形式化方法在面向服务的架构中的事务支持

理论计算机科学电子笔记160（2006）113-126www.elsevier.com/locate/entcs论形式化方法在SOA劳拉·博奇1Dipartimento di Science dell保罗·钱卡里尼2Dipartimento di Science dell摘要我们提出了一个概述，最近的研究提供了一个正式的分析协调和组成面向服务的架构我们特别关注Web服务体系结构中的事务支持。数据库系统中事务的经典概念演变成较弱的形式，以适应多域、松散耦合的环境，包括执行长时间运行的活动。尽管大多数Web服务协调和组合语言都支持这些较弱的事务，但在许多情况下，它们的语义并不一致。 交易被认为是在两个互补的角度。前者是业务流程的本地视角：事务是一种控制结构，提供了用户定义的错误处理机制。 后者是解决分布式服务之间同步的观点：分布式事务协议。分布式事务协议根据Web上实际电子商务场景的需求不断发展。我们讨论的这种演变的一个特定方向是服务能力的协商，以实现自动选择。保留字：面向服务的体系结构、事务、形式化方法。1介绍在过去的十年中，Web作为占主导地位的互联网服务已经发展成为世界范围内最流行和最广泛的全球信息系统平台。Web的核心是一种超文本，其中的文档由服务器提供，由客户端通过HTTP协议检索，并通过非常易于使用的图形界面显示。由于Web的多样性，它作为动态分布式应用程序的平台的使用迅速吸引了工业界和学术界的兴趣。1电子邮件：Bocchi@cs.unibo.it2电子邮件：ciancarini@cs.unibo.it1571-0661 © 2006 Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放访问。doi：10.1016/j.entcs.2006.05.018114L. Bocchi，P.Ciancarini/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 160（2006）113与此同时，在计算机科学的不同应用领域中，我们可以观察到的主要趋势之一是将复杂系统创建为更简单，异构和可能分布的部分的组合。在电子商务的情况下，我们观察到一个共同的趋势外包[34]。外包意味着从公司外部聘请工人来执行特定任务，而不是使用公司员工。将此术语应用于公司的信息技术（IT）基础设施意味着利用外部硬件和软件资源并将其与内部系统集成。因此，公司的IT基础设施可能包括外部资源、网络和服务以及内部或遗留部分。至于电子科学，需要巨大的计算能力来执行科学任务和广泛的存储来管理大量数据。自90年代中期以来，第一个随之而来的中间件集成运行在分布式异构平台上的动态服务的需求导致了不同的，但在某些方面是并行的解决方案。这个问题，在其最普遍的意义上，已经通过面向服务的架构（SOA）的概念得到了解决。目前，不同的领域正在采用Web协议作为面向服务的中间件基础设施的基础。例如，电子商务和电子科学目前正将注意力集中在中间件平台上，该平台将SOA的概念与Web基础设施和协议的使用相结合（即，Web服务架构（WSA）[11]用于电子商务，开放网格服务架构（OGSA）[25]用于电子科学。本文讨论了面向服务体系结构的核心思想，以及形式化方法在Web服务体系结构中服务协调和组合的作用。我们的讨论将集中在松耦合环境中事务支持的特定协调问题交易被认为是在两个互补的角度。前者是业务流程的局部后者是解决分布式服务之间同步的观点：分布式事务协议。分布式事务协议根据Web上实际电子商务场景的需求不断发展这种演进的一个特定方向是服务提供的功能的协商，这解决了服务选择的自动化。谈判涉及许多不同的问题（即，协商协议、参与者的内部策略、协商特征的描述），这些都得益于形式化方法的使用概要。第2节介绍了面向服务计算的概述。第3节讨论了正式方法在WSA服务协调中的影响。第4节重点介绍服务组合和启动协商的正式方法。第5节提出结论和最后意见。L. Bocchi，P.Ciancarini/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 160（2006）1131152面向服务体系结构SOA是服务是网络可寻址实体，具有定义明确、易于使用和标准化的接口。服务具有无状态连接;它们通过在空闲状态下等待直到请求到来而对可能的客户端可用。它们通过标准协议进行通信，并且可以轻松访问和使用，无需集成。服务可以用于不同的场景，因为通常它不受精确的客户上下文的约束。服务的概念与软件组件的概念类似。像组件这样的服务是松散耦合的，它们通常是独立于使用和组合它们的上下文而设计的区分这两个概念的是抽象的层次。SOA通常涉及与网络系统交互的多个组织，其中没有一个设计者拥有完全的知识、控制权和所有权。服务是商品的非物质等价物，它们由特定组织拥有，并且它们具有对其他客户组织有意义的语义从这个意义上说，服务比组件更粗粒度。作为一个例子，WSA可以被描述为一个自利的系统，其中服务器为自己的利益向客户端提供一些好处服务被协调和组合在基于服务概念的体系结构中具有关键作用。服务的活动通常是协作的：它们可以被其他服务调用，或者只是为了执行任务而进行交互服务协调。服务本质上是无状态的实体。此外，许多B2B场景需要有状态的协作行为，因此意味着复杂的协调。因此，明确服务操作的顺序和因果关系至关重要（例如：购买应在付款后发生）。在Web服务场景中，没有什么可以阻止在应用程序代码级别协调服务。无论如何，大多数协调语言都专注于协调和计算之间的明确分离，被视为正交语言设计问题。一个非常著名的隐喻形式的一个简单的方程[16]建立这种正交性如下：(1)应用=计算+协调因此，根据这种隐喻，编程语言应该由两个正交的组件组成：协调组件和计算组件。从软件工程的角度来看，这种分离是有效的：将协调问题的规范与计算问题分开，将交互带到更高的抽象层次，从而简化编程任务。这种分离在SOA中是至关重要的：在松散耦合的系统中，其特征是变化的高度影响，模块化是一个重要的特性。自90年代以来背景下116L. Bocchi，P.Ciancarini/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 160（2006）113WfMS方程1已被重写为[39]：(2)工作流程=活动+过程其中工作流程中涉及的基本实体是执行工作单元的活动，而过程用于协调这些活动。当前基于XML的语言（例如，编排/编排语言），其试图标准化WSA中的服务协调的可能性。服务构成。组合是SOA中的一个关键特性：可以通过组合现有服务来创建新服务。作为其他服务的组合的服务同时是客户端和服务器。因此，服务之间的关系是对等的，而不是类似于客户机-服务器的关系。通过使用标准协议和接口，可以实现属于异构域的服务的互操作性和组合。在面向服务的体系结构（SOA）的上下文中，服务可以在任何时候发布、修改和撤销;这意味着变化的影响很大。服务可以是静态绑定的，也可以动态搜索其他服务进行协作。使组合动态化和自动化需要(i) 能够在动态环境中选择要调用的服务的软件实体(ii) 服务需要和提供什么的机器可读规范（即，服务语义）。至于（1），服务组合的自动化可以从代理场景衍生的技术中获得相当大的好处根据Burstein-McDermott的定义，代理是“在足够高的语义级别上运行的程序，它们可以与其他程序形成新的在一个高度动态的系统中，服务可以在任何时候发布、修改和调用，组合不应该只依赖于先验信息。在某些情况下，可以仅在运行时知道表征服务的方面（例如，系统的负载）或者它们对于客户端服务是关键的。有趣的是，动态自动化服务组合的场景类似于多代理系统中的分布式问题求解（DPS），其中一些知识源（KS）必须以分散的方式找到问题的合作解决方案在DPS的上下文中，每个知识源都不能自主地实现解决方案，因此问题被分解为子任务，这些子任务被委托给其他一些KS。KS可以将分配的任务分解为进一步的子任务。戴维斯和史密斯[20]提出了合同网协议[45]，制定了基于投标活动的谈判，以解决DPS。谈判是“…在讨论中，有关各方交换信息并达成协议”[ 20 ]。 在最普遍的意义上，讨论是一个涉及各方的过程，可以是人类或软件代理。智能物理代理基金会（FIPA）[24]通过以下方式描述了CNP中涉及的L. Bocchi，P.Ciancarini/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 160（2006）113117步骤：（a）发起人发送招标，（b）每个参与者审查收到的招标（可能来自不同的发起人）并相应地投标，（c）发起人选择最佳投标，将合同授予相应的参与者并拒绝其他投标。在[8]中，我们讨论了CNP的类比，以及它所解决的问题，以及WSA中的问题和解决方案本文第4节回顾了这一讨论的这些方面。至于（2），重要的是要有某种模型，以机器可读的方式描述服务提供的功能。一个关键问题是适当地定义服务的哪些方面被描述所捕获（例如，它的功能性、非功能性和行为特性）以及使用哪种语言来表达它们。在[5]中，讨论了三种服务描述方法：基于文本（通常通过模式匹配进行搜索），基于框架（服务的属性表示为属性-值对）和基于本体。使用本体论的优点是值得注意的，考虑到召回（即，不存在假阴性）和精确度（即，在搜索过程中不存在假阳性。本体是对由词汇表和语义组成的抽象（概念模式）的描述。本体表达了一系列概念以及它们之间的关系;它可以由XML文件表示，通常用于以机器可读的方式描述资源的语义方面3Web服务协调Web服务基于一组非常小的概念：服务、XML文档、地址和信封[51]。此外，所有的Web服务都必须公开一个使用Web服务定义语言（WSDL）表示的信封和WSDL接口中包含的消息是基于XML的;这在Web服务交互的自动化中具有至关重要的作用。在WSDL接口后面可能有各种实体：无状态服务、从属对象、人或具有自己生命周期的自治代理。无论如何，WSA并不提供交互的有状态性作为内置的功能：请求的所有数据都必须在请求中。在许多电子商务场景中，有状态性是一个重要的需求。它通常意味着对每个服务执行当前基于XML的语言出现在Web服务场景中，根据公式1，这些语言以与计算正交的方式支持有状态性和协调性。这些语言中的一些，在编排和编排的一般标题下，试图通过支持业务流程的定义、执行和管理来标准化服务协调和组合的可能性其他一些标准，在[23]中被称为可组合服务组件，旨在扩展基本Web服务属性（即，服务质量）通过SOAP消息头中的特定信息某些属性是安全的（例如，WS-Security [2]）、不可靠连接时消息传递的可靠性（例如，WS-ReliableMessaging [6]）和对业务事务的支持（例如，业务事务协议（BTP）[42]和WS-Transaction [15]）。118L. Bocchi，P.Ciancarini/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 160（2006）113在本节的其余部分中，我们将讨论正式方法在Web服务协调中的影响。第3.1节重点讨论编排和编排，特别是在松耦合环境中作为业务流程的控制结构的事务的新兴概念。至于可组合服务组件，3.2节考虑了支持业务事务标准的分布式协议。3.1表演和编舞在WSA中，等式2的活动（工作流=活动+流程）是Web服务，这些服务本身可以是流程，并且可以通过Internet上的标准消息调用。至于过程，目前，这个组成部分的定义和管理由新兴的编配和编排标准来解决。它不存在一个普遍接受的定义，这两个术语在某种程度上是重叠的，并且在某种程度上指的是组成问题的互补观点[43]。演示将体现特定方的本地视角的可执行业务流程特征化编排从全局的角度描述了不同分布式业务流程之间的交互模式已经提出了几种基于XML的语言用于编排和家务。演示语言例如BPML [22]、XLANG [47]和WSFL [38]。BPEL 4WS [18]是XLANG和WSFL的合并，因此它具有类似的特性。从这个意义上说，它可以被定义为一种编排语言。它通常被称为编排语言，因为它还允许为复杂的分布式交互指定一些角色，合作伙伴和关系。Oracle WS-CDL [33]是一种编排语言。现有的研究解决了编排和编舞方面的正式定义这方面的许多工作都使用基于消息的流程代数，它可以适当地描述WSA中的协调方面，因为Web服务编排和编排的主要建议也是基于消息为此，选择pi演算[41]通常是出于其对服务动态绑定建模的能力。事实上，将通道名称作为消息进行通信的可能性，使输出通道能够动态实例化。这方面使得pi演算比CCS更适合[40]。例如，在3中定义的流程对一个业务流程进行建模，该业务流程从先验已知的服务代理接收对机票预订服务的引用，然后调用在运行时发现的实际机票预订服务(3)service broker（f light booking）.flight booking（flight request）Busi，Guidi等人调查，在文件[28，13]，组成的规则，用pi演算协调Web服务。编排定义了根据角色参与交互的多个服务的协调/组合规则。编排（全局视角）和编配（局部视角）之间的一致性概念是通过类似于双模拟的关系来定义的L. Bocchi，P.Ciancarini/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 160（2006）113119其他一些工作分析了与WSA中的事务支持相关的新兴概念典型的数据库系统中的事务的经典概念不断发展，赋予比ACID更弱的属性，以适应多域和松耦合的环境。这些较弱的事务，称为长时间运行的事务，是共享利益的对象，并且主要从本地角度来看，由服务编排语言（如XLANG [47]和BPEL 4WS [18]）支持。尽管在WSA中对长时间运行的事务感兴趣，但由于文档的非正式性质以及解析实现的复杂性接下来是一些工作的概述，这些工作扩展了一些长时间运行的事务的进程代数Bocchi等人[9]提出了πt-演算来解决长期运行事务的形式化分析πt-演算是异步π演算的扩展，具有长时间运行的事务和顺序组合.事务被定义为一组主进程、异常处理程序和补偿的紧凑语法。 重点放在补偿机制上，它不允许定义上的隔离：当交易失败时，其执行的某些方面可能已经对外部各方可见。在这种情况下，补偿只能取消交易的一部分效果。这在πt-演算中是通过这样一个事实来建模的，即在事务执行期间，进程πt演算已经被编码到异步π演算中。Bruni等人。[12]使用Join calculus [26]实现了长时间运行的事务。在这些论文中，给出了更多的关于πt-演算的授权，涉及到隔离：消息不能越过事务边界，直到发生通信Laneve等人[36]定义了一种带有定时事务的进程演算Web-π。Web-π的方法比πt-演算的方法更通用：重点是编排语言（即，而不是它的精确实现（即，）。Hinz等人[30]也用Petri网对Petri网进行了建模。Petri网是一个适合表示工作流程调度[48，50]，并已被用来建模和分析一个相当完整的工作流程模式[49]。Butler等人[14]提出了StAC（结构化活动补偿）来建模错误处理和补偿。StAC是一种代数语言，用于管理任意层次的嵌套。πt-演算通过将焦点仅放在两个嵌套级别上，为补偿触发机制提供了更简单的语义在πt-演算中，可以通过显式编程补偿来调用嵌套事务的补偿来实现多个嵌套级别的管理StAC更复杂的语义是通过将过程管理的方面与错误/补偿管理的方面分开来管理的。120L. Bocchi，P.Ciancarini/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 160（2006）113图1.一、表示嵌套业务活动的内聚3.2分布式事务协议在第3.1节中，交易被认为是一种构建更高级别（复合）操作的机制例如，长时间运行的事务可以包括在用编排语言指定的工作流程调度中XLANG）;可能涉及对远程服务的调用的与调度相关联的业务流程由本地引擎（例如，微软公司）。编排的定义，通过语言XLANG或XLANG，提供了一种灵活的方式来协调Web服务之间的动作这些标准提案中也有许多支持分布式业务交易。这些语言提供了一种使用标准消息制定分布式事务的方法。其目的是使服务的分布状态得到优化，使参与者能够达成承诺。编排描述了不同Web服务之间的业务交互模式，分布式事务协议描述了执行分布式事务的多个分布式参与者之间的多步交互。我们已经在[32]中提到了已经用动作的时态逻辑[35]我们在这里特别强调BTP，因为它与谈判问题有有趣的交叉点。BTP支持两种类型的事务：原子和内聚。原子是经典ACID事务的松耦合版本：只有当所有子实体都能够提交时，它才提交，并且在提交的情况下，所有子实体都提交。原子可以表示为原子提交的实例。原子提交[29]是一个众所周知的问题，解决了许多分布式参与者（分布式共识）的协议，有了凝聚力，就不再需要共识。即使它的一些子实体不能提交，内聚也可以决定提交。此外，在提交的情况下，内聚体可以决定拒绝它的一些子实体的提交，从而导致它们的失败。图1展示了一个包含多个分布式和多组织事务的内聚示例，该示例对旅行预订服务进行建模。旅行预订服务尝试预订不同的替代航班（与两个不同的航空公司相同的路径）和租车。如果至少有一家航空公司有机票，则旅行预订成功在这种情况下，两家航空公司都有可用的机票，旅行预订提交但拒绝最昂贵的机票预订在[7]中，通用的BTP事务管理器已经用asyn-millispi演算建模。该实现扩展了两阶段提交协议的实现，采用了Berger提供的异步pi演算L. Bocchi，P.Ciancarini/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 160（2006）113121本田[4]。该扩展涉及到管理任意数量的嵌套层次和凝聚力的可伸缩行为，相对于原子。特别地，为了决定是否提交，节点的子节点的集合被划分为必要/不必要此外，同一个集合被划分为接受/拒绝，以便在承诺的情况下决定哪个孩子被确认。有趣的是，原子被建模为内聚的一种特殊情况，在这种情况下，所有的孩子都是必要的，并且是可以接受的。[7]无论如何都没有对分区的运行时选择和不可靠性进行建模（这是由Berger和Honda在[4]中管理的）。4协商和服务组合组合是SOA中的一个关键特性。将广泛接受的Web协议应用到SOA的概念中，为异构系统的集成提供了一组标准。这种可能性已经通过启用静态组合在一定程度上在最简单的情况下，组合依赖于一个静态活动，其中服务合作由人事先决定。在这种基本情况下，Web服务也增加了企业间交互的自动化程度。例如，让我们考虑两个公司，A和B，已经使用Web进行合作;特别是A为某些服务提供了Web接口，作为订购商品的可能性。A提供的服务的Web界面（即订购表单）可以定期由B的员工使用。Web服务使A能够定义订购服务的Web服务接口，以便B可以运行定期自动请求商品化的软件代理。在Web场景中，已经有许多元服务（即，通过利用其它子服务来提供它们自己的服务例如www.edreams.com提供了一个与不同的轻量级公司 的 接 口 ， 以 便 推 荐 最 好 的 代 理 商 。 另 一 个 例 子 是 Accuradio（www.accuradio.com），这是一个通过网络提供购买使用亚马逊播放的音乐的可能性的收音机。另一方面，亚马逊通过利用邮件服务销售书籍和音乐。回顾第2节，一个理想的进步在于支持服务组合的在本节的其余部分，我们将集中讨论服务的谈判，因为它包括一系列对这一目标有意义的问题。在[31]中，谈判是通过一些正交问题来描述的：对象描述必须出售/购买的对象的描述，协议各方之间的信息交换模式战略评估规则，以决定是否签署协议。对象说明。在这种情况下，它包括服务能力的描述。通过使用基于XML的机器可读消息和接口描述标准（即，WSDL）。此外，编排语言提供了定义业务流程的可能性122L. Bocchi，P.Ciancarini/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 160（2006）113其中活动与实际服务的绑定在运行时完成此外，还有许多附加元素表征了服务并且没有被上述标准捕获（例如，服务语义、服务质量（QoS）等）正在进行的研究正在调查不同的方法来添加这些概念的服务描述。其中一些方法是基于本体的概念。例如，OWL-S [27]是一个基于OWL的本体，用于描述作为DARPA Agent Markup Language Program（DAML）[19]的一部分而创建的服务。Web本体语言（OWL）是万维网联盟（W3C）推荐的用于定义Web上的本体的OWL-S包括服务的功能、非功能和行为描述另一个关注QoS的工作，主要是面向网格场景的工作是[1]。在[1]中，同时考虑了许多质量观点，依赖于偏好逻辑评分（LSP）方法[46]，这是一种用于评估，比较和选择硬件和软件系统的定量决策方法，包括：(i) 对与被调查属性的测量返回的每个值相(ii) 在一个总体分数中对这些满意度的集合。最后，我们引用了一种基于进程代数的方法[21]，该方法定义了具有QoS属性的进程演算，并根据这些属性提供了协调服务的原语。协议。协议必须被所有参与方知道并应用，以便执行正确的会话。在WSA中，OASIS BTP支持可以制定协商的消息交换（即，凝聚力）。SOA中的自动化动态服务组合问题与分布式问题解决（DPS）的概念类似，有趣的是，CNP与内聚的概念有一些相似之处。有一个程序分析，因为在这两种情况下（1）发起人向许多潜在的承包商发出招标书（CFP），（2）发起人等待投标书一定的时间，（3）发起人选择一些投标授予。参与者可以分包.此外，CNP和凝聚力都指的是自利代理人的背景下，其中的策略反映了一方的本地观点Pi-CNP [8]是CNP变体的模型（即，Acceptance-Guaranteed Pro- tocol [37]）与异步pi演算。Pi-CNP已经被建模为具有异步pi演算的内聚模型[7]的推广。战略。战略体现在每一方内部;评估是根据一方的观点进行的在这种情况下，需要某种形式化语言来执行自动化决策。在Pi-CNP中，重点放在协议上。策略没有详细讨论，但是，由于它引起的选择，在accuruence协议的执行，它是代表作为一个不确定性的所有可能的内部选择节点操作。策略可能对方案执行产生以下影响：L. Bocchi，P.Ciancarini/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 160（2006）113123提议参与者节点必须定义一个提议，给出一个提议请求。结果基于接收到的提议发起者节点决定是否签署协议承包商在协议的情况下，发起者节点必须决定包括哪些参与者在[8]中已经做了一些初步的考虑，通过在相同的协议框架内定义不同的策略来研究不同协议Pi-CNP）。特别地，已经提供了实现原子提交协议的策略。可以采用不同的方法来细化策略的处理，例如包括使用基于逻辑的语言。发展这种机制并将其与议定书的模式结合起来是今后可取的工作。5结论本文讨论了SOA的主要特征，并重点讨论了对WSA中服务的协调和组合进行形式化分析的不同方法特别是，审议了与交易支持有关的新概念重点放在业务流程的本地视角和事务协议的分布式视角上还考虑了服务的组成及其自动化我们讨论了与服务描述和协商相关的问题不同的方法进行正式分析的协调和组成进行了讨论。本文提出的问题包含在正在进行的欧洲项目SENSORIA（面向服务的覆盖计算机软件工程）的目标中。Sensoria的目标是开发一种新的实用方法来工程化面向服务的软件系统，该方法包含并集成了基础理论，技术和方法。进一步的发展所提出的研究，预计在项目的背景下，如及时组成的服务。引用[1] Andreozzi S.，蒙特西·D Ciancarini P.和Moretti R.，Towards a Model for Quality of Web and GridServices，in：Proceedings of the 13th IEEE International Workshops on Enabled Technologies：Infrastructure for Collaborative Enterprises（WETICE271-276.[2] 阿特金森湾，Della-Libera G.，哈达S.，Hondo M.A.，Hallam-Baker P.，Klein J.，拉马基亚湾，LeachP.，Manferdelli J.，Maruyama H. 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