（计算机软件与理论专业论文）服务网格中动态重构机制研究.pdf

摘要 随着服务计算的兴起，以分布在网络上的服务组件为功能模块建立特定应用已 成为目前学术界的研究热点。服务计算作为极有前途的一种分布式计算模式，它涉 及服务网格、s o a 、云计算、s a a s 、w e b 服务等领域，其中以服务网格范围最广， 最为复杂；在这些面向服务计算的领域例如服务网格领域，都存在一个亟待解决的 问题，即在用户需求，网格环境，和服务组件本身动态变化的情况下，如何根据需 求和环境的动态变化来动态重构所建立的应用，以避免因僵硬的应用结构不具有自 适应能力，而造成应用的中断、交付时问的严重推迟或者其他严重的质量问题。 这一问题在服务网格领域也称作虚拟组织的动态管理，是支持网格系统对环境 高度的适应能力的关键问题之一。在自主计算领域和a g e n t 领域也存在类似的问题， 称为运行时重设计和计算系统自我管理。针对这一问题，有不少学者进行了研究相 关研究，进行了论证和分析，但是没有人提出在用户需求、环境等动态变化的情况 下对面向服务计算的应用的结构进行自适应的解决方案。本文的目的就是在研究服 务网格的动态重构机制的基础上，构建动态重构模型，开发一系列动态重构算法和 技术，该技术经修改可应用到其他面向服务计算的领域，从而使得在用户需求和环 境等动态变化的情况下，通过动态重构让面向服务计算的应用可以提供连续一致的 服务。 本文的研究工作主要包括以下4 个方面： l 提出支持动态重构的服务组件d r c 模型： 本文通过分析动态重构对服务组件的需求，对可重构组件进行建模；使用a s m ( 抽象状态机) 在接口级别分析可重构组件的行为，分析支持动态重构的服务组件 应该具有的性质，提供的外部接口等，提出了可动态重构的服务组件模型d r c ，使 得网格服务组件支持动态重构。 2 提出服务网格动态重构模型d r g m ： 本文基于服务网格体系结构，提出动态重构网格模型d r g m ；并使用a s m 对 其进行建模，对模型中涉及动态重构的关键功能模块实体的行为规则进行定义；设 计了实现动态重构功能的实现框架，给出动态重构的过程和方法；构建了动态重构 规则库。 3 提出动态重构算法d r a ， 基于d r g m 模型与重构实现框架，提出动态重构算法；在重构过程中，重构粒 度为服务组件级别，面向分布在网络上的众多的服务实体；该算法主要对处理重构 事件，重构事件包含：组件的动态加入，组件替换，组件撤离以及应用迁移等。 4 模型分析及原型设计 在对网格动态重构功能进行建模的基础上，分析保证动态重构服务网格系统如 何保证网格应用的一致性、可靠性等。本文以青岛市科技计划基金项目d a c s c 为 研究应用背景，基于w s r f 建立可重构的网格服务，实现了一个可以动态重构的网 格应用原型；通过试验，网格原型d a c s c 系统可以正确处理服务组件产生的重构 事件，与不具有动态重构功能的网格系统相比，较大程度上保证服务组合应用的服 务一致性和可靠性。 硕士研究生夏佰强( 计算机软件与理论) 指导教师蒋静教授 关键词：服务网格，动态重构，a s m ，重构算法，服务组件 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e r v i c ec o m p u t i n g ，i tb e c o m et h eh o t s p o tt o c o n s t r u c tt h ea p p l i c a t i o nw i t ht h es e r v i c ec o m p o n e n td i s t r i b u t e do nt h eg r i de n v i r o n m e n t a st h ep r o m i s i n gd i s t r i b u t e dc o m p u t i n gm o d e ，s e r v i c eg r i dc a nb u i l dt h eg i a n ta p p l i c a t i o n b a s eo nt h er e s o u r c e so nt h ei n t e m e t b u ti nt h ef i e l do fs e r v i c eg r i d ，t h e r ei sau r g e n t p r o b l e mw h i c hr e m a i n su n s o l v e d ，t h ep r o b l e mi sh o wt o r e c o n s t r u c tt h ed i s t r i b u t e d s y s t e mb a s e do ng r i dd y n a m i c a l l yu n d e r t h ed y n a m i c 、d i s t r i b u t e d 、t h ed y n a m i cn e e d so f u s e ra n de n v i r o n m e n t , i no r d e rt h a tt h ea p p l i c a t i o nc a np r e v e n t st h ec o n d i t i o nt h a tt h e a p p l i c a t i o no c c u ri n t e r r u p t 、p o s t p o n eo f t h e s e r v i c et i m eo ro t h e rs e r i o u sq u a l i t yp r o b l e m s b e c a u s eo fh a r d - s h e l l e dc o n f i g u r a t i o n a c t u a l l y , d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o np r o b l e mi sa l s on a m e d d y n a m i cm a n a g e m e n t o fv i r t u a lo r g a n i z a t i o n ”，i tc a np r o v i d et h ea d a p t a t i o na b i l i t yt ot h eg r i da p p l i c a t i o n ，t h i s a b i l i t yi so n eo f t h es i x t y f o u r - d o l l a rq u e s t i o n si nt h eg i r df i e l d f u r t h e rr e s e a r c hi n d i c a t e s t h a td y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o no rs e l fc o n f i g u r a t i o ni sa l s oak e yp r o b l e mt h a tu r g e n tt o r e s o l v ei nm u l t i a g e n ta sw e l la sa u t o n o m i cc o m p u t i n g ，i nm u l t i - a g e n t ，i t c a l l e d t t r u n - t i m e r e c o n f i g u r a t i o n a n dr e d e s i g n ；a n di na u t o m a t i cc o m p u t i n g ，i tc a l l e d s e l f - m a n a g e m e n to fc o m p u t i n gs y s t e m t h ee m p h a s i so ft h i sp a p e ri s t or e s e a r c ht h e d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o nm e c h a n i s m w i t hs e r v i c eg r i d g r i de s p e c i a l l ys e r v i c eg r i di san e wr e s e a r c hf i e l d ，s o m ep r e w o r k sh a sb e e nd o n e b ys o m er e s e a r c h e r s b u tt h em o d e l so rm e t h o d sa r ev e r yg e n e r a l ，c a n t p r o v i d et h e g u i d a n c et o b u i l dd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o ns y s t e m s ；i nt h i sp a p e r ，ad y n a m i c r e c o n f i g u r a t i o n m o d e lb a s e do no g s ai s p r o p o s e d ，d y n a m i c r e c o n f i g u r a t i o n i m p l e m e n t a t i o n a r c h i t e c t u r ea n da l g o r i t h m sa l ed e s i g n e dt op r o v i d ed y n a m i c r e c o n f i g u r a t i o no f 鲥d ，s ot h eg r i da p p l i c a t i o nc a no b t a i nt h ec o n s i s ta n dc o n t i n u o u s s e r v i c e t h ec o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r et h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s ： i 、m o d e l i n gt h eg r i ds e r v i c et h a ts u p p o r td y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n 。 t h ei n t e r f a c el e v e lo ft h ed y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o ns e r v i c ec o m p o n e n tb e h a v i o r si s a n a l y z e d ，t h e nt h ea s m ( a b s t r a c ts t a t em a c h i n e ) w a su s e dt o m o d e lt h i s k i n go f c o m p o n e n t ；t h ec o n t e n t sc o n c l u d et h ec h a r a c t e r i s t i c 、t h ee x t e r n a li n t e r f a c ea n d o t h e r s ； 2 、m o d e l i n g t h es e r v i c e 鲥dw i t hd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o na b i l i t y t h ed y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o ns e r v i c eg r i dm o d e ln a m e dd r g mb a s e do no g s a i s p r o p o s e d ；t h ek e y e l e m e n t so ft h i sm o d e lh a v eb e e nc l e a r l yd e f n e d a n dt h er u l e st od e a l w i t ht h ed y n a m i c e v e n t sh a v eb e e np r e s e n t e d t h i sr e s e a r c h w i l l ，0 no n eh a n d 。p r o b u c e n e wd y n a m l cr e c o n f i g u r a t i o n t e c h n i q u e sf o rs e r v i c eg r ds y s t e m s ，a n dw i l la l s oc o n t r i b u t e t og r i dc o m p u t i n g 3 、d e s i g n i n ga l g o r i t h m sf o rd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n mo r d e 。t os u p p o r tt h e d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o nb e h a v i o r s ，as e r i a la l g o r i t h m sh a v e b e e nd e 8 1 9 n e d 锄dp r o p o s e d ；t h eg s l a w a su s e dt os e a r c ha n dl o c a t et h e 鲥ds e n r i c e jn ed y n a m l cr e c o n f i g u r a t i o ne v e n tr u l e sw e r e u s e dt ot r e a tw i t ht h er e c o n f i g u r a t i o ne v e n t t h e 懿e c u t i o no ft h e a l g o r i t h mc a l l s u p p o r tt h ed y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o nb e h a v i o r s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mc a nw o r k e f f i c i e n t l y 4 、c o n s t m c t i n gt h ed y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o ns y s t e ma n da n a l y z et h em o d e l a n d a r e rt h ed y n a m i c r e c o n f i g u r a t i o nm 。d e la n dm e t h 。d sw e r ep r o p 。s e d ，t h ed a c s c a 1 ) p 1 1 c a t l o nw a ss e l e c t e da st h es c e n a r i oo ft h i s p a p e r w ec o n s t r u c tt h ed v n a l l l i c 心c o 娟g u r a j s e w j c ec o m p o n e n tw i t hw s r f , a n dm o r et h e g r da p p l i c a t i o n 觚t e 帅e w a sf i n i s h e d ；e x p e r i m e n t s h a v ed o n ew i t h t h ea n t e t y p e ，t h er e s u l t s h 。wt i l a ti e a p p l i c a t i o nc a na d a p tt ot h ed i f f e r e n td y n a m i cc o n d i t i o n s m a s t e rs t u d e n t ：x i ab a i q i a n g d i r e c t e db y p r o f j i a n gj i n g ( c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y ) k e y w o r d s ：s e n ，i c e g r i d ，d y n a m i c c 。n f i g u r a f t 仙，a s m ，r e c o n f i g u r a 缅h a l g o r i t h m ，s e r v i c ec o m p o n e n t 声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中依法 引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属 于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：毋勃 黾日期：叶年j ，月矽日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校 享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发 表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛 大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保欺 ( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签名： 导师签名： 夏酃匿 蒋荡争褙币罕 ( 本声明的版权归青岛大学所有， 日期：c ，| 玎年，月秒日 j 日期中f ，月肜日 未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 6 5 第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 网格是一种分布式的计算模式，一种集成的计算和资源环境；它能够充分融合 各种资源( 包括计算资源、存储资源、带宽资源、软件资源、数据资源、信息资源、 知识资源等) ，将其转换为可靠的、以获取的、经济的计算和服务能力n 儿幻；服务网 格则是一种提供服务能力为目的的网格，主要通过虚拟化技术实现资源的融合和管 理，即将各种资源按照规范的接口进行封装，形成可方便使用和描述的功能模块一一 服务，在虚拟组织的管理下使用资源。随着互联网技术和w e b 技术的发展，人们已 逐渐认识到网格系统尤其是服务网格在构建大规模分布式方面、共享分布式资源、 以及各种商用系统方面的重要性和光明的前景。 服务网格是网格服务的集合，它通过网格服务之间的组合形成功能更强大的服 务；但是在基于网格服务的应用中，有一个亟待解决的问题：即如何根据用户需求、 网格环境的变化来重构服务网格构建的应用。因为在一个复杂的动态的网格环境中， 用户的需求、网格服务所处的环境、网格服务本身都可能动态变化，因此一个静态 的服务组合框架、不能自适应调节的系统运行效果得不到保证，往往会因为意外的 事件而发生服务结果延迟交付，或者应用中断根本无法完成任务等严重的问题。 这一问题，在服务网格领域属于虚拟组织动态管理部分脚；支持动态重构的服 务网格，可以保证网格应用具有高的自适应能力，因此是构建服务网格中的关键挑 战之。在自适应软件、自主计算领域、多a g e n t 领域、硬件f p g a 等领域都存在类 似问题，又称为“计算系统自我管理问题”嘲和“运行时重构和重设计问题”等。 其实质是系统内部自动的自我调整，以形成适应外部环境的专用软件或硬件应用。 本文立足于服务网格，专门解决服务网格领域的动态重构问题，对其他领域的重构 也有借鉴意义。 本文来自于导师的研究课题。导师一直致力于解决经济网格、通过服务网格建 立大规模分布式组件应用、q o s 保证机制( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 、服务组合等方面面 临的诸多复杂问题。目前已成功建立面向服务架构的应用定制与服务组合系统 d a c s c ( d y n a m i ca p p l i c a t i o nc u s t o m i z a t i o na n ds e r v i c ec o m p o s i t i o ns y s t e m ) 。提出 了一个基于用户输入建立的应用定制与服务组合框架，如图1 1 所示。在此框架中 有一个重要的未解决问题，如何保证系统在服务组件的状态和用户任务变化等情况 下，重构服务组合建立的应用，本文正是解决这一问题。 青岛大学硕士学位论文 1 2 问题提出 图1 1d a c s c 服务平台 动态重构问题是对在动态、分布式、复杂的网格环境下进行构建面向服务组合 系统一个的关键问题。例如，在服务组件和环境动态变化的情况下，某个服务组件 所处的网络可能因故障而中断，或者服务组件本身要升级，重新部署；这样网格应 用选择的服务组件已不再有效，需要重新选择服务组件或者重新进行服务组合；或 者用户的需求已经改变，现有的服务组合结构已不能适应用户需求，那么就要对已 有的网格应用结构进行调整，使它适应当前的情况。 一般地，对服务网格应用进行动态重构主要是对网格应用的结构进行重构，网 格应用结构的调整主要是指服务组件的加入、离开、升级或连接方式的改变以及服 务组件的动态迁移等；通过对网格应用进行重构，可以使网格应用适应用户需求以 及网格环境等的变化。针对以上重构问题，国内外学者进行过多种方面的研究，如 王源等对动态重构网格应用系统的鲁棒一致性方面进行研究，分析了网格动态重构 过程的一些本质问题嘲，如网格应用和网格服务应满足什么条件? 应用才能是可动 态重构的，并且重构的正确性可以得到：因此主要是对嘲格动态重构一般性的分析 和证明。大部分研究者主要是对服务组合的过程进行研究，如何在动态环境中以最 小的事件复杂度和q o s 进行服务选择和映射哺儿仲m 。另外在需要应用具有自适应性 的其他领域如计算机通信网络、自主计算、自适应软件、f p g a 以及多a g e n t 领域 也都有相关研究正在进行。 本文就是通过对动态重构的一般分析，建立支持动态重构的服务网格模型，并 将其作为服务网格的基本服务，基于服务网格的应用只要调用该服务，就可以在网 格基础设施层支持应用的动态重构。 2 第一章绪论 1 3 论文研究的意义 在理论方面的意义如下： ( 1 ) 对网格领域动态重构技术可以使基于服务网格的网格应用具有自适应的 能力，可以说是一种特殊的错误或故障处理机制。这样，对于建立大规模高可靠的、 灵活的网格应用、降低开发部署和维护成本皆成为可能。 ( 2 ) 网格技术是一种复杂的技术，网格中动态重构机制的研究必将推动其他领 域相关问题的研究；网格的动态重构机制经过修改，即可应用在s o a ( 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 ) 架构n 们的应用中；并且高效可靠的网格基础设施，可以为科 学研究和实际应用提供高可靠的、灵活的底层基础服务结构。对解决的其他问题起 到推进作用。 ( 3 ) 在网络计算模式中，通过引入动态重构机制，云计算、s a a s ( s o f t w a r ea s as e r v i c e ) 、电子商务、企业信息集成等面向服务的计算的技术和应用也可以实现其 灵活性和适应性，从根本上提高普通网络服务的可靠性。 ( 4 ) 本文通过对网格进行建模，进一步丰富网格理论，加深了对网格的认识眼 研究。 实际应用意义 ( 1 ) 本文的动态重构模型是面向服务架构动态应用定制和服务组合的关键问 题。该动态重构框架着重于在实际项目中的应用，在此框架下，系统开发者只需要 构建与领域相关的部分，就可以实现具有动态重构功能的面向服务应用。 ( 2 ) 本文的应用项目组合了火车订票等服务组件，稍加扩展便可支持其他的服 务组件的支持动态重构的组合，适用于企业信息集成、分布式服务集成等方面的应 用。 1 4 论文的主要内容 本文的研究目标是通过对服务网格架构的分析，将动态重构机制与服务网格结 合，在任务需求、网格环境、服务组件等动态变化的情况下，构建服务网格的动态 重构模型；设计并实现动态重构并让其有效工作的一系列算法、技术；并将这些模 型和技术应用到解决d a c s c 项目的问题中。 为了达到这一目标，本文主要进行以下的研究： ( 1 ) 分析目前动态重构的主要方法和技术以及现有条件 通过分析目前动态重构的方法和过程，总结各种方法的应用范范围和优缺点； 例如对于自主计算领域，其计算系统地自我管理的方法等；在多a g e n t 系统中，运 行时系统结构调整的步骤和策略等； 3 青岛大学硕士学位论文 在服务组合领域了解目前执行组合的方法，使用该方法进行组合得到的应用是 否具有重构的基础；服务组件的特征，一般有哪些描述信息和接口，网格服务又有 哪些可以扩展的方面等； 通过分析和总结，选择服务网格可行的重构方法以及服务网格进行重构的要素 和前提条件，并对重构服务组件d r c ( d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o nc o m p o n e n t ) 进行模 型和实现上的设计。 ( 2 ) 构建支持动态重构的服务网格模型 在得到动态重构的要素和前提条件后，结合服务网格的特点、网格应用的特征 进行对应的重构方法和步骤的设计：并基于目前主流的o g s a 服务网格体系结构， 构建可动态重构网格模型d r g m ( d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o ng r i dm o d e l ) ，分析该模 型的结构和各部分的功能。 为了实现动态重构，对模型中各个相关的功能模块实体的行为规则进行定义， 并用a s m ( 抽象状态机，a b s t r a c ts t a t em a c h i n e ) n 妇n 胡进行形式化描述；需要描述的 实体包括：信息服务实体，服务组件实体，重构控制实体等多个实体模块。 ( 3 ) 动态重构算法 动态重构实质是对服务组合之后形成的系统进行管理和重组合，在提出动态重 构模型和重构规则的基础上，给出了对网格应用进行有效重构的算法。 该算法主要考虑以下问题：一是动态重构的发生的定义：在什么时候认为发生 了重构事件，事件的类型是什么，有什么模块来接受和区分重构事件；二是根据产 生的重构事件，判断是否需要对应用结构进行重构；如果需要，需要哪些模块相互 配合和协作，需要获取和共享哪些信息；三是重构过程中服务组件怎样选择，怎样 替换失效的服务组件，怎样判断新的组件符合需求等。 ( 4 ) 动态重构模型在d a c s c 系统中实现 在以上工作的基础上，将经过设计和验证的方法和算法应用在实际的项目中。 本文以面向服务架构的动态应用定制与服务组合系统为d a c s c 为研究背景，来考 察动态重构模型、方法、技术的正确和有效性。 1 5 本文主要贡献 本文的主要贡献主要在以下几个方面： ( 1 ) 提出服务网格动态重构模型d r g m ，并设计动态重构功能实现框架与步骤， 提出动态重构算法d r a ( d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o na l g o r i t h m ) ，使用通用的网格形式 化描述语言a s m 对d r g m 模型和重构算法进行形式化描述； ( 2 ) 为在理论上验证模型的有效性，将重构算法适用a s m l 【i 羽语言进行描述， 并载入s p e c e x p l o r e r n 劬模型验证工具，进行模型验证。 4 第一章绪论 ( 3 ) 将设计的模型和算法应用到实际应用背景中，并通过实验，对添加、删除 或者替换服务组件等重构能力进行验证。 1 6 本文结构安排 论文的结构安排如下： 第一章绪论介绍课题研究背景。提出要研究的问题以及该问题的研究价值；指 出论文的主要研究内容和方法，明确课题任务；最后给出全文的结构安排。 第二章相关研究回顾。详细介绍动态重构重构的研究现状，方法和技术。 第三章介绍本文涉及到的相关理论。网格计算，服务网格o g s a ，服务组合， a s m 等。 第四章可重构服务组件设计。对网格服务组件进行理论分析，设计可重构服务 组件模型，并对服务组件进行形式化描述；然后基于w e b 服务，设计实用的可重构 服务组件。 第五章重点介绍服务网格动态重构模型d r g m 。动态重构功能实现机制和框架， 提出动态重构算法；然后使用a s m 对d r g m 动态重构模型和算法进行严格的形式 化定义和描述，并对建立的模型进行模型测试。 第六章动态重构在d a c s c 中的实现介绍d a c s c 项目，详细阐述动态重构 模块在d a c s c 系统中的实现过程，并对系统性能效果进行分析。 第七章对全文进行总结 5 青岛大学硕士学位论文 第二章相关研究回顾 2 1 网格动态重构研究现状 2 0 0 1 年，f o s t e r 将网格定义为“动态的、多组织之上、虚拟组织内的协调资源 共享与问题求解”【i 础；其中虚拟组织是一个重要的概念，是理解网格尤其是服务网 格的关键；网格领域的动态重构问题与虚拟组织的形成与管理密切相关，可以看作 是网格应用对应的虚拟组织的后期维护；其类似问题又被称为“动态联盟形成与管 理”( a g e n t 领域) 、“计算系统自我管理”( 自丰计算领域) 、运行时重构与重设计( 多 a g e n t 领域) 、“可重构计算”( 硬件f p g a 领域) ；虽然在不同的领域存在不同的名 称，其基本思想都是在一个大的环境下，让一个子系统能够根据条件的变化实现自 我配置、自我调整，从而实现最好的执行效能，以达到专用系统的目的。 针对这一问题，网格计算领域的国内外学者进行了相关工作的研究，取得了多 种理论成果和解决途径，由于网格技术相对较新，相对于其他领域，还存在众多不 足；例如在计算机通信网络6 】、服务器领域、自主计算n 7 1 、自适应软件n 以及多a g e n t 等领域，都已取得较多成果。 2 1 1 网格领域研究现状 ( 1 ) t j n o r m a n 钔等提出了采用决策机制和拍卖形成虚拟组织的方法；在其进 行的c o n o i s e 项目中，n o r m a n 等将基于a g e n t 的模型和技术引入网格领域，为虚 拟组织的自动形成和维持提供支持。他采用的多种关键技术，包括：通过采用决策 机制实现个体a g e n t 决策、比如确定自己是否提供服务、确定选择哪些a g e n t 作为 形成虚拟组织的伙伴：通过拍卖方法实现任务分配等。但是，在该项目中，对于虚拟 组织在动态环境下的形成与维持仅仅提出了初步设想，如何实现及验证还有待进一 步探索。 ( 2 ) g a l l e n 。等研究了网格领域l 1 资源属性和任务资源分配动态变化情况下的 重构方法。在他们研究的一个实验型框架c a c t u s w o r m 中，将自适应应用结构和白 适应资源选择两种方法引入其中。前一种方法用来处理资源特征不断变化的情况；后 一种机制允许任务当其执行性能下降到一个门限的时候，通过任务白治的向“更好的 资源”迁移，来改变资源分配。但对有环境和服务组件失效等更加复杂的情况为研究。 ( 3 ) 中科院的王源等对动态重构网格应用系统进行了一般性的分析和证明哺1 ； 在该研究中给出了可重构服务组件的形式化模型和网格应用系统的形式化模型，然 后经过分析和证明，给出了一致性，鲁棒致性，结构完整性，状态接续性等重要 6 第二章相关研究同顾 概念和定义，并给出动态重构网格应用系统得鲁棒一致性定理等重要结论；对动态 重构网格和网格理论都具有很高的借鉴意义和指导意义。由于层次较高，未能明确 提出建立动态重构模型和适用于服务组合领域的动态重构算法。 2 1 2a g e n t 领域研究现状 a g e n t 是指处于某个环境中的计算机系统，该系统有能力在这个环境中自主行动 以实现其设计目标。多a g e n t 系统指的是由多个可以相互继续交互的a g e n t 的集合 乜u 。对a g e n t 的研究开始于2 0 世纪8 0 年代，他对大规模分布式开放系统的研究方 面具有广泛应用。在多a g e n t 领域，重构问题也同样存在，因为由多个a g e n t 系统 组成的系统，存在诸多可变因素，例如：单个a g e n t 系统的状态与能力，a g e n t 所处 的环境等等。 一般多a g e n t 领域的动态重构分为以下几个内容：系统结构的重构、a g e n t 地理 分布的重构、a g e n t 实现的重构和a g e n t 交互接口的重构。针对这几个方面，在该领 域的研究现状有以下几个： ( 1 ) p a l m a 等探索了a g e n t 系统中修改a g e n t 地理分布的重构技术瞄1 。p a l m a 等提出了基于结构描述语言a d l 的分布式系统模型，在该模型中，引入中间件作为 基础机构，为大规模应用提供了分布、通信、因果排序等属性的支持。该模型主要 致力于解决动态重构的其中两个方面：( 1 ) 改变应用的体系结构( 比如增a n 删除 a g e n t s ，改变内部联接模式等) ；( 2 ) 改变一个应用的地理分布( 比如改变a g e n t 所在位 置) 。 ( 2 ) s y c a r a 等提出了利用不同种类的中间a g e n t ，以实现系统中a g e n t 的动态 增加或删除嘲。他们在服务的提供者和需求者之间定义了匹配者( 黄页服务) 、经纪 人、公告板等多种类型的中间a g e n t ，以便于能够在服务和提供服务的a g e n t 均不断 变化的网络中搜寻和挑选到合适的服务。 ( 3 ) h a n n e b a u e r 提出了侧重于个体a g e n t ( 微观) 而不是社会( 宏观) 级别的两种 重配置操作“a g e n t 混合( a g e n tm e l t i n g ) ”与“a g e n t 分解( a g e n ts p l i t t i n g ) ”瞰3 。“a g e n t 混 合”指的是将两个或多个a g e n t 的知识、目标、能力等统一到一个a g e n t 当中；而 “a g e n t 分解”指的是将一个a g e n t 分离的过程，它很可能会产生另外的新a g e n t 。通 过以上两种途径，实现那些需要协同求解问题的自治、动态的配置调整。 ( 4 ) v a n d e rh o e k 和w o o l d r i d g e 提出了授权和协作的动态逻辑d c l p c ，利用 d c l p c ，变量可以在a g e n t 联盟中动态分配，使得联盟的能量结构( p o w e rs t r u c t u r e ) 发生变化嘲。 7 青岛大学硕士学位论文 2 1 3 硬件方面f p g a 研究现状 f p g a 是英文f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵 列，它是在p a l 、g a l 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它 是作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定 制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 f p g a 内部包括可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出 输入模块l o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分；其 中f p g a 是由存放在片内r a m 中的程序来设置其工作状态的，加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中数据读入片内编程r a m 中，配置完成后，f p g a 进入工作 状态。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，f p g a 能够反 复使用。当需要修改f p g a 功能时，只需换一片e p r o m 即可。因此，同一片 f p g a ，输入不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。 对于f p g a 领域，也存在类似的可重构问题，f p g a 是具有可重构能力的 硬件，基于可重构硬件和微处理器可以设计实现面向特定应用的专用电路。由 此得到的可重构系统能获得数倍于微处理器的性能，又可以针对不同性质的应 用定制不同的专用计算功能，并根据应用需求动态地将之配置到可重构硬件 上，能够比a s i c 实现更加灵活，同时能够降低系统的代价、减少上市时间等。 目前对于f p g a 方面很多公司在进行可重构系统的研究和开发等工作。在 硬件领域，可重构系统由微处理器、可重构硬件、分布式r a m 、f l a s h 存储和 外围i p 核组成，其结构图如图2 1 下。对于片上系统而言，各组件相互之间通 过芯片内的可编程总线连接，消除了早期可重构系统的通信瓶颈问题，是当前 可重构系统领域的一个重要研究方向。比较有代表性的动态重构系统如 d i s c 协 、s p l a s h2 别、s o c r e 啮3 、g a r p 嘲侧、t r u m p e t t 3 、p i p e r e n c h t 3 2 1 和 s y s t o l i cr i n g 3 3 等。 图2 1 基于f p g a 的可重构系统组成 8 第二章相关研究回顾 ( 1 ) g a r p 体系结构集成了一个与m i p s i i 核兼容的宿主处理器核和一个 可重构的协处理器，通信网络为2 dm e s h 结构，宽度为2 位嘲侧。其中，可重 构硬件基于x i l i n x4 0 0 0 系列的f p g a ，扩展的m i p s i i 指令集实现对可重构硬 件的重构。 ( 2 ) s c o r e 系统嘲3 是由一个微处理器和一个可重构硬件构成的流媒体处 理系统，如图1 9 所示，系统中的布线资源丰富，完全满足快速地实时布线口。 其中，可重构硬件分为多个相互独立的相同计算页，中间数据、计算页状态和 计算页对应的配置信息都存储在分布式内存中。计算页之间的互连支持计算页 和内存之间的高带宽、低延迟通信，并允许内存页的并发使用，这是获得高性 能和支持实时计算页重构的关键。 除以上系统外，还有其他的动态重构方面的研究，如自适应软件方面，计 算机网络重构方面，在此不一一介绍。 2 2 服务组合领域研究现状 所谓服务组合，i b m 给出的定义为，通过服务之间的排列顺序和相互之间的复 杂交互，来实现特定商业逻辑的一组服务嘲1 。h p 的定义为，对己有的服务进行重组 包装，完成新的商业逻辑，同时提高其q o s 的质量保证刚的过程。服务组合问题的 研究涉及到多个领域，目前国内外很多专家和学者从不同的方面对其进行了大量研 究，并取得了一定的成果。依据切入角度的不同，服务组合方法的分类有多种方式。 依据服务组合时的导向方式服务组合方法可以分为：基于业务流程、组件协作、 a i 规划、语义w e b 等功能属性的服务组合方法和基于q o s 描述、q o s 需求计算等 非功能属性的服务组合方法。b p e l 和e f l o w 是基于业务流程的服务组合代表，借 助工作流模型来表示业务的逻辑，通过节点和路径来表示整个工作流程。e f l o w t 嬲1 和c m i 口7 1 研究了服务组合中基于用户需求的动态服务选择问题。尤其是c m i 为了适 应动态服务组合，在服务定义模型中提出了名为“占位”的概念，一个“占位”是 一个抽象的活动，代替运行过程中某类具体活动。选择机制是从“占位”活动中选 择具体活动。但是c m i 和e f l o w 都是在单个任务层面上的局部服务选择，而且缺 乏服务质量模型的支持。 基于组件协作的服务组合方法，通过描述组件服务之间的消息编排( 消息交换 序列) 来建模组合服务。这种组合服务建模方法着眼于消息交换行为，可以较为直 观的描述多方参与的协作过程。同时，该方法能够与c c s 啪1 、p i 演算啪1 等描述并发 进程间通信的形式化手段建立直观的映射，从而支持组合模型行为性质的分析。但 是由于组合服务模型定义了组件服务的行为，对组合服务模型修改将导致组件服务 行为设计的变更，因此灵活性相对较差，不太适合描述动态的服务组合场景。 9 青岛大学硕士学位论文 基于语义组装通过对w e b 服务的语义表示，使得服务之间可以相互理解，利于 信息的共享和交互，从而加速服务的发现，匹配，选择和动态组合过程。语义w e b 服务基于w e b 服务建模框架( w e bs e r v i c e sm o d e l i n gf r a m e w o r k ，w s m f ) m 3 的理念， 将语义引入工作流程领域( b p e l 、b p m l 或w s c i ) 的建模机制中去，并集成这些语 义到服务本体中。o w l s 是基于描述逻辑的w e b 服务语义描述，并且支持q o s 属 性。通过语义表示，主体能自动识别服务语言限制和偏好以及服务描述。2 0 0 4 年2 月1 0 日，w 3 c ( t h ew o r l dw i d ew e bc o n s o a i u m ) 宣布o w l 和r d f 为该组织的推荐标 准。 基于规划的组合方法将经典的人工智能( a i ) 规划思想引入服务组合。该类方法 的组合服务建模过程高度自动化。主要是借助a i 领域的经典研究方法，如情景演算、 规划域定义语言、定理证明等，并与语义w e b 技术相结合，研究语义w e b 服务h u 、 组合目标分解、组合推理以及组合服务模型的自动构造方法。该类方法形式化色彩 浓厚，对组合服务正确性的关注贯穿组合的整个过程，对运行系统的关注比