（计算机应用技术专业论文）服务网格工作流管理技术研究.pdf

摘要 摘要 随着网格研究的深入和网格基础设施的发展，在服务网格上开发了越来越多 的功能强太、需要大量资源的科学计算和协同应用，很多网格应用具有时间、空 间和资源等多种约束条件。网格工作漉可以方便的构建、执行、管理和监控网格 应用，使得网格应用能够自动实施并且效率较高。但是，由于网格的动态性、分 布性、异构性和自治性导致传统工作流的一些方法和技术不能有效地应用到网格 工作流中解决相关的一些问题。本文根据服务网格资源的特点，允许工作流中用 户在不考虑资源物理位置的前提下，对服务网格工作流的过程模型、服务资源管 理及任务调度机制、实时故障检测及容错处理机制、访问控制机制以及网格工作 流的体系结构进行了深入研究，主要研究内容和创新如下： 网格工作流过程模型，传统的工作流模型缺乏形式化的工作流描述语言，在 传统工作流网的研究基础上，结合高级p e t r i 网的思想，通过增加动态元素，提出 了动态网格工作流网d g w f - n e t 建模语言，能够解决网格工作流过程模型中的规 模问题、动态性问题和选择性问题。同时，提出了基于图形归约规则的网格工作 流过程模型验证方法。 网格工作流资源管理模型，服务网格工作流中任务与所请求的服务资源联系 起来需要经过服务注册、服务发现、服务分配以及服务集成到工作流等过程。在 此基础上，提出了基于工作流引擎的服务资源管理模型，由服务资源语义信息管 理服务，工作流中任务并行分析器，全局资源管理器及局部资源管理器构成。同 时，提出了基于语义的全局工作流服务资源匹配机制以及基于遗传算法的工作流 中任务调度策略。 网格工作流容错机制，网格工作流在任务执行过程中不可避免地会出现各种 故障现象，为使网格工作流运行可靠，就必须提供实时监控工作流任务及故障恢 复机制。通过研究产生不同故障的原因，提出了一种基于心跳机制和消息通知订 阅机制相结合的网格工作流故障实时检测模型，在此基础上实现了基于任务级和 流程级的网格工作流故障恢复策略。 网格工作流访问控制模型，网格工作流在运行过程中，跨越多个不同的网格 自治域，每个域的访问控制策略和需求可能十分不同，为防止非法用户的侵入或 者因合法用户的不慎操作所造成关键资源的破坏，通过工作流上下文环境，引八 摘要 了有效授权单元的概念，提出了基于服务的网格工作流动态访问控制模型，将工 作流中任务和服务相联系，实现了工作流中访问控制的最小特权原则。同时给出 了授权过程中基于职责分离规则的角色权限定制。有效授权单元定制以及工作流 运行过程中的权限动态调整算法。 网格工作流管理体系结构，给出了网格工作流管理系统的总体框架，包含网 格工作流门户，网格工作流引擎，网格工作流服务资源管理，网格工作流容错处 理及网格工作中流访问控制等模块，基于上述研究内容和方法，在g l o b u s 平台上 开发了原型系统，实现了“旅游服务”网格工作流的模拟。 关键词：服务网格，工作流，动态p e t r i 网，语义匹配，资源管理，任务调度，容 错机制，访问控制 u a b s t r a c r a b s t r a c t ， m o r ea n dm o r ep o w e r f u lc o m p u t i n ga n dc o l l a b o r a t i v eg r i da p p l i c a t i o n st h a t r e q u i r 峨d o u s r e s o u r c e sa r ec o n s t r u c t e da sg r i ds e r v i c ew i t ht h ed e v e l o p m e n to f g r i dt e c h n o l o g ya n dm 啦u r e g r e a t l y m a n yg r i da p p l i c a t i o n sa r em o r ea n dm o r e c o m p l i c a t e d w h i c ha r ec o n s t r a i n e d b yt e m p o r a l a n dr e s o u r c e r e l a t i o n s h i p g r i d w o r k f l o wc a nc o n v e n i e n t l yc o n s t r u c t ，e x e c u t e ，m a n a g ea n dm o n i t o rg r i da p p l i c a t i o n s ， a n da u t o m a t eg r i da p p l i c a t i o n sw i t hg r e a te f f i c i e n c y d u et ot h ed y n a m i s m ，d i s t r i b u t i o n ， h e t e r o g e n e i t ya n da u t o n o m yo fg r i da p p l i c a t i o n s ，c o n v e n t i o n a lw o r k f l o wt e c h n o l o g y c a n te f f e c t i v e l ys o l v et h er e l a t i v ew o r k f l o wp r o b l e m si ng r i de n v i r o n m e n t a c c o r d i n g t oc h a r a c t e r i s t i c so fs e r v i c eg r i dr e s o u r c e sa n dg r i da p p l i c a t i o n s ，t h et h e s i ss t u d i e so n g r i dw o r k f l o wp r o c e s sm o d e l ，g r i dw o r k f l o wr e s o u r c em a n a g e m e n t ，g r i dw o r k f l o w f a u l tt o l e r e n c em e c h a n i s ma n dg r i dw o r k f l o wa c c e s sc o n t r o lp r o b l e m so nt h eb a s i so f n oc o n s i d e r i n gt h eg r i dr e s o u r c el o c a t i o n s t h ed e t a i li sa sf o l l o w i n g ： g r i dw o r k f l o wp r o c e s sm o d e l t h et r a d i t i o n a lw o f f l o wm o d e ll a c ko ff o r m a l w o r k f l o wd e s c r i p t i o nl a n g u a g et od e s c r i b et h ew o r k f l o wp r o c e s s t h ed y n a m i c w o r r 丘。戳n 多tn a m e dd g w f - n e ti sp r o p o s e db a s e do nt h ew o r k f l o wn e tt od e s c r i b et h e g r i dw o r k f l o wp r o - - 6 c 墩, w h i c hb a s e do nt h ei d e ao fh i g hl e v e lp e t r in e t a n dc a ns o l v e t h ep r o b l e m so fe x p a n s i o n ，d 歹i j 滗i 面s ma n dm u l t i s e l e c t i o no fg r i dp r o c e s sm o d e l a n d a l s op r o p o s e dt h eg r i dw o r k f l o wv e r i f i c a - l l 两k a a e t h o db a s e do nt h ep e t r in e tr e d u c t i o n 一一 r u l e s g r i dw o r k f l o wr e s o u r c em a n a g e m e n tm o d e l t ol i n kt h eg r i dw o r k f l o wt a # r e q u e s tw i t ht h e s e r v i c er e s o u r c ew h i c hr e q u i r et oi n v - 6 1 v et h es e r v i c er e g 锄i o n ， i n t e g r a t et h es e r v i c et ot h eg f i d k f l o w f o r n m e n t ，af l a m eo fg r ；d 一- r e g o u r c em a n a g e m e n t e n g i n ei sp u tf o r w a r d t h ef r a m e w o r km e r g e sg r i ds e r v i c e m e n t c o m p o n e n t n a s k 砂1 a n a l y z e r , g l o b a l r e s o u r c e m a n a g e m e n ta n d l o c a l r e s o u 西，m a i 】丝品皿而t s i n t ot h eg r i dw o r k f l o wr e s o u r c e m a n a g e m e n t a l s op 驴l ：n s s e dt h eg l o b a ls e m a n t i cs e r v i c em a t c h i n ga l g o r i t h ma n dl o c a l g e n e l i ea l g o 知a s e dw o r k f l o wt a s k ss c h e d u l e m a b s t e 渔c t g r i dw o r k f l o wf a u l tt o l e r a n c em o d e l t h eh e t e r o g e n e i t yo ft h eg r i de n v i r o n m e n t a n da p p l i c a t i o n s ，a n dt h ed y n a m i cn a t u r eo ft h eg r i dd i c t a t et h a tas i n g l em o n o l i t h i c f a i l u r e r e c o v e r ys t r a t e g y i sn o t a p p r o p r i a t e w ee m p o l o y e e s t h e m e s s a g e s u b s c r i b e - n o t i f i c a t i o nm e c h a n i s mw h i c hi sb a s e d0 1 1t h ei n t e r p r e t a t i o no fn o t i f i c a t i o n m e s s a g e sb e i n gd e l i v e r e df r o md i f f e r e n te n t i t i e sr e s i d i n go ne a c hg r i dn o d et oj u d g et h e f a i l u et y p e sd u r i n gt h et i m eo fg r i dw o r k f l o we x e c u t e s a n da l s oi n t r o d u c et h e h i 曲一l e v e lr e c o v e r yp o l i c ys p e c i f i c a t i o f f t o x i e a lw i t ht h ef a i l u r ew i t ht h ef l e x i b i l i t y g r i dw o r k f l o wa c c e s sc o n t r o lm o d e l g r i dw o r k f l o wa c c e s sc o n t r o l i st h e f u n d a m e n t a li s s u ei nw o r k f l o ws e c u r i t yt op r e v e n tf r a u da n de i t o r st oa c c e s st h eg r i d r e s o u c e t os o l v et h ep r o b l e m ，i nv i e wo fd e c o u p l i n gw o r k f l o wa c c e s sc o n t r o lm o d e l ， a n dp r o p o s e das e r v i c e s o r i e n t e dg r i dw o r k _ f l o wa c c e s sc o n t r o lm o d e l ，j nt h i sm o d e l ， s e r v i c em e a n st h ea b s t r a c t i o no fw o r k f l o wt a s ka n dw h i c hi st h ei n s t a n c eo fw o r k f l o w t a s ka u t h o r i z a t i o n a n da l s op r e s e n t st h ea u t h r i z a t i o nu n i t w j t ht h ew o r k f l o wc o n t e x t ， a u t h o r i z a t i o ne n f o r c e ss e p a r a t i o no fd u t yc o n s t r a i n t st o s u p p o r t t h ep l a n n i n go f a s s i g n i n gs e r v i c et or o l e u s e r s ，a n dt h el u l l t i m ea c t i v a t i o nw o r k f l o w t a s k s g r i dw o r k f l o w m a n a g e m e n t a r c h i t e c t u r ea n d p r o t o t y p e t h e a r c h i t e c t u r e c o m p l y i n gw i t ht h es t a n d a r do fw f m c a n dg c ci so p e na n de x t e n s i b l e t h ep r o t o t y p e i n c l u d e sg r i dw o r k f l o wu s e rp o r t a l ，g r i dw o r k t l o ws e r v i c er e s o u r c em a n a g e m e n t ，g r i d w o r k f l o we n g i n e ，g r i dw o r k f l o wf a u l tt o l e r e n c ec o m p o n e n t ，a n dg r i dw o r k f l ( 瑚 a - , e s s c o n t r o lc o m p o n e n t w h i c hi sc o n s t r u c t e db a s e do ng l o b u st o o l s e t t h ee x p e r i m e n to f t r a v e ls e r v i c ew o r k f l o wi sa n a l y z e d k e y w o r d ：s e r v i c eg r i d ，w o r k f l o w , q y 肚碰cp e t i tn e t ，s e m a n t i cm a t c h ，r e s o u r c e m a n a g e m e n t ，f a 9 l 倒；i c em e c h a n i s m ，a c c e s s c o n t r o l 独创性声明 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。据我所知，除了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 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 盘渤 日期：0 6 年0 6 月0 5 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔渤导师签名：趣多 日期：0 6 年0 6 月0 5 日 第一章绪论 网格计算研究在分布、异构、自治的网络资源环境上动态构建虚拟组织并实 现跨自治域的资源共享与协同工作，资源的汇聚和共享是网格最重要的特征，共 享与协作是网格的基本理念。网格被认为是继传统i n t e m e t 、w e b 之后的第三次浪 潮。通俗地说，i n t e r n e t 实现了计算机系统与网络设施的互联，w e b 实现了网页的 联通，使信息的共享与获取不受时空限制，而网格则试图实现在全球i n t e m e t 范围 按需共享与整合各种计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知 识资源等。利用网格的超级处理能力和共享资源，可以实现网络虚拟环境上各种 高性能资源的共享和协同工作，从而实现信息的高度融合和共享“。 1 1 服务网格体系结构 分布式应用技术已经得到了广泛应用，而新提出的w e b 服务【3 】技术，使分布 式技术发生了革命性的变化。从本质上看，w e b 服务是松散耦合的，可复用的软 件模块，在i n t e r n e t 上发布后就能够通过标准的通信协议在程序中相互访问，w e b 服务结合网格计算技术，使分布式应用性能得到很大程度提高。w e b 服务在网格 计算的发展历程中有着特殊的作用，事实上，w e b 服务和面向服务的概念是在企 业分布式计算环境中发展起来的，网格计算要实现其最终目标，在标准与技术等 方面与企业计算相融合至关重要的，这种融合形成了面向服务的新一代网格，即 服务网格。使得分布式应用具有面向服务、开放、协作、标准化和虚拟化等特征。 网格系统所有组件都可以实现虚拟化，在虚拟组织中有效利用各种资源进行协作。 1 1 1 开放网格服务体系 开放网格服务结构( o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ，o g s a ) i ”，是g l o b u s 联盟 和i b m 于2 0 0 2 年将g l o b u s 标准与面向商业应用的w e b 服务结合起来形成的一种 新的网格体系结构，o g s a 把网格计算从科学与工程计算应用扩展到更广泛的以 分布式系统服务集成为主要特征的商业领域。o g s a 采用了w e b 服务的w s d “5 】 和s o a p 6 1 规范，遵循o g s a 标准的系统都可以连在一起，用户可以很容易地集成 及共享各种系统提供的功能，可以节省开发成本，提高开发效率，o g s a 以服务 电子科技大学博士学位论文 为中心，把一切都抽象为服务，服务既包括计算机设备、应用程序、数据，也包 括仪器、设备等。将一切都抽象为服务有利于通过统一的标准接口来管理和共享 网格上功能各异的资源。w e b 服务一般面对的都是永久性服务，在w e b 这种比较 松散联合的环境中，w e b 服务无疑是可行的，在网格应用中，资源之间的联系更 加紧密，但会存在大量的i 临时性短暂服务。鉴于网格具有不同于w e b 的特点，o g s a 在原来w e b 的基础上，提出了网格服务的概念，用于解决服务发现、动态服务创 建、服务生命周期管理等与临时服务有关的问题。o g s a 将整个网格看作是网格 服务的集合，这个集合的动态性很强，是可以扩展的，体现了网格的动态性。o g s a 将网格中所有的资源都包装成服务，把网格中的各种资源的异构性隐藏起来，用 服务这种统一的实体提供共享接口。为了和人们常用的服务概念加以区别，网格 服务规范【7 】定义了网格服务的概念，符合网格服务规范定义的w 曲服务就是网格 服务。o g s a 还提供了一种安全机制来确保服务间所有的通信是安全的，人们通 过访问特定的服务实例得到服务，服务实例指网格服务的某个特定的实例化，与 一个实例相关联的信息包括实例的有效期、服务的输入输出参数、请求者标识及 安全需求等，服务实例可以是操作系统的进程，也可是复杂运行环境的组件。 o g s a 的虚拟组织需要建立一个注册服务和一个旬柄映射服务，将该组织范 围内的各种资源包装成服务，并把这些服务发布到注册服务可以提供查询的注册 中心。用户通过注册服务访问注册中心中所有服务工厂的信息和已经创建的服务 实例的信息。用户通过请求特定的服务工厂创建一个实例，并按照服务接口描述 把数据传递给该实例就可以访问服务实例，获得服务提供的功能，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 网格服务框架 o g s a 中关于网格服务的两个重要的概念是网格服务句柄( g r i ds e r v i c e h a n d l e ，g s m 和网格服务参照( g r i ds e r v i c er e f e r e n c e ，g s r ) 。g s h 只是一个u r i 2 目￥珀 形式的名字，没有携带访问网格服务实例所需要的信息，要访问一个g s h 对应的 网格服务实例，必须解析g s h 从而得到相应的g s r ，g s r 中包含访问对应服务实 例所需要的所有信息，有了一个服务实例的有效g s r ，用户就可以访问相应的服 务实例。 网格服务框架中，o g s a 定义了服务工厂来创建具体的服务实例，返回结果 是一个g s h 和一个g s r 。g s h 能够保证永远指向同一个被创建的网格服务实例， 而g s r 在创建时被赋予一个有限的生命周期，在服务生命周期内可能会发生改变。 尽管从网格服务提供者的角度来看，该策略具有提高灵活性的优势，但它同时带 来了问题，当服务创建操作返回的网格服务引用过期时，就需要重新获取一个有 效的网格服务引用。o g s a 中所采用的方法是定义一个g s h 到g s r 的句柄映射接 口该接口提供的操作以g s h 为输入，并返回一个有效的g s r ，句柄映射接口可以 对映射操作进行访问控制。 服务请求者调用服务工厂请求创建一个新服务实例，并分配临时存储器以供 这个服务实例运行之用，每次请求都涉及双方的相互认证，如果一切合法，创建 顺利，就可以创建一个有生命周期的网格服务实例，同时还给这个新创建的网格 服务实例签署一个委托代理证书，该证书允许这个实例代表该请求者执行更多的 远程操作。创建成功的每个网格服务实例都被分配一个全局唯一的名称g s h ，g s h 能够把一个特定的网格服务实例与其它所有的网格服务实例区分开来。 服务数据是网格服务的一个重要的组成部分，服务数据元素是指关于网格服 务实例的描述信息，包括元数据和状态数据。每个网格服务实例都有一个相关的 服务数据元素集。服务数据申明是一种对外表达服务状态信息的机制。用户可以 通过接口访问一个服务实例的数据，用户可以读、更新、订阅服务数据。查询服 务数据时，用户可以建立查询表达式，如x p a t h ，x q u e r y 等，一次查询到多个服 务数据，做到访问多个服务数据的原子性。一个服务实例在运行过程中，可以动 态增加和删除服务数据。 1 1 2w e b 服务资源框架 g l o b u s 联盟、i b m 和h p 于2 0 0 4 年发布了网格标准新草案w s r f ( w e bs e r v i c e s r e s o u r c ef r a m e w o r k ) 8 1 ，将o g s a 转成六个用于扩展w e b 服务的规范，使各个子 规范的功能更清晰，并充分支持现有的w e b 服务工具，并保留纯粹的无状态w e b 服务，将有状态的资源和无状态的w e b 服务区别开来。这时，网格服务已经与w e b 电子科技大学博士学位论文 服务彻底融为一体了。w s r f 基本保留了o g s a 中的所有功能，更改了一些语法。 w s r f 的核心是在w e b 服务的永久无状态服务基础上加入有状态的临时资源。图 1 2 表明了几代网格体系结构与w e b 技术的融合趋势，通过w s r f 规范将它们统 一在了一起。 图1 - 2 网格和w e b 服务融合 w s r f 是o g s i 的重构和发展，利用新的w e b 服务标准，基本保留了o g s i 中的所有功能，同时更改了一些语法，还在其表示中采用了不同的技术。w s r f 是建立在已存在的w e b 服务定义和技术基础上的，实现了网格计算、系统管理和 w 曲服务的统一。w s r f 是一个规范集【9 j ，包含5 个标准化的规范定义，分别是： r e s o u r c e p r o p e r l i e s ，描述有状态的w e b 服务资源，以及资源属性和元素是 怎样获得、更改、删除。w e b 服务资源具有一个x m l s c h e m a 定义的x m l 资源特性文档，服务请求者可以通过标准的方法访问。 w s r e s o u r c e l i f e t i m e ，控制资源的生命周期，允许w e b 服务的申请人终止 服务，在w s r f 中或者直接立即终止，或者通过调度在某一时刻终止。 w s r e n e w a b l e r e f e r e n c e s ，对服务来说标识的方法是w s - a d d r e s s i n g 端点 引用，对资源来说是资源的i d 。r e n e w a b l e r e f e r e n c e s 是当服务的端点引 用失效后，重新获取新引用的机制。 w s s e r v i c e g r o u p ，通过引用的方式创建和使用w e b 服务。 w s b a s e f a u l t ，描述了如何报告错误的机制。定义了一个返回错误信息的 基本错误类型。它强制了在w s r f 体系内，当发生错误后，返回错误信息 的一致性。 以上5 个规范构成w s r f ，除此之外还有一个不属于w s r f 的规范，却是必 不可少的规范w s n o t i f i c a t i o n ，其本身是包含三个子规范标准的规范，定义了基于 4 主题的，用于发布和订阅w e b 服务体系中的通知消息。 w s r f 的核心思想是用无状态的w e b 服务来操纵有状态的资源【1 0 】。w e b 服务 一般是无状态的，在每次调用过程中，w e b 服务不能保存信息，不能保存状态和 上下文环境。在w s r f 体系架构设计思想中，将w e b 服务的操作和状态信息区分 开来，分别对待，提出了资源的概念。所谓的资源，就是保存各类状态信息的实 体，资源具有自己的唯一标识，为了实现具有状态的w e b 服务，就可以利用无状 态的w e b 服务来操纵某个资源，保存所需的状态或上下文环境，w e b 服务在调用 过程中能从资源中得到上下文环境，进行一系列有状态的操作。 1 2 研究背景 服务网格应用中，将一切都抽象为网格服务，利用网格环境中丰富的、异构 的和分布的服务资源，为了使网格应用业务流程能够在共享的网格资源上全部或 部分的自动化执行，就需要提供相应的技术来管理这些应用，实现在动态变化的 多个虚拟组织之间的资源共享和协同工作。从而达到业务要实现的整体目标。因 此网格工作流也就随着网格研究的深入和应用的发展而得到了重视。 1 2 1 服务网格应用需要工作流 对于工作流技术要实现的业务建模、过程仿真分析、业务过程优化、业务过 程管理与集成，本质上都是依赖计算机和网络通信技术实现对数据、文档、资源 等的处理，以便能够实现业务过程的自动化或半自动化执行。随着网格应用的深 入和推广，出现了大量如商业，服务业等领域的网格应用，如协同工作，具有过 程复杂，涉及到多个资源和过程不但需要有大量的计算资源和其它资源，而且任 务过程也比较复杂，如利用一般的处理方法会导致效率低下。在这种情况下，就 需要由网格工作流来对网格应用进行构建并执行调度，使网格应用自动化执行且 提高效率。在服务网格中，可以将这些业务处理分解成各种不同的网格服务，整 个业务的完成过程，就形成了一系列服务请求与匹配的服务流【1 1 b 2 1 3 】 1 4 】。 由于网格的动态性、分布性、异构性和自治性导致传统工作流的一些方法和 技术不能有效的处理网格环境中的有些问题。服务网格工作流调用的服务具有 异构性，服务匹配是面向分布在i n t e r a c t 上各类主机、工作站甚至p c 机的各种资 源，并且运行在u n i x 、l i n u x 以及w i n d o w sn t 各种操作系统等异构平台上，也可 运行在机群系统、大型存储设备、数据库或其它资源等等。服务网格工作流中 电子科技大学博士学位论文 任务的调度是非集中式，是基于松散耦合的虚拟组织的工作方式，缺乏集中公控 制，网格工作流中任务调度必须以分布、并行的方式进行。网格资源动态性， 使网格结构不断发生变化，导致计算和处理能力随时间发生变化。因此，网格工 作流调度能够适应网格的动态变化。网格服务交互性，o g s a 通过事件通知、 引用管理机制、以协调为主的网格工作流引擎使得网格服务之间可进行数据交换 和通信，从而提高工作流执行的效率和灵活性。 网格工作流就是针对传统工作流技术在服务网格环境下的不足而提出的，它 主要是利用网格环境中丰富的、异构的和分布的资源，创建一种管理网格中的高 性能计算能力的协同管理机制，实现在动态变化的多个虚拟机构间的资源共享和 协同工作。因此，有大量的基本问题需要重新考虑，尤其是针对网格工作流的以 上特点需要对网格工作流的过程建模问题，工作流资源管理问题，工作流中任务 调度算法，容错机制以及安全访问控制等问题都需要重新研究和考虑。 1 2 2 工作流的基本概念 工作流是指工作工程的计算机化或者自动化，工作流通过将工作分解成定义 良好的任务，按照一定的规则和过程执行这些任务并对它们进行监控，达到提高 工作效率，降低生产成本、提高企业生产经营管理水平和企业竞争力的目的。实 际上，有关过程的组织管理与流程的优化工作就一直在进行，这是企业管理要研 究的内容之一，在计算机网络技术和分布式数据库技术的迅速发展，多机协同工 作技术日渐成熟的基础上，2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的工作流技术为企业更好 的实现这些经营目标提供了先进的手段，工作流技术得到了广泛重视和研究，现 在工作流技术已成功应用到制造业、商业及服务业等不同行业【1 5 】【1 6 】【1 7 】【1 8 1 1 9 1 。国 际工作流管理联盟w f m c 1 5 】给出工作流定义：“工作流是为了实现某些标准或业 务目标而进行的自动过程，在这些过程中文件、信息或任务根据标准或目标要求 在参加者之间传输，大多数工作流是由计算机信息系统来支持过程的自动执行”。 w f m c 将工作流管理系统的定义成为一个软件系统，它完成工作流的定义和 管理，并按照在计算机中预先定义好的工作流逻辑推进工作流实例的执行。w f m c 给出的标准参考模型中规定，工作流管理系统包括有如下几大组件：工作流过程 建模工具、工作流执行服务及其应用程序接口、工作流客户应用程序、被调用的 应用程序以及工作流管理工具，并提供了五个标准的工作流接口，各个组件之间 通过标准的工作流应用程序接口与工作流执行服务进行交互。下面从工作流管理 弟一早绍w 系统提供的功能和w f m c 定义的参考模型两个方面对工作流管理系统进行阐述。 工作流管理系统都提供了三种功能模块，工作流建立阶段功能，通过使用一 种或多种系统分析、建模工具，把业务流程从现实世界转化为形式化的计算机可 以处理的流程模型。运行阶段的控制功能，在一定的运行环境下，执行工作流流 程，根据流程定义来调度每个流程中不同的子任务，并且激活相应的应用程序。 运行阶段的人机交互功能，实现各种行为执行过程中用户与i t 应用工具的交互。 一个流程的予任务通常是由参与人员通过使用某种工具或者涉及信息处理的操 作。要在不同的子任务之间传送控制以及其它的数据，或者要激活相应的应用程 序，就必须不断地与流程控制软件交互，如图1 3 所示。 图1 - 3 工作流管理系统功能模型 工作流建立时功能，通过使用一种或多种系统分析、建模和定义工具，把业 务流程从现实世界转化为一个形式化的、计算机可以处理的工作流模型或者叫流 程模板，也可以称为过程定义。运行时实例控制功能。解释过程定义，完成过程 的可操作实例的创建及控制，调度过程中各活动步骤，根据模型来调度一个流程 中的子任务并且激活相应的人或i t 应用程序。流程控制实际上是由被称为引擎的 软件模块来完成的。运行时不同的用户及应用的交互功能。主要完成对工作流实 例执行过程中各种活动的处理。一个流程中的子任务通常是由参与人员通过使用 一定的r r 工具或者涉及信息处理的操作来完成。 国际工作流管理联盟w f m c 给出的标准工作流参考模型中，工作流管理系统 包括工作流过程建模工具、工作流执行服务及其应用程序接口、工作流客户端应 用程序、被调用的应用程序以及工作流管理工具，并提供了五个标准的工作流接 电子科技大学博士学位论文 口，各个组件间通过标准工作流应用程序接口与工作流执行服务进行交互，工作 流参考模型如图1 - 4 所示。 世# 流程定义接口 y 虿曼f 善 麓 客户端应用接口 自动应用程序接口 工作流 客户引擎 工作流引擎 直接调用的应用 图1 4 标准化工作流参考模型 工作流过程建模和建模工具，工作流建模是利用工作流建模工具将企业的业 务流程转化为用工作流语言描述的流程定义。在建模阶段，系统的建模工具提供 一个友好的图形用户界面，用户可以借助该图形界面定义相应业务流程的工作流 模型。工作流模型包含了工作流引擎执行过程需要的所有信息。这些信息包括流 程的开始和完成条件、构成流程的行为、 务、可能被调用的应用、行为的执行者， 工作流引擎，是流程定义的解释器， 行为间导航的规则、用户需要完成的任 以及所有与工作流相关数据的定义。 它是工作流执行服务的核心。主要功能 包括：解释流程定义；创建流程实例并控制其执行；调度各项行为，控制流程实 例间的转换；为用户工作表添加工作项；通过应用程序接口调用应用程序，提供 外部应用程序访问工作流相关数据的接口；维护工作流控制数据和工作流相关数 据，在应用或用户间传递工作流相关数据；提供监督和管理工作流流程实例执行 情况的功能等。 工作流执行服务，由一个或多个工作流引擎组成，通常在分布式环境下由多 个工作流引擎组成，它提供了流程实例执行的运行环境，是工作流管理系统的核 心。执行服务要根据流程执行需要的初始条件和执行参数生成流程实例，运行流 程实例并管理其运行过程。在流程实例的执行过程中，工作流执行服务根据流程 定义和工作流相关数据，为流程实例的运行进行导航，如根据流程的进入和退出 的条件启动和终止一个流程实例；根据行为之间的关联和行为的执行条件，决定 并行或串行执行后续行为；给用户提供需要操作的工作流任务项信息；或者根据 弟一早靖佑 所需激活的应用程序信息启动相应的应用程序。 工作流执行服务通过提供客户应用接口和直接调用应用程序接口两种方式来 完成与外部应用程序和用户的交互。对于客户应用方式，工作流引擎通过任务项 列表管理器对应用的执行进行管理。任务项列表管理器提供任务项列表供用户进 行选择，并记录监督工作项的完成情况。对于直接由工作流引擎启动的行为，工 作流引擎通过应用程序接口直接调用相应的应用程序来完成。 此外，工作流执行服务还要维护执行过程中不同流程和行为实例的内部状态 信息，以及用于协调和恢复的各种检查数据和恢复重启信息，并在应用或用户间 传递必要的工作流相关数据。在集中式工作流执行服务中，由一个工作流引擎控 制所有计算机上行为的执行。分布式工作流执行服务采用一组分布在不同节点上 的工作流引擎共同协作来完成整个工作流实例的执行。每个工作流引擎完成其中 一部分实例的执行，不同的工作流引擎之间通过可靠的通信机制实现协作。 工作流控制数据，是由工作流执行服务工作流引擎管理的用来辨别每个流程 或行为实例状态的内部数据，例如工作流实例的状态信息、每一行为的状态信息 等。这些数据由工作流执行服务工作流引擎进行控制，用户、应用程序不能对其 直接进行读写操作，它们可以通过向工作流执行服务工作流引擎发消息请求来获 得工作流控制数据的内容。 工作流相关数据，是工作流管理系统用来确定流程实例状态转换的条件，并 选择下一个要执行行为的数据，如流程调度决策数据、行为间的传输数据等。这 些数据可以被工作流应用程序访问并修改，因此，工作流管理系统要在行为实例 之间传递工作流相关数据。 工作表，也称任务表，列出了参与行为执行的一个特定用户或一组用户相关 的一系列工作项，显示给用户的工作项列表应包括任务的开始结束时间、所属流 程、任务预计完成时间等信息。工作表处理器负责管理工作表以及用户和工作表 之间的交互。工作表处理器提供工作项列表供用户选择，支持用户在工作表中选 取一个工作项。当用户从工作表中选择了一个工作项后，工作表管理器需要在需 要的时候调用相应的应用程序完成相应任务的执行。在任务执行完成后，工作表 管理器通报工作项的完成。 应用程序可以直接被工作流引擎调用或通过应用程序代理被间接调用，通过 应用程序调用，工作流管理系统部分或完全自动地完成一个行为，或者对业务参 与者的工作提供支持。工作流应用数据是指应用程序操作而不能被工作流管理系 统访问的数据。与工作流控制数据和相关数据不同，工作流应用数据是针对应用 电子科技大学博士学位论文 程序的，是企业完成具体地业务功能需要的数据，如产品结构数据、订单数据等 对工作流管理系统的其它部件是不可见的。 工作流监控，系统管理员通过工作流管理与监控工具检查、监视系统的执行 情况。对于系统中出现的意外情况进行紧急处理，如终止、恢复某个流程实例的 执行，改变某个行为的状态以便整个系统能够继续执行等。 围绕着工作流的过程建模、组织建模、资源建模、执行调度、监控管理及模 拟分析、互操作等，取得了很多研究成果【2 0 】 2 1 】【2 2 】 2 3 】【2 4 】1 2 5 1 ，但正如前面所述，网 格特点使得传统的工作流技术不能够在网格环境下很好的工作，或者根本就不能 适用。从总体架构上，网格工作流模型实际上同样包含前面所述的功能模型，即 网格工作流的建模功能，网格工作流运行阶段的流程控制功能，网格工作流运行 阶段不同子任务的用户或i t 工具的交互功能。从网格工作流管理系统上同样需要 网格工作流流程定义、网格工作流引擎、网格工作流控制及相关应用数据、网格 工作流用户接口，但是还有许多需要重新考虑的问题。 1 3 网格工作流研究现状 网格工作流的研究主要包括两个方面的内容，一是有关研究组织和联盟提出 的关于网格工作流的建议和规范，如g w e l ( g r i dw o r k f l o we x e c u t i o nl a n g u a g e ) 2 6 j ， g s f l ( g r i ds e r v i c ef 1 0 wl a n g u a g e ) t “1 ，g r i dw o r k f l o w t “规范，g w a ( g r i dw o r k f l o w a r c h i t e c t u r e ) 2 9 】等。二是一些实际的网格项目和系统采用网格工作流或者具有工作 流特征的服务来构建和管理复杂网格应用，提高网格应用的执行和管理效率。如 m c r u n j o b 3 们，g r i d a n t 3 1 】，p h v g r i d n 3 2 l 【3 3 】 3 4 】，g r i d l f o w l 3 5 】【3 6 】和g a l e 【3 7 】。 1 3 1 网格工作流规范 网格工作流执行语言g w e u g r i dw o r k f l o we x e c u t i o nl a n g u a g e ) 2 6 j 是基于 o g s a 和w 曲服务的商业过程执行语言b p e i a w s ( b u s i n e s sp r o c e s se x e c u t i o n l a n g u a g ef o rw e bs e r v i c e ) 而得出的。