??? 摘 要：綜述了Web服務(wù)組合的起源、概念和特點(diǎn)，介紹了Web服務(wù)組合的目標(biāo)和方式，提出了服務(wù)組合的正確性驗(yàn)證及Web組合的性能分析、評(píng)價(jià)及其優(yōu)化。
??? 關(guān)鍵詞：Web服務(wù)組合；SOC；服務(wù)質(zhì)量；性能分析

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??? 20世紀(jì)90年代末，隨著分布式對(duì)象技術(shù)和XML技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了Web服務(wù)(Web services)技術(shù)，基于Web服務(wù)的分布式計(jì)算模式正在成為技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。Web服務(wù)技術(shù)吸收了分布式計(jì)算、Grid計(jì)算和XML等各種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通過采用WSDL，UDDI和SOAP等基于XML的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，解決了異構(gòu)分布式計(jì)算以及代碼與數(shù)據(jù)重用等問題，具有高度的互操作性、跨平臺(tái)性和松耦合的特點(diǎn)，引起了世界范圍內(nèi)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣。
??? 然而單個(gè)Web服務(wù)提供的功能有限，只有通過對(duì)已有的單個(gè)Web服務(wù)進(jìn)行組合，其潛力才能真正發(fā)揮出來。
1 Web服務(wù)組合的起源
??? 作為信息領(lǐng)域的核心問題，如何實(shí)現(xiàn)靈活地集成企業(yè)業(yè)務(wù)經(jīng)歷了從EDI到EAI的發(fā)展歷程。傳統(tǒng)的EDI(Electronic Data Interchange)試圖通過VAN(Value Added Networks)連接企業(yè)和他們的客戶、供應(yīng)商以及合作伙伴。作為企業(yè)業(yè)務(wù)集成領(lǐng)域的先驅(qū)，EDI建立專有系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)和特定伙伴之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的業(yè)務(wù)連接。但是，這種傳統(tǒng)的EDI是一種費(fèi)用高昂、靈活性差和耗時(shí)的解決方案。
??? 在20世紀(jì)90年代提出了EAI(Enterprise Application Integration)。EAI主要目的是集成企業(yè)內(nèi)部分散的系統(tǒng)^[1]。盡管EAI滿足了許多企業(yè)的一些內(nèi)部應(yīng)用集成需求，但是EDI和EAI都沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)涵蓋整個(gè)價(jià)值鏈的業(yè)務(wù)流程支持，其交互方式也各不相同，相關(guān)集成技術(shù)亦隨著應(yīng)用的不同而不盡相同。因此，迫切需要一種新的技術(shù)以靈活的和標(biāo)準(zhǔn)化的方式實(shí)現(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)集成。
??? 隨著分布式對(duì)象技術(shù)和XML技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了Web服務(wù)技術(shù)。Web服務(wù)是指那些由URI來標(biāo)識(shí)的應(yīng)用組件，其接口和綁定信息可以通過XML定義、描述和查找；同時(shí)，Web服務(wù)通過基于Internet協(xié)議的XML消息，可與其他軟件、應(yīng)用直接交互^[2]。換言之，Web服務(wù)就是可以通過標(biāo)準(zhǔn)的Internet協(xié)議訪問的應(yīng)用組件，它不依賴于特定的硬件、操作系統(tǒng)和編程環(huán)境。
??? 由于Web服務(wù)提供了一種一致化編程模型，從而在企業(yè)內(nèi)外都可以利用通用的信息基礎(chǔ)設(shè)施以一種通用的方法進(jìn)行業(yè)務(wù)集成。
??? 面向服務(wù)的計(jì)算(SOC)的核心理念是在交互的軟件成分之間，構(gòu)建松耦合的協(xié)同軟件體系。SOC以Web服務(wù)作為基本組成成分，并采用了一系列標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議進(jìn)行交互。面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)解決了如何描述和組織服務(wù)的問題，以便服務(wù)可以被動(dòng)態(tài)地、自動(dòng)地發(fā)現(xiàn)和使用。而Web服務(wù)組合作為以Web服務(wù)為基礎(chǔ)的信息基礎(chǔ)設(shè)施和企業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用集成之間的橋梁，將服務(wù)模塊組合起來成為完整的應(yīng)用。
2? Web服務(wù)組合的概念和特點(diǎn)
??? 近年來，隨著Web服務(wù)組合研究的展開，不同的研究人員對(duì)Web服務(wù)組合的概念有著不同的認(rèn)識(shí)。以下幾個(gè)具有代表性的定義從不同的角度對(duì)Web服務(wù)組合進(jìn)行了描述。
??? IBM公司的定義^[3]:Web服務(wù)組合是支持業(yè)務(wù)流程邏輯的一組Web服務(wù)，其本身既可以是最終的應(yīng)用，也可以是新的Web服務(wù)，組合是通過確定不同Web服務(wù)的執(zhí)行順序和Web服務(wù)之間的復(fù)雜交互來實(shí)現(xiàn)。
??? 斯坦福大學(xué)SWIG小組的定義^[4]:Web服務(wù)組合就是研究如何通過組合自治的Web服務(wù)而獲得新的功能的問題，通過組合有助于減少新應(yīng)用的開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。
??? HPBPM室的定義^[5]:Web服務(wù)組合實(shí)際上是服務(wù)提供者將己有的Web服務(wù)作為新的服務(wù)的構(gòu)筑模塊重用，并且在總體上實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的增值。這種增值體現(xiàn)在新的服務(wù)滿足特定需求的能力，以及可以提供更高的可用性和QoS保障。
??? 佐治亞大學(xué)計(jì)算機(jī)系的定義^[6]:Web服務(wù)組合主要研究用于服務(wù)組合的方法論、建模的服務(wù)和功能的抽象方式。
??? 從上述定義可以看出:Web服務(wù)的價(jià)值在于服務(wù)重用，重用的目的是使服務(wù)增值。Web服務(wù)組合是各個(gè)小粒度的Web服務(wù)相互之間通信和協(xié)作來實(shí)現(xiàn)大粒度的服務(wù)功能；通過有效地聯(lián)合各種不同功能的Web服務(wù)，組合服務(wù)開發(fā)者可以解決更為復(fù)雜的問題，達(dá)到服務(wù)增值的目的。
??? Web服務(wù)組合具有以下一些特點(diǎn):
??? (1)? 層次性和可擴(kuò)展性
??? Web服務(wù)的組合通過重用并組裝已有的Web服務(wù)來生成一個(gè)更大粒度的服務(wù)，使得組合的Web服務(wù)具有層次性和可擴(kuò)展性。
??? (2)? 動(dòng)態(tài)與自適應(yīng)性
??? Web服務(wù)組合是一個(gè)動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)的過程，它在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基礎(chǔ)上，根據(jù)客戶的需求，對(duì)封裝特定功能的現(xiàn)有服務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)地發(fā)現(xiàn)、組裝和管理。
??? (3)? 提高了組合與交易過程的自動(dòng)化程度
??? Web服務(wù)組合通過動(dòng)態(tài)的語義分析與服務(wù)的自動(dòng)化匹配，減少了不必要的人工干預(yù)，易于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電子商務(wù)交易過程的自動(dòng)化。
??? (4)? 提高軟件生產(chǎn)率
??? 通過重用已有的服務(wù)，并自動(dòng)化地生成新的服務(wù)或系統(tǒng)，極大提高了軟件的生產(chǎn)效率。
3? Web服務(wù)組合的目標(biāo)和方式
??? Web服務(wù)組合的根本目的是為了提高軟件的生產(chǎn)力。工業(yè)界傾向于通過提高軟件的可重用程度以及軟件的自動(dòng)化生成水平來解決軟件生產(chǎn)率、可靠性以及可維護(hù)性等困擾軟件發(fā)展的根本性問題。
??? 在軟件重用方式上，也從緊耦合的過程調(diào)用發(fā)展到對(duì)象繼承等方式，并且向著Web服務(wù)組合的松耦合方式發(fā)展；在開發(fā)方式上，也從最初的基于代碼的開發(fā)發(fā)展到基于組件的開發(fā)，并且向著基于軟件工廠的自動(dòng)化軟件生成方向迅速發(fā)展^[7] 。
??? Web服務(wù)組合的方式一般可抽象地劃分為靜態(tài)組合與動(dòng)態(tài)組合兩種，其主要區(qū)別在于選擇被組合服務(wù)的時(shí)機(jī)不同，前者是由設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)確定，而后者則是在運(yùn)行時(shí)選擇。
??? 根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)和具體需求，人們從不同的角度對(duì)Web服務(wù)的組合方式進(jìn)一步分類。參考文獻(xiàn)[8]將服務(wù)組合分為: (1)主動(dòng)式/反應(yīng)式的服務(wù)組合(proactive/ reactive composition) ；(2)強(qiáng)制式/選擇式的服務(wù)組合(mandatory/optional composition) 兩大類。其中主動(dòng)式服務(wù)組合是一種離線式或預(yù)編譯的穩(wěn)定的組合方式；而反應(yīng)式服務(wù)組合則是一種在線的、動(dòng)態(tài)的和實(shí)時(shí)的組合方式，它根據(jù)子服務(wù)的帶寬、性能以及執(zhí)行代價(jià)等實(shí)時(shí)參數(shù)對(duì)所組合的服務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，并將最終結(jié)果提供給用戶。強(qiáng)制式服務(wù)組合要求所有的子服務(wù)必須按照特定的規(guī)則正確執(zhí)行并產(chǎn)生滿意的結(jié)果，才能保證組合服務(wù)的正確執(zhí)行；而選擇式服務(wù)組合則無須這些規(guī)則，且子服務(wù)間的依賴性較弱。
??? 參考文獻(xiàn)[9]在這種服務(wù)組合分類的基礎(chǔ)上，建立了一種融合上述多種組合方式優(yōu)點(diǎn)、基于案例庫推理的Web服務(wù)組合模型。
??? 參考文獻(xiàn)[10]根據(jù)服務(wù)組合過程中的執(zhí)行策略，認(rèn)為服務(wù)組合包括:服務(wù)請(qǐng)求描述、服務(wù)匹配與兼容性檢測(cè)、服務(wù)組合描述以及服務(wù)執(zhí)行監(jiān)測(cè)與協(xié)調(diào)4個(gè)核心要素。并將服務(wù)組合分為3種類型：(1)探索式組合(exploration composition)；(2)半固定式組合(semifixed composition)；(3)固定式組合(fixed composition) 。其中，探索式組合是在客戶動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)需求與協(xié)作的組合服務(wù)基礎(chǔ)上，利用服務(wù)代理來比較預(yù)期的服務(wù)是否與已發(fā)布的服務(wù)特征相匹配，并根據(jù)組合計(jì)劃，選擇滿足相應(yīng)等級(jí)、可訪問性、成本以及性能判據(jù)的服務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)組合。固定式組合是將固定的或是預(yù)定義的服務(wù)進(jìn)行組合，而且組合服務(wù)的結(jié)構(gòu)與子服務(wù)間的綁定均通過靜態(tài)方式來實(shí)現(xiàn)，并將向組合服務(wù)發(fā)送的請(qǐng)求轉(zhuǎn)化成子請(qǐng)求且映射到子服務(wù)來執(zhí)行。半固定式組合則是介于兩者之間，它在服務(wù)組合時(shí)根據(jù)組合服務(wù)規(guī)范或計(jì)劃來匹配并獲取一些候選的服務(wù)，在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)服務(wù)的綁定。
??? 無論采用何種分類方式，Web服務(wù)組合均可分為計(jì)劃、定義以及實(shí)施三個(gè)階段^[11]。其中，計(jì)劃階段的主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)候選的服務(wù)，檢測(cè)這些候選服務(wù)組合的可行性與一致性，并最終提供多個(gè)服務(wù)組合的候選計(jì)劃；定義階段是在候選的服務(wù)組合計(jì)劃中選擇且生成實(shí)際的組合結(jié)構(gòu)，并提供一個(gè)服務(wù)組合的語義規(guī)范；實(shí)施階段則是根據(jù)服務(wù)組合規(guī)范來綁定組合的服務(wù)，使這些服務(wù)能夠協(xié)同地工作以及滿足相應(yīng)的任務(wù)或功能。
4? Web服務(wù)組合的正確性驗(yàn)證
??? 組合Web服務(wù)的正確性是對(duì)其進(jìn)行性能分析和優(yōu)化的前提。由于基于SOA 的Web服務(wù)體系結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)與技術(shù)無關(guān)的服務(wù)集成方式，因此，對(duì)服務(wù)組合的驗(yàn)證不再是一個(gè)純技術(shù)的問題。如何保持語義信息，并在服務(wù)組合與業(yè)務(wù)流程配置之前對(duì)服務(wù)的狀態(tài)變遷、行為以及標(biāo)識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，以確保服務(wù)組合執(zhí)行結(jié)果的正確性，成為服務(wù)組合驗(yàn)證面臨的主要挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的研究工作主要集中在兩個(gè)層次上:操作層和服務(wù)層^[12]。
??? 在操作層上，要保證實(shí)現(xiàn)交互的Web服務(wù)之間的接口以及輸入與輸出消息的匹配；在服務(wù)層上，要保證組合服務(wù)的執(zhí)行順序必須有效，即需要提供服務(wù)的可達(dá)性、活性以及死鎖解除能力的有效性驗(yàn)證。為此，參考文獻(xiàn)[13]提供了一個(gè)模型化的服務(wù)組合驗(yàn)證模式，它的設(shè)計(jì)規(guī)范用UML來建模，采用自行開發(fā)的LTSA 模型驗(yàn)證工具、消息序列圖MSC(message sequence charts)以及有限狀態(tài)過程FSP(finitestate process)來標(biāo)記描述和推理并發(fā)的程序，并對(duì)一個(gè)由BPEL4WS規(guī)范描述的服務(wù)組合過程進(jìn)行標(biāo)記與驗(yàn)證，從而通過提供早期的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，可以較容易地理解組合過程中存在的與期望過程的差別、限制以及不希望的執(zhí)行路徑。參考文獻(xiàn)[14]提出了一個(gè)基于Petri 網(wǎng)的服務(wù)組合模型，并通過對(duì)10 種組合元模型的代數(shù)與Petri 網(wǎng)的形式化語義分析，建立起了從代數(shù)結(jié)構(gòu)模型向Petri 網(wǎng)的關(guān)系映射，從而為服務(wù)組合過程中的屬性驗(yàn)證以及一致性的檢測(cè)和優(yōu)化提供了一種形式化的工具。而參考文獻(xiàn)[15]則提出了一種服務(wù)組合圖模型(SCG) ，并將其用于服務(wù)自動(dòng)化組合過程中的高層可視化建模與驗(yàn)證，同時(shí)利用SCG語法與元模型對(duì)服務(wù)組合進(jìn)行控制，從而降低了由于組合失配以及結(jié)構(gòu)沖突而造成的系統(tǒng)故障。此外，利用一階邏輯或時(shí)序邏輯或代數(shù)演算等形式化方式，對(duì)服務(wù)組合進(jìn)行模擬和驗(yàn)證，為服務(wù)組合的精確語義描述與驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)[16]指出，已有的規(guī)范如BPML、BPEL、WSCI和OWL－S只停留在描述層，沒有提供任何機(jī)制或工具支持自身的正確性校驗(yàn)。指出CPN的屬性在校驗(yàn)Web服務(wù)組合中的特定含義:(1) Reachability(可達(dá)性):校驗(yàn)組合模型是否能達(dá)到期望的結(jié)果；(2) Boundedness(有界性):控制庫所中托肯數(shù)＞1，指示服務(wù)過程錯(cuò)誤；消息庫所中托肯的數(shù)量可以檢查是否緩沖溢出；(3) Dead Transtions(死變遷):存在死變遷說明有不能實(shí)現(xiàn)的活動(dòng)；(4) Dead Marking(死標(biāo)識(shí)):由狀態(tài)空間分析工具報(bào)告的死標(biāo)識(shí)數(shù)量若超過期望值，說明有設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；(5) Liveness(活性):可用于矯正前面的錯(cuò)誤；(6) Home:CPN總是可以返回到的一個(gè)標(biāo)識(shí)；(7) Fairness(公平性):單個(gè)變遷觸發(fā)的頻率，可以用于顯示活動(dòng)執(zhí)行次數(shù)，發(fā)現(xiàn)死活動(dòng)；(8) Conservation(守恒性):系統(tǒng)中的托肯永遠(yuǎn)不會(huì)消失。文獻(xiàn)提出采用彩色Petri網(wǎng)校驗(yàn)Web服務(wù)組合的方法，通過轉(zhuǎn)換規(guī)則可以將服務(wù)組合規(guī)范轉(zhuǎn)變成CP網(wǎng)，進(jìn)而利用CP網(wǎng)工具分析其性能，調(diào)查例如死鎖或活鎖的行為特性。
??? 除了必須保證操作層和服務(wù)層的正確性外，組合Web服務(wù)還必須保證在業(yè)務(wù)邏輯層上的正確性。在業(yè)務(wù)邏輯層上，要保證組合Web服務(wù)的執(zhí)行符合業(yè)務(wù)規(guī)則的要求，執(zhí)行結(jié)果能夠滿足業(yè)務(wù)需求。本文從軟件工程的角度出發(fā)，通過實(shí)例研究了采用仿真模擬和數(shù)學(xué)分析兩種途徑在業(yè)務(wù)邏輯層上驗(yàn)證組合Web服務(wù)正確性的一般方法。
5? Web服務(wù)組合的性能分析、評(píng)價(jià)及其優(yōu)化
??? 除了正確性之外，服務(wù)質(zhì)量也是用戶關(guān)心的重要問題，服務(wù)質(zhì)量是組合Web服務(wù)性能的體現(xiàn)。服務(wù)質(zhì)量不僅包括與時(shí)間相關(guān)的性能，如響應(yīng)時(shí)間、等待時(shí)間等，還包括與時(shí)間無關(guān)的性能，如可靠性、成本等。相對(duì)Web服務(wù)組合，其他方面的研究，例如性能分析、評(píng)價(jià)以及性能優(yōu)化的研究則較少。隨著對(duì)Web服務(wù)組合研究的深入，已有一些性能分析、評(píng)價(jià)以及性能優(yōu)化的研究成果。
??? 參考文獻(xiàn)[17]提出可以基于UML進(jìn)行組合部件性能分析的方法。文獻(xiàn)首先定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的語言用于描述部件的組合，然后提出了將其映射到實(shí)時(shí)(UML RT-UML)的方法，指出可以通過基于UML的方法和算法完成性能分析，而沒有具體介紹基于UML的性能分析算法。
??? 參考文獻(xiàn)[18]提出一種成本驅(qū)動(dòng)的基于遺傳算法的Web服務(wù)組合優(yōu)化方法，該方法采用UML’s activity diagram描述服務(wù)組合，將測(cè)試和仿真相結(jié)合完成針對(duì)時(shí)間特性的性能分析。該方法的基本思想是首先在輕負(fù)載下根據(jù)Web服務(wù)和其流程自動(dòng)生成測(cè)試代碼和仿真模型，然后仿真重負(fù)載下的情況。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：基于測(cè)試結(jié)果的仿真有助于提高仿真的精度，即測(cè)試記錄下低負(fù)載時(shí)的Web處理行為(響應(yīng)時(shí)間和吞吐量)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)設(shè)置仿真參數(shù)。該方法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)稱為sPAC的性能分析工具。該工具有圖形化描述、自動(dòng)生成測(cè)試代碼和自動(dòng)生成仿真模型的特點(diǎn)。
??? 在以Internet為代表的分布、異構(gòu)、多自治域的廣域網(wǎng)環(huán)境下，高度動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和多變的用戶需求要求Web服務(wù)組合跳出靜態(tài)組合模式，能夠及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化組合Web服務(wù)，提供高效率、低成本的動(dòng)態(tài)服務(wù)組合。服務(wù)質(zhì)量是組合Web服務(wù)的生命。隨著Web服務(wù)的發(fā)展，各行業(yè)和領(lǐng)域內(nèi)服務(wù)功能不斷細(xì)分和深化，用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量也有更高更多的需求。能夠提供保證服務(wù)質(zhì)量的組合Web服務(wù)是Web服務(wù)組合走向?qū)嵱玫谋匾獥l件。本文以分布、異構(gòu)、多自治域的廣域網(wǎng)環(huán)境為背景，通過對(duì)于現(xiàn)有Web服務(wù)組合理論和技術(shù)研究的綜述，對(duì)它在進(jìn)一步的理論和技術(shù)研究方面進(jìn)行了探討。目前，Web服務(wù)組合理論和技術(shù)研究還處于起步階段，有待廣大研究者在理論深度、技術(shù)多樣性上做更為廣泛、深入的研究探討。
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