（计算机软件与理论专业论文）流程驱动的服务组件动态迁移和部署研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 普适计算改变了人们的生活模式，计算将变得无处不在。这种计算模式的 最终目标是将由通信和计算机构成的信息空间与人们生活和工作的物理空间融 为一体，支持用户“随时随地并“透明的获得符合其个性化需求的信息服 务，尤其是面向服务使普适环境下的无缝集成成为可能。同时我们发现在实际 的普适应用中，流程无处不在，单一服务无法满足用户的任务目标，人们更加 希望得到流程化、连续性、智能化的服务模式。本文称普适环境下面向流程管 理的相关应用为智能普适流程应用，必将成为未来信息化社会的重大需求。在 智能普适流程的应用中，服务的迁移和部署是其核心关键技术，并且是未来诸 多新型网络应用的共性支撑技术。 本文正是针对智能普适流程应用的核心关键技术问题，基于用户任务目标 和业务流程，实现应用及服务组件的动态有序迁移和部署，确保在用户未察觉 情况下合理有效地迁移调度服务应用组件，使其部署在有限的计算资源上，为 用户提供无限的服务。文章的主要工作有： 1 、结合情景感知技术和流程应用技术提出了一个基于流程上下文感知的迁 移和部署模型- p c b m d m ，并以这个模型为基础建立起各个关键部分的具体 实现机制和算法。 2 、为了更好地组织和管理组件，我们首先对普适空间中的组件关系进行建 模，为迁移结构提供基础，然后介绍了流程驱动的服务组件迁移算法及其具体 实现。使应用迁移能够在环境感知和流程上下文的影响下进行，在用户或设备 移动后能够让服务组件自动发起迁移，实现了以流程为中心，以用户为导向。 3 、对于服务组件动态部署，文章通过运用本体技术对领域对象关系进行建 模，依据流程上下文信息对可能用到的设备或组件进行智能化的推理和匹配， 并通过建立m a r k o v 模型和流程模型之间的联系，对流程预期发展做出一定预 测，以之确定相应的服务组件部署结构，增强了模式的智能性。 本文以虚拟环境应用为背景，通过构建网络环境下基于组件的流程应用原 型系统，验证了本文提出的相关模型和算法的有效性，证明了这些模型和算法 山东大学硕士学位论文 可以作为智能普适流程应用的基础支撑技术。这也为未来的普适计算应用的发 展奠定了一定的基础。 关键词：普适流程应用：服务组件迁移：动态部署；流程上下文；m a r k o v 模 型 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e r v a s i v ec o m p u t i n gi sc h a n g i n gp e o p l e sl i f e s t y l e c o m p u t a t i o nw o u l db e e v e r y w h e r e t h eu l t i m a t eg o a lo fs u c hc o m p u t i n gm o d e li s t o i n t e g r a t et h e i n f o r m a t i o ns p a c em a d eu po fc o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e r s 、i mt h ep h y s i c a ls p a c e w h e r ep e o p l el i v ea n dw o r k p e o p l ec o u l dg e ti n f o r m a t i o ns e r v i c e st r a n s p a r e n t l ya t a n y t i m e a n da n y w h e r ei na c c o r d a n c ew i t ht h e i r p e r s o n a l i z e dr e q u i r e m e n t s e s p e c i a l l y , s e r v i c e - o r i e n t e dm a k e ss e a m l e s si n t e g r a t i o np o s s i b l eu n d e rp e r v a s i v e e n v i r o n m e n t i nt h em e a n t i m e ，w ef i n dt h a tp r o c e s si s e v e r y w h e r ei np r a c t i c a l p e r v a s i v ec o m p u t i n ga p p l i c a t i o n sa n ds i n g l es e r v i c ec o u l d n ts a t i s f yt h et a s k o b j e c t i v eo fu s e r s i nt h i sa r t i c l ew ec a l l e dt h a tu n d e rt h eu n i v e r s a le n v i r o n m e n tf o r p r o c e s sm a n a g e m e n ta p p l i c a t i o n sa ss m a r tp e r v a s i v ep r o c e s sa p p l i c a t i o n ，a n di tw i l l c e r t a i n l yb e c o m eam a j o ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yn e e d so ft h ec o m m u n i t yi nt h e f u t u r e i nt h ea p p l i c a t i o no fs m a r tp e r v a s i v ep r o c e s sa p p l i c a t i o n ，t h em i g r a t i o na n d d e p l o y m e n to fs e r v i c e si st h ec r u c i a lt e c h n o l o g y i ti sa l s ot h ec o m m o ns u p p o r t t e c h n o l o g yo fm a n yk i n d so fn e t w o r ka p p l i c a t i o n si nt h ef u t u r e t h i sa r t i c l ei sf o c u so nt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h es m a r tp e r v a s i v ep r o c e s s a p p l i c a t i o n ，b a s e do nu s e rg o a l sa n db u s i n e s sp r o c e s s e s ，t 0a c h i e v ea p p l i c a t i o n sa n d s e r v i c ec o m p o n e n t sd y n a m i ca n do r d e r l ym i g r a t i o na n dd e p l o y m e n t ，t oe n s u r et h a t s c h e d u l i n gs e r v i c em i g r a t i o nr a t i o n a l l ya n de f f e c t i v e l yw i t h o u tu s e r sa w a r e n e s s a p p l i c a t i o nc o m p o n e n t st od e p l o yc o m p u t i n gc o m p o n e n t si nl i m i t e dc o m p u t i n g r e s o u r c ea n dt op r o v i d eu s e r sw i t hu n l i m i t e ds e r v i c e t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i s d i s s e r t a t i o ni n c l u d e - 1 c o m b i n e d 谢ms c e n a r i o ss e n s i n gt e c h n o l o g ya n dp r o c e s sa p p l i c a t i o n s ，an e w m o d e lo fm i g r a t i o na n dd e p l o y m e n tb a s e do nc o n t e x t a w a r e n e s so fp r o c e s si s p r e s e n t e d i t s n a m e dp c b m d m a c c o r d i n gt ot h em o d e l ，w ep r o p o s e d i m p l e m e n t a t i o n sa n da l g o r i t h m so fs e v e r a lk e yp a r t s 2 i no r d e rt oo r g a n i z ea n dm a n a g ec o m p o n e n t sb e t t e r , w ep u tt h em o d e l i n g r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o m p o n e n t si nu n i v e r s a ls p a c ei n t of i r s ta n d i tp r o v i d et h e i i i b a s i sf o rt h em i g r a t i o ns t r u c t u r e a n dt h e nap r o c e s s d r i v e nm i g r a t i o no fs e r v i c e c o m p o n e n t sa l g o r i t h ma n di m p l e m e n t a t i o n si si n t r o d u c e d 3 w i t hr e g a r dt od y n a m i cd e p l o y m e n to fc o m p o n e n t sf o rt h es e r v i c e ，t h e d i s s e r t a t i o nb u i l d sm o d e l so fd o m a i no b j e c t - r e l a t i o n a lw i t ho n t o l o g y t e c h n o l o g y a c c o r d i n gt op r o c e s sc o n t e x ti n f o r m a t i o n , i tm a k ea l li n t e l l i g e n ti n f e r e n c ef r o m e q m p m e n t so rc o m p o n e n t st h a tm a yb eu s e da n dm a t c ht h e m t h r o u g ht h er e l a t i o n 0 it h em a r k o vm o d e la n dp r o c e s sm o d e l ，t h ep a p e rp r e d i c t s d e v e l o p m e n to ft h e p r o c e s st h a td e t e r m i n e st h ea p p r o p r i a t ed e p l o y m e n to ft h es t r u c t u r eo fs e r v i c e c o m p o n e n t sa n de n h a n c e st h ei n t e l l i g e n c eo ft h em o d e l b a s e do nt h ea p p l i c a t i o n si nv i r t u a le n v i r o n m e n t s ，w ev e r i f yt h ee f f i c i e n c yo f t h ep r o p o s e dm o d e la n da l g o r i t h mb y b u i l d i n gac o m p o n e n t - b a s e da p p l i c a t i o n p r o t o t y p es y s t e mi nan e t w o r ke n v i r o n m e n t w ed e m o n s t r a t et h a tt h e s em o d e la n d a l g o r i t h mc a nb eu s e da sf u n d a m e n t a ls u p p o r t i n gt e c h n o l o g i e sf o rs m a r tp e r v a s i v e p r o c e s sa p p l i c a t i o n t h er e s u l t si nt h i sp a p e ra l s ol a yac e r t a i nf o u n d a t i o nf o rt h e f u t u r ed e v e l o p m e n to fp e r v a s i v ec o m p u t i n g k e yw o r d s ：p e r v a s i v ep r o c e s sa p p l i c a t i o n ，s e r v i c ec o m p o n e n tm i g r a t i o n ， d y n a m i cd e p l o y m e n t ，p r o c e s sc o n t e x t ，m a r k o vm o d e l 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 墨、兰： 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：叁垒 导师签名： v矿 山东大学硕士学位论文 寡鼍曼鼍曼皇鼍曼皇量皇皇皇量舅皇曼。 _mm m m ：mi 鼍鼍篁曼曼曼曼曼! 皇皇皇曼曼曼曼皇 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着计算机软硬件技术的快速发展，新的技术和应用层出不穷，给人们的 生活和工作带来了极大的方便，也使人们的生活方式产生了空前的变化。如今， 人们越来越喜欢利用网络获取信息，完成工作。很多情况下，互联网可以很容 易的为用户提供更加强大的功能，也可以很好地满足用户多种多样的需求。然 而，随着网络功能的不断增强，网络服务系统也变得越来越复杂化和多样化， 功能也更加强大，网络的延伸和应用的人性化也使得计算和资源有更加分散的 趋势。计算将变得无处不在。1 9 9 1 年美国的马克维瑟博士提出了普适计算 ( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 的概念，这种计算模式的最终目标是将由通信和计算 机构成的信息空间与人们生活和工作的物理空间融为一体，支持用户“随时随 地”并“透明”地获得符合其个性化需求的信息服务。普适计算的到来改变了 我们的生活，它为我们描述了一种全新的计算模式：人们可以在工作、生活的 现场随时随地获得服务，而不需离开这个现场去端坐在一个专门的计算机面前， 其理念是创造个“以人为本”的信息服务新环境。普适计算力图将以计算机 为中心的计算转变为以人为中心的计算。这种转变将极大地促进信息技术在全 社会的普遍应用，具有重要的战略意义。普适计算的应用研究具有重要的理论 意义和很高的产业价值，引发了对一种全新计算模式的探索，具有鲜明的交叉 学科的特点。即便仅考虑计算机学科的问题，也涉及几乎整个学科的各个层面。 这种计算模式的转变是未来计算机技术发展的主要推动力f 1 1 。普适计算为我们 勾画出一个美好的未来世界，使计算如空气、水、电这样的必需品一样，融入 我们的工作和生活。可以预见，普适计算将是计算机科学发展的方向。 另一方面，在普适环境下的诸多应用中，我们发现流程无所不在，单个服 务很难完全满足用户的需求，需要通过流程来驱动服务资源的迁移、部署和执 行，以实现用户的任务目标，达到流程普适化、智能化的目的。我们称这类应 用为智能普适流程应用。例如：在数字化城市中，管理交通的警员可以手持p d a 山东大学硕士学位论文 对过往车辆进行速度测试，并通过网络直接调阅违章者信息、开具罚单、拍摄 违章录像并可直接将其传回总部。完成一整套发现、拍摄、调阅、罚单、计分、 回传的流程。并且把许多数据和资源迁移和部署在警员p d a 的有限资源上。帮 助警员轻松完成工作。 总的来看，智能普适流程应用具有以下特点： 1 、流程普适化 智能普适流程应用融合了普适计算和流程管理技术，使流程融入到人们的 生活中，成为人们正常生活的一部分，变“主动用户 为“被动用户一，使个人 用户切实感受到贴身的流程服务。 2 、服务按需动态迁移和部署 智能普适流程应用根据用户的任务目标和业务流程，随着用户的移动和服 务资源的变化，动态地对服务进行迁移和部署，使用户完全感觉不到应用的变 化，实现真正的“以人为本 。 本文就是针对智能普适流程应用的特点，以用户的业务流程为驱动，融合 上下文感知、应用迁移、w e b 服务动态部署等技术，重点研究智能普适流程应 用中服务组件动态迁移和部署这一核心关键技术，为智能普适流程应用的推广 普及提供理论和技术基础。 1 2 研究意义 融合普适计算和流程管理技术在应用模式上是一个创新，其中服务组件的 动态迁移和部署技术是亟待解决的关键技术，同时它也是诸多新型应用的核心 共性支撑技术： 1 、面向个人用户的普适应用 基于i n t e m e t 的普适应用更多的面向个人用户，对个人用户的重视体现了计 算机技术最终必将“以人为本”，人们可以通过计算机技术的支持更好的进行个 性化表现。要更好的为个人用户服务，一个重要前提是能够智能的基于业务流 程实现用户的任务目标。 2 、面向服务组合的普适应用 2 山东大学硕士学位论文 普适计算面对的计算结点是异构的，而且是在动态、分布和移动的环境中。 面向服务的体系结构为实现这种环境下的协同计算提供了契机。一般情况下， 为实现个人的任务目标或需求，往往需要整合多个服务，同这些服务进行交互， 并协调和管理这些服务，这就需要一个普适流程管理技术作为支撑。 3 、支持流程管理的普适应用 目前的普适应用多解决一个个分散的原子任务，很少支持多个任务序列的 协作，即流程。但是实际应用中，个人用户需要的最为理想的服务是智能的感 知用户需求，进而智能的进行流程的规划，并通过主动与用户交互来协调和执 行服务，而所有这些行为对用户都是透明的。这也需要普适流程管理技术的强 力支撑。 4 、现代服务业共性技术支撑体系 国家“十一五”重点建设的“现代服务业共性技术支撑体系”中，服务普 适化和面向个人用户的流程服务管理技术也是不可缺少的关键技术。 本文的研究在新型计算模式的带动下，对推进智能普适流程应用的示范将 会产生较为深远的影响，主要表现在： 1 、为提高虚拟普适计算的应用水平和服务层次奠定基础 本文研究的是一种较为高层次的虚拟普适应用，更加贴近于人们的实际应 用需求。为构建高水平虚拟普适应用进行了有益的探索，并奠定理论及应用基 础。其中对于关键问题的解决方法可以智能的基于流程上下文感知技术，实现 服务组件的动态迁移和部署，这种模式正是普适计算环境下人们急需的流程服 务模式。 2 、提高面向个人用户的服务层次 目前，面向个人用户提供的服务仍较为低级，主要包括信息查询、主动提 醒、设备开关等，普遍缺乏针对个人用户的任务规划、协调和管理功能。本文 的研究可以有助于提高面向个人用户的服务层次，为用户提供更多的更加智能 的流程化服务，为充分利用普适环境提供全天候、个性化、零距离的优质服务 奠定基础，同时，也为新型计算模式创造出更大的应用价值。 3 、智能普适流程应用改变人们的生活 目前，人们渴望虚拟普适计算环境这种应用模式，尤其是面向个人的流程 3 山东大学硕士学位论文 服务以及更加智能的个人流程协作方式。本文的研究，满足了人们对新型计算 模式方面的需求，同时也将改变人们自身的生活和工作方式。 4 、基于智能普适流程应用的产品具有较高的推广应用价值 本文研究的方法适用于很多面向流程的现代服务业领域，如数字化旅游等， 具有广阔的市场前景，同时也会为其它相关的现代服务业的智能普适流程应用 提供参考，创造出更大的商业价值。 1 3 本文的创新和主要工作 针对目前流程自动化和普适应用理论快速发展的趋势，将流程规划与服务 迁移和按需部署结合起来，把流程上下文作为迁移和部署的条件，而不是一切 都需要用户干预，具有一定的“智能性”。本文具体研究了普适环境下流程驱动 的服务组件迁移和部署的相关技术，对于迁移和部署的要求、条件、步骤等提 出设计方案，并对按需迁移和动态部署技术做出详细探讨。 本文的主要工作有： 1 、基于情景感知技术提出了一个基于流程上下文的迁移和部署的整体模型 _ p c b m d m ，并以这个系统模型为基础，提出了流程驱动的服务组件迁移模 型和组件动态部署模型。 2 、在流程上下文的影响下，迁移自发执行，实现了以流程为中心，以用户 为导向的服务迁移模式。服务组件迁移算法能够在确保一致性的前提下对用户 屏蔽流程执行环境的多样化，让用户服务可以随时随地的进行。 3 、流程驱动的服务组件动态部署算法建立起服务与任务和组件之间的关联 关系，结合m a r k o v 模型对服务组件提出部署概率计算方法，并以之确定其在 设备上的部署结构。 此外，本文在系统模型上建立基于本体的匹配和推理规则，对流程上下文 中的信息进行自动化、智能化的处理，代替用户选择设备、服务或组件等，为 最大限度的满足用户需求提供技术支持。为了验证上述算法的可行性和运行效 率，我们设计开发了一个原型系统对系统模型的关键部分进行模拟和验证，结 果表明：算法具有很好的可行性和较高的运行效率，并具有一定的智能性。 4 山东大学硕士学位论文 以上工作都是针对之前的研究和文献中较少提到但却有着重要应用价值的 普适流程应用的基础性研究。融合普适计算和流程管理技术在应用模式上是一 个创新，而且，本文重点研究的智能普适流程应用中服务组件动态迁移和部署 技术，将为智能普适流程应用的推广普及提供理论和技术基础。 1 4 论文的结构 全文共分6 章。 第1 章为绪论。介绍了研究背景和意义，并说明了本文的主要工作和论文 的组织结构。 第2 章为相关理论和技术概述。主要介绍了与研究相关的普适应用迁移技 术、服务动态部署技术、上下文感知技术以及普适流程管理技术。 第3 章为流程驱动的迁移和部署系统模型。介绍了研究使用的基于流程上 下文的迁移和部署模型_ p c b 删，并简要介绍模型的各个部分。 第4 章为流程驱动的迁移和部署机制与算法介绍。具体介绍了第三章模型 中的两个核心：迁移和部署控制以及移动代理。并具体提出了流程驱动的服务 组件迁移和服务组件动态部署的两个算法。 第5 章为设计与实验。建立起一个原型系统模拟实现了p c b m d m 中的迁 移和部署有关的功能，并进行实验。对实验数据和结果进行比较说明，并对差 异原因进行可能性分析。 第6 章为结论。 山东大学硕士学位论文 第2 章相关研究 本文面向普适流程应用，融合了普适上下文感知技术、应用迁移技术、服 务组件部署技术以及本体技术等。下面就对与本文密切相关的理论和技术作详 细的介绍。 2 1 普适应用迁移技术 2 1 1 普适应用迁移介绍 应用迁移就是提供服务的应用从一个终端切换到另一个终端。这就要求通 过迁移服务代理在新的终端节点上建立新的服务应用( 如图2 - 1 ) 。这样，服务 连接层的终端连接点就可以在设备之间灵活的移动了，相同的服务会话就这样 被保持着。实质上，这就等于改变服务会话层的服务和服务连接层的应用之间 的关系。在服务迁移的过程中，考虑到各种终端设备自身不同特征，自适应性 也是很重要的。将i s d n 电话话音服务转移到p 电话或者g s m 电话是可能的， 同样的一个数据服务能够自适应的从一台p c 转移到另一台p c ，或者从p c 转 移到p d a 上。在普适计算环境中，终端所处的环境是变化的，可得到的资源也 是在变化的，并且这种变化是动态的、不可预期的。这就要求终端能够根据资 源的变化做出相应的响应。 6 当至查耋堡圭丝篁塞 图2 - 1 服务迁移结构圈 近年来，移动代码的概念逐渐进入人们的研究视野，移动代码具有动态地 改变代码及其运行位置绑定关系的能力。移动代码最初是为了解决性能优化、 负载坶衡、差错冗余等问题而提出的。现在，已经有不同的机制和工具实现了 移动代码中定义的功能，根据应用层次的不同，移动代码可以被分为四类： 1 、进程迁移：进程迁移1 是为了解决操作系统之中进程的迁移而引入的。 通过进程迁移，可以实现操作系统进程在不同机器之间不间断的运行能力。 2 、对象迁移；对象迁移1 实现的是面向对象编码语言中对象级别的迁移。 一般来说，对象迁移需要有分布式中间件的支持。进程迁移和对象迁移主要是 在小型分布式系统上为了解决诸如负载均衡等问题而提出的。 3 、移动代理：随着i n t e m h 的发展，对象迁移演变出了移动代理的概念。 移动代理是指可识别的自包含程序单元，可以在 h y t c m e t 的不同主机之上移动， 并且代表其它实体进行操作和提供服务。同对象迁移相比，移动代理的最大不 同之处在于实现了自动化的迁移。移动代理提出了两个重要的规范m a s i f 嗍和 f i p a m ，定义了不同的移动代理系统之间的交互，并且在诸如信息发掘、网络 管理等领域进行了实际的应用。尽管如此，移动代理并没有成为主流的分布式 计算技术。主要原因是移动代理技术本身的复杂性。很多移动代理的设计者都 试图提出一个完整的解决方案结果对开发人员造成了很大的困难。 山东大学硕士学位论文 4 、w e b 服务迁移：与先前的进程迁移和对象迁移相比，迁移单元的粒度是 一个w e b 服务，包括了一个规范定义的接口集合，在w e b 服务粒度上定义的迁 移单元，使得我们可以提供更加有效的迁移机制。以服务为单元的迁移，也可 以使我们的迁移系统在实际中的应用更为直观，更容易监控和管理。以服务为 单元的部署和管理大大简化了系统维护的复杂性。通过w e b 服务迁移，我们可 以实现保障预定义q o s 的能力。并且与移动代理相比，我们在设计的最初阶段 就充分考虑了开发的复杂性问题，使得w 曲服务开发者可以简单、快捷、有效 的进行w e b 服务的开发，而屏蔽了诸如寻址、通信协作等底层的复杂机制。 2 1 2 应用迁移相关研究 迄今为止，国内外有关应用服务动态迁移的论文、专利等正式的研究成果 不多。但应用迁移其他相关技术和软件自适应领域的相关研究成果对本研究有 很大的参考价值：g a i a i s 是一个在普适环境下支持应用迁移的中间件系统。应 用程序结构分为基层和元层两个层次，采用反射机制将两者联系起来。在虚拟计 算环境方面，国防科大的研究人员提出了以网络资源的按需聚合和自主协同为 核心建立虚拟计算环境的思路【9 1 。怀进鹏等人开发的c r o w n 系统可为开放网 络上计算密集和数据密集的应用提供良好的支持【1 0 1 。在任务感知计算方面， g a r l a n l l l l 等人通过定义任务这个抽象概念来进行服务自主发现和资源动态绑 定。在w e b 服务迁移方面，文献【1 2 】提出一种p 2 p 的w e b 服务迁移框架l a m s ， 其通过w a p 协议在移动用户之间实现w e b 服务的迁移。在迁移一致性方面，w e b 服务与e j b 和w e bs e s s i o n 有许多相似性。文献【”】把e n t e r p r i s ej a v a b e a n 中的组 件通过有或无状态分为两类，通过在迁移前让有状态的e j b 组件进入安全状态 来确保其迁移的一致性。文献【1 4 】提出一种基于操作系统的t c ps e s s i o n 迁移机 制，其利用了基于日志的回溯的方法来保证t c ps e s s i o n 的迁移一致性。文献【l 5 】 提出一种智能环境下的任务驱动的组件自动部署的策略，这个部署策略是在设 计时将组件组合模型与任务模型连接起来，用马尔科夫模型来建立一个组件生 命周期管理来预测未来可能的部署。文献【1 6 】研究了面向普适计算的服务组件动 态部署问题及算法。文章以组件化嵌入式操作系统l i q u i d 为背景，研究普适计 算环境下多个服务组件动态部署问题，合理分配利用资源，克服单个嵌入式设 山东大学硕士学位论文 皇曼曼曼皇曼量曼曼皇曼量曼曼曼舅ji , 皇曼曼量舅量皇曼曼璺 备的资源局限性。首先对部署问题进行描述，然后给出服务组件动态部署的基 本算法和启发式算法，并对启发式算法优化，最后通过算法模拟及数据分析算 法的性能。虽然在l i q u i d 系统上进行模拟实现，但算法具有通用性，启发式算 法的效率分析表明，它适合设备或者服务组件数目较多的普适计算环境，在部 署服务组件的同时提高服务准入成功率和资源的利用率。 2 1 3w o b 服务迁移算法 w e b 服务支持开放、动态的互操作模式，具有良好的封装性和强大的集成 能力，可极大地降低系统集成的复杂性和开销，因此获得了产业界的广泛支持 和学术界的重视。尤其是u d d i 的出现，使w e b 服务可以被动态地发现和绑定。 但是在u d d i 将代表w e b 服务的u r l 发送给客户端，客户端利用u r l 与w e b 服务建立连接后，它们之间的连接却是静态的。这种静态结构限制了w e b 服务 在运行时适应其执行环境变化的能力，无法满足在任意运行时刻动态更换运行 环境的需求。为了满足w 曲服务动态分布的需求，需要实现w e b 服务的迁移。 p c b m d m 模型的迁移模块就是通过w r e b 服务的迁移来模拟的。 w e b 服务迁移是把w 曲服务的状态信息从源服务器迁移到目标服务器。在 迁移过程中，传统的做法是：首先在源服务器中提取w e b 服务的状态信息，然 后将状态信息从源服务器传送到目标服务器，最后在目标服务器创建w e b 服务， 恢复其状态。每个w e b 服务的状态信息包含两部分内容：一个是服务描述信息， 包括客户端可以访问的w e b 服务操作、w e b 服务对业务逻辑实现的引用等信息。 这部分信息是由服务提供方指定的，运行期间不会发生改变。另一个是运行时 状态，也称为服务上下文( s e r v i c ec o n t e x t ) 。它是在客户端与服务实现之间传播 的对话性质的或者上下文性质的信息。 w e b 服务迁移的方式是可选的，可以只把w e b 服务的一部分状态信息迁移 到目标服务器，仍保留源服务器中的w e b 服务让其为其他客户端继续提供服务： 也可以将w e b 服务的所有状态信息迁移到目标服务器，然后删除源服务器中的 w e b 服务。而两种方式也是各有利弊：后一种显然比前一种需要更大的系统开 销，牺牲了更多的计算资源，而继续让w e b 服务在源服务器处理客户请求，虽 提高了w e b 服务的可用性，却有可能造成w e b 服务迁移前后的状态不一致。为 9 山东大学硕士学位论文 了保证迁移一致性，在迁移到目标服务器的w r e b 服务开始处理客户请求之前， 必须与迁移前的w e b 服务进行状态同步。目前，进行状态同步的方法大致可以 分为两类：一类是在w e b 服务迁移之后，继续传递不一致的状态；另一类是在 迁移之后，w e b 服务立即开始处理客户请求，需要时再对状态进行同步。第一 种方法增大了w e b 服务迁移的成本；而第二种方法可能造成剩余依赖问题，也 增加了客户请求的处理时间。 目前，研究人员已经提出了一些w e b 服务迁移算法，其关注的重点大多集 中在迁移效率、一致性等方面，而关于流程驱动的组件迁移研究的成果不多。 本文着重关注流程驱动的自动迁移方法，在第4 章中我们将基于整体的系 统模型提出我们的算法。最后再考虑保证服务迁移的一致性问题，因为一致性 对保证迁移服务的可用性至关重要，也是迁移的一个核心问题【1 7 1 。为了保证 w _ e b 服务迁移一致性，应至少满足下面三个约束： 1 、状态一致性约束：设t 1 是w 曲服务在源服务器停止处理客户请求的时 刻，t 2 是w 曲服务在目标服务器开始继续处理客户请求的时刻。状态一致性约 束表示为w e b 服务在t l 时刻的状态信息等于在t 2 时刻的状态信息。 2 、引用一致性约束：n 表示w e b 服务不可被迁移的引用集合，如w e b 服 务对业务逻辑的引用、在运行时打开的文件句柄或s o c k e t 链接等。引用一致性 约束表示为w e b 服务在迁移后可以重新更新n 集合的引用。 3 、消息一致性约束：设r 表示客户请求，r 1 表示w r e b 服务在不迁移的情 况下返回的客户结果，r 2 表示w e b 服务在迁移过程中返回的客户结果。消息一 致性约束表示为对于同一客户请求，w e b 服务在迁移过程中返回的结果r 2 等于 在不迁移的情况下返回的结果r l 。 2 2w a b 服务动态部署技术 2 2 1 分布式系统中的组件部署 为适应分布式计算发展的要求，基于组件技术的面向服务的开发逐渐受到 重视。在这种开发方式下服务分为两种：由一个单独的组件提供的服务称为原 子服务：由多个组件组合共同提供的服务称为复合服务。对于原子服务，由于 山东大学硕士学位论文 其提供者是一个单独的组件，可以根据其资源及运行环境的要求分配在一台适 当的设备上运行。但对于由多个组件组合提供的复合服务，每个组件对资源及 运行环境的要求不同，所有组件很难在一台设备上运行。即使可以在一台设备 上运行，考虑到网络计算中环境动态变化以及设备资源有限等特点，为了使更 多的服务能够满足运行条件，需要将服务组件动态部署到设备上。 分布式应用是以组件装配包( c o m p o n e n ta s s e m b l y ) 的方式进行部署的，它包 括组件的一个或多个实现，同时也包括一些x m l 的描述符。这些描述符统称 组件装配描述符( c a d ) 。c a d 描述符覆盖了分布式应用部署所需要的全部信息， 包括安装、实例化以及组件之间的连接方式等信息。在部署过程中，部署工具( 包 括翻译和分配工具) 首先要打开组件装配包，然后读取并解析所有的x m l 描述 符，获得目标环境的信息，并使用分布式系统的特殊服务，从而实现部署过程。 总体上讲，分布式应用的部署过程需要完成以下几个任务： 1 、识别分布式应用的组件安装到哪一个节点上，识别重配置规则，这些信 息将被加入到c a d 中； 2 、在平台的每个节点上安装组件； 3 、实例化所有定节点上的组件； 4 、根据c a d 的要求，连接组件实例，执行初始配置； 5 、根据c a d 约束表达式，对正在运行的应用进行监视。 从上述的部署过程可以看出，平台至少应该提供组件安装和实例化、平台 和组件的属性管理、根据约束对应用进行动态重配置等能力。实际上，分布式 应用的部署过程实现已经包含了配置过程( 包括初始配置和动态重配置) 。 2 2 2w e b 服务的部署 满足服务使用者需求的w r e b 服务部署主要分为两个方面。一方面是功能需 求方面的匹配。w 曲服务的部署需要保证服务使用者需要的功能都能由部署方 案中的w e b 服务提供。w e b 服务组件架构【18 】提供了一种通过装配实现w e b 服 务部署的方法。动态的w e b 服务部署可以被看成对w e b 服务使用者需要功能的 动态分解。如图2 2 所示，服务功能依赖图【1 9 1 ( s e r v i c ed e p e n d e n c yg r a p h ，s d g ) 作为一种描述w e b 服务之间功能关系的有向图被广泛用于表达服务功能之间的 山东大学硕士学位论文 依赖关系。服务功能依赖图中的节点是逻辑端口、w e b 服务或者接口，服务功 能依赖图中的弧描述了节点之间的依赖关系。当一个逻辑端口或接口需要调用 或提供w e b 服务时，就存在一种依赖关系。在图2 2 中，接口i n t e r f a c e 需要调 用w e b 服务w s l ，w s l 通过接口i l 和1 2 组合而成。接口1 1 和1 2 分别需要调 用w e b 服务w s 2 和w s 3 。w s 2 由接口1 3 提供，1 3 需要调用w e b 服务w s 4 或w s 5 。w e b 服务使用者的功能需求可被建模为一个包括所有功能需求的服务 功能依赖图。服务功能依赖图包括两种基本结构，功能组合( 例如w s l 由w s 2 和w s 3 组合而成) 和功能选择( 例如w s 2 通过选择w s 4 或者w s 5 而成) 。尽 管w 曲服务组件架构和服务功能依赖图提供了协作w e b 服务之间接口互操作的 服务部署描述，但是仅局限于功能方面。根据文献【2 0 1 中提供的统计数据，一种 远程调用服务有超过2 0 0 种候选的部署，结果是选择一种可用的而且高性能的 部署需要丰富的经验和知识。因此，另一方面是评估、选择服务部署的非功能 需求，即服务性能q o s 。 图2 - 2 服务功能依赖图 m e n a s c c 给出了目前q o s 方面的研究现状【2 l 】。r a n 建立了一组树形的指标 体系来表示和量化q o s 。z e n g 等人提出了一种基于q o s 的w e b 服务组合中间 1 2 山东大学硕士学位论文 鼍皇皇量曼曼曼曼曼曼曼曼i ；1 皇曼皇曼曼曼曼皇曼皇曼曼蔓蔓曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼鼍量曼曼曼皇曼曼! 曼! 曼量皇量皇曼量曼邑曼曼 件。他们的方法能保证w e b 服务组合全局q o s 的最优化，但是他们假设每个备 选的w e b 服务仅能支持业务过程中的一个活动。在实际运用中，一个w e b 服务 可能包括多个调用接口和操作，并且可以支持业务过程中的多个业务活动。更 重要的是，这些w e b 服务能被尽量多次数的复用。此外，尽管有许多q o s 相关 的项目例如m e t e o r - s 以及中间件例如s w i n d e w ，它们都没有充分考虑w e b 服务是运行在一个时变的异构环境中的性质，即运行时的w e b 服务性能是波动 的而且容易变化的，这就需要对w r e b 服务进行动态的自动部署。 另外，w e b 服务的部署问题还与其他w e b 服务管理相关的问题相联系。这 些管理活动都需要根据服务部署信息在各种约束条件下动态连接和绑定服务。 因此，对w e b 服务提供者来说，迫切需要建立一套完整的基于q o s 的服务部署 机制，而且考虑到服务提供者自身的服务组件和资源层次的信息，面对不同的 服务使用者提出的不同服务需求来动态部署服务。 我们将在第四章中借助c t r 模型详述一个流程驱动的部署过程，并给出任 务组件的部署算法。 2 3 上下文感知技术 2 3 1 上下文感知的概念 上下文是指计算系统所处环境中的一组与当前应用相关的状态或变量，其 中某些状态和变量可以直接改变系统的行为，而另一些则可以引起用户兴趣进 而通过用户影响系统行为。上下文感知计算是指计算系统对上下文、上下文变 化及上下文历史进行感知和应用，根据它调整自身行为。上下文感知技术是提 高计算系统交互智能性的重要途径，也是普适计算的核一t x , 技术之一圈。上下文 可描述实体情形的任何信息，实体可以是人、地点或者是与交互相关的对象四】。 比较公认的第一个上下文感知应用项目是1 9 9 2 年s c h i l i t b 和w a n t r 等人 所从事的o l i v e t t ia c t i v eb a d g e 项目 2 4 1 。之后上下文感知技术已被应用于许多领 域，如普适办公、家居环境、旅游管理、医疗卫生等。普适办公是上下文感知 技术应用最早也是最多的领域。o l i v e t t ia c t i v eb a d g e 项目以办公大楼为场景， 利用上下文信息实现自动电话转接服务：乔治亚理工学院开发了一系列感知应 山东大学硕士学位论文 用：如会议助手可以根据每个与会者的位置、偏好以及会议安排推送相应的会 议信息等；利用上下文感知技术的导游助手可以根据游客位置进行景点推荐、 路线导游、订票服务等；移动计算中根据用户设备能力以及偏好等上下文信息 推送合适的内容服务：基于上下文感知技术的智能医院通过各种传感器捕捉病 人的身体状况，实现实时的监测和预警，甚至能够给出初步的病情诊断。这些 都是基于上下文的典型应用。 目前，上下文感知研究已开始朝着中间件的方向发展。上下文感知中间件 是构建上下文感知应用的基础支撑软件，它独立于特定的上下文感知应用，并 能简化各种感知应用的开发2 5 1 。上下文感知中间件分离了上下文信息的采集与 感知应用的开发，向上对应用开发者提供统一的上下文信息使用接口，向下可