【毕业学位论文】（Word原稿）策略驱动的Web服务质量保障研究-计算机软件与理论

分类号 密级 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 策略驱动的 务质量保障研究 指导教师 魏峻 研究员 中国科学院软件研究所 申请学位级别 硕士 学科专业名称 计算机软件与理论 论文提交日期 2006论文答辩日期 2006培养单位 中国科学院软件研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 张莉 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明。 签名： _ 日期： _ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学院软件研究所有关保留、使用学位论文的规定，即：中国科学院软件研究所有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；中国科学院软件研究所可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 签名： _ 导师签名： _ 日期： _ 策略驱动的 务质量保障研究 中文摘要 I 策略驱动的 务质量保障研究 郑浩然 导师： 魏 峻 研究员 摘 要 随着面向服务计算技术的发展和应用， 服务的非功能属性（即服务质量， 障能力成为 务 能否 在企业应用中获得成功的关键因素 。 基于策略的方式是当前 务质量保障的主流方向 ， 然而 这一 领域 的 策略保障 呈现出 一些新问题，如策略的复杂性、消息处理的特殊性和环境的多变性等 ； 而且，现有 务支撑平台普遍缺少一个完整、开放、可扩展的策略保障方案。 针对这些问题，论文提出了一种策略驱动的 务质量保障模型，其主要特点是：对策略分析和决策模块 策略实施单元 行分层来降 低问题复杂性和模型耦合度；引入链式消息处理架构来提高灵活性和可重配性；以环境信息作为 析和决策的重要依据来提高环境自适应能力。基于此模型，设计了一个通用、开放、可扩展的 务策略保障框架 框架为策略保障模块 的 开发、运行、管理和配置提供了一组设施和机制。论文还给出了 指导 面向 具体领域的 障模块的设计和开发。 在框架研究基础上，论文研究讨论了 务质量保障中的若干关键技术 。基于依赖图的拓扑排序算法 实现了对 策略实施模块进行定序的技术；基于拟合路径树 方法 解决了策略隐式确定的问题 ；基于环境信息辅助分析和决策， 使 策略保障 具备了 环境自适应能力；基于消息处理链的迁移方法和回撤方法 实现了 策略动态修改的技术 ； 基于消息处理链的合并化简方法提高 了 策略适配 的 性能。这些关键技术对于构建一个实用、智能和高效的策略保障框架具有重要意义。 最后，论文探讨了 中科院软件所软件工程技术中心开发的 务执行引擎 的应用，并对 务安全 领域 障的设计进行了讨论。 关键词 ： 服务质量， 务，策略，策略保障，策略实施 策略驱动的 务质量保障研究 英文摘要 of in is of to as eb oS in to of of eb to a To a eb oS is in in eb a is to of In is to of is ADs to of on an is It a of on to AD EU oS eb oS is by EU of is on is of is by of is by to of a is is 略驱动的 务质量保障研究 目录 V 目 录 第一章 绪论 . 1 究背景 . 1 向服务计算的研究路线 . 1 统中间件的 究 . 3 于策略的网络管理 . 6 于策略的 务质量保障研究 . 8 结 . 12 文工作 . 13 文组织 . 15 第二章 务策略的工作原理 . 16 述 . 16 略描述 . 17 略协商 . 19 略保障 . 21 第三章 策略驱动的 务质量保障框架 . 25 略保障的问题分析及基本模型 . 25 题分析 . 25 本模型 . 27 务策略保障框架 . 30 架的概念 . 30 计目标 . 31 系结构 . 32 作过程 . 37 略保障模块的设计 . 40 设计 . 40 设计 . 42 中科院软件所软件工程技术中心 郑浩然 四章 务策略保障关键技术研究 . 44 略实施模块的定序 . 44 略的隐式确定 . 46 境自适应能力 . 51 略的动态修改 . 54 略适配 . 56 第五章 务策略保障设计 . 58 介 . 58 统结构 . 58 能与特色 . 59 行控制器 . 60 的集成 . 61 的 务安全保障 . 63 务安全概述 . 63 的安全保障模块设计 . 64 个安全场景 . 66 第六章 结束语 . 70 文的主要贡献 . 70 一步的工作 . 71 参考文献 . 73 发 表文章 . 76 致谢 . 77 策略驱动的 务质量保障研究 第一章 绪论 1 第一章 绪论 本章介绍论文的研究背景、主要工作和组织结构。 究背景 面向服务的计算（ 一种新的计算范型，它利用服务作为基本的构造单元，支持异构环境下的分布式应用的快速、低成本的组合式开发。服务是自治的、平台独立的计算实体，支持以平台无 关的方式进行使用。面向服务的体系架构（ 服务计算的一个关键概念，它提供了通过接口的发布和发现来设计软件系统的逻辑方法，这些软件可为终端用户应用或 网络上的 其它服务应用提供服务。基于 设计、实现应用系统能够使组织更快的适应环境的变化 1。 务技术是面向服务计算范型的一种主流实现方式，利用 务标准来构建 台代表了当前工业界的发展方向。借助 8、9等标准， 务可以提供跨平台、跨语言的互操作，从而使 而在实际应用中， 务必须有能力为用户提供特定的服务质量（ 即服务的非功能属性）保障， 这是 务 能否 在商业领域取得成功 的关键因素 。 为了支持 务的非功能属性，许多研究者引入“策略” 方法 来解决这个问题 2410，工业界和标准化组织也在制定策略相关的标准 1125。策略就是 对 服务的非功能属性的能力、需求和一般特征的显式声明 25。通过将上述信息描述为策略，在 务支撑平台中对 务非功能属性的 保障 就变成了对服务策略的保障。然而， 现有 务支撑平台普遍没有对策略保障提供完整和成熟的支持，因此策略保障正是当前 务支撑平台亟待解决的问题。 向服务计算的研究路线 由于面向服务计算是一个新兴的领域，目前还没有对其形成统一的认识，许多人对它还有着不同甚至相互冲突的理解。文献 1在参考了众多专家的建议下，给出了如下的面向服务计算研究路线图，为构建反应式、自适应的计算环境引入了基于服务的分层逻辑架构 。 中科院软件所软件工程技术中心 郑浩然 2 图 1向服务计算的研究路线图的研究层面 1 服务研究路线图有三个层面，自下而上依次是服务基础层、服务组合层和服务管理层。正交轴展示了跨越所有三个层面的贯穿特性，包括语义和服务质量（ ，本小节中将主要 讨论 服务质量在面向服务计算研究中的位置和重要性。服务质量是服务的业务功能之外的非功能 属 性，如性能（包括响应时间、吞吐量等）、可用性（即服务无故障工作的时间比率）、安全、事务完整性、消息可靠性、可伸缩性等 。在 究路线中的每个层面 都能发现服务质量的需求和保障。 服务研究路线图的最低层是服务基础层，该层提供了面向服务的中间件主干作为 行基础设施，其能够连接异构的组件和系统，并提供对服务的多种访问通道。在这一层中，服务端点 以标准形式的策略对 服务的 力和需求进行描述 ， 并对服务交互进行 障 。比如服务端点间消息传输的可靠性和端到端的安全解决方案就是这一层次所需要重点关注的 题。服务端点的这种能力都是由面向服务的基础中间件来 提供 的，目前这方面最典型的中间件形态就是企业服务总线（ 组织提供了一种松散耦合的非集中式轻量级的面向服务的应用整合方案。 能力在不同的应用间进行基于消息的互连和适配，其中策略适配（ 是确保具有不同 求的服务端点能进行正常交互，弥补双方 的差异 3。 服务组合层位于服务基础层之上，它的角色和功能主要体现在聚合多个服务以形成单个的组合服务，服务的组合主要通过单 个 控制端点的流程编制（ 多个业务端点的协作编排（ 实现的。成功策略驱动的 务质量保障研究 第一章 绪论 3 的服务组合需要基于 理解和 遵从 对方的策略、性能水平、安全需求和服务等级协定（ 36等等。此外，对业务的事务一致性提供支持也是本层的 点问题之一。 服务管理层位于最上面一层，它对松散的 用程序进行管理。 在这一层 ，一个统一的管理和监视架构对于面向服务的系统是十分关键的。服务管理包括对基于 应用程序的整个生 命周期进行控制和监视，还包括 在服务之间提供 的 很多 功能 （ 比如 商、管理、审计、监视和故障检修 ） ，服务生命周期和状态管理，性能管理，服务和资源调配，以及像可伸缩性，有效性等的其他方面。由此可见，服务管理的重心是对服务 管理，本层关注的大多是一些同性能、可用性相关的 性。 从上面的分析可以看出， 经成为面向服务计算的研究路线中至关重要的一环。然而，由于服务的动态性和不可预测性，在 境下提供 障是一个十分困难而又意义重大的挑战。特征和需求各异的应用 对 各种网络资源的竞争 、 通信模式的变化、关键业务的事务安全、基础设施失效的影响、网络协议的低效以及可靠性问题产生了对 务质量 保障 的需求。因此，在面向服务的计算环境中，对服务提供 持就成为当前亟待解决的问题。 统中间件的 究 概念 是 从网络及多媒体等领域引申出来的。最初的概念来源于 通常所说的 的是网络（主要是 网络在同等拥挤程度下选择不同技术以提供更好的服务的能力。从狭义来说，中间件的 一种自然延伸，关注了带宽、延 迟等与网络密切相关的质量指标；而从广义上，中间件的 注了安全性、可靠性、可用性等对应用系统的运行效果具有重要影响的因素。通常研究的是广义的 性。 本节在选择 究的传统中间件时，主要集中在 及 其他 一些专注于提供 些系统一般是基于 2 由 提出的应用软件体系结构和对象技术规范，其核心是一套标准的语言、接口和协议，以支持异构分布应用程序间的互操作性及独立于平台和编程语言的对象重用。 准主要分为 3 个层次 ，自下而上为 对象请求代理、公共对象服务中科院软件所软件工程技术中心 郑浩然 4 和公共设施。 其中公共对象服务层 定义了很多公共服务（ 称务），可以提供诸如并发服务、名字服务、事务服务、安全服务等各种各样的基础服务。安全服务（ 38是 一项重要的公共对象服务，它在 户对象和服务对象之间建立安全语言环境，为 用透明地提供电子商务所需的安全性功能。事务服务（ 39是 布式事务处理规范，它扩展了 象完成事务处理的接口。 务服务简化了在商用领域中可靠的面向事务的分布式应用的开发。 除了公共服务中对 支持， 规范 37中还定义了具有特定障 的消息传输机制，提供诸如异步传输、优先级控制、路由、超时控制、消息顺序传递等方面的控制。此外，主规范还为 定了容错机制，以满足 台和应用在高可用性方面的需求。 22 由 起并由众多重要厂商参与制订的业界规范，为开发、部署、运行和管理基于 分布式应用制定了标准技术体系结构，是开发 、配置和管理基于 分布式应用的标准平台 。 同 样， 是由一组开放的子规范共同组成的，这些子规范对 系结构中的应用程序接口、基础服务和应用协议分别进行定义。 如 务服务 息服务 等 。 的基础服务可以认为对应于 的公共服务。 全框架的功能是保证企业应用数据完整、逻辑完整和减少被入侵可能的重要特性。 全框架由 4 个 规范 组成： 全套接字扩展 密扩展 器授权合约 事务模型为 是基于 事务服务发展而来的。括 套规范来支持分布式的事务。 对消息传输的支持也是以基础服务的形式提供的，这就是 供具有服务质量保障（包括持久性、可靠性、事务等）的异步消息传递机制，支持 点到点和发布 /订阅 两种形式的消息传递方式。 他 间件 不同于 2件平台，一些 是专注于为上层应用提供特定方面的 持，比如性能、安全等。这些 间件一般是基于策略驱动的 务质量保障研究 第一章 绪论 5 间件、 用服务器或一些网络管理系统，并利用这些底层系统的扩展机制为其增加有益的功能和特性。这方面的系统有很多， 此处 将选择 如下两个 加以介绍。 一个平台独立的 架，它提供了一个统一的用于提供多种 结合的具有可定制能力的框架。该结构将实现 性 的算法和底层的中间件平台的细节相分离。它主要采用了拦截器（ 法的实现策略， 象了中间件和应用特定的细节，为实现增强功能提供标准的接口。如图 1示， 体系结构主要有两类组件，一类是务组件，用于定制来提供所期望的特性；一类是 截器组件用于在应用和中间件平台之间（客户机和服务器上）透明地插入 种分离性使得开发一般的 进算法和改进拦截机制可以分别进行。 图 1系结构 有基于分离关注点的框架特征，其目标是为 供通用的 、支持多类别属性的 理框架，将应用的业务逻辑和 关的行为分离开。它借用 面向方面编程（ 思想，将应用对象的 为作为一个 方面， 述使用 行描述 求， 入了一些 面的扩展，用来描述 责相关的操作；另一方面， 译器根据 目标语言间的映射规则自动生成扩展的 户端存根和 务器端框架。从 角度来看， 译器就是一个 统中间件 究的局限性 平台级中间件和其他一些专注于 持的中间件系统的研究，在计算机系统的各个层面都有涉及，代表了传统中间件在 究方面的主要工作和成就。随着面向服务计算理论和 务技术的深入发展，这一领域的 题也成了当前 究的一个热点。但是，传统中间件的 究成果并不完全适用于面向服务的计算领域，这主要是因为传统中间件在 1） 传统中间件的 究一般是基于同构平台，比如 台或 台，因 此 性一般是针对同一类型的应用（比如 ）提供中科院软件所软件工程技术中心 郑浩然 6 保障的；而在 境中，服务必须有能力在 围内跨组织跨异构平台进行互操作，服务双方不能 为 对方的实现作任何的假设。 2） 传统中间件是基于客户端 /服务器架构的，而 研究也一般是以服务器为中心的，没有充分考虑客户端的 力和需求；在 境中，服务提供方和服务请求方是完全对称的，每个服务都有自主的能力，能主动地和其他服务动态协商来达成一致的 约或策略。 3） 传统中间件中应用的 求一般是在部署时指定，然后利用代码生成、包装器模式（ 技术进行保障，然而这些技术并不是真正动态的 2；在 境下，服务是动态发现和绑定的，因此 要 在运行时动态指定，这种高度动态性对 保障提出了更高的要求。 4） 传统中间件虽然已经支持某些 力，但至今仍没有一个很好的端对端的 决方案；在 务技术中， 议 提供了一种独立于底层传输协议的端到端的消息传输框架，这为实现端到端的 决方案提供了底层的传输基础。 5） 传统中间件中，客户端 /服 务器模式是占统制地位的编程模型，随着 作流和 计算模型的出现，原来的 程模型已在新的环境中捉襟见肘； 当 算范型出现 后 ，更需要新的 程模型。 面相服务计算的到来给中间件的 究提出了新的挑战，同时也带来了新的机遇。比如面向服务计算是基于广泛接受的标准，这就给 统一描述和统一协商带 来 了便利，使得 围内的服务能够在 理解和保障上达成一致。 于策略的网络管理 策略作为一种将商业模式与具体的设备配置细节联系起来的 方式 ，被认为是解决问题的关键。“ 策略”是一个抽象的概念，它最早运用于网络安全。关于“策略”有很多不同的定义。在 布的基于策略 的 管理术语 40文档中，对策略给出了如下两个定义： 1） 策略是用来指导、制定当前或未来 决策的确定性目标、过程或动作方法。 2） 策略是用来管理和控制网络资源的一组访问规则。 在软件系统中引入策略的动机是 希望 通过修改策略来改变系统的行为，而不需要重新实现系统或重构需求规范。基于策略的系统范围很广，从网络的 全管理到企业级建模都包含在里面。其中，策略在 网络和分布式系统中得到了最成熟的发展和应用，基于策略的管理成为一种在大规模分布式系统中提供管理并保障基于策略规则的操作一致性的使能性技术，未来它必将取代传统的策略驱动的 务质量保障研究 第一章 绪论 7 网络管理方式。因此本小节主要关注基于策略的网络管理系统。基于策略的网络管理通过策略机制将网络中的管理（ 实施 （ 开，管理员负责定义好策略存放到策略仓库中，网络实体可以根据这些策略自动地执行预 先 设置好的任务。和传统的网络管理相比，基于策略的网络管理具有 简洁抽象、 集中高效、动态适应性强等 优势 12。 域内策略管理的基本模型 41， 如图 1是与厂商和具体实现技术均无关的可扩展通用模型。该框架包含了四种基本功能模块，这些模块的组合就是一个策略管理域。 策略管理工具 （ 管理员编辑和监控策略，它将编辑好的策略存于策略仓库中，此外它还可以对策略进行合法性检查和冲突检查。 策略仓库 （ 于存储策略信息，能对 系统中的策略进行汇总并提供查询功能，它可以是目录服务器或数据库服务器。 策略决策点 （ 常也被称为策略服务器，是整个系统的智能决策中心，它负责存取策略仓库中的策略，并根据策略信息做出决策，然后将相应的配置规则分配至策略 实施 点。 策略 实施 点 （ 接受策略管理的网络实体，通常也被称作策略客户端，它可以是路由器、交换机、防火墙等网络设备，负责执行由策略决策点发送来的配置规则。 图 1出的基于策略 的管理 模型 基于策略的网络管理作为一种新的管理理念和管理技术得到了业界广泛关注，各种基于策略系统多大是基于 出的上述框架进行改进和扩展的。为了将该技术扩展到不同的应用领域， 定了相关的扩展标准，目前这些标准和产品主要集中在 理和安全管理领域。基于策略的安全管理主要体现在资源的访问控制和信息的加密。 其实， 无论是 理还是安全管理，都可以看作是广义的 理，基于策略系统在这些领域的扩展的最终目的都是为了更好的支持非功能属性。 综合 上面的内容可知，基于策略的 理有如下好 处： 1） 策略是对 力和需求的抽象描述，这种描述是面向 目标 问题而非面向中科院软件所软件工程技术中心 郑浩然 8 解决方案的， 虽然 它 对管理系统提出了更高的智能要求， 但 这同时也增加了系统的自动化程度，减轻了用户的负担，并降低了人为引入错误的概率。 2） 基于策略的 理中， 决策和 实施 是分开的，这 种 结构利于策略实施 算法和策略决策机制的分离，使它们可以独立改变， 降低了系统耦合度 。 3） 将策略引入 理，这为不同实体间进行动态的 商提供了 描述 基础，使得不同实体之间可以选择一种更适合的 别进行交互。 4） 基于策略的 理改变了传统的 程模式， 传统 的 程一般要用户编写代码或者编辑底层的配置规则，而在基于策略的框架下，用户只需要编写或修改抽象的策略信息，这 种开发 提高了效率，并降低了成本。 究在面向服务计算中具有重要地位，基于策略的 理同样可以引入并指导这一领域的 发。但是由于面向服务计算本身的新特性，在 面向服务的新 环境下进行基于策略的 究 需要注意以下问题： 1） 境下策略更具动态性，它一般不是 由 管理员静态指定，而是通过协商过程动态达成的 ，因此 要 同时考虑服务请求方的 力、需求和喜好 ； 2） 要面对多种 异构平台和网络协议，因此策略的决策要考虑更多的条件和变数，而策略的保障也要有更高的 灵活性和 可配置性； 3） 在 ，所有的服务交互可以看作是事件，服务端点的工作就是对同步 /异步事件做出响应，而所有与 关的领域 信息 都包含在服务交互事件之中，因此策略保障模块必须 按 某种顺序来处理服务交互事件 。 于策略的 务 质量保障 研究 由于策略在 理中体现出的 灵活、可声明、易管理等 优势，很自然策略也被引入了 务 领域 的 究。随着学术界、工业界和标准化组织对务策略研究工作的推进，策略已经成为目前 务 究路线中的核心 元素 ， 基于策略的 务质量保障 也被简称为 务策略保障。 下面将从学术界、工业界和标准化 组织 三个不同视角调查 基于策略的 务 质量保障 相关的 研究工作 。 术界 这里学术界 指的 是指主要的研究组织、研究项目以及一些厂商的研究院，它们的工作 旨在 为 务技术提供理论依据和指导方向。学术界在 务策略相关的研究可以划分为如下三个方向： 1） 策略描述 ：主要研究 务的 标及其度量方法，以及如何以一种统一、灵活、可扩展的方式准确地描述服务的 力和需求； 策略驱动的 务质量保障研究 第一章 绪论 9 2） 策略协商 ：主要研究如何基于服务双方的 略达成一致性的相关问题，主要包括协商框架、 协商 协议和匹配算法等； 3） 策略保障 ：主要研究服务端点利用 何种 机制来管理、配置系统以遵从服务双方达成的一致策略，对于不同的 性，其保障机制也可能不同。 务策略研究在以上三个领域都发表和出版了大量的论文、书籍。其中，策略描述虽然模型众多、语言各异，但它必然会向一个统一的描述标准收敛，最后通过标准化组织形成描述的标准规范，目前标准化的成果也已经初见端倪。策略协商也是一个目前研究的一个