基于QoS的Web服務(wù)調(diào)用最短路徑確定方法

馬 亮，錢(qián)雪忠

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122）

基于QoS的Web服務(wù)調(diào)用最短路徑確定方法

馬 亮，錢(qián)雪忠

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122）

針對(duì)目前企業(yè)選擇的Web服務(wù)無(wú)針對(duì)性且調(diào)用效率低下的問(wèn)題，提出一種確定Web服務(wù)調(diào)用最短路徑的方法。將Web服務(wù)的響應(yīng)時(shí)間、安全性和價(jià)格這3個(gè)服務(wù)質(zhì)量度量屬性引入到Web服務(wù)選擇算法中，獲取滿足用戶需求的待選服務(wù)，使Web服務(wù)調(diào)用過(guò)程抽象為帶權(quán)有向無(wú)環(huán)活動(dòng)邊（AOE）網(wǎng)圖，結(jié)合最短路徑算法，計(jì)算出從源點(diǎn)到其余頂點(diǎn)的最短路徑，得到Web服務(wù)調(diào)用最短路徑的AOE網(wǎng)圖。SAP平臺(tái)下的應(yīng)用結(jié)果表明，該方法能有效縮短Web服務(wù)調(diào)用的響應(yīng)時(shí)間，提高整體執(zhí)行效率。

服務(wù)質(zhì)量；Web服務(wù)選擇；Web服務(wù)調(diào)用；最短路徑；活動(dòng)邊網(wǎng)；SAP平臺(tái)

1 概述

面向服務(wù)架構(gòu)（Service Oriented Architecture，SOA）在現(xiàn)代軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，為企業(yè)信息集成提供了保證［1］。而Web服務(wù)技術(shù)是SOA技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，它采用標(biāo)準(zhǔn)的接口描述、統(tǒng)一的通信協(xié)議、開(kāi)發(fā)平臺(tái)及語(yǔ)言的無(wú)關(guān)性為異構(gòu)系統(tǒng)間資源靈活共享提供了技術(shù)支持［2-3］。如何從眾多服務(wù)中選擇質(zhì)量保證的服務(wù)是目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的重點(diǎn)［4］。

文獻(xiàn)［5］概括了性能、可用性、可訪問(wèn)性、完整性、可靠性、規(guī)范性和安全性7個(gè)與用戶緊密相關(guān)的Web服務(wù)的非功能屬性需求，但是對(duì)服務(wù)性能的波動(dòng)性考慮欠佳，從而引入人際交往網(wǎng)絡(luò)中信任這一概念［6］。文獻(xiàn)［7-8］研究了Web服務(wù)的信譽(yù)模型，但忽略了用戶的主觀惡意評(píng)價(jià)這個(gè)核心問(wèn)題。文獻(xiàn)［9］針對(duì)性地選取服務(wù)能力、安全性能和聲譽(yù)構(gòu)建服務(wù)信任模型，但所提方法可行性較差［10］。文獻(xiàn)［11］建立服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）的發(fā)布、監(jiān)控和反饋機(jī)制來(lái)獲得QoS相關(guān)數(shù)據(jù)，并將其暫存至QoS數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)功能匹配、服務(wù)質(zhì)量約束篩選和評(píng)價(jià)排序，完成最優(yōu)Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)。文獻(xiàn)［12］動(dòng)態(tài)評(píng)估了服務(wù)的QoS屬性值，較真實(shí)地反映了Web服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)將權(quán)重和匹配度引入到服務(wù)查找過(guò)程中，以選擇符合用戶實(shí)際需求的服務(wù)。

本文結(jié)合企業(yè)自身的領(lǐng)域應(yīng)用情況，將服務(wù)響應(yīng)時(shí)間、安全性、價(jià)格這3個(gè)企業(yè)較關(guān)心的QoS屬性融入到服務(wù)選擇算法中，篩選出若干符合調(diào)用條件的待選Web服務(wù)。結(jié)合工程學(xué)中最短路徑的相關(guān)概念，提出一種基于QoS選擇算法的Web服務(wù)調(diào)用最短路徑確定方法。

2 基于QoS的Web服務(wù)選擇

2.1 服務(wù)質(zhì)量度量屬性

在服務(wù)調(diào)用過(guò)程中，除了準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)服務(wù)、匹配服務(wù)、完成調(diào)用以外，越來(lái)越多的專家學(xué)者將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到Web服務(wù)質(zhì)量上，Web服務(wù)質(zhì)量用于判定Web服務(wù)質(zhì)量的好壞。

目前，學(xué)術(shù)界從從宿主結(jié)點(diǎn)、服務(wù)和方法這3個(gè)層面對(duì)Web服務(wù)進(jìn)行QoS度量。其中，宿主結(jié)點(diǎn)層面，包括網(wǎng)絡(luò)正常可達(dá)概率、最近時(shí)間段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)是否正常可達(dá)、Web服務(wù)容器可使用的主存上限、最近時(shí)間段內(nèi)Web服務(wù)容器可用主存與最大可用主存的比值、處理器的時(shí)鐘頻率、最近時(shí)間段內(nèi)處理器的占有率、最大帶寬以及最近時(shí)間段內(nèi)帶寬占用率等屬性；服務(wù)層面，包括可訪問(wèn)性、可靠性、性能、容量、魯棒性、互操作性、可移植性等屬性；方法層面，包括響應(yīng)時(shí)間、安全性等屬性，這3個(gè)層面之間彼此正交且存在層次關(guān)系：宿主結(jié)點(diǎn)層面是基礎(chǔ)維度，服務(wù)層面是標(biāo)準(zhǔn)維度，而方法層面是高層維度［13］。

（1）響應(yīng)時(shí)間：是衡量Web服務(wù)性能的重要參數(shù)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間指從客戶端提交服務(wù)請(qǐng)求到獲得服務(wù)端響應(yīng)的時(shí)間間隔，其計(jì)算公式為：響應(yīng)時(shí)間=執(zhí)行時(shí)間+等待時(shí)間。執(zhí)行時(shí)間是從服務(wù)開(kāi)始到結(jié)束的處理時(shí)間，等待時(shí)間是各種系統(tǒng)延遲時(shí)間的總和。

（2）安全性：保證了Web服務(wù)能夠被正常調(diào)用，表示服務(wù)在調(diào)用過(guò)程中，可以通過(guò)身份驗(yàn)證、消息加密、訪問(wèn)控制等保障機(jī)制來(lái)有效提高系統(tǒng)交互通信的性能。

（3）價(jià)格：指服務(wù)提供者給出的服務(wù)請(qǐng)求者使用此服務(wù)的花費(fèi)，它與該服務(wù)功能的價(jià)值有關(guān)，功能相對(duì)越完善，價(jià)格花費(fèi)就越高。

2.2 QoS數(shù)據(jù)形式化表示

QoS數(shù)據(jù)形式化表示具體如下：

（1）K個(gè)服務(wù)的3個(gè)QoS屬性的矩陣表示如下：

（2）QoS需求數(shù)組對(duì)應(yīng)的權(quán)重表示為w=｛w1，w2，w3｝；

（3）將備選服務(wù)矩陣S和數(shù)組w中的元素相乘，得到權(quán)值矩陣Q中的元素：hij=qi，j×wj；

（4）計(jì)算服務(wù)的QoS值：QoS（Si）=∑Kj=1hi，j。

2.3 基于QoS的Web服務(wù)選擇算法描述

基于QoS的服務(wù)選擇算法偽代碼具體如下：輸入 用戶QoS需求向量aq和權(quán)值w，服務(wù)列表R

輸出 符合用戶QoS滿意度的服務(wù)序列

3 最短路徑確定

3.1 最短路徑分類

最短路徑可以分為2類：（1）從某個(gè)源點(diǎn)到其余各頂點(diǎn)的最短路徑；（2）每一對(duì)頂點(diǎn)之間的最短路徑。本文著重討論第（1）類情況，提出一個(gè)按照路徑長(zhǎng)度遞增次序產(chǎn)生最短路徑的算法，前提條件是已知整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和各分支路徑長(zhǎng)度。本文創(chuàng)新性地將已知的各分支路徑的長(zhǎng)度改為服務(wù)調(diào)用的時(shí)延或費(fèi)用，這就相當(dāng)于求任意兩結(jié)點(diǎn)之間具有最小時(shí)延或最小費(fèi)用的路徑，本文的最短路徑算法在工程實(shí)踐中具有普遍的應(yīng)用推廣價(jià)值。

3.2 最短路徑求解

活動(dòng)邊（Activity on Edge，AOE）網(wǎng)是一個(gè)用邊來(lái)表示活動(dòng)的網(wǎng)，它是一個(gè)帶權(quán)的有向無(wú)環(huán)圖，本文AOE網(wǎng)的頂點(diǎn)代表Web服務(wù)實(shí)例，弧代表一次服務(wù)調(diào)用，弧上對(duì)應(yīng)的權(quán)值代表一個(gè)服務(wù)調(diào)用持續(xù)的時(shí)間。假設(shè)AOE網(wǎng)源點(diǎn)為，從到AOE網(wǎng)中其余各頂點(diǎn)的最短路徑求解過(guò)程如下：

（1）標(biāo)記輔助向量D，其中每個(gè)分量D［i］表示從起始點(diǎn)到其他各終點(diǎn)的最短路徑長(zhǎng)度，如果到有弧存在，則D［i］長(zhǎng)度值為對(duì)應(yīng)弧上的權(quán)值；否則D［i］為。由此可見(jiàn)，D［j］=m in｛D［i］|V｝的路徑就是從出發(fā)的一條最短路徑（ν0，νj）。

（2）確定長(zhǎng)度次短的最短路徑。假設(shè)該次短路徑的終點(diǎn)是，那么這條路徑可能是（ν0，νK），也可能是（ν0，νj，νK），它的長(zhǎng)度是從到對(duì)應(yīng)弧上的權(quán)值，也可能是D［j］與從到對(duì)應(yīng)弧上的權(quán)值之和。

在通常情況下，假設(shè)S為已求得最短路徑的終點(diǎn)集合，那么下一條最短路徑可能是弧（ν0，χ）（設(shè)其終點(diǎn)為χ），也可能是中途經(jīng)過(guò)S中的頂點(diǎn)而最后到達(dá)頂點(diǎn)χ的路徑。

由上述內(nèi)容可知，下一條長(zhǎng)度次短的最短路徑的長(zhǎng)度必然是D［j］=m in｛D［i］|V-S｝，其中，D［i］可能是弧（ν0，νi）上對(duì)應(yīng)的權(quán)值，也可能是D［K］（S）與弧（νK，νi）上對(duì)應(yīng)的權(quán)值之和。

3.3 最短路徑算法

最短路徑算法具體步驟如下：

（1）用帶權(quán)的鄰接矩陣arcs表示帶權(quán)有向圖，arcs［i］［j］表示弧＜Vi，Vj＞上的權(quán)值。若＜Vi，Vj＞不存在，則arcs［i］［j］為。S為從出發(fā)的最短路徑的終點(diǎn)集合，它的初始狀態(tài)為空集。那么從出發(fā)到圖上其余各頂點(diǎn)（終點(diǎn)）可能達(dá)到的最短路徑長(zhǎng)度的初值為：D［i］=arcs［Locate Veχ（G，ν）［i］］，νi∈V。

（2）選擇νj，使得D［j］=m in｛D［i］|V-S｝，是當(dāng)前求得的一條從ν0出發(fā)的最短路徑的終點(diǎn)，令S=S∪｛j｝。

（3）修改從出發(fā)到集合V-S上任一頂點(diǎn)可達(dá)的最短路徑長(zhǎng)度。如果D［j］+arcs［j］［K］＜D［K］，則修改D［K］為D［K］=D［j］+arcs［j］［K］。

（4）重復(fù)操作步驟（2）、步驟（3）共n-1次，由此求得從ν0到圖上其余各頂點(diǎn)的最短路徑是依路徑長(zhǎng)度遞增的序列。

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試環(huán)境為一臺(tái)戴爾品牌個(gè)人PC，CPU為Pentium（R）Dual-Core E5400、主頻為2.70 GHz、內(nèi)存為2 GB、操作系統(tǒng)為W indow s XP。

4.2 測(cè)試步驟與測(cè)試方法

測(cè)試步驟具體如下：

（1）計(jì)算各Web服務(wù)的QoS值

表1列出了中國(guó)出口信用保險(xiǎn)公司對(duì)外提供的10個(gè)可供外部企業(yè)訪問(wèn)的以Web服務(wù)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的QoS信息，4個(gè)QoS屬性的權(quán)重值w都取0.25。其中，Qc（Si）表示使用服務(wù)所支付的費(fèi)用；Qt（Si）表示服務(wù)的響應(yīng)時(shí)間，該值在第三方QoS認(rèn)證中心內(nèi)嵌計(jì)時(shí)器代碼中獲取；Qa（Si）表示服務(wù)的安全性，即服務(wù)的安全系數(shù)；Qr（Si）表示服務(wù)的誠(chéng)信度，其值越大，表示執(zhí)行結(jié)果越接近用戶期望值，該值由歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得。

表1 Web服務(wù)的QoS值

表2是對(duì)上述10個(gè)服務(wù)按照本文服務(wù)選擇方法計(jì)算得到的QoS值，R表示服務(wù)的相關(guān)度排名，方法1基于平均權(quán)值，如果請(qǐng)求者沒(méi)有提供對(duì)應(yīng)的具體參數(shù)和權(quán)值，就使用平均權(quán)值方法計(jì)算。方法2側(cè)重價(jià)格因素，相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值w分別取1，0，0，0，可得QoS值最大的是S8，根據(jù)表1可以清楚地看到價(jià)格最低的服務(wù)也是S8，實(shí)際結(jié)果與預(yù)期值一致。方法3兼顧價(jià)格和響應(yīng)時(shí)間因素，w分別取值0.6，0.4，0，0。在方法2中只考慮了價(jià)格，QoS值相同的是S3，S7，S9，此時(shí)加上響應(yīng)時(shí)間因子，QoS值：S9＞S3＞S7，同樣對(duì)照表1，響應(yīng)時(shí)間為S9＜S3＜S7，所得結(jié)果的準(zhǔn)確度很高。方法4綜合考慮服務(wù)價(jià)格、響應(yīng)時(shí)間、安全性因素。w分別取值0.4，0.3，0.3，0，可以看出請(qǐng)求用戶質(zhì)量需求越精細(xì)，計(jì)算結(jié)果也會(huì)越準(zhǔn)確，提高了服務(wù)選擇效率。

表2 取不同權(quán)值時(shí)的Web服務(wù)QoS值

（2）確定服務(wù)調(diào)用的最短路徑

在步驟（1）的基礎(chǔ)上，將QoS值符合用戶要求的服務(wù)抽象成AOE網(wǎng)表示，如圖1所示，圖中權(quán)值表示完成一個(gè)服務(wù)調(diào)用所需的單位時(shí)間，圖1所示AOE網(wǎng)的帶權(quán)鄰接矩陣、從到其余各終點(diǎn)的最短路徑如圖2、圖3所示。

圖1 服務(wù)調(diào)用的AOE網(wǎng)

圖2 AOE網(wǎng)的帶權(quán)鄰接矩陣

圖3 AOE網(wǎng)中從ν0到各終點(diǎn)的D值和最短路徑的求解過(guò)程

在圖3中，i=1，2，…，5表示到達(dá)每個(gè)終點(diǎn)的最大頂點(diǎn)數(shù)；“∞”表示任意2個(gè)頂點(diǎn)沒(méi)有直接相連的弧；“無(wú)”表示任意2個(gè)頂點(diǎn)沒(méi)有相通路徑；“10（0，2）”中“10”表示完成一個(gè)服務(wù)調(diào)用所需的單位時(shí)間，“（0，2）”表示一條調(diào)用路徑，起點(diǎn)為0，終點(diǎn)為2；“j”表示終點(diǎn)序號(hào)；“S”表示符合調(diào)用條件的服務(wù)集合。

通過(guò)計(jì)算確定圖1中從到其余各終點(diǎn)的最短路徑如表3、圖4所示。

表3 AOE網(wǎng)中從ν0到其余各終點(diǎn)的最短路徑

圖4 AOE網(wǎng)的最短路徑調(diào)用

（3）縮短最短路徑上的服務(wù)調(diào)用時(shí)間

在步驟（2）的基礎(chǔ)上，SAP（System s，Applications and Products in Data Processing）系統(tǒng)客戶端使用緩沖管理、業(yè)務(wù)代理等技術(shù)減少Web服務(wù)調(diào)用次數(shù)，加速Web服務(wù)調(diào)用效率。SAP系統(tǒng)Web服務(wù)調(diào)用的層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 SAP系統(tǒng)的Web服務(wù)調(diào)用層次結(jié)構(gòu)

緩沖管理模式的具體實(shí)現(xiàn)方法：調(diào)用業(yè)務(wù)代理層的類方法，先從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，若找不到，則再向服務(wù)器端發(fā)送請(qǐng)求。客戶端更新信息時(shí)，先更新服務(wù)器上的信息，使所有客戶端更新本地緩沖區(qū)。然后在本地緩沖區(qū)更新該記錄，將請(qǐng)求次數(shù)減到最少。

業(yè)務(wù)代理模式的具體實(shí)現(xiàn)方法：分離GUI層和業(yè)務(wù)層邏輯。客戶端運(yùn)行時(shí)，線程阻塞機(jī)制在服務(wù)端設(shè)置數(shù)據(jù)變更監(jiān)聽(tīng)器，監(jiān)聽(tīng)數(shù)據(jù)更新事件。如果客戶端更新了數(shù)據(jù)，則會(huì)觸發(fā)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)改變事件，激活所有被阻塞的監(jiān)視線程，同時(shí)觸發(fā)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)更新的SOAP調(diào)用，每個(gè)客戶端又會(huì)在服務(wù)器端注冊(cè)新的監(jiān)視線程，循環(huán)反復(fù)，當(dāng)且僅當(dāng)更新數(shù)據(jù)時(shí)，才發(fā)送調(diào)用請(qǐng)求，其他調(diào)用實(shí)際上是讀取緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)同步功能。

在圖4所示的用AOE網(wǎng)表示的最短路徑中，完成服務(wù)0→2調(diào)用需要2個(gè)單位時(shí)間，完成服務(wù)0→4調(diào)用需要4個(gè)單位時(shí)間，完成服務(wù)4→3調(diào)用需要2個(gè)單位時(shí)間，完成服務(wù)3→5調(diào)用需要3個(gè)單位時(shí)間，完成整體服務(wù)調(diào)用需要11個(gè)單位時(shí)間。使用緩沖管理、業(yè)務(wù)代理技術(shù)后，分別減少0.25個(gè)、0.8個(gè)、0.4個(gè)、0.55個(gè)單位時(shí)間，只需要9個(gè)單位時(shí)間，節(jié)省了2個(gè)單位時(shí)間，系統(tǒng)整體執(zhí)行效率提高18.18%，驗(yàn)證了本文所提方法的正確性和有效性。

由SAP系統(tǒng)向中國(guó)出口信用保險(xiǎn)公司（中信保）信保通系統(tǒng)調(diào)用100次服務(wù)請(qǐng)求［14-15］，系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 SAP系統(tǒng)與信保通系統(tǒng)的Web服務(wù)調(diào)用架構(gòu)

4.3 結(jié)果分析

系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間與Web服務(wù)調(diào)用數(shù)量的關(guān)系如圖7所示。當(dāng)Web服務(wù)數(shù)量小于200時(shí)，本文方法比未考慮用戶質(zhì)量需求的服務(wù)調(diào)用方法的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有所降低；當(dāng)Web服務(wù)數(shù)量大于200時(shí)，這種降低趨勢(shì)越發(fā)明顯，所以僅從系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間這一性能參數(shù)驗(yàn)證了本文方法的正確性。

圖7 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間與Web服務(wù)調(diào)用數(shù)量的關(guān)系

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)計(jì)算QoS值，獲取滿足用戶實(shí)際應(yīng)用需求的Web服務(wù)，將Web服務(wù)調(diào)用抽象成一個(gè)帶權(quán)有向無(wú)環(huán)AOE網(wǎng)圖，利用最短路徑的相關(guān)概念和算法，提出一種基于QoS的企業(yè)SAP平臺(tái)Web服務(wù)調(diào)用最短路徑確定方法，使用緩沖管理、業(yè)務(wù)代理技術(shù)，縮短最短路徑上各服務(wù)調(diào)用的響應(yīng)時(shí)間周期。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的正確性，并表明其能提高能企業(yè)工作效率，降低運(yùn)營(yíng)成本。

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編輯 陸燕菲

QoS-based Shortest Path Determination Method of Web Service Call

MA Liang，QIAN Xuezhong
（College of Internet of Things Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Aim ing at the problems that Web service selection is non-targeted and Web service call is low-efficiency，this paper proposes a shortest path determination method of Web service call.It puts the system response time，safety and price attributes into service call algorithm to make the Web services which meet user needs most.It abstracts the process of Web service call into Activity on Edge（AOE）network diagram representation by weighted directed acyclic graph.The method combines shortest path selection algorithm to calculate the shortest path which a source point to the rest of the graph vertices and get the AOE network diagram of shortest path of Web service call.Application result on Systems，Applications and Products in Data Processing（SAP）platform show s that the method reduce the response time cycle of service call，and im prove the overall efficiency.

Quality of Service（QoS）；Web service selection；Web service call；shortest path；Activity on Edge（AOE）network；Systems，Applications and Products in Data Processing（SAP）platform

馬 亮，錢(qián)雪忠.基于QoS的Web服務(wù)調(diào)用最短路徑確定方法［J］.計(jì)算機(jī)工程，2015，41（9）：103-107.

英文引用格式：M a Liang，Qian Xuezhong.QoS-based Shortest Path Determination Method of Web Service Call［J］. Computer Engineering，2015，41（9）：103-107.

1000-3428（2015）09-0103-05

A

TP311

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.09.018

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61103129，61202312）；江蘇省科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（BE2009009）。

馬 亮（1984-），男，碩士研究生、CCF會(huì)員，主研方向：Web服務(wù)技術(shù)，企業(yè)SAP系統(tǒng)；錢(qián)雪忠，副教授。

2014-08-18

2014-10-16 E-m ail：molloveby141012@126.com