CN108737148A - 一种组合物联网服务功能与性能统一的可信验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合物联网服务功能与性能统一的可信验证方法，包括以下步骤：a.根据组合物联网服务需求，进行任务划分，构建侯选服务库；b.基于扩展BPEL，设计组合服务脚本；依据服务执行情况划分状态空间，计算参数，将脚本描述转化为连续时间Markov回报过程；c.基于扩展asCSL时态逻辑，描述功能与性能统一的验证性质；d.将逻辑公式中的正则式转化为非确定有穷自动机，求其与组合物联网服务连续时间Markov回报过程的积模型，并对满足正则约束的路径集进行标注；e.在积模型中运用模型检测技术进行可达分析，计算概率值，从而获得可满足状态集。本发明能在设计时给出组合物联网服务功能与性能统一的可信保证。

Description

一种组合物联网服务功能与性能统一的可信验证方法

技术领域

本发明涉及组合物联网服务的形式化验证技术，特别是涉及功能与性能统一的可信验证方法。

背景技术

物联网技术可将各种终端设备联入互联网，极大的延伸或扩展了传统互联网。随着云计算技术的不断发展与应用的不断深入，物联网可基于互联网提供各种物联网服务。物联网服务是一种分布于互联网中的可随时、随地自由访问的新型信息技术应用形态，它是基于现有成熟Internet技术的分布式应用技术框架。随着服务计算、云计算等新型计算模式的兴起与发展，互联网中将存在越来越多的可供传统PC终端或移动设备自由访问的物联网服务单元。运用服务组合技术，对这些独立的物联网服务进行组合，可方便、快捷地构造各种复杂增值物联网应用，从而大大节省开发、实现成本，提高效率。

与信息技术应用形态一样，在应用某个组合物联网服务前，必须确保其关键性质可信，否则将可能带来重大运行时风险。众多可信要求中，功能正确性和性能可满足性是最基本要求。性能是评价组合物联网服务效率、可靠性、可用性等的关键依据。它可通过组合物联网服务运行时对时间、空间资源的消耗情况来衡量或评估功能实现的优劣程度。本方案所指空间资源指除时间资源外的其它相关资源，如能耗、占有带宽、存储和调用成本等。尽管现有的技术在这些方面开展了大量的工作，但依然存在诸多局限，主要表现在：

(1)组合物联网服务性能、可靠性性质的可满足性确认方面存在缺陷。开放、分布、异构、动态、虚拟的互联网环境，使得对分布于其中的众多物联网服务的访问存在大量不确定因素。具体表现在组合物联网服务的行为具有概率、随机、不确定性等。在设计组合物联网服务时，这些不确定性因素一般都假定不存在。同时，已有研究大多关注时间方面性能，对空间性能关注不够。

(2)组合物联网服务功能与性能统一可信性质的关注不够。事实上，功能和性能特征往往是密切相关的，单纯的功能验证或性能分析模型无法有效的进行准确刻画并分析；当断言功能正确，蕴涵了在满足既定功能要求的前提下，性能指标也符合需求约束；当意图进行性能分析时，首要的前提是要确保功能正确性。已有方法大多独立进行验证。

(3)组合物联网服务功能与性能统一性质的验证方法缺失。现有组合物联网服务可信验证方法大多将功能正确性与性能可满足性的验证隔离进行。这将导致以下问题：一是割裂了二者之间的内在统一性，无法准确得到系统可信的判断，二是将导致出现对应的多种功能或性能验证模型，如何保证这些模型之间的语义一致性问题，也是一个关键问题所在。因此，不存在适用于统一验证要求下的业务流程脚本描述框架、形式化建模框架以及验证算法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提出的一种组合物联网服务的功能与性能统一的可信验证方法。

本发明的目的可通过以下技术方案来实现：一种组合物联网服务功能与性能统一的可信验证方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.组合物联网服务实质上是多个物联网服务单元的交互执行过程。借鉴Web服务中业务流程执行刻画语言的思路，给出组合物联网服务基于扩展BPEL(Business ProcessExecution Language)的业务流程的脚本描述：

将自由分布、可被用于构造增值逻辑的执行体定义为服务元。服务元需包含调用地址、服务名、响应时间、失效率、空间资源要求率、辅助说明等信息。其中，失效率表示单位时间内的调用失效次数，辅助说明则对该服务元的功能进行补充说明。通过定义组合物联网服务的业务流程来描述参与服务元间的交互、协作关系。在开放、动态的互联网环境中，组合物联网服务表现出概率、随机或不确定等特征。为BPEL的基本流程模式如顺序、并发、分支、选择等增强概率、随机和不确定性刻画能力。具体来说，顺序模式表示为<P，r>，P为进程集(参与服务元集合)r为P中元素的偏序，定义顺序执行关系。概率分支模式定义为<P，μ>，其中μ为集P上的概率分布，μ(p)表示执行进程p的概率。不确定分支模式可定义为|<P₁，μ₁>|<P₂，μ₂>|...|<P_n，μ_n>|，其中由符号”|”隔开的多个不确定选择，P_i，μ_i分别表示不确定分支i的进程集和对应概率分布。由于大多数情况下迭代体中元素的完全执行才看成一次成功迭代，设出口处退出迭代的概率为q，则扩展迭代模式可定义为<P，q>。并发体协同表示某种逻辑，故将其作单个服务元看待。

b.将组合物联网服务的脚本描述转化为形式模型：

将组合物联网服务的动态行为过程建模为状态转移系统，其中状态用于标识组合物联网服务的不同执行阶段。处于执行阶段的服务元，称其处于活动态，否则为非活动态。同时，为每个状态添加由于失效而进行修复的修复态。由于执行时间的随机性以及执行结果的非确定性，组合物联网服务的所有状态构成一个随机过程，并满足Markov性。将连续时间Markov回报过程CTMRP(Continuous Time Markov Reward Process)进行扩展，使其带有描述动作、状态标记，作为本项目的组合服务模型。假定某个组合物联网服务有m个参与服务元，每个服务元k有n个操作。状态可表示为布尔元组s＝(f₁，...，f_i，...，f_m)，其中f_i∈{0，1}(1≤i≤m)。如果服务元j是活动的，则f_j＝1，否则f_j＝0。单位Web服务的执行时间、费用以及其它Qos指标，其值通过历史经验数据得到。对于由多个服务元同时处于活动态而构成的“复合”状态，相关参数将根据已有规则计算得到。

c.组合物联网服务功能与性能统一验证性质的形式化描述

组合物联网服务的行为可由动作序列进行描述。性能及可靠性要求往往须从定量角度，关注功能需求的完成程度，如耗时长短、能量或存储消耗大小、错误发生概率等。首先规定统一验证模型中刻画正确功能的路径集，则路径上累计时间、空间资源耗费约束可同时表示性能及可靠性要求。基于正则语言与自动机之间的等价性，同时考虑到行为定义的丰富，采用正则语言规范路径集须满足的性质。路径由有序对符号(Φ，b)所构成的字(Word)表示，其中Φ为状态公式，b为Φ状态可能触发动作。因此，正确性约束表示为：α：：＝ε|(Φ，b)|α；α|α∪α|α*，其中，ε为空路径，”；”表示顺序执行，“∪”表示选择，“*”表示闭包运算。进一步地，，功能正确且性能可满足的统一验证要求表示为α^TS，其中：T、S分别表示累积时间、空间约束。形式化地，功能与性能统一验证性质定义为：其中，Φ表示状态公式，q是原子命题，p表示概率值，为比较算子。稳态算子S_∞p(Φ)表示最终处于Φ状态的概率满足限定∞p。算子P_∞p(α^TS)表示满足功能性能统一验证要求的概率满足限定∞p。

d.基于随机模型检测技术的组合物联网服务功能性能统一验证方法：

除状态公式P_∞p(α^TS)外，其余状态公式的验证可通过已有方法进行。对于公式P_∞p(α^TS)，基于正则式α与自动机的等价性，首先将α转化成自动机A_α，并求模型M与自动机A_α的积。如果从积模型中复合状态<s，Z₀>出发，能够达到复合状态<s’，F>，则原始模型中从s出发的路径满足正则式α的约束。其中，Z₀为α对应自动机的初始状态集，F为接受状态集。于是，功能性能统一验证问题转化为从复合状态<s，Z₀>到<s’，F>的可达概率计算。后者通过已有方法完成。最后，将可达分析所得概率值与概率约束∞p进行比较。如果满足约束，则在原始模型中状态s满足状态公式P_∞p(α^TS)，否则不满足。

与现有技术相比，本发明的优势体现在以下几个创新点上：

(1)提出对业务流程执行语言BPEL基本结构的脚本完善策略，使其具有概率、随机和不确定性等扩展能力，用于定义组合物联网服务的流程逻辑。而目前BPEL的主要应用在于其子集BPEL4WS(BPEL for Web Services)在服务计算领域中对组合Web服务业务过程进行描述。

(2)刻画带有空间资源约束的功能性能统一验证性质的时态逻辑。传统验证方法中，功能、性能大多孤立验证，存在各异的时态逻辑，并且，已有性能描述时态逻辑并未充分考虑空间资源约束，表现力不够丰富。将功能正确性约束用状态、动作有序对符号的正则式表示。同时，为该正则式添加时间、空间资源约束，用以表示功能与性能统一的可信验证性质，并给出其可满足语义。

(3)组合物联网服务功能正确且性能可满足的统一验证方法。借助形式语言与自动机理论，将正则式转化为非确定有穷自动机，作为路径接受器。通过求该自动机与原始模型的积模型，获得满足统一验证要求的路径集合。借助基于随机模型检测的可达分析技术，获得满足要求路径集合的概率。从而实现组合物联网服务功能与性能的统一验证。

本技术方案能在保证组合物联网服务功能正确性的前提下，同时给出性能、可靠性性质的可满足性保证，将为设计时组合物联网服务提供更加全面深刻的可信判断，避免功能不正确或性能不满足的组合物联网服务在运行时产生重大运行错误或运行时崩溃的严重后果。

附图说明

图1为本发明的框架图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，组合物联网服务功能与性能统一的可信验证方法，包括以下步骤：

a.通过单个服务的重复调用，获得所有服务运行的Qos经验数据，并根据服务的功能以及Qos水平等进行划分、归类、整理。在此基础上，根据组合物联网服务功能需求并结合侯选服务资源库，对任务循环分解，使得原子任务均存在对应侯选服务元实例，即实现任务模块到虚拟服务的映射。

b.根据扩展BPEL语法，设计组合物联网服务业务流程的脚本模型；依据服务元的不同执行阶段划分组合物联网服务的状态空间，计算相应参数，将扩展BPEL脚本描述转化到连续时间Markov回报过程。

c.基于扩展asCSL时态逻辑，描述需要验证的功能与性能统一验证性质。

d.将扩展asCSL时态逻辑公式中的正则式转化为非确定有穷自动机，求该自动机与组合物联网服务连续时间Markov回报过程的积模型，并对满足正则约束的路径集合进行标注。

e.在积模型中运用随机模型检测技术进行可达分析，获得需计算的概率值，从而获得待验证性质的可满足状态集合。

Claims (1)

1.一种组合物联网服务功能与性能统一的可信验证方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.通过单个物联网服务的重复调用，获得所有服务运行的Qos经验数据，并根据服务的功能以及Qos水平等进行划分、归类、整理，在此基础上根据组合物联网服务功能需求并结合侯选服务资源库，对任务循环分解，使得原子任务均存在对应侯选服务元实例，即实现任务模块到虚拟服务的映射；

b.扩展业务流程执行语言BPEL，使其具有概率、随机、不确定性等刻画能力，并设计组合物联网服务业务流程脚本，依据服务元的不同执行阶段划分组合物联网服务的状态空间，计算相应参数，将扩展BPEL脚本转化为连续时间Markov回报过程；

c.扩展时态逻辑asCSL为asCSRL，使其能同时描述空间资源约束，并用于刻画需要验证的组合物联网服务的功能与性能统一验证性质；

d.将扩展asCSL时态逻辑公式中的正则式转化为非确定有穷自动机，求该自动机与组合物联网服务连续时间Markov回报过程的积模型，并对满足正则约束的路径集合进行标注；

e.在积模型中运用随机模型检测技术进行可达分析，获得需计算的概率值，从而获得待验证性质的可满足状态集合，进而获得可信验证结论。