普適計算服務組合技術綜述
2009-01-01 00:00:00呂慶聰干露曹奇英
計算機應用研究 2009年2期
(東華大學 a.信息學院；b.計算機學院， 上海 201620)
摘 要：普適計算環境因其所具有的動態性、資源約束性和上下文感知性使其服務的組合面臨特有的問題和挑戰。服務匹配和選擇、服務協調和管理、錯誤檢測和修復是解決普適計算服務組合的三個關鍵技術。比較了普適計算服務匹配和選擇的方法，重點分析了服務協調和管理的手段，給出了錯誤檢測和修復的方法，最后提出解決普適計算服務組合的建議。
關鍵詞：普適計算；服務組合；服務匹配；服務協調
中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A
文章編號：10013695(2009)02042404
Survey of service composition technology for pervasive computing
LV Qingconga，GAN Lub，CAO Qiyingb
(a.School of Information Science Technology，b.School of Computer Science Technology， Donghua University， Shanghai 201620， China)Abstract:A single service could not provide the most satisfied service for the user in the pervasive computing environments， so it should be composted. Service matching and selection， service coordination and management， and fault checked and recovered were three key technologies to resolve service composition. These three key technologies were analyzed and compared， and three advices of how to research this question were given.
Key words:pervasive computing; service composition; service matching; service coordination
0 引言
自20世紀90年代Weiser[1]提出“普適計算”概念以來，嵌入式系統、無線通信等技術的發展為“服務無時不在、無處不在”的普適計算從理論變成現實提供了客觀的技術基礎。然而由于普適計算環境所具有的自治性、動態性和設備資源的約束性，使得開發構建一個普適計算環境還存在著很多問題和挑戰。SOA（service oriented architecture）因其所具有的分布性、服務雙方的異構性很好地滿足了普適計算系統的要求。在普適計算環境下，單一的服務很難滿足用戶的服務需求，這就需要進行服務的組合。目前，人們在Web環境下如何進行服務的組合進行了大量的研究并且提出了一系列的標準，如WSBPEL、WSCDL，然而由于普適計算環境所特有的約束性使得在該環境下進行服務組合面臨著所特有的問題和挑戰。本文首先分析了普適計算環境中服務組合所面臨的問題和挑戰；針對這些挑戰，綜合研究了服務組合的各種解決方案，尤其對服務組合的協調和管理進行了詳細的研究；最后給出了服務組合需要進一步研究方面的建議。
1 普適計算服務組合面臨的問題與挑戰
普適計算環境下服務的自動組合需要考慮如服務的規范、服務的匹配和選擇、服務的協調和管理、可擴展性、容錯性以及用戶的上下文和網絡環境等。其中，首先進行服務的組合需要從提供的服務中發現出進行組合的服務，這主要包括服務的匹配和服務的選擇。在此過程中需要適應于動態變化的網絡環境，如服務的動態加入和刪除等。服務如何協調和管理是自動服務組合所面臨的第二個問題。在服務組合過程中需要有一個或者多個服務協調器來協調和管理參加組合的服務。在服務組合過程中，隨時會發生錯誤，系統如何在錯誤發生時進行錯誤的檢測與修復是服務組合必須解決的第三個問題。而所有的這些問題必須考慮普適計算環境設備的資源約束性，并且要有比較高的執行效率才能為用戶提供滿意的服務。
在服務組合過程中主要面臨著如下三個挑戰：a）效率。普適計算需要環境主動無聲地為用戶提供服務。在普適計算環境中存在大量的服務，必須在用戶能容忍的時間內匹配、選擇、組合出用戶所需要的服務，這就要求服務的匹配、選擇和組合過程具有較高的執行效率。b)魯棒性。在普適計算環境中，用戶需要什么服務對不同的用戶而言會有不同的服務描述方式，如何為用戶提供他所需要的服務，這就需要普適計算環境能夠通過語義、上下文感知等手段進行適當的推理。但是研究發現[2]，語義推理和上下文的推理是非常耗時的過程，如何平衡系統高效和系統魯棒性，是在服務組合過程中需要仔細研究的方面。c）QoS感知。在服務組合過程中必須考慮服務的QoS屬性才能提供滿足用戶需求的服務。參與組合的每個服務都有自己的QoS屬性，而組合出的服務也有其QoS屬性。在組合的過程中，把QoS中哪個屬性作為系統組合的主要目標，這就涉及到多目標優化問題。
2 服務組合的解決方案
2.1 服務的描述和匹配
服務的描述方式決定了服務匹配和服務組合的方式。從服務描述方式而言，服務組合語言主要分為基于語法的和基于語義的兩種。在服務的匹配過程中，基于語法的服務語言存在著同詞異義和異詞同義現象。對于異詞同義而言，基于語法的服務描述無法實現這類服務的發現，存在服務匹配效率低下的問題；對于同詞異義現象，則會匹配和發現出錯誤的服務，造成系統資源的浪費。而基于語義的服務描述，則可以很好地解決這兩類問題?；谡Z義的服務描述對這類問題的解決主要是通過推理來完成的，這就需要解決一個推理效率的問題。在基于語法的服務描述和匹配的方式上，主要有Jini[3]、UPnP[4]、SLP[5]等。這類服務的匹配主要通過服務的名稱、服務類型和屬性來完成。表1給出了這幾類服務的描述和匹配方式比較。
在基于語義的服務描述和服務匹配上，不同的系統采用的方式也是不同的。表2給出了基于語義的服務描述和匹配方式比較。由表2可知，現在基于語義的服務匹配方式由單純的有本體服務類型匹配發展到本體服務功能、輸入/輸出及QoS屬性多者匹配，這能更好地提高匹配出滿足用戶需求的服務。
表2 基于語義的服務描述和匹配方式比較
系統架構服務描述和匹配方式
Anamika[9]ontological service type only
DReggie[10]DAML predefined ontology
MobiShare[11]ontological service type
COSS[12]ontological service type， outputs and inputs
Fmatch[13]ontological service function， outputs/inputs and parameters
Amigo[14]ontological service type， outputs/inputs and QoS
對普適計算環境中的用戶提供其需要的服務，除了能滿足服務的功能性需求和QoS非功能性需求外，還要根據所處的環境、根據上下文的信息提供服務。上下文信息分為用戶上下文信息和服務的上下文信息，主要包括用戶（服務）位置、用戶（服務）的設備狀況、用戶（服務）的情景等。Yang等人[15]在服務本體和請求本體上建立了一個上下文本體，當服務請求時，系統根據上下文本體進行推理，從而匹配出滿足用戶上下文環境的服務。
2.2 服務組合的協調和管理
在服務組合的過程中，需要一個組件來負責服務的協調和管理，此組件稱之為服務組合協調器（service composition coordinator，下文簡稱協調器），有的系統也稱之為服務組合管理器（service composition manager）或者服務組合代理（service composition broker）。協調器主要完成三個功能：發現和選擇組合所需要的服務；規劃、組織服務的先后執行次序以及服務的失效管理。下面主要從服務組合協調器的運行方式、服務組合的協調方式、服務組合的建模方法和服務組合的組合方式進行闡述。表3給出了服務組合的協調和管理的分類。
2.2.1 服務組合協調器的運行方式
在服務組合的過程中，需要有一個協調器來負責服務的組合。在普適計算環境中服務組合主要有兩種拓撲方式：
a)點對點方式。在該方式中，系統中的任何節點均可以充當協調器來負責管理和監督服務的組合過程，并且協調器可以在網絡中移動到不同的節點上。對于點對點的服務組合協調方式，點與點之間主要通過事件驅動的方式進行服務的組合，其優點是組合過程中節點間的通信量小，具有很好的擴展性；缺點是對于復雜的組合控制流程難以實現。在服務組合過程中，若協調器移動到一個資源比較緊張的節點上，則服務組合過程會變長，隨著服務組合過程時間變長，在動態變化的環境中，就會極大地增加錯誤發生的概率，可能會使系統處于一種“組合—失效的振蕩”狀態，從而降低服務組合的效率。SCfME[16]就是基于點對點的服務組合架構，當ESF(executionlevel service flow)建立完成后任何節點均可以充當服務協調器負責完成服務的組合過程。Chakraborty等人[16]在移動環境下實現了基于分布式代理的服務組合，由代理節點來完成服務的組合過程。
b）基于中心節點的方式。采用此方式將中心節點作為協調器，主要負責組件之間數據的協調和控制組合流程。通常這類節點具有比其他節點更強的處理能力，采用這種方式可以明顯提高服務組合的效率，可以做到循環等復雜的流程控制。但采用中心節點的方式，各個組件和中心節點通過請求—響應的方式進行通信，加劇了中心節點的負載，從而存在負載均衡和中心節點單點失效的缺點。在Amigo[14]系統中，每個服務的OWLS過程建模成一個有限狀態自動機，然后協調器對所有服務構建一個有限狀態自動機進行服務組合。因此該系統使用固定的服務協調器的方式負責完成服務的組合。
2.2.2 服務組合的方式
1）基于接口的服務組合方式 在該組合方式中，服務通過功能進行描述，服務根據提供功能的前后次序進行組合。文獻[18]提出了兩類服務組合方式：a）向前鏈的服務組合方式，服務的組合根據服務的輸入由前向后進行服務的組合；b)向后鏈的服務組合方式，服務的組合根據服務的輸出，由后向前組合。與此相類似，文獻[19]提出了基于圖的服務組合方式，也是根據服務的輸入從前向后進行服務的組合。在這兩種組合方式中，如何選擇鏈的節點和圖中的節點存在局部優化和全局優化問題。目前的主要解決方案是以QoS為指標建模成多目標優化問題[20]。在普適計算環境中，除考慮QoS之外，根據上下文信息選擇服務組合的節點則為服務組合提供更貼切的解決方案[21]。
2)基于會話的服務組合方式 在該組合方式中，通過組合服務會話下的幾個服務功能來提高服務組合的效率。文獻[22]給出了一種基于會話的服務組合方式，通過把用戶任務和服務用有限狀態機進行建模，然后通過會話的方式進行服務組合，能最大程度地滿足服務組合的需求。
2.2.3 服務組合的協調方式
在普適計算中，目前常用的服務組合的協調方式有：
a）基于元組空間的服務協調方式。其主要服務組合方式是在系統中開辟一塊共同的空間（元組空間），系統所提供的服務注冊到該元組空間中成為一個個的元組，同時系統提供了讀、寫等元組操作原語。當進行服務組合時，服務協調器從元組空間中讀取所需要的服務，然后進行服務的組合。元組空間可以提供服務提供者與服務調用者之間時間和空間的解耦，是一種比較好的服務組合協調方式。Gaia[28]系統就是采用這種方式，通過提供active space來完成服務的組合。
b)基于OSGi網關的服務組合協調方式，它比較適合智能家居、智能空間等普適計算環境。OSGi網關充當服務的協調器，負責服務的注冊、調用和組合。文獻[23]基于OSGi給出了一種基于BPEL的服務組合方式，通過一個虛擬的服務來依次完成所需原子服務的調用，從而實現服務的組合；同時對OSGi進行了擴展，使其可以支持基于語義的服務注冊、選擇和組合。由于OSGi所具有的服務的動態管理協調的優點，在智能空間的服務組合中，通過對其擴展以支持語義的服務發現和組合，是比較有前途的一種普適計算服務組合技術。
除基于元組空間的協調方式、基于OSGi網關的協調方式外，其他普適計算服務組合所采用的服務協調方式[15]都是根據不同的應用由協調器制定一定的協調策略來完成。
2.2.4 服務組合的建模方式
Kapitsaki等人[29]給出了Web service服務組合的12種方法，由于普適計算環境所具有的特殊性，只能使用部分方法。在目前的研究中主要采用了如下幾種方法：
a)基于有限狀態自動機的服務組合建模。有限狀態自動機是一定數量的狀態、狀態間的轉換和動作組成的一種行為模式。在文獻[22]中，作者把OWLS的過程建模為有限狀態機，把OWLS中的atomic process、repeatwhile，repeatuntil和ifthenelse、choice、split都表示成相應的自動狀態機，然后把系統中的服務會話建模成相應的自動機，服務中的每一個功能表示成狀態機中的狀態，功能之間通過控制流和數據流進行連接。在服務的組合過程中，系統把選擇出的服務連接成一個總的有限狀態機，然后根據用戶的任務組合出一個滿足任務需求的有限狀態機。協調器在該組合過程中負責服務的匹配、選擇、任務狀態機的建立。
b）基于有向圖的服務組合建模。該方法主要針對于基于接口的服務組合方式。圖中的節點表示參加組合過程的原子服務，節點之間的邊代表了服務之間的先后關系。其組合方式是根據服務的需求，通過接口的前后關系把選擇出的服務鏈接成一個有向圖。從圖中的源節點與目的節點之間選擇一條路徑，依次調用路徑上的服務來完成服務的組合過程。服務組合過程中，服務協調器負責圖的建立、路徑的選擇、服務的調用和服務失效的檢測及修復。在基于有向圖的服務組合過程中，如何選擇最優路徑存在一個多目標最短路徑選擇問題，如何處理這一問題是基于有向圖的服務組合建模方法的關鍵。
c）基于工作流的服務組合建模。文獻[24]通過Web ser-vice來實現用戶的任務，通過工作流的方式來協調各個獨立的服務以完成某一具體目標。通過BPEL來表示工作流，并給出了系統的架構。采用工作流的方式來實現服務的組合比較符合服務組合的過程，并且能提高系統部署和執行的規模，具有一定的擴展性。當發生錯誤時比較容易進行錯誤的檢測和修復，同時有很多工作流建模工具可以使用。
d）基于模板的服務組合建模。系統把用戶的任務放到服務模板中，在模板中的服務是任務功能性抽象描述。執行時，根據模板中的任務發現、選擇和調用系統中具體的服務。Molina等人[25]采用上下文感知的方法預測出的用戶任務序列，通過服務組合模式發現具體的服務來完成服務的組合。而文獻[26]則是將用戶抽象的服務序列放到服務模板中，通過上下文感知選擇相應的具體服務進行調用，作者通過計算服務的可利用性，靈活地進行服務的替換。
2.3 錯誤檢測和修復
普適計算環境由于其所具有的不確定性和動態性，在服務組合的過程中更加容易發生錯誤。如何檢測錯誤并對錯誤進行修復，更是普適計算環境下服務組合的一個重要方面。目前采用比較多的是當錯誤發生時通知用戶由用戶手動修復或者采取重新執行服務的組合過程的方式，這種方式與普適計算自感知、自服務的精神是相違背的，最好的方式是當錯誤發生時由系統自動進行修復。不同的服務組合方式其采用的錯誤失效檢測和修復方法是不同的。
在SCfME[16]系統中，采用的方法是對服務請求者回送部分結果檢查服務組合的狀態。如果服務組合管理器失效，則通知服務請求者，會創建新的服務層執行流并且尋找新的服務組合管理器。在UbiDEV[30]系統中，部分失效通過管理器自動發現新的方式實現服務的組合。在基于有向圖的服務組合方式中，可以建立一條次優路徑，當最優路徑失效時，調用次優路徑來完成服務的組合。
3 結束語
服務組合增加了普適計算環境為用戶提供服務的手段，同時服務組合也帶來一系列的問題和挑戰。其中服務匹配和選擇、服務協調和管理以及錯誤檢測和修復是其中三個最主要的方面。本文通過對這三個方面進行分析，給出了其中的解決方法。同時通過研究發現，在服務組合中如下幾個方面的研究還比較欠缺，需要進一步的研究：a）基于語義的服務匹配優化技術?；谡Z義的服務匹配由于通過本體推理完成，目前在性能上還有待改進以更好地適應于普適計算環境動態性要求。b)服務組合效率。目前基于有限狀態機和圖的服務組合方式在性能上還有待優化，同時應該尋找更好的服務組合方法以適應普適計算環境的要求。c）更好的錯誤檢測手段和錯誤修復方法，能夠做到智能地檢測、修復組合過程中的錯誤，同時這種錯誤的檢測和修復過程要有小的系統代價。
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