馬薇薇　王進　姜家鑫

摘要：為解決Web服務組合事務放松ACID屬性后，原子性與一致性無法保證同時滿足的問題，提出了一種基于有限狀態(tài)自動機的服務組合概念一致性檢測方法。與以往大多通過運行時監(jiān)控和協(xié)調保證應用一致性的方法不同，該方法采用有限狀態(tài)自動機在設計階段對服務組合的交互行為與異常處理進行建模，分析了概念一致性滿足的關鍵條件和性質，證明了服務組合概念一致性的判定定理。最后通過分析服務組合一致性檢測的實施框架說明了該方法的可行性。

關鍵詞：Web服務組合；確定有限狀態(tài)自動機；事務；一致性檢測

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A

Abstract：To solve the problem that atomicity and consistency cannot be guaranteed to satisfy at the same time when ACID properties are relaxed in Web services composition transaction.A Deterministic Finite State Automata（DFA） based approach is presented to check the conceptual consistency in services composition.Different from most previous works which keep application consistency by runtime monitoring and coordination，this approach uses DFA to model interaction behavior and exception handling process of services composition at design stage.The DFA based approach analyzes the key conditions and properties to satisfy the conceptual consistency；and further，it proofs the theorem to determine the conceptual consistency in service composition.Finally，by analyzing the deployment framework of services composition consistency detection，the feasibility of our approach has been illustrated.

Key words：Web services；DFA；transaction；consistency checking

1引言

面向服務計算模式（SoC）以可重用服務為構造單元，為解決分布式應用集成提供了新型計算范型[1，2]。服務作為自治、自描述和平臺獨立的模塊化應用[3]。為企業(yè)間協(xié)作提供了協(xié)作基礎。但單個服務本身功能單一，無法提供完整解決方案。因此，必須對服務進行組合和協(xié)作以實現(xiàn)復雜B2B業(yè)務邏輯[4，5]。Web服務資源自治性高，潛在故障多，可長期運行等特點引發(fā)了Web服務組合協(xié)作的一系列新需求（如死鎖處理，兼容性檢測等）。這其中，保持服務組合后應用一致性是一個關鍵問題[6，7]。在Web服務組合中引入事務概念，利用事務“非全則無”的語義可以有效增強服務組合的可靠性，保障參與組合數(shù)據(jù)與應用自身狀態(tài)的一致。但Web服務由于其運行長周期，異構等特點，不可能按照傳統(tǒng)事務嚴格鎖定的方式來管理資源。對傳統(tǒng)事務的ACID屬性進行適當放松成為必然。

在Web 服務組合事務模型中，主要通過異常處理這樣一種相對柔性的方式來達到概念上的原子性與一致性[8，9]。文獻[10]提出的Saga模型是最早應用于Web事務領域的事務模型之一。Saga模型將一個完整事務分解為若干個子事務，并為每個子事務設計業(yè)務邏輯上相對應的補償事務，在失效情況下，執(zhí)行失效部分的補償事務以達到語義上的一致性與原子性。文獻[11]提出的全局事務模型對Saga模型進行進一步擴展，提出全局回滾以及局部回滾的概念來處理不同失效場景。在Saga模型與全局事務模型中，都嚴格要求對失效的操作進行補償。實際應用場景中，往往對于某些子事務操作由于補償代價過高而無法真正進行補償。文獻[12]針對單一補償方式的不足，提出了后向補償與前向的替換（重試）相結合的異常處理方式，這一處理方式在目前服務組合事務處理相關研究中被廣泛采納。

文獻[13]在文獻[12]的基礎上，通過定義服務組合原子范圍（atomicity sphere）實現(xiàn)業(yè)務流程放松的原子性要求。在此種半原子性模型中，每個子事務都具備可補償性與可重試性這兩個正交屬性。該模型可在參與業(yè)務流程的服務未隱藏業(yè)務細節(jié)時，檢查流程的原子范圍，構建可靠的組合服務。文獻[14]使用進程代數(shù)對服務組合進行了建模，并通過引入公理系統(tǒng)的方式，檢測組合的原子范圍。但其公理系統(tǒng)主要是為順序和選擇結構提供規(guī)約，對并發(fā)情況下的交錯時序考慮較少。文獻[13，14]中所采用的半原子性模型，不能保證組合事務在符合放松的原子性時同時滿足一致性。文獻[15]針對以上的事務模型進一步提出了面對長周期事務的調度算法和層次式失效恢復算法.這些研究主要集中于在運行期間通過協(xié)調和調度保證最終結果的一致性，對設計階段一致性檢測少有涉及。文獻[16]提出集合一致性（set consistency）的概念來檢測設計時的一致性，但該方法需要用戶定義一致性滿足條件。這種一致性條件更多反映的是業(yè)務需求上的一種約束，對事務概念層上的一致性難以描述。

針對以上研究中的不足，本文試圖給出一種針對原子范圍理論原子性定義下的服務組合建模方法。endprint

本文首先結合案例分析了服務組合一致性檢測問題的產(chǎn)生，對服務組合的交互行為及其異常行為進行基于確定有限狀態(tài)自動機的建模。針對建立的異常行為模型，提出并證明了概念一致性的判定定理。并且考慮到服務組合異常模型可能產(chǎn)生的狀態(tài)爆炸問題，進一步提出了對異常行為模型的約簡方法。

2服務組合一致性問題及其建模

21Web服務組合一致性問題描述

與傳統(tǒng)嚴格鎖定的事務ACID屬性必然同時滿足不同，在異常處理方式中，事務滿足原子范圍并不能保證其同時滿足一致性要求。根據(jù)事務自身一致性的定義可知，服務組合事務滿足事務概念上的一致性應保證任意事務執(zhí)行路徑上的子事務出現(xiàn)異常時，通過異常處理及后續(xù)一系列補償或重試操作，最終可以到達初始或者終止狀態(tài)，且不會存在多條可能的事務執(zhí)行路徑最終所到達的終止狀態(tài)間存在沖突。

考慮圖1所示的“秒殺購物”場景。該服務組合包括填寫訂單（Fill_Order）、支付（Make_Payment）、預訂（PreOrder）、查找商品（Check_Item）、發(fā)貨（Ship_Order）這五個子事務，事務要求保證同一用戶僅能秒殺一次。在該組合流程中，用戶首先填寫訂單，接著進入一個并發(fā)的流程，用戶可以進一步立刻支付或選擇預訂，商家同時進行查找商品和發(fā)貨操作，當用戶和商家操作并行完成后，此訂單處理結束。這五個子事務中，支付服務由于其需要和外部支付代理交互，因此為不可補償也不可重試 （NC，NR），根據(jù)原子范圍定義，這一支付服務為關鍵（Pivot）子事務。發(fā)貨服務往往由于其成本原因一旦執(zhí)行就不可補償，因此其事務屬性為不可補償?shù)芍卦嚕∟C，R），預訂服務由于秒殺購物的特殊性，一旦出現(xiàn)異常則只能補償，不可重試（C，NR），而其余參與服務的子事務都假設其事務屬性為可補償可重試（C，R）。在此服務組合中，存在3條可能的并發(fā)路徑：

①Fill_Order->Make_Payment

②Fill_Order->Pre-Order

③Fill_Order->Check_Item->Ship_Order

單純考慮此3條路徑，都滿足原子范圍中所定義的原子性。但若考慮并發(fā)流程時序上可能存在的交錯性，對并發(fā)行為進行組合后，在全局序列上將可能存Fill_Order->Check_Item->Ship_Order->Pre-Order，在此序列中Ship_Order這一僅可重試的服務在Pre-Order這一僅可進行補償?shù)姆涨鞍l(fā)生，從而將導致原子范圍的違背和應用不一致的發(fā)生。

另一方面，考慮兩操作者A，B以同一用戶ID在異地同步執(zhí)行此服務組合。若A執(zhí)行的最終流程為Fill_Order->Make_Payment->Check_Item->Ship_Order，B最終執(zhí)行的流程為Fill_Order->Pre-Order ->Check_Item->Ship_Order。由于A執(zhí)行流程中包括一個關鍵子事務Make_Payment而B不包括，則最終將導致出現(xiàn)同一用戶購買了兩次，或者系統(tǒng)中對用戶是否支付的狀態(tài)上出現(xiàn)不一致的狀況。

從以上分析可知，在設計階段檢測服務組合事務一致性時，除考慮原子性的滿足外，還必須考慮其并發(fā)狀況下的時序組合及關鍵子事務所處位置。

22基于確定有限自動機的Web服務組合建模

定義2.1Web服務組合的確定有限狀態(tài)自動機（DFA）模型。Web服務組合的確定有限狀態(tài)自動機模型可定義為一個五元組A=（Q，Σ，δ，q0，F(xiàn)）。其中，Q 是一個有限的狀態(tài)集合；ΣM表示請求一個組合中服務消息的有限集合，其中M為服務組合中的服務消息集合；δ：Q×∑→Q表示自動機中的所有變遷；q0∈Q表示初始狀態(tài)；FQ代表終止狀態(tài)的集合。

定義2.1中的模型是所有可能消息傳遞的組合結果，因此定義2.1中的模型事實上包含了當前事務的所有可能執(zhí)行路徑。

文獻[17]對服務組合構造自動機模型的過程進行了分析，本文首先利用上述文獻中的方法構建一個僅包含基本的消息傳遞的有限狀態(tài)自動機。圖2為圖1所示場景經(jīng)過轉換所得的確定有限狀態(tài)自動機。

設定義2.1中服務組合的DFA模型拆分后的自動機為Asplit 。我們將以Asplit作為服務組合一致性研究的基礎模型。

定義2.2完全狀態(tài)跡。對Asplit中的qn∈F，如果，σ1，σ2，...，σk∈∑，使得q0×σ1→q1，q1×σ2→q2，...，qk-1×σk→qn，則稱q0，q1，...，qn的序列為Asplit上的一個完全狀態(tài)跡ω，Asplit上的所有完全狀態(tài)跡的集合記為Trace（Asplit）。

由完全狀態(tài)跡定義可知，ω即代表Asplit上的一條事務執(zhí)行路徑。Trace（Asplit）為Asplit中所有可能的事務執(zhí)行路徑集合。考慮到事務一致性判定中需要基于同一事務執(zhí)行路徑同時刻畫正常執(zhí)行與異常執(zhí)行下的變遷，定義2.2采用狀態(tài)遷移序列替代了通常由變遷序列所定義的自動機跡。在Asplit中由于任意兩個狀態(tài)間的遷移僅可能由唯一變遷引發(fā)，因此狀態(tài)序列將與變遷序列具備一一對應關系。

圖2秒殺購物場景服務組合確定有限自動機模型

定義2.3部分跡。在Asplit在中，對q∈Q，q*代表從狀態(tài)q出發(fā)可能到達的狀態(tài)集，如果q，q1，...，qn∈q*，σ1，σ2，...，σk∈∑滿足q×σ1→q1，q1×σ2→q2，...，qk-1×σk→qn，則稱 q，q1，...，qn所組成的序列為q到qn的部分跡，記做μ（q，qn）。

23異常處理模型

由文獻[10]可知，每個服務變遷所對應的子事務都有兩個正交的屬性：可補償性與可重試性。將兩正交屬性組合后，可得任一子事務其事務屬性取值集合為{（C，R），（C，NR），（NC，R），（NC，NR）}。endprint

定義2.4可補償變遷集SC。對σ∈∑，如果Comp（σ）=C則qσq′的變遷都屬于SC。其中Comp（σ）為獲得子事務可補償屬性的函數(shù)，其值域為{C，NC}。

定義2.5可重試變遷集SR。對σ∈∑，如果Retry（σ）=R則qσq′的變遷都屬于SR。其中Retry（σ）為獲得子事務可補償屬性的函數(shù)，其值域為{R，NR}。

定義2.6關鍵變遷集Spivot。對σ∈∑，如果Retry（σ）=NR∧Comp（σ）=NC則qσq′的變遷都屬于Spivot。

根據(jù)定義2.4-2.6，我們可在Asplit基礎上針對子事務的異常行為進行建模。根據(jù)2.1節(jié)中事務概念一致性分析可知，需要對Asplit進行補償與重試擴展，擴展規(guī)則為：

①對qσq′∈δ∧qσq′∈Sc ，δ=δ∪q′τcq；

②對qσq′∈δ∧qσq′∈Sr，δ=δ∪q′τrq.

因為在Asplit中我們已保證任意兩個狀態(tài)間僅可能由一個變遷引發(fā)，所以上述擴展規(guī)則將具有唯一性，基于此擴展后的δ可得：

定義2.7支持異常處理的擴展有限狀態(tài)自動機Aexec。Aexec也為五元組（Q，∑exec，δ，q0，F(xiàn)）：Q，δ，q0，F(xiàn)與定義2.1相同；∑execM∪{τc，τr}，其中M同定義2.1，{τc，τr}為異常行為變遷動作，分別對應補償動作和重試動作引發(fā)的變遷。

對于SC集合中的元素，都為可補償子事務，其異常處理方式為執(zhí)行補償任務并恢復到未執(zhí)行前的狀態(tài)。在Aexec中，所有τc補償動作所引發(fā)的變遷集合為補償變遷集，其形式化的定義為：

定義2.8補償變遷集TRc。在Aexec中q∈Q，如果qτcq′∈δ，則qτcq′∈δ∈TRc。

類似的，SR集合中的元素，都為可重試子事務，其異常處理方式為不斷重試當前動作直到其成功變遷到下一狀態(tài)。在Aexec中，所有重試動作所引發(fā)的變遷集合為重試變遷集，其形式化的定義為：

定義2.9重試變遷集TRr。在Aexec中q∈Q，如果q′τrq∈δ，則q′τrq∈δ∈TRr。

從文獻[14，18]對服務組合事務一致性分析可知，組合事務能否保持一致性僅和其異常處理動作相關。事務發(fā)生異常時，若整個事務要保持一致性，則必然可通過若干重試變遷到達終止狀態(tài)，或通過若干補償變遷到達初始狀態(tài)。結合定義2.6中的Aexec與TRc，TRr兩個變遷集合，可構造出僅包含異常處理相關動作和變遷的確定有限狀態(tài)自動機。

定義2.10異常處理確定有限狀態(tài)自動機Aexhandler。Aexhandler為五元組（Qcr，∑cr，δcr，q0，F(xiàn)cr）：q0同定義2.1；Fcr：F-f∈F∧fτcq′∈TRc∧q′τrf∈TRr；Qcr：Q-q∈Q∧qσq′∈TRr∪TRc∧q′σq∈TRr∪TRc；∑cr∈{τc，τr}；δcr∈TRr∪TRc.

Aexhandler模型，由于僅考慮異常處理相關變遷，其變遷集合為補償變遷集和重試變遷集的并集，其變遷動作僅能為{τc，τr}中的一個。由Aexhandler構造過程易知，對Asplit中的狀態(tài)集Q，如果q∈Q其事務屬性唯一確定，則Asplit所構造的Aexhandler具備唯一性。

Aexhandler中終止狀態(tài)集Fcr為Asplit中的終止狀態(tài)集F去除所有孤立終止狀態(tài)后所得。某終止狀態(tài)為孤立終止狀態(tài)當且僅當此狀態(tài)所有的前繼變遷都為關鍵子事務。在此情況下，該終止狀態(tài)將緊隨關鍵子事務發(fā)生，進行一致性判定時，僅需考慮關鍵子事務前所有狀態(tài)即可，所以將此類孤立終止狀態(tài)從終止狀態(tài)集中去除。

Aexhandler中的狀態(tài)空間Qcr為Asplit狀態(tài)空間去除所有孤立狀態(tài)所得。狀態(tài)為孤立狀態(tài)當且僅當其所有前繼和后續(xù)變遷均為關鍵子事務。此類狀態(tài)的出現(xiàn)意味著服務組合中出現(xiàn)了不止一個關鍵子事務，此種情況與事務原子范圍的原子性違背，所以對這類狀態(tài)的去除，同樣不影響一致性判定。

3Web服務組合一致性檢測

31服務組合一致性判定

定義3.1補償跡。在Aexhandler中，μ（q，qn）稱為q的補償跡，記做μcomp（q），當且僅當μ（q，qn）所代表狀態(tài)序列中任意兩個相鄰狀態(tài)之間的變遷都為τc。所有μcomp（q）的集合記為Tracecomp（q）。

定義3.2重試跡。在Aexhandler中，μ（q，qk）稱為q的補償跡，記做μretry（q），當且僅當qk∈q*∧qk∈Fcr使μ（q，qk）所代表狀態(tài)序列中任意兩個相鄰狀態(tài)之間的變遷都為τr。所有μretry（q）的集合記為Traceretry（q）。

由于在Asplit中已針對可能存在的并發(fā)時序交錯建模，對Asplit進行概念一致性判定時，我們僅需考慮如下兩個問題：

問題1：是否每個事務執(zhí)行路徑中的任意一個狀態(tài)出現(xiàn)異常時，事務都能保證放松的原子性；

問題2：整個事務中的關鍵子事務是否會導致最終事務出現(xiàn)多個不一致的最終狀態(tài)。

定理1（事務一致性判定定理）。對服務組合系統(tǒng)，若其對應的Asplit可唯一構造異常處理有限狀態(tài)自動機Aexhandler，服務組合滿足事務一致性，當且僅當：

①在Asplit上，σ∈Σ∧qσq′∈ Spivot→（σ1∈∑∧σ≠σ1∧qσ1q′∈Spivot）

②在Asplit上，對σ∈Σ，如果qσq′∈Spivot，則對 ω∈Trace（Asplit） →qi，qj∈ω∧qiσqj∈δ；

③對q∈Qcr，ω∈Trace（Asplit）如果q在ω 所代表的序列上，則在Aexhandler上有：（μ（q，q0）ω→μ（q，q0）∈Tracecomp（q））∨（（qn ∈Fcr∧μ（q，qn）ω）→μ（q，qn）∈）Traceretry（q））.endprint

3.2服務組合一致性判定實施框架

在第2章中，對服務組合及其異常處理進行建模，在本節(jié)將討論服務組合的一致性判定的實施框架。圖 3 位服務組合一致性判定的實施框架。

結合第2章的分析，討論此實施框架的可行性。

Step1：流程的抽取

在此步驟中，服務設計者根據(jù)應用規(guī)約完成服務組合流程設計。在實際應用場景中，服務組合的建模方式具有多樣性（如UML活動圖，BPEL，形式化描述等）。但任何一種建模方式，其最終模型都將包含：參與流程的服務、服務間交互行為以及流程的基本結構這三個元素，從而使得根據(jù)這些組合模型轉變?yōu)楸疚闹械挠邢逘顟B(tài)自動機模型成為可能。目前已有大量 Pi 演算、Petri 網(wǎng)、UML 活動圖和 BPEL 等流程模型向自動機模型轉換的相關研究，因此選取自動機作為服務組合流程的描述，將不會成為實際實施的限制與障礙。

Step2：流程對應的確定有限狀態(tài)自動機的構建

根據(jù)第2章分析易知，在此步驟中需要完成事務狀態(tài)空間分析，事務初始與終止狀態(tài)設定，狀態(tài)之間遷移動作分析并在此基礎上完成自動機的構建。這個過程可以由設計人員根據(jù)應用規(guī)約手動進行，也可以根據(jù)第 1 步中的流程建模結果以及原始模型與有限狀態(tài)自動機模型之間的轉換規(guī)則進行自動轉換得到。通過這樣方式構建的有限狀態(tài)自動機中將往往包含兩個狀態(tài)間存在不同遷移動作的狀況，為后續(xù)的異常分析能夠進行，還需要對此原始自動機進行狀態(tài)拆分，得到任意狀態(tài)轉變都僅由唯一遷移引發(fā)的Asplit模型。

Step3：事務相關屬性的獲取

事務屬性采用文獻[10]提出的可重試性與可補償性概念。對組合事務的每個子事務設定事務屬性時需要流程設計人員對全局事務的處理工作具有一定的了解，同時綜合考慮補償代價等因素進行。本文與之前大量服務原子性與一致性相關研究一致，采納了任意子事務其事務屬性唯一確定的假定。但我們也注意到，實際應用環(huán)境下，由于應用的復雜性，服務本身可能具備不同狀態(tài)，同一服務在不同狀態(tài)下，將有可能具備不同的事務相關屬性。如對于銀行卡驗證服務，當用戶驗證出錯次數(shù)小于 3 次時，其可重試性為 R，但當出錯次數(shù)大于 3 時，其可重試性將為 NR。我們將在后續(xù)的研究中針對這一情況開展進一步的分析。

Step4：定理 1 中條件 1，2 的檢測

針對定理 1 中的條件 1 和條件 2，需要判斷關鍵子事務出現(xiàn)次數(shù)和位置。因此直接在Asplit上進行檢測。在實際實施過程中，這一步驟可以和步驟 5 同步進行，我們將在下一節(jié)算法分析中對此進行詳細的討論。

Step5：異常處理模型的構造

根據(jù) 2.2 節(jié)的分析，完成此步驟首先需要根據(jù)步驟 3 中事務屬性在步驟 2 的結果上附加補償變遷與重試變遷。

Step6：約簡模型上對定理 1 條件 3 的檢測，由于篇幅受限，本文并未介紹模型的約簡過程。

在約簡模型上的檢測可以得出一致性的最終判定結果。但我們也注意到，目前的檢測方式不方便業(yè)務人員快速定位一致性違背出現(xiàn)位置，這也將是我們的未來工作之一。

4結束語

Web服務組合中引入事務概念可以有效保障應用一致性增強服務組合的可靠性，但傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫事務的嚴格鎖定資源的方式不適合長周期、松耦合的服務計算環(huán)境。異常處理方式放松了ACID的要求，通過柔性模型達到概念上的原子性與一致性，此時滿足放松原子性的事務，不再能保證同時滿足事務概念上一致性，需要對服務組合的一致性單獨進行檢測。

本文基于確定有限狀態(tài)自動機，對服務組合的交互以及異常處理進行了建模，在此模型上進一步提出了服務組合一致性的判定定理。最后針對整個檢測過程，分析了其實施框架及主要步驟。

本文的進一步工作將包括對原始異常處理模型的約簡，以及同時兼顧概念一致與應用需求一致性的檢測以及在跨機構環(huán)境下，基于等價替換與公開視圖的組合建模與一致性判定。

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