CN102571789B - 一种增强soa可生存性的降级服务替换验证方法 - Google Patents

一种增强soa可生存性的降级服务替换验证方法 Download PDF

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CN102571789B CN201110457694.8A CN201110457694A CN102571789B CN 102571789 B CN102571789 B CN 102571789B CN 201110457694 A CN201110457694 A CN 201110457694A CN 102571789 B CN102571789 B CN 102571789B
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Abstract

本发明属于SOA技术领域,具体为增强SOA可生存性的降级服务替换验证方法。主要步骤：1.采用进程代数形式化建模WS-BPEL描述文件所体现的组合服务交互协议,包括：服务契约，成员服务可允许的消息交互；2.流程决策点，分析流程形式服务的消息操作（即发送、接受消息）选择。采用白盒策略描述WS-BPEL流程形式的替换服务和候选服务、以及服务组合和替换的上下文环境。3.将服务替换准则确定为服务相容性被定义为组合系统的可执行完成属性。在此基础上，4.验证实施替换后不影响系统相容性的降级服务替换，以及实施替换后的降级系统是否满足用户需求。本发明解决了现有技术无法验证降级服务替换正确性的问题。

Description

一种增强SOA可生存性的降级服务替换验证方法
技术领域
本发明属于SOA技术领域,具体涉及一种SOA降级服务替换正确性验证的方法。
背景技术
任何系统都不可避免地会发生故障。面向服务的架构SOA（Service Oriented Architecture）的软件（服务）系统也不例外。众所周知，以备用的候选服务替代产生故障的服务或系统，是一种性质有效的系统可用性增强方法。系统从发生故障到恢复正常工作的这个紧急修复时间内，成功实施服务替换面临的最大挑战是迅速找到可用的候选服务。作为一种特例，迅速找到与被替换服务完全等价的候选服务。
实践中，对于一个关键任务(Mission-Critical)系统，在其故障修复期间内，既无法期望系统立即恢复工作（因为故障），又不容忍整个系统彻底失效（因为承担着关键任务）。所能选择的，是一个具有可生存性的系统。即，系统不必工作在正常状态，但仍然能够继续提供有限的功能的服务，尤其是提供核心服务。在这种紧急情况下，允许降级服务替换是主要应急措施之一。
在这种可生存性环境中，降级服务替换面临的关键问题，是采取什么替换关系理论可保证实施替换后的系统仍可保持服务相容性。
中国专利申请（申请号200710025615.X，公开号101130402）给出了一种基于行为一致的服务替换方法。该方法要求，服务提供者在注册服务时须提供服务的行为描述，即合法操作序列。服务使用者在实施替换时检查候选服务与原始被替换服务的行为一致性。在服务替换时，行为一致性通过行为观察一致性规则来验证。
另一中国专利申请（申请号201110058676.2，公开号102082737A）给出了一种基于服务优先级的替换方法。该方法分析了组合服务的非功能属性，即服务质量QoS（Quality of Services），并以此定义服务优先级。专利申请201110058676.2不具备降级替换的能力和相应的验证技术。
上述两项中国专利申请，分别从功能属性和非功能属性方面仅保证了等价（或升级）服务替换的正确性，而不能完成降级服务可替换性的验证。在可生存性环境中的紧急修复时间内，往往难以迅速找到与被替换服务完全等价的候选服务。
此外，在愈来愈普及的云计算环境中，为了降低运维成本，服务消费者通常会主动采用降级服务。
因此，研究降级服务的可替换性验证技术很有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SOA降级服务替换正确性验证的方法，以解决现有技术只能从功能属性和非功能属性方面保证等价（或升级）服务替换的正确性，而不能完成降级服务可替换性的验证问题。
本发明是针对具有交互协议、流程形式服务的降级替换验证。一种典型的对象是国际工业标准WS-BPEL(Web Services – Business Process Execution Language)组合流程服务。对于替换服务和候选服务，以及服务组合和替换的上下文环境，其服务接口、接口上的消息操作以及消息交互协议均为已知。
任何软件系统都不可避免发生故障，系统从发生故障到恢复正常工作的紧急修复时间内，成功实施服务替换面临的最大挑战是迅速找到可用的候选服务。尤其是，很难迅速找到与被替换服务完全等价的候选服务。
本发明针对不同结构的候选服务，验证服务替换的正确性，特别地，验证降级服务替换的正确性，并满足如下要求：
确认实施替换后不影响系统相容性的降级服务替换；
确认实施替换后的系统能满足用户要求。
本发明提出的SOA降级服务替换正确性验证方法，其流程如附图1，具体步骤为：
步骤一、采用进程代数形式化建模WS-BPEL描述文件所体现的组合服务交互协议
国际工业标准WS-BPEL是最为广泛使用的组合服务描述方式。本发明利用进程代数这一形式化工具对服务及其组合环境进行形式化建模，如附图1中1.1所示。其中，成员服务及组合服务的系统模型表示为服务契约。服务契约用以描述服务外部可观测的消息行为；由于WS-BPEL提供了参与组合的服务集合、服务的调用关系和消息的往来信息，这里便可采用白盒策略描述WS-BPEL流程形式的替换服务和候选服务以及服务组合和替换的上下文环境（附图1中1.2）。
采用                                                
Figure 224316DEST_PATH_IMAGE001
演算描述一个WS-BPEL流程服务（即服务契约）C，具体语法如下：
Figure 119329DEST_PATH_IMAGE002
这里，
Figure 416635DEST_PATH_IMAGE004
表示流程服务的一个接口。
Figure 539443DEST_PATH_IMAGE005
表示发送消息操作，即沿接口
Figure 672484DEST_PATH_IMAGE004
发出消息
Figure 725891DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 877255DEST_PATH_IMAGE007
表示接收消息操作，即沿接口
Figure 420232DEST_PATH_IMAGE008
接收消息 
Figure 525723DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 382820DEST_PATH_IMAGE010
表示没有消息交互的内部操作。
服务契约的操作语义规则详见附图1。其中，
Figure 139424DEST_PATH_IMAGE011
表示服务契约
Figure 102569DEST_PATH_IMAGE012
执行操作
Figure 147886DEST_PATH_IMAGE013
后演化为
Figure 605412DEST_PATH_IMAGE014
。
Figure 154205DEST_PATH_IMAGE015
表示隐藏操作， 意味着在
Figure 55296DEST_PATH_IMAGE012
中的消息操作 
Figure 384646DEST_PATH_IMAGE008
变为
Figure 459630DEST_PATH_IMAGE010
。即，当多个服务组合成一个服务系统时，某些服务可能仅提供部分接口，并且某些接口及其相关消息操作变成了内部不可观察的。
步骤二、建立流程决策点，分析WS-BPEL流程形式服务的消息交互行为
在WS-BPEL流程服务交互环境中，区分三类服务契约的决策点：
（1）仅有发送消息操作的决策点； 
（2）仅有接受消息操作的决策点；
（3）同时包括发送消息操作和接受消息操作的决策点。
其中，第三类流程决策点是指同一服务接口的发送消息操作和接受消息操作。
步骤三、建立服务替换正确性准则，定义服务相容性
包括两大部分：其一，是在所有计算路径上完成属性，如附图1中3.1，其二，在部分计算路径上的“测试成功”，如附图1中3.2部分。
如附图1中2所示，一组WS-BPEL流程服务
Figure 128508DEST_PATH_IMAGE016
组合，记为系统
Figure 449768DEST_PATH_IMAGE017
。系统
Figure 938518DEST_PATH_IMAGE018
满足完成相容属性，记为，如果下列条件之一成立：
(1) 如果
Figure 339861DEST_PATH_IMAGE018
是自包含系统，对于任意
Figure 504126DEST_PATH_IMAGE020
以致
Figure 57336DEST_PATH_IMAGE021
，；
(2) 如果
Figure 851297DEST_PATH_IMAGE018
是开放系统，对于任意
Figure 452042DEST_PATH_IMAGE023
以致
Figure 977701DEST_PATH_IMAGE024
，存在
Figure 633680DEST_PATH_IMAGE025
以致。
步骤四、降级服务替换正确性验证
包括两部分（如附图1中4）：其一,服务子契约以较少的可交换消息集保持了所有计算路径上的服务相容性，如附图1中4.1；其二,服务契约的测试精化，在部分计算路径上保持了服务相容性，如附图1中4.2。
一个WS-BPEL流程服务契约
Figure 700042DEST_PATH_IMAGE027
是另一服务契约
Figure 916259DEST_PATH_IMAGE028
的子契约，记为
Figure 611814DEST_PATH_IMAGE029
，如果下列条件成立：
（1）如果是一个决策点（即顶层操作是一个选择），那么
Figure 703584DEST_PATH_IMAGE027
也是一个和
Figure 453103DEST_PATH_IMAGE028
具有相同类型的决策点；
（2）对于每个接收消息操作
Figure 201616DEST_PATH_IMAGE030
以致
Figure 221656DEST_PATH_IMAGE031
，存在
Figure 335105DEST_PATH_IMAGE032
以致
Figure 322653DEST_PATH_IMAGE033
；
（3）对于每个发送消息操作以致,存在
Figure 538149DEST_PATH_IMAGE036
,以致
Figure 498145DEST_PATH_IMAGE033
。
在上述条件中，条件（1）要求二者具有相同类型的决策点；条件（2）要求子契约不能提供更少的接收消息的能力；条件（3）要求子契约不能有更少的发送消息决定性选择。递归条件描述了在交互协议中对操作次序的要求。
如果，WS-BPEL流程服务契约
Figure 526144DEST_PATH_IMAGE027
是
Figure 770044DEST_PATH_IMAGE028
的子契约，那么，对于相同的运行环境
Figure 536880DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 436703DEST_PATH_IMAGE027
替换
Figure 65131DEST_PATH_IMAGE028
后不改变系统原有的完成属性,即：
如果
Figure 101220DEST_PATH_IMAGE029
，那么，
Figure 540423DEST_PATH_IMAGE037
。
在使用子契约实施替换后，一个系统仍可保持系统原有的相容性。
然而，由于使用子契约实施的替换是不等价替换，所以，系统的某些服务行为可能会受到影响。这个影响分为两方面：
第一，如果子契约提供了更多的消息接收能力，并且具有相同的发送消息非决定性选择，那么，这个替换不影响系统的运行，并且系统将具有更多的服务能力。
第二，如果子契约提供了更多的消息接收能力，但是发送消息的非决定性选择减少，即发送更少的消息，那么，替换会对系统的全局行为产生两个方面的影响，即：
（1） 较少的消息交换集合；
（2）较少的可完成计算路径。
最后，实现了增强SOA系统可生存性的降级服务替换，如附图1中5。
这里，用保留的服务契约来描述降级服务替换后用户期望保留的系统功能，记为
Figure 724279DEST_PATH_IMAGE038
。其中，是WS-BPEL流程服务系统。依据正确服务替换的要求，实施服务替换后必须满足 
Figure 561840DEST_PATH_IMAGE039
。
令
Figure 358895DEST_PATH_IMAGE041
。其中，
Figure 30047DEST_PATH_IMAGE043
是WS-BPEL流程服务契约，且
Figure 751010DEST_PATH_IMAGE022
,
Figure 761691DEST_PATH_IMAGE045
。对于任意
Figure 791964DEST_PATH_IMAGE046
， 
Figure 199681DEST_PATH_IMAGE047
如果下列条件成立：
(1) 
Figure 911285DEST_PATH_IMAGE048
；
(2) 对于每个消息发送操作
Figure 104369DEST_PATH_IMAGE049
以致
Figure 56275DEST_PATH_IMAGE051
,在 
Figure 374124DEST_PATH_IMAGE052
中也存在
Figure 951736DEST_PATH_IMAGE049
。
本发明采用进程代数对已注册的流程服务进行行为建模（即服务契约），而不要求服务提供者在注册服务时必须提供服务的行为描述。对于替换关系，本发明的技术采用偏序关系(即子服务契约)，而不是等价关系理论（如行为一致性等）。因此可获得专利申请200710025615.X所不具备的降级服务替换能力。
本发明的核心内容，即流程服务降级替换验证技术，在功能属性分析方面突破了既有的等价（或升级）服务替换技术。
本发明采用进程代数将具有交互协议的、流程形式的服务进行形式化建模；采用白盒策略，通过描述交互服务允许的接收/发送消息序列，刻画服务的消息交互行为。通过描述服务系统的契约，刻画成员服务间可允许的交互行为。服务替换准则即服务相容性被定义为组合系统的执行可完成属性。在此基础上，可验证实施替换后不影响系统相容性的降级服务替换，以及实施替换后的系统是否满足用户要求。
附图说明
图1为增强SOA系统可生存性的降级服务替换验证流程。
图2为服务契约操作语义规则。
图3为组合服务应用系统Travel。
图4具有不同的内部结构的两个WS-BPEL服务。
图5为降级形式的Travel服务。
具体实施方式
以下以旅行组合服务应用Travel为例，说明本发明的具体实施例。如附图3所示，一个简化的 Travel 应用，包括四个成员服务： Travel、Hotel、Airline和Bank。Travel接受并响应来自客户的请求，Hotel 和 Airline 分别提供酒店和航班的预定服务，Bank 为其他服务提供公共的支付服务。
在服务组合应用 Travel 中，每个角色都可由来自不同服务提供商的不同版本的具体WS-BPEL服务来实现。成员服务 Travel 也是如此。在正常情况下，Travel 的相关服务由具体服务 Trvl1 来实现。现在，由于某些系统故障，Trvl1 失效。于是，寻找 Travel 的另一具体实现Trvl2是保持整个流程得以继续执行的一种有效的办法。具体WS-BPEL服务Trvl1和Trvl2具有不同的内部结构，如附图4所示。
现验证采用替换
Figure 552493DEST_PATH_IMAGE054
后Travel系统的正确性，具体过程如下：
1、采用进程代数对两个WS-BPEL服务进行形式化建模，得到如下服务契约：
 
Figure 419955DEST_PATH_IMAGE055
；
；
其中，
Figure 126191DEST_PATH_IMAGE057
。
2、采用流程决策点分析
Figure 669168DEST_PATH_IMAGE054
与
Figure DEST_PATH_IMAGE058
。两个WS-BPEL流程均包括三个流程决策点，即航班预订
Figure 538773DEST_PATH_IMAGE059
、酒店预订
Figure DEST_PATH_IMAGE060
以及支付
Figure 192608DEST_PATH_IMAGE061
。
关于航班预订，
Figure 965523DEST_PATH_IMAGE058
与
Figure 679401DEST_PATH_IMAGE054
具有相同的决策点，即相同的接受和发送消息；关于决策点“酒店预订”，
Figure 459138DEST_PATH_IMAGE058
比
Figure 165932DEST_PATH_IMAGE054
具有更少的发送消息操作；关于决策点“支付”，
Figure 42621DEST_PATH_IMAGE058
比
Figure 678133DEST_PATH_IMAGE054
具有更多的接受消息操作。
3、服务替换的正确性准则为服务相容性，即
Figure DEST_PATH_IMAGE062
。
4、验证
Figure 7483DEST_PATH_IMAGE058
替换
Figure 517968DEST_PATH_IMAGE054
后Travel系统的正确性。
依据流程服务子契约，
Figure 186846DEST_PATH_IMAGE063
。因此，采用替换
Figure 996857DEST_PATH_IMAGE054
后的Travel系统将仍然保持相容性，即
Figure DEST_PATH_IMAGE064
。
然而，由于
Figure 812497DEST_PATH_IMAGE058
比
Figure 398199DEST_PATH_IMAGE054
具有更少的发送消息操作，采用替换
Figure 121533DEST_PATH_IMAGE054
后的Travel系统将以降级的形式提供服务，如附图5所示。采用
Figure 724553DEST_PATH_IMAGE058
替换后的Travel系统，仅只能提供预订酒店Htl1的服务，而不能再提供预订酒店Htl2的服务。
最后，还需验证采用
Figure 516240DEST_PATH_IMAGE058
替换
Figure 353483DEST_PATH_IMAGE054
后的Travel系统是否满足用户需求。
如果用户要求必需保留预订酒店Htl1的服务，那么，可以采用
Figure 760194DEST_PATH_IMAGE058
替换
Figure 992592DEST_PATH_IMAGE054
，即。
如果用户要求必需保留预订酒店Htl2的服务，那么，采用
Figure 527927DEST_PATH_IMAGE058
替换
Figure 472749DEST_PATH_IMAGE054
是不正确的。考虑另一个WS-BPEL实现：
Figure DEST_PATH_IMAGE066
。
此时，
Figure 136818DEST_PATH_IMAGE067
。
通过考察服务组合应用 Trave中采用
Figure 141683DEST_PATH_IMAGE058
替换的正确性，说明了本发明在具体实施过程是可行的。
本发明的另一种实施例是用于降低云计算中软件（服务）的运维成本的主动降级服务替换的正确性验证。
在云计算中，云服务商提供云服务,用户为使用的服务进行按需支付。为此，提供商主动提供多种等级化的服务选择，并辅以更为经济的付费模式和价格。云用户可以选择自我需要的降级服务，替换业务流程或工作流中原有成员服务。从而达到节省成本的目的。
在云计算实施例中，实施方式是形式化描述WS-BPEL服务与验证满足用户需求的降级服务替换正确性。在主动降级时，用户更多考虑在要求的部分路上的相容性。在验证满足用户需求的降级服务替换正确性时，仍须依据组件4.1的服务子契约关系保证系统在所有路径上的相容性，或者依据组件4.2的“测试成功”保持用户要求的部分路上的相容性。 

Claims (1)

1.一种增强SOA可生存性的降级服务替换验证方法，其特征在于具体步骤为：
步骤一、采用进程代数形式化建模WS-BPEL描述文件所体现的组合服务交互协议
利用进程代数这一形式化工具对服务及其组合环境进行形式化建模，其中，成员服务及组合服务的系统模型表示为服务契约；所述服务契约用以描述服务外部可观测的消息行为；由于WS-BPEL提供了参与组合的服务集合、服务的调用关系和消息的往来信息，这里采用白盒策略描述WS-BPEL流程形式的替换服务和候选服务以及服务组合和替换的上下文环境；
采用                                                
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE001
演算描述一个WS-BPEL流程服务即服务契约C，具体语法如下：
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE002
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE003
这里，
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE004
表示流程服务的一个接口，
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE005
表示发送消息操作，即沿接口发出消息
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE007
；表示接收消息操作，即沿接口接收消息 
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE011
表示没有消息交互的内部操作；
根据服务契约的操作语义规则，
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE012
表示服务契约执行操作
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE014
后演化为
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE016
表示隐藏操作， 意味着在
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE017
中的消息操作 
Figure 717983DEST_PATH_IMAGE004
变为
Figure 635124DEST_PATH_IMAGE011
，即，当多个服务组合成一个服务系统时，某些服务仅提供部分接口，并且某些接口及其相关消息操作变成了内部不可观察的；
步骤二、建立流程决策点，分析WS-BPEL流程形式服务的消息交互行为
在WS-BPEL流程服务交互环境中，区分三类服务契约的决策点：
（1）仅有发送消息操作的决策点； 
（2）仅有接受消息操作的决策点；
（3）同时包括发送消息操作和接受消息操作的决策点；
其中，第三类流程决策点是指同一服务接口的发送消息操作和接受消息操作；
步骤三、建立服务替换正确性准则，定义服务相容性
包括两大部分：其一，是在所有计算路径上完成属性；其二，在部分计算路径上的“测试成功”；
设一组WS-BPEL流程服务
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE018
组合，记为系统
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE019
；系统
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE020
满足完成相容属性，记为，如果下列条件之一成立：
(1) 如果
Figure 131307DEST_PATH_IMAGE020
是自包含系统，对于任意以致，；
(2) 如果
Figure 11669DEST_PATH_IMAGE020
是开放系统，对于任意
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE025
以致
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE026
，存在
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE027
以致；
步骤四、降级服务替换正确性验证
包括两部分：其一,服务子契约以较原契约更少的可交换消息集保持了所有计算路径上的服务相容性；其二,服务契约的测试精化，在部分计算路径上保持了服务相容性；
一个WS-BPEL流程服务契约
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE029
是另一服务契约
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE030
的子契约，记为
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE031
，如果下列条件成立：
（1）如果
Figure 950675DEST_PATH_IMAGE030
是一个决策点即顶层操作是一个选择，那么
Figure 773138DEST_PATH_IMAGE029
也是一个和
Figure 446696DEST_PATH_IMAGE030
具有相同类型的决策点；
（2）对于每个接收消息操作以致
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE033
，存在
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE034
以致；
（3）对于每个发送消息操作
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE036
以致
Figure DEST_PATH_IMAGE037
,存在
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE038
,以致
Figure DEST_PATH_IMAGE039
；
如果，WS-BPEL流程服务契约
Figure 802853DEST_PATH_IMAGE029
是
Figure 471732DEST_PATH_IMAGE030
的子契约，那么，对于相同的运行环境
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 855309DEST_PATH_IMAGE029
替换后不改变系统原有的完成属性,即：
如果
Figure 549912DEST_PATH_IMAGE031
，那么，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
 ；
在使用子契约实施替换后，一个系统仍保持系统原有的相容性；
然而，由于使用子契约实施的替换是不等价替换，所以，系统的某些服务行为会受到影响，这个影响分为两方面：
第一，如果子契约提供了更多的消息接收能力，并且具有相同的发送消息非决定性选择，那么，这个替换不影响系统的运行，并且系统将具有更多的服务能力；
第二，如果子契约提供了更多的消息接收能力，但是发送消息的非决定性选择减少，即发送更少的消息，那么，替换会对系统的全局行为产生两个方面的影响，即：
（1）较原契约更少的消息交换集合；
（2）较原契约更少的可完成计算路径；
最后，实现增强SOA系统可生存性的降级服务替换；
这里，用保留的服务契约来描述降级服务替换后用户期望保留的系统功能，记为
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE042
；其中，
Figure 604456DEST_PATH_IMAGE020
是WS-BPEL流程服务系统；依据正确服务替换的要求，实施服务替换后必须满足 
Figure DEST_PATH_IMAGE043
；
令
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE044
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
是WS-BPEL流程服务契约，且
Figure DEST_PATH_IMAGE046
,
Figure 925978DEST_PATH_IMAGE043
；对于任意
Figure DEST_PATH_IMAGE047
， 如果下列条件成立：
(1) 
Figure DEST_PATH_IMAGE049
；
(2) 对于每个消息发送操作
Figure DEST_PATH_IMAGE050
以致
Figure 2011104576948100001DEST_PATH_IMAGE051
,在 
Figure DEST_PATH_IMAGE052
中也存在
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。
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