武蕾，劉玉龍，劉士軍

(山東大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 濟南 250101)

1 引言

隨著面向服務(wù)架構(gòu)(SOA, service-oriented architecture)的發(fā)展，Web服務(wù)已逐漸成為在提高分布式應(yīng)用程序的靈活性、可擴展性等方面的有效解決方案，被廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域，如電子商務(wù)、政務(wù)、衛(wèi)生保健等行業(yè)。在SOA中，服務(wù)提供者通過標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)描述語言來描述服務(wù)的功能，并且可注冊到服務(wù)集成平臺中，用戶例如基于服務(wù)的系統(tǒng)開發(fā)人員可以從中找到開發(fā)所需要的服務(wù)進行整合使用，而不用重新開發(fā)，加速和促進了大型基于服務(wù)的系統(tǒng)開發(fā)進程，帶來了極大的便利。

服務(wù)集成平臺通過將分散在各地的服務(wù)資源進行虛擬化描述、封裝、發(fā)布可以為用戶集成、提供各種資源和服務(wù)。隨著越來越多的服務(wù)資源提供方(簡稱服務(wù)提供者)將可以提供的服務(wù)功能發(fā)布到平臺中，當(dāng)用戶通過向平臺提出具體的使用請求，平臺對用戶請求進行分析、分解，并在云里自動尋找滿足請求的云服務(wù)時，困擾也隨之而來，針對同一功能需求，可供選擇的服務(wù)越來越多，如何通過調(diào)度選擇、優(yōu)化等一系列操作，向用戶返回解決方案，使選出的服務(wù)既可滿足用戶的要求，又可以在當(dāng)有多個滿足用戶的要求的服務(wù)時，根據(jù)一定的策略對這些服務(wù)進行排序選優(yōu)成為亟待解決的問題，為解決上述問題，本文提出了一種多策略QoS感知的服務(wù)選擇與排序模型，通過服務(wù)選擇獲得滿足用戶要求的可用候選服務(wù)集，對于可用候選服務(wù)集中的服務(wù)，分別計算用戶與運營商對其滿意度，并且通過改變用戶滿意度與運營商滿意度在排序選優(yōu)過程中所占的不同比重，建立靈活多策略的服務(wù)選擇與排序選優(yōu)方法。

2 相關(guān)工作

服務(wù)質(zhì)量（QoS, quality of service）作為服務(wù)的非功能特征[1]，是功能相同的服務(wù)之間最顯著的區(qū)分指標(biāo)，也是對服務(wù)進行性能評價和用戶選擇的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。QoS的描述和計算評價在服務(wù)選擇和排序選優(yōu)過程中起的作用越來越顯著。

在進行服務(wù)的選擇與排序選優(yōu)時，主要有3個需要解決的問題：1) 描述、度量、監(jiān)控Web服務(wù)的QoS屬性。目前許多關(guān)于QoS的本體論和質(zhì)量模型已被提出來描述QoS的不同屬性[2,3]，QoS屬性值的獲取和監(jiān)控可以通過實時檢測、用戶的反饋[4,5]、或是由歷史數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)挖掘獲得[6]；2） 如何選出滿足用戶要求的可用候選服務(wù)集合，尤其是在單個服務(wù)滿足不了用戶要求需要多個服務(wù)組合才能完成時。在進行服務(wù)選擇時，如何根據(jù)要求，計算組合服務(wù)的QoS屬性值，以及如何根據(jù)用戶提出的要求在眾多的服務(wù)中高效選出滿足用戶QoS要求的可用服務(wù)，文獻[7,11,13]提出了可以利用關(guān)鍵字搜索、語義匹配、遺傳算法、整數(shù)規(guī)劃等發(fā)現(xiàn)選出符合要求的服務(wù)；3) 對于可用候選服務(wù)集，如何靈活的按照某種策略進行排序選優(yōu)返回最終的解決方案。文獻[9]提出了一種排序算法，但該方法只考慮了用戶的滿意度，建模時，并沒有考慮服務(wù)的成本屬性，而成本是服務(wù)運營商關(guān)心的重要屬性之一，具有一定局限性。文獻[10]中提到的Web服務(wù)質(zhì)量評價算法，在排名過程中考慮了多種服務(wù)的QoS屬性，但難以體現(xiàn)用戶對服務(wù)質(zhì)量的個性化要求以及對不同QoS屬性的偏好程度。

從上面分析可以看出：1) 在不同文獻中已經(jīng)提出較多解決方法；2) 也已經(jīng)有許多選擇算法，但QoS模型中屬性描述不足，難以為第3個問題提供相關(guān)的信息；3) 盡管已經(jīng)也有一些研究，但也存在一些缺陷，進行排序選優(yōu)出發(fā)的角度單一，只是基于用戶策略的排序方法。

服務(wù)選擇和排序是2個相對獨立的過程[8]。服務(wù)選擇要確保所選擇的服務(wù)可以滿足用戶對基本功能和QoS的要求，而服務(wù)排序則是在此基礎(chǔ)上的進一步選優(yōu)。現(xiàn)有研究方法中，存在一些不足,如在進行服務(wù)選擇與排序時，或是QoS建模屬性描述不夠全面；或是單純的服務(wù)質(zhì)量評價方法，缺少對用戶個性化的支持；或是排序選優(yōu)策略單一。針對上述問題，在進行服務(wù)QoS建模時，本文從用戶與運營商的角度共同出發(fā)，將服務(wù)的性能與運營維護成本等屬性考慮在內(nèi)，描述和擴充了QoS模型，提出了一種基于用戶與運營商對服務(wù)滿意度的多策略服務(wù)排序方法，通過改變用戶滿意度與運營商滿意度在排序選優(yōu)過程中的不同比重，可分別設(shè)置完全基于用戶策略、完全基于運營商策略、用戶與運營商2者兼顧策略的服務(wù)選擇與排序選優(yōu)方法。

3 擴展的QoS模型

QoS模型是對服務(wù)非功能性屬性的描述，用于描述服務(wù)完成業(yè)務(wù)目標(biāo)的效果，它是一個包含多側(cè)面指標(biāo)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從不同的方面定性或定量的描述一個服務(wù)。在本文中，為了在服務(wù)選擇與排序過程中提供足夠的參考信息，細化服務(wù)的QoS需求層次。本文從資源需求方與平臺運營商兩個維度出發(fā)對QoS建模，對QoS的一般屬性和領(lǐng)域?qū)傩赃M行了統(tǒng)一，其中，不同領(lǐng)域服務(wù)的通用屬性主要沿用以下幾個描述指標(biāo)：

響應(yīng)時間（response time）：代表一個服務(wù)Sj被調(diào)用至獲得響應(yīng)的時間間隔，主要包括服務(wù)延遲時間(Tdelay)和服務(wù)計算時間(Tcom)，總的響應(yīng)時間T(t)= Tcom(Sj)+Tdelay(Sj)。

可用性(availability)：代表一個服務(wù)正常運行的概率。取值越大意味著有較高的可用性，而較小的取值則表示較低的可用性。

吞吐量(throughout)：表示在給定時間段內(nèi)服務(wù)可以處理的最大請求數(shù)，是度量服務(wù)性能的一個重要指標(biāo)。

安全性(security)：表示方法調(diào)用過程的安全水平，通過身份驗證、消息加密、訪問控制等機制提高其安全性。

價格(price)：指的是服務(wù)使用者使用服務(wù)需要支付的金錢。

上述往往是用戶在使用服務(wù)時關(guān)心的QoS屬性，但從服務(wù)運營商的角度出發(fā)，降低服務(wù)運營成本，獲取盡可能多的利潤是他們的目標(biāo)，因此，在進行QoS建模時，必須要考慮服務(wù)的成本屬性。

成本(cost)：服務(wù)成本由多部分組成，整體成本是多個子指標(biāo)按照整體部分關(guān)系形成的[12]。價格與服務(wù)成本也有一定的相關(guān)性。成本主要是指為用戶提供服務(wù)的過程中所消耗一些資源，主要包括2個方面：

軟硬件系統(tǒng)資源的消耗(SC, system cost)：主要是指在為用戶提供服務(wù)的過程（初始化、運行、監(jiān)控和維護等）中，服務(wù)占用消耗的系統(tǒng)資源，如當(dāng)為用戶提供某服務(wù)時，所需要的設(shè)備支持、占用的應(yīng)用服務(wù)器資源、設(shè)備磨損等。

人力資源消耗(LC, labor cost)：主要是指在服務(wù)執(zhí)行過程中需要人工執(zhí)行或需要人機交互執(zhí)行部分的人力資源消耗，如在對產(chǎn)品配置結(jié)果進行可行性驗證服務(wù)時，人工驗證部分需要相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c。

除了上述一般屬性，特定領(lǐng)域的服務(wù)還有領(lǐng)域相關(guān)屬性，具體是指服務(wù)所屬的應(yīng)用領(lǐng)域所特有的QoS指標(biāo)，功能上相似的服務(wù)擁有相似的領(lǐng)域相關(guān)性能指標(biāo)集合，如在產(chǎn)品加工制造領(lǐng)域有產(chǎn)品加工精度，產(chǎn)品硬度，表面粗糙度等參數(shù)；服務(wù)具有的領(lǐng)域質(zhì)量指標(biāo)是由該服務(wù)所屬領(lǐng)域的領(lǐng)域本體決定。從上面的分析可以看出，QoS由不同層次的多側(cè)面指標(biāo)構(gòu)成，而且是與服務(wù)領(lǐng)域相關(guān)的，因此在構(gòu)建服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)體系用于綜合QoS計算時，需要考慮到上述的各方面情況。

4 多策略QoS感知的服務(wù)選擇與排序模型

假設(shè)對某服務(wù)S,C={q1,q2,…,qi}是用戶所關(guān)心指定的QoS屬性集，C'={qi+1,qi+2,…,qn}是平臺運營商所關(guān)心指定的QoS屬性集。那么在進行選擇與排序時相關(guān)服務(wù)的QoS可以表示為

其中，行{qj1,qj2,…,qjn}，1≤j≤m，表示某個服務(wù)Sj分別在{q1,q2,…,qn}上的屬性值，列{q1k,q2k,…,qmk}，1≤k≤n，表示所有相關(guān)服務(wù)在屬性qk上的值。

下面具體說明對服務(wù)的QoS請求的表示形式：用戶關(guān)心的QoS屬性集為C={q1,q2,…,qi}，對每一個屬性指定他/她的要求時，表示形式如下

其中，reqj=（lj,uj,wj），1≤j≤i，lj、uj分別是用戶對于屬性qj可以接受的上、下限值。wj是權(quán)重因子，代表了用戶對屬性qj的重視喜好程度。運營商關(guān)心的QoS屬性集為C'={qi+1,qi+2,…,qn}，對每一個屬性指定自己的偏好程度W′={wi+1,wi+2,…,wn}。

QoS感知的服務(wù)選擇主要負責(zé)選擇出滿足用戶要求的可用候選服務(wù)集，其主要的過程為，根據(jù)用戶給出的QoS需求向量，對滿足功能性需求及質(zhì)量要求的候選服務(wù)進行過濾和選擇，提取出滿足用戶約束的可用候選服務(wù)集，進行選擇的具體過程在之前的文章[13]中介紹過，采用的是遺傳算法，由于篇幅所限，本文將不做詳細介紹。接下來，在滿足用戶約束的可用候選服務(wù)集已經(jīng)獲得的條件下，本文將重點講解如何計算一個服務(wù)的用戶滿意度與運營商滿意度，以及如何設(shè)置一定的策略來對可用候選服務(wù)集進行排序選優(yōu)。

對于可用候選服務(wù)Sj，計算得分的過程如下。

1)計算用戶對Sj的滿意度Satisfactionj1。

其中，0≤wi≤1，為用戶指定的對Qji的偏好程度。

2)計算服務(wù)提供商對Sj的滿意度Profit(Sj)。

其中，Earning(Sj)是用戶使用服務(wù)Sj需要付給運營商的費用，Cost(Sj)為Sj的運營維護成本。

3) 整合Satisfactionj，Profit(Sj)，確定Sj的最終服務(wù)得分。

其中，w1+w2=1，w1,w2表示2者的影響因子，不同的值代表著基于不同的策略的服務(wù)排序選優(yōu)方法。

4.1 效用函數(shù)

對于服務(wù)iS，本文通過效用函數(shù)分別計算用戶和運營商對iS的滿意度。在設(shè)計效用函數(shù)時遵循的基本原則為：如果對iS的QoS屬性jq，用戶和運營商都沒有指定任何要求，那么在計算的時候，jq對滿意度不產(chǎn)生任何影響；如果對屬性jq，用戶和運應(yīng)商只要有一個對其提出要求，那么jq會對計算的滿意度產(chǎn)生一定的影響。

由于不同QoS屬性在屬性值和單位上有很大的不同，直接進行計算，必然會因數(shù)量級差異影響計算結(jié)果的公平性。為避免這種差異對服務(wù)排序的影響，在計算得分時，首先需要對各屬性進行統(tǒng)一量化處理。本文將給出函數(shù),ijQ，來計算任一服務(wù)iS在屬性jq上的得分，對于成本型的屬性，如服務(wù)的響應(yīng)時間，價格等，其值越大，服務(wù)的質(zhì)量越差，采用式(5)計算；對于效益型屬性，如服務(wù)的可靠性，安全性等，其值越大，服務(wù)的質(zhì)量越好，采用式(6)計算。

式(1)經(jīng)過統(tǒng)一量化處理后，得到下面的矩陣

事實上，不同QoS屬性對服務(wù)性能的貢獻存在著差異，而且用戶和運營商對不同QoS屬性也存在各自偏好。因此，在計算服務(wù)滿意度的過程中必須考慮這些因素。

對于服務(wù)Sj的屬性集C={q1,q2,…,qi}，C'={qi+1,qi+2,…,qn}，根據(jù)用戶、運營商設(shè)置的權(quán)重和偏好程度，分別計算他們對服務(wù)Sj的滿意度Satisfactionj、Profitj。運營商的滿意度，通過為用戶提供服務(wù)可以獲得的利潤的大小來體現(xiàn)。為此，需要將服務(wù)的成本屬性轉(zhuǎn)化為一定的價格度量。如在為某用戶提供服務(wù)Sj加工產(chǎn)品的過程中，運行維護Sj會產(chǎn)生機器磨損，人力資源的消耗等，就需要按照一定規(guī)則將這些消耗轉(zhuǎn)化成一定的價格度量；用戶的滿意度，本文采用簡單加權(quán)的方式來反映QoS屬性間的相對重要度以及用戶的偏好。Satisfactionj1、Profitj2計算方式如式(2)、式(3)所示。

式(7)經(jīng)過計算后得到如下矩陣

4.2 合并函數(shù)

對于服務(wù)Sj，Satisfactionj，Profitj分別代表了用戶和運營商對服務(wù)的滿意度。在得到式(8)后，接下來需要合并函數(shù)Score(sj)根據(jù)一定的策略來整合計算服務(wù)Sj的最終得分，這個函數(shù)的定義如式(4)所示。

當(dāng)1w:2w=1:0時，為完全基于用戶策略的服務(wù)排序方法，此時用戶可以獲得最高的服務(wù)滿意度，而平臺運營商的利潤可能會受到一定的影響，但在服務(wù)反饋與監(jiān)控中，有利于平臺運營商信譽度的提升。

當(dāng)1w:2w=0:1時，為完全基于運營商策略的服務(wù)排序方法，此時運營商可以獲得最高的利潤，而資源需求方獲得的服務(wù)性能可能會受到一定的影響，在服務(wù)反饋與監(jiān)控中，不利于平臺運營商信譽度的提升。

當(dāng)1w:2w的比值介于此2者之間時，為基于用戶與運營商兩者的服務(wù)排序選優(yōu)策略，綜合考慮了用戶與運營商的滿意度。在進行服務(wù)排序選優(yōu)時，可以通過調(diào)整1w:2w的比值，靈活的按所設(shè)定的策略按需要進行選優(yōu)。

不同比重的設(shè)定與運營商的運營策略有關(guān)，如果運營商目標(biāo)是提供最好的服務(wù)，則可以通過完全面向用戶的策略來進行排序；如果目的是盡可能盈利與節(jié)能，則可以設(shè)置完全面向運營商的策略進行排序；同樣，也可以介于2者之間。

5 原型與實驗

5.1 原型系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示，服務(wù)集成平臺是負責(zé)服務(wù)資源的管理、運行、維護以及接入接出等任務(wù)的軟件平臺。在服務(wù)資源的應(yīng)用運轉(zhuǎn)過程中，作為連接用戶與資源提供方的紐帶，平臺起到了核心支撐的作用，在資源提供方注冊發(fā)布服務(wù)資源時，需要為資源的虛擬化封裝和映射提供支持；在用戶提出請求的時候為需求描述提供支持；針對用戶需求，在服務(wù)選擇與排序選優(yōu)的過程中，為選出滿足要求的服務(wù)，并按指定的策略進行排序選優(yōu)提供支持。

服務(wù)選擇與排序模型作為平臺的一個核心部分，主要由服務(wù)注冊中心、服務(wù)選擇和排序中心、云終端用戶界面、第三方評測機構(gòu)等組成。

1) 服務(wù)注冊中心：提供一個接口，使得資源提供方可以將各種服務(wù)資源的相關(guān)信息注冊發(fā)布到平臺中，注冊時QoS認證中心將對服務(wù)的QoS信息進行度量和認證，并將相關(guān)信息存到服務(wù)資產(chǎn)庫(WS-QOS)中，以備服務(wù)選擇與排名時可查詢相關(guān)信息。

2) 服務(wù)選擇和排序中心：主要有查詢解析器，服務(wù)選擇引擎，服務(wù)排序引擎，選優(yōu)策略設(shè)定器組成。首先解析器接收并解析用戶請求，服務(wù)選擇引擎根據(jù)用戶要求選擇出滿足條件的可用的候選服務(wù)集合，然后根據(jù)策略設(shè)定器指定的選優(yōu)排序策略，如基于用戶的策略、或基于運營商的排序策略等，由服務(wù)排序引擎從可用服務(wù)集中選出選定最終解決方案。

3) 云終端用戶界面：主要由SLA簽訂模塊組成，為用戶提供一個可以指定服務(wù)功能與QoS要求的接口，負責(zé)簽訂生成服務(wù)等級協(xié)議（SLA, service level agreement）[6]。

4) 第三方評測機構(gòu)：監(jiān)控用戶獲得的服務(wù)的QoS相關(guān)信息和收集用戶的反饋信息，查看是否滿足SLA要求，并根據(jù)監(jiān)測與反饋信息計算平臺運營商的違約率和信譽度。專業(yè)評測機構(gòu)取得的數(shù)據(jù)具有客觀、公正、可比性強等優(yōu)勢，是應(yīng)用中客觀性的重要保證。

5.2 系統(tǒng)運行流程

首先，用戶通過云終端向平臺服務(wù)運營提出服務(wù)使用請求，協(xié)商簽訂服務(wù)等級協(xié)議，確定對服務(wù)的功能與非功能方面的請求，以及違約處理等。

接下來，相關(guān)模塊接收并解析用戶簽訂的服務(wù)等級協(xié)議，根據(jù)用戶請求服務(wù)的功能性需求和質(zhì)量要求，服務(wù)選擇引擎檢索服務(wù)資產(chǎn)庫(WS-QOS)對平臺中的候選服務(wù)進行過濾和選擇，提取出所有滿足SLA要求的可用候選服務(wù)集。

圖1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

在服務(wù)集成平臺的支撐下，將會有越來越多的服務(wù)資源發(fā)布注冊到平臺中。當(dāng)用戶在請求服務(wù)時，針對用戶的要求，利用上述服務(wù)選擇與排序模型，可以快速的選出滿足用戶要求的服務(wù)，并且當(dāng)有多個滿足用戶要求的候選服務(wù)時，可以根據(jù)設(shè)定的策略來進行服務(wù)排序選優(yōu)，選定最終的解決方案，此原型系統(tǒng)為平臺中的服務(wù)選擇與排序選優(yōu)提供了一個有效的解決方案。

5.3 實驗

本文通過一個應(yīng)用實例來具體說明方法的流程，并證明方法的有效性。某語音通信系統(tǒng)的開發(fā)人員要對安全的端對端語音通訊系統(tǒng)進行升級，想要選擇現(xiàn)有的加密服務(wù)，用于在系統(tǒng)中。加密服務(wù)應(yīng)接受數(shù)據(jù)流和輸出流加密的數(shù)據(jù)。假設(shè)服務(wù)的QoS屬性值可以直接從Web-QoS庫中獲得，用戶對加密服務(wù)的QoS具體要求如表1所示，其中，吞吐量(throughput)是指服務(wù)單位時間可以處理的數(shù)據(jù)包的大小，單位為兆比特每秒(Mbit/s)，延遲(delay)是指由于進行加密處理引起的額外時間單位為毫秒(ms)；安全性(security)指的是被攻擊者捕獲信息概率的大?。粌r格(price)指的是使用該服務(wù)需要支付的人民幣，單位為元/天。當(dāng)用戶對某項屬性沒有上限，或下限要求時分別指定為Min, Max。

表1 用戶指定的QoS要求

平臺相關(guān)模塊接收到服務(wù)請求后，檢索服務(wù)資產(chǎn)庫，根據(jù)服務(wù)功能請求所獲得的服務(wù)列表及相應(yīng)的QoS指標(biāo)值如表2所示。

表2 具有相同功能服務(wù)

經(jīng)服務(wù)選擇后篩選掉不滿足QoS要求的服務(wù)，獲得可用候選服務(wù)集，如表3所示。

表3 滿足用戶功能與質(zhì)量要求的服務(wù)

對可用候選服務(wù)集，經(jīng)過式(5)和式(6)處理，效用函數(shù)(2)和效用函數(shù)(3)計算后分別得到基于用戶與基于服務(wù)供應(yīng)商策略的服務(wù)滿意度，如表4所示。

表4 用戶與運營商對可用候選服務(wù)的滿意度

而后根據(jù)合并函數(shù)(4)，分別設(shè)置1w:2w的不同比值，即基于不同策略進行服務(wù)排序時，服務(wù)的選擇結(jié)果如表5所示。

表5 不同策略下的服務(wù)的得分計算情況

從表5可以看出，在不同的策略下，服務(wù)排序結(jié)果不同，返回的選擇結(jié)果依次為S5、S2、S4、S2，說明了算法的有效性，服務(wù)運營商完全可以根據(jù)運營策略選擇合適的選擇排序方式。

6 結(jié)束語

為了方便在服務(wù)集成平臺發(fā)現(xiàn)用戶需要的服務(wù)，并且對滿足要求的可用候選服務(wù)集按一定的策略進行排序選優(yōu)，本文在考慮了服務(wù)運營商與用戶不同需求的基礎(chǔ)上，提出了一種多策略的QoS感知的云服務(wù)選擇與排序方法，彌補了以往僅僅基于用戶策略的服務(wù)選擇的不足，并搭建了基于服務(wù)集成平臺的服務(wù)選擇與排序原型系統(tǒng)，闡述了基于此平臺對服務(wù)資源的選擇與排序選優(yōu)過程。文章最后給出應(yīng)用實例，證明了算法的有效性。

本文只是服務(wù)選擇與排序選優(yōu)的研究一個初始階段，還有許多問題有待進一步研究，如把所提服務(wù)的擴展QoS模型和選擇優(yōu)化算法進一步應(yīng)用到實際的大規(guī)模面向應(yīng)用的服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)中，以便對其可靠性，適應(yīng)性和性能作更深入的分析和改進。

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