（计算机应用技术专业论文）迁移工作流系统中可靠组播通信机制研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 迁移工作流( m i g r a t i n g w o r k f l o w ) 是将移动计算技术引入传统的工作 流管理系统而得到的一种新技术，是近年来工作流管理研究的一个新方向。 迁移工作流管理引擎、迁移实例和工作位置是迁移工作流管理系统的三个 要素，工作流引擎完成工作流过程定义、迁移实例生成和多迁移实例协调 等工作；工作位置由停靠站服务器及其关联的工作机网络组成，是迁移实 例的运行场所：迁移实例是以移动a g e n t 为范型构建的，由迁移工作流引 擎或工作位置创建，是任务的执行主体，可以在某个工作位置上利用本地 资源执行一项或多项任务。多个迁移实例通过迁移和协作完成工作流过程。 迁移工作流系统中可靠的组播通信机制是迁移实例之间协同工作的一个关 键保障，也是迁移工作流系统研究中的一个重要问题。 论文借鉴支持分布式协同工作的组播通信及移动a g e n t 组播通信的研 究成果，结合迁移工作流系统的特点，提出了一种基于逻辑令牌环结构的 迁移工作流实例组播通信模型，并根据该模型设计了保证实现可靠组播通 信语义的全序组播通信协议。文章中详细的给出了该协议的数据结构及相 应的组播通信算法，并对协议的正确性进行了证明，对协议的性能进行了 分析。该协议使用令牌来实现组播消息的次序化，保证了组播消息的全序 性；通过设计适当的缓冲机制来保证消息的可靠传输及组播消息传输的原 子性，有效的解决了组播通信过程可能存在的全局不一致的问题，确保了 迁移实例可靠的组播通信。 本文根据该组播通信模型，设计了一种容错的基于层次结构的组成员 管理机制，该机制能够有效的实现对组成员的加入、退出及出错的管理。 层次结构的设计有利于组播通信系统的扩展，使得该系统具有较强的伸缩 性。针对组播通信过程中可能存在的成员失效问题，提出了一种随机心跳 故障检测方法，能够及时检测发生错误的组成员并将它移出通信组，实现 了可靠组播通信系统的差错控制。 论文首先对工作流、迁移工作流和可靠的组播通信基础知识进行概述； 而后根据迁移工作流系统模型，提出了基于令牌的迁移工作流组播通信系 统模型，并根据该模型设计了全序的组播通信协议，给出协议的数据结构 及相应的组播通信算法步骤；随后提出了基于层次结构的容错组成员管理 山东大学硕士学位论文 结构及基于工作位置的随机心跳故障检测方法，并对该方法的正确性进行 了分析。 关键词迁移工作流：迁移实例；组播通信：令牌；组成员管理 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em i g r a t i n gw o r k f l o wi san e wt e c h n o l o g ya p p l y i n gm o b i l e c o m p u t i n gt ow o r k f l o wm a n a g e m e n t ，w h i c hi san e wd i r e c t i o nw i t h i n t h er e s e a r c ho fw o r k f l o w m a n a g e m e n t m i g r a t i n g w o r k f l o w m a n a g e m e n te n g i n e ，m i g r a t i n gi n s t a n c ea n dw o r ks t a t i o na r et h r e e m a i ne l e m e n t so fm i g r a t i n gw o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m w o r k f l o w e n g i n ec o m p l e t et h ed e f i n i t i o no fw o r k f l o wp r o c e s s ，t h eg e n e r a t i o no f m i g r a t i n g i n s t a n c ea n dt h ec o o r d i n a t i o no fm o r e m i g r a t i n g i n s t a n c e s w o r ks t a t i o nr e f e r st oa n c h o r a g ea n dn e t w o r ka s s o c i a t e d w i t hi t ，w i c hi st h eo p e r a t i o np l a c eo fm i g r a t i n gi n s t a n c e m i g r a t i n g i n s t a n c ei sc o n s t r u c t e db yt h em o d eo fm o b i l ea g e n t ，c r e a t e db y w o r k f l o we n g i n eo rw o r ks t a t i o n ，i st h em a i ni m p l e m e n t a t o ro ft a s k ，t o c o m p l e t e o n eo rm o r et a s k sb y u s i n gt h el o c a l r e s o u r c e so fw o r k s t a t i o n ，w o r k f l o wp r o c e s si s c o m p l e t e db y an u m b e ro fm i g r a t i n g i n s t a n c e s m i g r a t i o na n dc o l l a b o r a t i o n r e l i a b l em u l t i c a s ts y s t e mi sa k e yp r o t e c t i o nm e c h a n i s mt o r e a l i z et h ec o o p e r a t i o n o f ，m i g r a t i n g i n s t a n c e ，w h i c hi sa l s oa ni m p o r t a n ti s s u eo ft h em i g r a t i n gw o r k f l o w r e s e a r c h f r o mt h er e s e a r c hr e s u l t so fd i s t r i b u t e dc o o p e r a t i o na n dm o b i l e a g e n tm u l t i c a s t b a s e d o nt h ec h a r a c t e f i s t i c so fm i g r a t i o nf l o w , a m u l t i c a s ts y s t e mm o d e lb a s e do nt o k e ni s p r o p o s e d am u l t i c a s t p r o t o c o li sd e s i g n e dt oe n s u r et h er e a l i z a t i o no ft h ee n t i r es e q u e n c eo f s e m a n t i cr e l i a b l em u l t i c a s ta c c o r d i n gt ot h em o d e l t h ed a t as t r u c t u r e o ft h ep r o t o c o la n dt h ec o f r e s p o n d i n ga l g o r i t h ma r eg i v e nb yt h i s p a p e ri nd e t a i l t h ec o r r e c t n e s so ft h ep r o t o c o li sa l s op r o v e di nt h i s p a p e r t h ep r o t o c o l c a nr e s o l u t et h e t h eo v e r a l l i n c o n s i s t e n c y p r o b l e m so ft h em u l t i c a s te f f e c t i v l y t h ee n t i r em e s s a g es e q u e n c eo f t h ep r o t o c o li sr e a l i z e db yt h eu s eo ft h et o k e n ，e n s u r et h er e l i a b l e t r a n s m i s s i o n b y t h e a p p r o p r i a t ed e s i g n o fb u f f e r m e c h a n i s m s ， e f f e c t i v l ys o l u t et h eo v e r a l li n c o n s i s t e n c yo fm u l i c a s t ，a n de n s u r ea c o n s is t e n ts t a t eo fm u k t i c a s t 一一 山东大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h em u l t i c a s tm o d e l ，af a u l t t o l e r a n tg r o u pm e m b e r m a n a g e m e n tm e c h a n i s mb a s e do nh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ei sd e s i g n e di n t h i sp a p e r t h ea g r e e m e n tt oj o i nt h eg r o u po rf r o mt h eg r o u po rt h e f a u l t m a n a g e m e n t i s e f f e c t i v l y r e a l i z e di nt h em e c h a n i s m t h i s h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ei sa l s oc o n d u c i v et oe x p a n s i o no ft h em u l t i c a s t s y s t e m ，a n da l s oh a sh i g h l yf l e x i b l e f o rt h ep o s s i b l ef a i l u r eo f m e m b e r si nm u l t i c a s t ar a n d o mh e a r tf a i l u r ed e t e c t i o nm e t h o di s p r o p o s e d ，w h i c hc a nd e t e c tt h ee r r o rm e m b e r si nt i m ea n dr e a l i z et h e e r r o rc o n t r o lo ft h em u l t i c a s ts y s t e m ， f i r s t ，t h e b a s i s k n o w l e d g e o ft h e m i g r a t i n g w o r k f l o wa n d m u l t i e a s ti so u t l i n e di nt h i sp a p e r l a t t e r ，a c c o r d i n gt ot h em i g r a t i n g w o r k f l o wm o d e ，am u l i e a s ts y s t e mo fm i g r a t i n gw o r k f l o wb a s e do n t o k e ni sd e s i g n e d ，t h ew h o l es e q u e n c eo fm u l t i c a s tp r o t o c o li sa l s o d e s i g n e d ，t h ed a t as t r u c t u r eo ft h ep r o t o c o la n dt h ec o r r e s p o n d i n g a l g o r i t h ma r eg i v e dt o o t h e n ，af a u l t t o l e r a n tm e m b e rm a n a g e m e n t s t r u c t u r eb a s e do nt h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ei sp r o p o s e da n dar a n d o m h e a r t b e a tf a u l td e t e c t i o nm e t h o db a s e do nt h el o e a t i o no ft h ew o r ki s d e s i g n e d ，t h em e t h o d sc o r r e c t n e s si sa l s oa n a l y s i s e di nt h i sp a p e r k e y w o r d an l ；g r a t in gw o r k f i o w ：m i g r a t in g in a t a n o e ：n l u i t i o a s t t o k e n ： g r o u pm e m b e rm a n a g e m e n t ， 原创性声明和关于论文使用授权的说明 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，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的科研成果。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。本声明的法律责任由本人承 担。 论文作者签名：奎生型 日期：型z ! 兰：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留或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；本人授权山东大学可 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者躲挫导师躲彬一平“ 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的背景与意义 第1 章绪论 根据工作流管理联盟( w f m c ) 给出的工作流及工作流管理系统定义【1 】： 工作流是一类能够完成或者自动执行的经营过程，它根据一系列过程规则， 文档、信息或任务能够在不同的执行者之间进行传递与执行；工作流管理 系统【2 1 是通过运行在工作流引擎上的软件来定义、创建和管理工作流执行 的系统，而工作流引擎则可以解释过程定义、同工作流参与者交互，并且 必要时能够调用信息处理工具和应用程序。 迁移工作流( m i g r a t i n gw o r k f l o w ) 1 3 1 是将移动计算技术( 移动a g e n t 技术) 引入传统的工作流管理系统而得到的一种新技术，是近年来工作流 管理研究的一个新方向。迁移工作流是为解决当前工作流管理中存在的两 个问题提出来的：不完全业务过程定义、工作流执行环境与流程参数的动 态多变造成工作流难以维护。文献【3 】遵循了参照移动a g e n t 范型构造迁移实 例( m i g r a t i n gi n s t a n c e ) 的技术路线，定义了一种迁移工作流模型。在迁 移工作流系统中，执行某个活动的移动a g e n t 被称为迁移实例，迁移实例是 由迁移工作流引擎创建或者由工作位置创建，迁移实例可以在某个工作位 置上利用本地资源执行一项或多项任务。当迁移实例发现当前工作位置不 能满足其任务需求时，迁移实例迁移到下一个能满足其需求的工作位置上 继续执行。由于迁移实例指代活动，则迁移工作流中活动之间的控制依赖 关系体现为迁移实例之间的协同工作，多个迁移实例通过迁移和协作完成工 作流过程。 可靠的组播通信机制是迁移实例之间协同工作的一个重要保障机制， 也是迁移工作流系统需要解决的一个关键问题。组播通信的主要思想是将 系统中的多个实体( 如进程、对象、a g e n t 等) 组织成一个逻辑实体一一 组，组中的每个实体都是组的一个成员，组播通信为成员之间的通信提供 各种通信原语，并且这些原语提供各种顺序语义保证，使组成员可以按照 某种语义进行通信。成员关系管理是实现组播通信的基础。成员关系管理 山东大学硕士学位论文 所要解决的问题是如何维护每个组内的成员关系，进而维护系统中组与组 之间的关系，其作用是控制成员关系的变化，根据相应的控制策略完成组 成员的动态加入和离开。当有新的成员加入或某个成员离开时，能够将变 化后的成员关系及时地传递给组内的其它成员，保证所有的组成员保持一 致的成员关系。 迁移实例之间可靠的组播通信是实现迁移工作流系统中迁移实例间协 同工作的个关键技术。实现迁移实例组播通信的核心是要解决组内迁移 实例的移动问题，保证组播消息在迁移实例迁移的情况下能够传递到组内 的所有迁移实例，并满足相应的可靠消息通信语义。迁移实例组播通信研 究为迁移实例之间能更好的协同完成任务奠定了理论基础，为迁移工作流 的进一步应用提供了技术支持，这将是个很有意义的研究课题。 1 2 研究现状 1 2 1 迁移工作流研究现状 文献【3 参照移动计算范型和国际工作流联盟的定义，给出了迁移工作 流的概念模型。在迁移工作流系统中，执行业务的移动a g e n t 被称为迁移 实例，迁移工作流将业务过程的全部或部分自动解释为多个迁移实例间的 分布式协同过程，每个迁移实例执行一个目标相对独立的业务过程。迁移 工作流系统是由多个迁移实例构成的分布式系统。迁移实例可以在某个工 作位置上利用本地资源执行一项或多项任务。当迁移实例发现当前工作位 置不能满足其任务需求时，迁移实例将迁移到下一个能满足其需求的工作 位置上继续执行，不同的迁移实例可以在不同的工作位置上首先运行。所 以迁移实例具有自主性、移动性和并行性等特征。 迁移工作流系统仍然处于实验室的原型研究阶段。前期的研究者已经 对迁移工作流的系统框架、实现结构、关键算法、迁移实例通信机制【4 】等 方面进行了研究，并提出了一个迁移工作流系统原型【5 】；提出了一种分层 的迁移工作流系统框架，为系统中不同的消息传输对象提供统一的、透明 的消息传输服务，框架降低了迁移实例的通信负担，并由此导出了一种轻 量级迁移实例结构模型t 设计实现了迁移实例的一种内部逻辑结构，迁移 山东大学硕士学位论文 实例能够在不断的迁移过程中仍保持工作的连续性；实现了一种基于中心 节点的迁移实例位置追踪模型。但迁移工作流系统中尚有很多机制，如迁 移实例可靠的组播通信机制、安全机制、迁移实例路由选择机制等有待于 进一步展开研究。 1 2 2 组播通信研究现状 随着组播( m u l t i c a s t ) 技术的发展，越来越多的组播应用和服务已经 在i n t e r a c t 上兴起，并很快成为网络研究的一个热点。组播的特点是能够在 网络上提供单点到多点以及多点到多点的通信。组播技术成为许多网络应 用的关键支撑技术，例如：网络多媒体会议、远程教育、视频点播、网上 实时传播、网络数据发布、分布式协同工作等等。目前，人们已经开发出 了很多支持协同工作的组播通信系统或工具，其中，最具代表性的系统包 括i s i s 【6 l 、h o r u s ”、t o t e m 8 1 及t r a n s i s 9 1 等；随着移动计算技术的发展，研 究者们提出了许多支持移动a g e n t 组播通信的协议，如：s m 协议0 0 1 、s a m a 协议【1 1 】、基于邮箱的移动a g e n t 可靠组播通信协议和移动a g e n t 的全序多播 协议( m a t o m - m o b i l ea g e n tt o t a l lo r d e rm u l t i c a s t ) 等，移动a g e n t 组播通 信机制的设计除了要满足移动a g e n t 单播通信的具体要求n 2 1 外，还需要完 成对组播组成员的有效管理。 i s i s 系统是由c o r n e l l 大学开发的第一个组播通信支持系统。该系统以 进程组为基础，提供了组成员管理、可靠的组播通信、失效监测及虚拟同 步等支持机制，这些机制以过程调用的形式提供给应用开发者，因此，它 实际上是一个面向过程的功能集合。i s i s 为应用开发者提供一个虚拟同步 的开发环境，为成员之间的通信提供了各种语义，即在网络发生分区的情 况下，在主分区内总是存在一个进程集合一一该进程集合就是通信组内当 前的成员关系；i s i s 没有为组与组之间的通信提供足够的支持机制。 h o r u s 系统是由i s i s 系统发展而来的，它是对i s i s 的重新设计，其目的 是将组支持系统设计成一个灵活的、模块性好的系统。它的特点在于提出 了一个协议合作模型，并在此基础上设计实现了一个协议合作框架。该框 架内设计实现了大量的应用和系统协议，例如，成员关系协议、可靠的通 信协议等。应用开发者可以利用这些协议构造新的协议，以满足应用的需 要。h o r u s 中的协议合作模型是线性的，即一个新的协议被构造成一个协 3 - 山东大学硕士学位论文 议栈。 t o t e m 系统是由c a l i f o r n i a 大学为建立容错分布式系统而开发的一个通 信协议集合。t o t e m 系统以局域网的硬件广播设施为基础，为进程组播通 信提供了若干个低延迟、高吞吐率的具有不同顺序语义的组播通信原语， 以便为进程组成员之间的软实时通信提供保证。t o t e m 系统中通信协议的 特点是以逻辑令牌传递为基础；t o t e m 系统提供的主要功能包括可靠的全 序组播通信原语，成员失效的处理和恢复、网络分区的处理及合并，以及 成员关系服务等。 t r a n s i s 系统是由以色列耶路撒冷的h e b r e w 大学开发的一个用于支持 应用开发的通信子系统。该系统提供了一个高性能的、可靠的消息传递协 议，该协议利用网络已有的广播设施，并容忍网络分区，能够对网络分区 进行处理；同时，该系统为组成员之间的通信提供了f i f o 、因果序，及全 序安全传递等语义保证。 s i l v a 和m a c e d o 将传统分布式系统中的组播通信方法直接应用于移动 a g e n t 的组播通信，提出了一种移动组( m o b i l eg f o u p ) 的概念【l0 1 ，人们将该 协议称为s m 协议。在s m 协议中，多个移动a g e n t 构成个移动组，组中的 每个a g e n t 都有一个记录本组a g e n t 的列表，即组视图。在a g e n t 加入或者退 出组的时候，组内所有a g e n t 的组视图都需要更新，保证数据的一致性。这 种机制在传统分布式系统中被称为虚拟同步机制。因为s m 协议要求每个 移动a g e n t 的迁移都要更新组内所有移动a g e n t 的组视图，所以势必造成高 昂的迁移成本。并且，s m 协议仅给出了移动a g e n t 组管理的基本方法，并 没对可靠多播问题进行讨论。实际上，s m 协议只是一种结合传统分布式 系统组播通信方法对移动a g e n t 组播通信问题的概念性说明，没有给出可行 的移动a g e n t 组播通信协议。 文献 1 l 】从实现移动a g e n t 多播通信角度，提出一种s a m a 协议。在s a m a 协议中，在每个节点都驻留一个被称为m d o ( m e s s a g ed e l i v e r yo b j e c t ) 的静 态a g e n t ( s t a t i ca g e n t ) ，移动a g e n t 的多播消息通过一组m d o 转发。s a m a 协议中给出了一种消息传播算法( m e s s a g ep r o p a g a t i n ga t g o r i t h m ) ，将移动 a g e n t 多播通信过程划分为两个阶段：( 1 ) 移动a g e n t 发送多播消息时，此 消息会通过传播方法发送到各个m d o ；( 2 ) m d o 将消息传递给本地的移动 a g e n t 。虽然s a m a 协议给出了移动a g e n t 多播消息通信的方法，但是，s a m a 山东大学硕士学位论文 没有就消息的次序性问题和组管理机制给出说明。因而，s a m a 协议同样没 有提供一种可靠的移动a g e n t 组播通信的解决方法。 n a g a m u t a 和e n d l e r 从协调的角度给出了一种移动a g e n t 的组管理机制 【”】。由于其使用集中式广播代理来实现移动a g e n t 的组播通信，不仅通信 开销大，而且可扩展性不好。文献1 4 指出将单播算法通过支持多播地址 而扩展为多播算法，但由于文中算法仍然采用广播方式，从而带来高昂的 通信开销。并且在这些基于广播的方法中，都没有给出消息次序化方法和 动态组管理机制。 文献【1 5 】中，南京大学的曹建农等人提出了一个基于邮箱的移动a g e n t 可靠组播通信协议，它是a r p ( a d a p t i v ea n dr e l i a b l ep r o t o c 0 1 ) 的一个多 播扩展。该协议将驻留在同一台主机上，其拥有者属于同一个组播组的邮 箱分为一个簇，并给出了基于令牌的消息发送算法和邮箱迁移算法来保证 组播的原子性和组播消息的次序性。 中科院徐伟提出了移动a g e n t 的全序多播协议( m a t o m ) 【“】，该协议 将组中的移动a g e n t 按所属子网的不同分成多个移动a g e n t 集群，在每个子 网中引入一个协调者模块( c o o r d i n a t o r ) 来管理本地移动a g e n t 集群并负责 集群中移动a g e n t 的多播消息的发送、次序化和接收操作。c o o r d i n a t o r 放置 于子网中的一个指定节点，集群中的每个移动a g e n t 都知道本地集群 c o o r d i n a t o r 的位置。计算机网络中的多个c o o r d i n a t o r 组成一个逻辑环 ( l o g i c a lr i n g ) 结构，每个协调者基于令牌来发送组播消息，任意时刻只允 许持有令牌的c o o r d i n a t o r 发送多播消息。并通过使用集群化机制和移动 a g e n t 故障检测器来实现移动a g e n t 容错组管理。该协议存在的问题是假定 协调者与汇聚点r p ( r e n d e z v o u sp o i n t ) 的位置是固定在网络中某个地方，所 有的组成员都知道它们的具体位置，这将不适于大规模的组播通信；而且 没有提出令牌的管理办法。 由于迁移工作流系统特定的工作环境及通信要求，上述的组播通信系 统都不能适用于迁移工作流系统。 1 3 论文的创新点 本文的创新点如下： 5 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 深入研究了迁移工作流系统框架结构及相应概念，根据迁移工作 流系统的概念模型，提出了基于逻辑令牌环结构的迁移实例组播通信模型， 并详细说明了该模型的功能结构及其对应于迁移工作流系统中的具体位 置。由于该组播通信机制中可能存在的因令牌丢失而造成的通信停滞状态， 提出了相应的令牌管理操作。 ( 2 ) 根据上述组播通信系统模型，借鉴传统分布式组播通信及移动 a g e n t 组播通信研究成果，设计了基于令牌的全序迁移实例组播通信协议 m w m i t o m p ( m i g r a t i n gw o r k f l o w m i g r a t i n gi n s t a n c et o t a lo r d e r m u l t i c a s t p r o t o c 0 1 ) ，并对该协议的数据结构及其通信算法做了详细的说明， 对协议的正确性进行了证明，对协议性能做了分析，并得出了相应的结果。 ( 3 ) 设计了迁移实例容错的组成员管理机制。详细的说明了迁移实例 组成员的加入、退出、出错的管理。针对组播通信的过程中可能存在的成 员失效问题，提出了一种基于工作位置的随机心跳故障检测方法，实现了 对出错成员的及时检测与处理，保证了组播通信的可靠性，并对该方法的 正确进行了证明。 1 4 论文的组织结构 论文的组织结构如下： 第1 章介绍了本文的研究背景与意义，分析了迁移工作流及组播通信 的研究现状，着重指出了本文的主要工作及论文的创新点。 第2 章介绍了工作流管理系统、迁移工作流系统的基本知识及可靠组 播通信的相关知识，重点分析了要实现迁移实例可靠的组播通信的需满足 的具体要求及目前采用的实现方式。 第3 章提出了基于令牌的迁移工作流系统中迁移实例组播通信模型， 给出了模型中各模块的结构及其功能，根据该模型设计了迁移实例全序组 播通信协议，对协议的正确性进行了证明，并对协议性能进行了分析。 第4 章重点研究迁移实例组成员管理机制，详细介绍组成员的加入、 退出及出错管理，并提出了组成员差错检测的方法。 第5 章对所做工作进行了总结，进一步指出今后的研究方向。 山东大学硕士学位论文 第2 章相关技术 2 1 工作流管理系统技术基础 2 0 世纪9 0 年代，随着工业化进程的快速跃进，工作流技术成为计算 机应用领域的一个新的研究热点。工作流是指一个业务过程中的某些活动 按照定义的约束规则先后被执行，从而实现预期业务目标的过程。 2 1 1 工作流及工作流管理系统基本概念 工作流是针对工作中具有固定程序的常规活动而提出的一个概念，通 过将工作活动分解为定义良好的任务、过程、角色和规则来进行执行和监 控，达到提高生产组织水平和工作效率的目的。工作流技术为企业更好地 实现经营目标提供了先进的手段。1 9 9 3 年，国际工作流管理联盟( w o r k f l o w m a n a g e m e n tc o a l i t i o n ，w f m c ) 的成立标志着工作流技术开始进入相对成熟 的阶段。为了实现不同工作流产品之间的互操作，w f m c 在工作流管理系 统的相关术语、体系结构及应用编程接口等方面制定了一系列标准，工作 流管理联盟给出的工作流定义 w f m c l 9 9 6 是： 定义2 1 1 工作流( w o r k f l o 讷 工作流是一类能够完全或者部分自动执行的经营过程，它根据一系列 过程规则，文档、信息或任务能够在不同的执行者之间传递与执行。 工作流定义中首先强调的是工作流是一个经营过程。其次，工作流是 能够全部或部分自动执行的经营过程。因此，工作流技术属于计算机应用 技术，它的主要目标是使用计算机来代替人完成部分机械化的工作，并且 更有效率、更准确。也就是说，工作流所要解决的主要问题是使在多个参 与者之间按照某种预定义的规则传递文档、信息或任务的过程自动进行， 从而实现某个预期的业务目标，或者是促使此目标的实现。要理解工作流， 首先要理解经营过程。经营过程的定义【1 】是： 定义2 1 2 经营过程 一个经营过程是为了实现企业某个经营目标的一个过程，它在部分或 - 7 山东大学硕士学位论文 者全部组织机构和人员的参与下，利用企业资源( 包括所需的处理设备、 通信设备、计算机硬件、软件等等) ，按照预先确定的规则，在参与者和组 织机构之间进行文档、信息、任务的传递和处理( 包括经营决策) ，从而实 现规定的经营目标。 经营过程所包含的几个主要问题是： ( 1 ) 经营过程的目标是什么? ( 2 ) 经营过程分为哪些任务和步骤? ( 3 ) 参与角色? ( 4 ) 采用什么方式完成经营过程? 工作流定义的另一个主要方面是经营过程的全部或部分自动执行。这 说明了工作流所关注的经营过程与一般的经营过程的主要区别。经营过程 能够自动执行是使其自动化的一个必要条件，在当前的条件下，计算机技 术是能够达到经营过程自动化的主要手段。因此，要做到经营过程的自动 执行，就必须首先要准确描述经营过程，由此得到工作流模型。描述完的 工作流模型交由计算机系统自动执行，由此得到工作流管理系统的概念。 工作流管理系统的定义【w f m c l 9 9 6 是： 定义2 1 3 工作流管理系统( w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m ，简称 w f m s ) 工作流管理系统是通过运行在工作流引擎上的软件来定义、创建和管 理工作流执行的系统，而工作流引擎则可以解释过程定义、同工作流参与 者交互，并且必要时能够调用信息处理工具和应用程序。 工作流管理系统将现实世界中的业务过程转化成某种计算机化的形式 表示，并在此形式表示的驱动下完成工作流的执行和管理。工作流管理系 统一般包括以下三个主要功能： ( 1 ) 构建阶段的功能：对工作流过程以及组成它的活动进行定义和建 模。 ( 2 ) 运行阶段的控制功能：对工作流运行进行管理，以及对每个工作 流过程中的活动进行排序。 ( 3 ) 运行阶段与用户和i t 应用工具之间的交互作用。 山东大学硕士学位论文 2 1 2 工作流管理系统的分类 根据所实现的业务过程( 用途和技术) 的不同，工作流管理系统可分 为四类： ( 1 ) 管理工作流( a d m i n i s t r a t i v ew o r k f l o w ) ：用于执行简单协同规则 的可重复和可预测的流程，它的执行步骤和规则是事先定义的，不要求控 制复杂流程和访问多个信息系统。例如申请学位、登记车辆。 ( 2 ) 特别( 设定型) 工作流( a dh o ew o r k f l o w ) ：多用于执行办公流程 或处理异常情况，能够提供合作协同功能，但不控制各工作顺序，支持它 的w f m s 也称为群件。 ( 3 ) 合作工作流( c o l l a b o r a t i v ew o r k f l o w ) ：主要由参与者的交互来刻 画，不象其他类型的工作流只是向前流转，它还包括循环流和反向流，如 协同编辑。由于不可能预先定义后面的流程，因而很难使用现有工具对该 类动态工作流进行建模。 ( 4 ) 产品工作流( p r o d u c t i o nw o r k f l o w ) ：工作流的高级形式，包括预 定义重复的过程。不同于其他的工作流应用，产品工作流包括复杂的信息 处理，并可能涉及访问到多个信息系统，并实现任务的自动管理和协调。 这种工作流管理系统首先要提供业务处理过程到工作流定义、再到工作流 执行的映射；还要提供描述任务间复杂依赖关系的能力；异构分布系统的 互操作能力；还要保证工作流在各种情况下的正确执行。 2 1 3 工作流技术的现状和发展趋势 工作流技术从提出到现在正在逐步发展 1 7 l ，著取得了一定的成果。但 从工作流管理系统的实际应用状况来看，还存在着某些缺点而未能获得广 泛的应用。这与工作流技术仍处于发展阶段有着密切关系。通过研究当前 存在的问题有助于更好地解决问题。从企业用户应用的角度来看，当前存 在的主要问题有； ( 1 ) 工作流的运行必须要有底层的通讯基础结构的支持，但目前能够 实现分布式计算环境的工作流产品在实际应用中仍然显得不够成熟，在安 全性、容错性、可靠性等方面还不能充分满足企业要求。 ( 2 ) 工作流管理系统在企业中的实现和应用具有相当的复杂性。 ( 3 ) 目前的工作流管理系统对系统运行中出现的并发访问和资源冲突 9 山东大学硕士学位论文 缺乏正确可靠的支持。 ( 4 ) 工作流管理系统的性能尚不能满足用户要求。 这些问题是工作流管理系统当前阶段需要解决的，也是加强其进一步 应用所需面对的。在现代企业信息资源异构、分布、松散耦合等特点要求 下，传统的单引擎工作流管理系统已无法满足企业需求，因此也必然向着 分布式方向发展。现有的分布式技术一般都基于c l i e n t s e r v e r 体系结构。 分布式工作流管理系统，不论是c s 结构，还是b s 结构，由于都需要多 个机构内的工作流引擎的协作才能运行，因此必须解决机构间异构引擎互 连问题，以实现异构工作流引擎的交互、协作。异构引擎的互连，一般来 说都是采用远程过程调用( r e m o t ep r o c e d u r ec a l l s ，r p c ) ，r p c 虽然减轻 了网络编程的困难，使得系统对用户来说更加透明，但却需要占用大量的 网络资源，在目前恶劣的网络环境下，限制了工作流管理系统的可靠性与 可扩展性，使得分布式工作流管理系统很难走向成熟。而移动a g e n t 技术 的出现，有效地弥补了r p c 机制的不足，节省了网络姿源并增加了工作流 管理系统的容错性、可靠性，为实现异构工作流引擎互连提供了一个可行 的技术解决方法。 2 2 迁移工作流技术基础 近年来，移动a g e n t 技术的迅速发展，为工作流管理系统的构建提供 了更多选择。移动a g e n t 具有能够减少网络流量、适合于移动用户、有利 于数据集成、具有并行机制等优点，非常适合于工作流管理系统的构建。 迁移工作流是在基于移动a g e n t 具有构建工作流的特殊优点的背景下提出 来的，它是将移动a g e n t 特点与分布式业务处理过程中需要频繁地传递数 据和调用远程服务的特点相结合而出现的。 在迁移工作流系统中，执行业务的移动a g e n t 称作迁移实例m i ( m i g r a t i n gi n s t a n c e ) ，并且能够被解释为运行期间在工作位置上合并静态 工作流说明、本地规则和策略、以及用户决策的效( e f f e c t l 。迁移实例可 以在某个工作位置上利用本地资源执行一项或多项任务。当迁移实例发现 当前工作位雹不能满足其执行任务的要求时，便携带任务说明书和当前执 行结果迁移到另一个能满足其要求的工作位置上继续执行。下一个工作位 山东大学硕士学位论文 置的选择决定于过程目标及当前任务的要求。一个业务流程由多个业务处 理过程组成，并且令迁移实例对应业务处理过程时，对于不同的业务处理 过程，不同的迁移实例可以在不同的工作位置上生成并首先在该工作位置 运行。因此迁移工作流模型大大地提高了工作流系统适应动态环境的灵活 性，特别适合需要传递大量数据和或需要大量调用远程服务的分布式业务 并发处理过程。 2 2 1 迁移工作流的定义 定义2 2 1 迁移工作流 3 1 迁移工作流是m w f 是一个四元组( w i d ，m i ，w p , e n g i n e ) ，其中，w i d 为 迁移工作流标识；m i = m i l ，m i 2 ，m i n 是迁移实例的集合，每个迁移实例 m i m i 执行一个目标相对独立的业务过程b p ；w p = w p l ，w p 2 ，w p m 是 所有迁移实例可能的工作位置集合；e n g i n e = e m i ，e w p 是面向业务流程目 标的工作流引擎，其中，e m i 迁移实例引擎，定义在迁移实例集合m i 和工 作位置w p 上，在工作流执行期间按照工作流的过程定义对迁移实例进行 统一管理，包括迁移实例的创建、派遣、跟踪、回收、迁移实例的工作控 制和多迁移实例协调等，因此，它不仅掌握所有m i m i 的工作需求、外 部特征和当前状态，而且能够控制迁移实例之间的活动依赖关系；e w p 工 作位置管理引擎，定义在集合w p 上，它负责工作位置的组织和管理，协 调多个迁移实例抢占同一个工作位置时的冲突，并且对每个m i m i 实施 允许的工作位置授权的组织。 2 2 2 迁移工作流系统框架 迁移工作流系统由迁移工作流管理引擎、迁移实例和工作位置三部分 组成。迁移工作流管理引擎按照工作流的过程定义创建迁移实例，为其分 派任务，并将其派遣到初始工作位置上启动执行。迁移工作流管理引擎完 成对迁移实例的跟踪、回收、工作控制和多迁移实例协调等工作。工作位 置是迁移实例的执行场所，它为迁移实例提供执行环境和工作流服务。工 作位置包括停靠站服务器和与它关联的工作机网络。迁移实例迁移到一个 工作位置，指迁移到该工作位置的停靠站服务器，然后通过停站服务器以 对象调用的方式访问工作机网络提供的服务。出于安全方面的考虑，不再 允许迁移实例迁移到工作机网络的计算机上。每个迁移实例完成一个相对 山东大学硕士学位论文 而言独立的业务过程，它可以在某个工作位置上利用本地资源和本地服务 执行业务过程的一项或多项任务。当迁移实例发现当前的工作位置不能满 足其任务需求时，它可以携带任务说明书和当前执行结果迁移到另一个能 满足其要求的工作位置上继续执行。迁移工作流系统框架如图2 - 1 所示： 图2 1 迁移工作流系统框架 2 2 3 迁移实例的定义 迁移实例是以移动a g e n t 为原型进行构造的，每个迁移实例m i m i 都按照工作流过程定义完成一个目标相对独立的活动。 定义2 2 2 迁移实例f 3 j 迁移实例m i m i 是一个六元组( m i i d ，t l ，t ，m p ，p ，m i e n g i n e ) ： 其中，m i i d 是迁移实例的标识；t l 是迁移实例m i 携带的任务说明；t