工作流正確性問題綜述
2009-01-01 00:00:00張民郭玉彬李西明蔣郁
計算機應用研究 2009年5期
(1.聊城大學 計算機學院 山東 聊城 252059; 2.華南農業大學 a.信息學院; b.現代教育技術中心 廣州 510640)
摘 要：首先從結構正確性和執行正確性兩方面對工作流系統的正確性問題進行了綜述。對結構正確性，從模型角度進行了正確性定義、判定依據及判定工具的介紹。對執行正確性，從事務、異常處理兩個方面介紹了當前工作流正確性的保障技術。最后，對已有工作流正確性問題的理論和實現技術進行了比較，并總結了這方面的幾個研究方向，供研究人員借鑒。
關鍵詞：工作流管理系統; 工作流模型; 事務工作流; 正確性; 異常
中圖分類號：TP391文獻標志碼：A
文章編號：1001-3695(2009)05-1645-05
Survey for correctness problem of workflow system
ZHANG Min1 GUO Yubin2a LIXiming2b JIANG Yu2b
(1.College of Computer Liaocheng University Liaocheng Shandong 252059 China; 2.a.College of Informatics b.Modern Education Technology Center South China Agriculture University Guangzhou 510640 China)
Abstract:This paper summarized correctness problem of workflow system including structural correctness and executing correctness. To structural correctness introduced definition determinants and judging tools of correctness for workflow model. And to executing correctness summarized transaction technology and abortion processing technology as correctness assurance technology of worflow system. At last presented some research fields worth to study on correctness problem of workflow system.
Key words：workflow management system; workflow model; transactional workflow; correctness; abortion
工作流技術是實現業務過程建模、仿真分析、優化、管理與集成，并最終實現業務過程自動化的核心。目前已在并行工程、企業經營過程重組、供應鏈管理和柔性制造等領域得到廣泛應用。但在實際應用中，由于工作流模型的復雜化、網絡環境動態多變和執行節點異構、自治等原因，工作流的正確性很難保障，特別是在當前SOA、網格、P2P等松耦合分布式計算模式迅速發展的情況下。工作流管理聯盟的工作流管理系統參考模型[1，2]提供了一個規范的術語表，為在一般意義上討論工作流系統的體系結構提供了基礎。但它注重解決工作流組成活動之間的數據流和控制流結構、組織的層次性等問題，而對其正確性問題并沒有給出定義，更沒有提供并發條件下正確性的判定方法。
關于當前分布式計算環境中工作流正確性問題的研究已取得較多成果。本文將工作流系統的正確性問題分為結構正確性和執行正確性兩方面，并對工作流模型驗證、事務機制、工作流異常處理三種技術中的工作流正確性問題及其保障技術進行了總結，給出了各方向的研究現狀，最后總結了工作流正確性問題中幾個值得研究的問題，供研究人員借鑒。
1 工作流模型的正確性驗證
工作流模型近年來與過程模型、特別是業務過程模型相結合，是工作流技術和過程技術的共同研究熱點。從工作流、過程管理等方面的國際會議和期刊論文情況看，當前工作流模型主要包括多工作流互操作模型[3，4]、動態過程模型[5]、自適應工作流模型[6]、柔性過程模型[7]以及商業智能和過程挖掘模型[8，9]等。在新出現的各種工作流（和過程）模型中，即工作流執行的分布化、工作流互操作和跨組織工作流系統的建模與模型檢測等都是當前工作流模型的研究熱點。
動態和自適應性工作流都要求實現工作流的動態修改。這種修改不僅包括工作流過程的重新設計，還包括一些異常的處理，旨在提供一種內在的發現異常、避免異常以及解決異常的機制，從而提高工作流系統的適應性[10]。當前提高工作流自適應性的主要方法包括開放點(openpoint)法和元模型(metamodel)法等[6]。也有學者利用人工智能中的reactive control、planning和scheduling技術[11]以及反演計算等方法來提高工作流系統的靈活性和適應性。孫瑞志等人[12]在工作流元模型方面進行了研究，實現了保持執行狀態、修改執行狀態和動態演進三個層次的異常處理。
工作流模型的正確性研究是指建模時通過形式化方法對工作流模型的靜態性質和動態執行進行性質分析和模擬，從而更早地發現錯誤。這方面的研究與工作流模型、過程模型的研究結合在一起，常見的形式化建模與驗證工具包括Petri網、PI演算、有向圖、自動機、UML語言、面向對象模型、語言動作(language acts) 理論和基于約束條件的形式語言文法等。對工作流模型的正確性驗證主要表現在無死鎖、無死任務和完整性等問題的研究上。
Kamath等人[13，14]定義工作流正確性相關因素包括：如何確定工作流中單個活動的執行是否正確;不同工作流活動交叉存取相同數據的結果；工作流中一個或多個活動失敗時此工作流和其他受影響的工作流應如何處理及整個工作流系統組件失敗時對工作流的影響等。Arpinar等人[15]定義了一個基于可用語義信息的工作流正確性標準，并基于此給出判定方法。其正確性標準是根據工作流活動的輸入、輸出條件來定義一個活動的正確執行。這些輸入、輸出條件形成工作流環境的約束集。約束分為基本約束和活動間約束兩類。基本約束用于定義工作流環境的正確狀態，而活動間約束則定義活動之間的依賴關系。在約束基礎上定義活動約束圖、通過活動約束圖表示工作流交互執行時的正確性，并給出兩種基于鎖的判定方法（稱為CBCC和CLCC）。文獻[16]則研究了根據語義驗證的需求，定義了過程描述的形式化模型，給出語義驗證的化簡規則。
利用Petri網進行過程的建模與驗證工作，主要是Aalst[17，18]于20世紀90年代開始的。他利用基本Petri網系統建立工作流網模型——WFnet，并在一系列論文中給出WFnet的結構正確性定義與基于Petri網安全性、活性和有界性的判定條件。之后，針對WFnet良構性，Barkaoui等人[19]和龐善臣等人[20]研究了多工作流實例情況下的判定條件。
Yuan等人[21]指出工作流管理的目標是對業務過程進行控制、監視、優化和支持，并給出一個包含過程邏輯、實例語義和工作流管理的三層過程模型。文中從不同層次對業務過程進行描述和分析，各層的公共基礎結構是同步器(synchronizer)。同步器是基于通用網論設計的，用于連接所有任務形成一個整體，并動態同步控制任務。另外，針對過程和工作流系統，還有一些基于顏色Petri網、對象Petri網等進行的建模，但多數模型建模時只考慮過程結構的邏輯描述，并沒有考慮其正確性要求的刻畫。周從華等人[22]給出一種基于線性時態邏輯的工作流正確性描述方法，可描述工作流網的死鎖、安全性、活性和事件之間的時序性。文中還給出針對此正確性描述的化簡規則。
從模型角度講，工作流系統正確性問題的研究已取得了豐富的成果，主要工作流驗證方法及其能夠分析的工作流性質如表1[23]所示。其弱點主要表現在以下幾個方面：
a)沒有統一的正確性標準定義和判定方法，已有成果多數只適用于特定應用環境，沒有公認的標準和判定方法。
b)當前的研究成果主要集中在死鎖、活鎖、有界性等結構正確性的判定。對于工作流語義、并發等因素對正確性的影響，成果不多。
c)工作流正確性驗證工具較少且自動化程度較低，有待進一步研究。
2 工作流的執行正確性
工作流系統執行時，除了模型的正確性外，還要考慮并發現象及工作流實例執行的完整性，即與模型相關的正確性、并發執行、失敗處理和恢復等。另外在當前松耦合的分布式執行環境中，還需考慮執行節點的自治問題，節點可能隨時加入和離開，同時執行節點對外只提供輸入、輸出接口，其內部邏輯對外不可見，無法使用統一的事務模型或異常處理方法對工作流實例的執行進行管理與控制。
工作流事務性質的研究，其最早的研究方法是對傳統事務管理模型進行改造和發展，即利用嵌套模型[24]、Sagas模型[25]、柔性事務模型[26]等高級事務模型對工作流中的事務進行建模，使其支持長事務、協作事務、交互事務等概念。其中對工作流中的事務技術乃至后來的Web事務、網格事務都具有較大影響的是Sagas模型中的補償思想和嵌套事務模型中的分層嵌套思想。柔性事務模型是為實現異構的多數據庫事務管理而提出的一種擴展事務模型。基于此，Schuldt等人[27，28]以形式化的方法研究了事務性過程的并發控制和恢復問題，討論了多個flexible事務并發執行時，為保證事務可串行化和可恢復的正確性調度序列所要滿足的充分條件。但事務模型是源于數據庫系統的概念，其并發控制的主要技術——鎖機制和補償的概念并不能完全適用于工作流系統，特別是在當前松耦合的分布式環境下，鎖機制幾乎不可能實現，同時補償事務也與其他事務一樣可能失敗。另外，不同事務模型之間很難實現互操作，因為在不同模型中補償事務的定義和代理機制的設置都是不同的，而且傳統事務模型對復雜的工作流邏輯和人工干預描述不夠。
為解決上述問題，Sheth等人[29]提出了事務工作流的概念。事務工作流的研究致力于保證工作流系統在存在并發訪問共享資源且其中某些活動需要當做一個整體對待情況下的正確性，也就是如何利用高級事務處理技術、通過集成到工作流管理系統中的相關機制來解決工作流應用的事務需求問題。目前，事務工作流已得到廣泛的研究[30~39]，但尚無被普遍認可的定義。
事務工作流涉及分布、異構環境中多個相關任務的協調執行，其整個過程或某個子過程需要保證事務ACID特性中的一個或幾個;事務工作流采用ETM的思想描述其正確性準則，借鑒ETM的機制，如補償、日志記錄等來保證數據一致性以及可靠性。它比ETM擁有更豐富的語義，它結合了工作流技術和事務處理技術，并有效開發兩者的特長，其研究對于提高工作流系統的可靠性和實用性具有重要意義。
事務工作流已形成多個具有代表性的研究項目和原型系統，包括ConTracts[32]模型、FlowMark[33]、WAMO[34]、METEOR[35]、OPERA[36]/WISE[37]、WIDE[38]/CrossFlow[39]等。
2.2 工作流的異常處理技術
應用環境和用戶要求的不斷發展變化需要工作流管理系統具有靈活的處理能力。工作流系統的異常處理正是要解決這種不斷要求的變化。工作流的異常一般指任何對理想業務過程的偏移，或沒有人工干預不能正確處理的情況[40，41]。工作流異常處理是指在工作流執行中遇到異常時，通過適當的方法對異常進行有效的處理以保證工作流順利執行。異常處理需要在工作流建模階段進行建模和預測，并在執行階段進行正確的處理，這是一個具有挑戰性的課題。本節首先對異常進行分類，然后分類總結工作流異常處理的方法。
2.2.1 工作流異常定義的范圍和分類
對工作流異常的分類存在很多標準，如Luo等人[42]按工作流系統結構層次，將異常分為基礎結構異常、工作流處理系統異常和應用程序異常三類。Kammer[43]將異常分成噪聲(noise)、特殊異常 (idiosyncratic exception)和演變異常(evolutionary exception)三類。Eder等人[44把工作流管理系統中的異常情況分成故障和異常兩大類。其中，故障分普通故障和應用故障；異常又分成可預測異常和不可預測異常。在此基礎上，Casati等人[45]又將可預測的異常細分為工作流異常(workflow exceptions)、數據異常(data exceptions)、時間性異常(temporal exceptions)和外部異常(external exceptions)。
本文將工作流異常分為系統異常和邏輯處理異常兩大類。系統異常即Luo所列出的基礎結構異常，包括操作系統、數據庫等支持系統的異常；邏輯處理異常包括工作流實例運行錯誤異常和演變異常。其中錯誤異常是指工作流系統運行時的錯誤；而演變異常則指工作流執行過程中出現的與原工作流定義不一致的情況。
2.2.2 工作流異常處理方法分類
工作流異常處理技術經過多年發展，已取得很多成果。較成熟的可分為以下幾類：與事務技術結合法[46] 、知識庫法[40] 、ECA 規則法[47]和工作流進化法[48]等。在實現異常處理時，一般采取這四種方法中的一種，或者幾種方法相結合。
1)與事務技術相結合的方法 此類方法從事務角度，依據其原子性和可恢復性，將工作流系統中的活動分類，分成原子活動、半原子活動和非原子活動，可恢復活動、不可恢復活動等。在異常發生時，依據異常活動的性質分別采取部分回滾、補償或整個工作流回滾等行為對異常進行處理。這方面研究從高級事務技術中繼承了事務的層次嵌套、補償、鎖、時間戳等方法。對事務的ACID屬性進行不同程度的放松，以處理不同事務要求、長事務、交互事務等工作流系統中存在的情況。
這方面較典型的系統有Exotica項目[49]和WAMO模型[34]等。Exotica項目采取補償的思想，通過為每個任務適當地插入補償路徑，當出現活動執行失敗時有條件地執行補償任務。WAMO模型為每個任務定義了事務特性，一個活動執行失敗時，可以根據模型中的定義來進行補償操作，或直接夭折這個活動。這種處理方式也屬于失敗補償法。
Hagen等人[46]引入spheres of atomicity概念，對工作流系統中的活動從事務角度進行分類。把工作流系統看做是一個編程環境，用高級編程語言中的異常處理方法來處理工作流異常，把異常處理與正常程序執行流程分開，以此來減少系統復雜性，并通過提供前向恢復和補償活動來保證過程的原子性。
與事務技術密切相關的一種異常處理方法是基于日志的方法。其基本思想是在日志中保留系統運行時的信息，當出現電源、網絡傳輸等異常時，工作流從日志中恢復當前狀態。基于多層日志的方法[50]是在工作流系統原有的結構上，在工作流數據庫、應用管理器、應用封裝器等層次上加進多層日志 針對每種失敗提出了相應的異常處理方法。這種方法可保證出現異常時，工作流能夠恢復到失敗前的最近一致狀態。
2）知識庫法 基于知識庫的方法是由MIT的Klein等人[40]提出的。此方法首先對異常分類，設定異常分類的目錄樹，并定義各異常的特征，建立知識庫，每個異常由一個異常探測的處理模板來捕獲。該方法側重于對不同異常的分類與相關知識的建立，并運用推理的方法判定具體的異常事件，根據知識庫中的處理策略來處理異常。目前，這方面的研究主要集中在知識庫的建立和維護上。
另外，CBR (casebased reasoning)異常處理機制[51]是基于知識庫利用案例推理實現的一種異常處理方法。
3)ECA(eventconditionaction)規則法 該方法來源于主動數據庫系統中的觸發機制。在工作流定義時，將活動在運行過程中可能發生的異常、異常發生條件及解決辦法以規則的形式寫入到數據庫中。在工作流系統運行時，異常監視器時刻監控異常事件庫，一旦發生某個異常事件，就立即觸發執行異常事件庫中的可執行規則，從而引發一系列異常處理所需的動作。該方法主要適合于可預測的異常。
該方法側重于對不同異常的分類與相關知識的建立，并運用推理的方法去判定具體的異常事件，根據異常事件庫中的處理策略來處理異常。目前的研究主要是對規則的描述和擴展: ECA規則的擴展可以簡化規則的描述，并描述和處理某些不適合用ECA規則描述的異常。這方面的研究包括ECAA(eventcoditionthenActionelseAction)規則等。
WIDE工程[38]和OPERA[36]都采用的是ECA方法。為了通過對ECA規則的重用來更好地支持工作流的設計，Casati等人[48，49]在WIDE項目中引入了模式（pattern）的方法，并建立了支持和管理模式的環境。其借用設計模式和規則模式的概念和相關處理方法來管理ECA規則，實現了ECA規則的重用，從而支持工作流異常處理的設計和重用。
4)工作流進化法 該方法通過修改原有的工作流定義，解決新出現的問題，也稱工作流演化。修改可分為靜態修改和動態修改。前者是對原工作流的流程重新定義或改進;后者是通過agent 的學習功能，在工作流運行過程中，動態地修改工作流系統，使系統能響應執行過程中出現的各種異常，調整系統流程，保證系統運行[48]。
這種方法研究的難點在于獲得修改方法的策略，同時還需要考慮修改是否影響當前運行流程、是否影響系統的穩定性以及保證系統的正確性和數據的一致性等。這方面的研究與動態工作流模型、自適應工作流模型結合緊密，是這兩類工作流模型研究的主要問題之一。
以上所述的異常處理方法中，與事務技術相結合的方法側重于保證數據的一致性；知識庫方法能夠根據知識庫處理各種可預測異常，但是如何建立完善的知識庫是個很大的難題;ECA方法能夠很好地解決異常的分析和定位問題，但是如何很好地描述規則，仍需要進一步的研究;工作流進化方法側重于對工作流系統的改進，以解決新出現的異常情況。這四種方法的側重點不同，都有其各自的優缺點。現有很多研究一般考慮如何將其相互結合使用，以更好地解決異常。
另外，在異常處理系統實現方面，存在基于EJB、AOP和SOA架構等很多方法。其中基于AOP技術的方法利用AOP的思想，將正常的工作業務流程與異常情形區分開。 將異常處理作為一個單獨的橫切關注點加以分離、分析和處理，讓使用者或開發者只需要專注于自己所要達到的目標或者需求，無須考慮系統異常情形的維護[52]。其實現基于AOP技術的異常處理，包括異常檢測模塊、決策判斷模塊、異常處理調用模塊和處理規則數據庫四個主要模塊。
3 結束語
綜合以上所有工作流正確性問題的技術與比較，本文給出以下幾個方面的研究課題：
a)在模型研究方面，特別是動態工作流、演進式工作流、柔性工作流等較新的工作流系統模型應該從模型級對工作流系統的正確性進行定義，給出適用于當前松耦合分布式計算環境、節點并發、自治情況下，考慮語義信息的正確性標準與判定方法。
工作流技術是企業業務過程集成和自動化的工具，但是已有的工作流產品和原型系統往往缺乏對工作流執行正確性的支持，這在很大程度上限制了工作流系統的實用化。因此，模型自動化驗證工具，乃至具有較好正確性支持的工作流管理系統的設計和實現對于提高工作流應用的可靠性、推動工作流技術的實用化具有重要的應用價值。
b)事務工作流提出后一直是研究熱點，但相對于數據庫的事務處理技術，理論和實現技術方面都有待進一步發展。這方面的工作要與工作流模型方面的研究相結合，針對P2P、SOA框架和網格等分布式環境、結合動態、演進和柔性工作流模型的研究，給出形式化的、能夠描述事務特征的工作流模型，也是需要深入研究的課題。
另外，事務處理技術的核心技術包括并發控制和恢復兩個方面。對并發控制問題，傳統的并發控制方法如鎖、時間戳等均不能很好地適用于當前應用環境，較新的BTP、WSX系列協議等事務協議沒有對工作流的復雜邏輯全面考慮，還有待檢驗。因此，工作流的并發控制方法也是當前需要深入研究的一個課題。
c)事務處理技術中的恢復技術與工作流的異常處理技術目標是一致的。但當前工作流異常處理方面技術缺乏理論支持、有較多人工干預且恢復效率較低。如何將事務的恢復技術與工作流的異常處理技術相結合，給出對具有復雜嵌套結構、操作對象復雜多樣的工作流的失效恢復機制，并在最小化開銷的同時，最大化恢復程度也是一個值得深入研究的課題。
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