一種面向海云協同計算的資源服務外框論文
1.引言
近年來，基于服務概念的資源封裝和抽象逐漸成為開放環境下資源發布、共享和協同的主流技術基礎。因此，資源池運行機制的研究問題也就演變為服務封裝、服務發布、服務共享與協同的問題。資源的使用模式涉及資源提供者、資源使用者、資源中介機構三個主要實體，涵蓋資源的對外發布，資源的發現，資源使用者與提供者之間的交互方法等。在資源的發布與查找方面文獻設計了一種新的 P2P 網絡模型，資源提供者通過 Web 服務發布要共享資源，資源需求者利用 Web 服務提供的資源搜索技術，得到提供者的地址，讓提供者和需求者直接交互達到資源共享的目的，最后給出了新的研究方向和應用前景。
文獻針對面向服務結構中傳統服務調用帶來的不必要的網絡負載、較長的響應時間和服務提供端的瓶頸問題，結合發布/訂閱模型提出一種推模式服務調用方法，并將其與傳統的拉模式相比較，通過分析和實驗表明該方法在通信量、響應時間等方面具有較強的優勢。在資源的交互模式方面文獻研究了 BPEL4WS 執行引擎 WebJetFlow 對 Web 服務的異步調用機制，在引擎的服務調用代理中對 Web 服務統一采用非阻塞雙傳輸異步調用，提高了調用線程的利用率。同時引入了 cache 機制并設計了相應的 cache 替換算法，保證了引擎對異步調用結果消息的匹配效率以及數據安全性，通過實驗驗證引擎的性能有了明顯的提高。文獻從安全性角度提出了一個安全異步資源使用平臺的基本架構和關鍵技術。
文獻提出了基于回調機制和消息回執的 Web 服務異步調用模式，在不增加系統運行壓力的情況下，實現了 Web 服務的異步調用，并能保證消息的可靠性。文獻依據服務描述實現資源的靜態綁定與調用。文獻為了實現 BPEL 流程在運行過程中對 Web 服務的動態調用，提出了一種通過服務代理為 BPEL 流程分配 Web 服務的方法。對傳統的 Web 服務模型進行分析，指出其不足之處，將服務代理引入傳統的 Web 服務模型，提出了基于代理的 Web 服務模型，描述了服務代理的功能和結構，以此為基礎構建了基于代理的 BPEL 業務流程框架，實現了 Web 服務的動態調用，最后通過實例說明了該方法的可行性。
文獻該文提出了一種使用語義 Web 和 Agent 技術在客戶端發現和調度 Web Service 的系統模型，并通過原型系統的演示說明其靈活性。在資源評價方面文獻提出: 雖然目前面向服務的架構能夠很好地支持協同服務的注冊、發現和組合，但在如何根據用戶的 Qos( Quality of Service，Qos) 請求快速、可靠地為用戶選擇合適的服務仍然存在諸多挑戰。這吸引了來自工業界和學術界的熱切關注，尤其是服務組合過程中基于 QoS 度量的服務選擇技術所面臨的挑戰。
文獻為了提供滿足客戶服務質量( QoS) 需求的組合 Web 服務，提出了一種支持 QoS 屬性描述的 Web 服務描述模型。通過在原有的 Web 服務描述語言的 tport 元素中添加 operationInst 屬性來描述 QoS 屬性，從而獲得了一種可擴展的 Web 服務描述語言。在此基礎上給出了基于多目標決策理論和分形理論的服務選擇算法，該算法考慮了 QoS 屬性之間的不可公度性和獨立性，同時給出了 QoS 驅動的服務組合框架( E -WsFrames) 和具體實現方法。實驗結果分析表明，E -WsFrame 可以綜合考慮服務組合的功能和QoS 的要求，并可根據服務請求自動地實現組合服務。
文獻摘要提出一種用于 QoS 感知的 Web 服務選擇的遺傳算法該算法采用關系矩陣編碼方式，克服了一維編碼方式表示的局限性，并且可以通過簡單的方法來表示組合服務重計劃及 Web 服務循環路徑等情況，通過該算法一次運行，就可以從所有組合路徑的組合方案中選出滿足用戶 QoS 需求的組合方案，而一維編碼遺傳算法在多路徑情況下需多次編碼、多次運行。算法還采用一種變異策略來提高算法的適應度。通過仿真比較，關系矩陣編碼遺傳算法比一維編碼遺傳算法獲得了更優解，變異策略在提高算法適應度方面也發揮了作用。文獻針對 Web 服務提出一種的新 Qos 本體及基于該本體 Qos 的評級算法 -層次分析算法，并與基于信譽度的評級算法，基于 testing 的評級方法在時間復雜度和準確性進行比較，獲得較滿意的結果。
文獻提出在這項工作中，我們提出兩種互補的方法，克服上述缺陷。首先，我們針對已請求過的相關服務提出一個評級的方法，并給出了基于定義于各服務之間的主關系的客觀度量。第二，針對聚類的相關服務研究一種方式從而揭示和反映了不同匹配參數之間的權衡。文獻設計一種用戶協同過濾機制針對他們過去使用過的服務 QoS 信息，然后利用這些QoS 數據，設計協同過濾方法預測評級這些服務的 QoS。在資源分析度量方面文獻本文提出了一個完整的 Web 服務質量的評估算法，此算法在分析了Web 服務評量和相對服務質量的基礎之上，計算 Web 服務質量的綜合評估值，并且建立一個 Web 服務質量評估模型，將此算法應用于評估模型中，可以在多個 Web 服務中選擇最優的服務提供給用戶。文獻[16]在面向服務的環境下，單個 Web 服務往往不能滿足用戶的要求，這時就需將已有的單個 Web 服務進行組合，以便產生滿足用戶需求的、增值的組合服務。已有的服務組合方法都很少考慮 Web 服務的隨機性和 Internet 環境的動態性，從而在服務選擇過程中產生的規劃都是靜態規劃，結果導致在服務組合時都以較大概率出現組合失敗。
針對上述問題，提出了Web 服務各隨機QoS 指標的度量方法和自適應QoS 管理體系結構，并利用隨機型離散事件系統唯一的動態控制方法———馬爾可夫決策過程( MDP) ，設計出隨機 QoS 感知的可靠 Web 服務組合算法。實驗結果表明，考慮隨機性的 QoS 度量方法和 QoS 管理體系結構，以及平衡了“風險”與“報酬”的 MDP 有效地提高了服務組合成功率。文獻就組合服務的總體 QoS 計算給出了研究。
2.海云協同環境下資源池運行機制面臨的問題與挑戰
下一代智慧應用的典型特征是在海云協同環境下，以業務需求為驅動，實現人機物的相互協商、自動交互與協同，最終實現和滿足特定的業務需求。但此愿景的實現還面臨諸多技術難題與挑戰。主要體現在資源表述、資源發現、資源組合、資源規劃、資源組裝、資源協作等問題。
( 1) 資源表述: 海云復雜環境下由于資源的多樣性和多變性，導致資源的描述( 即有關服務屬性的描述信息，如服務接口、服務質量等) 不斷變化，需要解決異構資源如何通過統一的接入標準和方法，實現海云資源的虛擬化和服務化。
( 2) 資源發現: 現有的資源發現模式( 如“關鍵詞查找”和“目錄瀏覽”) ，返回資源很難準確滿足用戶的實際需求，大量相關與不相關的返回結果增加了用戶資源選擇的難度，用戶也難以按照“資源質量”，“成本收益”等業務指標對資源進行二次篩選。
( 3) 資源組合: 在整個資源發現和組合的過程中，現有技術通常以一種被動編碼的形式實現，資源的發現和組合均由資源請求者或者資源代理通過直接的服務調用或者用服務組合語言編寫程序等方式進行，其動態性和適應性受到很大的限制。此外，由于資源跨行業、資源粒度的差異性、資源的靜態運行等限制因素，很難依據用戶需求準確定位資源并對資源進行再組合，形成資源的二次封裝，以滿足用戶不同層面的業務需求。
( 4) 資源評級與監測: 海云協同環境是一個開放的可演進系統，如何基于真實的用戶數據實現資源的評級，如何監測資源的 QoS，如何協商服務級別，如何實現資源的優勝劣汰，實現資源使用的效用最大化，以上問題的解決，都亟需建立一套資源評價與監測機制。
( 5) 資源協作: 海云協同環境下，人機物的相互協商、自動交互與協同，最終都體現為資源的交互與協作，要實現此目標，需要海云資源池提供交互協議和協作規則等底層支持。除此之外，在海云開放環境下，資源將以前所未有的數量不斷擴展和更新，資源功能及質量呈現持續變化的特點，對于用戶來說，將面對一個復雜、多變的動態資源環境。由于缺乏統一的資源視圖，缺乏透明和統一的訪問機制，資源發現、使用和協作的復雜度必將猛增。
3.海云協同資源池運行機制的研究內容與創新點
如前所述，傳統的資源發現使用一種公共的、標準化的服務描述語言( 如 WSDL) 來描述資源，以使服務搜索和發現程序可以識別該資源。以此為基礎，本文建立一種公共的詞匯表來輔助資源的發現和需求理解，本文主要從資源功能需求角度研究資源的發現和需求匹配，因此，我們建立了一個領域功能詞匯表，這個功能詞匯表在資源發現和資源組合階段中起著關鍵作用，它用于支持需求的功能描述和資源的能力描述，使得在功能層面上資源池運行機制可以理解需求，并且能對是否參與該需求的解決作出判斷。為此，本文提出一些概念定義如下:
( 1) 資源空間( Resource Space，簡稱RS) : 是特定領域中可能的資源構成的概念組成的詞匯表，資源空間包含3 組基本概念: 資源、屬性、服務。
( 2) 資源: 在海云計算領域中，任意可以被需求方識別和訪問的實體稱為資源，例如數據、儀器儀表、軟硬件系統、人等等。所有資源均包含一組特定的屬性，每個屬性用于表征資源某個方面的特征。資源屬性可以分成靜態屬性和動態屬性。靜態屬性是指在資源的整個生命周期中，其值不隨時間發生變化的屬性，例如資源的名稱、資源類型等等; 而動態屬性的值將隨外界條件的改變而發生變化，例如資源的訪問量，資源所處狀態等等。
( 3) 資源服務: 資源所具備功能的表述形式，資源使用者通過資源服務來操作資源的功能，實現資源的狀態變遷，以達成用戶特定的業務價值。
( 4) 原子資源: 經過一次封裝并提交到資源池中的資源，是可供使用者識別和訪問的不可拆解的實體。
( 5) 事務資源: 資源實體所具備的服務具有事務特性，對服務的調用要么成功改變資源狀態，要么回滾到服務調用前的資源狀態。
( 6) 組合資源: 若干原子資源或組合資源組合編排后形成的可供使用者識別和訪問的資源實體。以上實現以機器能理解的詞匯進行資源描述是關鍵，在傳統資源上添加概要與功能詞匯標注，將資源的狀態從機器可讀提高到機器可理解，使得資源的屬性和功能能被機器自動識別、處理，這是整個海云協同資源池實現機制的基礎。
由于語義信息比語法信息更能準確地描述資源及資源之間的關系，因此從定性角度來看，通過語義獲得的結果比用語法獲得的更好、更準確。本文提出的海云協同資源池運行機制主要創新點體現在以下幾個方面。
( 1) 提出一種新的資源描述方法，利用語義信息和本體論( 本體庫與詞匯庫) ，在傳統資源上添加語義信息，將資源從機器可訪問，提高到機器可理解，以語義資源為基礎，建立面向海云計算環境的資源發現，資源規劃、資源組裝、資源共享、資源協同、資源消費的綜合運行機制。
( 2) 提出一種新的意圖 -能力 -實現的資源消費模式，將資源的使用模式從被動檢索，被動調用的傳統模式提高到以需求為驅動，以 QoS 為保障，以收益最大化的資源自動供給模式。
( 3) 提出一種新的新的資源池運行機制，一方面利用資源的相似度，建立資源簇并用語義信息顯示聲明資源簇具備的能力，另一方面利用語義信息，將用戶需求轉化為機器可推理和識別的意圖，資源池根據用戶意圖及資源簇能力進行匹配，推薦可供選擇的候選資源簇，基于 QoS、成本與收益完成用戶意圖與資源簇能力的自動協商，最終實現用戶意圖。
4.海云協同資源池的概念模型與概念架構圖
1 海云資源池模型為解決海云協同資源池面臨的挑戰與難題，以領域公共詞匯表、資源空間、資源詞匯標注為技術基礎，本文提出基于領域詞匯表的海云資源池概念模型如圖1 所示。該模型是 SOA 服務模型的擴展，在該模型中，概念實體的定義分別如下:
( 1) 資源提供者: 通過統一的`接入標準和方法向海云資源池注冊資源的實體，除了資源的語法描述信息，還需要提交資源的語義詞匯信息標注;
( 2) 資源消費者: 請求和消費資源的實體，資源消費者按照需求描述模板，填寫并向資源池提交資源使用需求，資源池對需求進行理解，推薦所需資源，并協調、監測資源的后續使用;
( 3) 資源池: 提供整個資源管理運行的基礎設施，接受資源提供者的資源注冊、接受資源使用者的資源查找、發現、消費請求，協調、監測資源的服務質量，擴展的詞匯表輔助資源的發現和需求理解，用于支持需求的功能描述和資源的能力描述，使得在機器可以理解需求，并且能對資源的能力進行判斷。
海云協同資源池概念架構如圖2 所示。關鍵功能模塊包括資源注冊表、資源發布、資源發現、資源消費、資源 QoS 管理、資源生命周期管理、資源計量以及適配器等。海云協同資源池概念架構中各功能模塊定義如下:
( 1) 資源注冊表: 以目錄服務的形式存儲資源的語法與語義信息，對其它功能模塊提供注冊表的增刪查改功能;
( 2) 資源發布模塊: 對外提供資源發布接口，接收資源發布請求，對符合統一規范的資源發布請求，將資源語法與語義信息寫入資源注冊表;
( 3) 資源發現模塊: 對外提供資源發現接口，接收資源查找與發現請求，將用戶提交的需求描述轉換為資源池的查找請求，對資源池的返回結果進行篩選、匹配，按照需求的匹配程度推薦符合用戶需求的資源;
( 4) 資源消費模塊: 對外提供資源消費的授權接口，接收資源消費請求，該模塊按照資源的計費規則向請求者發放資源使用小票，獲得資源使用小票的消費者可以發起對資源的請求;
( 5) 資源計量模塊: 對外提供資源使用審核、資源使用計量接口，接收適配器小票審核請求，審核通過后，對資源的使用進行相應計數;
( 6) 資源 QoS 管理模塊: 對資源的服務質量進行評測，為其它模塊提供資源服務質量查詢請求;
( 7) 資源生命周期管理模塊: 為其他模塊提供資源生命狀態查詢、變更等訪問接口，管理資源從注冊、使用、暫停到注銷的全生命周期狀態管理。依據本文提出的概念架構，以下對資源發布、資源發現和資源消費三個典型場景進行描述如下:
( 8) 資源發布場景: 對應圖2 中的1.1 至1.2 流程，適配器調用資源發布接口，提交資源描述信息，資源發布模塊對資源描述進行檢查，如果符合統一規范，資源發布模塊將資源信息注冊到資源注冊表中;
( 9) 資源發現場景: 對應圖2 中的2.1 至2.3 流程，消費者調用資源發現接口，提交需求描述信息，資源發現模塊轉換抽取需求描述，查找注冊表，對注冊表返回的結果進行篩選匹配，將匹配結果再返回給消費者;
( 10) 資源使用場景: 對應圖2 中的3.1 至3.4 流程，消費者調用資源消費接口請求資源的使用權，資源消費模塊依據被請求資源的使用與計費規則，向消費者發放資源使用小票，消費者持小票向適配器請求訪問資源，適配器收到訪問請求后將訪問小票提交到資源計量模塊，資源計量模塊將小票與系統留存票根進行審核并將結果返回適配器，適配器依據計量模塊返回的審核結果，允許或拒絕資源的訪問。
5.基于用戶意圖的資源
匹配框架以上文提出的海云資源池架構為基礎，本文進一步提出如圖3 所示的基于用戶意圖的資源匹配框架，其資源匹配的實現流程如圖3 所述:
( 1) 用戶意圖描述: 對應圖中的步驟1，用戶對其意圖進行格式化描述，包括獲取資源目的，對價格的預期，對 QoS 的要求，期望的輸出結果等;
( 2) 用戶意圖解析: 對應圖中的步驟2，解析模塊將用戶提交的意圖描述解析為資源的語義描述，包括一般性信息，輸入/輸出，QoS，前置條件等等;
( 3) 資源匹配: 資源匹配模塊按照特定的相似性算法，將解析后的用戶資源需求與資源池內的資源進行匹配，按照資源相似性推薦相應的資源;
( 4) 資源推薦: 將資源匹配模塊輸出的資源推薦給用戶。
6.結束語
下一代智慧應用的典型特征是在海云協同環境下，以業務需求為驅動，實現人機物等資源的相互協商、自動交互與協同，最終實現和滿足特定的業務需求。但此愿景的實現還面臨諸多技術難題與挑戰，主要體現在海云復雜環境下資源表述、資源發現、資源組合、資源規劃、資源組裝、資源協作等問題。為應對以上技術難題，本文首先分析了現有的資源池運行機制，以此為基礎提出了基于 SOA 服務模型的海云資源池擴展模型，及相應的架構模型。以上模型的提出為后續資源池運行機制的研究奠定了技術基礎。
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