基于SOA的工作流補償機制研究

孔欽

摘要：工作流管理系統(tǒng)通過集成企業(yè)內(nèi)部各種復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)流程自動執(zhí)行，在傳統(tǒng)的無紙化辦公環(huán)境中發(fā)揮了很大作用。隨著面向服務(wù)架構(gòu)SOA（ServiceOriented Architecture）、網(wǎng)格等概念的提出，工作流管理系統(tǒng)中各個活動節(jié)點不再局限于本地的應(yīng)用程序，而是逐步擴展到網(wǎng)絡(luò)上的各種個性化服務(wù)。工作流節(jié)點利用SOA架構(gòu)發(fā)現(xiàn)和匹配相適應(yīng)的服務(wù)資源來完成相關(guān)任務(wù)。研究了面向服務(wù)的工作流異常處理機制，在對現(xiàn)有補償方法進行總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了層次性協(xié)調(diào)框架以應(yīng)對面向服務(wù)的工作流異常情況，保證補償活動快速準確地并行執(zhí)行。

關(guān)鍵詞：SOA；事務(wù)工作流；補償活動；協(xié)調(diào)框架

DOIDOI：10.11907/rjdk.151355

中圖分類號：TP301

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）008005203

0 引言

事務(wù)概念開始來源于數(shù)據(jù)庫研究領(lǐng)域，提出的目的是為解決數(shù)據(jù)的出錯恢復(fù)和并發(fā)訪問問題。工作流中的活動節(jié)點對應(yīng)的業(yè)務(wù)過程可部分或完全自動完成。某些特定的應(yīng)用領(lǐng)域要求節(jié)點在執(zhí)行過程中作為一個整體，要么正確提交、要么回滾退出。針對某些工作流的特定事務(wù)特性，人們基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫事務(wù)模型，提出了各種適合工作流的事務(wù)模型，比如多層事務(wù)模型、嵌套事務(wù)模型、柔性事務(wù)模型和分支/匯合事務(wù)模型等。

Amit Sheth率先基于高級事務(wù)模型概念提出了事務(wù)工作流（ Transactional Workflow）[1]概念。事務(wù)工作流結(jié)合了普通工作流和事務(wù)兩者特性，既支持業(yè)務(wù)流程的自動執(zhí)行，又滿足應(yīng)用程序的事務(wù)屬性。在事務(wù)工作流里，活動節(jié)點存在兩種事務(wù)類型：①適合生命周期短的活動，叫做原子事務(wù)類型，節(jié)點的執(zhí)行滿足原子性。這類事務(wù)執(zhí)行的特征是allornothing，參與的活動節(jié)點或者全部成功執(zhí)行，或者未執(zhí)行任何操作；②適合生命周期長的活動，叫做業(yè)務(wù)事務(wù)類型，通過引入調(diào)和、補償?shù)裙收咸幚頇C制，結(jié)合預(yù)先設(shè)立好的協(xié)議，既滿足業(yè)務(wù)流程的事務(wù)性要求，也便于其他用戶盡快訪問活動節(jié)點執(zhí)行時占用的資源。

結(jié)合SOA（services oriented architecture）面向服務(wù)架構(gòu)的工作流，重新賦予工作流各個活動節(jié)點新的實現(xiàn)形式。傳統(tǒng)工作流的活動節(jié)點，局限于本地的某個特定的應(yīng)用程序，系統(tǒng)耦合度高，移植性差。而SOA的引入，則意味著可以選擇網(wǎng)絡(luò)提供的各種服務(wù)來實現(xiàn)工作流中活動節(jié)點的執(zhí)行。一旦構(gòu)建了基于SOA架構(gòu)的工作流管理系統(tǒng)，不同的功能模塊以服務(wù)（service）方式呈現(xiàn)出來，服務(wù)間使用統(tǒng)一和標準的方式進行通信，具備良好的通信契約和統(tǒng)一的訪問接口定義[2]，這種實現(xiàn)方式完全獨立于某個硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言，系統(tǒng)耦合度低、實現(xiàn)方式靈活、移植性好。

基于SOA的工作流因為其特有的靈活、多變的流程實現(xiàn)方式，而展現(xiàn)出網(wǎng)狀的任務(wù)匹配和執(zhí)行模式：①設(shè)定工作流每個活動節(jié)點的任務(wù)是最頂層任務(wù)，基于不同的粒度，可以將各個頂層任務(wù)逐步分解成一級、二級等多級子任務(wù)，形成結(jié)構(gòu)化的任務(wù)分解架構(gòu)；②最底層的子任務(wù)通過各種各樣的動態(tài)發(fā)現(xiàn)和匹配算法，選擇最合適的服務(wù)資源。不同服務(wù)因為相同的接口定義和通信契約，相互之間可以合成、嵌套；③服務(wù)提供的運算結(jié)果經(jīng)由結(jié)構(gòu)化的層次返回給工作流節(jié)點，保證其快速順暢進行。

面向服務(wù)的工作流體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

面向服務(wù)的工作流同樣必須滿足事務(wù)性要求，但是它面臨的情況卻比傳統(tǒng)的工作流復(fù)雜很多，因為一方面它結(jié)合了SOA的松耦合，實現(xiàn)了中立和彈性配置等特性，另一方面還具有更復(fù)雜的操作、更廣的分布性以及更多的異構(gòu)性[3]。因此對于長時間運行的工作流，必須充分保證業(yè)務(wù)過程的事務(wù)性，盡量避免回滾和補償過程。而一旦某個分支活動出現(xiàn)故障時，必須有選擇地補償部分節(jié)點以降低整個流程的補償代價，保證流程快速有效地進行。對于面向服務(wù)的工作流而言，補償會出現(xiàn)各種各樣的情況，如何完成某個服務(wù)節(jié)點的補償任務(wù)已經(jīng)引起業(yè)界的關(guān)注。

圖1 面向服務(wù)的工作流體系結(jié)構(gòu)

本文主要研究面向服務(wù)工作流的事務(wù)補償機制，提出了層次性協(xié)調(diào)框架來保證業(yè)務(wù)活動的事務(wù)性，同時一旦需要執(zhí)行補償?shù)臅r候，快速準確地執(zhí)行相應(yīng)的補償任務(wù)。

1 工作流活動節(jié)點補償機制

工作流的某個活動節(jié)點有可能出現(xiàn)異常，而在此前已執(zhí)行結(jié)束的活動節(jié)點已經(jīng)對系統(tǒng)產(chǎn)生了一些影響。為此，必須通過執(zhí)行補償策略，消除已執(zhí)行行為產(chǎn)生的影響，才能確保整體流程沿著執(zhí)行路徑繼續(xù)下去或正常停止。

補償模式根據(jù)補償節(jié)點的多少分為完全補償和部分補償兩種，如圖2所示。圖2（a） 回滾所有的節(jié)點至工作流的起始點，屬于完全補償。這種補償模式涉及全部已執(zhí)行的活動節(jié)點，回滾代價大，因為一旦某個節(jié)點出現(xiàn)異常，所有節(jié)點都必須回滾至原始狀態(tài)?；谶@種模式下處理邏輯比較簡單，所以很多節(jié)點少、流程簡單的工作流會采用這種補償模式。圖2（b） 則描述了部分補償執(zhí)行流程。不需要回滾或者補償所有節(jié)點，而是通過設(shè)置回滾、補償點，在故障點和安全點之間建立補償路徑，形成部分補償。通過有選擇地進行部分節(jié)點的回滾和補償，處理突發(fā)的異常情況。這種補償實現(xiàn)起來代價較小，特別適合業(yè)務(wù)過程中節(jié)點沒必要進行補償或者部分已實現(xiàn)的執(zhí)行結(jié)果需要保留等異常情況。但隨之而來的是它的處理邏輯必然較完全補償復(fù)雜許多。圖2（b）中，在逆向補償中，結(jié)點c2的補償活動被忽略，直接由結(jié)點c3′跳至結(jié)點c1′。

針對這兩種補償方法，眾多文獻對補償路徑執(zhí)行效率的提高提出了不同解決方法。文獻[4]認為對于執(zhí)行無影響的任務(wù)節(jié)點和執(zhí)行結(jié)果冪等的任務(wù)節(jié)點，在補償圖中可以過濾掉這些補償，進而提高補償效率。文獻[5]提出了“機會補償”概念，通過將執(zhí)行和補償之間的依賴關(guān)系顯式地明確標識在工作流描述語言中，為補償過程提供了更多彈性。文獻[6]在多層次的事務(wù)模型基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的補償機制，重點強調(diào)了嵌套結(jié)構(gòu)下補償?shù)姆秶?，以上這幾種機制通常將工作流看成平坦流圖。文獻[7]提出了面向復(fù)雜事務(wù)工作流的層次式失效恢復(fù)算法HFR（Hierarchical Failure Recovery）。基于工作流多個層次間具有基于應(yīng)用語義的依賴關(guān)系，很多時候較低層次出現(xiàn)的失效需要傳播到較高層次。HFR通過預(yù)先配置好子過程的恢復(fù)模式，動態(tài)確定補償終止點，為具有不同的子過程及活動提供不同的靈活處理機制，將失效盡可能限制在低層block中，大大提高了補償執(zhí)行效率。

圖2 Compensate策略

基于SOA的事務(wù)工作流由于服務(wù)的松耦合性和動態(tài)變化性，其補償模型的建立和補償過程的執(zhí)行變得相當復(fù)雜。補償?shù)闹饕繕司褪菢?gòu)建一個正確且代價最小的補償模型。本文針對這個目標，結(jié)合Web service中事務(wù)處理的規(guī)范，將協(xié)調(diào)者的角色加入到面向服務(wù)的工作流中，通過協(xié)調(diào)者的中間作用協(xié)調(diào)事務(wù)完成，盡量避免回滾和補償?shù)膱?zhí)行。當服務(wù)節(jié)點出現(xiàn)各種各樣突發(fā)異常情況時，各層的協(xié)調(diào)者還能利用層次性的框架完成補償過程。

2 面向服務(wù)工作流的協(xié)調(diào)框架

2.1 協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)

協(xié)調(diào)器主要由4個元素組成：激活服務(wù)（Activation Service）、注冊服務(wù)（Registration Service）、協(xié)調(diào)服務(wù)（Coordination Service）、補償服務(wù)（Compensation Service）。創(chuàng)建和注冊服務(wù)的機制，涵蓋了事務(wù)性回滾和補償問題的解決方法。工作流中各個任務(wù)活動節(jié)點與底層服務(wù)的協(xié)調(diào)和通信基于這4個服務(wù)的通力合作。

協(xié)調(diào)器兼顧了目前流行的兩種協(xié)調(diào)模型（原子事務(wù)協(xié)調(diào)模型、業(yè)務(wù)事務(wù)協(xié)調(diào)模型），容許各系統(tǒng)、各平臺以事務(wù)方式進行互操作。協(xié)調(diào)器最核心的協(xié)調(diào)服務(wù)模塊，既可以用一個結(jié)構(gòu)性的功能程序來實現(xiàn)，也可以以層次性Agent的形式來處理工作流的任務(wù)或活動。協(xié)調(diào)器組織結(jié)構(gòu)見圖3。

如圖3所示，任務(wù)節(jié)點和服務(wù)節(jié)點都由激活、注冊、協(xié)調(diào)和補償4部分組成。激活服務(wù)利用create消息通知協(xié)調(diào)器即將開始一個新的工作流節(jié)點的任務(wù)活動，根據(jù)該活動的事務(wù)要求設(shè)置協(xié)調(diào)協(xié)議。激活服務(wù)可以為新創(chuàng)建的活動和現(xiàn)有活動的關(guān)系建立嵌套關(guān)系或上下級關(guān)系，以應(yīng)對一些復(fù)雜工作流的嵌套事務(wù)性要求。注冊服務(wù)通過登記（enrollment）和選擇（selection），提供任務(wù)活動和服務(wù)資源注冊。對于可補償或可替代的活動，其對應(yīng)的補償或替代服務(wù)也被注冊到協(xié)調(diào)器中。協(xié)調(diào)服務(wù)是協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)中最核心最重要的功能模塊。協(xié)調(diào)服務(wù)主要由兩部分組成：①兩階段提交協(xié)議的執(zhí)行：第一階段通知各服務(wù)節(jié)點作準備，如果收到所有節(jié)點的反饋，進入第二階段。如果部分服務(wù)節(jié)點無反饋，則選擇其它可替換的等價服務(wù)節(jié)點。一旦找不到可替換的服務(wù)，協(xié)調(diào)器最后通知任務(wù)節(jié)點，任務(wù)無法完成；第二階段：當收到所有服務(wù)節(jié)點都準備好的消息后，協(xié)調(diào)器通知服務(wù)節(jié)點執(zhí)行任務(wù)，服務(wù)節(jié)點執(zhí)行完成后返回是否執(zhí)行成功的消息給協(xié)調(diào)器；②協(xié)調(diào)補償服務(wù)完成：在服務(wù)節(jié)點執(zhí)行出現(xiàn)異常時，協(xié)調(diào)器執(zhí)行恢復(fù)操作，盡可能撤消其它相關(guān)節(jié)點已經(jīng)產(chǎn)生的影響。補償服務(wù)和其它3個服務(wù)相輔相成，當某個服務(wù)節(jié)點無法返回正確結(jié)果出現(xiàn)異常情況時，補償服務(wù)負責(zé)根據(jù)該服務(wù)節(jié)點生成動態(tài)補償圖，并將補償服務(wù)節(jié)點地址通知協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器來完成補償。協(xié)調(diào)過程見圖4。

圖3 協(xié)調(diào)器組織結(jié)構(gòu)

圖4 協(xié)調(diào)序列

2.2 層次性協(xié)調(diào)補償架構(gòu)

傳統(tǒng)的補償模式和實現(xiàn)方法不能完全適用于面向服務(wù)的工作流。利用層次性的協(xié)調(diào)模型來協(xié)調(diào)事務(wù)活動和后續(xù)補償活動可以很好地應(yīng)對松耦合，以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的SOA事務(wù)工作流中出現(xiàn)的各種突發(fā)情況。設(shè)計如圖5所示的層次性協(xié)調(diào)架構(gòu)，包括頂層協(xié)調(diào)器、子協(xié)調(diào)器和底層協(xié)調(diào)器。通過對同一粒度層的服務(wù)設(shè)置一個相應(yīng)層次的協(xié)調(diào)器，使得補償代價最小、效率最高。

當某一層次的服務(wù)節(jié)點發(fā)生故障無法順利完成任務(wù)時，協(xié)調(diào)器通過查找該服務(wù)節(jié)點有無補償服務(wù)節(jié)點，動態(tài)地確定補償圖。如果沒有相應(yīng)的補償服務(wù)節(jié)點，則異常信息和動態(tài)補償圖向上一層父協(xié)調(diào)器傳播。父協(xié)調(diào)器通過查找同一層的服務(wù)有無相應(yīng)的補償服務(wù)節(jié)點，決定下一步的操作序列。通過自底向上一直重復(fù)這個過程，直至找到可以處理補償?shù)膮f(xié)調(diào)器。最終確定的協(xié)調(diào)器根據(jù)異常信息和得到的動態(tài)補償結(jié)構(gòu)圖向部分補償服務(wù)資源發(fā)出執(zhí)行命令，接著選擇合適的替代路徑保證工作流的繼續(xù)執(zhí)行。所有參與補償服務(wù)資源執(zhí)行后將結(jié)果反饋給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將執(zhí)行結(jié)果經(jīng)由協(xié)調(diào)樹向上反饋給工作流的任務(wù)節(jié)點，最終完成整個補償過程。

圖5 層次性補償協(xié)調(diào)架構(gòu)（S：SERVICE C：COORDINATOR）

這種層次性的協(xié)調(diào)架構(gòu)預(yù)先設(shè)置好服務(wù)的恢復(fù)模式和恢復(fù)策略，利用自底向上層層傳遞找到合適的協(xié)調(diào)器，通過補償模塊動態(tài)產(chǎn)生補償圖，確定補償活動的終止點來完成補償活動。一旦服務(wù)可補償或者可替換，異常信息就不再向上傳播。補償域盡可能限制在低層的服務(wù)中，由底層的協(xié)調(diào)器處理補償過程，減少不必要的補償，提高失效恢復(fù)的效率。

3 結(jié)語

本文在研究Web service事務(wù)處理規(guī)范和工作流事務(wù)補償?shù)幕A(chǔ)上，提出了針對面向服務(wù)工作流體系結(jié)構(gòu)的層次性協(xié)調(diào)框架，以保證事務(wù)補償活動快速準確地執(zhí)行。層次性協(xié)調(diào)框架作為工作流和服務(wù)資源的中間件，對活動和資源有效地協(xié)調(diào)管理，提高了工作流執(zhí)行效率。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）