（计算机应用技术专业论文）面向服务计算中基于qos的web服务组合研究.pdf

摘要 目前，国内外已在q o s 及w r e b 服务组合方面展开研究工作，并 取得了一些有价值的探索性成果。但作为一项新兴的研究课题，新的 研究问题不断涌现。比如如何根据用户偏好进行q o s 估计；怎样验 证和测试组合w e b 服务，以便预先检验w e b 服务的正确性；根据q o s 要求如何进行质量驱动的服务组合方案及组合服务选择等。 本论文从理论研究和实践结合两个方面着手，探索基于q o s 的 w - e b 服务组合。主要工作与贡献包括如下四个方面： 提出了面向服务计算中的q o s 参考矩阵； 研究了当前q o s 估计方法，给出了一种模糊的基于用户期望的 q o s 估计方法； i 在说明服务组合及其正确性验证需求的基础上，使用p i 演算对 w e b 服务进行组合，并利用形式化工具m w b 对w e b 服务组合的正 确性进行验证； 分析了当前基于q o s 特性计算的w e b 服务组合现状，提出了一 种新型的关系矩阵编码方式，利用伪并行遗传算法进行服务组合的最 优化，同时考虑到商业实体关系对服务组合q o s 的影响。 综上所述，本文的工作针对目前w e b 服务组合技术中几个关键 问题提出了有效的解决方案，对于推进w e b 服务组合技术的理论研 究和实用具有一定的理论价值和应用价值。 关键词面向服务计算，服务质量，参考矩阵，服务组合，p i 演算， 伪并行遗传算法，关系矩阵编码 a bs t r a c t n o w a d a y s m a n yr e s e a r c h i n s t i t u t i o n sh o m ea n da b r o a dh a v e c o n d u c t e dq u i t eaf e wr e s e a r c h e so nq o sa n dw r e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o n ， a n dh a v em a d es o m ev a l u e a b l ee x p l o r a t o r ya c h i e v e m e n t s b u ta san e w f i e l do fs t u d y , n e wr e s e a r c hi s s u e sk e e pe m e r g i n g f o re x a m p l e ，h o wt o m a k et h ee s t i m a t i o no fq o sb a s e do nu s e rp r e f e r e n c e s ，h o wt ov a l i d a t e a n dt e s ti no r d e rt om a k et h ew r e bs e r v i c ec o r r e c t a n dh o wt oc h o o s et h e q u a l i t y - d r i v e ns e r v i c e sc o m p o s t i o ns h e m ea n ds e v i c e sc o m p o s t i o nb a s e d o nt h eq o sr e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r , t h es o l u t i o n sf o rs e r v i c e sc o m p o s i t i o nb a s e do nq o s a r ed i s c u s s e di nt h e o r ya n dp r a c t i c e t h em a i nw o r k sb yt h ea u t h o r i n c l u d et h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s ： t h er e f e r e n c em a t r i xo fq o si ns o ci sp r o p o s e d t h ec u r r e n tq o se s t i m a t i o nm e t h o d sa r er e s e r a c h e da n dak i n do f f u z z ym e t h o df o rq o se s t i m a t i o nb a s e do nt h eu s e rr e q u i r e m e n ti sp u t f o r w a r d t h ed e m a n do fw r e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o na n di t sa c c u r a c yv e r i f i e d i sg i v e d 铀s e r v i c e sa r ec o m p o s i t e db a s e do np i c a l c u l u s a n dt h e v a l i d i t yo fw e b s e r v i c e sc o m p o s i t ei sv e r i f i e du s i n gf o r m a lt o o l sm w b a n a l y z i n gt h es t a t eo ft h ea j to fw r e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o nb a s e do n q o s ，an e wt y p eo fr e l a t i o n s h i pm a t r i xc o d i n gi sp r o p o s e d ，a n dt h e o p t i m i z m i o no fc o m p o s i t es e r v i c e si sm a d eb yu s i n gp s e u d o p a r a l l e l g e n e t i ca l g o r i t h m s ，a tt h es a m et i m et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb u s i n e s s s e n t i t i e so nq o si sc o n s i d e r e dw h e nc o m p o s i n gt h es e r v i c e s i ns u m m a r y , w ep r e s e n tw e l l e v a l u a t e ds o l u t i o n si nt h i sd i s s e r t a t i o n f o rs o m ek e yi s s u e so fw - e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o n w eb e l i e v et h a to u r c o n t r i b u t i o n sm a k ean i c e g r o u n d w o r k f o rf u t u r er e s e a r c ha n d e n g i n e e r i n go nw e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o nb o t hi nt h e o r ya n dp r a c t i c e k e yw o r d ss e r v i c e - o r i e n t e dc o m p u t i n g ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，r e f e r e n c e m a t r i x ，s e r v i c e sc o m p o s i t i o n ，p i c a l c u l u s ，p s u d o p a r a l l e lg e n e t i ca l g o r i t h m ， r e l a t i o n s h i pm a t r i xc o d i n g i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：奎鲎壅日期：塑鳗年月丑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百v 匕 随着w e b 服务技术的发展，面向服务计算( s e r v i c e o r i e n t e dc o m p u t i n g ，s o c ) l 】 逐渐成为开放异构环境中复杂分布应用的主流计算模型，是当前工业界和学术界 的一个研究热点。它以服务作为开发应用或者提供问题解决方案的基本元素。服 务是一种自描述、平台无关的计算元素，它支持分布式应用的快速和低价组合。 服务组合作为面向服务的计算范型中实现资源共享与应用集成的主要手段，是集 成技术发展的新方向【2 1 。本文的工作主要是围绕面向服务计算中服务组合的热点 研究问题展开。 1 1 研究背景 自十九世纪六十年代以来，尽管编程语言和开发环境技术有了长足的进步， 构建和维护软件的基本范型却发展得较慢。开发者仍靠使用“编辑一编译一链接” 循环模式的各种变体来构筑大量的软件，从源代码产生可执行的二进制代码。随 着开放分布式处理技术的发展，原有的理论和技术在面对更大模型和更加灵活的 应用时显示出了不足。典型的开放分布式处理技术有c o r b a 3 1 、d c o m 4 j 和 j 2 e e 5 】等，它们都有成熟的体系，并分别在工业界和学术界取得了成功。但是， 这些技术都面临着一些难以解决的问题，比如i n t e m e t 范围内的动态协作和数据 互通等问题。因此，需要有一种新的理论和技术来应对这些问题。 w e b 虽然一度扩展了关于软件的定义，但实际开发和实现一个w 曲站点却 与传统的软件构建几乎一样容易出错 6 1 。随着开发方式的进步，众多研究者和工 业界人士一致认为，软件应该作为服务来提供和传播。也就是说，要发展一种不 同的软件范型，在这种范型中，关注的重点从提供软件转向了描述和传送服务， 这使得关注点不再是传统软件的构建、使用和所有权模型。基于服务的模型可以 配置、执行和合并多个服务来满足特定的需求。服务计算，在此应用需求下，被 作为解决这一问题的基础理论及其相关技术而提出【_ 7 1 。它信托于面向服务体系架 构的三方模型，广泛采用w e b 服务来解决高层的互操作性和动态协作性问题【8 】。 当前，随着w e b 服务技术的同益成熟，面向服务开发得以广泛运用，越来 越多的稳定易用的w e b 服务已共享在网络上，但单个w e b 服务的功能非常有限。 当服务请求者提出服务请求，而单个w e b 服务均不能满足服务请求者的需求时， 这就要求多个w e b 服务进行“合理组合以满足用户的需求。 、 然而在进行服务组合时，如何从大量功能相同而q o s 不同的w 曲服务中选 取出一组服务，使得组合服务具有较好的质量成为一个亟待解决的问题。 在进行服务组合时，为使组合服务具有较高的服务质量，不可避免地我们会 硕十学位论文 第一章绪论 讨论q o s 问题。当今服务质量这一术语在中间件【9 1 、工作流【1 0 1 、网络【l i 】、软件 工程【1 2 】等领域中得以广泛使用。然而，人们在使用该术语时，术语本身并没有得 到有效地定义，因此在实际使用中常常不够严谨，甚至出现错误。在估计服务的 质量时，对于q o s 特性如何清晰获取，目前仍没有相关定义。 准确定义及描述w e b 服务的q o s 是面向服务计算中实现服务质量保证的基 础，缺乏q o s 保证逐渐成为制约w e b 服务应用的瓶颈之一。而对于一项服务应 从哪些角度进行q o s 描述以及如何记录各个服务质量值，仍是目前所需要解决 的问题。 在进行服务组合时，面对未来不同的服务提供者提供的数量可观的功能相同 或相似的服务，如何准确地从中选择出合适的、满足需求的服务就显得至关重要， 这就要求我们对各个服务进行质量估计。至今，服务质量估计问题的研究还不是 非常成熟，并未给出一个精确地估计q o s 的计算方法，如何根据服务的质量信 息，进行质量估计有待进一步研究。 对于服务组合语言，到目前为止，基本上都是对如何将多个基本服务组合成 一个复杂服务做了描述，但仍然都是语法级别的，它们无法验证服务组合是否正 确及组合服务是否能在有限步骤内完成、结束。如何进行w e b 服务组合及对w 曲 服务组合流程进行形式化描述，以实现可靠的服务组合是当前服务组合中一个研 究热点。 而对于服务组合，不管是对其方法还是其组合方式，目前已有大量的研究工 作。对于一项组合服务，其组合方案一般应不止一种，如何从这些组合方案中选 取出不但满足功能需要，又具有较好的非功能属性的一组服务，使得组合服务整 体的服务质量最优仍是一个难题。遗传算法较适合此场景，但目前就遗传算法在 服务计算方面的应用研究并不是很多。 1 2 研究现状 1 9 9 6 年g a r t n e r 第一次描述了面向服务架构( 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 ) t ”】，2 0 0 2 年又提出了s o a 将成为现代应用开发领域最重要的课题 的观点，并认为到今年( 2 0 0 8 ) s o a 会成为占绝对优势的软件工程方法，从而 结束已长达4 0 多年的传统软件体系架构的主导地位【l 4 1 。 s o a 最初的应用并不是为了企业系统，但是由于w e b 服务的广泛应用，s o a 企业化应用的趋势明显加强，尽管w e b 服务并不一定需要s o a ，s o a 也并不都 以w e b 服务为基础，但是这两种技术所代表的方向与趋势是一致的。w e b 服务 的锐气将把s o a 带向主流用户，同时s o a 的最佳实践也将使w e b 服务获得最 初的成功。 硕士学位论文 第一章绪论 本质上说，s o a 是一种面向接口的软件构架，以接口定义开始，然后构建 整个应用拓扑实施为一个接口拓扑、接口实现和接口请求【1 5 】。由于s o a 的业务 敏捷性，再加上w e b 服务的广泛运用，所以s o a 越来越引起学术界的关注。 2 0 0 4 年在上海召开的i e e e 国际服务计算大会上，张良杰博士首次提出服务 计算的概念【1 6 1 。服务计算是跨越计算机与信息技术、商业管理、商业质询服务等 领域的一个新的学科，是应用s o a 技术在消除商业服务与信息支撑技术之间的 横沟方面的直接产物【1 7 】。面向服务计算以w e b 服务作为开发应用或者提供问题 解决方案的基本元素。它的一个最主要目标是能通过标准化的协议来访问大量的 w e b 服务，这些服务在功能上可以自动地被发现并能组合成应用程序或更复杂的 服务【1 8 l 。w e b 服务是一种新型的组件，无需购买亦无需部署。只要一次在因特 网上部署，即可到处使用。所有的应用只要能连接到因特网上，就可使用和集成 w e b 服务。采用w e b 服务，程序员无需与多种平台进行交互，只需要与w e b 服 务这一种组件进行交互，同时w 曲服务的调用界面完全采用标准的x m l 及相关 技术，因此开发的代价得以显著降低；另外流程的更改亦不需要大量更改程序代 码，甚至在相关工具支持下，有可能并不需要更改代码，所以部署和集成的费用 也得以大大减少；同时随着w e b 服务技术，如w s d l 、u d d i 、w s f l 的大量使 用，w e b 服务在运行时进行动态装配将成为现实，这样每个用户甚至可以根据自 己的需要来实时进行装配。 面向服务计算作为一个新的分布式计算研究方向，国内外的研究机构、标准 化组织和工业界在服务计算上做了大量的研究工作。可以将服务计算的研究领域 大致划分为以下子方向【1 9 】： 服务计算的理论基础； 面向服务应用的需求工程： 服务计算的体系结构； 服务计算中的资源组织和管理； 基于服务的业务流程集成和管理； 服务组合； 服务语义( 语义w 曲服务) ； 服务互操作； 服务虚拟化； 服务个性化和上下文感知； 服务依赖； 服务可靠性： 服务验证和服务确认： 硕十学位论文 第一章绪论 服务测试； 服务质量； 可信服务计算、安全服务计算； 服务计算中间件； 下面就与本文相关部分的研究现状作以总结。 在服务组合语言方面，2 0 0 1 年，i b m 根据工作流提出了w e b 服务流程语言 w s f l ；同年，m i c r o s o f t 提出了服务组合语言x l a n g ；次年，i b m 、m i c r o s o f t 、 b e a 等公司将w s f l 和x l a n g 结合起来，提出7 n l 王务组合语言b p e l 4 w s ：另 外，s u n 公司联合其他公司先后推出了b p m l 和w s c i 语言等。其中b p e i a w s 已经成为o a s i s 的推荐标准，逐渐成为w e b 服务组合描述语言中的主流。o w l s e r v i c e sc o a l i t i o n 提出了语义w e b 服务描述本体o w l s ( 前身d a m l - s ) ( 包括服 务模型s e r v i c e m o d e l ) 。当前o w l - s 已成为语义w 曲服务描述语言的标准。 在w e b 服务组合的系统研发方面，目前几个比较有代表性的原型系统有： 美国g e o r g i a 大学的s c e t 系统，h p 公司的e f l o w ，i b m 发布的b p w s 4 j 类库， 美国c o l l a x a 公司的c o l l a x ab p e ls e r v e r ，中国科学院软件所的w e b 服务自动组 合演示系统等。其中s c e t 系统是基于i b mw s f l 语言的w e b 服务组合组合执 行系统，b p w s 4 j 类库是基于b p e l 4 w s 语言实现的一个w e b 服务组合支撑系统 原型，c o l l a x ab p e ls e r v e r 同样也是基于b p e l w s 语言的w e b 服务组合支撑系 统，而中国科学院软件所研究的系统则是基于o w l s 语言的语义w e b 服务自动 组合。 在服务组合方法方面，文献 2 0 1 给出了当前9 种有代表性的w e b 服务组合方 法；另外，文献 2 1 】提出了一种基于角色的分布式动态服务组合方法；文献 2 2 】 提出了一种面向业务用户的大粒度服务组合方法；文献 2 3 】提出了一种基于匹配 策略的服务组合方法；文献 2 4 1 ，研究了基于w s f l 的服务组合等。 总之，对于服务组合，目前的研究主要集中在服务组合的方法和规范上，而 没有考虑到服务组合的质量问题等 2 5 】。服务质量涉及到很多应用领域，比如网络、 电信、服务业等。目前对于服务质量的研究主要集中在中间件，实时应用，网络， 工作流等方面。在w e b 服务研究领域，服务质量( q o s ) 用来描述服务非功能性特 征【2 6 】。目前一些学者对服务质量进行了研究，提出了不同的服务质量模型。文献 2 7 】中，a g g a r w a l 提出一个q o s 模板的概念，这个模板中服务质量的评价因素 包括费用、时间、有效性、可靠性等：。文献 2 8 中，l a n g z h a oz e n g 等人提出了 一个w e b 服务质量模型，包括执行代价、执行时间、可靠性、有效性和信誉等5 个质量标准；文献 2 9 】中，y u ml i u 等人提出了一个通用w 曲服务质量模型，包 括执行代价、执行时间和信誉等3 个通用质量标准和与领域相关的事务性、退款 硕士学位论文第一章绪论 率、罚款率等3 个业务标准：文献 3 0 】中，b i n y u 等人分别用1 个质量标准( 分 数或信誉) 来描述服务质量；文献 3 1 中，e mm a x i m i l i e n 等人提出了一个w e b 服务质量本体，包括有效性、容量、经济条件、互操作性、性能、可靠性、鲁棒 性、可扩展性、安全性、完整性和稳定性等1 1 个服务质量标准；另外在文献 3 2 】、 3 3 、【3 4 】、 3 5 】、【3 6 1 ，各位学者亦提出了不同的服务质量标准。以上服务质 量标准，除文献 2 8 】、【3 3 、【3 4 、【3 5 】中提出的是针对服务组合的服务质量模型 之外，基本上都是基于工作流、实时应用或者网络的服务质量研究。在面向服务 计算中，目前在对服务进行组合时，一般都是基本服务或者组合服务的简单组合， 除了没有考虑到服务组合的质量问题外，而且对服务组合中基本服务的相关性 ( 关联度) 研究也较岁3 4 】，再者当前的研究方法一般采用的是数学模型方法，很少 采用实验仿真法；另外目前的q o s 模型都着眼于对一般服务的质量评价，并不 能客观、全面地反映组合服务的质量。对服务组合的质量进行估计时，服务质量 标准没有一个合理的参考。对于上述有的服务质量模型，主观标准太多，比如 e mm a x i m i l i e n 等人提出的w 曲服务质量本体。 在进行服务组合时，服务选取是其中一个重点问题。为使组合服务具有较高 的服务质量，需要依据q o s 进行服务选取，这就要求我们对服务进行质量估计。 文献 3 3 】利用数学模型法对服务组合进行质量估计、文献【3 4 根据基本服务间所 存在的控制逻辑关系进行组合服务质量计算，但二者均没给出精确的服务质量的 计算方法。文献【3 6 】根据当前服务质量估计方法的情况，基于用户期望，从服务 提供端收集质量率，进行服务质量的计算。但依据当前技术等条件，获取服务提 供者给出的每一个服务的计划q o s ，并实时监控每一个服务的实际q o s 不太现 实。 如何进行服务组合及服务组合描述，并保证服务组合的正确性和可靠性，这 就要求我们对服务组合流程进行描述并对服务组合流程与业务逻辑的一致性进 行验证。目前主要有两种思想进行服务组合：一是基于流程的思想，主要是p e t r i 网和进程代数的方法进行描述和验证；二是基于语义的服务组合。而较为常见的 服务组合形式化方法为：基于p e t f i 网的方法，基于进程代数( c c s ，l o t o s 及 p i 一演算) 的方法以及基于半形式化语言u m l 的方法。 为实现服务组合，根据组合方案及业务服务要求，我们需要进行具体服务的 选取工作，选取最佳服务属于多目标及组合优化问题。当前，穷尽计算【2 8 】【2 9 】与 遗传算法【”】【3 8 】是两种利用q o s 特性进行计算从而得出最佳服务的方法。当计算 量相对较大时，穷尽计算显出了其弊端。而目前基于遗传算法的服务选取工作也 只是在一定程度上解决了服务选取问题，并没有注意到遗传算法本身的特性( 如： 编码方式、天然并行性等) 所带来的高效性。 硕十学位论文第一章绪论 1 3 研究内容 至今，w e b 服务组合并没有统一的定义。综合当前定义来言，w e b 服务组合 是指：为了特定的业务目标将多个独立自治的w e b 服务( 称为基本服务) 按照其语 义及逻辑关系“拼装 起来，以实现高层次的功能聚合( 称为组合服务) 【2 1 1 。亦指 由各个小粒度的w e b 服务相互之间通信和协作来实现大粒度的服务功能；通过 有效地联合各种不同功能的w e b 服务，服务开发者可以借此解决较为复杂的问 题，实现增值服务【3 9 1 。比如常见的旅行社代理服务、订单服务等，都是组合已有 的组织内和组织外的服务来实现单个服务所不能完成的复杂功能。 为什么要进行服务组合呢? 主要有以下几个原因：l 、为了提高服务的可重 用性，因为基本w e b 服务一般做得都比较简单，也即是说基本w e b 服务的功能 非常有限：2 、由于w 曲服务丌发环境( 如n e t 、j 2 e e 等) 的异构性；3 、由于硬件 设备的异构( 如p c 、p d a 等) 及不同的网络服务访问方式( 如有线、无线等) 的涌现。 所以如若将松散耦合的、分散的各类w e b 服务( 基本服务或组合服务) 组织成一个 可用的系统或者提供一个比较复杂的服务，必须进行服务的组合。因此服务组合 作为实现灵活、快速集成的重要方法，不可置疑的成为面向服务计算中一个研究 热点【2 l 】。 在进行服务组合时，研究服务组合的质量问题主要有两个原因：l 、服务组 合的代价、时间开销一般比较大，可靠性和性能容易受到影响，用户在进行服务 组合之i j i 一般需要对组合服务的质量进行估计，从而决定是否进行服务组合；2 、 对于一个服务请求，可能有多个服务组合方案或组合服务，到底选择哪一个方案 或组合服务，亦需要对组合服务的质量进行估计。 因此，针对以上原因及第1 2 节所述当前服务组合研究工作中存在的不足之 处，本文重点围绕面向服务计算中q o s ( 包括q o s 质量标准、参考矩阵和估计 方法) 、服务组合及其正确性验证以及利用伪并行遗传算法，将组合服务q o s 做 为目标函数从而进行服务组合最优化等问题进行了深入研究。本文的工作主要涉 及以下几个方面： 面向服务计算中q o s 参考矩阵研究 当前，服务质量已应用到各个领域。目前许多学者已将其运用到诸如工作流、 网络、多媒体等领域中。但对于服务质量的概念并没有清晰的给出定义，所以在 使用时难免出现错误，并且服务质量标准仍没有统一的规定。为此，本文从准确 性、灵活性角度出发，根据相关国际标准，对面向服务计算中的q o s 进行了定 义，并给出了面向服务计算中q o s 参考矩阵，其中对参考矩阵中的各个属性进 行了详细分析。 q o s 估计方法 硕士学位论文第一章绪论 在面向服务计算中，为从大量功能相同或相似的服务中选取出合适的、满足 需求的服务，有必要对服务进行质量估计。目前，对服务质量估计的研究并不成 熟。考虑到用户对服务要求的模糊性，在进行质量估计时有必要引入相似度的概 念。因此本文从用户角度出发，收集质量的相关信息，利用本文提出的计算方法， 对服务质量进行估计。 w e b 服务组合及其正确性验证 从服务可重用性角度考虑，单个服务不可能做得特别复杂。如果单个服务不 能满足服务请求者需求，这就要求多个w e b 服务进行“合理组合以满足用户 需求。如何进行组合，以及如何保证服务组合的正确性是一个值得研究的问题。 p i 演算是一种移动进程代数，可用于对并发和动态变化的系统进行建模。文中 通过一个特定实例，用p i 演算进行w e b 服务组合，并利用形式化工具对服务组 合的正确性及是否满足需求进行了验证。 基于遗传算法的q o s 感知的w e b 服务组合最优化 面对网络上众多功能相同或相似而q o s 不同的w e b 服务，在进行w e b 服务 组合时，如何从中选取出一组服务，使得组合服务最佳已成为一个极需解决的问 题。目前，服务组合的方式很多，本文从q o s 角度出发，利用伪并行遗传算法， 实现服务的组合并得出最( 次) 优组合服务，其中亦考虑了商业实体( 服务提供 者) 关系对服务组合的整体q o s 的影响。 1 4 论文结构 本文分为六章，论文结构及各章节的关系如图1 - 1 所示： i 一 6 、结束语 图1 1 论文组织结构 第一章：绪论，阐述本文的研究背景，对面向服务计算中基于q o s 的服务 组合研究现状进行总结分析，概括本文的研究内容并给出论文结构； 硕十学位论文第一章绪论 第二章：基于面向服务计算环境，给出较为准确的q o s 定义，研究讨论q o s 的特性及模型，提出q o s 参考矩阵； 第三章：根据用户期望及其对所使用服务要求的模糊性，从服务使用端也即 用户角度收集质量信息，利用余弦函数相似度的思想，提出一种质量估计方法进 行q o s 计算； 第四章：给出服务组合及其正确性验证需求，基于流程的思想进行服务组合， 利用p i 演算描述w e b 服务组合，并运用m w b 验证其正确性； 第五章：基于前一章服务组合正确性验证以及第三章q o s 估计方法，针对 具有q o s 目标的服务组合最优化问题，利用伪并行遗传算法，研究解决q o s 约 束的服务组合问题及商业实体关系对最终结果的影响，并对伪并行遗传算法的性 能进行分析； 第六章：总结全文，并对下一步的工作进行展望。 8 硕+ 学位论文第二章面向服务计算中q o s 参考矩阵研究 第二章面向服务计算中q o s 参考矩阵研究 随着w e b 服务提供者数量的日益增多，w e b 上不可避免地会出现大量功能 相同或相似的服务。如何区分这些服务并保证它们的服务质量，已成为人们关注 的重点问题。当今服务质量这一术语已得以广泛使用。然而，人们在使用该术语 时，术语本身并没有得以有效地定义，因此在实际使用中常常不够严谨，甚至出 现错误。在估计服务的质量时，对于q o s 特性如何清晰获取，目前仍没有相关 定义。准确定义及描述w 曲服务的q o s 是面向服务计算中实现服务质量保证的 基础，缺乏q o s 保证逐渐成为制约w e b 服务应用的瓶颈之一。为此，本章从面 向服务计算环境出发，根据i s o 、i t u 、e t s i 等标准，给出q o s 定义，提出q o s 参考矩阵，并对q o s 特性、q o s 模型及q o s 视图进行详细讨论。 本章内容安排如下：第2 1 节首先给出服务计算的概念及面向服务计算中 q o s 参考矩阵和其属性值；为进一步深入了解q o s 定义，第2 2 节给出了通用 q o s 模型；第2 3 节将q o s 模型中服务感知q o s 包括的q o s 的4 个视图进行详 细讨论；最后第2 4 节对本章进行了总结并给出下一步研究工作。 2 1 面向服务计算中q o s 参考矩阵及其各属性值 2 1 1 服务计算的概念 参照i e e e 服务计算社团的观点【4 0 i ，本文中将服务计算描述为：覆盖业务服 务和信息技术服务的跨学科的科学与技术。其技术特征有：w e b 服务以及s o a ， 业务解决方法和工具，业务流程建模、变换和集成。服务计算覆盖了整个服务研 究的生命期，包括业务服务组件化，服务建模，服务创建，服务实现，服务注释 ( 注解) ，服务部署，服务发现，服务组合，服务传播，服务到服务协作，服务 监控，服务优化以及服务管理。服务计算的目标是：使得i t 服务和计算技术可 以更经济、更高效地完成业务服务。 从以上定义可见，服务计算形成了一整套的新理念和新方法，通过吸取成熟 的开放分布式系统的经验，并与它们互补，开辟了一个新的分布式计算的研究领 域。 一 面向服务计算( s e r v i c e o r i e n t e dc o m p u t i n g s o c ) 是服务计算中纯技术部分， 同时它也包括服务商议方法论、服务设计、服务交付以及服务维护和管理等。使 得异构的参与者可以在服务注册中心注册它们能提供的服务，以便与其他的参与 者进行p p 的交互。它倡导以服务及其组合为基础构造应用的开发模式，使能标 硕十学位论文第二章面向服务计算中q o s 参考矩阵研究 准化、松耦合和透明的应用集成方式，有助于提高应用系统的互操作能力、敏捷 性和集成能力。 常见的服务计算依托于w e b 服务，w e b 服务是一种自描述和自治的软件实 体，它可以在i n t e m e t 范围内发布、发现和调用。w e b 服务使用的是基于x m l 的标准语言和协议。通过服务计算，可以实现资源虚拟化( 即需要使用的资源在 运行之前是不需要在本地的，甚至根本不知道它在何处) 、设施简单化和合并加 强等特征。s o c 的目标是：通过组合和利用外部资源来实现按需计算( o nd e m a n d c o m p u t i n g ) ，即不需要的部分及时卸载，而需要的部分动态组合起来。 2 1 2 q o s 定义 有关质量( q u a l i t y ) 概念的定义最初出现在i s 0 8 4 0 2 ：19 9 4 4 l 】标准中：质量是有 关实体的一组特性的总和，这些特性反映了该实体满足其被明确规定或隐含需求 的能力( t h et o t a l i t yo fc h a r a c t e r i s t i c so fa l le n t i t yt h a tb e a ro ni t sa b i l i t yt os a t i s f y s t a t e da n di m p l i e dn e e d s ) 。随后，i s 0 9 0 0 0 ：2 0 0 0 4 2 】取代了i s 0 8 4 0 2 ，并将质量定义 为：一组固有特性满足要求的程度( t h ed e g r e et ow h i c has e to fi n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i c sf u l f i l sr e q u i r e m e n t s ) 。 服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 的概念源于网络领域，表示网络服务的 好坏程度，如今q o s 已经成为一个一般性的概念，在不同的领域有着不同的含 义。目前q o s 的研究主要集中在中间件【9 1 、工作流【10 1 、网络【1 1 】中，而其定义至 今仍没有统一的说法。对于q o s 的定义，i e t f 4 3 】( i n t e m e t 工程任务组) 将其定 义为：网络在传输数据流时要满足的一系列服务要求( as e to f s e r v i c er e q u i r e m e n t t ob em e tb yt h en e t w o r kw h i l et r a n s p o r t i n gaf l o w ) ；i t u te 8 0 0 2 1 0 1 4 4 】中描述如 下：q o s 是一种服务性能的综合体现，这种服务性能决定了网络在多大程度上满 足业务用户的要求( t h ec o l l e c t i v ee f f e c to fs e r v i c ep e r f o r m a n c ew h i c hd e t e r m i n e s t h ed e g r e eo f s a t i s f a c t i o no f au s e ro f t h es e r v i c e ) ；e t s i 组织也给出了q o s 的定义。 由于e t s i 和i t u 均属于电信领域的研究机构，并且两个组织的研究人员在q o s 研究领域有重叠，因此e t s i 对q o s 概念的理解基本上和i t u 的理解相同，这一 点可以从e t s i 文档e t r0 0 3 【4 5 1 ( 服务质量和网络性能的通用概念) 中看出。 i s o 的o s i 网络七层协议栈模型一直是计算机网络协议和电信网络协议设 计、分析和实现的重要参考，在i t u tx 2 0 0 删j 中定义了七层协议栈模型，在这 个模型中给出了一些关键的定义( 如服务) ，但是没有给出十分明确的、和七层 协议栈对应的服务质量的概念。在i s o i e c1 3 2 3 6 ：1 9 9 8 1 4 7 1 d ? 对这个方面的内容进 行了补充，给出了完整的q o s 模型和相对完善的q o s 定义。其定义q o s 为：一 个或多个对象的集体汇集的质量需求集。i s o 对q o s 的定义可以看作是i e t f 、 硕十学位论文 第二章面向服务计算中q o s 参考矩阵研究 i t u 、e t s i 关于q o s 定义的内涵的超集，是目前为止最有实际指导意义的。但 是应该认识到：i s o 的o s i 七层协议栈模型只是一个理论参考模型，它具有较高 的逻辑抽象层次，当其应用到具体网络( 服务) 时需要把这些协议栈进行相应的 功能细化和协议本地化，从而形成更具有指导意义的q o s 模型。而其他大量的 出版物( 包括许多标准、报告和技术规范等) 在使用q o s 术语时都没有对其进 行清晰的定义，或仅仅简单地引用或指明“q o s 术语定义参见i t u - t 标准e 8 0 0 。 从根本意义上来说，q o s 指网络对服务性能要求的支持能力。这里的性能要 求是特定于不同服务的，即不同的服务有不同的性能要求。比如流媒体服务，由 于其本身具有变化的位速，所以对时延、抖动非常敏感：带宽需求高；需要可预 计的时延和丢失率。q o s 通常用带宽、时延、时延抖动和分组丢失率等网络层参 数来衡量。但在面向服务计算环境中，并不局限于这些传输参数，因为它需要所 有的层及组件来共同参与。在w e b 服务中，目前对质量的定义仍是模糊的并且 从不同的研究视角来看，观点不同。但目前主要存在着两种通用观点： 质量即是一致：这种观点认为质量应该与需求相同。比如，服务提供者 s p l 在服务协议中指明它将给的服务消费者提供1 m b s 带宽。如果s p l 实际上提供的带宽超过或等于l m s ，那么就认为s p l 提供了较好的服 务质量。 质量即是信誉：这种观点通常是将质量与用户的感知联系在一起。比如， 一个有多年良好信誉的新闻服务，通常一个新用户依据此，就会认为它 提供的服务将是比较优的。 结合上述观点，q o s 可定义为：由w e b 服务提供的影响服务质量的一组非 功能属性。当前w e b 服务协议栈中的q o s 层就4 个方面规定了4 个标准：安全、 事务、可靠信息和资源生命周期管型4 引。此q o s 层有利于开发者和服务提供者 扩展信息层和事务层的w e b 服务质量。然而，为使企业能够将外部的w e b 服务 应用到自己的业务流程，我们必须保证应用层的w e b 服务质量，这样就可以提 供不同粒度的q o s 控制集成。因此，考虑到面向服务计算中服务种类繁多，服 务性能要求各异，结合目前大多数研究人员的观点，在假定网络稳定的基础上， 本文采用服务时间、服务代价、可用性、完整性，信誉等q o s 特性来描述服务 质量，但并不局限于上述特性。 2 1 3 面向服务计算中q o s 参考矩阵 为了方便、清晰地记录或更改每项服务的q o s 情况，并能让服务提供者根 据用户提供的相关信息及时做调整，以便提供质量更优的服务，且用户能根据偏 好及服务提供者的允诺等选择合适的服务或调整要求。文中提出了面向服务计算 硕十学位论文第二章面向服务计算中q o s 参考矩阵研究 中q o s 的参考矩阵，如图2 - 1 所示： 、q o s 特性 服务时间服务代价完整性 可用性 信誉 通用o o s 模扑 服务固有q o s 服 计划提交q o s 务 感实际提交q o s 知 q 用户感知q o s o s 用户o o s 要求 用户评价o o s 图2 - 1 面向服务计算中q o s 参考矩阵 此参考矩阵可以应用于面向服务计算中的任何服务，其填写方式可由q o s 管理机制决定。根据此参考矩阵，服务提供者可调整修改再次计划提交的q o s ， 服务用户也可以更改自己的q o s 要求。按照一定的策略，可以很容易地评估一 项服务的性能好坏。本文假定服务时白j 越短、服务代价越低、完整性越好、可用 性越强及信誉越高的服务，质量越优。从用户角度，可以根据用户评价q o s 来 判断一项服务的服务质量优劣。对一项服务来说，当服务固有q o s 为 ，服务提供者计划提交o o s 为 ， 服务提供者实际提交q o s 为 ，用户q o s 要求为 ，用户评价q o s 为 时，服务提供者根据 用户评价q o s ，找出最能影响自己利益的一项，比如评价值较低项服务可用性 这一特性，服务提供者可根据自己的服务固有q o s 及用户q o s 要求来调整计划 提交q o s 及改善实际提交o o s 等，假如调整后的计划提交q o s 为 、改善后的实际提交q o s 为 ， 相对来言，这样就能更好的满足刚才用户的需求。对于矩阵中的各个属性值，以 下将逐一详细介绍。 2 1 4 面向服务计算中q o s 特性 在q o s 定义的基础上，需要将受实际应用影响的服务功能和功能执行时用 来评估q o s 的不同特性关联起来。对于q o s 特性，可以从类属特性、专门特性 和衍生特性三个方面来确定。考虑到面向服务计算中服务类别的各异，本文给出 其类属特性为：服务时间、服务代价、完整性、可用性及信誉等。根据i s o i e c 1 3 2 3 6 ：1 9 9 8 【47 】中描述技术的方法，我们定义面向服务计算中各q o s 特性如下： 定义2 1 服务时n ( s e r v i c et i m e ) ：指服务用户向服务提供者发出服务请求到 硕十学位论文第二章面向服务计算中q o s 参考矩阵研究 收到服务提供者的服务结果所经历的时间。它由两部分组成：服务处理时间和服 务延迟时间。服务处理时间可以由服务提供者直接或间接给出。服务延迟时间是 通过对该服务过去的服务延迟时间进行估计得到的，一般将服务过去延迟时间的 平均值作为当前的服务延迟时间。 定义2 2 服务代价( s e r v i c ec o s t ) ：指服务提供者提供服务后，用