基于Petri網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)自動組合方法研究

基于Petri網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)自動組合方法研究

徐金卯， 馬丁， 宋玉， 莊雷

(鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院， 鄭州 450001)

摘要：針對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的自動組合問題，提出了一種考慮端系統(tǒng)輸入/輸出請求的自動組合方法。將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能轉(zhuǎn)化為Petri網(wǎng)中的變遷，輸入請求與輸出期望轉(zhuǎn)化為庫所；構(gòu)建3種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合模型，通過對這些基礎(chǔ)組合模型的再組合及分析，可以實現(xiàn)更復(fù)雜、功能更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合。通過T向量技術(shù)可判定是否存在滿足用戶需求的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；服務(wù)組合；Petri網(wǎng)；T向量

收稿日期：2015-05-20

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(61379079)；河南省科技攻關(guān)項目(122102210042)；河南省科技廳基礎(chǔ)研究計劃項目(142300410231；142300410308)

作者簡介：徐金卯(1987-)，男，河南信陽人，碩士，主要研究方向為下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。

文章編號：1671-6906(2015)04-0042-05

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.04.011

Abstract:A Petri Net-based network service automatic composition method is proposed to composite the network service. Network service function is translated into the transition of Petri Net, which serves as the input place and out place of the corresponding input request and output expectation. Three types of network service composited models are presented, from which complexity network service composition can be realized through further combination and analysis. The T-vector can be used to determine whether there is a combination which satisfy the user’s input/output requirements.

傳統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在能力與結(jié)構(gòu)相對簡單，功能過于單一,網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者傾向于將更多的網(wǎng)絡(luò)功能添加到網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層[1]，以適應(yīng)用戶不斷增長的業(yè)務(wù)需求。

為了實現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)功能的可擴(kuò)展性，協(xié)議特征以及網(wǎng)絡(luò)功能通常被細(xì)粒度化為“網(wǎng)絡(luò)服務(wù)”?！熬W(wǎng)絡(luò)服務(wù)”一般由路由器節(jié)點實現(xiàn)。隨著可編程路由技術(shù)的發(fā)展，路由器的種類及功能不斷增加，如工作站路由器[2]、可編程路由器[3]、虛擬化路由器[4]等都可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)級服務(wù)(數(shù)據(jù)傳輸、入侵檢測、時延保障、身份驗證等)，并且路由器提供的服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中可以被定位，使得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)“中心化”的思想在技術(shù)上得到有力的支持，原本在應(yīng)用層實現(xiàn)的功能可以“下移”至網(wǎng)絡(luò)傳輸層中去實現(xiàn)。

但是，這些單一的細(xì)粒度的“網(wǎng)絡(luò)服務(wù)”往往不能滿足用戶的請求。因此如何高效地對其進(jìn)行組合，通過規(guī)則的匹配和約束，形成能夠滿足用戶需求的服務(wù)組合，是一個亟待解決的問題，也是下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)適應(yīng)性和可擴(kuò)展性的重要體現(xiàn)。

當(dāng)端系統(tǒng)對一個網(wǎng)絡(luò)控制器下的節(jié)點發(fā)出服務(wù)請求時，網(wǎng)絡(luò)控制器會根據(jù)端系統(tǒng)請求的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以及這些服務(wù)的內(nèi)在關(guān)系，為端系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包指定一條“數(shù)據(jù)路徑”[5]。端系統(tǒng)請求的服務(wù)會在這條“數(shù)據(jù)路徑”上依次被所經(jīng)過的節(jié)點執(zhí)行，到達(dá)最終的目的節(jié)點時，所有服務(wù)都會被執(zhí)行完畢，生成滿足端系統(tǒng)請求的數(shù)據(jù)包。因此，如何自動地得出一組可以滿足端系統(tǒng)需求的服務(wù)序列，將是本文主要研究的問題。服務(wù)序列的生成將為路由算法提供必要的依據(jù)，同時也為“數(shù)據(jù)路徑”的生成提供必要的條件。

1相關(guān)工作

在國內(nèi)外所進(jìn)行的下一代互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)研究中，“服務(wù)中心化”的趨勢愈加明顯。馬薩諸塞大學(xué)的Wolf T提出的“網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(In-Network service)”概念，將諸如數(shù)據(jù)壓縮、身份認(rèn)證等服務(wù)添加到網(wǎng)絡(luò)核心層，將其統(tǒng)一視為細(xì)粒度的Network service，豐富了核心網(wǎng)絡(luò)層的功能，同時增加了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性[6]；美國NSF項目SILO中，將細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)功能作為可重用的構(gòu)件[7]，通過構(gòu)件的重用來豐富核心網(wǎng)絡(luò)的功能；歐盟項目AutoI設(shè)計開發(fā)出一個開源框架，用來構(gòu)建可靠性更高的服務(wù)組合。在國內(nèi)，信息工程大學(xué)進(jìn)行的國家“973”計劃項目“可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)”[8]，將原有TCP/IP體系結(jié)構(gòu)各層協(xié)議細(xì)粒度化為網(wǎng)絡(luò)“元能力”，通過對元能力的組合形成“元服務(wù)”，進(jìn)而滿足用戶所提出的業(yè)務(wù)需求。

在現(xiàn)行互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)以及下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，協(xié)議和服務(wù)的組合機(jī)制都已經(jīng)有所研究?？膳渲玫膮f(xié)議?？梢砸暈榻M合問題的靜態(tài)解決方法[9]；SILO項目中的協(xié)議棧構(gòu)建模塊，可以動態(tài)地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合。Wolf T利用AI Planning方法自動推理服務(wù)組合[6]。

本文提出了一種基于語義Petri網(wǎng)的服務(wù)組合方法，Petri網(wǎng)中的變遷用來表示網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可以實現(xiàn)的功能，庫所代表網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的輸入/輸出狀態(tài)。Petri網(wǎng)作為一種基于狀態(tài)的形式化建模方法，具有直觀、形象且有嚴(yán)格語義和數(shù)學(xué)分析等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于描述具有并發(fā)、異步、分布、并行、非確定性等性質(zhì)的系統(tǒng)。相對于可配置協(xié)議棧，利用Petri網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)自動組合，不需要人工參與，即可實現(xiàn)自動化的服務(wù)組合。對同一網(wǎng)絡(luò)控制器下的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行Petri網(wǎng)的表示，避免了AI Planning方法對于每次用戶需求均需逐一推理的缺陷，降低了服務(wù)方案的“構(gòu)造成本”[10]。

2服務(wù)組合的Petri網(wǎng)建模

首先對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合以及端系統(tǒng)請求進(jìn)行形式化定義。根據(jù)對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合及端系統(tǒng)請求的描述，利用Petri網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合進(jìn)行建模。最后根據(jù)Petri網(wǎng)的狀態(tài)方程、結(jié)構(gòu)性質(zhì)來推導(dǎo)出特定的服務(wù)組合序列。

2.1網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合，實質(zhì)上可以描述為：在網(wǎng)絡(luò)自治域內(nèi)部，路由節(jié)點可以提供一系列的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；根據(jù)端系統(tǒng)提出的特定通信需求，網(wǎng)絡(luò)控制器首先需要檢查自治域內(nèi)是否存在滿足端系統(tǒng)通信需求的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)副本，然后計算出滿足需求的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合序列。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合可形式化定義為：假定S={S1，S2,…，Sn}為網(wǎng)絡(luò)控制器域內(nèi)的一系列可用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的集合，服務(wù)Si(I,O)：I→O。 對于一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)Si可以接收的輸入I，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)Si的處理，可以產(chǎn)生一個輸出O。

本文的目標(biāo)是，針對給定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請求R，找到一組有序的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合(Sx1>>Sx2>>…>>Sxk),其中Sxi∈S(1≤i≤k)，且R?(Sx1>>Sx2>>…>>Sxk)。

2.2端系統(tǒng)請求

定義1將用戶請求定義為一個二元組：Ruser=(Iuser,Ouser)。

2.3網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合的Petri網(wǎng)表示

定義2將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合的Petri網(wǎng)定義為四元組：PN=(P,T；F,M)。

(1)P={p1,p2,…,pn},pn∈I∪O

P為所有庫所的集合，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能模型中，表示網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的輸入狀態(tài)和輸出狀態(tài)，即P?Iuser∪Ouser。

(2)T={t1,t2,…,tn},tn∈S

T為所有變遷的集合，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能模型中，表示網(wǎng)絡(luò)服務(wù)所具有的一種可以為用戶提供的功能，即T∈S。

(3)F?(P×T)∪(T×P)

F為P與T之間的弧集，稱為Petri網(wǎng)的流關(guān)系集合。

(4)M：P→{0,1,2,…}

M為庫所元素對應(yīng)的標(biāo)記函數(shù)，M0記為P上的初始標(biāo)識。

2.4Petri網(wǎng)的狀態(tài)方程、結(jié)構(gòu)性質(zhì)

定義3Petri網(wǎng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以利用關(guān)聯(lián)矩陣來表示。

(1)C:P×T→Z，矩陣元素為C(si,tj)=C+(tj,si)-C-(si,tj)。該矩陣C是以P×T為序標(biāo)集的矩陣，矩陣C稱為網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)矩陣；其中C+(tj,si)是從變遷tj到它的輸出位置si的弧的權(quán)值；C-(si,tj)是從變遷tj的輸入位置si到變遷tj的弧的權(quán)值。

(2)V={v1,v2,…,vn},vn∈N。以庫所集P為序標(biāo)集的列向量V:P→Z叫作網(wǎng)系統(tǒng)的S_向量，Z為整數(shù)集。在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合模型中，該向量代表了一系列網(wǎng)絡(luò)服務(wù)輸入端口或者輸出端口的狀態(tài)。

(3)?U={u1,u2,…,un}(un∈N)，M0+C·U=M；以變遷集T為序標(biāo)集的列向量U:T→Z叫作網(wǎng)系統(tǒng)的T向量。

可以將M0[α>M這一事實寫成等式M0+C·U=M，其中α是把M0變?yōu)镸的變遷序列。這里將α定義為將初始用戶請求序列M0轉(zhuǎn)化為用戶期待輸出序列M的一系列網(wǎng)絡(luò)服務(wù)處理序列。

3網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的自動組合模型

這里定義3種常見的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合模式：順序組合、并行組合、沖突組合。通過對這3種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合規(guī)則進(jìn)行再組合，可以得到更復(fù)雜、功能更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合。

單一網(wǎng)絡(luò)服務(wù)在Petri網(wǎng)中的具體模型如圖1所示。

圖1　單一網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

如果存在一個滿足網(wǎng)絡(luò)服務(wù)輸入操作的用戶請求，可以利用Petri網(wǎng)將其轉(zhuǎn)化為一個輸出。將這一規(guī)則稱之為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)ti的使能條件。

3.1網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的順序組合

在滿足規(guī)則1的條件下，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)ti、tj的組合方式為順序執(zhí)行，表示為ti·tj，即執(zhí)行完ti后才能執(zhí)行tj，如圖2所示。

規(guī)則1?ti,tj∈T，p[ti>p｀∧p｀[tj>∧┐p[tj>。

圖2　順序組合

3.2網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的并行組合

在滿足規(guī)則2的條件下，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)ti、tj的組合方式為并行執(zhí)行，如圖3所示。

圖3　并行組合

3.3網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的沖突組合

在滿足規(guī)則3的條件下，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)ti、tj的組合方式為沖突執(zhí)行，如圖4所示。

規(guī)則3?ti,tj∈T，M[ti>M1?

┐M1[tj>∧M[tj>M1?┐M1[ti>。

圖4　沖突組合

在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)ti、tj組合的關(guān)系是沖突關(guān)系，即ti、tj之中只要有一個發(fā)生，就會導(dǎo)致另一個無法觸發(fā)，這種關(guān)系可表示為ti/tj。在輸出庫所后，各增加一個變遷，使沖突狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)ti、tj到達(dá)一個“ti/tjFinished”庫所。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型S=，網(wǎng)絡(luò)控制器可以感知到節(jié)點內(nèi)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的集合，對于節(jié)點內(nèi)的每一條網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的描述，都可以將其對應(yīng)建模為Petri網(wǎng)中的一條規(guī)則。同時，將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對應(yīng)的輸入、輸出請求建模為庫所，根據(jù)節(jié)點內(nèi)的可用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以及這些網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的相互關(guān)系(如上述所列的順序、并發(fā)、沖突關(guān)系)，并結(jié)合關(guān)聯(lián)矩陣，把整個節(jié)點內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)建模為一個Petri網(wǎng)。

在得到節(jié)點內(nèi)的Petri網(wǎng)模型之后，可以根據(jù)用戶的請求，通過求解T向量得到的服務(wù)組合變遷序列，即可得知該節(jié)點內(nèi)是否存在能夠滿足用戶需求的服務(wù)序列。然后根據(jù)Petri網(wǎng)的常用分析方法，進(jìn)行可達(dá)性分析，得到具體的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的執(zhí)行步驟，即可以得出一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合序列，滿足用戶的需求。

4示例

在下一代互聯(lián)網(wǎng)中，用戶對網(wǎng)絡(luò)的安全性、可用性、異構(gòu)終端的支持等要求越來越高。這里通過一個實時加密視頻聊天的例子來說明基于Petri網(wǎng)的自動服務(wù)組合過程，如圖5所示。

圖5　視頻聊天數(shù)據(jù)傳輸過程

由圖5可以看出，網(wǎng)絡(luò)控制器可以接收端系統(tǒng)的輸入請求，為用戶自動組合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，產(chǎn)生滿足用戶期待的輸出需求。以上示例中，核心網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點能夠提供的可用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)如表1所示。

表1　可用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

根據(jù)上一節(jié)的建模規(guī)則，對于上述所列網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，將輸入、輸出端口以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)分別建模為Petri網(wǎng)模型中的庫所和規(guī)則，如下：

P1:Type-video(HDTV-1080P)；轉(zhuǎn)碼請求;

P2:Unencrypted；加密請求;

P3:Type-video(H.263)；轉(zhuǎn)碼請求完成;

P4:Type of encrypted；加密請求完成;

P5:t3/t4finished；

P6:RTP request；RTP請求；

P7:RTP packet；RTP封裝完;

P8:end；終結(jié)狀態(tài);

t1:Transcoder,HDTV→H.263;轉(zhuǎn)碼網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；

t2:EncrypTion,uncrypTed||Type of video→Type of encrypTed;加密網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；

t3/t4:→finished;

t6:RTP，t3/t4||real-Time quest→RTP packet;RTP協(xié)議；

t5/t7:→finished;

根據(jù)上述規(guī)則列表，可以得出該網(wǎng)絡(luò)服務(wù)集合的Petri網(wǎng)關(guān)聯(lián)矩陣A。利用關(guān)聯(lián)矩陣，可以得到本次網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合的Petri網(wǎng)模型，如圖6所示。

圖6　Petri網(wǎng)模型

此次服務(wù)請求端系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送輸入請求與期待輸出，如表2所示。

表2　用戶輸入/輸出

網(wǎng)絡(luò)控制器在接收到端系統(tǒng)服務(wù)請求之后，首先要進(jìn)行服務(wù)規(guī)格驗證、語義映射兩部分工作，然后再進(jìn)行服務(wù)選擇以及服務(wù)組合。本文著重對后兩部分機(jī)制進(jìn)行研究。

首先，對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)輸入請求進(jìn)行形式化處理：Ruser=(Iuser,Ouser)，Iuser=(Type-video(HDTV-1080P)，Unencrypted，RTP)，Ouser=(Type-video(H.263)，Type of encrypted，RTP packet)。

與此同時，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器會加入一些必要的基礎(chǔ)傳輸服務(wù)來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瓿?，例如P協(xié)議、UDP協(xié)議、PPP協(xié)議等。

對于用戶請求Iuser=(Type-video(HDTV-1080P)，Unencrypted，RTP)，進(jìn)行語義映射之后得到Iuser=(1,1,0,0,0,1,0,0)T請求序列；序列中的“1”表示對P1、P2、P6庫所賦予Token，從而激活這3個庫所所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。對于用戶期望輸出序列Ouser=(Type-video(H.263)，Type of encrypted，RTP packet)，進(jìn)行語義映射之后得到Ouser=(0,0,0,0,0,0,1)；序列中的“1”表示終結(jié)狀態(tài)。

通過狀態(tài)方程Iuser+Aα=Ouser計算可知，α=(1,1,0,1,0,1,1)T。從α的計算結(jié)果可知，變遷t1、t2、t4、t6、t7觸發(fā)。通過可達(dá)樹的分析(這里從略)可得到變遷序列為t1·t2·t4·t6·t7。

進(jìn)一步對該P(yáng)etri網(wǎng)進(jìn)行多次不同服務(wù)請求，如表3所示。

表3　用戶請求數(shù)據(jù)

通過服務(wù)請求測試樣例可以得知，端系統(tǒng)提出不同的服務(wù)請求時，該模型均可以成功地計算出準(zhǔn)確的變遷序列。當(dāng)端系統(tǒng)提出的業(yè)務(wù)需求不合法時，如沒有請求轉(zhuǎn)碼服務(wù)，而期望輸出要求數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)碼，系統(tǒng)會計算出不可讀的變遷序列，并返回錯誤的結(jié)果。

5結(jié)語

本文以Petri網(wǎng)為工具，針對下一代互聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組合問題，利用Petri網(wǎng)對其進(jìn)行建模，定義了3種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的組合方法，并對網(wǎng)絡(luò)控制器域內(nèi)的服務(wù)進(jìn)行建模，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的自動化組合。在用戶提出需求后，能夠準(zhǔn)確地計算出滿足用戶需求的服務(wù)組合，自動生成服務(wù)序列。下一步工作可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的特點在T向量算法上進(jìn)行改進(jìn)，找到更加行之有效的算法；也可以在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)Petri網(wǎng)的結(jié)構(gòu)上做出優(yōu)化，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能結(jié)構(gòu)的分類，構(gòu)建出結(jié)構(gòu)更加合理的Petri網(wǎng)。

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(責(zé)任編輯：張同學(xué))

Study on a Petri Net-Based Network Service Automatic Composition Method

XU Jin-mao, MA Ding, SONG Yu, ZHUANG Lei

(Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Key words:network service; service composition; Petri net; T-vector