鄭 華

(1.廣西財經(jīng)學(xué)院計算機(jī)與信息管理系 南寧 530003；2.南京大學(xué)工程管理學(xué)院 南京 210093)

基于云計算架構(gòu)面向領(lǐng)域的信息服務(wù)開發(fā)模式研究

鄭 華1,2

(1.廣西財經(jīng)學(xué)院計算機(jī)與信息管理系 南寧 530003；2.南京大學(xué)工程管理學(xué)院 南京 210093)

針對融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶多樣性的信息服務(wù)需求，提出將云計算技術(shù)與領(lǐng)域工程方法相結(jié)合，從領(lǐng)域工程三個階段出發(fā)分別進(jìn)行面向服務(wù)的領(lǐng)域分析與建模、基于云計算架構(gòu)的領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和面向服務(wù)的領(lǐng)域復(fù)用基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建，從而充分結(jié)合云計算技術(shù)在業(yè)務(wù)整合方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)對領(lǐng)域內(nèi)大規(guī)模分布式信息服務(wù)的開發(fā)、組裝和復(fù)用。

云計算 領(lǐng)域工程 信息服務(wù) 構(gòu)件

1 引言

Jean Tague Sutcliffe在其專著Measuring Information: An Information Services Perspective中指出：“信息服務(wù)是以獨立的機(jī)構(gòu)或機(jī)構(gòu)的某一規(guī)定功能的形式所表現(xiàn)的一種資源, 它的目的是為用戶群體提供信息?！盵1]近年來，隨著Web2.0的出現(xiàn)以及移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)的Web化特征。在這樣一種融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，信息服務(wù)所面臨的是一個更加復(fù)雜、異構(gòu)、開放、多變的環(huán)境，當(dāng)前每個信息服務(wù)的部署、運(yùn)行都依賴于一定的網(wǎng)絡(luò)、資源等環(huán)境要素。同時,大量用戶不確定的多樣性服務(wù)要求，也導(dǎo)致了頻繁變化與多目標(biāo)的用戶需求。未來信息服務(wù)的一個發(fā)展方向就是能夠利用各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的跨平臺、松散耦合的若干服務(wù)，協(xié)同構(gòu)造一個滿足用戶需求的增值服務(wù)。這就要求在針對新的用戶需求進(jìn)行服務(wù)設(shè)計時，一方面要保證服務(wù)易被其他服務(wù)重用，另一方面要保證可重用已有服務(wù)。這就涉及到如何建立滿足用戶需求的、并易被其他服務(wù)重用的服務(wù)開發(fā)流程。雖然,新的服務(wù)模式與技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如SOA、虛擬化技術(shù)、分布式計算技術(shù)、網(wǎng)格、云計算等，但缺乏行之有效的方法論，仍然制約了信息服務(wù)的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。

2 相關(guān)研究

陳建龍深入分析了信息服務(wù)的各要素以及信息服務(wù)的基本模式、生成模式等內(nèi)容，特別強(qiáng)調(diào)了信息服務(wù)活動是以信息用戶為導(dǎo)向的活動[2]。劉昆雄等指出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶信息需求呈現(xiàn)出社會化、多樣化、即時性和動態(tài)性、精品化和高效化等特點[3]。夏南強(qiáng)等研究了融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下信息服務(wù)的相關(guān)問題[4]。劉高勇等指出Web2.0環(huán)境下的信息服務(wù)是以用戶為中心，并提出了4種拓展模式[5]。從已有成果來看，圖書館學(xué)、情報學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者更多地是從模式方法的角度研究信息服務(wù)的相關(guān)要素及其內(nèi)部機(jī)制，強(qiáng)調(diào)了用戶需求的重要性；但針對融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下信息服務(wù)開發(fā)模式的研究還較少，如何開發(fā)出能滿足融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶多樣性需求的信息服務(wù)仍然是一個亟待解決的問題。

云計算(Cloud Computing)[6]是一種新型的資源和服務(wù)交付方式，為用戶提供服務(wù)的IT基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)都可以稱為“云”，其概念最早由Google公司提出。云計算的定義一般可分為狹義和廣義兩種。狹義云計算是指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的資源；廣義云計算是指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的服務(wù)。其主要特征是系統(tǒng)擁有大規(guī)模數(shù)據(jù)集，基于該數(shù)據(jù)集向用戶提供服務(wù)。云計算使用大量的普通商用機(jī)來構(gòu)建系統(tǒng)，通過冗余存儲的方式確保整個系統(tǒng)的可靠性和可用性。

領(lǐng)域(Domain)是指一組具有相似或相近軟件需求的應(yīng)用系統(tǒng)所覆蓋的功能區(qū)域[7]。領(lǐng)域工程 (Domain Engineering)強(qiáng)調(diào)的是把已經(jīng)掌握的領(lǐng)域知識和工程學(xué)相結(jié)合來完成某個領(lǐng)域應(yīng)用工程的所有活動。融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息服務(wù)開發(fā)同樣可以利用該思想，但側(cè)重于建立可復(fù)用軟件構(gòu)件的所有活動。其基本思路是：依據(jù)領(lǐng)域工程的三個階段(領(lǐng)域分析、領(lǐng)域設(shè)計、領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn))來識別、開發(fā)和組裝可復(fù)用構(gòu)件；當(dāng)構(gòu)造面向某個領(lǐng)域的信息服務(wù)系統(tǒng)時，首先根據(jù)領(lǐng)域模型來確定新應(yīng)用的需求規(guī)約，接著根據(jù)特定領(lǐng)域的軟件構(gòu)架形成新應(yīng)用的設(shè)計，最后從構(gòu)件庫中獲取所需的資源，然后通過構(gòu)件組裝的方式來獲得所需的應(yīng)用程序。

基于上述分析可知，由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜性、用戶需求的多樣性，造成各類信息服務(wù)難以開發(fā)和復(fù)用，制約了信息服務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展。針對這些問題，本文引入領(lǐng)域工程的思想并結(jié)合云計算技術(shù)，研究如何針對一個特定應(yīng)用領(lǐng)域，利用其特有的領(lǐng)域知識，來有效的設(shè)計并實現(xiàn)滿足用戶需求的信息服務(wù)。

3 面向領(lǐng)域的信息服務(wù)開發(fā)模式

融合網(wǎng)絡(luò)下的信息服務(wù)面對的是一個更加開放、異構(gòu)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，一個滿足用戶需求的信息服務(wù)往往是由多個跨網(wǎng)絡(luò)、跨組織部署的信息服務(wù)按照一定的方式進(jìn)行組裝得到的。由于信息服務(wù)面臨環(huán)境的異構(gòu)、開放、復(fù)雜、多變等特性，給信息服務(wù)的運(yùn)行帶來了多種不確定因素，使得信息服務(wù)的性能和服務(wù)質(zhì)量難以得到保證。此外，在融合網(wǎng)絡(luò)下，一個滿足用戶需求的信息服務(wù)往往跨越多個網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的分析、設(shè)計及保證方法和技術(shù)都難以適應(yīng)面向信息服務(wù)技術(shù)局部自治、自主協(xié)同、動態(tài)演化等特點。

由于融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的多用戶需求問題非常復(fù)雜，本文討論的信息服務(wù)首先限定在某個特定領(lǐng)域范疇內(nèi)。在這里，我們把某種信息服務(wù)的實現(xiàn)看作是通過構(gòu)件的形式所實現(xiàn)的業(yè)務(wù)過程的軟件實現(xiàn)。與領(lǐng)域內(nèi)其他系統(tǒng)相比，某個應(yīng)用系統(tǒng)雖然自身具有一些特點和需求，但更多的是具有領(lǐng)域內(nèi)的共性。通過借鑒共性的域知識，按照軟件復(fù)用的原則不斷修改、演化軟件系統(tǒng)的各組成部分，逐漸抽取和演化可復(fù)用的構(gòu)件，并逐漸形成原型系統(tǒng)。融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，原型系統(tǒng)和用戶的個性化需求還有一定的差距，因此隨著開發(fā)者對業(yè)務(wù)流程的認(rèn)識不斷加深，原型系統(tǒng)還需要不斷的進(jìn)行補(bǔ)充和完善?？紤]到軟件開發(fā)成本以及軟件復(fù)用機(jī)制不完善，系統(tǒng)開發(fā)還主要是以盡快滿足當(dāng)前用戶需求為目的。隨著領(lǐng)域知識的增加和積累，會逐漸形成較成熟的領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用框架，并逐步將軟件的更多部分演化成可復(fù)用度較高的構(gòu)件。借鑒領(lǐng)域工程、構(gòu)件化開發(fā)的思想，結(jié)合云計算技術(shù)在業(yè)務(wù)整合方面的優(yōu)勢，本文提出一種面向領(lǐng)域的信息服務(wù)開發(fā)模型：分為面向服務(wù)的領(lǐng)域分析與建模、基于云計算的領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和面向服務(wù)的領(lǐng)域復(fù)用基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建三個階段，涵蓋了領(lǐng)域分析、領(lǐng)域設(shè)計和領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)三個層次。其實現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 面向領(lǐng)域的信息服務(wù)開發(fā)模型

在整個開發(fā)模型中，應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的重點是單個系統(tǒng)，而領(lǐng)域工程的重點則是在一個域內(nèi)的多個相關(guān)系統(tǒng)；領(lǐng)域工程活動的結(jié)果可被應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)所用，應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的活動又反過來影響未來的領(lǐng)域工程活動。

3.1 面向服務(wù)的領(lǐng)域分析與建模

領(lǐng)域分析是通過分析、研究一組應(yīng)用系統(tǒng)的特性，發(fā)現(xiàn)并表示出需求的共性和差異的活動，其目的就是界定領(lǐng)域的邊界, 以及獲取用戶的需求模型。面向服務(wù)的領(lǐng)域分析與建模階段，開發(fā)人員首先從領(lǐng)域?qū)＜姨帿@取域知識，接著利用已有的域知識幫助進(jìn)行用戶需求分析活動，獲取領(lǐng)域內(nèi)可復(fù)用需求，最終形成用戶需求規(guī)約，實現(xiàn)領(lǐng)域需求模型的構(gòu)建。

目前，針對領(lǐng)域分析有很多種方法，如面向?qū)ο蟮念I(lǐng)域分析方法OODA、面向特征的領(lǐng)域分析方法FODA、組織領(lǐng)域分析模型方法ODM等，它們各有優(yōu)缺點?，F(xiàn)階段運(yùn)用最多的是FODA，但它缺少成熟的工具可以運(yùn)用。UML模型是一個比較成熟的產(chǎn)品,可以用來實現(xiàn)面向服務(wù)的領(lǐng)域分析與建模。其主要思路是首先進(jìn)行領(lǐng)域需求分析，收集需求，并利用用例模型、靜態(tài)模型、動態(tài)模型建立領(lǐng)域需求模型。

3.2 基于云計算架構(gòu)的領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

環(huán)境對信息服務(wù)影響重大，是實現(xiàn)信息服務(wù)正常運(yùn)行及最優(yōu)化運(yùn)行的關(guān)鍵。基于云計算架構(gòu)的領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)設(shè)計階段將依據(jù)前一階段獲得的領(lǐng)域需求模型，抽象出領(lǐng)域中一類應(yīng)用系統(tǒng)共有的架構(gòu)，以此為基礎(chǔ)為下一階段可復(fù)用構(gòu)件的設(shè)計實現(xiàn)提供解決方案，是一種更高層次的設(shè)計。在領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中要考慮系統(tǒng)級的問題，典型的有容量、吞吐量、一致性、兼容性等，軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格為大粒度的軟件復(fù)用提供了可能。

領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)環(huán)境和軟件基礎(chǔ)設(shè)施有關(guān)，還包括了在軟件平臺之上的系統(tǒng)架構(gòu)，也就是業(yè)務(wù)構(gòu)件的組成。通過考慮系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境(如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、通信機(jī)制、中間件等)和應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)等因素，并為變化性預(yù)留空間，本文設(shè)計了如圖2所示的基于云計算架構(gòu)的領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，服務(wù)構(gòu)件資源部署在云中，前端的用戶界面允許用戶通過服務(wù)目錄來查找和選擇所需的服務(wù)，當(dāng)服務(wù)請求發(fā)送并驗證通過后，由系統(tǒng)管理器來找到合適的服務(wù)資源，接著調(diào)用服務(wù)提供工具來挖掘服務(wù)云中的資源。在服務(wù)執(zhí)行過程中，服務(wù)提供工具需要先經(jīng)過資源監(jiān)控和配置器的配置以及運(yùn)行時監(jiān)控?；谠朴嬎慵軜?gòu)的領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)可以避免系統(tǒng)部件的耦合，實現(xiàn)了把構(gòu)件作為服務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)透明地提供給用戶，用戶只需基于實際使用的資源來支付相關(guān)的服務(wù)費(fèi)用。這能夠提高開發(fā)的效率，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可重構(gòu)性和可維護(hù)性。

3.3 面向服務(wù)的領(lǐng)域復(fù)用基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建

這一階段所對應(yīng)的是領(lǐng)域工程中的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)，其目標(biāo)是進(jìn)行領(lǐng)域可復(fù)用服務(wù)構(gòu)件的開發(fā)(設(shè)計、編碼、測試等活動)，并存入領(lǐng)域服務(wù)構(gòu)件庫中，以便基于架構(gòu)的高效復(fù)用。經(jīng)過前一階段得到系統(tǒng)的構(gòu)件架構(gòu)，下面用編碼的方式將其實現(xiàn)。目前主要的構(gòu)件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有三個：Microsoft公司的COM/DCOM；OMG組織的CORBA；SUN公司的Java Bean /EJB。服務(wù)構(gòu)件的實現(xiàn)，可選擇的開發(fā)工具主要是JAVA和.NET，它們都有很好的開發(fā)環(huán)境，并且包含很多可復(fù)用的基礎(chǔ)類，編出的代碼可移植性也很高。在一次領(lǐng)域工程中，對于不同的構(gòu)件可能采用不同的實現(xiàn)方式?；舅枷胧抢靡延械臉?gòu)件和將要開發(fā)的構(gòu)件來快速組裝高質(zhì)量的軟件。基于構(gòu)件的開發(fā)至少應(yīng)該包括構(gòu)件的獲取和構(gòu)件的使用兩個過程，構(gòu)件的獲取主要涉及構(gòu)件的獲取途徑，構(gòu)件的使用主要涉及分布式環(huán)境下大規(guī)模構(gòu)件的組裝和調(diào)用。

圖2 基于云計算架構(gòu)的領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)

任何信息服務(wù)過程都可以看成一系列有序業(yè)務(wù)的集合，這些業(yè)務(wù)被封裝在服務(wù)構(gòu)件中，通過操作服務(wù)構(gòu)件來實現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)。構(gòu)件組裝大多是基于工作流類型機(jī)制(如BPEL4WS等)以及Petri網(wǎng)，為此我們將領(lǐng)域模型中的業(yè)務(wù)過程抽取出來，同時將反映領(lǐng)域特性的特征加入，形成領(lǐng)域組裝模型。領(lǐng)域組裝模型代表了該領(lǐng)域內(nèi)一族具有共性和變化性系統(tǒng)的業(yè)務(wù)過程，通過領(lǐng)域組裝模型和用戶的具體需求可以確定該應(yīng)用系統(tǒng)中哪些服務(wù)是必須的、可選的和多選一的，并且可以根據(jù)需求之間的依賴和互斥關(guān)系來確定服務(wù)之間的關(guān)系，用以指導(dǎo)服務(wù)構(gòu)件的組裝。

針對部署在云中的大規(guī)模服務(wù)構(gòu)件資源，如何實現(xiàn)分布式調(diào)用是一個重要的問題。本文主要引入云計算中的MapReduce并行計算編程模型，它向上層用戶提供接口，屏蔽了并行計算特別是分布式處理的諸多細(xì)節(jié)問題。最簡單的MapReduce應(yīng)用程序至少包含3個部分：一個Map函數(shù)、一個Reduce函數(shù)和一個main函數(shù)。Map函數(shù)接受一組數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為一個鍵/值對列表，輸入域中的每個元素對應(yīng)一個鍵/值對。Reduce函數(shù)接受Map函數(shù)生成的列表，然后根據(jù)它們的鍵(為每個鍵生成一個鍵/值對)縮小鍵/值對列表。main函數(shù)將作業(yè)控制和文件輸入/輸出結(jié)合起來。首先將需要的服務(wù)構(gòu)件傳送到多個節(jié)點，然后由每一個節(jié)點并行執(zhí)行，將得出的結(jié)果歸并到輸出。同時第一階段的輸出又可以作為下一階段執(zhí)行的輸入，因此可以想象到一個樹狀結(jié)構(gòu)的分布式計算圖，在不同階段都有不同產(chǎn)出，同時并行和串行結(jié)合的計算也可以很好地在分布式集群的資源下得以高效的處理。執(zhí)行一個Map-Reduce程序需要五個步驟：輸入文件、將文件分配給多個worker并行地執(zhí)行、寫中間文件(本地寫)、多個Reduce workers同時運(yùn)行、輸出最終結(jié)果。本地寫中間文件在減少了對網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力同時減少了寫中間文件的時間耗費(fèi)。執(zhí)行Reduce時，根據(jù)從Master獲得的中間文件位置信息，將Reduce命令發(fā)送給中間文件所在節(jié)點執(zhí)行，進(jìn)一步減少了傳送中間文件對帶寬的需求。具體流程如圖3所示。

基于以上三個階段的工作最終實現(xiàn)了融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下面向領(lǐng)域的信息服務(wù)原型系統(tǒng)的開發(fā)。通常，這3個階段是順序進(jìn)行的。但在實際運(yùn)作過程中，非常有可能需要返回到前一階段進(jìn)行修改和完善，然后再回到當(dāng)前步驟,在修改的基礎(chǔ)上進(jìn)行本階段的工作。

4 結(jié)語

本文提出的信息服務(wù)開發(fā)模型綜合了領(lǐng)域工程、構(gòu)件化開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，充分結(jié)合云計算技術(shù)在業(yè)務(wù)整合方面的優(yōu)勢，將信息服務(wù)開發(fā)分為需求、設(shè)計和構(gòu)件三個層次，并為后續(xù)的利用復(fù)用開發(fā)提供了原型系統(tǒng)的支持，使得開發(fā)者能快速構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)并且保持相對穩(wěn)定，減少了開發(fā)與維護(hù)的工作量，實現(xiàn)了對領(lǐng)域內(nèi)大規(guī)模分布式信息服務(wù)的開發(fā)、組裝和復(fù)用。

圖3 基于MapReduce的服務(wù)構(gòu)件調(diào)用執(zhí)行模型

下一步的工作是：怎樣將領(lǐng)域工程緊密地和各個領(lǐng)域的信息服務(wù)系統(tǒng)聯(lián)系起來，使領(lǐng)域工程的研究成果能夠提高系統(tǒng)開發(fā)的效率，更好地滿足用戶的需求。

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AModelforDomain-OrientedInformationServiceDevelopmentBasedonCloudComputingInfrastructure

Zheng Hua1, 2

1. Department of Computer & Information Management,Guangxi College of Finance & Economics, Nanning 530003, China;2. School of Management and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China

In view of the diversity of users' demand for information services in the converged network environment, this paper suggests service-oriented domain analysis and modeling, domain architecture design based on cloud computing infrastructure and construction of service-oriented domain infrastructure by combining cloud computing technology and domain engineering. The combination will help to make full use of the advantages of cloud technology in business integration to promote the development, assembly and reuse of large-scale distributed information services in the domain.

cloud computing; domain engineering; information service; component

TP311.5

鄭 華，男，1978年生，廣西財經(jīng)學(xué)院計算機(jī)與信息管理系副教授，南京大學(xué)工程管理學(xué)院在職博士研究生，研究方向為管理信息系統(tǒng)、電子商務(wù)，發(fā)表論文20多篇。