??? 摘 要：單個(gè)Web服務(wù)難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，為了解決互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的集成和協(xié)作問題，需要把獨(dú)立的Web服務(wù)組合起來以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯功能。通過分析工作流與Web服務(wù)流程執(zhí)行的相同點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于工作流的Web服務(wù)組合系統(tǒng)(WSCS)。該系統(tǒng)能在自治的、異構(gòu)的、動(dòng)態(tài)的環(huán)境下靈活、高效地組合Web服務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)主要包括三個(gè)模塊：組合流程建模模塊、服務(wù)選取模塊、流程執(zhí)行模塊。
??? 關(guān)鍵詞：服務(wù)組合；Web服務(wù)；工作流

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??? 近年來，基于XML的Web服務(wù)技術(shù)迅速發(fā)展，為互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了一種共享數(shù)據(jù)的有效手段。Web服務(wù)的高效執(zhí)行方式、Web服務(wù)與其他成熟技術(shù)的有機(jī)結(jié)合以及Web服務(wù)的組合是解決現(xiàn)實(shí)應(yīng)用問題的重要技術(shù)。
??? Web服務(wù)是一種自包含、自描述、模塊化的程序，它吸收了分布式計(jì)算、Grid計(jì)算和XML等各種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，解決了異構(gòu)分布式計(jì)算以及代碼與數(shù)據(jù)重用等問題，具有高度的互操作性、跨平臺(tái)性和松耦合性，引起了世界范圍內(nèi)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣^[1-2]。
??? 為滿足Web服務(wù)的技術(shù)需求，W3C等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定了一系列Web服務(wù)規(guī)范，如統(tǒng)一描述發(fā)現(xiàn)集成UDDI(Universal Description，Discovery and Integration)，簡(jiǎn)單對(duì)象訪問協(xié)議SOAP(Simple Object Access Protocol)，Web服務(wù)描述語言WSDL(Web Service Description Language)等等，都是用于描述、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)和調(diào)用Web服務(wù)的，這些規(guī)范共同構(gòu)成了Web服務(wù)的技術(shù)體系^[3]。
??? Web服務(wù)所執(zhí)行的功能可以是從簡(jiǎn)單的請(qǐng)求到復(fù)雜的商業(yè)過程中的任何事，然而單個(gè)Web服務(wù)的功能有限，難以滿足實(shí)際應(yīng)用中的多種多樣的需求，因此為了更加充分地利用共享的Web服務(wù)，有必要將共享的Web服務(wù)組合起來，提供功能更為強(qiáng)大的服務(wù)。Web服務(wù)組合是個(gè)非常復(fù)雜的問題^[4-7]，它涉及到Web服務(wù)的描述、Web服務(wù)的發(fā)現(xiàn)^[8]、Web服務(wù)的選擇^[9]、Web服務(wù)的匹配、Web服務(wù)的調(diào)度^[10-11]、服務(wù)質(zhì)量(QoS)^[12-13]等一系列問題。
??? 本文通過參考傳統(tǒng)工作流的相關(guān)技術(shù)，基于Web服務(wù)分布式計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可擴(kuò)展的Web服務(wù)組合系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱WSCS)，為Web服務(wù)組合提供了一個(gè)運(yùn)行、監(jiān)控環(huán)境，能夠很好地解決Web服務(wù)之間的集成和協(xié)作問題。
1 總體設(shè)計(jì)
??? WSCS體系結(jié)構(gòu)采用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，它所有的主要組成部件均實(shí)現(xiàn)為Web服務(wù)的形式。系統(tǒng)最終向用戶提供圖形用戶界面的建模工具，用戶通過建模工具定義流程模型和模型中所涉及到的Web服務(wù)(可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的Web服務(wù)，也可能為一個(gè)復(fù)雜的組合服務(wù))，并形成一個(gè)新的Web服務(wù)，用于客戶的應(yīng)用程序中，以滿足客戶的需求。
??? WSCS總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示，首先用戶建模，用戶通過圖形化界面進(jìn)行建模，將建模后的組合流程傳給服務(wù)選取模塊；其次服務(wù)選取，查找業(yè)務(wù)流程中所要用到Web服務(wù)，它們可以在UDDI中查找，也可以在服務(wù)社區(qū)中進(jìn)行查找。在Web 服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)體系中，UDDI是一套基于Web的、分布式的、為Web 服務(wù)提供信息中心的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，同時(shí)也包含一組使企業(yè)能夠?qū)⒆陨鞼eb 服務(wù)注冊(cè)，以使客戶能夠發(fā)現(xiàn)；再次將模型中每個(gè)業(yè)務(wù)活動(dòng)同具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行綁定，獲得Web服務(wù)的本地接口，根據(jù)用戶的流程和選擇的服務(wù)進(jìn)行服務(wù)調(diào)用；第四：調(diào)用Web服務(wù)，系統(tǒng)訪問Web 服務(wù)，客戶能夠找出關(guān)于WSDL和它要調(diào)用的服務(wù)信息，使用ServiceFactory類來創(chuàng)建服務(wù)。JAX-RPC ServiceFactory獲得JAX-RPC服務(wù)，它與廠商無關(guān)，能夠編寫可移植代碼。根據(jù)WSDL2Java生成的客戶端構(gòu)件獲得服務(wù)的一個(gè)存根，最后在該存根上調(diào)用Web 服務(wù)總的操作；最后服務(wù)執(zhí)行模塊將執(zhí)行的結(jié)果返回給用戶，并用XML文件將其保存。

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??? (1)組合服務(wù)模型設(shè)計(jì)中提供建模所需的各種圖元(節(jié)點(diǎn)和弧)的繪制，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程模型的圖形化界面，設(shè)計(jì)者可以方便地對(duì)圖元進(jìn)行拖放、選取、刪除等可視化操作。用戶可以通過拖拉(Drag-Drop)方式定義新的流程或者修改已有的業(yè)務(wù)流程。
??? (2)圖元屬性設(shè)置中，系統(tǒng)對(duì)流程中各圖元的屬性進(jìn)行設(shè)置。
??? (3)模型文檔存儲(chǔ)、建模完成后，要對(duì)生成的組合服務(wù)模型進(jìn)行保存，生成相應(yīng)的文檔。該文檔以XML形式描述組合服務(wù)模型，要與組合模型進(jìn)行同步更新(如用戶對(duì)該文件的修改、讀取等操作)。
??? (4)組合服務(wù)模型表示中包括文檔解析，它可以從保存的組合流程圖形文檔和Web服務(wù)組合文檔中提取信息，再次把流程圖形化地表示出來。
2.2 服務(wù)選取模塊
??? 服務(wù)選取模塊的主要功能是根據(jù)設(shè)計(jì)的組合流程，動(dòng)態(tài)地選取滿足約束條件，并且服務(wù)質(zhì)量最優(yōu)的服務(wù)。即在整個(gè)流程投入運(yùn)行前，根據(jù)流程設(shè)計(jì)時(shí)用戶的需求，為每個(gè)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇合適的、可用的Web服務(wù)，生成可執(zhí)行的Web服務(wù)序列。
??? Web服務(wù)的描述是發(fā)現(xiàn)和使用該服務(wù)的基礎(chǔ)，它需要能夠被人和機(jī)器理解。服務(wù)描述文檔中應(yīng)包含功能性和非功能性需求(如響應(yīng)時(shí)間，費(fèi)用，可靠性，可用性等)信息，目前Web服務(wù)的描述采用WSDL。
??? 查找選取流程中所要用到的Web服務(wù)，可以從UDDI中進(jìn)行查找，在Web服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)體系中，UDDI是一套基于Web的、分布式的、為Web服務(wù)提供的信息注冊(cè)中心的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也可以從Web服務(wù)社區(qū)中查找。
??? Web服務(wù)社區(qū)是根據(jù)服務(wù)功能分類的UDDI，在服務(wù)選取模塊中起著重要的作用，它把功能相同或相似的服務(wù)聚集在一起，這樣服務(wù)選取就可以方便地到各服務(wù)社區(qū)中選取需要的服務(wù)，另外由于服務(wù)社區(qū)提供多個(gè)候選服務(wù)，服務(wù)選取就可以用上一章討論的算法，選擇服務(wù)質(zhì)量?jī)?yōu)的服務(wù)。系統(tǒng)到各服務(wù)社區(qū)中選取滿足用戶需求的服務(wù)，Web服務(wù)發(fā)布在服務(wù)社區(qū)中，各個(gè)服務(wù)社區(qū)包含服務(wù)的描述文檔和綁定地址。
??? Web服務(wù)選取模塊主要根據(jù)建模傳過來的組合模型描述文檔，分析其中的執(zhí)行順序和約束條件，然后采用Bellman-Ford算法依據(jù)QoS最優(yōu)選出一組服務(wù)。服務(wù)選取模塊主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，流程如下：

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??? 文檔解析器：從組合流程中選出所要執(zhí)行的流程文檔，文檔解析器首先分析該文檔所描述的業(yè)務(wù)流程所代表的含義，各個(gè)服務(wù)的具體綁定地址，返回給服務(wù)調(diào)用并進(jìn)而完成流程的實(shí)例化。
??? 服務(wù)調(diào)用：一個(gè)流程要投入運(yùn)行必須要有一個(gè)先后的順序，在流程串行化時(shí)按照業(yè)務(wù)邏輯和一定的策略把一個(gè)流程串行化為Web服務(wù)調(diào)用序列，然后按照流程并行、串行、同步等待地調(diào)用各服務(wù)。
??? 執(zhí)行日志：存放執(zhí)行過程中調(diào)用各個(gè)服務(wù)的具體信息，如果系統(tǒng)出錯(cuò)可以通過查看執(zhí)行日志來幫助恢復(fù)系統(tǒng)。
??? 異常處理器：對(duì)于系統(tǒng)出現(xiàn)的故障，異常處理模塊提供恢復(fù)處理手段。流程的執(zhí)行可能會(huì)遇到各種各樣的特殊情況發(fā)生(如網(wǎng)絡(luò)超時(shí)、服務(wù)不可用)，而這些變化在流程設(shè)計(jì)時(shí)是無法預(yù)見的。
??? 組合流程執(zhí)行模塊是整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的核心，它一方面為不同的SOAP引擎提供相應(yīng)的調(diào)用接口；另一方面為不同的Web服務(wù)組合提供一個(gè)統(tǒng)一的運(yùn)行環(huán)境；還為不同的Web服務(wù)的實(shí)現(xiàn)方式提供了統(tǒng)一的調(diào)用方式。
3 Web服務(wù)組合系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
??? 目前，工程上科學(xué)計(jì)算的重要性顯得越來越明顯，大量的科學(xué)計(jì)算是普通機(jī)根本無法完成的，只有尋求大型機(jī)去解決。同時(shí)，大型機(jī)的用戶也總會(huì)有時(shí)間給其他用戶提供服務(wù)，以使大型機(jī)充分地被利用。如何才能更好地發(fā)揮大型機(jī)的效率，使普通的用戶也可以用大型機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算？可以把大型機(jī)上的科學(xué)計(jì)算封裝成Web服務(wù)的形式，發(fā)布在Web上，這樣用戶可以方面地調(diào)用，既發(fā)揮了大型機(jī)的作用，又使普通機(jī)用戶受益。
??? 本文假設(shè)一個(gè)工程需要一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算，它由下列一些科學(xué)計(jì)算組成：極限計(jì)算(limit calculus)、微分方程計(jì)算(differential equation calculus)、級(jí)數(shù)計(jì)算(series calculus)、矩陣計(jì)算(matrix calculus)。整個(gè)工程需要這些科學(xué)計(jì)算的組合，先進(jìn)行極限計(jì)算，把結(jié)果傳給下面微分方程計(jì)算和級(jí)數(shù)計(jì)算，然后再執(zhí)行矩陣計(jì)算。把這4種計(jì)算封裝成Web服務(wù)，現(xiàn)在的問題就是要對(duì)基本服務(wù)進(jìn)行組合。
??? WSCS先對(duì)組合服務(wù)進(jìn)行建模，圖形用戶界面的建模工具對(duì)組合服務(wù)進(jìn)行建模，建立基本服務(wù)的流程，特別的是一個(gè)同步節(jié)點(diǎn)，它要等待前面所有服務(wù)的結(jié)果都完成才進(jìn)行下一個(gè)服務(wù)的執(zhí)行，如圖5所示。服務(wù)組合模型建好后，Web服務(wù)組合系統(tǒng)自動(dòng)把組合模型保存為XML文檔，以便服務(wù)的調(diào)用執(zhí)行。文檔解析器就是用來保存和解析組合模型文檔。

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??? 在上面的文檔中包含了需要的各個(gè)基本服務(wù)以及各服務(wù)之間的執(zhí)行流程。系統(tǒng)還提供了另外一個(gè)XML文檔，它用來保存各個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)在圖形用戶界面中的位置，文檔解析器會(huì)根據(jù)XML文檔中信息，還原圖形化流程，以便于以后服務(wù)流程的修改。
??? 本文通過研究Web服務(wù)組合與工作流的異同點(diǎn)，借鑒工作流的參考模型及其體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)層次化的、統(tǒng)一的Web服務(wù)組合系統(tǒng)，為Web服務(wù)的集成和協(xié)作提供了有力的支持。同時(shí)對(duì)Web組合系統(tǒng)的各個(gè)子模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后給出了Web服務(wù)組合系統(tǒng)(WSCS)的原型，并且用了科學(xué)計(jì)算服務(wù)進(jìn)行了Web服務(wù)組合。
??? Web服務(wù)組合系統(tǒng)(WSCS)也存在一些不足之處，它首先沒有為流程中的事務(wù)、安全等其他非功能特性提供支持，也沒有支持靈活的異常處理機(jī)制，這在一定程度上限定了組合服務(wù)的能力；其次沒有提供一個(gè)Web服務(wù)的性能評(píng)估和性能預(yù)測(cè)模型，尚不能根據(jù)單個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行效率預(yù)測(cè)組合后的服務(wù)執(zhí)行效率，這將是筆者下一步的研究工作。
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