費 琪

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061)

0 引 言

SOA系統(tǒng)往往是由數(shù)量巨大的用戶、業(yè)務、服務集成的龐大系統(tǒng)，由于不同用戶的需求多樣，使得SOA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運行機理呈現(xiàn)出復雜性[1]。具體表現(xiàn)為：為完成一項用戶請求的業(yè)務，系統(tǒng)中服務與服務之間需要并存在通信與互操作[2-3]；根據(jù)用戶需求，業(yè)務與業(yè)務之間也存在相互協(xié)作；作為SOA的一大優(yōu)勢(節(jié)省成本)，服務可以被不同業(yè)務重復使用；隨著時間的推移，用戶數(shù)量的增長以及業(yè)務范圍的擴大，越來越多的服務會被加入，使得系統(tǒng)越來越龐大[4]；若干SOA子系統(tǒng)可以組合為一個更為龐大的系統(tǒng)[5-6]。

目前對復雜系統(tǒng)進行可靠性建模并進行可靠性評價存在很大的困難，傳統(tǒng)的可靠性建模與分析方法如可靠性框圖方法(RBD)、故障模式與影響分析方法(FMECA)、故障樹分析方法(FTA)[7]等受限于系統(tǒng)規(guī)模，往往針對系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進行建模分析，同時很難顧及發(fā)生在系統(tǒng)上的復雜動力學行為對系統(tǒng)造成的影響[8-9]。

文中針對復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性評估的研究框架如圖1所示。

圖1 整體研究框架

1 SOA復雜網(wǎng)絡可靠性模型構(gòu)建

BPEL流程在執(zhí)行過程中會在不同的操作中進行轉(zhuǎn)換，在WSDL中描述了一個服務所包含的操作，BPEL中描述操作時，會指明此操作的parternerlink及porttype，也即指明此操作歸屬的服務。因此要獲取服務與服務間的關(guān)系，只需獲取操作間的關(guān)系即可。

通過對BPEL規(guī)范進行分析，BPEL由8種原子類型活動(receive，reply，invoke，assign，throw，exit，wait，emty)[10]和8種結(jié)構(gòu)類型的活動(sequence，if，pick，flow，while，repeatUntil，forEach，scope)[11]組成，其中assign為使用新的數(shù)據(jù)對變量的值進行更新；emty，wait，throw和exit為業(yè)務流程處理中的活動。這5個原子類型的活動既沒有Web服務與之對應也沒有結(jié)構(gòu)化的特征，因此不予考慮。receive活動和reply活動為一個請求-應答流程，構(gòu)成了WSDL中的請求-響應操作，invoke活動主要是業(yè)務流程調(diào)用由伙伴在porttype上提供的單向請求操作，即invoke活動對應于一個服務的執(zhí)行需調(diào)用外界服務。invoke活動表示服務與服務之間的相互調(diào)用關(guān)系。

在BPEL的8個結(jié)構(gòu)化活動中，sequence，if，while，repeatUntil和序列化的forEach活動提供活動之間的一般順序控制；flow和并行化的forEach活動則提供活動之間的并發(fā)和同步控制；pick提供基于外部事件的不確定的選擇。

sequence活動包含一個或多個需要順序執(zhí)行的操作；if活動和pick活動提供了選擇控制操作；flow活動提供了多個操作的同步與并發(fā)；while活動為特定的操作重復執(zhí)行，直至條件與while判定條件不符合才終止；repeatUntil活動為執(zhí)行一次它所包含的活動后，再重復執(zhí)行此操作，直至條件與repeatUntil判定條件不符合才終止；scope活動提供一個執(zhí)行順序?qū)Π谄渲械幕顒樱籪orEach活動將所包含的scope活動執(zhí)行N+1次，其中N為常數(shù)。

由上述分析可知，從一個BPEL獲取操作對應的原子活動為：receive及invoke；操作間的關(guān)系取決于結(jié)構(gòu)化活動描述，主要包含如下兩種：順序執(zhí)行(sequence)、并行執(zhí)行(處于并列地位的操作)(if、pick、flow)，而while活動、repeatUntil無非是將上述結(jié)構(gòu)化活動重復執(zhí)行，scope與forEach活動類似，從獲取操作間的關(guān)系考慮，可以忽略重復執(zhí)行。

定義1：SOA復雜網(wǎng)絡可靠性模型為(S,R)，其中S=(S1,S2,…,Sn)，表示服務的向量集合，Si表示第i個服務；

表示服務間的依賴關(guān)系，其中Rij表示服務Si與服務Sj間的相互調(diào)用關(guān)系，Rij的取值范圍為{-1,0,1,2}。Rij=-1表示服務Sj調(diào)用服務Si；Rij=0表示服務Si與服務Sj相互間無關(guān)聯(lián)；Rij=1表示服務Si調(diào)用服務Sj；Rij=2表示服務Si與服務Sj間相互調(diào)用。

定義2：操作符⊕為關(guān)系模型和算子，定義如下：

其中，a、b的取值范圍為{-1,0,1,2}。

由上述定義可知，關(guān)系模型和算子⊕符合交換律及結(jié)合律：

交換律：a⊕b=b⊕a；

結(jié)合律：a⊕b⊕c=a⊕(b⊕c)。

獲取SOA復雜網(wǎng)絡可靠性模型算法如下：

Step1：獲取SOA架構(gòu)復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)中所有的WSDL文件，每個WSDL對應一個服務，從而獲取SOA網(wǎng)絡模型中的服務向量集合S，針對每個WSDL文件獲取各服務下所含的operation。

Step2：對服務間的依賴關(guān)系進行初始化，R=0表示各服務相互間無依賴關(guān)系。

Step3：對第一個BPEL進行遍歷，獲取BPEL文件所涵蓋操作及操作歸屬服務間的依賴關(guān)系。

操作獲取主要通過讀取BPEL中的receive原子活動及invoke活動所調(diào)用的操作，通過partnerlink及porttype獲取操作所歸屬的服務。操作間的關(guān)系主要通過讀取BPEL中的sequence及if、pick、flow結(jié)構(gòu)活動進行獲取，從結(jié)構(gòu)圖的角度進行考慮，無外乎圖2～圖4幾種結(jié)構(gòu)。

圖2 單順序結(jié)構(gòu)

圖3 單并列結(jié)構(gòu)

圖4 混合結(jié)構(gòu)

對于圖2，依據(jù)服務間關(guān)系定義可知：R(op1,op2)=-1，R(op2,op3)=-1；對于圖3，op1，op2，op3相互間不存在調(diào)用，故相互間依賴關(guān)系值為0；對于圖4可知：R(op1,op2)=-1，R(op1,op3)=-1，R(op2,op4)=-1，R(op3,op5)=-1，R(op4,op5)=-1。

依據(jù)Step1及Step3獲取操作所對應的服務，并分別將結(jié)構(gòu)圖中的操作修正為服務，從而可獲取服務與服務間的依賴關(guān)系，并更新步驟2中的R，R=R1。

Step4：對SOA架構(gòu)復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)中所有的BPEL類似于Step3進行遍歷，獲取由每個BPEL獲取的服務與服務間的依賴關(guān)系，即R2,R3,…,Rn。

Step5：SOA復雜網(wǎng)絡可靠性模型中的服務間依賴關(guān)系為R=R1⊕R2⊕…⊕Rn。

經(jīng)Step1～Step5即可構(gòu)建出SOA復雜網(wǎng)絡可靠性模型。

2 SOA復雜網(wǎng)絡可靠性脆弱性分析

解決網(wǎng)絡可靠問題的有效方法為對網(wǎng)絡進行脆弱性分析[12]。在簡單網(wǎng)絡拓撲圖中，單個網(wǎng)絡節(jié)點是可靠的，但在復雜網(wǎng)絡環(huán)境下，單個網(wǎng)絡節(jié)點不一定可靠，因此單節(jié)點可靠，不代表整個網(wǎng)絡可靠。通過對復雜網(wǎng)絡環(huán)境進行網(wǎng)絡脆弱性分析可以評估網(wǎng)絡整體的可靠性[13-14]。SOA架構(gòu)的軟件往往服務節(jié)點數(shù)多、結(jié)構(gòu)復雜，因此通過對SOA復雜網(wǎng)絡進行脆弱性分析找到影響系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點，提高關(guān)鍵節(jié)點的可靠度從而可提高系統(tǒng)的可靠度。

2.1 可靠性模型靜態(tài)信息度量

影響系統(tǒng)的脆弱性參數(shù)有很多，例如介數(shù)、出度、入度等[13]，文中選取節(jié)點的出度來衡量節(jié)點的重要程度。節(jié)點的出度越大，表明調(diào)用該節(jié)點的節(jié)點個數(shù)越多，因此該節(jié)點的可靠性更易影響系統(tǒng)的可靠度。

由第1節(jié)獲取的服務間依賴關(guān)系R可計算出各服務的出度，如服務Si的出度計算公式為：矩陣R的第i行大于0的個數(shù)。

2.2 可靠性模型動態(tài)分析—故障相關(guān)性的脆弱性分析

在考慮復雜網(wǎng)絡故障相關(guān)性的脆弱性分析工作中，依次對各服務注入故障，采用蒙特卡洛仿真實驗對系統(tǒng)的動態(tài)過程進行計算機仿真，觀察此服務的故障對系統(tǒng)最終造成的影響。該方法采用的評價指標為系統(tǒng)中受影響的服務的數(shù)目(或比例)，且假設(shè)各服務間調(diào)用概率已知。

故障相關(guān)性脆弱性分析算法如下：

Step1：對服務Si注入故障，即假設(shè)服務Si節(jié)點運行不正常。

Step2：對調(diào)用服務Si的所有節(jié)點進行故障傳播仿真實驗。假設(shè)P(Si,Sj)≤Random(0,1)表示服務Si故障不能傳播到服務Sj，P(Si,Sj)>Random(0,1)表示服務Si故障能傳播到服務Sj，若Si故障傳播到服務Sj，則繼續(xù)對服務Sj做故障傳播仿真實驗，直至當前故障節(jié)點后續(xù)無節(jié)點或通過仿真實驗當前故障節(jié)點不能傳播到調(diào)用其服務的節(jié)點為止。計算服務Si所影響到的服務個數(shù)。為更好地仿真系統(tǒng)實際運行，重復Step2實驗n次，對n次實驗服務Si所影響到的服務個數(shù)求和并取平均值即可得到服務Si所影響到的服務個數(shù)。(P(Si,Sj)表示服務Sj調(diào)用服務Si的概率，Random(0,1)表示在(0，1)間的隨機生成數(shù))

Step3：對所有的服務做Step2實驗，對各服務所影響的服務個數(shù)進行排序，服務故障所影響的服務個數(shù)越多，表明此服務在SOA系統(tǒng)中越關(guān)鍵，需提高其可靠度。

故障相關(guān)性的脆弱性分析流程如圖 5所示。

3 SOA復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性評估

目前主要是通過建立剖面，對軟件進行測試，獲取失效數(shù)據(jù)，選取可靠性模型，從而得到系統(tǒng)可靠度。針對復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)，因其系統(tǒng)大，測試耗費時間較長，對其組成的各服務經(jīng)過測試，可利用傳統(tǒng)可靠性評估方法獲取各服務的可靠度，利用各服務的可靠度結(jié)合復雜網(wǎng)絡可靠性評估模型可求得系統(tǒng)可靠度。該方法相比傳統(tǒng)可靠性評估方法所得結(jié)果精確、耗費時間少。

復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性評估輸入為：復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性模型、復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)各服務可靠度、復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)各服務間調(diào)用概率；輸出為：復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠度。該方法假設(shè)復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)各服務可靠度已通過傳統(tǒng)可靠性評估方法求得；復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)各服務間調(diào)用概率已知。

圖5 故障相關(guān)性脆弱性分析

復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性評估算法如下：

Step1：在構(gòu)建的復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性模型基礎(chǔ)上，根據(jù)各服務的可靠度，通過蒙特卡洛仿真實驗獲取系統(tǒng)失效的服務，即得到系統(tǒng)的故障源。

Step2：利用2.2節(jié)“故障相關(guān)性的脆弱性分析方法”獲取Step1中系統(tǒng)故障源所影響的服務個數(shù)，計算所影響服務個數(shù)所占比例G。

Step4：對Step1～Step3重復n次，記錄系統(tǒng)運行失效的次數(shù)為nf。

復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性評估流程如圖6所示。

圖6 復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性評估流程

4 應用驗證

以在某SOA項目測試中的模型為依據(jù)說明文中方法的有效性。該SOA系統(tǒng)由5個服務節(jié)點組成，基于WSDL文件及BPEL文件構(gòu)建出的可靠性模型如圖7所示。

圖7 某項目SOA可靠性模型

假設(shè)服務A、B、C、D、E間調(diào)用關(guān)系服從等概率事件：即在調(diào)用關(guān)系圖中，任一服務調(diào)用其他服務概率相等。則服務A故障傳播到服務B的概率為1/2，服務A故障傳播到服務C的概率為1，服務A故障傳播到服務D的概率為1，服務A故障傳播到服務E的概率為1/3；服務C故障傳播到服務E的概率為1/3；服務D故障傳播到服務B的概率為1/2，服務D故障傳播到服務E的概率為1/3。

依據(jù)2.1 “可靠性模型靜態(tài)信息度量”，求得各服務的出度，如表1所示。

表1 服務出度度量

依據(jù)2.2“可靠性模型動態(tài)分析—故障相關(guān)性的脆弱性分析”對上述模型進行仿真實驗，各節(jié)點仿真1 000次，求得的各節(jié)點故障后平均影響的服務數(shù)如表2所示。

表2 服務脆弱性分析

服務B及服務E后繼無節(jié)點，故二者故障后，平均影響的服務數(shù)為自身，結(jié)合服務的出度及服務故障傳播所影響的服務數(shù)，可定性地認為服務重要程度排序為：服務A>服務D>服務C>服務B(服務E)。如果要提升系統(tǒng)的可靠性，首先需保障服務A的可靠度足夠大。

假設(shè)服務A的可靠度為0.98，服務B的可靠度為0.95，服務C的可靠度為0.89，服務D的可靠度為0.85，服務E的可靠度為0.8，利用第3節(jié)“復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性評估”所求得的可靠度曲線如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)可靠度

由圖8可知，所有服務故障時才算系統(tǒng)失效，對應的系統(tǒng)可靠度趨近于1，所有服務正常才算系統(tǒng)正常，對應的系統(tǒng)可靠度接近于0。

5 結(jié)束語

文中給出了基于復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性評估方法，首先通過分析SOA架構(gòu)系統(tǒng)軟件的WSDL文件及BPEL文件構(gòu)建可靠性模型；其次通過對可靠性模型進行靜態(tài)信息度量及動態(tài)故障傳播，獲取對復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性影響程度由高到低的節(jié)點排序；最后通過系統(tǒng)仿真實驗給出SOA架構(gòu)軟件的可靠度計算方法。