了与用户签定的 s l a 协议。那么在这种情况下，客户有权终止流程，并可以获得相应 的金钱惩罚或者是其它协商的赔偿方案。 目前我们设计的需要与用户签定的s l a 协议主要包括执行价格、 执行时间、可靠性、可用性四个非功能型属性，因此如果违反了其中 任何一种q o s 属性，则是违反s l a 协议的表现。 2 2 w e b 服务质量评价因素 服务质量是评估w e b 服务可用性、可靠性的重要指标，它根据 执行费用、执行时间、信誉度、可靠性和可用性等等描述了一个产品 或服务满足消费者需求的能力【3 3 1 。 具体w e b 服务的服务质量由多种服务质量属。眭( q o sp r o p e r t i e s ) 构成，可以从性能、可靠性、可用性和安全性等多个方面来描述w e b 服务的非功能特性。具有相同或相似功能的w e b 服务都能归结为一 个服务类，因此w e b 服务成为了区分服务类中各具体服务的重要因 素。所以在我们设计的w e b 服务两模型中，选取了一组通用的度量 标准。即便是我们现在的标准是有限的几个，但是可扩展的模型可以 将任何新的度量标准都增加到模型中，具有良好的延展性。 2 3 w e b 服务的q o s 属性 非功能型属性分为通过商品属性匹配用户的要求匹配服务和通 过商品属性匹配到的多个服务通过对q o s 属性值的量化进行基于 q o s 的w e b 服务选择两部分。我们选择执行价格、执行时间、可靠 性、可用性四个属性作为量化q o s 属性的因素： 1 执行价格：服务s 的执行价格g o ) 是用户调用服务s 需支付 的费用。 2 执行期限：服务s 的执行的响应时间g 出( s ) 等于服务请求发 出和该请求结果收到之间的时间延迟，它意味着响应时间是处理时间 w e b 服务组合0 0 $ 容错处理架构设计与实现 与传送时间之和。执行的响应时间使用表达式计算t 魄= 乙一+ 丁栅， ( 2 一1 ) 其中传送时间是根据历史的日志记录来估算的： ( s ) = ：。z ( s ) ( 2 - 2 ) 这里分子是一个过去观察到的传送时间，n 是观察到的过去执行 次数的数量。 3 可靠性：w e b 服务在最大期望时间范围内正确响应的概率即是 服务的成功率。成功率的值使用表达式 o ) = m ( s ) k( 2 3 ) 计算过去调用的服务的数据，其中心是服务s 在最大期望时间内 成功完成的次数，k 是调用的总次数。 4 可用性：可用性q 口v 【s ) 表示服务可用的概率。服务s 可靠率 的值使用表达式 q a v ( s ) = t a ( s ) 秒( 2 4 ) 来计算，其中2 ：是服务8 在最近秒秒内可用的时间的总量( 单位：秒) ， ( 秒由服务实体的管理员设为常量) 。 根据以上定义，服务s 的服务质量向量定义为： g ( s ) 亍( g 口r ( s ) ，g 幽( s ) ，q r e l ( s ) ，q 口y ( s ) ) 以上设定的q o s 属性均是可以进行量化的，而对于一些其它无 法量化的属性例如安全性等在此并不考虑。并由上式可知此模型是可 以随时对需要新增的q o s 属性进行任意扩展。 2 4 服务组合的q o s 服务组合的q o s 依赖于各部件q o s 的聚合结果，采用合理方法 根据部件q o s 服务计算服务组合的q o s 是进行组合方案评估和选择 硕士学位论文 的前提。目前，结构化流程模型具有优良的结构和行为特性，在实际 应用中能表达大部分组合场景，而例如b p e l 4 w s 、w s f l 等均能支 持结构化流程模型描述：计算聚合q o s 的问题已经经过了多年的发 展，早期有m e t e o r 工作流惯例系统的q o s 研究【3 4 】，他们选择的是 执行时间、代价和可靠性三个度量指标，并基于图规约法提出了s w r 算法计算工作流的q o s 。这一成果后来被拓展成用于计算w e b 服务 流程的q o s 2 9 1 。文献【3 5 】则定义了基于工作流模式的定义抽象出了几种 基本组合模式。另外【1 6 】也针对特定q o s 度量讨论了其聚合方法的工 作等。以上文献均提出了针对所选定的质量度量属性和组合方式给出 了计算聚合q o s 的方法。而文献【3 6 】则在上述计算规则的基础上提出 了基于规约树的聚合模型。并认为归约树的模型可以容纳更多的质量 度量，以达到任意扩展的目的。 2 4 1 结构化流程模型 结构化流程模型是具有规范的控制结构流程模型，获得了广泛的 支划3 7 1 。使用结构化流程模型能表达多数服务组合，有助于降低建模 复杂度。 我们对复合结构化流程的活动做了如下归纳定义：( 图2 1 ) ( 1 ) 鲰予活动2 ) s e q u e n c e 结构( 3 ) w h i l e 结构 ( 4 ) s w i t c h g i 构( 5 ) f l o w 结构 图2 - 1 复合流程结构图 w e b 服务组合0 0 s 容错处理架构设计与实现 复合流程结构解释： ( 1 ) 所示情况s l 既是起始活动又是终结活动； ( 2 ) 所示单个s l ，s 2 ，s i 均是单一结构，而它们复合构成了 s e q u e n c e 结构( 顺序结构) ，其中初始活动为s l ，终结活动为s i ， 我们把该复合结构看成是单一s l ，s 2 ，s i 结构的父结构，而 s l ，s 2 ，s i 则是此父结构的子结构； 一 ( 3 ) 所示单个s l ，s 2 ，s i 均是单一结构，而他们循环组合也成 为了一个结构，即w 1 i l e 结构( 循环结构) ，其中单一s 1 ，s 2 ， s i 一组结构为循环结构的子结构，循环整体为单一一组结构的 父结构； ( 4 ) 所示单个s l ，s 2 是单一结构，而由s l ，8 2 组合可以得到一定概 率组合的复合活动，称为s w i t c h 结构( 选择结构) ，其中组合 结构为父结构，而单一s 1 ，s 2 为子结构。 ( 5 ) 所示s 1 ，s 2 ，s i 是组合结构，而s 4 ，s 5 ，s k 也是组合结 构，这两组组合结构构成了另一个组合结构，我们称之为f l o w 结构( 并发结构) ，其中总体的复合结构为s i ，s 2 ，s i 和s 4 ， s 5 ，s k 的父结构，它们本身为并发结构的子结构 一般我们定义的结构化流程增加了开始节点( s t a r t ) 和终止节点 ( e n d ) 。图2 2 即是一个典型的结构化流程。 l r h 一 s w i t c h 厂、 g 卜 7 弋歹 f l o w q p n p n ，p o l 图2 - 2 结构化流程图 其中 s 1 ，s 2 ) ， s 3 ) 为两个顺序分子构成i 拘f l o w 结构； s 5 ，s 6 ) 构成t s w i t c h 结构，并且这两个结构与 s 4 共同构成了顺序结构，在 增加 s t a r t 矛n e n d 节点之后就成为了一个完整的结构化流程图。 2 4 2 服务组合q o s 模型 结构化流程中每个结构的q o s 信息可根据其子结构的执行统计 信息进行计算得到，而q o s 也由于不同结构具有不同的组合类型和不 同属性因此而具有结构相关的特性。表3 - 1 为顺序( s e q u e n c e ) 、并发 ( f l o w ) 、选择( s w i t c h ) 矛n 循环( w h i l e ) 四种结构( 组合类型) 的q o s 属性计算 公式： 表2 1 组合q o s 计算 控制结构 s e q u e n c e 结构 f l o w 结构s w i t c h 结构w h i l e 结构 执行价格 ：。q ( )：。郇，( )耐( p ( s a 宰假” i t * q r , 妇( i n n e r ) 执行期限 胆a 。魄( s ：| ) 慨啦斟饥( 墨) )巴似& ) 簟缸僻) ) 豇幸q , 血( i n n e r ) 可靠性 兀：。q 耐( )兀：。q 耐( )0 夕( & ) q 叫( ) ) ( q , d ( i n n e r ) ) “ 可用性 兀：。( )丌：。( ) 0 p ( 瓯) 宰q 。( ) ) ( 沏聊妒 表中是任务k 中的单个候选服务f ，i t 是循环结构的循环体执 行次数，a 、b 、c 为流程结构内子结构个数，p ( 瓯) 表示第i 个服务组 件的执行概率。 根据以上可以得出，服务组合p 的服务质量可以递归计算得出， 其定义为： g ( p ) = ( qc ( p ) ，q ( p ) ，q j ( p ) ，q 口( p ) ) ， 其各个分量分别表示服务组合执行价格、服务执行期限、可靠性 和可用性，并且此q o s 模型是可以再继续扩展的。 2 5 服务组合的两种策略 在预先优化阶段，需要对服务组合模型中的任务绑定到特殊的组 件服务，此时服务组合必须根据运行环境和用户需求来选择合适的组 件服务，来生成满足q o s 的特定组合方案。对于组件服务选择策略我 们分为全局策略和局部策略。 w e b 服务组合o o q 容错处理架构设计与实现 1 ) 全局策略 服务组合q o s 管理往往以服务组合整体q o s 约束为目标，因此全 局策略在选择组件服务时综合考虑各服务组件的聚合效果，并选择适 当的方案，使服务组合整体的q o s 满足预定的约束并达到优化目标。 然而全局策略并不能保证单个任务上的最优。 2 ) 局部策略局部策略以单个任务为基础选择组件服务，具体考 察各个任务的候选服务集合，从一组功能等价的候选服务中选择适当 的服务来组合，这样即可以保证每个任务都能在实现其特定功能的同 时，是满足单个服务质量约束的候选服务集的。对于活动候选服务数 目不大的情况，多属性决策的方法相当有效，它通过打分机制为每个 活动选择最优的组件服纠3 8 】。 w e b 服务组合q o s 容错处理架构设计与实现 3 w e b 服务组合运行平台w e b j e t w e b j e t 业务流程集成平台是一个基于s o a 架构的服务组合与运 行平台，在此平台之上集成7 n 务发布、资源管理、组合验证、发现 和匹配、优化容错、和执行及检测嗍等功能。而我们设计的w e b 服 务组合q o s 容错处理架构设计正是在此架构之上实现。 3 1w e b j e t 体系结构 w e b j e t 平台可以使用户能根据自己的需求来组织业务流程的运 行。系统结构结构图如3 1 所示： 图3 - 1 服务组合运行与监控以及流程重构的w e b j e t 平台系统结构图 w e b j e t 平台能将非功能需求映射到抽象b p e l 服务组合流程上， 其服务发现代理能根据b p e l 流程的每个抽象服务请求与服务存储 器中的广告服务进行匹配，产生每个抽象服务的候选广告服务。此后 优化分析器能根据全局或局部最优原则，从候选服务中选取满足全局 硕士学位论文 q o s 约束的最优候选服务，生成最优的服务组合方案。在将方案提交 给用户并与用户签订s l a 合同之后，服务部署代理对抽象业务流程 进行部署，而后执行引擎根据b p e l 抽象流程定义的控制逻辑试用执 行代理执行各组件部分，包括服务调用、服务执行、监控和容错处理。 s e r v i c e r e p o s i t o r y ( 服务存储) ：w e b 服务目录u d d i ，是w e b 服 务发布和发现平台。 d i s c o v e r y p r o x y( 服务发现与匹配模块) ：此模块负责对服务组 合的每个任务请求描述进行解析，描述具体分为功能型需求和q o s 需求。服务发现代理首先进行功能匹配，选出能满足功能型需求的候 选服务集。再将结果结中每个候选服务与业务需求进行q o s 比对， 选出满足q o s 的具体服务，其中在对单个服务的q o s 需求流程考虑 两方面，首先是根据挖掘历史信息和经验值筛选出合适的候选服务， 其后再设定好阈值，对候选服务进行再一次筛选以保证筛选过后的候 选服务是比较满足需求的，并可以相对减少后续优化算法的计算复杂 性。 。 o p i t i m i z a t i o na n a l y z e r ( 优化分析器) ：其主要作用是根据全局或 局部最优原则，从候选服务集中选择最优服务，生成优化组合方案。 在当前的版本中我们封装了两种全局优化方法：遗传算法和o 1 启发 式优化方法。 e x e c u t i o ne n v i r o n m e n t ( 服务组合执行管理器) ：组合执行管理器 包括服务部署代理、执行引擎、网络检测模块和服务组合重构器。流 程执行时，检测模块负责监控流程执行，由于被调用的各自治w e b 服务的执行行为的不可预测性，我们在执行环境中增加组合流程的故 障监测机制和故障处理机制保证流程能按用户设定的服务质量需求 正确执行。服务流程监测器( s e r v i c ep r o c e s sm o n i t o r ) 监测具体服务执 行时的服务及网络质量，在决策器( d e c i s i o nm a k e r ) 6 尸将取得的q o s 实测值与用户设定的q o s 值比较，流程调节器( p r o c e s sa d j u s t e r ) 根据 w e b 服务组合o o s 容错处理架构设计与实现 容错选择因子所属范围做出重试、替换、重构的容错处理，使流程执 行在业务功能与服务质量两方面均得到保障，执行完毕后，相关的 q o s 数据将由服务流程监测器及服务执行代理反馈至服务存储中的 q o s 属性数据统计表。 3 2 基于q o s 的w e b j e t 服务组合运行平台 服务质量是w - e b 服务及w e b 服务组合流程成功最重要的因素之 一，其主要由成分服务的q o s 及w e b 服务运行环境的q o s 构成，并 且w e b 服务组合执行引擎本身的q o s 也能对服务组合运行的q o s 产 生重要影响。在企业对服务质量要求越来越高的情况下，保证服务组 合运行平台的服务质量成为了重要的问题。而保障服务质量的w e b 服务组合运行平台w e b j e t 的核心部分目标是：提供全面q o s 支持的 组合w e b 服务运行环境；支持服务组合运行时具体服务的动态选择 与动态绑定；提供服务组合运行时错误检测和容错处理机制；提供高 性能的服务组合运行引擎：从多个方面改善并保证组合w e b 服务的 服务质量。 由于w e b 服务组合可能是由跨i n t e m e t 的多个外部服务构造而 成，一些不可预测的外部原因，例如网络拥塞而导致其中某些成分服 务无法访问的情形很可能发生，最严重的情形甚至能使整个服务组合 不可用。因此，如何确保在单个服务面临由于失效而违反q o s 约束 时，能保证服务自动进行容错处理，保证服务顺利执行就成为了一个 新的挑战【4 0 】。当前为了解决容错问题，我们通过扩展a x i s 和在引擎 内部进行详细的容错处理方案设计，给出了自己的一套容错处理方案 并进行了实现工作。有效的保障了服务质量。 w e b 服务组合0 0 s 容错处理架构设计与实现 ，4 w e b 服务组合执行时容错处理架构设计与实现 w - e b 服务所在的i n t e m e t 网络环境是一个非可靠异构的、分布式自 治和快速变化发展的网络生态环境。w e b 服务组合在执行过程中可能 会受到通信模式的变化、网络失效、服务拒绝攻击、基础设施失效、 w e b 协议的低性能以及w e b 上的安全性问题等的影响，成分服务的自 治性、平台独立性以及自身的更新与升级都可能导致原有服务描述失 效，甚至出现服务不可用，这都将影响所提供的服务质量。复杂的网 络环境、难以预测的各类故障以及无法确定的功能变化使得业务流程 的功能与服务质量均难以得到保障，无法满足与用户签订的s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 合同的需求，导致服务组合提供者可能由 此失去客户的信任，因此服务组合运行时的容错研究十分重要。服务 组合容错主要解决服务组合运行时的可用性问题，用户最为关注服务 组合的响应时