樊 程，蔣 靜，戴 洪，潘振寬

（青島大學信息工程學院 青島 266071）

1 引言

SOA（service-oriented architecture）是一種面向服務的架構模型，旨在降低服務代理之間的耦合度。在SOA框架中，IT資源被構造為一系列可重用的服務，這些服務是松散耦合的，與平臺和實現(xiàn)無關，SOA通過這些服務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)絡對這些服務進行分布式部署、組合和使用，服務在整個構架中以一種統(tǒng)一和通用的方式進行交互[1]。SOA使企業(yè)應用擺脫了面向技術解決方案的束縛，企業(yè)可以將業(yè)務封裝為服務并對外發(fā)布以供消費者使用，這樣能更加精確地表示業(yè)務模型，更好地支持業(yè)務流程[2]。

SOA系統(tǒng)的核心服務層旨在提供服務定位、發(fā)現(xiàn)和綁定，實現(xiàn)服務共享與協(xié)同，因此通常把研究重點放在實現(xiàn)服務的互通與重用上，擱置了服務的動態(tài)擴展問題。隨著IT技術的發(fā)展和用戶需求規(guī)模的增長，系統(tǒng)不能為用戶動態(tài)擴展服務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，因此服務動態(tài)擴展問題已經(jīng)成為制約SOA技術發(fā)展的瓶頸[3]。

服務動態(tài)擴展主要包括計算能力的擴展、存儲服務的擴展以及Web服務的擴展等。對于計算能力和存儲服務的動態(tài)擴展，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)擴展；簡單存儲服務（simple storage services，S3）則實現(xiàn)了存儲服務的動態(tài)擴展。對于Web服務的動態(tài)擴展，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服務的動態(tài)擴展問題進行研究，提出了一個基于SOA的服務動態(tài)擴展機制模型，模型中所涉及的服務擴展即指Web服務擴展，并給出設計框架，同時對擴展規(guī)則進行描述，最后進行仿真驗證。

2 相關概念及系統(tǒng)模型

2.1 相關概念定義

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

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

定義2（服務資源池）通過虛擬化方法[5]，將系統(tǒng)可用服務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，分配給用戶的服務可以動態(tài)地添加和收回。

定義3（系統(tǒng)默認服務）用戶登錄系統(tǒng)后可以直接調(diào)用的服務，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。

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

定義5（服務動態(tài)擴展事件）當用戶請求系統(tǒng)默認服務外的服務時，由系統(tǒng)自動產(chǎn)生。服務動態(tài)擴展事件（service dynamic extension event）的目的是向系統(tǒng)請求將資源池外的服務遷移到池內(nèi)，以滿足用戶的需求。

定義6（服務動態(tài)擴展）當用戶請求服務產(chǎn)生服務動態(tài)擴展事件時，系統(tǒng)根據(jù)相應規(guī)則，在資源池外查找相關服務，并將其擴展到資源池中，注冊并供系統(tǒng)使用，同時用戶ID對應的擴展標志置為True，這一過程稱為服務動態(tài)擴展（service dynamic extension，S-DE）。

定義7（服務集與擴展服務集）服務集（service set）是指系統(tǒng)默認服務的集合，表示為ServiceSet(Service 1,Service 2,…,Service N)；擴展服務集（eservice set）是指用戶在使用系統(tǒng)過程中通過擴展能夠被系統(tǒng)使用但尚未成為系統(tǒng)默認服務的已擴展服務集合，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的服務動態(tài)擴展系統(tǒng)就是在SOA構架下，實現(xiàn)服務的動態(tài)擴展，其系統(tǒng)模型總體架構如圖1所示。

該模型在傳統(tǒng)SOA架構的基礎上，把系統(tǒng)分為3個大層次：SOA應用層、面向服務組織和擴展層以及現(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 應用層

SOA應用層表示用于訪問業(yè)務流程、服務和應用程序的通道，建立在系統(tǒng)提供的服務之上，負責將用戶的請求發(fā)送給SOA系統(tǒng)并等待響應。

（2）面向服務組織和擴展層

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

（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)應用和企業(yè)內(nèi)外部的資源，SOA構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 服務動態(tài)擴展模塊設計

3.1 動態(tài)擴展實現(xiàn)機制

圖2給出了服務動態(tài)擴展系統(tǒng)的功能邏輯結構，它由6部分組成：服務代理、服務發(fā)現(xiàn)和綁定模塊﹑服務動態(tài)擴展控制器、服務資源池、待擴展服務集和第三方服務集。

服務資源池中的服務集合是動態(tài)可變化的，系統(tǒng)初始化時的默認服務都存放于服務資源池中，可以直接被系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)待擴展服務集隸屬于此系統(tǒng)，但由于成本、使用頻率等問題并不能直接被系統(tǒng)使用，需要通過擴展系統(tǒng)處理之后才能被系統(tǒng)調(diào)用。第三方服務集是指當系統(tǒng)內(nèi)服務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。所有服務只有被擴展到資源池中才能被系統(tǒng)直接調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用資源池外的服務時，會產(chǎn)生服務擴展事件。當產(chǎn)生服務動態(tài)擴展事件時，服務擴展控制器捕獲事件，并按照相應的擴展規(guī)則處理擴展事件，最終實現(xiàn)服務動態(tài)擴展。圖2所示的服務動態(tài)擴展系統(tǒng)的交互過程如下。

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

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

（3）服務動態(tài)擴展控制器捕捉服務動態(tài)擴展事件，并按照擴展規(guī)則對其進行處理。

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

（5）服務動態(tài)擴展控制器將需要擴展的服務遷移到服務資源池中，按照擴展規(guī)則對服務進行相應的處理，完成服務的擴展。新擴展的服務能夠被發(fā)現(xiàn)和綁定。

3.2 服務動態(tài)擴展規(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)?；贏SM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對服務動態(tài)擴展規(guī)則進行形式化描述，下面給出用ASML描述的服務動態(tài)擴展中的幾個重要規(guī)則。

規(guī)則1 服務注冊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事件，會產(chǎn)生服務注冊事件，系統(tǒng)會將服務注冊信息提交，從而完成服務的注冊。

規(guī)則2 池外服務的查找與定位

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

規(guī)則3 服務動態(tài)擴展

當用戶請求資源池中不包含的服務時，系統(tǒng)會產(chǎn)生動態(tài)擴展事件，并在待擴展服務集和第三方服務集中查找匹配的服務，對其進行定位，然后將服務遷移到資源池中，并授權給服務代理，同時將服務加入服務集，更改服務與用戶相應序列的擴展標志，將其置為擴展可用，則系統(tǒng)可以調(diào)用新擴展的服務。

規(guī)則4 服務動態(tài)撤銷

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

4 仿真測試

使用Spec Explorer對服務動態(tài)擴展系統(tǒng)模型進行仿真測試。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]。

假設用戶登錄并使用服務動態(tài)擴展系統(tǒng)，向系統(tǒng)請求一個服務，請求的服務類型未知，即不確定用戶所請求的服務是否為系統(tǒng)默認服務。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)請求服務后，系統(tǒng)為用戶進行服務發(fā)現(xiàn)和綁定的全過程，其中也包含了對服務資源池外服務的動態(tài)擴展，仿真測試結果與模型設計期望一致，從而驗證了模型的可行性和有效性[8]。

5 結束語

通過對SOA系統(tǒng)中Web服務擴展問題的研究，本文提出了基于SOA的服務動態(tài)擴展系統(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)更好地適應網(wǎng)絡環(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、可擴展的系統(tǒng)和服務提出了一種新的設計思想和實現(xiàn)方法，使系統(tǒng)服務對用戶更加友好。

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