摘 要：单个Web服务难以满足实际应用的需求，为了解决互联网应用的集成和协作问题，需要把独立的Web服务组合起来以实现复杂的业务逻辑功能。通过分析工作流与Web服务流程执行的相同点，设计并实现了一个基于工作流的Web服务组合系统(WSCS)。该系统能在自治的、异构的、动态的环境下灵活、高效地组合Web服务。整个系统主要包括三个模块：组合流程建模模块、服务选取模块、流程执行模块。
    关键词：服务组合；Web服务；工作流

    近年来，基于XML的Web服务技术迅速发展，为互联网应用提供了一种共享数据的有效手段。Web服务的高效执行方式、Web服务与其他成熟技术的有机结合以及Web服务的组合是解决现实应用问题的重要技术。
    Web服务是一种自包含、自描述、模块化的程序，它吸收了分布式计算、Grid计算和XML等各种技术的优点，解决了异构分布式计算以及代码与数据重用等问题，具有高度的互操作性、跨平台性和松耦合性，引起了世界范围内学术界和工业界的极大兴趣^[1-2]。
    为满足Web服务的技术需求，W3C等国际标准组织制定了一系列Web服务规范，如统一描述发现集成UDDI(Universal Description，Discovery and Integration)，简单对象访问协议SOAP(Simple Object Access Protocol)，Web服务描述语言WSDL(Web Service Description Language)等等，都是用于描述、发布、发现和调用Web服务的，这些规范共同构成了Web服务的技术体系^[3]。
    Web服务所执行的功能可以是从简单的请求到复杂的商业过程中的任何事，然而单个Web服务的功能有限，难以满足实际应用中的多种多样的需求，因此为了更加充分地利用共享的Web服务，有必要将共享的Web服务组合起来，提供功能更为强大的服务。Web服务组合是个非常复杂的问题^[4-7]，它涉及到Web服务的描述、Web服务的发现^[8]、Web服务的选择^[9]、Web服务的匹配、Web服务的调度^[10-11]、服务质量(QoS)^[12-13]等一系列问题。
    本文通过参考传统工作流的相关技术，基于Web服务分布式计算技术设计并实现了一个可扩展的Web服务组合系统(简称WSCS)，为Web服务组合提供了一个运行、监控环境，能够很好地解决Web服务之间的集成和协作问题。
1 总体设计
    WSCS体系结构采用面向服务的体系结构，它所有的主要组成部件均实现为Web服务的形式。系统最终向用户提供图形用户界面的建模工具，用户通过建模工具定义流程模型和模型中所涉及到的Web服务(可能是一个简单的Web服务，也可能为一个复杂的组合服务)，并形成一个新的Web服务，用于客户的应用程序中，以满足客户的需求。
    WSCS总体设计流程如图1所示，首先用户建模，用户通过图形化界面进行建模，将建模后的组合流程传给服务选取模块；其次服务选取，查找业务流程中所要用到Web服务，它们可以在UDDI中查找，也可以在服务社区中进行查找。在Web 服务的标准体系中，UDDI是一套基于Web的、分布式的、为Web 服务提供信息中心的实现标准规范，同时也包含一组使企业能够将自身Web 服务注册，以使客户能够发现；再次将模型中每个业务活动同具体的业务应用进行绑定，获得Web服务的本地接口，根据用户的流程和选择的服务进行服务调用；第四：调用Web服务，系统访问Web 服务，客户能够找出关于WSDL和它要调用的服务信息，使用ServiceFactory类来创建服务。JAX-RPC ServiceFactory获得JAX-RPC服务，它与厂商无关，能够编写可移植代码。根据WSDL2Java生成的客户端构件获得服务的一个存根，最后在该存根上调用Web 服务总的操作；最后服务执行模块将执行的结果返回给用户，并用XML文件将其保存。

    (1)组合服务模型设计中提供建模所需的各种图元(节点和弧)的绘制，以实现业务流程模型的图形化界面，设计者可以方便地对图元进行拖放、选取、删除等可视化操作。用户可以通过拖拉(Drag-Drop)方式定义新的流程或者修改已有的业务流程。
    (2)图元属性设置中，系统对流程中各图元的属性进行设置。
    (3)模型文档存储、建模完成后，要对生成的组合服务模型进行保存，生成相应的文档。该文档以XML形式描述组合服务模型，要与组合模型进行同步更新(如用户对该文件的修改、读取等操作)。
    (4)组合服务模型表示中包括文档解析，它可以从保存的组合流程图形文档和Web服务组合文档中提取信息，再次把流程图形化地表示出来。
2.2 服务选取模块
    服务选取模块的主要功能是根据设计的组合流程，动态地选取满足约束条件，并且服务质量最优的服务。即在整个流程投入运行前，根据流程设计时用户的需求，为每个活动节点选择合适的、可用的Web服务，生成可执行的Web服务序列。
    Web服务的描述是发现和使用该服务的基础，它需要能够被人和机器理解。服务描述文档中应包含功能性和非功能性需求(如响应时间，费用，可靠性，可用性等)信息，目前Web服务的描述采用WSDL。
    查找选取流程中所要用到的Web服务，可以从UDDI中进行查找，在Web服务标准体系中，UDDI是一套基于Web的、分布式的、为Web服务提供的信息注册中心的实现标准规范，也可以从Web服务社区中查找。
    Web服务社区是根据服务功能分类的UDDI，在服务选取模块中起着重要的作用，它把功能相同或相似的服务聚集在一起，这样服务选取就可以方便地到各服务社区中选取需要的服务，另外由于服务社区提供多个候选服务，服务选取就可以用上一章讨论的算法，选择服务质量优的服务。系统到各服务社区中选取满足用户需求的服务，Web服务发布在服务社区中，各个服务社区包含服务的描述文档和绑定地址。
    Web服务选取模块主要根据建模传过来的组合模型描述文档，分析其中的执行顺序和约束条件，然后采用Bellman-Ford算法依据QoS最优选出一组服务。服务选取模块主要结构如图3所示，流程如下：

    文档解析器：从组合流程中选出所要执行的流程文档，文档解析器首先分析该文档所描述的业务流程所代表的含义，各个服务的具体绑定地址，返回给服务调用并进而完成流程的实例化。
    服务调用：一个流程要投入运行必须要有一个先后的顺序，在流程串行化时按照业务逻辑和一定的策略把一个流程串行化为Web服务调用序列，然后按照流程并行、串行、同步等待地调用各服务。
    执行日志：存放执行过程中调用各个服务的具体信息，如果系统出错可以通过查看执行日志来帮助恢复系统。
    异常处理器：对于系统出现的故障，异常处理模块提供恢复处理手段。流程的执行可能会遇到各种各样的特殊情况发生(如网络超时、服务不可用)，而这些变化在流程设计时是无法预见的。
    组合流程执行模块是整个运行系统的核心，它一方面为不同的SOAP引擎提供相应的调用接口；另一方面为不同的Web服务组合提供一个统一的运行环境；还为不同的Web服务的实现方式提供了统一的调用方式。
3 Web服务组合系统的实现
    目前，工程上科学计算的重要性显得越来越明显，大量的科学计算是普通机根本无法完成的，只有寻求大型机去解决。同时，大型机的用户也总会有时间给其他用户提供服务，以使大型机充分地被利用。如何才能更好地发挥大型机的效率，使普通的用户也可以用大型机进行复杂的科学计算？可以把大型机上的科学计算封装成Web服务的形式，发布在Web上，这样用户可以方面地调用，既发挥了大型机的作用，又使普通机用户受益。
    本文假设一个工程需要一个复杂的科学计算，它由下列一些科学计算组成：极限计算(limit calculus)、微分方程计算(differential equation calculus)、级数计算(series calculus)、矩阵计算(matrix calculus)。整个工程需要这些科学计算的组合，先进行极限计算，把结果传给下面微分方程计算和级数计算，然后再执行矩阵计算。把这4种计算封装成Web服务，现在的问题就是要对基本服务进行组合。
    WSCS先对组合服务进行建模，图形用户界面的建模工具对组合服务进行建模，建立基本服务的流程，特别的是一个同步节点，它要等待前面所有服务的结果都完成才进行下一个服务的执行，如图5所示。服务组合模型建好后，Web服务组合系统自动把组合模型保存为XML文档，以便服务的调用执行。文档解析器就是用来保存和解析组合模型文档。

    在上面的文档中包含了需要的各个基本服务以及各服务之间的执行流程。系统还提供了另外一个XML文档，它用来保存各个服务节点在图形用户界面中的位置，文档解析器会根据XML文档中信息，还原图形化流程，以便于以后服务流程的修改。
    本文通过研究Web服务组合与工作流的异同点，借鉴工作流的参考模型及其体系结构设计了一个层次化的、统一的Web服务组合系统，为Web服务的集成和协作提供了有力的支持。同时对Web组合系统的各个子模块进行设计，最后给出了Web服务组合系统(WSCS)的原型，并且用了科学计算服务进行了Web服务组合。
    Web服务组合系统(WSCS)也存在一些不足之处，它首先没有为流程中的事务、安全等其他非功能特性提供支持，也没有支持灵活的异常处理机制，这在一定程度上限定了组合服务的能力；其次没有提供一个Web服务的性能评估和性能预测模型，尚不能根据单个服务节点的执行效率预测组合后的服务执行效率，这将是笔者下一步的研究工作。
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