CN104598619A - 一种基于约束求解器的服务组合验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种基于约束求解器的服务组合验证方法，包含对WSDL，BPEL文档解析得到相关元素和变量的属性和取值，生成CFG图，描述CFG图，求解器求解等步骤。1)Web服务文档解析过程，包括对WSDL文档和BPEL文档的解析，2)根据BPEL中定义的命名空间对应关系，取得BPEL中变量在对应的WSDL中的元素属性信息，3)根据BPEL文档生成服务组合的控制流图即CFG图；4)建立一个一阶公式描述CFG图。5)结合Z3求解器对输入的语法要求，生成符合求解器输入格式的约束条件；6)将上几步中生成的约束条件及逻辑公式代入Z3求解器，进行验证。该方法从Web服务文档出发，对服务文档进行分析，可方便高效地验证Web服务。

Description

一种基于约束求解器的服务组合验证方法

技术领域

本发明给出了一种基于约束求解器的Web服务组合验证方法的设计方案，主要解决Web服务组合验证正确性的问题，属于Web服务组合验证领域。

背景技术

随着计算机网络跨越式发展和分布式系统的不断创新推进，由于Web服务(Web Services)成功结合了过去的设计要素，采用概念和技术创新的设计理念和设计元素，现在已被计算机界广泛认可并成为新的研究热点。现在网络上的Web服务数目日益增加，但是为了能够重用服务，单个Web服务一般都只实现特定的功能，难以满足企业的复杂应用需求。如果能将已经存在的Web服务按照一定的业务流程合理组合起来，形成一个复合Web服务，就能够提供更加强大的功能，满足用户实际的需要。

Web服务组合技术可提供功能丰富的业务流程，但是如何判断组合的Web服务是否满足用户的业务需求，如何判断组合的Web服务在运行中有没有出现问题，企业在真正应用Web服务组合解决实际问题前必须认真考虑这些问题。Web服务组合技术由于推出时间比较短，体系结构、技术实现等方面还不是很完善，因而在实际应用中会面临着各种挑战。由于网络上的Web服务是由不同的组织机构基于不同的平台使用不同的语言开发的，这使得Web服务具有异构性和多变性的特点，组合服务可能会因为其中的某个Web服务出现异常变化而无法正常运行。事实上，不管是人工设计的还是自动创建完成的服务组合都可能存在多种问题，比如可能发生死锁、活锁和状态不可达等问题。因此Web服务组合在投入实际应用前必须先进行验证，以保证组合服务的正确性。

当前用来描述Web服务和Web服务组合的语言都是半形式化的，难以保证正确性，当服务组合出现错误时，很难检测出错误原因，因此需要有形式化的方法来验证Web服务组合是否正确。Web服务组合可以使用不同的形式化方法描述和验证，当前研究多集中于使用Petri网、自动机理论和进程代数这三种方法。

Petri网是一种特别适合分析和验证分布式系统的形式化建模方法，它的优点是形象直观、语义严格并且有数学理论作为基础，可以用来对控制流和数据流进行形式化建模。Petri网也可以用来描述分布、并发、非确定性的信息系统，提供了一种定性和定量分析方法以及可操作语义。

自动机理论就是利用有限自动机对BPEL描述的服务组合流程进行建模，然后检验该流程的安全性和活性等属性，再根据检验结果判断该服务组合流程是否正确。

进程代数是一种使用代数方法研究通信并发系统的理论，包括通信顺序进程、通信系统演算和π演算等，非常适合用来描述和验证并发系统。尤其是π演算可以传递变量、值和通道名，具有建立新通道的能力，特别适合用来描述分布式松祸合的并发系统。

采用Petri网或者自动机对服务组合进行描述时尽管较为直观，但在服务流程规模变大、服务数量变多、服务间交互变复杂的情况下，这两类方法的复杂度随着服务组合规模的增大而急剧增大。与此相比，基于进程代数的方法因为采用了表达式的描述方法，所以表达能力强且形式简洁，另外进程代数特别是π演算中的行为理论为服务验证提供了很好的理论基础，但π演算比较缺乏直观的图形表示，工具支持也不是很多。通过对以往研究进展的研究，本发明提出通过解析WSDL，BPEL文档得到约束条件，在通过约束求解器Z3求解从而实现验证。

参考文献：

[1]Wonhong Nam,Hyunyoung Kil,Dongwon Lee.Type-Aware Web Service Composition UsingBoolean Satisfiability Solver.[C]//proceedings of IEEE Conference on E-CommerceTechnology.Washington,D.C.,USA IEEE,2008:331-334

[2]John Kodumal,Alexander Aiken.The set constraint/CFL reachability connection inpractice[J].Sigplan Notices-SIGPLAN,2004,39(6):207-218

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种基于约束求解器的服务组合验证方法。该方法从利用BPEL组合Web服务出发，对BPEL文档进行分析，构建一个能表示服务之间的执行关系和约束关系的控制流程图。然后利用约束求解器验证用户提供的初始条件和目标输出及服务之间的约束关系，以此判断这个Web服务组合的正确性，从而达到最终验证服务组合的目的。

技术方案：本发明的一种基于约束求解器的服务组合验证方法包括Web服务文档解析、Web服务约束条件提取和Web服务验证三部分，该方法包含的步骤如下：

1)对WSDL文档进行解析

WSDL(Web Services Description Language)是一种web services的描述语言，使用开源工具WSDL4J将WSDL解析为DOM树，然后分别提取types,message,portType,binding,service的tag信息，为了提取WSDL中的变量约束信息，需要提取message标签信息以获取message中包含的part信息，用于在BPEL中查找对应变量约束；在获取types标签信息时，需要区分简单元素类型和复杂元素类型，对于简单元素类型，直接获取元素的name,type属性值；对于复杂元素类型，需要对其进行特殊处理：由于WSDL4J中没有对复杂类型进行处理的函数，需要自行解析，而根据复杂类型的XML schema定义，只需迭代获取子标签的内容即可得到复杂类型标签中包含元素的详细定义；

2)对BPEL文档进行解析

BPEL(Business Process Execution Language)是一种用XML编写的编程语言，

在BPEL的解析阶段，先将BPEL解析为DOM树，由BPEL Version 2.0的定义可知，BPEL的根节点为<process>，<process>的子节点包括<extensions>,<import>,<partnerLinks>,<messageExchanges>,<variables>,<correlationSets>,<faultHandlers>,<eventHandlers>以及业务执行活动等标签；另外，在BPEL的解析阶段，还需要提取业务执行流程，具体的过程为：找到根节点<process>的所有子节点，然后根据<process>的所有子节点名，即可查找到该BPEL中定义的业务执行流程子节点，最后提取出业务执行流程中服务调用、变量赋值等关系得到一个执行流程中间文件；

3)将提取的中间文件，利用在cygwin中安装tools4bpel工具将bpel文件转化成控制流图即CFG图；

4)建立一个一阶公式描述CFG图

由BPEL Version 2.0的定义可知活动类型包括<receive>,<reply>,<invoke>,<assign>,<sequence>,<if>,<while>,<repeatUntil>,<forEach>,<pick>,<flow>,<scope>,<throw>,<exit>,<wait>,<empty>,<compensate>,<compensateScope>,<rethrow>,<validate>,<extensionActivity>，其中<throw>,<exit>,<wait>,<empty>,<compensate>,<compensateScope>,<rethrow>,<validate>,<extensionActivity>的活动主要用于抛出异常、结束业务执行流程、等待、数据验证等特殊情况，未加考虑；

CFG图描述的是业务执行流程，在对其进行处理时，主要目标是提取业务执行流程以及活动中变量的赋值关系，所以在解析BPEL时，根据业务执行流程、活动类型、变量的赋值关系以及从WSDL中提取的变量约束条件，自动化生成XML文档用以保存简化的BPEL；

然后利用模型检查中的方法，根据不同的活动类型对业务执行流程进行改写，使得业务执行流程可以使用if,assignment,assertions语句以及逻辑运算符表示，根据业务执行流程中的活动分类情况，改写规则如下：

·<receive>用于接收匹配的message信息，从而获取输入参数，该活动为基本活动，可直接使用赋值表达式将输入参数赋值给相应的变量；

·<reply>用于发送message信息，从而输出活动参数，该活动为基本活动，可直接使用赋值表达式将输出变量的值赋值给输出参数；

·<invoke>用于调用PartnerLink中定义的其它Web服务，由于测试人员只能根据portType获取对应的接口说明，无法获取将要调用的Web服务的源代码，因此无法获取被调用的Web服务中的约束条件，只能使用BPEL内置函数getVariableData()来获取调用Web服务后的参数值，并将得到的值赋值给相应的参数；

·<assign>活动用于对BPEL活动调用的变量赋值，该活动通常包括多于1个的<copy>子标签，用于指明赋值操作的对象，在获取赋值对象后，即可得到<assign>活动的赋值表达式；

·<sequence>活动定义了BPEL中一个顺序执行的活动集合，对于一个<sequence><A1/><A2/><A3/></sequence>活动，各个子活动之间是顺序执行的关系，因此其条件范式为：A1；A2；A3；

·<if>活动定义了BPEL中一个选择执行的活动类型，如图2。

·<while>活动定义了BPEL中一个循环操作，对于一个<while><condition/><activity/></while>活动，由于while(e){I}→if(e){I while(e){I}}成立，因此将<while>活动转变为：

·<pick>活动用于定义BPEL中一个选择操作，对于活动<pick><A1/><A2/><A3/></pick>，执行时只能选取其中一个活动，因此其对应的逻辑表达式为：

·<flow>活动用于定义BPEL中一个并发操作，对于活动<flow><A1/><A2/></flow>,可能的活动执行次序有：{A1；A2}，{A2；A1}，在程序执行时，每次只能有一种活动执行次序为真，因此前述<flow>活动对应的逻辑表达式为：

通过上面改写之后再通过规范化算法(图3)，得到只包含逻辑运算符及if,assignment,assertions语句；

5)结合约束求解器对输入的语法要求，生成符合求解器输入格式的约束条件；

6)将上几步中生成的约束条件及逻辑公式代入约束求解器，进行验证。

有益效果：本发明通过采用以上技术方案，具有以下优点：

1.在服务流程规模变大、服务数量变多、服务间交互变复杂的情况下，通过文档解析及求解器求解会一定程度降低复杂度

2.通过解析BPEL文档，可以得到Web服务所有执行流程，覆盖了所有执行流程；

3.从Web服务提供的文档中提取约束条件后，将约束条件代入约束求解器，得到相应的解空间，大大降低了冗余度

4.通过快速分析Web服务中提供的文档，在利用求解器求解，能大大提高服务验证的效率。

附图说明

图1是本发明的整体步骤框图，

图2为BPEL文档中if语句规范化转换示例，

图3为规范化算法。

具体实施方式

本发明的一种基于约束求解器的服务组合验证方法，其包括以下组成部分：Web服务文档解析、包含变量及业务执行流程等信息的约束条件获取、利用BFEL文档生成CFG图和利用约束求解器验证四部分。

本发明提供了一种基于约束求解器的服务组合验证方法，其工作步骤为：

1)Web服务文档解析过程，包括对WSDL文档和BPEL文档的解析，在对WSDL文档进行解析时，得到DOM树，遍历DOM树，得到WSDL文件中定义的所有元素的取值、属性等信息；在对BPEL文档进行解析，得到DOM树，遍历DOM树结点，分别得到BPEL中变量及活动节点的取值、属性等信息；

2)根据BPEL中定义的命名空间对应关系，取得BPEL中变量在对应的WSDL中的元素属性信息，解析得到该元素的类型、取值范围等约束条件；

3)根据BPEL文档生成服务组合的控制流图即CFG图；

4)建立一个一阶公式描述CFG图。提取出业务执行流程中服务调用、变量赋值等关系，对业务执行流程进行化简，得到只包含活动类型、服务调用和变量赋值关系的业务执行流程。

5)结合Z3求解器对输入的语法要求，生成符合求解器输入格式的约束条件；

6)将上几步中生成的约束条件及逻辑公式代入Z3求解器，进行验证。

本发明提供一种基于约束求解器的服务组合验证方法，用于将Web服务提供的文档中包含的约束条件用于服务验证中，从而降低验证的复杂度，提高验证效率。具体实施步骤如下：

步骤1：对WSDL文档进行解析。

在WSDL解析阶段，使用开源工具WSDL4J将WSDL解析为DOM树，然后分别提取types,message,portType,binding,service等tag信息。为了提取WSDL中的变量约束信息，需要提取message标签信息以获取message中包含的part信息，用于在BPEL中查找对应变量约束。在获取types标签信息时，需要区分简单元素类型和复杂元素类型，对于简单元素类型，可以直接获取元素的name,type等属性值；对于复杂元素类型，需要对其进行特殊处理：由于WSDL4J中没有对复杂类型进行处理的函数，需要自行解析，而根据复杂类型的XML schema定义，只需迭代获取子标签的内容即可得到复杂类型标签中包含元素的详细定义。

步骤2：对BPEL文档进行解析。

在BPEL的解析阶段，先将BPEL解析为DOM树，由BPEL Version 2.0的定义可知，BPEL的根节点为<process>，<process>的子节点包括<extensions>,<import>,<partnerLinks>,<messageExchanges>,<variables>,<correlationSets>,<faultHandlers>,<eventHandlers>以及业务执行活动等标签。另外，在BPEL的解析阶段，还需要提取业务执行流程，具体的过程为：找到根节点<process>的所有子节点，然后根据<process>的所有子节点名，即可查找到该BPEL中定义的业务执行流程子节点。最后提取出业务执行流程中服务调用、变量赋值等关系得到一个执行流程中间文件。

步骤3：将提取的中间文件，利用在cygwin中安装tools4bpel工具将bpel文件转化成控制流图即CFG图。

步骤4：用一介逻辑公式描述CFG图。

由BPEL Version 2.0的定义可知活动类型包括<receive>,<reply>,<invoke>,<assign>,<sequence>,<if>,<while>,<repeatUntil>,<forEach>,<pick>,<flow>,<scope>,<throw>,<exit>,<wait>,<empty>,<compensate>,<compensateScope>,<rethrow>,<validate>,<extensionActivity>等，其中<throw>,<exit>,<wait>,<empty>,<compensate>,<compensateScope>,<rethrow>,<validate>,<extensionActivity>等活动主要用于抛出异常、结束业务执行流程、等待、数据验证等特殊情况，未加考虑。

在对业务执行流程进行处理时，主要目标是提取业务执行流程以及活动中变量的赋值关系。根据业务执行流程、活动类型、变量的赋值关系以及从WSDL中提取的变量约束条件，自动化生成XML文档用以保存简化的BPEL。

然后利用模型检查中的方法，根据不同的活动类型对业务执行流程进行改写，使得业务执行流程可以使用if,assignment,assertions等语句以及逻辑运算符表示。根据业务执行流程中的活动分类情况，改写规则如下：

·<receive>用于接收匹配的message信息，从而获取输入参数，该活动为基本活动，可直接使用赋值表达式将输入参数赋值给相应的变量；

·<reply>用于发送message信息，从而输出活动参数，该活动为基本活动，可直接使用赋值表达式将输出变量的值赋值给输出参数；

·<invoke>用于调用PartnerLink中定义的其它Web服务。由于测试人员只能根据portType获取对应的接口说明，无法获取将要调用的Web服务的源代码，因此无法获取被调用的Web服务中的约束条件，只能使用BPEL内置函数getVariableData()来获取调用Web服务后的参数值，并将得到的值赋值给相应的参数；

·<assign>活动用于对BPEL活动调用的变量赋值。该活动通常包括多于1个的<copy>子标签，用于指明赋值操作的对象，在获取赋值对象后，即可得到<assign>活动的赋值表达式；

·<sequence>活动定义了BPEL中一个顺序执行的活动集合。对于一个<sequence><A1/><A2/><A3/></sequence>活动，各个子活动之间是顺序执行的关系，因此其条件范式为：A1；A2；A3；

·<if>活动定义了BPEL中一个选择执行的活动类型，如图2。

·<while>活动定义了BPEL中一个循环操作。对于一个<while><condition/><activity/></while>活动，由于while(e){I}→if(e){I while(e){I}}成立，因此将<while>活动转变为：

·<pick>活动用于定义BPEL中一个选择操作，对于活动<pick><A1/><A2/><A3/></pick>，执行时只能选取其中一个活动，因此其对应的逻辑表达式为：

·<flow>活动用于定义BPEL中一个并发操作，对于活动<flow><A1/><A2/></flow>,可能的活动执行次序有：{A1；A2}，{A2；A1}，在程序执行时，每次只能有一种活动执行次序为真，因此前述<flow>活动对应的逻辑表达式为：

通过上面改写之后再通过规范化算法(图3)，得到只包含逻辑运算符及if,assignment,assertions等语句。

步骤5：将上述步骤得到的约束表达文件代入Z3约束求解器，求解验证服务组合的正确性。

Claims (1)

1.一种基于约束求解器的服务组合验证方法，其特征在于该方法包括Web服务文档解析、Web服务约束条件提取和Web服务验证三部分，该方法包含的步骤如下：

1)对WSDL文档进行解析

WSDL是一种web services的描述语言，使用开源工具WSDL4J将WSDL解析为DOM树，然后分别提取types,message,portType,binding,service的tag信息，为了提取WSDL中的变量约束信息，需要提取message标签信息以获取message中包含的part信息，用于在BPEL中查找对应变量约束；在获取types标签信息时，需要区分简单元素类型和复杂元素类型，对于简单元素类型，直接获取元素的name,type属性值；对于复杂元素类型，需要对其进行特殊处理：由于WSDL4J中没有对复杂类型进行处理的函数，需要自行解析，而根据复杂类型的XMLschema定义，只需迭代获取子标签的内容即可得到复杂类型标签中包含元素的详细定义；

2)对BPEL文档进行解析

BPEL是一种用XML编写的编程语言，

在BPEL的解析阶段，先将BPEL解析为DOM树，由BPEL Version 2.0的定义可知，BPEL的根节点为<process>，<process>的子节点包括<extensions>,<import>,<partnerLinks>,<messageExchanges>,<variables>,<correlationSets>,<faultHandlers>,<eventHandlers>以及业务执行活动等标签；另外，在BPEL的解析阶段，还需要提取业务执行流程，具体的过程为：找到根节点<process>的所有子节点，然后根据<process>的所有子节点名，即可查找到该BPEL中定义的业务执行流程子节点，最后提取出业务执行流程中服务调用、变量赋值等关系得到一个执行流程中间文件；

3)将提取的中间文件，利用在cygwin中安装tools4bpel工具将bpel文件转化成控制流图即CFG图；

4)建立一个一阶公式描述CFG图

由BPEL Version 2.0的定义可知活动类型包括<receive>,<reply>,<invoke>,<assign>,<sequence>,<if>,<while>,<repeatUntil>,<forEach>,<pick>,<flow>,<scope>,<throw>,<exit>,<wait>,<empty>,<compensate>,<compensateScope>,<rethrow>,<validate>,<extensionActivity>，其中<throw>,<exit>,<wait>,<empty>,<compensate>,<compensateScope>,<rethrow>,<validate>,<extensionActivity>的活动主要用于抛出异常、结束业务执行流程、等待、数据验证等特殊情况，未加考虑；

CFG图描述的是业务执行流程，在对其进行处理时，主要目标是提取业务执行流程以及活动中变量的赋值关系，所以在解析BPEL时，根据业务执行流程、活动类型、变量的赋值关系以及从WSDL中提取的变量约束条件，自动化生成XML文档用以保存简化的BPEL；

然后利用模型检查中的方法，根据不同的活动类型对业务执行流程进行改写，使得业务执行流程可以使用if,assignment,assertions语句以及逻辑运算符表示，根据业务执行流程中的活动分类情况，改写规则如下：

·<receive>用于接收匹配的message信息，从而获取输入参数，该活动为基本活动，可直接使用赋值表达式将输入参数赋值给相应的变量；

·<reply>用于发送message信息，从而输出活动参数，该活动为基本活动，可直接使用赋值表达式将输出变量的值赋值给输出参数；

·<invoke>用于调用PartnerLink中定义的其它Web服务，由于测试人员只能根据portType获取对应的接口说明，无法获取将要调用的Web服务的源代码，因此无法获取被调用的Web服务中的约束条件，只能使用BPEL内置函数getVariableData()来获取调用Web服务后的参数值，并将得到的值赋值给相应的参数；

·<assign>活动用于对BPEL活动调用的变量赋值，该活动通常包括多于1个的<copy>子标签，用于指明赋值操作的对象，在获取赋值对象后，即可得到<assign>活动的赋值表达式；

·<sequence>活动定义了BPEL中一个顺序执行的活动集合，对于一个<sequence><A1/><A2/><A3/></sequence>活动，各个子活动之间是顺序执行的关系，因此其条件范式为：A1；A2；A3；

·<if>活动定义了BPEL中一个选择执行的活动类型，

·<while>活动定义了BPEL中一个循环操作，对于一个<while><condition/><activity/></while>活动，由于while(e){I}→if(e){I while(e){I}}成立，因此将<while>活动转变为：

·<pick>活动用于定义BPEL中一个选择操作，对于活动<pick><A1/><A2/><A3/></pick>，执行时只能选取其中一个活动，因此其对应的逻辑表达式为：

·<flow>活动用于定义BPEL中一个并发操作，对于活动<flow><A1/><A2/></flow>,可能的活动执行次序有：{A1；A2}，{A2；A1}，在程序执行时，每次只能有一种活动执行次序为真，因此前述<flow>活动对应的逻辑表达式为：

通过上面改写之后再通过规范化算法，得到只包含逻辑运算符及if,assignment,assertions语句；

5)结合约束求解器对输入的语法要求，生成符合求解器输入格式的约束条件；

6)将上几步中生成的约束条件及逻辑公式代入约束求解器，进行验证。