（计算机科学与技术专业论文）基于多目标优化的web服务组合研究.pdf

摘要 w e b 服务吸收了分布式计算、网格计算和x m l 等各种技术的优 点，解决了异构分布式计算以及代码与数据重用等问题，具有高度的 互操作、跨平台和松散耦合的特点，成为w w w 发展的主要趋势。 然而，单个w e b 服务的功能有限，只有通过对单个w e b 服务的组合， 实现服务增值和服务重用，w e b 服务的潜力才能真正发挥出来。因此 w e b 服务组合正在成为一种整合发布在网络上的松散耦合服务方法 的标准，是w e b 服务中的重要研究领域。 随着w e b 服务的发展，拥有相同功能却有不同q o s 属性的服务 也在不断增加。面对海量的组合方案，基于全局q o s 限制的w e b 服 务选择在w e b 服务组合当中扮演着相当重要的角色。如何提供实时 的、稳定的、动态适应的选择机制成为重要的研究课题。 本文针对基于全局q o s 限制的w e b 服务选择问题，围绕实时、 有效、自适应选择的目标进行了深入的研究。针对面向q o s 的服务 选择特定问题，提出了面向q o s 的基于多约束条件、多目标优化的 服务选择机制。并将服务动态选择全局最优化问题转化为一个带多约 束条件的多目标优化模型下求解最优路径问题，利用基于种群多样性 控制的遗传算法的智能优化原理，通过同时优化多个目标函数，最终 产生一组满足约束条件的p a r e t o 优化服务组合集，并通过理论分析 和实验结果说明了算法的可行性和有效性。 关键词：w e b 服务组合，遗传算法，多目标优化 a bs t r a c t w e bs e r v i c ee x t r a c t st h ea d v a n t a g eo fd i s t r i b u t e dc o m p u t a t i o n ，g r i d c o m p u t a t i o na n dx m l ，a n d s o l v e st h e p r o b l e m s o fh e t e r o g e n e o u s d i s t r i b u t e dc o m p u t a t i o na n dd a t ar e u s e w e bs e r v i c eh a st h ec h a r a c t e r so f i n t e r - o p e r a t i o n ，m u l t i - p l a t f o r m a n dl o o s e c o u p l i n g ，s o i tb e c o m e st h e l e a d i n gd e v e l o p m e n tt r e n do fw w w b u ts i n g l ew e b s e r v i c eh a sl i m i t e d f u n c t i o n ，s e r v i c e i n c r e m e n ta n ds e r v i c er e u s ec a nb eo b t a i n e do n l y t h r o u g hc o m b i n i n gm u l t i p l ew e bs e r v i c e s t h u s ，t h ep o t e n t i a lo fw e b s e r v i c ec a nb eb r o u g h ti n t op l a y w e bs e r v i c e sa r eg a i n i n ga c c e p t a n c ea sa s t a n d a r d s b a s e da p p r o a c hf o ri n t e g r a t i n gl o o s e l yc o u p l e ds e r v i c e so f t e n d i s t r i b u t e do v e ran e t w o r k h o wt oc r e a t er o b u s ts e r v i c ec o m p o s i t i o n sb e c o m e st h en e x ts t e p w o r ki nw e bs e r v i c e sa n dh a sa t t r a c t e dal o to fr e s e a r c h e s a tt h es a m e t i m e ，w e bs e r v i c e ss e l e c t i o ns u p p o r t i n gg l o b a lq o sc o n s t r a i n t sp l a y s a n i m p o r t a n tr o l ei nw e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o n s i n c ew e bs e r v i c e sw i t ht h e s a m ef u n c t i o n sa n dd i f f e r e n tq o sa r ei n c r e a s i n gw i t ht h ep r o l i f e r a t i o no f w e bs e r v i c e s ，i ti sn e e d e dt os e l e c tt h eb e s tc o m p o s i t ep l a nf r o m n u m e r o u sp l a n si no r d e rt om a x i m i z es a t i s f a c t i o no fu s e ra n ds a t i s f yt h e c o n s u m e r s g l o b a lq o sc o n s t r a i n t s t h er e s e a r c h e sa b o u tp r a c t i c a b i l i t y , e f f e c t i v i t y , s t a b i l i t ya n da d a p t i v e c a p a b i l i t yo fs e l e c t i o nm e c h a n i s mh a v e g a i n e dc o n s i d e r a b l em o m e n t u m s i no r d e rt or e s o l v es e r v i c e ss e l e c t i o nw i t ht h eg l o b a lq o sc o n s t r a i n t h i sp a p e rp r e s e n t sa na l g o r i t h mt or e s o l v ed y n a m i cw e bs e r v i c e s s e l e c t i o nw i t hq o sg l o b a lo p t i m a li nw e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o n t h e e s s e n c eo ft h ea l g o r i t h mi st h a tt h ep r o b l e mo fd y n a m i cw e bs e r v i c e s e l e c t i o nw i t hq o sg l o b a lo p t i m a li st r a n s f o r m e di n t oam u l t i - - o b je c t i v e s e r v i c e sc o m p o s i t i o no p t i m i z a t i o nw i t hq o sc o n s t r a i n t s t h et h e o r yo f i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o no fm u l t i o b j e c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m i su t i f i z e dt o p r o d u c eas e to fo p t i m a lp a r e t os e r v i c e sc o m p o s i t i o np r o c e s s w i t h c o n s t r a i n tp r i n c i p l eb ym e a n so fo p t i m i z i n gv a r i o u so b je c t i v ef u n c t i o n s s i m u l t a n e o u s l y t h eo r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h e f e a s i b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h i sa l g o r i t h m k e y w o r d s ：w e bs e v i c e s c o m p o s i t i o n ， g e n e t i c a l g o r i t h m s ， 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己在论文中作了明确的说明。 作者签名：蒸越日期：咀年上月旦日 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。 作者签名：笾泣按师签名j 型至一日期：鱼孕年月盟日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 二十世纪九十年代末，随着分布式对象技术和x m l 技术的发展，出现了 w e b 服务( w e bs e r v i c e s ) 技术。w 曲服务是指那些由u r i 来标识的应用组件，其 接口和绑定信息可以通过x m l 定义、描述和查找；同时，w e b 服务通过基于 i n t e m e t 协议的x m l 消息，可与其它软件、应用直接交互【l 】。随着互联网技术与 应用的迅速发展，w e b 服务正在成为一种整合发布在网络上的松散耦合服务方法 的标准。w e b 服务技术吸收了分布式计算、网格计算和x m l 等各种技术的优点， 通过采用w s d l ，u d d i 和s o a p 等基于x m l 的标准和协议，解决了异构分布 式计算以及代码与数据重用等问题，具有高度的互操作性、跨平台性和松耦合的 特点，引起了世界范围内学术界和工业界的极大兴趣。然而单个w e b 服务提供 的功能有限，只有通过对已有的单个w e b 服务进行组合，w e b 服务的潜力才能 真j 下发挥出来。论文以w e b 服务组合的性能分析为主要对象，研究了基于q o s 的w e b 服务组合概念建模及优化等问题。 1 1w e b 服务组合的起源 作为信息领域的核心问题，如何实现灵活地集成企业业务经历了从电子数据 交换( e l e c t r o n i cd a t ai n t e r c h a n g e ，e d i ) 到企业应用集成( e n t e r p r i sa p p l i c a t i o n i n t e g r a t i o n ，e a i ) 的发展历程。传统的e d i 试图通过增值网络( v a l u ea d d e d n e t w o r k s ，v a n ) 连接企业和他们的客户、供应商以及合作伙伴。作为企业业务集 成领域的先驱，e d i 建立专有系统，实现企业和特定伙伴之间点对点的业务连接。 但是，这种传统的e d i 是一种费用高昂、灵活性差和耗时的解决方案。 在二十世纪九十年代提出了e a i 。e a i 主要目的是集成企业内部分散的系 统。尽管e a i 满足了许多企业的一些内部应用集成需求，但是e d i 和e a i 都没 有实现对涵盖整个价值链的业务流程的支持，其交互方式也各不相同，相关的集 成技术亦随着应用的不同而不尽相同。因此，迫切需要一种新的技术以灵活的和 标准化的方式实现企业业务集成。二十世纪九十年代末，随着分布式对象技术和 x m l 技术的发展，出现了w e b 服务( w e bs e r v i c e s ) 技术。w | e b 服务可以通过标准 的i n t e m e t 协议访问的应用组件，它不依赖于特定的硬件、操作系统和编程环境。 由于w e b 服务提供了一种一致化编程模型，从而在企业内外都可以利用通用的 信息基础设施和以一种通用的方法进行业务集成。w e b 服务的出现使得业务集成 比以前更快、更容易而且更便宜，并且实现了业务功能的松散集成。从而使企业 硕十学位论文第一章绪论 业务集成逐步过渡到以w e b 服务为基础的面向服务的体系结构之上。 面向服务的计算( s o c ) 的核心理念是在交互的软件成分之间，构建松耦合的 协同软件体系。s o c 以w e b 服务作为基本组成成分，并采用了一系列标准化的 协议进行交互。在面向服务的体系结构中，需要将企业内部的价值链划分为较小 的服务单元。这样做不仅可以将应用之间的交互标准化，而且可以为业务流程提 供更多的灵活性。面向服务的体系结构解决了如何描述和组织服务的问题，以便 服务可以被动态地、自动地发现和使用。而w e b 服务组合作为以w e b 服务为基 础的信息基础设施和企业业务应用集成之间的桥梁，将服务模块组合起来成为完 整的应用。 1 2w e b 服务组合的概念和特点 近年来，随着w e b 服务组合研究的展开，不同的研究人员对w e b 服务组合 的概念有着不同的认识。以下几个具有代表性的定义从不同的角度对w e b 服务 组合进行了描述： ( 1 ) i b m 公司的定义 2 1 ：w e b 服务组合是支持业务流程逻辑的一组w 曲服务， 其本身既可以是最终的应用，也可以是新的w e b 服务，组合是通过确定不同w e b 服务的执行顺序和w e b 服务之间的复杂交互来实现。 ( 2 ) 斯坦福大学s w i g 小组的定义【3 】：w 曲服务组合就是研究如何通过组合 自治的w e b 服务而获得新的功能的问题，通过组合有助于减少新应用的丌发时 间和费用。 ( 3 ) h p b p m 室的定义【4 】：w 曲服务组合实际上是服务提供者将己有的w e b 服务作为新的服务的构筑模块重用，并且在总体上实现对各个模块的增值。这种 增值体现在新的服务满足特定需求的能力，以及可以提供更高的可用性和q o s 保障。 ( 4 ) 佐治亚大学计算机系的定义【5 j ：w 曲服务组合主要研究用于服务组合的 方法论和用于建模的服务和功能的抽象方式。从上述定义可以看出：w e b 服务的 价值在于服务重用，重用的目的是使服务增值。w e b 服务组合是各个小粒度的 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，组合服务开发者可以解决更为复杂的问题，达到服务增值 的目的。 w e b 服务组合具有以下一些特点： ( 1 ) 层次性和可扩展：w e b 服务的组合通过重用并组装已有的w e b 服务来生 成一个更大粒度的服务，使得组合的w e b 服务具有层次性和可扩展性。 ( 2 ) 动态与自适应性：w e b 服务组合是一个动态、自适应的过程，它在标准 2 硕士学位论文 第一章绪论 协议的基础上，根据客户的需求，对封装特定功能的现有服务进行动态地发现、 组装和管理。 ( 3 ) 提高了组合与交易过程的自动化程度：w - e b 服务组合通过动态的语义分 析与服务的自动化匹配，减少了不必要的人工干预，易于实现动态电子商务交易 过程的自动化。 ( 4 ) 提高了软件生产率：通过重用已有的服务，并自动化地生成新的服务或 系统，极大提高了软件的生产效率。 1 3w e b 服务组合的目标和方式 w e b 服务组合的根本目标是为了提高软件的生产力。工业界倾向于通过提高 软件的可重用程度以及软件的自动化生成水平来解决软件生产率、可靠性以及可 维护性等困扰软件发展的根本性问题。 为了提高软件的可重用程度，在软件重用的粒度与规模上，从最初的基于过 程的函数式重用发展到面向对象的重用、面向组件的重用，并且向着面向服务的 重用方向发展；在软件重用方式上，也从紧耦合的过程调用发展到对象继承等方 式，并且向着w e b 服务组合的松耦合方式发展；在开发方式上，也从最初的基 于代码的开发发展到基于组件的开发，并且向着基于软件工厂的自动化软件生成 方向迅速发展1 6 j 。 但是由于缺乏语义的支持，组合软件的可靠性与可维护性和性能评价问题成 为进一步发展的瓶颈。为此，理论界将工作的重点放在通过代数、逻辑、图、自 动机以及p e t r i 网等形式化的基础工具对用户需求以及软件产品进行形式化的定 义、精确的语义描述以及程序验证上来。目前已有大量的形式化工具用于软件体 系结构的研究【7 】，希望借此能够指导系统的自动化生成与开发。但是只有将语义 的精确性与技术的自动化能力紧密地结合起来，才能真正达到提高软件生产率的 目标。因此，从这个意义上来讲，w e b 服务的组合是在形式化工具与商业逻辑提 供的精确的语义支持和约束下的新一代的基于w e b 的软件自动化生成技术，它 克服了组件技术在接口的统一定义与自动查找等方面的不足，并为解决上述阻碍 软件发展的根本性问题提供了一个新的方案。 w e b 服务组合的方式一般可抽象地划分为静态组合与动态组合两种类型，其 主要区别在于选择被组合服务的时机不同，前者是由设计人员在设计时确定，而 后者则是在运行时选择。 根据不同标准和具体需求，人们从不同的角度对w 曲服务的组合方式进一 步分类。c h a k r a b o r t yd a n dj o s h ia 8 1 将服务组合分为：主动式反应式的服务组合 ( p r o a c t i v e r e a c t i v ec o m p o s i t i o n ) ；强制式选择式的服务组合( m a n d a t o r y o p t i o n a l 硕十学位论文第一章绪论 c o m p o s i t i o n ) 两大类。其中主动式服务组合是一种离线式或预编译的稳定的组合 方式；而反应式服务组合则是一种在线的、动态的和实时的组合方式，它根据子 服务的带宽、性能以及执行代价等实时参数对所组合的服务进行优化，并将最终 结果提供给用户。强制式服务组合要求所有的子服务必须按照特定的规则正确执 行并产生满意的结果，才能保证组合服务的正确执行；而选择式服务组合则无须 这些规则，且子服务问的依赖性较弱。 l i m t h a n m a p h o nb 和z h a n gy a n c h u n l 9 1 在这种服务组合分类的基础上，建立 了一种融合上述多种组合方式优点的、基于案例库推理的w e b 服务组合模型。 它在建立案例库的过程中，采用主动式或强制式组合方式以便于案例库的创建与 管理，而在服务组合的推理过程中采用反应式和选择式的服务组合模式以适应用 户的动态需求。 y a n gj i a n 和p a p a z o g l o um i k ep i o j 根据服务组合过程中的执行策略，认为服 务组合包括：服务请求描述、服务匹配与兼容性检测、服务组合描述以及服务执 行监测与协调4 个核心要素。并将服务组合分为3 种类型： ( 1 ) 探索式组合( e x p l o r a t i oc o m p o s i t i o n ) ； ( 2 ) 半固定式组合( s e m i f i x e dc o m p o s i t i o n ) ； ( 3 ) 固定式组合( f i x e dc o m p o s i t i o n ) 。 其中，探索式组合是在客户动态业务需求与协作的组合服务基础上，利用服 务代理来比较预期的服务是否与已发布的服务特征相匹配，并根据组合计划，选 择满足相应等级、可访问性、成本以及性能判据的服务进行动态的组合。 固定式组合是将固定的或是预定义的服务进行组合，且组合服务的结构与子 服务间的绑定均通过静态方式来实现，并将向组合服务发送的请求转化成子请求 且映射到子服务来执行。 半固定式组合则是介于两者之间，它在服务组合时根据组合服务规范或计划 来匹配且获取一些候选的服务，并在运行时动态地实现服务的绑定。 无论采用何种分类方式，w e b 服务组合均可分为计划、定义以及实施三个阶 段【1 0 1 。其中，计划阶段的主要任务是发现候选的服务，检测这些候选服务组合的 可行性与一致性，并最终提供多个服务组合的候选计划；定义阶段是在候选的服 务组合计划中选择且生成实际的组合结构，并提供一个服务组合的语义规范：实 施阶段则是根据服务组合规范来绑定组合的服务，使这些服务能够协同地工作以 及满足相应的任务或功能。 1 4w e b 服务组合的主要研究领域 根据s o a ( s e r v i c e - o r i e n t e d a r c h i t e c t u r e ) 模型，w e b 服务的整个应用与实施过 4 硕十学位论文第一章绪论 程可看成服务的发布、发现以及绑定三个过程。因此，w e b 服务组合技术可根据 这三个过程的不同特点来确定不同的研究主题，目前，该领域的核心研究内容主 要在以下几个方面。 1 富语义的w e b 服务描述 目前在服务的发布阶段，常用w s d l 来对服务及其接口进行定义与描述， 但是由于w s d l 通过d e f i n i t i o n s 、t y p e s 、m e s s a g e 、p o r tt y p e 、b i n g d i n g 以及 s e r v i c e 6 个元素提供了服务的基本描述，同时通过扩展机制增加了路由以及安全 断言等信息，但是，由于缺乏足够的语义信息，难以满足服务自动化查找与发现 以及大规模服务重用与合成的需求。因此，提供一个富语义的w e b 服务描述语 言则成为服务合成技术中首先要解决的问题。目前，主要的解决方案分为两类， 一是对现有的w s d l 进行语义的扩展和升级，使w s d l 在原有的基础上，增加 了对语义本体以及q o s 等约束条件的支持，另一种则是开发一种富语义的新型 服务描述语言，例如，可独立编程的服务描述语言x l 以及基于本体的d a m l s 语言等。这些富语义的新服务描述语言为服务的自动化交互与合成提供了基础。 2 w e b 服务合成的自动化发现与匹配策略 在服务查找与发现阶段，随着基于w e b 服务的配置和应用越来越多，为了 有效地支持服务合成过程中快速地发现所需要的服务，自动化处理与匹配技术的 重要性也就显得越来越高。u d d i 提供了一个统一的系统服务发现机制，它可以 通过传统的集中式服务注册或是采用联邦式以及p 2 p 的分布式服务注册来实现 服务的分类与管理，并为动态服务合成提供实现的基础。另外，由于传统的服务 发现技术是通过精确匹配实现的，无法有效地支持基于概率和语义约束的模糊匹 配，从而影响了服务的发现与执行。w e b 服务发现的研究目标就是如何提供更有 效率的服务发现和匹配策略与算法，以及为语义良好的服务提供自动化发现与匹 配的手段。 3 服务合成过程中的互操作、事务与安全性 现有的基于x m l 的w e b 服务的工业标准( 如s o a p 、w s d l 、u d d i 等) 为解 决w e b 服务在异构环境的松藕合的消息传递与互操作提供了实现基础。但是由 于他们缺乏对事务以及安全访问控制的有效支持，而无法实现存在事务以及安全 条件约束的复杂服务的有效合成。因此，基于w e b 服务的事务以及安全机制已 成为目前研究的热点之一。o a s i s 与w 3 c 等标准化组织分别提出一系列相应的 协议和规范，其中，在事务处理方面，由于w e b 服务中的事务机制与传统的事 硕士学位论文第一章绪论 务处理机制不同，且具有以下主要特点： ( 1 ) w e b 事务比传统事务更松散、更灵活、更复杂，并不严格地遵循传统事 务的a c i d 原则； ( 2 ) 商务处理中的很多长事务，也存在可选的子事务； ( 3 ) 事务涉及到的实体是分布在网络中不同位置、不同平台上的服务参与 者： ( 4 ) 服务组合中需要事务机制来保证其协调工作； ( 5 ) 事务对于服务质量和计算的可靠性起着重要作用。 因此，解决w e b 服务环境下分布式事务以及长事务的处理、事务的结构、 补偿机制与算法则成为重要的研究问题。 在安全方面，由于w e b 服务是一个分布的、异构的、自治的计算单元，每 一个服务的提供者均可通过采用不同的安全机制与访问策略来保证其数据与内 容的安全，但同时也为服务合成过程中的服务发现、选择与可靠的交互提出了限 制与挑战。因此，将潜在的不可信的服务合成为可信的应用或服务，将是一个重 要的挑战。面向服务的计算中的各个自治单元在交互过程存在的信任机制分成3 个层次，即：在基础结构层次上，利用分布式信任技术来保证每个服务组件都具 有合适的权限，且保证它们的活动在相应的应用策略上被授权；在信誉层次上， 通过对服务的历史活动与行为的跟踪，来确定出服务组件的信誉度与可靠级别； 在策略层次上，主要是为整个服务合成过程提供服务安全与用户隐私的处理策 略。另外，x k m s 、x m l 加密、x m l 签名、x a c l 以及w s 2 s e c u r i t y 等协议与 规范，为w e b 服务提供了从服务描述、发布与发现到服务应用一系列相关的、 统一的安全描述机制。这些安全的协议与规范正在快速地发展与完善中，并将为 服务组成以及b 2 b 的动念电子商务应用集成提供了安全的体系结构与技术支持。 4 服务合成描述语言与规范 目前，一些新的服务合成语言和规范正在不断涌现，例如，x l a n g 、w s f l 、 b p m l 、b p e l 4 w s 以及w s c i 等等。其中，b p e l 4 w s 是一种集成了w s f l 的 面向图形的过程表达以及x l a n g 的基于结构化的构建模型的新型业务过程执 行语言规范；b p m l 是由b p m i 组织提供的一种跨组织的工作流描述语言，它为 跨防火墙内外的异构系统建立商业过程模型提供了一种标准语言；w s c i 描述了 在特殊流程中通过w e b 服务实现消息流以及w e b 服务之间的动态交互模式。这 些语言最主要的目标就是满足一个协调与合作的事物管理机制，为此，它们借用 了工作流管理系统中的一些基本概念，并把这些概念应用到w e b 服务的协议栈 中。但是对这些语言的表达能力、形式化特征、完备性以及存在的限制一直没有 6 硕士学位论文第一章绪论 进行全面系统地分析与验证，这些都是需要进一步研究的方向。 5 智能w e b 服务的自动化组合 智能w e b 服务自动组合即动态w e b 服务组合，是指通过自动配置的方式使 其行为与环境的当前状态保持一致的w e b 服务组合。其目标是以一种明确的、 计算机能够理解的语言来描述w e b 服务的功能和内容，同时增强己经存在的w e b 服务操作的性能和鲁棒性，并实现大量的任务过程与操作的自动化，其中包括自 动的服务合成、交互、运行、监控和恢复。目前，国内外在智能w e b 服务研究 方面主要从两个方面入手：一方面是创建一种计算机之间能够互相理解的并能充 分表示w e b 服务的内容、功能、属性、接口以及规则和限制条件的语言：另一 方面是在这种语言基础之上提出种使w e b 服务之间能够自动发现、选取、执 行、合成以及交互的模型或体系结构。由于现有的w 曲服务的工业标准( 如s o a p 、 w s d l 、u d d i 等) 主要用来实现w e b 服务的自动发现和调用，却未能提供将多 个w e b 服务优化组合的机制。而w e b 服务的全局服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ， q o s ) 可作为衡量一个组合服务优劣的标准。因此，可以预见，基于q o s 的w e b 服务自动智能化组合必然是未来w e b 服务发展的趋势之一。 下面将简介w e b 服务下q o s 的定义。 1 5w e b 服务的q o s 目前不同标准和研究组织，如i t u 、e t s i 、i s o 、i e t f 等都对q o s 进行了 相应定义，但它们对q o s 的认识有一定的不同。 i t u t 建议e 8 0 0 11 】中的q o s 定义：决定业务用户满意程度的业务性能综合 效果。e 8 0 0 考虑了服务性能( 或q o s ) 部分的支持能力、操作能力、业务能力和 安全性；i t u t 建议g 1 0 0 0 t 1 2 】对e 8 0 0 作了扩展，把服务性能分成不同的功能 部分，并将它们与相应的网络性能联系起来； i s o 在i s o8 4 0 2 t 1 3 】中的“质量 定义：反映实体满足规定和潜在需求能力 的特性之总和。m c c a l l 于1 9 7 7 年提出了软件的质量要素所包含的内容1 1 4 1 ，此后， i s o 在i s o9 1 2 6 0 5 1 中借鉴m c c a l l 的研究成果，定义了5 个质量特性：功能、可 靠性、可使用性、效率、可维护性。 ( 1 ) 功能( f u n c t i o n a l i t y ) - 指描述系统实现相应特性( p r o p e r t i e s ) 的能力的一系 列属性( a t t r i b u t e s ) ； ( 2 ) 可靠性( r e l i a b i l i t y ) ：指描述系统在特定条件、特定时间段内，满足特定 性能指标的能力的一系列属性； ( 3 ) 可使用性( u s a b i l i t y ) ：指描述特定使用者使用此系统或评估此系统所需付 7 硕士学位论文 第一章绪论 出努力的系列属性； ( 4 ) 效率( e f f i c i e n c y ) ：指描述在特定条件下系统性能和其使用的资源之间关 系的一系列属性； ( 5 ) 可维护性( m a i n t a i n a b i l i t y ) ：指描述对系统做出特定修改( 改正错误、改进 或是使系统适应特定软硬件环境需求功能规范的变化) 所需付出努力的一系列 属性。 i e t f t l 6 】将q o s 定义为：用带宽、分组延迟和分组丢失率等参数描述的关于分 组传输的质量，在文献1 1 7 j 中将q o s 描述为：q o s 是网络在传输数据流时需要满 足的一系列服务( 指数据包( 流) 经过若干网络节点所接受的传输服务) 要求，具体 可以量化为带宽、延迟、延迟抖动、丢失率以及吞吐量等性能指标。 当前的w e b 服务技术的研究正在向全面支持w e b 服务q o s 的方向努力， w e b 服务q o s 技术的研究包括w e b 服务的q o s 属性组成、q o s 属性的表示、 q o s 属性的表示与w e b 服务选择及组合的结合、q o s 属性在组合服务的组合方 案选择上的应用、w e b 服务运行中违反o o s 限制的q o s 异常的处理、q o s 等级 在w e b 服务运行中的保证，等等。下面给出w e b 服务的q o s 定义。 尽管不同标准或研究组织对q o s 的认识存在一定的差别，但根据w 3 c 对 w 曲服务的定义【1 8 j ，并结合国际标准i s o8 4 0 2 和i t ue 8 0 0 对q o s 的定义，我 们可以得出w e b 服务的q o s 的定义：w e b 服务的q o s 主要体现的是一种w e b 服务使用者对w e b 服务的感知效果。w e b 服务的q o s 属性组成具有以下划分： 根据q o s 参数的测量位置不同，w e b 服务的q o s 描述可分为w e b 服务提供者视 点的q o s 描述、w e b 服务使用者视点的q o s 描述，而后者又分为测量值不因使 用者不同而异的属性、测量值因使用者不同而异的属性，例如：服务可用性描述 属于在w e b 服务提供者端的q o s 属性描述，它的测量值是在w e b 服务提供者端 观察到的服务的可用时间比例【1 9 - 2 0 ，而不考虑w e b 服务的用户网络侧和传输网 络中的故障导致的w e b 服务用户对于本服务真实可用的时间比例；服务执行时 间属性属于在w e b 服务使用者端的q o s 属性描述，它在w e b 服务的使用者端进 行测量，但是对于不同的用户其测量的w e b 服务的q o s 参数的数值也不尽相 同，例如w e b 服务用户的请求和w 曲服务响应消息的网络传输时延。 下面是目前己存在的与w e b 服务的q o s 属性组成相关的研究内容。 。 文献 1 9 1 提供了关于w e b 服务的q o s 方面的一些观点，它认为w 曲服务的 q o s 应该是w e b 服务质量和w e b 服务属性的结合，包括了可用性、安全属性、 响应时间、吞吐量等。 ( 1 ) 可用性( a v a i l a b i l i t y ) - 指服务运行的时间比例； ( 2 ) 安全性( s e c u r i t y ) ：该属性包括是否有鉴权机制、鉴权机制的种类、消息 8 硕士学位论文 第一章绪论 交换的机密性和数据完整性、请求和消息的确认、对拒绝服务 ( d e n i a l o f - s e r v i c e ，d o s ) 攻击的适应能力； ( 3 ) 响应时间( r e s p o n s et i m e ) ：指服务响应各种请求的时间，它是负载强度 的函数，可以使用并发请求数或者到达率( a r r i v a lr a t e s ) ，例如每秒到达的请求数) 来测量。不仅要说明w e b 服务的平均响应时间而且也应该说明w e b 服务的响应 时间参数在w e b 服务提供时间里的可用时间比例； ( 4 ) 吞吐量( t h r o u g h p u t ) ：指w r e b 服务处理请求的比例，包括最大吞吐量、 吞吐量与负载强度的函数关系； 文献【2 1 提出的w e b 服务q o s 参数包括了w e b 服务价格、执行时间、声誉、 执行成功率、可用性，它从另一面描述了w e b 服务的非功能特性。 文献 2 2 认为q o s 属性应该由包括价格、可用性( a v a i l a b i l i t y ) 、可靠性 ( r e l i a b i l i t y ) 、声誉等在内的许多非功能属性组成。 文献f 2 3 1 建立了一个可扩展的q o s 模型，它包括通用的、与域或商业相关 的特定的q o s 属性，通用的q o s 属性是指可应用于所有w | e b 服务的属性，例如， 价格、服务执行持续时间、声誉等等。 ( 1 ) 价格：是指服务请求者为了使用服务需向服务提供者支付的费用； ( 2 ) 服务执行时间：是指服务使用者发出服务请求的时间和收到返回结果的 时间的差，通常以秒做为计时单位； ( 3 ) 声誉：一个服务的声誉代表了该服务的可信赖程度，它依赖于服务最终 使用用户对它的评价，由于不同用户对相同服务的看法存在偏差，因此一个服务 的声誉的最终取值取自用户评价的平均值，而用户对服务的评价将来自于相同豹 取值范围与评价规则。 综合国际标准i s o8 4 0 2 ，i t u e 8 0 0 对q o s 的定义以及与w e b 服务的q o s 属 性组成相关的研究内容，我们可知，服务的q o s 不能等同于服务的非功能属 性，前者( 可靠性r e l i a b i l i t y 、安全。1 生s e c u r i t y 、价格p r i c e c o s t 、执行时间 e x e c u t i o nd u r a t i o n r e s p o n s et i m e 、声誉r e p u t a t i o n 、吞吐量t h r o u g h p u t 、成功率 s u c c e s s f u le x e c u t i o nr a t e a c c e s s i b i l i t y 、可用性a v a i l a b i l i t y ) 主要针对服务用户而 言，表示用户对服务综合感知效果；而后者( 包括性能、可重用性、可维护性、 安全性、可靠性、可用性、可修改性、可移植性、灵活性、可扩展性、适应性) 主要针对服务提供者，用于如何改善与增强服务的非功能属性。由此可知前者有 一些属性来源于后者，但也有一些非后者的属性，而且后者的一些属性未包括在 前者当中，前者包含的所有属性都是可计算的。目前许多文章中提到的q o s ，有 许多是将针对服务用户与针对服务提供者两方面的属性混在了一起，而对于基于 q o s 的w e b 服务选择操作而言，它只关心针对w e b 服务用户的q o s 属性，一些 9 硕士学位论文第一章绪论 属性( 如可重用性、可维护性、可修改性、可移植性、灵活性、可扩展性、适应 性等) 对于用户而言是不关心的。 因此，w e b 服务的q o s 不仅包括服务的性能( 如时间t i m e ) ，还包括价格 ( c o s t ) 、声誉( r e p u t a t i o n ) 、可用l 生( a v a i l a b i l i t y ) 、可靠性( r e l i a b i l i t y ) 、安全。i 生( s e c u r i t y ) 等，上述这些都属于服务的一般q o s 属性，还应该包括与服务所属领域相关的 一些指标，下面的式子表示了w e b 服务的q o s 属性组成： q o s w s = 一般属性，领域属性) ； 无论一般性属性还是领域相关属性，它们都反映了用户的需要以及用户的 满意度。q o s 属性模型的一般属性主要涉及以下几个方面，它们反映了影响q o s 的质量因素与评价准则： ( 1 ) j 下确性( c o r r e c t n e s s ) ：指系统满足需求说明及用户目标的能力。实际上， j 下确性是i s o9 1 2 6 中有关功能的验证。评价正确性是否得以满足最常用的方法 是检查用户需求中涉及的每个子功能是否得以实现； ( 2 ) 可靠性( r e l i a b i l i t y ) ：指在一段特定的自然单元或时间间隔内，系统无失 效运行的概率。评价可靠性最常用的量度是平均故障问隔时问( m e a nt i m e b e t w e e nf a i l u r e s ，m t b f ) 矛1 1 平均恢复时间( m e a nt i m et or e s t o r es e r v i c e ，m t r s ) ， 根据w e b 服务的q o s 定义，以w e b 服务使用者的视点来看，可靠性可以用服务 能够成功执行的概率来表示，也就是在一段时间内，服务成功执行完成的次数在 服务总的执行次数内占有的比例； ( 3 ) 可用性( a v a i l a b i l i t y ) ：指服务在一定时期内可以运行的时l 日j 比例，它表 示了服务可以访问的概率，它是一段时间以来服务可以访问的时间的统计值； ( 4 ) 易用性( u s a b i l i t y ) ：指用户为熟悉特定业务的使用所需付出的努力程度。 简单说就是用户是否觉得特定系统或其提供的服务易用； ( 5 ) 安全性( s e c u r i t y ) ：涉及机密性( c o n f i d e n t i a l i t y ) 、真实。i 生( a u t h e n t i c a t i o n ) ， 完整一l 生( i n t e g d t y ) 等多个方面。机密性主要指系统保护用户私密数据不受非法访问 的能力，真实性主要指用户对系统进行认证的能力，完整性主要是系统保证其用 户数据信息免受未鉴权修改的能力； ( 6 ) 效率( e f f i c i e n c y ) ：指描述在特定条件下系统性能和其使用的资源之间关 系的一系列属性； ( 7 ) 性能( p e r f o r m a n c e ) ：指系统或组件在一定限制( 时间、空间) 下实现特定 功能的能力。用户关心的指标主要是诸如时延、处理时间、语音质量等源于用户 感觉的指标； ( 8 ) 价格：指服务请求者为了使用服务需向服务提供者支付的费用： ( 9 ) 声誉：一个服务的声誉代表了该服务的可信赖程度，它依赖于服务最终 1 0 硕士学位论文第一章绪论 使用用户对它的评价，由于不同用户对相同服务的看法存在偏差，因此一个服务 的声誉的最终取值取自用户评价的平均值，而用户对服务的评价来自于相同的取 值范围与评价规则； ( 1 0 ) 其它需考虑的属性：随着w e b 服务q o s 方面研究的深入，会不断增加 新的属性，不断充实w | e b 服务的q o s 属性模型，从而具有可扩展性。 1 6 本文主要工作与组织结构 根据用户的需求，通过w e b 服务组合能够得到由一组w e b 服务相互连接而 成的组合服务。组合服务的服务品质是其性能的体现，是用户关心的重要问题。 组合服务的服务品质不仅包括与时间相关的性能，如响应时问、等待时间等还包 括与时间无关的性能，如可靠性、成本等。因此需要