基于工作流和QoS的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)組合技術(shù)研究

潘俊虹

（武夷學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，福建武夷山354300）

?

基于工作流和QoS的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)組合技術(shù)研究

潘俊虹

（武夷學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，福建武夷山354300）

摘要：物聯(lián)網(wǎng)近年發(fā)展迅猛，由感知層RFID采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傳輸層進(jìn)行處理為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)資源。但是海量的數(shù)據(jù)如何進(jìn)行組合調(diào)度以及物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對(duì)信息的整合都面臨較大的挑戰(zhàn)。采用Web Services技術(shù)，依據(jù)Qos指標(biāo)建立了一種基于工作流的物聯(lián)網(wǎng)Web服務(wù)組合模型，并實(shí)現(xiàn)對(duì)Web服務(wù)的評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)組合，可以對(duì)物聯(lián)網(wǎng)Web服務(wù)進(jìn)行重組和優(yōu)化，從而提高物聯(lián)網(wǎng)Web服務(wù)組合調(diào)度的準(zhǔn)確度、靈活性、可用性和智能化。

關(guān)鍵詞：工作流QoS；物聯(lián)網(wǎng)；Web服務(wù)；動(dòng)態(tài)組合調(diào)度

物聯(lián)網(wǎng)（the internet of things，IOT）顧名思義就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。主要是通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)、激光掃描、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，通過(guò)相應(yīng)的協(xié)議，將各種物品互聯(lián)進(jìn)行信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種新型網(wǎng)絡(luò)［1］。物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)可以分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要有RFID系統(tǒng)組成，感知層搜集物體或者環(huán)境信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，為應(yīng)用層提供必要的信息資源。為了增加RFID標(biāo)記的物品可見(jiàn)性，需要?jiǎng)?chuàng)建具有關(guān)聯(lián)RFID的Web服務(wù)，將內(nèi)部的Web服務(wù)連接到集成服務(wù)器，然后再通過(guò)SOA（service-oriented architecture，面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)）實(shí)現(xiàn)服務(wù)互聯(lián)化，最終在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)信息的采集、交換與共享。然而由于物聯(lián)網(wǎng)連接的目標(biāo)是具有感知功能的物理設(shè)備，且企業(yè)各自建設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，服務(wù)所在環(huán)境動(dòng)態(tài)變化等原因，用于傳統(tǒng)虛擬實(shí)體的Web服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法直接應(yīng)用現(xiàn)有物聯(lián)設(shè)備。所以需要對(duì)傳統(tǒng)Web服務(wù)模型進(jìn)行擴(kuò)展，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件技術(shù)及多層關(guān)鍵技術(shù)融合與集成應(yīng)用［2］。本文通過(guò)基于工作流和服務(wù)質(zhì)量QoS （quaLity of service）動(dòng)態(tài)組合技術(shù)構(gòu)建了一種物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)組合模型實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的組合，提高服了服務(wù)的準(zhǔn)確性和靈活性。物聯(lián)網(wǎng)Web服務(wù)架構(gòu)如圖1所示：

圖1 物聯(lián)網(wǎng)Web服務(wù)架構(gòu)

1 物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)組合技術(shù)

服務(wù)組合技術(shù)是基于軟件重用的理念，把系統(tǒng)中現(xiàn)有的Web服務(wù)，按照一定規(guī)則組合從而創(chuàng)建新的滿足用戶復(fù)雜功能需求的高質(zhì)量服務(wù)。Web服務(wù)組合已經(jīng)是業(yè)界研究的熱點(diǎn)，然而Web服務(wù)組合尚未有一個(gè)統(tǒng)一定義，研究者也從不同角度出發(fā)對(duì)其進(jìn)行了大量研究，按照方法論的角度大致可以分為三種：基于工作流的服務(wù)組合、基于智能規(guī)劃的服務(wù)組合、基于軟件工程方法的服務(wù)組合。其中基于工作流的服務(wù)組合技術(shù)主要借鑒工作流技術(shù)中的建模方法，服務(wù)描述語(yǔ)言吸收了工作流模型的成果。目前，基于流服務(wù)組合研究主要集中Web執(zhí)行流程，主要有：BPEL4WS （business process execution Language for Web services）、BPML（business process modeLing Language）、EFLOW等［3］。

2 基于工作流的Web服務(wù)組合參考模型

基于工作流的系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程實(shí)際上對(duì)分散的Web服務(wù)進(jìn)行組合的過(guò)程。首先定義業(yè)務(wù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)、服務(wù)及流程模型。服務(wù)層數(shù)據(jù)模型定義了在服務(wù)間交換、提供服務(wù)請(qǐng)求所使用的業(yè)務(wù)層數(shù)據(jù)。流程模型定義采用了WS-BPEL方式實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程。模型定義完畢后，系統(tǒng)可利用Web服務(wù)平臺(tái)，創(chuàng)建使用原子服務(wù)和合成服務(wù)的業(yè)務(wù)流程。Web服務(wù)平臺(tái)具有發(fā)現(xiàn)已有服務(wù)、注冊(cè)新的合成服務(wù)、安全訪問(wèn)已有服務(wù)等功能［4］?；诠ぷ髁鞯腤eb服務(wù)組合參考模型如圖2所示：

圖2 工作流服務(wù)組合參考模型結(jié)構(gòu)圖

3 基于工作流的物聯(lián)網(wǎng)Web服務(wù)組合建模

3.1 工作流中的Web服務(wù)描述

在物聯(lián)網(wǎng)中，設(shè)備服務(wù)作為一個(gè)Web服務(wù)組件出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中，提供數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制功能。而工作流引擎或者其他上層應(yīng)用通過(guò)建立在HTTP等協(xié)議之上的SOAP協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備接口的調(diào)用。在工作流引擎中需要對(duì)Web服務(wù)的操作、訪問(wèn)該操作的服務(wù)位置信息、參數(shù)信息等進(jìn)行描述。對(duì)參數(shù)的描述包括名稱、類型以及是否需要輸入?yún)?shù)和輸出結(jié)果等，以方便工作流引擎可以根據(jù)這些信息對(duì)各個(gè)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綁定和對(duì)Web服務(wù)進(jìn)行合理有序的調(diào)用。因此為了方便系統(tǒng)解讀，本文利用XML對(duì)Web服務(wù)進(jìn)行如圖3所示代碼規(guī)范化描述：

圖3 物聯(lián)網(wǎng)Web服務(wù)描述

3.2 服務(wù)流程定義描述

本文通過(guò)一個(gè)四元組的形式對(duì)服務(wù)流程定義描述如下：

＜Identity，Description，ActivitySet，TransitionSet＞

其中：Identity表示服務(wù)流程定義的唯一標(biāo)識(shí)；

Description表示對(duì)改流程定義的描述；

ActivitySet表示流程中的節(jié)點(diǎn)集合；

TransitionSet表示服務(wù)流程中服務(wù)組合的依賴關(guān)系。如下圖4所示代碼描述：

圖4 服務(wù)流程定義描述

3.3 QoS模型與計(jì)算

服務(wù)質(zhì)量QoS（QuaLity of Service）是各種存在服務(wù)供需關(guān)系場(chǎng)合中普遍存在的概念。用于評(píng)估服務(wù)提供方滿足客戶服務(wù)需求的能力。在面向物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，由于Web服務(wù)的未知性和隨意性，服務(wù)質(zhì)量也就具有很強(qiáng)的不確定性，且隨著Web服務(wù)數(shù)量的不斷增加，服務(wù)請(qǐng)求在服務(wù)功能滿足需要的情況下，對(duì)服務(wù)質(zhì)量要求越來(lái)越高［5］。本文在綜合分析了現(xiàn)有的QoS模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下服務(wù)的特點(diǎn)選擇執(zhí)行成本（RC）、執(zhí)行時(shí)間（RT）、服務(wù)聲譽(yù)（AC）、可靠性（RE）、可用性（AV）五個(gè)參數(shù)指標(biāo)來(lái)衡量服務(wù)質(zhì)量和動(dòng)態(tài)組合新的服務(wù)。本文采用的QoS計(jì)算模型如下：

從上述模型中可以得出服務(wù)質(zhì)量QoS的值為：

QoS=Wrc+Wrt+Wac+Wre+Wav；

W代表使用或定義服務(wù)的用戶憑借經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造的不同因素的值，值越大表示性能越優(yōu)越。在服務(wù)查找過(guò)程中，用戶調(diào)用精確的匹配來(lái)查找符合要求的服務(wù)。在所有查詢得到的服務(wù)中再通過(guò)查詢每個(gè)服務(wù)包含的評(píng)價(jià)因素值，求得每個(gè)服務(wù)的QoS值，選取QoS值最大的服務(wù)進(jìn)行綁定，最后在運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)用。

3.4 工作流引擎

本文采用工作流引擎為Apache ODE，該引擎支持BPEL、Xforms、WebService，框架比較靈活。ODE BPEL編譯器、ODE BPEL運(yùn)行時(shí)、ODE數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象（DAOs）、ODE集成層（ILs）和用戶工具之間耦合度低。引擎是驅(qū)動(dòng)流程流動(dòng)的主要部件，主要功能包括：流程定義的導(dǎo)入導(dǎo)出、同客戶端應(yīng)用程序和工作列表處理程序之間的交互、軟件工具和應(yīng)用程序的調(diào)用、不同工作流管理系統(tǒng)之間的協(xié)同工作、管理和監(jiān)視功能。

4 物聯(lián)網(wǎng)Web服務(wù)組合過(guò)程

在上述工作完成之后，本文就可以利用工作流引擎進(jìn)行調(diào)度服務(wù)。工作流引擎主要任務(wù)是負(fù)責(zé)解析流程定義，管理流程創(chuàng)建，控制流程運(yùn)行以及與外部應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)同工作。工作流引擎調(diào)度執(zhí)行過(guò)程如圖5所示：

圖5 基于工作流的動(dòng)態(tài)Web服務(wù)組合

引擎啟動(dòng)后根據(jù)配置信息初始化引擎的配置，然后解析流程定義文件適配成流程模型，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。引擎執(zhí)行時(shí)首先創(chuàng)建并啟動(dòng)流程實(shí)例，將活動(dòng)節(jié)點(diǎn)綁定外部應(yīng)用。一旦執(zhí)行到應(yīng)用活動(dòng)，則會(huì)調(diào)用相應(yīng)的外部處理程序處理并將結(jié)果數(shù)據(jù)返回存儲(chǔ)到流程變量然后繼續(xù)執(zhí)行直到流程執(zhí)行完畢。具體執(zhí)行步驟如下：

（1）服務(wù)消費(fèi)用戶提交服務(wù)需求，需求包含功能描述、輸出要求、參數(shù)、Qos信息等；

（2）查詢流程定義庫(kù)是否有相符的流程定義，若有則交給引擎執(zhí)行，否則進(jìn)入步驟3；

（3）分析用戶提交的服務(wù)描述，提取所需的Web服務(wù)及各Web服務(wù)之間的依賴關(guān)系；

（4）根據(jù)對(duì)流程定義的描述和Web服務(wù)之間的依賴關(guān)系建立流程模板；

（5）從UDDI服務(wù)注冊(cè)中心查找分析得到的Web服務(wù)，并根據(jù)QoS計(jì)算方法和Web服務(wù)依賴關(guān)系計(jì)算組合服務(wù)的QoS屬性，選擇滿足用戶需求的Web服務(wù)并綁定到流程模板。

（6）將完整的流程定義文件部署到工作流引擎中執(zhí)行，執(zhí)行完畢將結(jié)果返回用戶。

5 小結(jié)

本文通過(guò)對(duì)基于工作流服務(wù)組合模型進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了基于流程的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)動(dòng)態(tài)組合建模并實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)的動(dòng)態(tài)組合調(diào)度。這種基于流程的服務(wù)組合模板、QoS服務(wù)規(guī)則和服務(wù)自定義的策略能夠使得物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)在中間件不變的情況下滿足企業(yè)業(yè)務(wù)邏輯的多樣性需求。通過(guò)本文的研究，可以建立基于業(yè)務(wù)的計(jì)算無(wú)關(guān)模型，來(lái)描述物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)協(xié)同并將之轉(zhuǎn)換為一個(gè)平臺(tái)無(wú)關(guān)服務(wù)協(xié)同模型，從而達(dá)到提高物聯(lián)網(wǎng)Web服務(wù)的靈活性、穩(wěn)定性和智能化的目的。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉偉.工作流動(dòng)態(tài)服務(wù)組合技術(shù)研究［D］.西安∶西北大學(xué)，2007∶36-38.

［2］馬喜興.物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中服務(wù)組合機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京∶北京郵電大學(xué)，2007∶28-32.

［3］黃杰.基于工作流的Web服務(wù)組合系統(tǒng)［J］.電子測(cè)試.2013 （13）∶262-263.

［4］陳廷斌.面向SCM的物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)服務(wù)及應(yīng)用中間件技術(shù).大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)［J］，2012（1）∶43-46.

［5］田加正.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于Qos的Web服務(wù)組合研究［D］.北京∶中國(guó)石油大學(xué)，2011∶11-14.

（責(zé)任編輯：夏婷婷）

A Reserch on IOT Web Service Composition Technology Based on Workflow and QoS

PAN Junhong

（SchooL of Mathematics and Computer Science，Wuyi University，Wuyishan，F(xiàn)ujian 354300）

Abstract：With fast deveLopment of the IOT，the data coLLected by the sensing Layer RFID can be processed to provide data resources for appLication Layer through transport Layer. But how the vast amounts of data are combined scheduLing and the integration of information under the IOT environment are facing greater chaLLenges. Adopting the Web Services technoLogy，the paper estabLished a basis of QoS indexes Internet Web service composition modeL based on workfLow and reaLize the combination of evaLuation and dynamic for Web Service on the IOT to restructure and optimize the Web service，so as to improve the accuracy of the Internet Web service composition scheduLing and fLexibiLity AvaiLabiLity and inteLLigent.

Key words:workfLow；QoS；IOT；Web service；dynamic combined scheduLing

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2109（2016）03-0059-04

收稿日期：2015-11-10

作者簡(jiǎn)介：潘俊虹（1980-），男，漢族，講師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)研究。