基于SOA的服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展機制研究*

樊 程，蔣 靜，戴 洪，潘振寬

（青島大學(xué)信息工程學(xué)院 青島 266071）

1 引言

SOA（service-oriented architecture）是一種面向服務(wù)的架構(gòu)模型，旨在降低服務(wù)代理之間的耦合度。在SOA框架中，IT資源被構(gòu)造為一系列可重用的服務(wù)，這些服務(wù)是松散耦合的，與平臺和實現(xiàn)無關(guān)，SOA通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約將它們聯(lián)系起來，并通過網(wǎng)絡(luò)對這些服務(wù)進(jìn)行分布式部署、組合和使用，服務(wù)在整個構(gòu)架中以一種統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互[1]。SOA使企業(yè)應(yīng)用擺脫了面向技術(shù)解決方案的束縛，企業(yè)可以將業(yè)務(wù)封裝為服務(wù)并對外發(fā)布以供消費者使用，這樣能更加精確地表示業(yè)務(wù)模型，更好地支持業(yè)務(wù)流程[2]。

SOA系統(tǒng)的核心服務(wù)層旨在提供服務(wù)定位、發(fā)現(xiàn)和綁定，實現(xiàn)服務(wù)共享與協(xié)同，因此通常把研究重點放在實現(xiàn)服務(wù)的互通與重用上，擱置了服務(wù)的動態(tài)擴(kuò)展問題。隨著IT技術(shù)的發(fā)展和用戶需求規(guī)模的增長，系統(tǒng)不能為用戶動態(tài)擴(kuò)展服務(wù)的問題逐漸暴露出來。如果不能很好地解決這個問題，SOA系統(tǒng)對用戶的友好性將會大打折扣，因此服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展問題已經(jīng)成為制約SOA技術(shù)發(fā)展的瓶頸[3]。

服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展主要包括計算能力的擴(kuò)展、存儲服務(wù)的擴(kuò)展以及Web服務(wù)的擴(kuò)展等。對于計算能力和存儲服務(wù)的動態(tài)擴(kuò)展，已經(jīng)在云計算中得到商業(yè)實現(xiàn)[4]，如Amazon推出的彈性計算云（elastic compute clound，EC2）可以為用戶提供計算能力的動態(tài)擴(kuò)展；簡單存儲服務(wù)（simple storage services，S3）則實現(xiàn)了存儲服務(wù)的動態(tài)擴(kuò)展。對于Web服務(wù)的動態(tài)擴(kuò)展，目前正處于探索階段，尚未見到成功的商業(yè)案例。本文針對Web服務(wù)的動態(tài)擴(kuò)展問題進(jìn)行研究，提出了一個基于SOA的服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展機制模型，模型中所涉及的服務(wù)擴(kuò)展即指Web服務(wù)擴(kuò)展，并給出設(shè)計框架，同時對擴(kuò)展規(guī)則進(jìn)行描述，最后進(jìn)行仿真驗證。

2 相關(guān)概念及系統(tǒng)模型

2.1 相關(guān)概念定義

服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展要求系統(tǒng)能夠按照用戶的需求，提供所需的服務(wù)，即使系統(tǒng)內(nèi)不存在此項服務(wù)，系統(tǒng)仍能動態(tài)地為用戶從系統(tǒng)外擴(kuò)展類似服務(wù)。下面給出與服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展相關(guān)的概念和定義。

定義1（服務(wù)）服務(wù)由一個或多個具有內(nèi)在聯(lián)系的服務(wù)組件組成，以實現(xiàn)某種具體的業(yè)務(wù)邏輯。每個服務(wù)都是一個獨立的部署單元，這給應(yīng)用部署帶來很大的靈活性，只要保持服務(wù)接口不變，就可以通過部署新服務(wù)實現(xiàn)新的業(yè)務(wù)邏輯，同時不影響系統(tǒng)其他部分。

定義2（服務(wù)資源池）通過虛擬化方法[5]，將系統(tǒng)可用服務(wù)虛擬成一個可以任意組合和分配的集合，稱為資源池。資源池的組成和規(guī)?？梢詣討B(tài)改變，分配給用戶的服務(wù)可以動態(tài)地添加和收回。

定義3（系統(tǒng)默認(rèn)服務(wù)）用戶登錄系統(tǒng)后可以直接調(diào)用的服務(wù)，即系統(tǒng)初始化時資源池內(nèi)可以直接被系統(tǒng)使用的服務(wù)。

定義4（服務(wù)擴(kuò)展標(biāo)志）每個服務(wù)對不同的訪問用戶都會產(chǎn)生一個服務(wù)擴(kuò)展標(biāo)志 （service extension flag，service_EF），該標(biāo)志反映當(dāng)前用戶與服務(wù)的關(guān)系，用來指示用戶是否已經(jīng)擴(kuò)展此項服務(wù)，它是一個二元組（ServiceX_EF，UserIDn）。其中，ServiceX_EF 是一個布爾型變量，表示對于標(biāo)識為UserIDn的用戶，服務(wù)ServiceX是否被擴(kuò)展到資源池中，若UserIDn用戶尚未擴(kuò)展此服務(wù)，ServiceX_EF為False，當(dāng)UserIDn用戶擴(kuò)展此服務(wù)之后，其將被置為True。

定義5（服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展事件）當(dāng)用戶請求系統(tǒng)默認(rèn)服務(wù)外的服務(wù)時，由系統(tǒng)自動產(chǎn)生。服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展事件（service dynamic extension event）的目的是向系統(tǒng)請求將資源池外的服務(wù)遷移到池內(nèi)，以滿足用戶的需求。

定義6（服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展）當(dāng)用戶請求服務(wù)產(chǎn)生服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展事件時，系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)規(guī)則，在資源池外查找相關(guān)服務(wù)，并將其擴(kuò)展到資源池中，注冊并供系統(tǒng)使用，同時用戶ID對應(yīng)的擴(kuò)展標(biāo)志置為True，這一過程稱為服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展（service dynamic extension，S-DE）。

定義7（服務(wù)集與擴(kuò)展服務(wù)集）服務(wù)集（service set）是指系統(tǒng)默認(rèn)服務(wù)的集合，表示為ServiceSet(Service 1,Service 2,…,Service N)；擴(kuò)展服務(wù)集（eservice set）是指用戶在使用系統(tǒng)過程中通過擴(kuò)展能夠被系統(tǒng)使用但尚未成為系統(tǒng)默認(rèn)服務(wù)的已擴(kuò)展服務(wù)集合，可以形式化地表示為EServiceSet(Eservice 1,Eservice 2,…,Eservice N)。

2.2 系統(tǒng)模型

基于SOA的服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展系統(tǒng)就是在SOA構(gòu)架下，實現(xiàn)服務(wù)的動態(tài)擴(kuò)展，其系統(tǒng)模型總體架構(gòu)如圖1所示。

該模型在傳統(tǒng)SOA架構(gòu)的基礎(chǔ)上，把系統(tǒng)分為3個大層次：SOA應(yīng)用層、面向服務(wù)組織和擴(kuò)展層以及現(xiàn)有系統(tǒng)和資源層。下面介紹模型中各層次的特點和功能。

（1）SOA 應(yīng)用層

SOA應(yīng)用層表示用于訪問業(yè)務(wù)流程、服務(wù)和應(yīng)用程序的通道，建立在系統(tǒng)提供的服務(wù)之上，負(fù)責(zé)將用戶的請求發(fā)送給SOA系統(tǒng)并等待響應(yīng)。

（2）面向服務(wù)組織和擴(kuò)展層

服務(wù)組織是指服務(wù)代理（service agent）通過服務(wù)發(fā)現(xiàn)和綁定（service discover&binding）對 Web服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和調(diào)度。服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展是本文工作的核心所在，主要工作是在傳統(tǒng)SOA架構(gòu)的基礎(chǔ)上加入服務(wù)資源池和服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展控制器（S-DE control）。服務(wù)資源池用來存放可以被系統(tǒng)直接發(fā)現(xiàn)和綁定的服務(wù)，服務(wù)擴(kuò)展控制器用來捕獲并處理擴(kuò)展事件，主要是在系統(tǒng)待擴(kuò)展服務(wù)（underSE WS）和第三方提供的服務(wù)（third-party WS）中查找匹配服務(wù)，并將其遷移到資源池中，實現(xiàn)系統(tǒng)對服務(wù)的擴(kuò)展。服務(wù)運行環(huán)境（services runtime environment）為 Web服務(wù)提供一種服務(wù)的表示、訪問和運行機制，并提供Web服務(wù)的安全保障、服務(wù)生命周期管理等。

（3）現(xiàn)有系統(tǒng)和資源層

現(xiàn)有系統(tǒng)和資源層指系統(tǒng)現(xiàn)有的IT資源和數(shù)據(jù)，包括一些系統(tǒng)應(yīng)用和企業(yè)內(nèi)外部的資源，SOA構(gòu)架可以很好地利用這些IT資源，將其利用到新的SOA系統(tǒng)中，減少系統(tǒng)開銷。

3 服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展模塊設(shè)計

3.1 動態(tài)擴(kuò)展實現(xiàn)機制

圖2給出了服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展系統(tǒng)的功能邏輯結(jié)構(gòu)，它由6部分組成：服務(wù)代理、服務(wù)發(fā)現(xiàn)和綁定模塊﹑服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展控制器、服務(wù)資源池、待擴(kuò)展服務(wù)集和第三方服務(wù)集。

服務(wù)資源池中的服務(wù)集合是動態(tài)可變化的，系統(tǒng)初始化時的默認(rèn)服務(wù)都存放于服務(wù)資源池中，可以直接被系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)待擴(kuò)展服務(wù)集隸屬于此系統(tǒng)，但由于成本、使用頻率等問題并不能直接被系統(tǒng)使用，需要通過擴(kuò)展系統(tǒng)處理之后才能被系統(tǒng)調(diào)用。第三方服務(wù)集是指當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)服務(wù)不能滿足用戶需求時，系統(tǒng)向合作伙伴請求的系統(tǒng)外服務(wù)。所有服務(wù)只有被擴(kuò)展到資源池中才能被系統(tǒng)直接調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用資源池外的服務(wù)時，會產(chǎn)生服務(wù)擴(kuò)展事件。當(dāng)產(chǎn)生服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展事件時，服務(wù)擴(kuò)展控制器捕獲事件，并按照相應(yīng)的擴(kuò)展規(guī)則處理擴(kuò)展事件，最終實現(xiàn)服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展。圖2所示的服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展系統(tǒng)的交互過程如下。

（1）服務(wù)代理將用戶請求提交給系統(tǒng)，并與服務(wù)發(fā)現(xiàn)與綁定模塊協(xié)商，對所需服務(wù)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和綁定。

（2）服務(wù)發(fā)現(xiàn)和綁定模塊在服務(wù)資源池中查找所需服務(wù)，若找到，則返回與服務(wù)代理協(xié)商綁定；若未找到，則將信息反饋給服務(wù)發(fā)現(xiàn)和綁定模塊，同時產(chǎn)生服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展事件。

（3）服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展控制器捕捉服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展事件，并按照擴(kuò)展規(guī)則對其進(jìn)行處理。

（4）服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展控制器在待擴(kuò)展服務(wù)集和第三方服務(wù)集中查找滿足擴(kuò)展條件的服務(wù)。

（5）服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展控制器將需要擴(kuò)展的服務(wù)遷移到服務(wù)資源池中，按照擴(kuò)展規(guī)則對服務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，完成服務(wù)的擴(kuò)展。新擴(kuò)展的服務(wù)能夠被發(fā)現(xiàn)和綁定。

3.2 服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展規(guī)則描述

抽象狀態(tài)機（Abstractstate machine，ASM）是一種用于系統(tǒng)建模和分析的通用形式化方法，可以對任何系統(tǒng)建模，并且可以在不同的抽象層次上描述一個系統(tǒng)。基于ASM的軟件模型具有精確性和自然性。抽象狀態(tài)機語言（Abstractstate machine language，ASML）[6]是一種基于 ASM的軟件規(guī)范描述語言，用ASML描述模型得到的是人易讀、機器可執(zhí)行的規(guī)范。本文主要通過ASML對服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展規(guī)則進(jìn)行形式化描述，下面給出用ASML描述的服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展中的幾個重要規(guī)則。

規(guī)則1 服務(wù)注冊Register(SERVICE)

在系統(tǒng)使用過程中，如果調(diào)用一個尚未注冊的服務(wù)事件，會產(chǎn)生服務(wù)注冊事件，系統(tǒng)會將服務(wù)注冊信息提交，從而完成服務(wù)的注冊。

規(guī)則2 池外服務(wù)的查找與定位

系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)資源池外的服務(wù)時，系統(tǒng)會在資源池外對相應(yīng)的服務(wù)進(jìn)行查找和定位，并對服務(wù)進(jìn)行映射，以便使服務(wù)進(jìn)行遷移和擴(kuò)展。若請求的服務(wù)在系統(tǒng)提供的服務(wù)列表中，則在系統(tǒng)待擴(kuò)展的服務(wù)集中進(jìn)行查找定位；若不在服務(wù)列表中，則在合作伙伴提供的第三方服務(wù)集中查找和定位。

規(guī)則3 服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展

當(dāng)用戶請求資源池中不包含的服務(wù)時，系統(tǒng)會產(chǎn)生動態(tài)擴(kuò)展事件，并在待擴(kuò)展服務(wù)集和第三方服務(wù)集中查找匹配的服務(wù)，對其進(jìn)行定位，然后將服務(wù)遷移到資源池中，并授權(quán)給服務(wù)代理，同時將服務(wù)加入服務(wù)集，更改服務(wù)與用戶相應(yīng)序列的擴(kuò)展標(biāo)志，將其置為擴(kuò)展可用，則系統(tǒng)可以調(diào)用新擴(kuò)展的服務(wù)。

規(guī)則4 服務(wù)動態(tài)撤銷

當(dāng)擴(kuò)展的服務(wù)被調(diào)用完之后，系統(tǒng)會向用戶詢問擴(kuò)展服務(wù)的后續(xù)使用情況，若用戶想裁減此項服務(wù)，則把此服務(wù)從擴(kuò)展服務(wù)列表和資源池中刪除，注銷其注冊，擴(kuò)展標(biāo)志位置為False，服務(wù)成為系統(tǒng)不可用；若用戶想保留此服務(wù)，則將服務(wù)從擴(kuò)展列表中刪除，加入服務(wù)列表中，使其成為系統(tǒng)默認(rèn)服務(wù)；若用戶想等待一段時間后再做決定，則系統(tǒng)會等待相應(yīng)時間后再次詢問用戶。

4 仿真測試

使用Spec Explorer對服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真測試。Spec Explorer是微軟公司針對ASM模型開發(fā)的一種軟件開發(fā)工具，為ASM模型的測試提供支持，用戶可以在Spec Explorer中驗證ASM模型的可行性和有效性[7]。

假設(shè)用戶登錄并使用服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展系統(tǒng)，向系統(tǒng)請求一個服務(wù)，請求的服務(wù)類型未知，即不確定用戶所請求的服務(wù)是否為系統(tǒng)默認(rèn)服務(wù)。用ASML描述系統(tǒng)模型，同時模擬上述測試情景，并將其裝載到Spec Explorer中，運行生成服務(wù)使用過程的有限狀態(tài)機，并產(chǎn)生測試序列，如圖3所示。圖3中顯示了用戶向系統(tǒng)請求服務(wù)后，系統(tǒng)為用戶進(jìn)行服務(wù)發(fā)現(xiàn)和綁定的全過程，其中也包含了對服務(wù)資源池外服務(wù)的動態(tài)擴(kuò)展，仿真測試結(jié)果與模型設(shè)計期望一致，從而驗證了模型的可行性和有效性[8]。

5 結(jié)束語

通過對SOA系統(tǒng)中Web服務(wù)擴(kuò)展問題的研究，本文提出了基于SOA的服務(wù)動態(tài)擴(kuò)展系統(tǒng)模型，并通過仿真驗證了模型的正確性和可行性。本文提出的模型不僅有助于SOA系統(tǒng)更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，滿足用戶動態(tài)變化的需求，同時也為建立高可用、高性能、可擴(kuò)展的系統(tǒng)和服務(wù)提出了一種新的設(shè)計思想和實現(xiàn)方法，使系統(tǒng)服務(wù)對用戶更加友好。

1 Papazoglou M P,Georgakopoulos D.Service-oriented computing introduction.Communications of the ACM,2003,46(10):24～28

2 Papazoglou M P. Service-oriented computing: concepts,characteristics and directions.Proceedings of the 4th International Conference on Web Information System Engineering,Roma,Italy,2003:3～10

3 David S Linthicum.Cloud Computing and SOA Convergence in Your Enterprise:a Step-by-Step Guid.Beijing:Posts&Telecom Press,2011

4 Chen Kang,Zheng Weimin.Cloud computing:system instances and current research.Journal of Software,2009(5):1337～1348

5 Ren Lei,Zhang Lin,Zhang Ya-bin,et al.Resource virtualization in cloud manufacturing.ComputerIntegrated Manufacturing Systems,2011,7(11):511～518

6 Li Hui,Li Minglu.Abstract state machine based system design and analysis for grids.Acta Electronica Sinca,2003(12):2096～2100

7 Borger E.The origins and development of the ASM method for high level system design and analysis.Journal of Universal Computer Science,2002,8(1):2～74

8 Giampolo Bella,Elicinia Riccobene.Formal analysis of the Kerberos authentication system.Journal of Universal Computer Science,1997,3(12):1337～1381