SOA中多约束任务的规划与实现研究

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摘要

SOA（Service-Oriented Architecture，面向服务体系结构）是一种结构模型

它可以根据需求通过网络对松散耦合的粗粒度应用组件进行分布式部署、组合和调

用。近几年，伴随着企业需求的不断变化，SOA得到了国内外企业管理者的推崇，

并引起业内关注，将成为占有绝对优势的软件工程实践方法。

SOA的基本体系结构由三个参与者和三个基本操作构成，三个参与者分别为服

务提供者、服务请求者和服务注册中心。其中服务注册中心为服务的发布和查询提

供了一种机制，是面向服务体系结构的关键环节，也是SOA进一步发展的重要方向

UDDI是服务注册中心的一种主流实现方式，但它没有涉及到服务的质量属性描述，

缺乏对QoS的支持。而现实中的情况是可实现相同功能的服务很多，如何有效查找

满足用户要求的服务成了关键问题。同时单个服务的功能有限，如何利用单个服务

进行服务组合也是一个新兴课题，受到国内外研究机构的重视。

多约束任务规划实质上是对服务进行组合和选择的问题，主要包括规划出服务

组合方案和动态选择服务实例两个步骤。本文在对现有服务组合技术进行总结的基

础上，提出了一种逆向链服务规划方法，根据用户输入的初始条件和目标条件，在

从目标条件向初始条件推导的过程中产生组合方案。然后用规划论来描述多约束服

务选择问题，建立了服务选择的多目标规划数学模型，并用遗传算法来实现该问题

基于上述思想，本文通过对UDDI增加数据结构、改进tModel，达到支持QoS的

目的。在此基础上，实现了一个满足UDDI2.0规范的本地化的注册中心系统，能够

完成带有质量属性信息的服务的发布、查询等功能。同时接受用户带有多约束条件

的任务，最终返回一个可行规划。

关键词：面向服务体系结构规划 UDDI扩展服务组合基于QoS的服务

选择

ABSTRACT

S O A ( S e r v i c e - O r i e n t e d A r c h i t e c t u r e ) i s a n a r c h i t e c t u r a l s t y l e w h o s e g o a l i s t o

achieve loose coupling among interacting software agents. Currently, with movement of

enterprise requirement, SOA attracts more attention in its field, and will be a practice

mean of software engineering at an advantage.

T h e b a s e a r c h i t e c t u r e o f S O A i s c o m p o s e d o f t h r e e p a r t i c i p a n t s a n d t h r e e

operations, and the three participants are service provider, service requester and service

registry. Service registry providing a mechanism for service publishing and querying, is

the key component of SOA, and is the further development trend of SOA. UDDI is a

welcome realization of service registry. However, it does not refer to how to describe

t h e q u a l i t y o f s e r v i c e , a n d l a c ks i n s u p p o r t i n g Q o S . W i t h a n i n c r e a s i n g n u m b e r o f

services providing similar functionalities, more emphasis is being placed on how to find

the service that best fits the consumer’s requirements. Meanwhile, the functionality of a

s i n g l e s e r v i c e i s l i m i t e d , a n d h o w t o c o m p o s e t h e s e s e r v i c e s i s a n e w p r o b l e m , a n d

has triggered a considerable number of researches.

T h e e s s e n t ia l o f m u l t i p l e r e s t ri c t ed t a s k p l a n n i n g i s s e r v i c e c o m po s i t i o n , m a in l y

including determining the set of services to generate a composition plan, and dynamic

service selection. Based on the analysis of composition methods, we propose a converse

planning method. Then build a Multi-obje c tive Ma t h e m atical Program ming m o d e l of

service selection, and achieved using genetic algorithm.

A c c o r d i n g t o p r e v i o u s c o n c e p t s , w e a d d n e w d a t a s t r u c t u r e s t o U D D I , i m p r o v e

tModel, to make UDDI registry supporting QoS. Then implement an UDDI v2 registry

w i t h f u n c t i o n a l i t i e s o f s e r v i c e p u b l i s h i n g , s e r v i c e i n q u i r y a n d a c c e p t i n g m u l t i -

restricted task then return an executable planning.

K e y W o r d s：S e r v i c e - O r i e n t e d A r c h i t e c t u r e, P l a n n i n g , U D D I

Extension, Service Composition, QoS-based Service Selection

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章  绪  论..................................................................................................................1
§1.1课题研究的目的和意义....................................................................................1
§1.2国内外研究现状................................................................................................2
§1.3论文主要工作....................................................................................................4
§1.4论文结构安排....................................................................................................4
第二章  面向服务体系结构（SOA）............................................................................6
§2.1 SOA简介...........................................................................................................6
§2.2 SOA组成...........................................................................................................6
§2.3服务和服务组合................................................................................................7
§2.3.1服务..........................................................................................................7
§2.3.2服务组合..................................................................................................8
§2.4 SOA相关技术...................................................................................................9
§2.4.1 WSDL.....................................................................................................9
§2.4.2 SOAP....................................................................................................11
§2.4.3 UDDI.....................................................................................................13
第三章  规  划................................................................................................................21
§3.1 规划论.............................................................................................................21
§3.2 规划的分类.....................................................................................................22
§3.2.1 无约束任务规划...................................................................................22
§3.2.2 单约束任务规划...................................................................................22
§3.2.3 多约束任务规划...................................................................................23
第四章  多约束任务规划思想......................................................................................24
§4.1 相关表示方法.................................................................................................24
§4.1.1 服务实例...............................................................................................25
§4.1.2 服务类...................................................................................................26
§4.1.3 服务组合方案.......................................................................................26
§4.1.4 可行规划...............................................................................................27
§4.1.5 任务.......................................................................................................27
§4.1.6 场景描述...............................................................................................28
§4.2 组合规划.........................................................................................................29
§4.2.1 研究现状...............................................................................................29
§4.2.2 一种逆向链自动服务组合算法...........................................................31
§4.3 服务动态选择.................................................................................................34
§4.3.1 相关研究...............................................................................................34
§4.3.2 数学模型...............................................................................................36
§4.3.3 一种遗传算法求解方法.......................................................................37
第五章  多约束任务规划实现研究..............................................................................41
§5.1 运行环境.........................................................................................................41
§5.2 UDDI扩展方案...............................................................................................42
I

§5.3 扩展后的UDDI服务端...................................................................................46
§5.3.1 UDDI Proxy模块..................................................................................47
§5.3.2 服务发布模块.......................................................................................48
§5.3.3 服务查询模块.......................................................................................49
§5.3.4 任务规划模块.......................................................................................50
§5.3.5 认证/授权模块.....................................................................................50
§5.3.6 Admin模块...........................................................................................51
§5.3.7 数据库接口模块...................................................................................51
§5.4 客户端.............................................................................................................51
§5.5 实验过程.........................................................................................................53
§5.5.1服务创建及发布....................................................................................53
§5.5.2多约束任务规划....................................................................................54
§5.6 部分核心代码.................................................................................................55
第六章  总结与展望......................................................................................................61
§6.1 总结.................................................................................................................61
§6.2 工作展望.........................................................................................................62
参考文献........................................................................................................................63
II

参考文献

第一章绪论

§1.1课题研究的目的和意义

现代企业IT系统的开发和应用经常面对以下难题：异构而复杂的应用程序，不

断变化的企业需求，以及时间、费用等的限制。解决上述问题的关键在于能否设计

出一种先进的体系结构，以方便企业用一种高效率的方式，灵活而有效地增强其现

有的基础架构，来迎接和克服这些挑战。

面向服务体系结构（SOA）[1,2]被认为是解决上述问题的一种可行性方案，被

誉为下一代Web服务的基础框架，现在已成为计算机信息领域的一个研究热点。现

在，随着Web Service技术的兴起与逐渐成熟，SOA的研究与发展有了新的契机。

目前在全球范围内，SOA正逐渐被各企业作为未来采纳的软件架构。《信息周刊》

和埃森哲公司为了了解中国企业在商业科技推动企业竞争和商业创新背景下部署

SOA的现状和未来趋势，对中国上千家企业机构进行了问卷调查，根据调研数据分

析发现，73.7%以上的企业己经意识到开始部署SOA的必要性并计划在未来两年内

部署SOA，可以预计未来10年SOA在中国将进入快速发展期。

SOA可以理解为一种设计思路[3]，同时也是一种追求敏捷性的，松散耦合的软

件体系结构。它由各自独立可复用的服务构成系统功能，这些服务向外公布具有明

确意义的接口，软件的开发是通过对这些接口的调用来完成的。但是随着这种体系

结构的进一步应用，越来越多的要求被提出：比如，面对一个较大规模，且带有约

束条件的问题时，如何进行规划，以便各子问题能够在UDDI中查找到可以实现所

需功能的服务，同时满足相关的约束条件。尤其是各服务处在一个动态的环境中，

反应时间、费用等均在发生变化，则要考虑的问题规划和服务选择问题都需要在一

个动态的环境中进行。更进一步，希望在当前状态下能够找到一些更优的解集合，

以备替换。本文研究多约束任务的规划问题，也即服务组合问题。

经济竞争的加剧和市场的扩大需要企业能够对市场和用户需求的变化快速反应

这要求企业应用系统能够利用己有的服务来动态组合出新的服务，服务组合问题的

提出是应用需求驱动的结果。当前，在新的应用环境中，在业务需求驱动的促使下

有服务质量确保的服务组合已经成为研究的重点。

本文在SOA基本体系结构的基础上，对服务注册中心的功能进行扩充，以能够

接受更大粒度的任务和带有更多约束条件的任务。在接受任务后，对其进行规划，

最终返回给服务请求者一个可行规划。在这个过程中，对UDDI进行扩展，使服务

描述中可以加入更多的属性说明，这将增加服务选择时可判断的依据；在任务规划

的考虑中，借鉴服务组合中的相关思想，针对实时情况，规划出组合方案；在服务

实例查找的过程中，同时考虑多个QoS指标，采用全局或局部优化的思想，找出满

足用户要求的服务实例，最终生成可行规划。在规划结果出来后，可考虑将此组合

服务作为一个新的服务写入数据库，并记录其质量属性信息，以便对以后的规划提

供更多的可参考信息。这些都将进一步推动SOA的应用和发展。

SOA 中多约束任务的规划与实现研究

§1.2国内外研究现状

随着SOA受到人们越来越多的关注，关于SOA的理论研究和应用研究也已得到

人们的重视，并已经有了很多研究成果。如关于SOA中最重要的元素之一——服务

的开发、发布、调用等已经有更加明确的规范发布；支持SOA架构的应用开发也越

来越多，如IBM、Microsoft、Sun、BEA等中间件巨头由于意识到SOA巨大的商业价

值，开始纷纷支持；在国内无论是平台供应商、解决方案供应商、技术供应商还是

服务提供商都纷纷致力于推广SOA的全面应用。此外，SOA与现有的，如Web服务

的相关技术等，有了更多的整合[4-6]。借鉴现有成果，更加便利的推动了SOA的发

展。

服务组合[7]问题是一个比较广阔的领域，很多专家和学者从不同的方面对其进

行了研究，并取得了一定的成果。在服务组合领域，最有挑战性的问题之一就是面

向服务质量的服务组合问题。它的目标是在用户的约束条件下寻找一组最优服务，

从而组合成一种新的服务，并且保证最好的服务质量。并在服务执行的过程中，当

服务质量的估计发生偏差时，进行必要的重新规划组合。

在基于QoS的组合服务优化选择问题中, 服务的动态组合涉及两个重要步骤[8-

10]：组合模式规划与服务优化选择。组合模式规划是利用智能规划技术为所需的组

合服务自动规划出任务组合的模式；而服务优化选择则是在此基础上为各个任务选

择合适的实际服务。这种服务组合方法是在执行期决定所要连接的具体服务, 其优

点是具有弹性及扩展性, 可满足多变需求。但在实际情况中每个服务提供者都可将

其服务发布到注册中心，因此提供相同或相似功能的服务可能有很多, 相应的可行

的服务组合方案以指数效应增长。

目前关于服务动态选择的研究绝大部分都是基于QoS局部最优的原则[11]，即对

于满足聚合流程模型单个服务结点功能需求的一组服务，根据服务的各个QoS参数

信息进行加权和排序，并以此为依据分别为聚合流程模型的各个服务结点选择加权

和最大的服务来执行流程服务结点的功能。在这些方法中，各个服务结点对应具体

服务实例的选择是相互独立的，并不能解决服务聚合的QoS全局优化问题。对于服

务选择的QoS全局最优问题，当前研究不多，主要是通过把服务聚合流程的各个

QoS约束参数线性加权转化为一个单目标函数，利用线性规划的基本原理来解决服

务选择的QoS全局最优化问题。但这种方法只能解决单目标最优解问题。

文献[12]提出了一种基于多目标遗传算法的QoS全局最优服务动态选择实现算

法。通过把服务聚合中的服务动态选择QoS全局最优问题转化为一个带约束条件的

多目标服务组合优化问题，利用多目标遗传算法的智能优化原理，通过同时优化多

个目标参数，即在不同的目标之间取均衡，最终产生一组满足约束条件的最优非劣

服务聚合流程集。

文献[13]提出了一个中间件平台来实现可满足约束条件的最优服务选择，采用

服务质量模型来评估组合服务的服务质量。在策略上比较了局部最优原则和全局规

划两种服务选择思想，其中在全局规划中提到了0-1整数规划思想。

文献[14]针对服务组合的优化选择问题,从QoS着手，提出一种支持Web服务动

态组合的框架，包括选择优化器和服务代理。该文在此框架的基础上对Web服务组

合中的服务优化选择问题建模，根据用户设置的QoS约束条件，将服务优化选择问

题分成三类，并分别给出了相应的服务选择算法。主要是采用启发式算法求解近似

参考文献

最优解。

eFlow[15]是由HP实验室开发的一个e-Service平台，以工作流技术为基础，通过

工作流模型来描述服务组合的结构，并由eFlow流程引擎执行模型，实现描述、设

定和管理组合式e-Services。eFlow提出了一种服务组合模型和体系结构，在实现组

合式服务流程的动态性及适应性提供了一个很好的基础。但是，系统只集中于由当

前的服务组合更复杂的服务，并没有考虑根据相关参数进行组装的优化，并且没有

提供运行时的动态服务组合。

SELF-SERV[16]作为一个实现快速组合Web服务的平台，主要应用在P2P的动态

环境中。SELF-SERV中所提出的服务社区的概念将服务的描述与服务的实现分离

开来，能够根据服务的描述在服务社区中找到对应的成员进行动态绑定，但是，

SELF-SERV没有将服务的开发与部署分离开来，不能对服务进行动态的部署与运

行，服务只能动态绑定到己经具有该服务实现的服务提供者，从而缺乏一定的灵活

性。同时，SELF-SERV没有对服务组合的过程进行相应描述，无法体现复合Web

服务运行过程的动态性。

现在已经有很多服务组合的实现方法，比如遗传算法、线性规划算法。其中，

遗传算法原理和操作简单，通用性强，限制性条件较少，而且具有隐含并行性和全

局搜索解空间的能力。

§1.3论文主要工作

本文主要研究 SOA 中多约束任务的规划问题，其中涉及到服务发布的同时

由服务提供者提供服务的质量属性信息（QoS），根据任务的功能性要求得到组

合方案，根据任务的约束条件选择合适的服务，接受用户输入的接口和返回结果

的表示。

当前在SOA 中，对任务规划的研究主要集中在功能性属性层面，借鉴服务

组合的思想和相关技术得到由若干个服务构成的组合方案，以满足用户要求。而

在服务选取方面，有大量的基于 QoS 的选择思想和方法，不过多是针对单个服

务的研究。本文的规划思想，在原则上首先保证服务的可用性，即保证任务能够

得到实现；其次考虑用户的约束条件，以得到更优的可行规划。因此考虑将所研

究的问题分两个步骤来解决。首先，在对服务组合技术进行总结的基础上，提出

了一种逆向链服务组合算法，所有的服务根据输入\输出参数可连成一个图，根

据用户输入的初始条件和目标条件，在从目标条件向初始条件推导的过程中产生

出组合方案；其次，在总结他人对基于 QoS 的服务选择问题的研究成果的基础

上，考虑用规划论来描述多约束服务选择问题，给出了一个多目标规划的数学模

型，然后给出一种用遗传算法来实现服务选择的方法，工作包括参数编码、初始

群体的设定、适应度函数的设计和遗传操作设计等部分。

在实验验证方面，本文首先对现有的UDDI进行了扩展，通过改进tModel模型

来实现UDDI注册中心对QoS的支持，以实现用户发布服务时同时提供服务的QoS

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摘要：

摘要SOA（Service-OrientedArchitecture，面向服务体系结构）是一种结构模型它可以根据需求通过网络对松散耦合的粗粒度应用组件进行分布式部署、组合和调用。近几年，伴随着企业需求的不断变化，SOA得到了国内外企业管理者的推崇，并引起业内关注，将成为占有绝对优势的软件工程实践方法。SOA的基本体系结构由三个参与者和三个基本操作构成，三个参与者分别为服务提供者、服务请求者和服务注册中心。其中服务注册中心为服务的发布和查询提供了一种机制，是面向服务体系结构的关键环节，也是SOA进一步发展的重要方向UDDI是服务注册中心的一种主流实现方式，但它没有涉及到服务的质量属性描述，缺乏对...

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