謝春麗 李必信 王喜鳳，3 廖力

(1東南大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211189)(2徐州師范大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，徐州 221116)(3安徽工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，馬鞍山 243002)

目前已有的可靠性模型主要分為2類:① 傳統(tǒng)的基于體系結(jié)構(gòu)的可靠性方法［3-8］；② 基于數(shù)據(jù)分析的可靠性方法［9］.基于體系結(jié)構(gòu)的可靠性評估用控制流圖或Petri網(wǎng)來表示服務(wù)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，通常有以下假設(shè):①組成服務(wù)的各服務(wù)組件的可靠性是已知和不變的；②服務(wù)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系是靜態(tài)的；③ 相互之間的連接是完全可靠的.這些假設(shè)條件對于Web服務(wù)來說是不適用的，Web服務(wù)的失效不僅與服務(wù)自身的內(nèi)部設(shè)計有關(guān)，而且和服務(wù)執(zhí)行時的環(huán)境也有關(guān).Web服務(wù)不像傳統(tǒng)的軟件都是在本地執(zhí)行，服務(wù)可能位于不同的地理位置和由不同的提供者提供，服務(wù)之間通過網(wǎng)絡(luò)互相通信，互相傳遞信息，因此僅考慮服務(wù)執(zhí)行過程中可能出現(xiàn)的功能性失效對Web服務(wù)來說是不適合的.實際上，服務(wù)發(fā)布、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)組合、服務(wù)綁定和服務(wù)執(zhí)行的每一個過程都會出現(xiàn)不同類型的失效，這些失效對服務(wù)可靠性有著很大的影響［10-11］.為了更好地預(yù)測和分析服務(wù)的可靠性，本文在分析服務(wù)各階段失效模型的基礎(chǔ)上提出了Web服務(wù)可靠性的階段模型，將Web服務(wù)的可靠性分解到服務(wù)執(zhí)行的不同階段.

1 階段模型

Web服務(wù)要經(jīng)過服務(wù)發(fā)布、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)組合、服務(wù)綁定、服務(wù)執(zhí)行5個步驟，而其中的每一步都有可能出現(xiàn)錯誤，從而引起服務(wù)失效，各種失效總結(jié)見表1［11］.不同階段出現(xiàn)的失效具有一定的關(guān)聯(lián)性，例如服務(wù)發(fā)布時服務(wù)描述不匹配的錯誤會導(dǎo)致不正確的服務(wù)發(fā)現(xiàn)，同時也會引起不正確的服務(wù)綁定，最終導(dǎo)致服務(wù)執(zhí)行結(jié)果不正確.本文在構(gòu)建Web服務(wù)失效模型時，將具有關(guān)聯(lián)性的錯誤歸為一類，按照引起原因重新分類，在其他錯誤出現(xiàn)的階段不再重復(fù)計算.表2中歸納了服務(wù)的各種失效和由此引發(fā)的服務(wù)失效.

1.1 發(fā)布階段的失效模型

服務(wù)發(fā)布時主要考慮由于服務(wù)描述格式錯誤或內(nèi)容不一致錯誤，這些錯誤將導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)階段、綁定階段、組合階段和執(zhí)行階段找不到合適的服務(wù)或者服務(wù)匹配錯誤.Web服務(wù)描述語言WSDL定義了服務(wù)接口的描述和接口綁定的描述，服務(wù)的接口描述定義了服務(wù)的一系列操作的名稱及其輸入、輸出參數(shù)和出錯返回信息.服務(wù)描述錯誤可以通過某些驗證技術(shù)發(fā)現(xiàn)，例如XML驗證器可以發(fā)現(xiàn)服務(wù)描述的某些格式錯誤.

表1 Web服務(wù)錯誤分類

表2 Web服務(wù)失效歸類

本文給出一種簡單的近似的服務(wù)描述失效的模型，服務(wù)描述是否出現(xiàn)錯誤以及出現(xiàn)錯誤的可能性大小和服務(wù)提供者有著密切的關(guān)系.聲譽(yù)好的服務(wù)提供者提供的服務(wù)可信度會比較高，出現(xiàn)錯誤的概率也相對較小，因此服務(wù)發(fā)布的可靠度可以用服務(wù)提供者的聲譽(yù)來度量.假設(shè)在給定的時間區(qū)間［0，t］內(nèi)，某服務(wù)提供者共注冊N個服務(wù)，其中缺乏服務(wù)描述以及描述不匹配的服務(wù)個數(shù)為n，則該服務(wù)發(fā)布可靠度(Rpub)可以用下式預(yù)測:

1.2 發(fā)現(xiàn)階段失效模型

當(dāng)沒有一個單一的服務(wù)可以滿足用戶所需的功能時，要求通過整合現(xiàn)有的服務(wù)迅速完成用戶的請求，因此Web服務(wù)的動態(tài)發(fā)現(xiàn)是實現(xiàn)Web服務(wù)組合的關(guān)鍵步驟.在服務(wù)組合過程中，首先要發(fā)現(xiàn)用于組合的服務(wù)，然后才能按照服務(wù)組合規(guī)則進(jìn)行組合，服務(wù)發(fā)現(xiàn)也是目前研究的一個熱點［12-13］.當(dāng)服務(wù)消費(fèi)者請求服務(wù)時，UDDI中心根據(jù)服務(wù)提供的查找條件在服務(wù)列表中查找適合的服務(wù)，由于服務(wù)描述的原因可能查找到的是一個錯誤的服務(wù)，該類型的錯誤引起的失效歸納到服務(wù)描述階段討論，本節(jié)只討論由于服務(wù)請求超時引起的失效.目前UDDI注冊中心多數(shù)采用集中式服務(wù)注冊管理，每個UDDI中心入口站點要處理大量的服務(wù)查找請求.此時，UDDI中心對于服務(wù)請求的處理采用先到先服務(wù)的等待機(jī)制，當(dāng)有請求到達(dá)時，UDDI中心如果正處于忙碌狀態(tài)，則請求進(jìn)入隊列等待，直到隊列中前面的請求全都處理之后；如果請求等待的時間超過一定值，則發(fā)生超時失效，此時不再處理請求.對某一個UDDI注冊中心來說，假設(shè)服務(wù)請求到達(dá)服從參數(shù)為λ的指數(shù)分布，UDDI中心處理每個查找請求的時間服從參數(shù)為μ的指數(shù)分布，則UDDI中心處理請求的過程可以用M/M/1隨機(jī)排隊系統(tǒng)描述.

設(shè)隨機(jī)過程{N(t)，t≥0}為服務(wù)請求到達(dá)的過程，參數(shù)為λ，每個請求的處理時間服從參數(shù)為μ的指數(shù)分布，圖1為該過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖.當(dāng)ρ=λ/μ＜1時，Markov過程平穩(wěn)分布存在，且

設(shè)請求需要等待的時間為tw，tout表示設(shè)定的請求超時閾值.請求等待時間超過tout的概率為pdis，而服務(wù)的發(fā)現(xiàn)可靠度Rdis=1－pdis.根據(jù)隨機(jī)過程理論有

近年來，水資源的不斷開發(fā)對城市可持續(xù)發(fā)展的實現(xiàn)造成了阻礙，同時對市民生活質(zhì)量也有一定的影響作用，為對此問題進(jìn)行解決，城市再生水綜合利用策略已經(jīng)投入應(yīng)用。當(dāng)前，在再生水綜合系統(tǒng)應(yīng)用中，值得關(guān)注的問題是再生水面臨著生態(tài)風(fēng)險。從研究資料中可以看出，氯消毒或臭氧氧化工藝環(huán)節(jié)處理后，再生水毒性會有所提升。在未來工作中需要更為全面地探究再生水中的有害物質(zhì)毒理與計量反應(yīng)關(guān)系，以便于更為可靠的對再生水綜合利用生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評估。

因此不發(fā)生超時錯誤的概率為

圖1 服務(wù)發(fā)現(xiàn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

1.3 綁定階段失效模型

Web服務(wù)支持靜態(tài)綁定和運(yùn)行時綁定2種模式，可以在運(yùn)行前將抽象服務(wù)綁定到某一個具體的服務(wù)，也可以在服務(wù)運(yùn)行時動態(tài)查詢所需的服務(wù)并綁定到某一個具體的服務(wù)，或者在服務(wù)運(yùn)行中由于服務(wù)不滿足用戶對服務(wù)質(zhì)量的要求，將抽象服務(wù)重新綁定到其他功能相等的服務(wù).假設(shè)由于安全協(xié)議等問題協(xié)商引起的失效概率為Psec；由于服務(wù)描述錯誤或者服務(wù)的QoS不滿足用戶要求等問題引起的綁定失效，可以通過重綁定對失效進(jìn)行恢復(fù).當(dāng)發(fā)生該類型的綁定失效時，根據(jù)返回的服務(wù)列表，綁定到下一個合適的服務(wù)，假設(shè)返回的滿足查詢要求的服務(wù)列表個數(shù)為N，第i個服務(wù)可能發(fā)生綁定失效的概率記為Pi，bind，則綁定可靠度為

1.4 執(zhí)行階段失效模型

服務(wù)的執(zhí)行可能是本地的也可能是遠(yuǎn)程的，服務(wù)消費(fèi)者將要處理的信息發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)，遠(yuǎn)程服務(wù)進(jìn)行處理，然后將處理結(jié)果反饋給服務(wù)消費(fèi)者.調(diào)用的各個服務(wù)之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞，在信息傳遞的過程中，可能由于網(wǎng)絡(luò)擁塞或者網(wǎng)速較慢引起服務(wù)之間信息傳遞失敗或者出現(xiàn)錯誤等問題，因此網(wǎng)絡(luò)連接錯誤是影響服務(wù)執(zhí)行的一種重要因素.網(wǎng)絡(luò)的失效受到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)帶寬、兩結(jié)點間傳送的信息量等因素的影響，網(wǎng)絡(luò)連接的失效并不能用一個常量簡單地來描述，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)連接失效服從 Poisson過程［14］，如圖 2 所示.結(jié)點 i，j表示網(wǎng)絡(luò)中相互連接的結(jié)點，網(wǎng)絡(luò)的連接用L(i，j)表示，D(i，j)表示兩結(jié)點間要傳輸?shù)男畔⒘?，S(i，j)是兩結(jié)點間的帶寬，則結(jié)點i和j之間傳輸信息所用的時間 T(i，j)=D(i，j)/S(i，j).由此，網(wǎng)絡(luò)連接L(i，j)的可靠度 RL(i，j)為

式中，λi，j為結(jié)點 i和 j間的失效率.

圖2 網(wǎng)絡(luò)連接圖

2 Web服務(wù)可靠性

2.1 原子服務(wù)的可靠度

服務(wù)提供者提供的服務(wù)可靠度Rws具有主觀性和片面性，因此本文對Rws進(jìn)行更新，提供在當(dāng)前環(huán)境下的服務(wù)可靠度，原子服務(wù)更新后的可靠度表示為

2.2 組合服務(wù)的可靠度

服務(wù)在組合時，服務(wù)之間存在4種典型的組合結(jié)構(gòu)，如圖3所示，分別為順序結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)，組合服務(wù)中服務(wù)組件的更新可靠度用(i)表示(i)=Ri，pubRi，disRi，bindRws(i) .

1)順序結(jié)構(gòu)

2)并行結(jié)構(gòu)

3)選擇結(jié)構(gòu)

圖3 組合服務(wù)的控制結(jié)構(gòu)圖

4)循環(huán)結(jié)構(gòu)

3 實例分析

3.1 實例

以一個機(jī)票服務(wù)(S)作為實例來解釋本文所提出的分階段可靠性模型，如圖4所示.首先向UDDI中心查詢需要的服務(wù)，假設(shè)有3個航空公司都可以提供預(yù)訂機(jī)票的服務(wù)(S1)，分別表示為A1，A2，A3，同時有3 種付款服務(wù)(S2)，分別表示為 P1，P2，P3.假設(shè)該UDDI中心每秒接收到的服務(wù)查詢請求和處理請求的時間分別是參數(shù)為10.1和10.2的負(fù)指數(shù)分布，實驗中設(shè)定請求超時閾值為30 s，超過該閾值，請求超時，認(rèn)為請求的服務(wù)不存在，所有服務(wù)都是由其他服務(wù)提供者提供的遠(yuǎn)程服務(wù).案例的一些參數(shù)如下:① 原子服務(wù)的可靠度，RA1=0.9，RA2=0.9，RA3=0.85，RP1=0.9，RP2=0.95，RP3=0.9.② 網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù) λ(A1，P2)=1×10－3，T(A1，P2)=10 s.

圖4 機(jī)票服務(wù)系統(tǒng)

UDDI中心的服務(wù)請求到達(dá)強(qiáng)度和服務(wù)請求的處理強(qiáng)度參數(shù)分別為λ=10.1，μ=10.2，tout=30 s，Rbind=0.99.

根據(jù)UDDI中心提供的數(shù)據(jù)，分析服務(wù)A1的提供者近期提供的服務(wù)的情況，A1的提供者在UDDI中心共發(fā)布了100個服務(wù)，其中3個服務(wù)的WSDL文檔有描述錯誤或者缺乏服務(wù)描述.

3.2 計算步驟

服務(wù)各個階段的可靠度可以分別計算，S1和S2分別綁定到A2和P2，本文的可靠性方法的計算過程如下:

①首先根據(jù)式(1)計算Rpub=3/100=0.97；

② 根據(jù)式(2)計算Rdis=0.95；

③Rbind=0.99；

④根據(jù)式(4)計算S1的可靠度RS1=RA1=0.822，同理計算S2的可靠度RS2=0.867；

⑤ RL(A1，P2) =e－λ(A1，P2)T(A1，P2)=0.997，則RS=RS1RS2RL(A1，P2)=0.7098.

3.3 實驗分析

根據(jù)以上的計算方法，對具體原子服務(wù)的可靠性進(jìn)行更新，更新后的可靠度見表3.由于更新后的可靠度充分考慮了各個階段的失效影響，所以更新后的可靠度比服務(wù)提供者給出的初始可靠度值要偏小.服務(wù)可以采用冗余結(jié)構(gòu)的方式，當(dāng)某服務(wù)出現(xiàn)失效時，由下一個服務(wù)來取代，采用冗余結(jié)構(gòu)的服務(wù)可靠度見表4.從表4中可以看出，本文方法預(yù)測的可靠度比傳統(tǒng)方法稍低，但是能夠近似接近傳統(tǒng)方法，這是因為本文方法考慮了更多的服務(wù)失效因素，所以比傳統(tǒng)方法低.

表3 服務(wù)的更新可靠度

表4 抽象服務(wù)的可靠度

4 結(jié)語

在分析各種失效類型的基礎(chǔ)上提出服務(wù)可靠性的階段模型，將服務(wù)的可靠性分解到服務(wù)執(zhí)行的各個階段，綜合考慮各種失效類型，更加全面地分析Web服務(wù)的可靠性.本文構(gòu)建了Web服務(wù)可靠性的分階段計算模型，打破了傳統(tǒng)模型中假設(shè)原子服務(wù)或者服務(wù)組件的可靠度已知的局限.綜合考慮了組合服務(wù)過程中可能出現(xiàn)的失效，彌補(bǔ)了目前Web服務(wù)可靠性僅單純地考慮服務(wù)組件的可靠性和服務(wù)間結(jié)構(gòu)的缺陷.

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