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实时服务构件的语义特征和行为组装 形式化技术研究 摘要 在面向服务的架构中，如何根据系统资源环境的变化以及构件的功能和实时性等 q o s 属性动态组合已有的功能构件以满足应用需求，成为当前此领域的一个研究热 点。由于采用非形式化( 自然语言) 和半形式化( 图表) 方法描述实时服务系统均存在不 精确、歧义的及不易验证等缺陷，而形式化方法能较好地克服上述不足，可充分表述 系统的各种特性，并为系统的验证、实现等提供良好的基础。 本文提出了一种结合o c l 与h t a 的实时服务构件( r e a l t i m es e t v i c o c o m p o n e n t ) 形式化描述方法：用o c l 描述构件的静态语义特征，用h t a 描述构件 的动态抽象行为；前者为后者的正确性提供属性约束，后者提供前者所描述需求的具 体实现，两者语义互补。主要内容及其贡献包括： ( 1 ) 提出一种基于特征的构件语义描述模型，首先分别给出特征、特征空间和构 件特征空间表示模型的定义。接着将构件特征间的各种关联和依赖关系分成自身约 束、父子关系约束、显性约束和隐性约束四类，并采用对象约束语言对这些关系进行 形式化描述，从而为模型提供了精确的语义支持。面向电子商务的构件特征子树的实 例研究及其模型验证和实验结果证明了该模型的正确性与有效性。 ( 2 ) 采用h t a 形式化描述实时服务构件的动态抽象行为。给出实时服务构件的 h t a 模型，系统阐述构件间的各种组装方式及其形式模型，分析构件组装的语法可 组合性和语义可组合性问题。采用h t a 可层次地构造实时系统集成框架，较高层次 的实时服务构件的行为可通过由较低层次的构件组成的h t a 来定义。该模型的显著 特点是简单容易理解，能在一个统一的框架中表示构件的组装、行为和分析系统性能， 适用于不同粒度的实时服务构件集成，有效降低了实时服务系统的复杂度，从而使模 型验证工具能够处理更为复杂的服务系统。 ( 3 ) 提出一种基于m l t s 的实时服务构件h t a 模型组装验证算法。给出( 层次) 自动机到标号迁移系统的转换过程，在标号迁移系统的扩展模型一多集标号迁移系统 基础上，给出其组装算法，利用共享动作是否转换为内部动作来判定模型的组装兼容 性。该算法能够有效降低状态空间爆炸给模型实例检测带来的难度，同时利用了 m l t s 能够描述系统同步、异步动作的特点，不仅可以跟踪构件组装前后的状态变化， 而且能够刻画构件的接口行为动作变化，因此，它在基于h t a 的实时服务构件模型 组装兼容性验证方面具有较强的表达能力。 ( 4 ) 描述一个较简单但又具有典型实时服务系统特征的小额支付视频点播实例 应用系统。首先采用自顶向下的方法构建系统，接着采用本文的描述方法对系统级的 构件及其组装进行建模、分析和验证，并简单分析了系统的时间属性。 关键词：实时服务构件，对象约束语言，层次时间自动机，形式化方法，模型验 证 i i r e s e a r c ho nt h ef o r m a l i z a t i o no fs e m a n t i cf e a t u r e sa n d b e h a v i o rc o m p o s i t i o nf o rr e a l t i m es e r v i c ec o m p o n e n t a b s t r a c t h o wt oc o m p o s i t eas e r v i c ef r o mi t sc o m p o n e n t si sah o t - t o p i ci ns 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 s i n c en o n f o r m a lm e t h o d s ，s u c ha sn a t u r el a n g u a g e s , a n dh a l f - f o r m a l m e t h o d s ，s u c ha sg r a p h , c 鼬n o ts p e c i f ys e r v i c e - o r i e n t e ds y s t e m se x a c t l y , f o r m a lm e t h o d s c a nd oi tw e l la n dp r o v i d et h eb a s e sf o rm o d e lc h e c k i n ga n di m p l e m e n t a t i o n t h i st h e s i sp r o p o s e saf o r m a ld e s c r i p t i o nm e t h o do fr e a l - t i m es e r v i c ec o m p o n e n t w h i c hi sc o m b i n e dw i t ho c la n dh t a i nd e t a i l ，i td e s c r i b e st h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i co ft h e c o m p o n e n tb yu s i n go c l a n dt h ed y m m i eb e h a v i o u ro f t h ec o m p o n e n tb yu s i n gh t a t h e o c l d e s c r i p t i o np r o v i d e st h ep r o p e r t yc o n s t r a i n t sf o rt h eh t ad e s c r i p t i o nw h i l et h el a t t e r d e s c r i p t i o np r o v i d e st h ed e t a i l e di m p l e m e n t a t i o no ft h ef o r m e rd e s c r i p t i o n t h et w o d e s c r i p t i o n sa r em u t u a l l yb e n e f i c i a lt oe a c ho t h e r 1 1 1 em a i nc o n t r i b u t i o mo f t h i st h e s i sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h i st h e s i sp r o p o s e saf e a t u r e - - b a s e ds e m a n t i cd e s c r i p t i o nm o d e lf o rc o m p o n e n t f i r s t , t h ep r e s e n t a t i o nm o d e l so ft h ef e a t u r e , t h ef e a t u r es p a c ea n dt h ec o m p o n e n tf e a t u r e s p a c ea r ed e f i n e dr e s p e c t i v e l y t h e n , t h ea s s o c i a t i o na n dd e p e n d e n c yr e l a t i o n sa m o n gt h e f e a t u r e so ft h ec o m p o n e n t sa r ec l a s s i f i e di n t of o u rt y p e s ：s e l fc o n s t r a i n t , p a t e r n i t y c o n s t r a i n t ，d o m i n a n tc o n s t r a i n ta n dr e c e s s i v ec o n s t r a i n t 1 1 圮f o u rk i n d so fc o n s t r a i n t sa r e f o r m a l l yd e s c r i b e db yt h eo b j e c tc o n s t r a i n tl a n g u a g e ，w h i c hp r o v i d e sa na c c u r a t es e m a n t i c s u p p o r tf o rs u c hm o d e l a l s o ，i tp r e s e n t sac a s es t u d yb a s e do nac o m p o n e n ts u b - t r e eo f f e a t u r e sf o re - b u s i n e s s t h er e s u l t so ft h em o d e lc h e c k i n ga n de x p e r i m e n t si nt h eo b j e c t c o n s t r a i n tl a n g u a g ee n v i r o n m e n tp r o v et h a tt h i sm o d e li sc o r r e c ta n dv a l i d ( 2 ) t h i st h e s i se m p l o y st h eh t a t of o r m a l l yd e s c r i b et h ed y n a m i cb e h a v i o u ro ft h e s e r v i c ec o m p o n e n t i td e f i n e st h eh t am o d e lo ft h er e a l - t i m es e r v i c ec o m p o n e n t , s y s t e m a t i c a l l yd e s c r i b e st h ev a r i o u sc o m p o s i t i o nm a n n e r sa n df o r m a lm o d e l sb e t w e e n d i f f e r e n tc o m p o n e n t s ，a n da n a l y z e st h es y n t a xc o m p a t i b i l i t ya n ds e m a n t i c sc o m p a t i b i l i t yo f t h ec o m p o n e n t c o m p o s i t i o n b yh t 氏t h ei n t e g r a t e ds y s t e mf r a m e w o r kc a n b ec o n s t r u c t e d h i e r a r c h i c a l l ya n dt h eb e h a v i o u ro ft h eh i 曲l e v e lr e a l - t i m es e r v i c ec o m p o n e n tc a nb e d e f i n e db yt h el o wl e v e lc o m p o n e n t s t h eo b d o u sa d v a n t a g eo ft h i sm o d e li st h a ti tc a nb e e a s i l yt ob eu n d e r s t o o da n d i tc a ns p e c i f yt h ec o m p o n e n tc o m p o s i t i o na n di t sb e h a v i o u ri n ah i e r a r c h i c a la n du n i f i e df r a m e w o r k , w h i c hc a i lb ea p p l i e dt ot h ei n t e g r a t i o no fs e r v i c e c o m p o n e n tw i t hd i f f e r e n tg r a n u l a r i t i e s a s ar e s u l t , i tc a ne f f i c i e n t l yd e c r e a s et h e c o m p l e x i t yo ft h er e a l - t i m es e r v i c es y s t e m ，a n dm a k ep o s s i b l ef o ra p p l y i n gt h em o d e l v a l i d a t i o nt o o l sf o rm o r ec o m p l e xs e r v i c es y s t e m ( 3 ) t h i st h e s i sp r o v i d e sav a l i d a t i o na l g o r i t h mf o rt h em l t sb a s e dh t a m o d e lo ft h e r e a l - t i m es e r v i c ec o m p o n e n t i tp r o v i d e sc o n v e r s i o np r o c e s sf r o m ( h i e r a r c h i c a l ) a u t o m a t o n t ol t s b a s e do nt h ee x t e n s i o nm o d e lo ft h el t s t h em l t s ，w ep r o v i d et h ec o m p o s i t i o n a l g o r i t h m , w h i c hd e t e r m i n e st h ec o m p o s i t i o nc o m p a t i b i l i t ya c c o r d i n gt ow h e t h e rt h e s h a r e da c t i o n sa r et r a n s f o r m e di n t ot h ei n t e r n a la c t i o n s t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a n d e c r e a s et h ed i f f i c u l t i e so fm o d e li n s t a n c et e s t s ，w h i c hi sc a u s e db ye x p l o s i o no ft h es t a t e s p a c e m e a n w h i l e ，i tc a nn o to n l yt r a c et h es t a t ev a r i a t i o n sb e f o r ea n da f t e rc o m p o n e n t c o m p o s i t i o n , b u ta l s od e s c r i b e t h eb e h a v i o rv a r i a t i o n so ft h ec o m p o n e n ti n t e r f a c e s t h e r e f o r e ，i ti sm o r es u i t a b l ef o rt h ec o m p a t i b i l i t yv a l i d a t i o no fr e a l - t i m ec o m p o n e n t c o m p o s i t i o n ( 4 ) t h i st h e s i sa l s op r e s e n t sac a s es t u d yb a s e do nam o b i l em i c r o - p a y m e n tf o r v i d e o - o n - d e m a n da p p l i c a t i o ns y s t e m i tf i r s tb u i l d st h es y s t e mi nat o p - d o w nm a n n e r , a n d t h e n u s e st h em e t h o d sm e n t i o n e da b o v et om o d e l ，a n a l y z ea n dv e r i f yt h ec o m p o n e n t sa n d t h e i rc o m p o s i t i o ni nt h es y s t e ml e v e l a l s o ，t h et i m i n gp r o p e r t i e so ft h es y s t e ma l e a n a l y s i e d k e yw o r d s ：r e a l t i m es e r v i c ec o m p o n e n t , o b j e c tc o n s t r a i tl a n g u a g e ，h i e r a r c h i c a l t i m e da u t o m a t a , f o r m a lm e t h o d ，m o d e lc h e c k i n g i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：茎j 垒左本人签名： ：至j 垒冱 本人承担一切相关责任。 日期： 墨! ! z ：兰：兰兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：兰! 1 2 ：! 兰：兰! 日期： 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 随着i n t e r n e t 和无线通信技术的发展和广泛应用，全球经济的竞争不断加剧，企业 要在这种激烈的市场竞争中生存下去并要取得不断进步，必须能够对客户需求、市场 机遇以及外部竞争的变化做出快速而灵活的响应。另一方面，如何更好地保护企业先 前投资，利用已有资源，整合出符合要求的、有效的新服务，这已经成为一个迫切需 要得到解决的问题。围绕这一问题，不少技术应运而生。当前正在迅速发展的是以开 放的w 曲服务方式进行的、有服务质量确保的服务构件组合，该方法有效地利用现有 的w e b 数据集成、数据过滤、数据组合等技术，以进行w 曲上分散资源的集成，并在 其中应用访问控制、事务机制，以保证服务响应的可靠性及服务组件的协同工作，被 广泛用来改进企业软件系统的敏捷性、灵活性和可用性 a o n m w 0 3 ，以便满足建立在资 源动态变化之上业务日益复杂的商务应用的需求。 服务构件组合的核心思想是：利用网络上分布的现有服务构件，根据用户的应用 需求，自动地选择合乎需要的服务，在服务构件组合支撑平台的支持下，按照一定的 规则协同完成服务请求。服务构件组合可以利用较小的、较简单的、且易于执行的轻 量级服务构件来创建功能更为丰富、更易于用户定制的复杂服务构件，从而能够将松 散耦合的、分散在网络上的各类相关服务构件有机地组织成一个更为可用的系统，支 持企业内、外部的企业应用集成e a i 和电子商务等网络应用。 目前，如何搭建这样复杂的服务软构件系统重点还要解决下述问题：软构件服务 系统集成框架的构造；服务构件组装和行为模型及其描述规范；服务构件库的管理与 维护；服务构件集成系统的正确性测试与验证。然而，如何支持可重用服务构件的有 效集成，国际学术界与工业界没有通用的方法。事实上，软件系统集成涉及不同层次 的构件组装，构件层次之间、构件与构件之间的关系比较复杂，服务构件组装的有效 性和可靠性问题是软件集成的关键问题。 其中，形式化描述技术( f o r m a ld e s c r i p t i o nt e c h n i q u e ，简称f d t ) c 埘k e 9 6 利用数学 工具严格刻画软件系统的功能和特征，为上述问题的解决提供一种有效的途径 a u e n 9 7 b 。形式化方法的实质是以逻辑、自动机、代数和图论等数学理论为基础，用一 套特定的符号和技术对软件系统进行描述和分析，以期提高软件可靠性。它的研究意 义主要有以下几个方面：提供描述手段，以精确、无二义地描述系统；赋予程序意义， 提供分析手段，以证明系统正确性，或帮助开发人员发现系统描述的不一致，不明确 实时服务构件的特征语义和行为组装形式化技术研究 或不完整：提供开发方法和工具，以实现软件开发过程中全部或部分开发活动的自动 或半自动化。在服务构件组合领域，对形式化方法研究的主要目标是在服务构件组合 的规划阶段，对组合的方案进行检查，解决对服务目标的可达性验证、调用过程中的 死锁检查、流程的正确性检验等问题。 1 2 主要研究内容 实时系统是一类设计、实现和验证工作都非常复杂的系统，其构件化远比普通软 件复杂，因为实时任务具有时间和同步的约束，系统行为与时间紧密相关。近年来， 在实时系统领域中，随着系统中软件规模和复杂度的迅速增加，整个系统的质量和可 靠性极大地依赖于其软件系统的实时行为。如何有效地验证实时软件的设计是否满足 给定的时间规约，是实时计算领域中的主要挑战之一。 本论文以多媒体服务 m a h d 0 2 、电子商务等典型实时系统为应用背景，以实时服务 构件的行为组装为主线，深入研究实时服务构件理论与技术，提出了一种以 o c l c w a r m a 0 3 ，o m g 0 3 与h t a e r h “x 1 9 8 ，弧枷1 l 相结合的实时服务构件形式化描述方法。研究 工作主要集中在以下三个方面： ( 1 ) 提出一种基于o c l 的实时服务构件特征语义描述模型。采用对象约束语言 o c l 形式化描述实时服务构件的静态语义，包括构件的接口、方法、操作、行为的 前置条件和后置条件约束以及实时性等非功能属性特征；同时，对实时服务构件特征 间的各种关联和依赖关系进行了分类，并给出这些关系的o c l 形式化描述，为模型 提供精确的语义支持。另外，基于o c l 的实时服务构件特征表示模型为实时服务构 件的动态行为模型奠定基础，构件特征约束为实时服务构件的动态行为的正确执行提 供前提保证。 ( 2 ) 采用h t a 形式化描述实时服务构件的动态抽象行为。给出实时服务构件的 h t a 模型，系统阐述构件间的各种组装方式及其形式模型，分析构件组装的语法可 组合性和语义可组合性问题。采用h t a 可层次地构造实时系统集成框架，较高层次 的实时服务构件的行为可通过由较低层次的构件组成的h t a 来定义。该模型的显著 特点是简单容易理解，能在一个统一的框架中表示构件的组装、行为和分析系统性能， 适用于不同粒度的实时服务构件集成，有效降低了实时服务系统的复杂度，从而使模 型验证工具能够处理更为复杂的服务系统。 ( 3 ) 提出一种基于m l t s e j 疵 y 0 3 】的实时服务构件h t a 模型组装模型验证算法。 给出( 层次) 时间自动机到标号迁移系统的转换过程，在标号迁移系统的扩展模型一 一多集标号迁移系统基础上，给出其组装算法，利用共享动作是否转换为内部动作这 一规则来判定基于h t a 的实时服务构件组装模型的兼容性( 可组合性) 。 第1 章绪论 ( 4 ) 描述一个较简单但又具有典型实时服务系统特征的小额支付视频点播实例 应用系统。首先采用自顶向下的方法构建系统，接着采用本文的描述方法对系统级的 构件及其组装进行建模、分析和验证，并简单分析了系统的时间属性。 1 3 本文篇章结构 本文分为七章，论文结构及各章节的关系如图1 - 1 所示： i 1 绪论 上 l 2 相关研究综述 图1 1 论文组织结构 第一章为绪论，阐述本文的应用背景与研究背景，引出本文研究内容； 一4 第二章综述实时服务构件相关技术，本文的工作属于服务构件体系结构的研究范 畴，因此在这章介绍服务构件体系结构领域的相关背景知识，主要研究方向，研究现 状，说明本文工作的方向； 第三章描述基于o c l 的实时服务构件语义特征描述模型，首先给出特征的定义； 接着阐述服务构件特征的o c l 表示模型，并详细分析服务构件特征间的各种约束关 系，最后通过模型检测工具o c l e ( o c le n v i r o n m e n t ) 对该模型的正确性进行验证； 第四章阐述基于h t a 的实时服务构件组装模型，给出实时服务构件的h t a 模型 的形式化定义；系统阐述实时服务构件的组装方式及其组装后的服务构件h t a 模型； 提出实时服务构件组装的语法可组合性和语义可组合性概念； 第五章讨论模型验证，给出基于h t a 的实时服务构件组装模型验证算法； 第六章给出实例建模、分析和验证( 实例研究) ，通过具体例子考察本文提出的 方法在实际系统中的应用； 实时服务构件的特征语义和行为组装形式化技术研究 第七章总结全文，并对下一步的工作进行展望。 1 4 本章小结 本章首先介绍实时服务构件的形式化技术研究背景和意义；接下来概述本文的主 要研究内容；最后给出论文组织结构。 图2 一ls c a ( 服务构件架构) s c a 是一种全新的、跟语言无关的编程模型，它提供了一种统一的面向服务构 件的调用方式，从而使得客户可以把不同的软件模块通过服务构件的标准化而统一地 封装起来和被调用访问( 如图2 - i 所示) 。可以说，s c a 以面向构件的方法，大大地 简化了客户的业务逻辑编程，极大提高了应用的灵活性。首先是属性，它用来设定一 实时服务构件的特征语义和行为组装形式化技术研究 个构件的配置项，这确保了一个构件的外部可配置性，可复用性。然后是该构件所实 现的服务，即提供的服务。当然，一个构件也可以不提供任何服务。最后是引用，即 构件所引用的东西。有点类似j a v a 里的i m p o r t 或c 撑中的u s i n g 概念。构件虽然是粒 度最小的单元，但是并不意味着它是孤立的，它可以指定所依赖的其它构件。 由s c a 构件组装而成的系统是一个程序集。程序集是服务级的应用程序，它是 服务的集合，这些服务被连接在一起，并且进行了正确的配置。程序集已经在许多技 术和框架中被广为应用，比如c o r b a 、j 2 e e 、a t gd y n a m o 和s p r i n g 等。从这些技 术中我们可以知道，程序集具有诸多优点，比如更轻松地迭代开发，以及避免使业务 逻辑依赖于中间件容器。s c a 使用程序集解决了许多s o a 开发中的重要问题，包括： 业务逻辑与底层基础架构、服务质量和传输的分离； “小规模编程 与“大规模编程 的联系； 为架构的设计、编码和部署在自底向上和自顶向下两种方法中来回切换提供 了一种统一的方式。 s c a 的一个关键推动因素是s e r v i c ed a t ao b j e c t ( 服务数据对象，s d o ) 规范， 其蓝图早在几年前就已经由i b m 和b e a 设计完成，并且已经在两家公司的部分软件 产品中得到体现。 s d o 可以帮助程序员访问和控制来自不同数据源的数据，包括关系数据库、x m l 数据源和企业应用等。s d o 的关键概念是数据对象、数据图和数据访问服务。数据 对象是一个命名的属性集合，每一个属性或者包含一个简单数据类型的值，或者可以 包含一个对其它数据对象的引用。数据图则提供了一个数据对象的封装，是构件之间 传输的标准单元。具体使用s d o 时，开发人员和设计师并不需要了解访问某个后端 数据源的技术细节，因此，他们可以使用静态或动态编程方法，并获得已连接和未连 接的访问。 在搭建面向s o a 的应用过程中，s c a 和s d o 可以结合使用。在该模型中，业 务构件表示为s c a 构件，s d o 则用于表示业务数据、参数以及服务调用的返回值。 总之，s c a 和s d o 是用于简化s o a 编程的新标准，是未来用于构建大规模企 业组合应用程序的新技术。这一领域的每一次革新，都会导致出现一个新的抽象层， 从而产生一批新的应用程序。通过采用s c a 和s d o ，企业能够快速组装可重用服务， 从而满足不断变化的业务需求。 2 2 实时服务构件 第2 章实时服务构件研究综述 2 2 1 服务构件的概念 一个服务就是服务提供者为其客户提供的功能单元。由一个或者多个构件组合实 现，在本文中，称这种服务为构件服务( c o m p o n e n t - b a s e ds e r v i c e ) ，而实现服务的构 件称为服务构件( s e r v i c ec o m p o n o n t ) 。服务构件具有如下特征： 服务构件只有两种形式：原子服务构件或复合服务构件； 原子服务构件功能独立，其功能通过访问原子服务构件的接口得到，由单个 构件通过其接口实现的服务称为原子服务构件； 复合服务构件是由原子服务构件组合而成的复合构件提供。这些原子服务构 件之间不仅存在功能依赖关系，而且存在q o s 非功能依赖关系。 目前，存在多种类似的构件定义。例如，软件构件按照c s z y p c r s k y 的定义为： “仅具有契约( c o n 慨t ) 相关的接口和表明上下文依赖关系的软件单元，一个软件构件 能单独开发并被第三方使用【s z y p 酬c y 9 引。同样s o u z a 定义构件为搿一个构件是能够独 立开发并发布的软件单元，软件构件具有和其它构件连接的，并保持不变的接口定义， 通过接口连接方式组合成的系统 s o m 9 r r l 。霉 虽然定义方式不同，但是这些对构件的定义具有以下三个方面的属性特征： 构件是独立的。这里独立的意思并不表示一个构件不依赖于其它构件，仅表 示构件的依赖关系是明确的，因此构件能单独开发并被第三方使用，它是可 独立配置的单元，因此构件必须自包容。 构件通过其接口提供功能。每个构件可以具有多个接口，表示此构件所提供 的服务。这些构件接口按照一定规范定义，说明了构件的功能和性质属性， 起到契约作用，因此其提供的服务能够被使用。 构件能够被用来组合。组合是构件技术最重要特征之一。构件为能够被组合， 必须具有明确的、用以表示其需求和提供约束的规约定义。这些构件必须指 定构件运行时所需要的部署环境，例如，对其它构件的需求接口，也就是和 其它构件的依赖关系。同时，构件必须指定完整的所需服务列表。另外一个 构件特征为，构件不具有持久状态，也就是说不能够区分构件和构件拷贝。 构件能够被激活并装载于系统中。对于一个构件，在运行时，系统中可以存 在多个构件实例，但是只有一个构件。为区分构件和构件实例等概念，一般 称开发阶段的构件为构件类型，部署阶段则称为构件模板( b l u e p d n t ) ，而运行 阶段称为构件。构件模板和构件类型的区别在于：构件模板具有一些部署参 数值用来实现构件类型。本文中，在不引起歧义情况下，以上三个概念通称 为构件。 实时服务构件的特征语义和行为组装形式化技术研究 图2 2 为一个通用构件定义，包括以下部分： 提 供 接 口 需 求 接 口 图2 2 一种通用构件定义 ( 1 ) 与系统中其它构件的交互接口： 提供接口：为构件对其它构件所提供的构件接口。 需求接口：为构件运行所需要的其它构件接口。 通讯模式：包括异步和同步两种方式。 ( 2 ) 可配置的设置参数：配置构件属性的设置参数。 ( 3 ) 构件实现：实现构件接口功能。 ( 4 ) 平台需求，为构件运行在其平台上所需要的技术需求： 平台内部所需要的技术性需求，包括：构件生命周期管理、构件存储管 理等。 构件实现所需要的技术性需求，包括所需要的操作系统平台、构件版本 定义等。 支持构件运行的系统环境所需要的技术性需求，包括：构件存放信息，安 全管理信息、事务处理所需信息等。 对于构件，需要注意其运行和静态特征表现出的差异。构件开发方法无疑使得静 态软件结构模块化，软件代码被划分成相互连接而成的构件。然而，系统运行属性往 往与此不同，在一些系统中，在运行时，静态构件之间的“边界”将会消失，系统结 构成为单块( m o n o l i t h i c ) 形式。而另外一种情况是，构件在运行时保持独立并能够动态 替换，这样在运行时，可以采用动态构件组合方法动态产生构件系统。本文所针对的 构件类型为后一种情况。 第2 章实时服务构件研究综述 2 2 2 实时服务构件的基本特征 实时服务构件的应用特性可归结为以下几点：实时性、有用性、公共性、服务性、 集成性、可扩展性、自描述性、可访问性、安全性、协调性。 ( 1 ) 实时性 实时性是指实时服务构件与运行环境的交互行为存在时间约束 o z h 0 5 1 。实时 ( r e a l t i n 呐一般采用的定义是：在实时计算中，正确性不仅依赖于计算的逻辑结果， 而且依赖于产生结果的时间。实时也可以定义为：实时计算是一种依据系统的性 能可预测的计算。后者明确地指出了实时计算的本质：可预测性或者说是确定性。 实时系统分为硬实时和软实时，但是缺乏一个对软实时和硬实时的公认的定 义。一般来讲，硬实时是指系统中所有的截止期限必须被严格的保证，否则将导 致灾难性的后果；而软实时在截止期限被错过的情况下，只造成系统性能下降而 不会带来严重的后果。 ( 2 ) 有用性 有用性是指服务构件具有满足一定需求的内在价值。这意味着服务总是与特 定的需求( 包括功能的与非功能的) 以及产生需求的“被服务者 ( 称为客户或 服务消费者) 联系在一起。因此，服务的目的是为满足客户的功能与非功能需求。 ( 3 ) 公共性 公共性是指服务的功能可公共获取，即服务的设计目的是服务于开放的群 体。 ( 4 ) 服务性 在电子商务等一些实时应用环境中，企业通过将客户服务过程移至h t e n l e t ， 使客户能以一种比过去简捷的方式完成过去他们较为费事才能获得的服务。客户 摆脱了地域的限制，服务质量在某种意义上成为商务活动的关键。 ( 5 ) 集成性 目前，大多数的服务系统应用是一个多种技术的集成。服务系统的集成性， 还在于事务处理的整体性和统一性，它能规范事务处理的工作流程，将人工操作 和电子信息处理集成为一个不可分割的整体。这样不仅能提高人力和物力的利 用，也提高了系统运行的严密性。 ( 6 ) 可扩展性 要使服务系统正常运行，必须确保其可扩展性。服务系统一般要能够满足海 量用户的使用需求，并能够按照用户访问量、服务内容、业务种类的增加进行应 实时服务构件的特征语义和行为组装形式化技术研究 用的扩展。对于服务系统来说，可扩展的系统才是稳定的系统。 ( 7 ) 自描述性 自描述性是指服务构件使用机器可处理的形式显示地描述其自身。服务构件 描述的目的是使得服务构件所服务的对象能够准确地理解服务构件、正确地使用 服务构件。服务构件描述的内容一般包括服务的接口、网络位置、通信协议、功 能语义、非功能属性等。自描述性是服务松散耦合、位置透明的前提，同时也为 服务构件的公共性提供技术保证，因此只有明确地给出服务构件描述，才能保证 开放环境下的用户能够正确理解并使用服务构件。 ( 8 ) 可访问性 可访问性具有两层含义：其一是指服务构件具有可访问的入口，即服务构件 具有特定的网络标识以实现服务构件定位，该标识通常直接或间接地指示了服务 构件运行的网络地址和资源位置，服务构件使用者根据服务构件的网络标识构造 消息访问服务构件；其二是指服务的功能可访问，即提供功能的软件实体能够感 知外界请求，并通过计算响应请求，从而实现服务的价值。 ( 9 ) 安全性 在诸如电子商务这样的服务系统中，安全性是必须考虑的核心问题。这就要 求网络能提供一种端到端的安全解决方案来实现保证安全的电子商务环境，包括 加密机制、签名机制、分布式安全管理、存取控制、防火墙、安全万维网服务器、 防病毒保护等。 ( 1 0 ) 协调性 服务系统的运转是在交互式协议的基础上进行的，系统中各个服务构件之间 的交互过程是一种协调过程，合理的协作可以大大提高系统的服务效率。 上述几个特征阐述了本文对于实时服务构件概念的理解。但是，服务构件概念本 身并不与特定技术存在必然的绑定关系，可以使用多种不同的技术实现服务构件。例 如，服务构件可以是一个持有t c p 连接的进程，可以是运行在应用服务器中的 c o r b a 对象，可以是运行在容器中的分布式构件，也可以实现一简单功能的动态链 接库等。不同技术实现的服务构件在其描述途径和访问方法上存在差异。因此，作为 基于服务构件实现松散耦合分布应用的理念，s o c 同样独立于具体的实现技术。 2 2 3 服务构件组合 服务组合模式包括两种方式：静态服务组合和动态服务组合方式 z m g l 0 4 。 在服务组合中，存在原子服务和复合服务两种形式，原子服务就是可以直接调用、 第2 章实时服务构件研究综述 不依赖其它服务的服务。复合服务就是将原子服务或者其它复合服务组合起来完成一 个复杂功能的服纠q i a n 冽。在服务组合过程中，就存在以下问题： ( 1 ) 如何在服务组合时描述服务之间的交互? ( 2 ) 如何支持服务的各种组合关系? 这就需要我们在描述服务组合时，描述其中涉及的控制流和数据流。工作流通过 恰当地描述活动的业务流程以得到适合于计算机处理的模型，把分布、异构和相对独 立的应用子系统，各种各样的信息资源以及各类人员有机地联合成一个协作系统。因 此，可以利用工作流模型来描述服务组合的控制流和数据流信息。在服务协同模型中 指定各个活动对应的具体服务，利用工作流模型的机制描述其中各个服务之间的消息 传递和控制转移关系。静态组合方式的体系结构示意图如图2 3 所示。 图2 3 静态服务构件组合 为了适应w e b 环境下动态和异构的特点，能够依据新的需求，快速、灵活地集 成各种已有的和新添置的服务实例，实现服务之间的协同和集成，需要提供服务自动 组合的机制【酬0 5 1 。具体而言，不是静态指定服务组合模型中涉及的各个具体服务， 而是需要根据当前运行环境和用户的需求动态检索和绑定、调整具体服务实例 f 柚j 0 5 1 。 其体系结构如图2 _ 4 所示。 需要解决如下问题： ( 1 ) 为了运行时动态绑定服务实例需要在服务组合模型中描述哪些服务需求信 息? ( 2 ) 给定了服务组合模型的描述，如何将各服务组合起来完成复合服务的需求? 实时服务构件的特征语义和行为组装形式化技术研究 图2 4 动态服务构件组合 为了解决动态的服务组合机制，实现动态的服务检索、绑定和组合，我们可以引 入： ( 1 ) 动态服务检索机制：根据服务需求描述和需求约束信息，可以动态检索到符 合需求的具体服务。 ( 2 ) 服务组合规范：定义一种组合描述规范以描述各服务如何进行协同实现服务 组合。 在这些方面，相关团体和研究组织已经提出了各种标准支持服务的发现、检索和 绑定，例如u d d i ，w s d l ，e b x m l 等。u d d i 提供了基于x m l 的元数据目录服务器存 储各服务提供商和所提供服务的描述信息。在u d d i 中可以支持服务的分类管理和基 于关键词的元信息检索。w s d l 是w e b 服务的能力和调用信息的标准描述格式，其 中定义了服务的抽象描述和具体调用方式。这些规范都集中在服务的发现和描述上， 而没有提供服务组合的支持，并且它们提供的功能都只是为服务协同提供了最基础的 使能技术，为了实现服务的动态绑定和组合，还需要进行大量的工作。 值得注意的是，目前在代理技术研究领域有些研究人员也希望在w e b 服务上加 上语义描述信息来支持动态的服务检索、绑定，使得w e b 服务可以成为w e b a g e n t ， 从而利用a g e n t 的协同和组合机制实现应用的自动理解、服务组合和语义w e b 8 i f i n e 0 4 。 服务组合中主要的关键技术有： ( 1 ) 服务描述模型 在服务协同模型中，服务为封装了一定业务逻辑的、完成一定功能的处理单元， 第2 章实时服务构件研究综述 为了使各个服务能够协作、交换信息来完成共同的任务，需要采用标准的方式来描述 服务的各种信息。完整描述服务需要的元信息包括： 物理信息：主要描述服务所关联的具体程序的u k l 地址信息，服务对外提 供的函数的接口信息以及各自需要的输入和输出的参数的格式、个数、顺序 等信息。 性能信息：主要描述服务的服务质量等非功能的性能指标。例如完成服务所 需要的持续时间、使用服务的费用、服务的级别、安全等信息。 语义信息：主要描述该服务所完成功能的语义描述，便于计算机理解、利用 和处理的，为系统中不同实体间的理解和交互提供语义基础。 ( 2 ) 服务的发现和匹配机制 利用协同模型建模时的活动定义和流程实例运行时的动态资源绑定相分离的机 制，克服传统工作流技术中工作流任务与企业信息和计算资源绑定过死的问题，引入 动态查找和绑定机制，并且要和一体化资源管理