滿足QoS約束的Web服務(wù)部署技術(shù)研究

王子珍，趙建新，解志斌，朱子薇，張宏映

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

如今信息技術(shù)正在快速發(fā)展，由于當(dāng)代戰(zhàn)爭中的實(shí)踐應(yīng)用及推廣，信息化戰(zhàn)爭正漸漸取代傳統(tǒng)形式的機(jī)械化戰(zhàn)爭，當(dāng)今戰(zhàn)爭的主要作戰(zhàn)樣式已變?yōu)楦鬈姳N的聯(lián)合作戰(zhàn)［1］，戰(zhàn)爭的主流早也已從原始意義中作戰(zhàn)部隊(duì)力量的拼殺和指揮員腦力的比拼轉(zhuǎn)變?yōu)楦又匾淖鲬?zhàn)兩方指揮信息系統(tǒng)之間的較量。傳統(tǒng)指揮信息系統(tǒng)采用“煙囪式”系統(tǒng)架構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)各軍兵種分系統(tǒng)的互聯(lián)、互通及互操作，因此，基于SOA的新型指揮信息系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

SOA以其松散耦合和支持業(yè)務(wù)流程隨需而變等特點(diǎn)，已經(jīng)成為了指揮信息系統(tǒng)新的解決方案。服務(wù)部署是基于SOA的指揮信息系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容之一。隨著指揮流程的變遷、任務(wù)量的變化，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)部署方案無法持續(xù)滿足用戶的QoS需求，部署優(yōu)化問題亟待解決。

本文針對(duì)以上情況，在分析Web服務(wù)和QoS指標(biāo)后，結(jié)合指揮信息系統(tǒng)架構(gòu)的實(shí)際狀況，對(duì)服務(wù)部署方案進(jìn)行優(yōu)化，以滿足用戶的非功能性指標(biāo)。

1 Web服務(wù)及QoS描述

1.1 Web服務(wù)

SOA（Service Oriented Architecture，面向服務(wù)的架構(gòu)）是一種有效組織和利用分布式資源的架構(gòu)，是一種松散耦合、可動(dòng)態(tài)化和重用擴(kuò)展的分布式的組件模型。SOA擁有開放的接口和協(xié)議，可靈活實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu)，代表了當(dāng)前指揮信息系統(tǒng)的發(fā)展方向。

Web服務(wù)是SOA的核心概念，服務(wù)是無狀態(tài)自包含的一種業(yè)務(wù)功能，通過對(duì)接口標(biāo)準(zhǔn)的良好定義，同時(shí)接受多方請(qǐng)求，并返回一個(gè)或多個(gè)的響應(yīng)。Web服務(wù)之間是相互獨(dú)立的，并不依賴于其他服務(wù)，且與使用的技術(shù)無關(guān)［2］。Web服務(wù)具有以下特性：

1.1.1 Web服務(wù)是松耦合的

服務(wù)之間相互獨(dú)立，不會(huì)因一個(gè)服務(wù)變化而對(duì)另一個(gè)服務(wù)造成較大影響。服務(wù)之間交互只需提供必要的接口信息，而不用提供內(nèi)部具體的功能實(shí)現(xiàn)信息。

1.1.2 Web服務(wù)是可組合的

通過服務(wù)之間的組合可在原有基礎(chǔ)服務(wù)之上構(gòu)建新的服務(wù)，以滿足更復(fù)雜的需求，這正是SOA架構(gòu)的一大特點(diǎn)［3-5］。

1.1.3 Web服務(wù)是無狀態(tài)的

服務(wù)的無狀態(tài)是指服務(wù)在滿足需求之后，將處理結(jié)果返回給使用者，其自身并不保存任何狀態(tài)結(jié)果信息。

1.2 QoS及指標(biāo)

在Web服務(wù)領(lǐng)域，一般認(rèn)為Qos（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）指的是Web服務(wù)的一種能力，它能響應(yīng)用戶的服務(wù)請(qǐng)求，以一定的服務(wù)質(zhì)量完成服務(wù)的執(zhí)行，并提供的服務(wù)質(zhì)量符合服務(wù)提供者的宣稱和用戶的預(yù)期。目前它已經(jīng)成為Web服務(wù)使用效用的重要標(biāo)準(zhǔn)，用來區(qū)分不同等級(jí)的服務(wù)提供者［6］。本文從以下角度提出了關(guān)于Qos的屬性指標(biāo)：

1）響應(yīng)時(shí)間：指服務(wù)的請(qǐng)求者向服務(wù)提供者發(fā)出調(diào)用請(qǐng)求到獲得其回應(yīng)所需的時(shí)間間隔，包括Web服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間和服務(wù)請(qǐng)求者與服務(wù)提供者通信所需的時(shí)間。單位：ms。

2）可靠性：指Web服務(wù)按照它所宣稱的功能正常穩(wěn)定運(yùn)行的能力，它代表Web服務(wù)能正常執(zhí)行的概率。通常采用平均無故障時(shí)間和平均故障恢復(fù)時(shí)間等指標(biāo)來加以描述。單位：百分比。

3）信譽(yù)度：代表了該Web服務(wù)的可信程度，也就是該服務(wù)在功能屬性和服務(wù)質(zhì)量等方面的實(shí)際表現(xiàn)與發(fā)布該服務(wù)時(shí)所宣稱狀況的相符程度。該屬性只能根據(jù)服務(wù)用戶的反饋數(shù)據(jù)求得，是一個(gè)主觀性很強(qiáng)的效益型指標(biāo)。單位：百分比。

以上3個(gè)指標(biāo)的具體量化方式如表1所示。

表1 QoS指標(biāo)的量化方式

2 服務(wù)部署優(yōu)化

2.1 服務(wù)部署結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在指揮系統(tǒng)軟件中，用戶的請(qǐng)求可由多個(gè)基礎(chǔ)服務(wù)組合而成，這些基礎(chǔ)服務(wù)通過一定的規(guī)范和交互規(guī)則，共同完成用戶的調(diào)用［7］。在本研究中，服務(wù)部署問題主要解決如何選擇最佳服務(wù)及服務(wù)器來完成用戶的需求。目前為止，常用的服務(wù)部署方法有固定部署法、輪循部署法等。以上方法雖能保證系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)，但無法滿足服務(wù)使用者更高的需求，當(dāng)服務(wù)性能相差較大時(shí)，采用現(xiàn)有方法無法根據(jù)用戶對(duì)當(dāng)前服務(wù)的要求對(duì)服務(wù)部署流程實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，容易造成系統(tǒng)負(fù)載的不平衡。

因此，本文在現(xiàn)有指揮系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出兩種解決方案。

1）在服務(wù)請(qǐng)求者與服務(wù)提供者之間增加服務(wù)部署節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)，并配置服務(wù)代理模塊，專門負(fù)責(zé)對(duì)所需服務(wù)進(jìn)行篩選和確定，以確定最佳服務(wù)部署方案。其結(jié)構(gòu)如下頁圖1所示。

采用此結(jié)構(gòu)對(duì)服務(wù)部署方案進(jìn)行優(yōu)化會(huì)存在以下風(fēng)險(xiǎn)：首先，服務(wù)代理計(jì)算機(jī)會(huì)因故障或遭到攻擊而癱瘓，從而導(dǎo)致整個(gè)指揮信息系統(tǒng)無法正常工作，其后果不堪設(shè)想。其次，設(shè)立多臺(tái)服務(wù)代理計(jì)算機(jī)共同實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)部署方案的選擇，可在一定程度上避免因服務(wù)代理計(jì)算機(jī)單點(diǎn)失效而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，但設(shè)立多臺(tái)計(jì)算機(jī)會(huì)導(dǎo)致指揮信息系統(tǒng)中物理節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)冗余，可能在較長時(shí)間內(nèi)只有一臺(tái)服務(wù)代理計(jì)算機(jī)被使用，造成了節(jié)點(diǎn)資源的浪費(fèi)［8］。

圖1 方案1的服務(wù)部署結(jié)構(gòu)圖

2）在服務(wù)請(qǐng)求者與服務(wù)提供者之間增加服務(wù)代理模塊，該模塊在客戶端中運(yùn)行，獨(dú)立于服務(wù)請(qǐng)求者。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 方案2的服務(wù)部署結(jié)構(gòu)圖

服務(wù)代理模塊一方面負(fù)責(zé)接收服務(wù)請(qǐng)求，另一方面感知服務(wù)提供者的QoS變化，將所需服務(wù)通過數(shù)學(xué)計(jì)算和合理的選擇與管理，最終確定優(yōu)化的部署流程，完成服務(wù)請(qǐng)求。采用此種方案避免了因服務(wù)代理計(jì)算機(jī)的單點(diǎn)失效而造成的系統(tǒng)癱瘓，更適用于指揮信息系統(tǒng)。

服務(wù)代理的模塊構(gòu)成如圖3所示。

圖3 服務(wù)代理模塊圖

2.2 QoS監(jiān)控

隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化，指揮信息系統(tǒng)中關(guān)于服務(wù)的QoS指標(biāo)會(huì)隨生命周期而產(chǎn)生一定變化，因此，需要定時(shí)對(duì)QoS指標(biāo)信息進(jìn)行采集，并反饋給用戶，以輔助選擇不同的服務(wù)。

QoS監(jiān)控是與測(cè)量相關(guān)的技術(shù)，其有可能測(cè)量失敗，但同時(shí)也可進(jìn)行可用性測(cè)量。在系統(tǒng)執(zhí)行過程中，QoS監(jiān)控用來監(jiān)控各服務(wù)器的運(yùn)行狀況，以及發(fā)現(xiàn)各服務(wù)的異常，從而進(jìn)行服務(wù)狀態(tài)的預(yù)測(cè)及服務(wù)路徑的選擇，保證每一次服務(wù)請(qǐng)求的非功能性需求得到滿足。

在本設(shè)計(jì)中，QoS監(jiān)控模塊與服務(wù)提供者建立高速傳輸通道并實(shí)現(xiàn)周期性反饋，即心跳監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)提供者的多方位和多角度監(jiān)測(cè)。QoS監(jiān)控模塊采用WCF技術(shù)中的“回調(diào)”實(shí)現(xiàn)，QoS模塊定期發(fā)送心跳包對(duì)服務(wù)提供者訪問，服務(wù)提供者在收到訪問后回調(diào)服務(wù)請(qǐng)求者的QoS模塊，并反饋回服務(wù)提供者的節(jié)點(diǎn)負(fù)載信息和服務(wù)QoS指標(biāo)的數(shù)據(jù)信息。

2.3 路徑分析

路徑分析主要是對(duì)QoS監(jiān)控模塊所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，包括服務(wù)器的負(fù)載信息，以及各服務(wù)的可靠性信息等。通過對(duì)QoS數(shù)據(jù)信息處理，可作為下一服務(wù)路徑選擇的依據(jù)。

對(duì)QoS數(shù)據(jù)處理共分為以下3步：

1）個(gè)性化處理

根據(jù)指揮員對(duì)指揮信息系統(tǒng)中服務(wù)的不同要求，對(duì)指出的關(guān)鍵QoS屬性，確定選擇標(biāo)準(zhǔn)或閾值，服務(wù)選擇管理器以此為依據(jù)對(duì)候選服務(wù)進(jìn)行精確選擇；對(duì)用戶沒能指出的關(guān)鍵屬性，系統(tǒng)為其設(shè)缺省值，其數(shù)值只需滿足其基本要求即可。

2）規(guī)范化處理

對(duì)各項(xiàng)QoS指標(biāo)進(jìn)行個(gè)性化處理后，可得關(guān)于QoS的約束矩陣：

其中，m為服務(wù)實(shí)例數(shù)，n為QoS指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

效益型QoS指標(biāo)使用以下方式進(jìn)行規(guī)范化處理：

成本型QoS指標(biāo)使用以下方式進(jìn)行規(guī)范化處理：

3）歸一性處理

使用唯一的QoS綜合指標(biāo)對(duì)各服務(wù)實(shí)例進(jìn)行選擇，并以此為依據(jù)排序。

對(duì)QoS指標(biāo)的數(shù)據(jù)處理完畢之后，服務(wù)選擇管理器選擇最佳服務(wù)進(jìn)行下一步訪問。重復(fù)以上過程，直至服務(wù)組合管理模塊中服務(wù)流程的每一步均訪問完畢，結(jié)束了此次訪問請(qǐng)求。

3 服務(wù)部署流程分析

本節(jié)通過設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)感知QoS的服務(wù)部署方法，在保證用戶功能性需求的同時(shí)，優(yōu)化服務(wù)部署方案，進(jìn)一步滿足用戶的非功能性需求。滿足QoS約束的Web服務(wù)部署的流程如下：

1）服務(wù)請(qǐng)求者向服務(wù)提供者發(fā)出請(qǐng)求。

2）服務(wù)組合管理根據(jù)用戶提交的請(qǐng)求，定義服務(wù)流程，從服務(wù)注冊(cè)中心選擇目標(biāo)服務(wù)。

3）多個(gè)服務(wù)器中會(huì)含有功能一樣的服務(wù)，但其提供者的QoS不同，服務(wù)選擇管理從路徑分析中選擇最佳服務(wù)提供者，保證服務(wù)流程的總體QoS。

4）路徑分析的輸入?yún)?shù)是對(duì)服務(wù)提供者QoS監(jiān)控所獲得的信息，并根據(jù)服務(wù)分配策略，針對(duì)QoS指標(biāo)進(jìn)行一系列的處理，將確定執(zhí)行節(jié)點(diǎn)反饋給服務(wù)選擇管理，最終生成當(dāng)前請(qǐng)求的最佳服務(wù)選擇。

5）按照服務(wù)流程重復(fù)以上4步工作，生成滿足用戶非功能需求的服務(wù)部署方案。

服務(wù)部署流程如圖4所示。

滿足QoS約束的Web服務(wù)部署方法能夠從當(dāng)前滿足系統(tǒng)需求的眾多子服務(wù)中，以QoS指標(biāo)為選擇服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)，通過路徑分析確定當(dāng)前流程中的每一個(gè)子服務(wù)，從而保證系統(tǒng)流程的整體QoS性能。相比較固定部署法和輪循部署法而言，滿足QoS約束的Web服務(wù)部署方法的優(yōu)點(diǎn)在于進(jìn)一步優(yōu)化服務(wù)選擇方案，滿足系統(tǒng)非功能性需求。

圖4 滿足QoS約束的服務(wù)部署流程圖

4 結(jié)論

本文提出了滿足QoS約束的Web服務(wù)部署方法，通過對(duì)QoS指標(biāo)的實(shí)時(shí)性監(jiān)控，和對(duì)反饋數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化處理，最終得到唯一的QoS綜合指標(biāo)，并將其作為服務(wù)路徑選擇的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)候選服務(wù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精確選擇，滿足用戶對(duì)QoS的要求。本研究下一步的工作是完善QoS的質(zhì)量模型。