SOA等级化服务替换理论与机制

摘要

面向服务的体系结构SOA(Service-Oriented Architecture)，作为新一代软件架构，在学术研究及企业实践中得到了日益广泛的关注，已成为新兴商业应用--云计算的技术基石之一。随着SOA日益成熟和普及，在Internet上出现了大量功能相同或相近的服务。借助SOA架构松耦合特性，服务替换得以进行。
　　 服务替换是指，在一个服务组合应用的上下文环境中，以新服务替换应用中某个成员服务，并保留系统原有的某些属性。服务替换理论及机制为SOA软件容错、持续演进支持、运行性能提高和可生存性增强等方面提供了核心技术支撑，已成为一个科学问题。
　　 大量服务不断地涌现，造就了Internet上数量丰富、功能相同或相似、交叉或重叠的可用服务集合。为合理、有效地使用这些服务，有必要在功能上对它们进行分类和管理，建立基于功能强弱的等级化组织；对同一功能下的服务，按照非功能属性加以分类和管理，满足差异性的消费模式。这种等级化的服务选择、替换与管理是传统软件理论，甚至现今的服务计算理论所无法涵盖的，缺乏相应的原则、方法和技术。
　　 本论文关注SOA等级化服务替换理论及机制，在以下方面展开研究：
　　 首先，等级化服务替换的首要问题是如何衡量等级化服务替换的正确与否。服务相容性，被认为是正确服务替换的标准。然而，没有一个统一、严格的服务相容性概念。本论文研究采用进程代数(π-演算)描述服务契约，对服务及其组合的可观察外部消息行为进行建模。将服务组合和替换分析问题看作一个模型检验问题，并从三个视角进行讨论，即成员服务的类型(孤立/交互服务)、服务组合的环境(开放/自包含系统)和研究关注的问题(局部/全局属性)。在此基础上，研究不同服务相容性约束及其内在联系，描述服务相容性约束的规范形式和等级化的服务相容性谱系。
　　 其次，在SOA服务自治性环境中，服务替换的主要挑战之一是，以WSDL形式存在服务的内部细节不透明性。在这种情况下，等级化服务替换的难点是，如何利用有限的WSDL信息判断服务替换的正确性。结合基于may-，should-和must-测试偏序理论，服务相容性被区分为所有计算路径上的相容性和部分计算路径上的相容性。服务接口的类型用来刻画服务消息交互模式。等价的接口具有相同的接口类型和输入/输出消息集。以接口等价为基础的服务契约等价描述了等价服务替换。接口的子类型具有更多的接收消息能力和更少的发送消息选择。以接口子类型为基础的子契约描述了等级化服务替换。
　　 再次，在SOA软件可生存性环境中，成功实施服务替换的关键难题之一是，迅速找到与被替换服务完全等价的候选替换服务。在系统发生故障的紧急情况下，允许降级服务替换是主要应急措施之一。降级服务替换的难点是，采取什么替换关系理论保证实施替换后的系统仍可保持服务相容性。本论文研究的关注点是，具有交互协议的、流程形式的服务。首先，标识实施替换后不影响系统相容性的成员服务变化；然后，如果实施替换后原有的系统相容性受到影响，那么，需要确定这些对系统相容性的影响是否是可接受的，即实施替换后的系统能否继续提供至少一组核心服务，以降级的形式工作。
　　 最后，等级化服务替换中非功能属性分析的关键问题是计算服务组合的QoS。服务组合QoS计算的主要挑战是，计算复杂结构服务组合的QoS。本论文研究利用流程结构树对服务组合Orchestration模型进行分解，采用形式化标记描述服务的组合结构。利用run和configuration概念，将有向无环结构转化为包含多个N-Structure的选择结构。利用Markov链描述任意环结构，求解每个成员组件的平均执行次数。最后，依据Orchestration模型的内部结构及其成员组件间的相互关系(即最大化结构描述)，通过前序遍历流程结构树，集成从叶节点到根节点的成员服务QoS，得到整个组合服务的QoS。
　　 本论文研究主要贡献如下：
　　 1.分析了不同的服务相容性约束及其内在联系，给出了一个支持等级化服务替换、由弱到强的服务相容性谱系。
　　 2.提出了基于may-，should-和must-测试偏序理论的服务相容性概念；并以此为基础，将传统的严格等价和升级服务替换扩展到了等级化服务替换，并提出了保持服务系统相容性的降级服务替换。
　　 3.给出了WSDL服务的等级化替换理论与机制，利用WSDL服务中有限的接口信息判断服务替换正确性；给出了BEPL流程服务的降级替换理论与机制，增强SOA系统在故障时间内的可生存性。
　　 4.提出了一种基于流程结构树计算组合服务QoS的方法，能在拟线性时间内完成组合服务QoS的计算。
　　 5.研究了两类服务组合的复杂结构，即同步不对称并行结构(属于有向无环结构)和单进多出循环(属于任意环结构)；给出了相应的QoS计算方法。