Web 服務交互過程建模與驗證研究

包 力

（內蒙古工業(yè)大學，呼和浩特 010080）

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟社會全面進入服務經(jīng)濟時代，現(xiàn)代服務業(yè)已經(jīng)成為了現(xiàn)代經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展的新動力[1]。Web 服務即用戶根據(jù)實際的生產(chǎn)需求可彈性獲取，由云提供商提供的、可擴展的計算資源。然而，單一Web服務只能提供有限的計算資源。比如，糖尿病患者需要關于如何控制餐后血糖進行信息咨詢，這樣的信息咨詢將在減緩病情發(fā)展方面發(fā)揮積極作用。影響糖尿病患者餐后血糖的因素有很多，比如胰島素劑量、每餐熱量攝入、日常鍛煉等常見因素都可能影響餐后血糖。如果糖尿病患者想預測并干預餐后血糖，就需要這些方面的數(shù)據(jù)。可用于收集相關數(shù)據(jù)的常見軟件服務有記步服務、熱量攝入記錄服務、醫(yī)療數(shù)據(jù)分析服務等分屬不同的云平臺，顯然，單一的軟件服務無法滿足上述需求，需要組合血糖控制咨詢服務（負責回答患者問題并提供建議）、記步服務（負責記錄患者燃燒的熱量）及數(shù)據(jù)分析服務（負責處理和分析數(shù)據(jù)）。由這些服務構成的服務組合，將為糖尿病患者提供關于血糖方面的信息咨詢。Web 服務組合（以下簡稱“服務組合”）就是根據(jù)客戶需求的變化動態(tài)增加或釋放所需的資源，將跨越不同服務提供商的Web 服務進行整合，為用戶提供增值服務并實現(xiàn)更加復雜的功能。服務組合旨在有效選擇、整合來自不同云平臺的服務，將跨越云平臺邊界的服務進行深度整合并實現(xiàn)其功能的擴展與創(chuàng)新，使得這些服務協(xié)同工作，為用戶提供更加全面、更高質量的功能。跨云服務組合技術將為現(xiàn)代服務業(yè)的發(fā)展注入新動力。

本文組織如下：第1 節(jié)介紹相關研究工作，第2 節(jié)介紹Web 服務交互模型，第3 節(jié)給出Web 服務交互模型的行為語義，第4 節(jié)提供了一個案例研究，最后是結論和展望。

1 相關研究

Web 服務組合（Web Service Company）是以業(yè)務流程和規(guī)則為基礎，將若干組件式服務組合成粒度更大的、服務的過程。服務組合方法大體上可分為基于業(yè)務流程驅動的服務組合和基于即時任務解決的服務組合兩大類。一是基于業(yè)務流程驅動的服務組合，二是基于即時任務解決的服務組合。

在面向Web 服務的自動化組合方面有許多研究成果。文獻[2]研究了云制造中的服務重構與供需銜接問題，提出了面向云制造的自主性導向（autonomy-oriented）服務組合與優(yōu)化選擇方法。為了提高服務選擇的準確性，研究者給出了帶有波動率分析功能的、基于模糊集的決策方法。針對利用語義web 服務發(fā)現(xiàn)機制發(fā)現(xiàn)并選擇最合適的候選服務問題，文獻[3]給出一種由5 個階段構成的多級工作流編排框架。該框架采用功能屬性描述候選服務的行為，并可滿足用戶目標的動態(tài)變化。文獻[4]提出了一種混合Web 服務自動組合方法，旨在生成具有最佳端到端QoS 的基于語義輸入輸出的服務組合，并使參與組合的服務數(shù)量最小化。為了使開發(fā)者能夠高效地進行服務組合，文獻[5]給出了一種可視化的REST 服務建模框架，該框架由可視化服務組合建模工具和服務開發(fā)平臺組成。為了提高Web 服務組合測試用例的質量并找出哪條路徑導致服務組合失敗的概率最大，文獻[6]采用啟發(fā)式測試用例生成法以獲得最優(yōu)測試路徑。

2 交互Web 服務網(wǎng)絡

2.1 Kahn 過程網(wǎng)絡

Kahn 過程網(wǎng)絡（KPN）[7]是一種基于數(shù)據(jù)流的計算模型，該模型的優(yōu)點之一是可以在分布式結構上實現(xiàn)進程的并發(fā)通信和執(zhí)行，這一特點使得KPN 非常適合于建模Web 服務交互行為。在KPN 模型中，并發(fā)過程使用節(jié)點表示，有序的數(shù)據(jù)序列使用弧表示（數(shù)據(jù)序列也稱為令牌）。進程通過先進先出的通道相互通信，在KPN 中，使用數(shù)據(jù)令牌隊列表示這些通道。啟動FIFO通道的讀取操作需要通信通道中至少存在一個令牌。由于FIFO 通道的大小是無限的，因此寫入操作是非阻塞的。KPN 模型采用異步通信，并且KPN 計算的輸出結果與其執(zhí)行順序無關，即進程并發(fā)過程中先執(zhí)行哪個進程對計算結果不產(chǎn)生影響。

2.2 Web 服務交互網(wǎng)絡IWSN

在IWSN 模型中，Web 服務被建模為KPN 中的計算進程，Web 服務組合被建模為進程的并發(fā)自治網(wǎng)絡。進程間通過先進先出的通道進行通信。網(wǎng)絡中的每個進程都對消息序列進行自主控制，并且每個進程執(zhí)行的操作與其他進程的操作并發(fā)執(zhí)行。對于單個進程（服務），其行為建模為其執(zhí)行的操作。Trace（記錄）用于建模進程之間的交互行為，IWSN 模型如圖1 所示。

圖1 Web 服務交互網(wǎng)絡

2.3 交互Web 服務網(wǎng)絡的定義

由于操作是Web 服務功能的基本單元，IWSN 中Web 服務調用被建模為操作的調用過程，這里使用集合Operation表示。IWSN 中，使用進程（Process）建模服務順序執(zhí)行操作的集合，即Process集合中的一個元素是操作的線性串聯(lián)。如果一個操作op1的輸出消息是另一操作op2的輸入消息，那么在op1和op2之間存在對應關系，這里引入二進制關系Ro來表示這種類型的關系。在IWSN 中，符號T用來表示進程（Web 服務）的交互記錄。

定義1（交互Web 服務網(wǎng)絡）。

一個交互Web 服務網(wǎng)絡是一個6-元組，在這里

Service是Web 服務的集合;

Process是進程的集合;

Operation是操作的集合;

T表示操作序列的集合;

Message表示出入進程的消息的集合;

Ro?Operation×Operation是Operation集合上的二元關系。

3 交互Web 服務網(wǎng)絡的形式化語義

本節(jié)給出Web 服務交互網(wǎng)絡的行為語義定義，該語義基于Pi-演算及其公理化操作語義[8]。行為語義由2 部分構成，語義轉換域和轉換函數(shù)。首先引入Pi-演算作為語義轉換域，然后給出轉換函數(shù)定義和轉換算法，將IWSN 模型語義轉換為Pi-演算表達式。

設存在可數(shù)無限集N，在Pi-演算中進程（Process）使用N中的元素P，Q，R……（大寫字母）表示，進程執(zhí)行的動作使用N中的元素u，v，w，x，y，z……（小寫字母）表示。Pi-演算表達式使用下面的語法構造

式中：使用數(shù)字0 表示空進程，空進程已經(jīng)結束，不執(zhí)行動作;符號∑表示非確定性選擇，例如，R+P表達式表示執(zhí)行進程R或P中的一個; 進程順序執(zhí)行的表達式為cx.P，其中P是進程，c是通道名，x是動作名稱，cx.P從通道c讀入動作x，然后執(zhí)行P；表達式P1|…|Pn表示并行執(zhí)行進程P1，P2，…，Pn；表達式[x=y]P表示當通道名稱x與通道名稱y相等時，進程[x=y]P的行為與進程P相同，否則[x=y]P為空進程。

4 案例研究

4.1 車輛保養(yǎng)維修服務案例

本節(jié)通過汽車保養(yǎng)維修服務案例展示如何應用IWSN 模型建模和驗證Web 服務組合的案例，因為重點建模的服務交互行為，所以服務組合涉及的其他方面的技術細節(jié)沒有建模。通過這個案例可以看出，即使相對簡單的服務組合也會包含復雜的交互行為。

業(yè)務流程簡介如下：汽車保養(yǎng)維修服務（Car Maintenance Providing Service）接受客戶服務（Client Service）的請求，并根據(jù)汽車零部件供應商服務（Vehicle Parts Providing Service）和在線金融服務（On-line Financial Service）的響應，檢查該請求是否能夠得到滿足。在這2個服務確認后，其向客戶服務發(fā)送一個付款請求。在客戶支付了汽車維護費用后，然后將確認消息發(fā)送回客戶代理。部分消息的含義解釋介紹見表1（在每個含義解釋的末尾為每條消息定義了縮寫）。

表1 部分服務消息含義

下面是基于Pi-演算的單個Web 服務的行為及服務交互的描述（表達式中的! 符號表示發(fā)出消息）。

客戶服務Client 的行為描述：

Client = ! Request.Interactionloop1

Interactionloop1 = AskInfo.! Pro.Interactionloop1+（Refusal.Client + Accept.! Con.Client）

汽車保養(yǎng)維修服務的行為描述：

當加載到3%rad(38.19 mm)循環(huán)時，在位移較大時，角鋼微微被掀起。當加載到4%rad(50.92 mm)循環(huán)期間，接近位移極值時，角鋼被拉起但角鋼和梁翼緣為見明顯變形。

Car = Request.Interactionloop2

Interactionloop2 = ! AskInfo.ProvInfo.Interactionloop2 + ! GetPartInfo.PartInfo.Interactionloop2 + !GetPaymentInfo. PaymentInfo

Interactionloop2 +τ.（! Refusal.Tour + ! Accept.Con.Tour）

以下表達式分別是車輛零部件供應商服務和在線金融服務的行為描述：

Vehicle = GetPartInfo. ! PartInfo.Vehicle

Financial=GetPaymentInfo.! PaymentInfo.Financial

汽車保養(yǎng)維修組合服務的行為描述：

其中，消息集合{GetPartInfo，PartInfo，GetPaymentInfo，PaymentInfo } 是一組內部消息，需要使用符號τ 來表示發(fā)送和接收操作。

4.2 車輛保養(yǎng)維修服務的形式化驗證

為了驗證服務兼容性，首先需要給出觀察等價（Observational Equivalence）的定義。觀察等價的定義是判定2 個服務是否兼容的數(shù)學基礎，同時，觀察等價也可用于驗證一個服務是否可以替代另一個服務。

定義2 弱遷移（Weak Transitions）。

如果q=q0→τq1→τ…→τqn，那么q?εq’，當n≥0，其中，τ 外部不可見動作的遷移標簽；

如果q?εq’，那么q?τq’；

如果q?εq1→aq2?εq’，那么q?aq’（a≠τ）；

如果q?aq’，那么從q到q’是一個弱遷移。

定義3 觀察等價（Observational Equivalence）。

令R?Q×Q，那么當關系R是一個弱等價，如果任何時候t1Rt2都存在如下遷移關系：

如果t1→at1’，即意味著存在某個t2’并且t2?at2’，從而t1’Rt2’；

如果t2→at2’，即意味著存在某個t1’并且t1?at1’，從而t1’Rt2’；

如果在遷移t1和t2上存在一個弱等價關系，即t1Rt2，那么t1和t2是觀察等價關系，或弱等價關系。

定義4 行為兼容（Behavior Compatibility）。

2 個服務p和q是行為兼容的，記作compatible（p，q），如果服務p與q觀察等價。

根據(jù)這個定義，當服務發(fā)生交互時，外部觀察者不可能區(qū)分2 個過程p和q，并且2 個服務p和q行為兼容意味著其存在相反的行為記錄。在本案例中，雖然客戶端服務也被認為是一個進程，但是客戶端進程不包括在Web 服務組合中。系統(tǒng)的設計目標是按照業(yè)務流程生成需求規(guī)格，也就是開發(fā)的系統(tǒng)需要滿足客戶的要求，即需要驗證車輛保養(yǎng)維修服務是否滿足需求規(guī)格。因此，服務組合應該與客戶端服務在行為上觀察等價。客戶服務和車輛維修保養(yǎng)服務應該有相反的行為。客戶端服務的相反行為是

消息集合{GetPart Info，PartInfo，GetPayment Info，Payment Info} 中定義的是外部不可見的內部操作。此時，忽略ServiceSystem中的內部操作。將得到了一個系統(tǒng)（這里使用表示），該系統(tǒng)與Reverse－Client觀察等價。

這里對汽車保養(yǎng)維修服務進行可達性分析，通過可達性分析，可能會發(fā)現(xiàn)不正確的系統(tǒng)設計，如死鎖和關鍵功能不能滿足需求。使用分支時間邏輯計算樹邏輯（Computation Tree Logic，CTL）[9]來驗證軟件系統(tǒng)是否具有預期屬性。首先定義一個邏輯公式來描述系統(tǒng)永遠不應該達到的狀態(tài)，并使用should_receive來表示這種狀態(tài)。對該狀態(tài)的解釋如下。

如果在有限數(shù)量（可能為0）的內部執(zhí)行步驟之后，在客戶服務發(fā)送請求消息（Req）后，服務客戶一定會從汽車保養(yǎng)維修服務接收到響應消息，則系統(tǒng)的should _receive值為true，使用CTL 描述的系統(tǒng)屬性

5 結論與展望

本文提出了一種基于Kahn 過程網(wǎng)絡的交互Web服務模型（IWSN），旨在解決Web 服務正確的交互問題，同時保證Web 服務交互過程中的行為兼容性。在介紹Pi-演算定義的基礎上，給出了IWSN 模型的形式化語義，并給出了IWSN 模型語義轉換算法。在車輛保養(yǎng)維修服務案例中，應用IWSN 模型描述了業(yè)務流程，并給出了服務行為兼容的定義。案例的實驗結果證明了提出的方法是可行和適用的。

綜上所述，基于KPN 的交互Web 服務網(wǎng)絡具有并發(fā)通信機制、可組合性、可執(zhí)行性等特點，適合于對Web 服務組合過程中的服務交互進行建模。我們未來的工作是實現(xiàn)Web 服務交互網(wǎng)絡的原型系統(tǒng)，為相關技術的市場推廣奠定基礎。