趙 揚

(中國證券登記結(jié)算有限責任公司上海分公司， 上海 200120)

使用進程代數(shù)方法以通信順序進程(Communicating Sequential Processes, CSP)為模型，對網(wǎng)絡分布式軟件中的進程進行形式化驗證是確認其系統(tǒng)并發(fā)行為的有效理論途徑[1]。它適用于基于CSP原語和實用概念構(gòu)建的軟件。然而，在技術(shù)應用層面，金融行業(yè)開始將區(qū)塊鏈技術(shù)用來構(gòu)建大規(guī)模網(wǎng)絡分布式應用[2]。面向金融科技行業(yè)而設計的領(lǐng)域特定編程語言尚不成熟[3]，以面向?qū)ο蟮耐ㄓ镁幊陶Z言實現(xiàn)CSP原語、實用概念的做法對構(gòu)建大規(guī)模、可擴展、其并發(fā)特性可驗證的網(wǎng)絡分布式系統(tǒng)依然具有現(xiàn)實意義[4-8]。例如，Ian等[6]提出，通道被抽象為了具有緩沖或者非緩沖類型，具備數(shù)量不確定的讀取或者寫入端的語言級別對象，進程可以通過它發(fā)送和接收消息。但是，不支持分布在網(wǎng)絡主機上的進程之間相互通信。 文獻[5]以及對它的修訂文獻[9]，采用基于名稱解析方法訪問遠程對象的機制，實現(xiàn)了適用于進程在網(wǎng)絡主機之間進行通信的通道[10]。進程使用通道的基本過程：① A進程在本地創(chuàng)建通道對象；② A進程發(fā)布通道對象的名稱；③ B進程通過名稱服務解析獲取通道的讀取或者寫入端對象；④ A和B通過對象發(fā)送消息。

在工程上，文獻[5，9]存在兩方面的問題 ：① 在可靠性方面，系統(tǒng)采用無冗余設計的遠程對象訪問服務。如果有關(guān)功能的實現(xiàn)發(fā)生故障，那么系統(tǒng)就無法管理通道實例；② 在擴展性方面，系統(tǒng)對語言級別對象進行序列化和反序列化，在時間和空間上均存在額外開銷[11]。如果進程委托遠程對象訪問服務管理大量的通道實例，那么進程頻繁創(chuàng)建、加入、獲取通道對象會延長系統(tǒng)的響應時間。

1 設計方法

在Kademlia 等[12]網(wǎng)絡上設計管理和實現(xiàn)通道的方法可以解決以上兩方面的問題。該方法的核心是：① 該對等網(wǎng)絡采用將鍵字與節(jié)點標識的散列值進行按位“抑或”后，比較相對距離的方法，每個節(jié)點都實現(xiàn)了相對可靠的查找和讀寫塊表中哈希鍵值的功能,每個節(jié)點都可以為查找通道提供名稱解析功能，不存在單點故障。而且用戶可以查找至多3個鄰近的節(jié)點，以副本形式保存哈希鍵值[13]，該特性為實現(xiàn)冗余提供了可能。因此，構(gòu)建可靠且本質(zhì)上具備擴展特性的通道服務是可能的。② 在網(wǎng)絡主機之間對語言級別的通道對象序列化和反序列化產(chǎn)生額外開銷之事實，啟發(fā)了以簡化的方式對通道進行抽象和實現(xiàn)的構(gòu)想。即選擇使用遠程過程調(diào)用實現(xiàn)進程同步通信，可以降低對通道對象序列化和反序列化產(chǎn)生的額外開銷，提高系統(tǒng)性能。

2 設計通道

通道必須滿足以下原則：① 進程之間是匿名的；② 進程之間的通信是同步的；③ 進程之間的通信是有序的。在本文闡述的方法中，通道被重新抽象為滿足以上原則的一組可被遠程調(diào)用的過程，以及它們所操作的狀態(tài)數(shù)據(jù)。這些過程被設計為在對等網(wǎng)絡節(jié)點上運行著的有狀態(tài)的網(wǎng)絡服務的一部分。因此，在設計中不存在對通道進行具有創(chuàng)建、銷毀語義的操作，通道也不具有在面向?qū)ο蟮某橄笾械纳芷凇Ｔ谠O計中通道是包含實現(xiàn)以下功能的過程：① 接收調(diào)用者關(guān)于讀取和寫入操作的請求；② 按照順序?qū)ψx取和寫入操作進行匹配；③ 向調(diào)用者返回有關(guān)讀取和寫入操作之請求的應答。

為了使設計符合原則①和②的要求，采用分別對讀取和寫入請求的數(shù)量進行判定的方式控制同步通信。具體在上述過程②中，當調(diào)用者發(fā)出有關(guān)讀取和寫入請求的數(shù)量分別達到了為同步通信而設置的數(shù)量時，在通道上才會發(fā)生同步通信，然后服務向每個調(diào)用者返回關(guān)于讀取或者寫入請求的應答。因此，服務對讀取和寫入請求的處理，分別與讀取和寫入請求的數(shù)量有關(guān)，而與調(diào)用者無關(guān)。而且，進程無需加入通道即可進行讀取和寫入操作。

為了使設計符合原則③的要求，采用2種可遞增的序號，確定有關(guān)調(diào)用時的交互操作和同步通信的順序。具體的，通道被設計保存以下狀態(tài)信息：① 調(diào)用者和會話序號；② 消息序號。以會話序號保證進程在多次調(diào)用通道服務的交互過程中順序的一致性的做法，可以保證進程間同步通信的過程滿足偏序關(guān)系，以消息序號控制讀取和寫入操作同步的做法，就是保證進程間同步通信的過程滿足全序關(guān)系。例如，為了滿足順序關(guān)系，服務只響應同時滿足以下2個條件的讀取和寫入請求，其他請求會被忽略：① 在調(diào)用者有序發(fā)出的所有讀取或者寫入請求中，按照調(diào)用者分組后存在最大的會話序號。② 在調(diào)用者有序發(fā)出的所有讀取或者寫入請求中，其消息序號與通道當前的消息序號在數(shù)值上是相同的。

在實現(xiàn)中通道是有狀態(tài)的。服務按照通道的名稱分別保存：① 消息序號；② 調(diào)用者和會話序號。

3 管理通道

在本文闡述的方法中，對通道的管理也被抽象為實現(xiàn)查找和配置功能的一組可被遠程調(diào)用的過程。這些過程被設計為在對等網(wǎng)絡節(jié)點上運行著的有狀態(tài)的網(wǎng)絡服務的另外一部分。在設計中對通道的管理包含以下功能：① 根據(jù)通道的名稱定位服務；② 配置或者修改通道的參數(shù)和狀態(tài)。

在網(wǎng)絡節(jié)點上的進程調(diào)用遠程過程讀取或者向通道寫入消息之前，它通過遠程調(diào)用一個實現(xiàn)查找功能的過程在網(wǎng)絡中尋找服務。在設計上該功能采用Kademlia網(wǎng)絡中實現(xiàn)的路由算法。因為該路由算法盡可能保證了在網(wǎng)絡擾動的條件下的穩(wěn)定和可靠[14-15]，所以在任意網(wǎng)絡節(jié)點上的進程，均可以根據(jù)通道的名稱定位到相同的服務。同時，因為其采用哈希算法的性質(zhì)，決定了結(jié)果在空間具有均勻分布的特點，在本質(zhì)上存在負載均衡的效果。

根據(jù)通道的名稱，在網(wǎng)絡節(jié)點上的進程定位服務以后，通過遠程調(diào)用一個實現(xiàn)配置功能的過程，設定通道的參數(shù)。通道服務按照通道的名稱保存參數(shù)信息，它被設計為包括：① 緩沖隊列的大小；② 讀取的數(shù)量；③ 寫入的數(shù)量；④ 健康狀態(tài)。其中，①被用來設計具有緩沖特性的通道，②和③被用作同步通信的條件，④被用于標志是否中毒[8]。

在實現(xiàn)中，通道的參數(shù)和狀態(tài)信息，均按照通道的名稱分組后以鍵值的方式保存在鄰近的節(jié)點中。

4 結(jié) 語

在區(qū)塊鏈底層Kademlia覆蓋網(wǎng)絡中，工程人員可以根據(jù)CSP模型中通道的概念，采用新方法設計和實現(xiàn)通道服務。與文獻[5，9]相比，該方法利用在Kademlia網(wǎng)絡上實現(xiàn)的穩(wěn)定可靠的路由算法，解決了將通道抽象為語言級別對象時，集中式名稱解析服務、對象訪問機制而產(chǎn)生的可靠性和擴展性問題[13]。雖然在強烈的網(wǎng)絡擾動中，通道服務的正確性可能會受到有限影響[14-16]，但是金融行業(yè)采用的技術(shù)系統(tǒng)，具有較強的穩(wěn)定性，可以滿足關(guān)鍵應用的可靠性要求。系統(tǒng)開發(fā)人員可以使用該方法設計實現(xiàn)的通道服務，構(gòu)建需要通過CSP模型，驗證并發(fā)特性的大規(guī)模網(wǎng)絡分布式應用，測試人員可以使用人工或者自動化方式對系統(tǒng)進行初步的形式化分析。