田欣，黃媛潔，司忠平北京工商大學(xué)

基于SOA科學(xué)工作流引擎關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田欣，黃媛潔，司忠平北京工商大學(xué)

通過對(duì)SOA及科學(xué)工作流系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出了基于SOA架構(gòu)的科學(xué)工作流系統(tǒng)模型，并在此模型的基礎(chǔ)上探究了科學(xué)工作流引擎的關(guān)鍵技術(shù)，提出了基于結(jié)構(gòu)元的深度遍歷算法以及工作流執(zhí)行算法。并以實(shí)例驗(yàn)證了科學(xué)工作流建模、解析和執(zhí)行過程。

SOA；工作流引擎；映射算法；解析算法

引言

SOA(Services Oriented Architecture)即面向服務(wù)架構(gòu)，它的核心是將系統(tǒng)的每一個(gè)功能模塊都進(jìn)行封裝并定義為服務(wù)，其它服務(wù)可以通過接口進(jìn)行調(diào)用。鑒于SOA架構(gòu)對(duì)松耦合系統(tǒng)支持的特點(diǎn)[1]，本文將SOA架構(gòu)應(yīng)用到科學(xué)工作流系統(tǒng)[2]之中并提出了基于SOA架構(gòu)的科學(xué)工作流系統(tǒng)模型，如圖1所示。

工作流引擎是科學(xué)工作流系統(tǒng)的核心，其作用就是將界面上抽象的流程圖進(jìn)行解析，生成中間件可以處理的信息以方便集群進(jìn)行計(jì)算。在圖1中，中間件的映射BPEL語言模塊與工作流語言解析模塊構(gòu)成了此模型的工作流引擎。這兩個(gè)模塊的關(guān)鍵技術(shù)即工作流引擎的關(guān)鍵技術(shù)，包括：(1)界面流程語言到工作流語言的映射算法；(2)工作流語言的解析算法。本文所采用的界面流程語言為BPMN(Business Process Model and Notation)[3]，工作流語言為BPEL(Business ProcessExecution Language)[4]。

圖1 基于SOA架構(gòu)的科學(xué)工作流系統(tǒng)模型

通過對(duì)科學(xué)工作流引擎關(guān)鍵技術(shù)的研究，本文提出了：

(1)鑒于SOA架構(gòu)對(duì)松耦合系統(tǒng)支持的特點(diǎn)，本文將SOA架構(gòu)應(yīng)用到科學(xué)工作流系統(tǒng)之中并提出了基于SOA架構(gòu)的科學(xué)工作流系統(tǒng)模型，如圖1所示。

(2)通過對(duì)映射算法進(jìn)行比較[5-7]，提出了一種基于結(jié)構(gòu)元的深度遍歷算法，并將目前兩種主要的業(yè)務(wù)流程規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)：基于有向圖的BPMN和基于塊結(jié)構(gòu)語言BPEL用于科學(xué)工作流的映射算法中。

(3)對(duì)工作流執(zhí)行算法進(jìn)行研究，提出一種迭代解析算法，將BPEL的不同關(guān)鍵字進(jìn)行不同的處理，通過迭代算法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到可視化的界面。

基于結(jié)構(gòu)元的深度遍歷算法

綜合BPMN和BPEL兩種高級(jí)建模語言的優(yōu)缺點(diǎn)，可知模型轉(zhuǎn)化是業(yè)務(wù)流程建模的關(guān)鍵。BPMN使用的是直觀的圖形來描述所需要的工作流程，而BPEL則使用塊結(jié)構(gòu)語言來描述流程，兩種不同層次語言的轉(zhuǎn)換是具有挑戰(zhàn)性的。

結(jié)構(gòu)元概念

結(jié)構(gòu)元即控制模式，它是BPMN流程模型的組成單元，由不同BPMN元素排列組合而成，所有的BPMN流程模型都可以由這些結(jié)構(gòu)元組合嵌套而成。把BPMN流程模型轉(zhuǎn)變?yōu)橛山Y(jié)構(gòu)元表示的流程模型，不但簡(jiǎn)化了流程模型的復(fù)雜程度，而且降低了映射的難度。本文采用了分支結(jié)構(gòu)元、并行結(jié)構(gòu)元、順序結(jié)構(gòu)元和循環(huán)結(jié)構(gòu)元，如圖2所示。

圖2 四種結(jié)構(gòu)元

映射算法原理

本文將結(jié)構(gòu)元的思想與深度遍歷算法融合在一起，用于BPMN流程模型到BPEL的轉(zhuǎn)換算法。這是一種分層分解BPMN模型的策略，算法的主要思想是將整個(gè)BPMN流程看成一個(gè)順序結(jié)構(gòu)的流程，流程結(jié)構(gòu)為{開始節(jié)點(diǎn)，子流程，結(jié)束節(jié)點(diǎn)}。算法首先從根節(jié)點(diǎn)開始深度遍歷BPMN流程樹，若后繼結(jié)點(diǎn)是任務(wù)節(jié)點(diǎn)，則將其添加到順序結(jié)構(gòu)元中，若后繼結(jié)點(diǎn)為一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，順序結(jié)構(gòu)元遍歷完成，并將此路由節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的路由合并節(jié)點(diǎn)之間的所有節(jié)點(diǎn)歸為相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)元，繼而深度優(yōu)先遍歷[8]其結(jié)構(gòu)元內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)遍歷到此結(jié)構(gòu)元的合并節(jié)點(diǎn)時(shí)，該結(jié)構(gòu)元的映射結(jié)束，繼續(xù)遍歷其后續(xù)節(jié)點(diǎn)，遞歸完成后，則遍歷完整條BPMN流程樹，深度遍歷結(jié)束。映射的結(jié)果即為BPEL代碼。

工作流執(zhí)行算法

在執(zhí)行BPEL語言時(shí)，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)流程實(shí)例，在本文科學(xué)工作流管理系統(tǒng)中，如果執(zhí)行的為節(jié)點(diǎn)，則執(zhí)行對(duì)應(yīng)的實(shí)例模塊的操作。如果執(zhí)行的為節(jié)點(diǎn)，則給每個(gè)分支建立線程來并行執(zhí)行，等待每個(gè)分支線程都執(zhí)行完畢后再開始執(zhí)行該節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)。如果執(zhí)行的為節(jié)點(diǎn)，則得到while的循環(huán)條件，按照條件循環(huán)執(zhí)行子流程。如果執(zhí)行的為節(jié)點(diǎn)，則得到switch的每個(gè)分支條件，執(zhí)行滿足條件的子流程。執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 工作流執(zhí)行算法流程

下面將結(jié)合圖4來展示工作流執(zhí)行算法的執(zhí)行過程，圖5為圖4基于結(jié)構(gòu)元的深度遍歷算法得到的BPEL代碼中的并行部分代碼。而圖6是執(zhí)行算法結(jié)束后的對(duì)于此部分代碼，工作流執(zhí)行算法的執(zhí)行過程是：

（1）節(jié)點(diǎn)為flow，給每個(gè)分支建立線程，并行執(zhí)行sequence1和sequence2子流程，遍歷后繼節(jié)點(diǎn)。

（2）sequence1的后繼節(jié)點(diǎn)為switch，得到switch的每個(gè)分支條件，判斷條件選擇執(zhí)行子流程sequence3還是sequence4，遍歷后繼節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，sequence2的后繼節(jié)點(diǎn)為invoke，執(zhí)行該實(shí)例模塊對(duì)應(yīng)的操作，回溯到flow節(jié)點(diǎn)，等待其他的并行線程完成。

（3）sequence3/sequence4的后繼節(jié)點(diǎn)為invoke，執(zhí)行該實(shí)例模塊對(duì)應(yīng)的操作，回溯到flow節(jié)點(diǎn)，等待其他的并行線程完成。

（4）當(dāng)flow節(jié)點(diǎn)的子線程全部執(zhí)行完畢，遍歷后繼節(jié)點(diǎn)。

實(shí)例分析

本文以科學(xué)計(jì)算可視化中的一個(gè)三維渲染可視化科學(xué)工作流程為例進(jìn)行說明，科學(xué)工作流如圖4所示。

圖4 科學(xué)工作流程實(shí)例

圖5 實(shí)例BPEL代碼

本文實(shí)例中三維立體圖的顯示借助了VTK（visualization tool?kit）來實(shí)現(xiàn)，圖6為在VTK中科學(xué)工作流實(shí)例的顯示效果。

圖6 科學(xué)工作流BPEL映射實(shí)例效果圖

結(jié)論

通過對(duì)SOA及科學(xué)工作流系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出了基于SOA架構(gòu)的科學(xué)工作流系統(tǒng)模型，并在此模型的基礎(chǔ)上探究了科學(xué)工作流引擎的關(guān)鍵技術(shù)，提出了基于結(jié)構(gòu)元的深度遍歷算法以及工作流執(zhí)行算法。并以實(shí)例驗(yàn)證了科學(xué)工作流建模、解析和執(zhí)行過程。

[1]錢振剛、邵子華，20世紀(jì)中國(guó)文學(xué)名作導(dǎo)讀[M]，北京:作家出版社，1998

[2]New to SOA and web services[EB/OL].http://www-128.ibm. com/developerworks/webservices/newto/,2005-06-14.

[3]Zhang H,Fan X,Zhang R,etal.Extending BPEL2.0 forGrid-Based Scientific Workflow Systems[C]//Asia-Pacific Services Comput?ing Conference,2008.APSCC'08.IEEE.IEEE,2008:757-762.

[4]White S.Using BPMN tomodel a BPEL process[J].BPTrends, 2005,3(3):1-18.

[5]Yu GE,Zhao P,Di L,etal.BPELPower—A BPEL execution engine for geospatial web services[J].Computers&Geosciences, 2012,47:87-101.

[6]魏明,夏永霖,魏峻.BPMN到BPEL 2.0的模型轉(zhuǎn)換方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2008,25(11):3363-3366.

[7]Dumas M.Case study:BPMN to BPELmodel transformation[C]//5th International Workshop on Graph-Based Tools–GraBaTs. 2009.

[8]Recker JC,Mendling J.On the translation between BPMN and BPEL:Conceptualmismatch between processmodeling languages [C]//The 18th International Conference on Advanced Information Sys?tems Engineering.Proceedings of Workshops and Doctoral Consor?tium.NamurUniversity Press,2006:521-532.

[9]Downey R G,FellowsM R.Depth-First Search and the Plehn–Voigt Theorem[M]//Fundamentals of Parameterized Complexity. Springer London,2013:291-300.

田欣（1989-），男，山東聊城，北京工商大學(xué)，學(xué)生，碩士研究生研究方向：信息可視化。