異步事件驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)服務模型*

朱樹人，謝勇

(廣東財經(jīng)大學信息學院，廣東廣州 510320)

面向服務技術(shù)和經(jīng)濟全球化的日益發(fā)展，逐步形成了以獨立、自治的服務供應和服務消費為特點、以網(wǎng)絡為中心的商務結(jié)構(gòu)趨勢［1，2］。物聯(lián)網(wǎng)服務和擁有大量在線用戶的交通管理與信息服務系統(tǒng)等，不但需要承受大量持續(xù)的并發(fā)訪問請求，還會遭遇巨量的尖峰負載［3－5］。高并發(fā)請求達到一定水平時，由于服務請求轉(zhuǎn)化成數(shù)目更大的I/O和網(wǎng)絡請求，需要消耗巨量的網(wǎng)絡基礎(chǔ)資源。研究網(wǎng)絡服務能跟隨負載同步增長的可伸縮服務能力，避免造成服務品質(zhì)急劇下降具有十分重要的意義?，F(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)服務平臺尤其是交通管理與信息服務服務平臺缺乏對高并發(fā)性、動態(tài)內(nèi)容、連續(xù)的高可用性、對突發(fā)時變負載的自適應調(diào)節(jié)能力等需求的綜合考慮［6］，采用的編程模型缺乏完整的服務設(shè)計方法、缺乏保障服務整體性能的量化方法，對突發(fā)過量負載不具備自適應平滑能力［7］。本文基于EPCIS(electronic product code information service)，采用的階段化異步事件驅(qū)動網(wǎng)絡服務模型用“階段”來劃分網(wǎng)絡服務，以對象化的隊列為主要構(gòu)成組件，底層采用異步I/O為基礎(chǔ)，組件內(nèi)部和組件間采用事件驅(qū)動模型通信，設(shè)計和實現(xiàn)一個基于事件驅(qū)動模型的異步Socket通信適配子層，用以屏蔽底層OS異步I/O細節(jié)，構(gòu)造具有可伸縮性、連續(xù)的高可用性、可管理性和服務易構(gòu)建性的網(wǎng)絡服務模型。

1 事件驅(qū)動模型

Web服務器并發(fā)處理體系結(jié)構(gòu)是影響服務器性能的重要因素［8－9］，有多進程、多線程、事件驅(qū)動、核心類等服務并發(fā)處理。事件驅(qū)動模型是近年來逐步流行的并發(fā)管理方法［10］，其目標是保持負載變化時的系統(tǒng)健壯性，當供應負載增大超出飽和值時，吞吐量只有很小的退化;當任務數(shù)增加時，服務器的吞吐量也增長直到瓶頸飽和;如果任務數(shù)進一步增加，過量的任務將被吸收在服務器的事件隊列中。吞吐量在負載很寬的變化范圍內(nèi)保持恒定，而每個任務的延遲呈線性增長。Flash等Web服務器以及 HarvestWeb cache 采用這種模型［11－12］。這類服務器包含少量的線程，它們不停地循環(huán)，處理來自隊列的事件。事件可以由操作系統(tǒng)或應用內(nèi)部產(chǎn)生，并對應于網(wǎng)絡和磁盤I/O的就緒和完成指示、定時器超時以及其他應用指定的事件。事件驅(qū)動方法在實現(xiàn)上把每個任務當成是一個有限狀態(tài)機FSM(finite state machine)，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移由事件驅(qū)動。服務器對每個任務不依賴于線程上下文維護其連續(xù)狀態(tài)。事件驅(qū)動服務器［13－15］只使用少量進程，不需要鎖定和同步，也沒有上下文切換開銷，因此能獲得更高的并發(fā)性。其缺點是開發(fā)這樣的服務器沒有合適的編程模型。所以適當組合使用編程簡單的多線程模型將會簡化開發(fā)難度。

2 異步事件驅(qū)動網(wǎng)絡服務模型

2.1 異步事件驅(qū)動通信體系結(jié)構(gòu)

異步事件驅(qū)動通信體系結(jié)構(gòu)使用事件驅(qū)動模型和異步I/O技術(shù)的網(wǎng)絡應用體系結(jié)構(gòu)，主要包含底層的NIO，中間的異步通信子層，頂部的應用層3個層次［7］。模型中組件內(nèi)部和組件間將組合使用事件驅(qū)動模型和多線程模型。在NIO層中，核心的組件是可層次擴展的變遷NIO，組件通過通信原語與其上層之間的數(shù)據(jù)交換。異步通信子層是一個適配層，它只有一個核心組件AsocketQ。AsocketQ是一個隊列，所有與NIO和應用層之間的輸入輸出都緩沖在這個隊列中，隨后予以處理。與此類似，應用層中也包含一個隊列appQ，緩沖并處理應用程序和異步通信子層的輸入輸出。接受1個客戶請求時，該請求的服務映射為對CPU處理資源和對I/O資源的使用。請求到資源使用的1對多映射是1個同步粒度細化的過程，細化的結(jié)果是系統(tǒng)能更協(xié)調(diào)地使用資源，減少性能瓶頸產(chǎn)生的機會和持續(xù)時間。隊列盡量吸收不能及時處理的請求，而不是在資源不足時簡單地拒絕服務。Renew工具組件采用“類化”的方法描述多層次對象，AsocketQ和appQ可看作是同一個事件隊列類的不同實例。

圖1 異步通信隊列類模型Fig.1 Asynchronous communication queue model

使用高級petri網(wǎng)描述的異步通信隊列類模型(圖1)給出了1個實用的隊列模型，Queue是基本隊列對象，定時器組件timer調(diào)用定期queueManager隊列管理器，完成隊列事件處理。policy是描述排隊策略以及進行隊列過載管理的預定義組件，變遷queueManaging使用policy實現(xiàn)事件調(diào)度策略，同時根據(jù)policy對隊列進行過載管理，實現(xiàn)準入控制(admission control)等。當事件出隊時，首先對隊列進行分析，并通過 eventHandler進行處理。例如，在AsocketQ實例中，當隊列輸入請求是1個TCP連接請求并調(diào)度出隊時，parsing將該請求傳遞給EventHandling變遷，后者創(chuàng)建1個本地的連接代理proxy，由proxy通過outgoing變遷，在 NIO上注冊，通知NIO Selector監(jiān)視連接操作，并使用連接請求附帶的遠程地址創(chuàng)建一個socket。當NIO完成實際連接時，在下一個輪詢周期，將NIO Selector提供的連接完成事件重新入隊，并將連接作為應用層事件回傳給appQ隊列。

圖2所示為NIO的高級petri模型。NIO以注冊(register)/查詢(polling)方式提供異步 TCP，UDP和LISTEN服務。圖中9個變遷是提供給上層應用的服務接口。NIO層的工作過程如下:上層應用通過打開Selector和SelectableChannel建立可進行異步通信的環(huán)境。使用register對需要NIO監(jiān)視的操作予以注冊。完成注冊后，上層可異步地進行 connect，listen，read 和 write 等操作［7］。NIO 在完成I/O操作后，將通過SelectionKey指示。在事件處理隊列一個輪詢周期到達時，上層會通過調(diào)用select操作獲取NIO完成的指示，并繼而采取相應的動作完成異步I/O處理。

圖2 NIO高級petri模型Fig.2 NIO Senior Petri model

2.2 服務的階段化管理

在服務模型中使用“階段”作為服務軟件控制流程的構(gòu)成組件，并以此作為設(shè)施資源分配、調(diào)度和其它管理的基本單位。設(shè)計時，服務開發(fā)者使用一系列設(shè)計模式將控制流程分解為一組“階段”，服務定義成由“階段”所組成的圖構(gòu)成?！半A段”是一個自包含的軟件組件，由事件處理器、可管理的事件隊列、具有反饋能力的資源控制器以及驅(qū)動線程池組成?！半A段”通過獨立工作的事件隊列減少部件間的耦合度，使用動態(tài)資源管理技術(shù)適應突發(fā)負載的時變特征。驅(qū)動各“階段”執(zhí)行的活動實體有各自獨立的線程池通過事件處理程序和線程調(diào)度部件消除耦合。服務邏輯從線程調(diào)度等核心邏輯中分離了出來，控制事件控制器的執(zhí)行實現(xiàn)資源管理策略。應用系統(tǒng)內(nèi)部組織是由多個事件隊列連接起來的“階段互連圖”構(gòu)成，“階段”間通過隊列通信，因此，具有獨立的、明確的控制邊界。

服務管理用業(yè)務流程處理語言(BPEL)，事件驅(qū)動技術(shù)方法分析和實現(xiàn)。用面向過程的語法定義服務的控制和組合，在命令－控制模型上通過BPEL執(zhí)行引擎實現(xiàn)BPEL。BPEL構(gòu)建完全抽象了商務流程邏輯的服務組合層次，因此，不會對面向服務結(jié)構(gòu)(SOA)造成任何影響。BPEL允許一個流程使用服務進一步封裝，或由其他的服務流程組合，所以，任何一個商務流程并不限于它所處的層。通過點擊的機制將事件、發(fā)布者和訂閱者聯(lián)系起來，執(zhí)行環(huán)境的實現(xiàn)獨立于控制引擎。事件驅(qū)動機制提供了連接孤立環(huán)境的方式，事件驅(qū)動的消息模式設(shè)計方法使得服務之間的通訊更加暢通。

2.3 ESB全局數(shù)據(jù)空間

設(shè)計1個處理簡單對象訪問協(xié)議(SOAP)的消息隊列基礎(chǔ)框架，SOA在HTTP層網(wǎng)絡基礎(chǔ)通過web service技術(shù)就能實現(xiàn)事件驅(qū)動機制。企業(yè)服務總線(enterprise service bus，ESB)構(gòu)架提供了一種可以將消息隊列和Web Service技術(shù)結(jié)合起來的途徑。ESB允許事件廣泛訂閱，適合作容納已發(fā)布的商務事件的容器。將ESB放入企業(yè)的全局數(shù)據(jù)空間，區(qū)域自治的多條服務總線產(chǎn)品結(jié)合起來提供ESB的服務，這樣不管使用什么技術(shù)開發(fā)的應用在任何時間和地點都能訪問事件信息。圖3演示了一個企業(yè)級的服務總線是如何通過運行多個域，構(gòu)造整個組織全局數(shù)據(jù)空間的。

圖3 ESB結(jié)構(gòu)及全局數(shù)據(jù)空間Fig.3 ESB structure and global data space

2.4 事件驅(qū)動服務敏捷性與獨立性

按需服務的商業(yè)模式要求服務提供者對外部環(huán)境的刺激(事件)快速做出反應。但供應與需求分離程度的擴大產(chǎn)生了對于敏捷性的需求，當組織的結(jié)構(gòu)不斷變化時，只有通過服務之間的松耦合才能支持業(yè)務不受阻礙的連續(xù)發(fā)展。為實現(xiàn)服務響應的敏捷性，網(wǎng)絡服務系統(tǒng)必須不受機構(gòu)的各種重組變更的影響。服務業(yè)務流程適應機構(gòu)變化的敏捷性必須不受支持它們的IT系統(tǒng)的限制。機構(gòu)敏捷性基礎(chǔ)是降低耦合的服務更容易在不干擾現(xiàn)有IT支持系統(tǒng)連續(xù)性的基礎(chǔ)上改造組織的結(jié)構(gòu)，因此，松耦合可以滿足這些服務需求。EDA的發(fā)布－訂閱模式建立了松耦合基礎(chǔ)，作為連接邊界、允許各個邊界保持解耦合的狀態(tài)，實現(xiàn)跨邊界通信。服務應用搭建的靈活性可以通過定義良好的功能邊界，使用共享的服務來完成。敏捷性依賴于為了重新設(shè)計商務流程而對應用進行重構(gòu)增加敏捷性的能力，事件驅(qū)動能夠增加服務的敏捷性。與同步、命令－控制消息交換模式的傳統(tǒng)分布式架構(gòu)不同，EDA采用基于異步、發(fā)布－訂閱模式，發(fā)布者完全不需要知道訂閱者的存在，訂閱者也無需知道發(fā)布者的細節(jié)。服務的松耦合只共享消息的語義，EDA在聯(lián)合的、自治的處理環(huán)境中，為商務流程中各個步驟之間的獨立性提供支持。消息框架利用異步消息模式來實現(xiàn)的請求－應答通訊。EDA通過消息框架處理流程鏈中各個層之間的水平通訊、需要跨越功能單位邊界的流程以及需要跨越物理單位界限的流程。通過將請求的發(fā)布者和應答的消費者分離，將請求的消費者和應答的發(fā)布者分離，讓系統(tǒng)松耦合。鑒別跨越功能邊界的應用，是潛在的“敏捷性瓶頸”，對需要跨越機構(gòu)的外部邊界的應用給予較高的優(yōu)先級，是解耦合服務邊界的基礎(chǔ)。

2.5 松耦合和“解耦合點”

松耦合意味著獨立，松耦合的服務對彼此的依賴沒有緊耦合的服務密切，功能和數(shù)據(jù)同樣適合這個規(guī)則。服務相關(guān)的數(shù)據(jù)定義在服務功能邊界內(nèi)時，服務間的耦合度就會增加。這種設(shè)計會增加服務間訪問數(shù)據(jù)的彼此依賴概率。當以數(shù)據(jù)復制、避免保證數(shù)據(jù)傳輸和語義一致性的共享層之外的其他層共享等機制實現(xiàn)的數(shù)據(jù)冗余被允許的情況下，服務之間的耦合程度會降低。EDA支持在冗余環(huán)境中的數(shù)據(jù)一致性，保證跨越解耦合邊界的數(shù)據(jù)冗余讓松耦合更加強健。找到“解耦合點”被證明是有效使用EDA的關(guān)鍵?！敖怦詈宵c”就是某些經(jīng)常同時出現(xiàn)的商務流程，它們會一起出現(xiàn)在任何一個組織單位中，具有強烈的內(nèi)聚性和原子類型的業(yè)務功能，即在各個業(yè)務功能之間的邊界商業(yè)流程的功能構(gòu)成變得清楚的位置。如果原子交易跨越了解耦合邊界，那么回滾交易就需要在這些解耦合點實現(xiàn)。無論在這些解耦合點上的服務是連接還是斷開，都不會影響被連接的系統(tǒng)，不同域之間的所有的數(shù)據(jù)交換都發(fā)生在這些點。在一個可重用的域中，EDA的粒度越小，可重用的域也就越小，系統(tǒng)的靈活性就越好。在解耦合點使用基于SOAP的Web服務技術(shù)，結(jié)合通用的ESB企業(yè)服務總線基礎(chǔ)架構(gòu)，可以很容易實現(xiàn)與SOAP技術(shù)封裝的ERP系統(tǒng)、其它外部系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)等異構(gòu)系統(tǒng)的無縫連接。

3 服務模型的設(shè)計實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡服務軟件在訪問網(wǎng)絡或文件時的典型做法是使用阻塞式(blocking)I/O操作，并采用多線程復用多個I/O通道［11］。其主要缺陷是當I/O通道數(shù)目很大時性能下降嚴重，系統(tǒng)缺乏良好的伸縮性。另一種伸縮性更好的方法是使用非阻塞式(non－blocking)I/O，例如熟知的UNIX select()系統(tǒng)調(diào)用。為避免陷入復雜的調(diào)度決策和底層操作細節(jié)，對高層編程模型提供支持，在Java JDK NIO和編程模型之間加入異步socket適配子層Asocket，封裝和屏蔽底層細節(jié)。圖4描述了ASocket的體系結(jié)構(gòu)，低部是JDK NIO;中間是異步通信子層，由 hipserse.aFrame.Asocket 和 hipserse.aFrame.Asocket.nio 構(gòu)成;頂層是編程模型，Hiperse.aFrame.api是編程模型的 API接口，hiperse.aFrame.core支持服務模型的基本運行環(huán)境，是編程模型 aFrame的核心部分［8］。

圖4 Asocket異步通信體系結(jié)構(gòu)Fig.4 Asocket communication architecture

3.2 基于EPCIS的服務實現(xiàn)

EPCIS是物聯(lián)網(wǎng)的核心模塊，在物聯(lián)網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)中，它不同于應用層事件(Application Level E-vent，ALE)規(guī)范和RFID閱讀器，EPCIS處于系統(tǒng)上層位置，它是基于ALE和RFID讀取設(shè)備的管理中間件［9］。EPCIS定義了對象事件、聚合事件、統(tǒng)計事件和交易事件等四種事件類型。服務系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)定義了捕獲服務、查詢服務等一系列的服務，為建立一個標準的物聯(lián)網(wǎng)服務系統(tǒng)有重要的作用［10］。捕獲服務的功能是捕獲應用層事件，實現(xiàn)對標簽狀態(tài)間接監(jiān)聽。查詢服務分為核心查詢服務、查詢訂閱服務和查詢控制服務。為用戶提供一系列的訂閱規(guī)則，服務可以根據(jù)用戶的訂閱規(guī)則，周期性地產(chǎn)生查詢報告并發(fā)送給客戶，便于客戶了解感興趣的信息。控制客戶端的查詢請求，處理例外情況或完成異常處理。EPCIS模塊是一種層次結(jié)構(gòu)，底層定義基礎(chǔ)數(shù)據(jù)格式，上層提供的服務接口和綁定技術(shù)實現(xiàn)。在EPCIS服務器端，定義物聯(lián)網(wǎng)的所有核心服務，允許用戶開發(fā)自己的客戶端來調(diào)用相應的EPC服務模塊，實現(xiàn)對EPC系統(tǒng)的快速開發(fā)。

在EPCIS訪問應用層嵌入Socket通信適配子層就能系統(tǒng)的高并發(fā)訪問，增強服務系統(tǒng)的吞吐量，EPC服務之間的交互，需要使用對象命名服務(Object Naming Service，ONE)組件，它可以使2種服務無縫連接到一起，從而實現(xiàn)企業(yè)間信息交互中間件的開發(fā)，系統(tǒng)服務實現(xiàn)的數(shù)據(jù)流圖見圖5。ONS將一個EPC映射到一個或者多個URI，在URI中可以查找到物品的更多的詳細信息，通常對應著EPCIS的地址信息，也可以將EPC關(guān)聯(lián)到與物品相關(guān)的web站點或者其他Intemet資源。服務系統(tǒng)包含N個相對獨立的EPC系統(tǒng)，EPC系統(tǒng)之間的交互樞紐是ONS模塊。EPC系統(tǒng)包括EPCIS事件監(jiān)聽模塊、數(shù)據(jù)持久化模塊、即時查詢模塊、定制查詢模塊和本地ONS查詢模塊。

圖5 基于EPCIS的異步事件驅(qū)動網(wǎng)絡服務數(shù)據(jù)流Fig.5 Network service data flow based on EPCIS

為了檢驗新模型的性能，仿真實驗環(huán)境服務器采用IBM System x3850 X5(7143i19)，在服務請求數(shù)量小于1 000時，系統(tǒng)性能沒有什么變化，但當服務請求數(shù)量達到2 000時，新模型系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定，而非異步事件驅(qū)動的服務模型響應速度開始變慢，并開始出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。仿真實驗說明，在新模型系統(tǒng)中請求到資源使用的1對多映射是一個同步粒度細化的過程，細化的結(jié)果是系統(tǒng)能更協(xié)調(diào)地使用資源，減少性能瓶頸產(chǎn)生的機會和持續(xù)時間。

4 結(jié)論

(1)基于EPCIS，用“階段”劃分網(wǎng)絡服務，使用“階段”作為服務軟件控制流程的構(gòu)成組件，并以此作為設(shè)施資源分配、調(diào)度和其他管理的基本單位。

(2)通過組合異步化事件驅(qū)動、階段化編程模型等技術(shù)來滿足高性能服務器高并發(fā)、可伸縮等方面的需求。并設(shè)計了1個異步Socket適配層來封裝和屏蔽底層細節(jié)。整個模型采用的HLPN網(wǎng)來描敘。

(3)在高性能通信軟件開發(fā)過程中將來需要繼續(xù)完成的工作是立建模系統(tǒng)的性能模型，并通過性能評估發(fā)現(xiàn)可能的瓶頸。

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