【毕业学位论文】（Word原稿）服务计算平台统一监控工具的设计与实现-计算机软件与理论

分类号 密级 U D C 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 网驰 服务计算平台 监控工具 的设计与实现 指导教师 魏峻 研究员 中国科学院软件研究所 申请学位级别 硕士 学科专业名称 计算机软件与理论 论文提交日期 论文答辩日期 培养单位 中国科学院软件研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。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。 签名： _ 日期： _ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学院软件研究所有关保留、使用学位论文的规定，即：中国科学院软件研究所有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；中国科学院软件研究所可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 签名： _ 导师签名： _ 日期： _ 中国科学院软件研究所 硕士学位论文 摘要 i 网驰 服务计算平台 监控工具 的设计与实现 蒋岸明 导师： 魏峻 研究员 摘 要 务技术作为面向服务计算范型的主要实现技术，有效提高了异构环境下分布式应用的开发效率，降低了其开发成本。 务应用 系统中监控的目的在于保证系统 运行时的质量，并为应用系统的优化提供依据。由于 务具有高度的分布性、动态性，自主性等特点，基于 务的应用系统 运行时 的系统行为难以预期，这对 务应用的监控提出了 很大 的挑战 。 论文首先研究和分析了 务 及其组成的系统 当 中 的 监控需求 ，确定了务 控，流程 运行时监控以及复合服务 估三个方面的研究内容。 在 对以上 问题 进行 深入 分析 的 基础 上， 论文 提出 了 一种 基于监控事件匹配的流程运行时监控方法，解决了流程运行时监控中监控事件先后 次 序颠倒，流程执行路径难以确定等问题； 另外，通过 综合考虑流程结构，流程执行历史信息和 成员 务 论文 设计了一种复合服务 估方法 ， 能够对 业务流程运行时 动态 服务绑定下的 行评估 ，为 业务 流程 的设计及 运行时的服务选择提供了 有力的依据 。 最后 论文 基于 网驰服务计算平台，设计和实现了 服务计算平台 监控工具， 将前述研究成果引入其中。 并 通过 在线旅游预订应用案例， 对监控工具进行了 功能性 测试 。 关键词 ： 服务计算 ， 监控 ， 国科学院软件研究所硕士学位论文 网驰服务计算平台监控工具的设计与实现 国科学院软件研究所硕士学位论文 英文摘要 eb is to be of is to of to As is of is of of as as of of of on In a is is on as a oS is oS to a is of is a is to of at of 目录 v 目 录 第一章 绪论 . 1 究背景 . 1 务计算的发展及面向服务体系架构 . 1 务技术 . 2 务计算中的监控 . 2 究内容 . 3 文组织 . 4 第二章 务及其监控技术综述 . 5 向服务体系架构 . 5 概念 . 5 架构 . 6 务技术 . 7 务协议栈 . 8 言 . 9 务 . 10 务计算平台监控的相关研究 . 12 务 控相关研究 . 12 程运行时监控 . 14 合服务 监控与评估 . 15 第三章 务 控及复合服务 估 . 17 务 监控 . 17 务 控分析 . 18 于 监控技术 . 19 务客户端监控原理 . 21 合服务 评估 . 22 构化活动 评估 . 23 合服务 评估 . 27 第四章 流程运行时监控 . 31 程运行时监控概述 . 31 程运行时监控问题分析 . 32 控事件时序图及监控事件匹配算法 . 33 控事件时序图 . 34 控事件匹配算法 . 36 第五章 网驰服务计算平台监控工具的设计与实现 . 39 关系统介绍 . 39 介 . 39 介 . 40 控工具系统架构 . 42 念视图 . 42 中国科学院软件研究所硕士学位论文 网驰服务计算平台监控工具的设计与实现 组件图 . 43 件交互图 . 44 控工具的实现 . 47 控事件消息格式 . 47 控工具中的 现 . 49 要模块的设计与实现 . 50 用案例及监控测试 . 53 用案例 . 53 控工具测试 . 54 第六章 结束语 . 59 文的主要贡献 . 59 文下一步工作 . 60 参考文献 . 61 发表文章目录 . 63 致 谢 . 65 中国科学院软件研究所硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 本章介绍研究背景、 研究内容 和论文组织。 究 背景 务 计算 的发展 及面向服务体系架构 发展与普及为软件技术带来了新的思路与挑战，继推动人与人间（ ） 、人与应用间交互模式的革新 （ C/S， B/S 应用） 后， 态多变的计算环境、开放灵活的系统范围、分布自治的资源 以及异构的实现技术 需要与之相适应的 新的计算范型 。并且，社会发展的全球化、 专业化趋势使企业面临快速变化的市场、不同的政策法规、灵活的协同关系，这一切都要求企业应用能够快速响应变化，以集成和重组的方式适应新的业务模式和需求变更，这些对软件系统的敏捷性提出了更高的要求。 传统计算范型面对的是相对静态、封闭的计算环境，难以应对 算环境和业务敏捷性需求带来的新挑战。具体而言，在体系结构上，传统计算范型难以刻画计算单元的分布、自治特征，交互的开放、松散耦合特性，以及应用的敏捷特质；在支撑平台上，传统技术难以适应动态、开放、异构、自治的 支持软件系统 的快速集成、在线演化。 针对上述问题，面向服务计算范型 (1应运而生。面向服务计算范型通过定义良好的契约整合异构资源，强调自治、面向重用的计算单元间松散耦合的自动化交互，倡导通过面向业务的灵活流程来构造应用。比较传统计算范型，面向服务计算范型引入了更具柔性和适应 算环境特征的软件体系结构，即面向服务体系 架构 （ 2。 面向服务的体系 架构 (一种组织和 利用处于不同 控制 域下的分布式能力的计算范型。 它提供了以面向服务方式构建软件系统的方法。在面向服务的体系架构（ ，服务提供者将各种计算资源以服务的形式进行封装，并通过定义良好的接口向外部程序提供不同的功能单元，使得应用程序和这些资源能够以一种统一和通用的方式进行交互，而且这种交互是平台无关，语言无关的。 基于 软件系统，使用标准的组织和设计方法，将分散于网络中的一系列共享服务有机地组合起来以满足业务逻辑的需求。通过采用能够隐藏实现细中国科学院软件研究所硕士学位论文 网驰服务计算平台监控工具的设计与实现 2 节和复杂性的标准界面，以松散耦合的方式构建应用程序， 够提 高 源的重用率，从而加快了开发速度并能够快速变换以响应业务逻辑的变化。 其 服务自治、松散耦合、面向重用、基于契约 等 特点能够很好地适应 算环境特征，而面向业务的灵活应用则在很大程度上满足了企业的业务敏捷性需求。 虽然 在 1996 年 就由 司提出 ，但 广泛采用 却是由于近年来 务的兴起和普及 3。 务 技术 务是当前最被广泛接受的面向服务计算体系架构（ 实现。务提供了一套基于 服务传输、描述、查找机制，包括 简单对象 传输 协议 、 务描述 语言 、 务的 发现和集成 等， 具有平台无关、互操作性强的特点，很好的解决了异构平台环境的互操作问题，从而使 围 内 跨组织的交互变得异常简单。 但是，现实中的应用一般都非常复杂。为了分散和简化应用逻辑，提高服务可重用性，单个 务都不可能做得非常复杂，因此现实中复杂服务的应用需要组合多个简单的 务。其次， 用是基于不同方式的异构系统而建立的， 服务组合需要 将松散耦合的、分散的各类 务 有机地组织成一个可用的系统。 7规范是目前支持面向流程的 务 组 合的主流规范，它使编程人员专注于业务逻辑，通过对 务 的编制 (实现业务流程 。 同时 用 述的业务流程是完全可执行 和 可移植的 ，因此 一步分离了业务逻辑与实现细节，提高了业务流程构建的敏捷性。 际上 已经 成为 务 组 合事实上的标准 。 务 计算中 的监控 传统的企业级应用系统，其运行环境相对稳定 。而 基于 务的应用系统，具有高度的 分布性、动态性 ，自主性 等特点 。 应用中 务可能分布在网络上的不同位置，隶属于不同的组织。并且服务 能够在运行时动态地 被 查找，选择 和绑定。这使得基于 务的应用系统的 运行环境 和 系统行为 都 难以 预知。 基于 务 技术的应用 的 难以 预知性 主要 表现在如下几个方面： a) 第三方服务在不改变接口的情况下，改变 其 内部实现 ； b) 流程在运行时 动态的选择第三方服务的提供商 ； c) 流程在运行时 动态的选择同一服务提供商的新版本 服务 ； d) 所依赖的第三方服务的执行环境可能发生动态的改变 ； 在服务计算领域， 服务质量 (8描述的 是服务的业务中国科学院软件研究所硕士学位论文 第一章 绪论 3 功能之外的非功能属性，如性能（包括响应时间、吞吐量等 ）、可用性（即服务无故障工作的时间比率）、安全、事务完整性、 可靠性、可伸缩性等。 由于 行环境的 不可预知性， 为 服务能否在商业中 取得成功的最 关键 的 因素 之一 。当存在大量相同功能的服务提供商时，好的 够为服务提供商提供更大的竞争优势。 务的 经成为服务提供者和服务消费者考虑的首要因素 之一 。 为了保证应用系统 运行时的 企业带来更大收 益， 必须 对动态、不可预知环境下的应用系统 中的各种组件 进行实时的监控。保证系统运行质量，并为系统的改进提供依据。 服务计算平台的监控需求 包括以下三个方面 内容 ： (1) 务 监控： 务 的 用户关注的关键因素之一 ，同时 服务的 是影响复合服务 关键因素之一 。因此，有必要对 务的 行监控； (2) 流程运行时的监控： 业务流程是当前组合 务的主流方法。 基于流程的应用系统中 ， 流程是实现应用系统 业务逻辑 的核心。流程执行的正确与否关系着应用系统是否能够达到预期的应用目标；流程的执行 状态反映了 业务 当前所处的状态；流程执行路径的监控对于分析应用特征以及改进业务流程的设计都非常重要。 因此，有必要对流程进行运行时的监控； (3) 复合服务 评估： 务动态性，系统行为难以预知 等特点，使得复合服务的 难以预知。而复合服务的 接影响着应用的市场竞争力及其在商业中的成功应用。 而运行时的监控难以反映复合服务长期的服务质量，因为监控得到的 据可能是在不同的服务绑定下获取的。 因此， 有必要对复合服务 在不同 服务绑定下 的 行评估 。 从而能够为 流程设计以及 运行时的服务选择提供依据。 究内容 基于上述 研究背景， 本 文 研究工作主要集中在如何对服务计算平台 上 应用系统 中的 各种组件 进行监控 以及 对 应用 整体的 服务 质量 进行 评估 。 (1) 论文 首先分析 了服务计算平台上应用系统的特点，对应用系统 的监控需求进行了分析 ， 确定了 务 控，流程 运行时 监控以及 复合服务 (2) 论文接下来针对 这 三个方面的研究内容展开，分别对三 个 研究内容 当 中存在的问题进行了分析 。 通过在流程 运行时 监控中引入流程结构信息， 论 文 解决中国科学院软件研究所硕士学位论文 网驰服务计算平台监控工具的设计与实现 4 了 流程执行路径 监控、监控事件先后次序颠倒 等 问题 。并 通过结合流程执行历史信息 ，流程 结构 以 及 成员 务 出了一种复合服务 估 方法 。 (3) 在以上分析和研究的基础上， 论文 基于 中科院软件所 软件工程中心 务计算 平台 ， 设计和实现了服务计算 平台的 监控工具 ，能够对应用系统 中 的 务的 务流程 运行时状态进行 监控，并能够对应用系统整体的 行评估 。 文组织 论文的后续章节按以下方式组织： 第二章 介绍相关工作 。首先 对 面向服务体系架构 、 务 技术 、 务进行了简单的介绍。接着分别介绍了服务计算平台监控中 务 程 运行时 监控以 及 复合服务 估三个方面 研究内容 的研究现状和存在的问题 。 第三章主要介绍 务 监控及 复合服务 估 的 方法 。本章首先对 务 监控进行了分析， 采用 基于 技术路线对 务的 行监控 ，着重分析了 客户端监控方法 。本章接下来 对当前 复合服务 评估方法进行了分析，提出了一种基于流程执行历史 ， 流程结构 和成员 务 复合服务 估方法。 第四章 介绍 流程 运行时 监控 。 针对监控中存在的当前执行活动 难以确定 ，流程执行路径 难以确定 以及 监控事件 存在先后 次 序颠倒 的 现 象 等问题展开研究和分析，通过在监控中引入流程结构信息，采用监控事件匹配的方法，能够 对 以上问题 实现 统一的解决 。 第五章 介绍服务计算平台 监控工具的设计与实现。 具体介绍了 监控工具的框架结构 ，监控中的 现 以及工具中各个模块的设计与实现。 并基于在线旅游应用案例对监控工具进行了功能性测试。 最后，第六章对全文工作进行总结。我们列举了论文工作的主要贡献，并且对进一步研究提出展望。 中国科学院软件研究所硕士学位论文 第二章 务及其监控技术综述 5 第二章 其 监控 技术 综述 务技术是当前最被广泛接受的面向服务计算范型的实现技术。 本章 首先对面向服务体系架构进行简介，接下来对 务 相关 技术 以及 服务计算平台中的 监控进行 阐述 。 向服务体系架构 绪论中提到，面向服务体系架构（ 有 服务自治、松散耦合、面向重用、基于契约 等 特点 ， 能够很好地适应 算环境特征 ，使企业能够 快速响应业务需求变化 。下面简单介绍一下 概念。 概念 关于 前尚未有一个统一的、业界广泛接受的定义。一般认为： 将应用程序的不同功能单元 服务（ 通过服务间定义良好的接口和契约（ 系起来。接口采用中立的方 式定义，独立于具体实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言，使得构建在这样的系统中的服务可以使用统一和标准的方式进行通信。这种具有中立的接口定义（没有强制绑定到特定的实现上）的特征称为服务之间的松耦合。 从上述定义，我们可以看到： 1) 一种软件体系架构。 是一种语言，也不是一种具体的技术，更不是一种产品，而是一种软件体系架构，它尝试给出在特定环境下推荐采用的一种架构，从这个角度上来说，它其实更像一种架构模式(是一种理念架构，是人们构建面向服务应用的解决方案框架。 2) 服务（ 整个 现的核心。 构的基本元素是服务，定一组实体（服务提供者、服务消费者、服务注册表、服务条款、服务代理和服务契约），这些实体详细说明了如何提供和消费服务。遵循 点的系统必须要有服务，这些服务是可互操作的、独立的、模块化的、位置明确的、松耦合的并且可以通过网络获取其地址。 本文认为， 一种松散耦合、语言和协议无关、基于开放标准的分布式软件体系架构，它将互联网上的计算资源以服务的形式进行包装，并通过定义良好的接口和契约将一系列服务组合起来，构建应用程序。 有下 列特征： 1) 服务的封装（ 将服务封装成用于业务流程的可重用组件。它提供信息或简化业务数据从一个有效的、一致的状态向另一个状态的中国科学院软件研究所硕士学位论文 网驰服务计算平台监控工具的设计与实现 6 转变。封装隐藏了复杂性。服务的 持不变，使得用户远离具体实施上的变更。 2) 服务的重用（ 服务的可重用性设计显著地降低了成本。为了实现可重用性，服务只工作在特定处理过程的上下文（ ，独立于底层实现和客户需求的变更。 3) 服务的互操作（ 互操作并不是一个新概念。在 就已经采用互操作技术了。在 ，通过服务之间既定的通信协议进行互操作。 供服务的互操作特性更利于其在多个场合被重用。 4) 服务是自治的（ 能实体。服务是由组件组成的组合模块，是自包含和模块化的。 常强调架构中提供服务的功能实体的完全独立自主以及自我管理和恢复能力。 5) 服务之间的松耦合度（ 服务请求者到服务提供者的绑定与服务之间应该是松耦合的。这就意味着，服 务请求者不知道提供者实现的技术细节，比如程序设计语言、部署平台 等等。这个松耦合使会话一端的软件可以在不影响另一端的情况下发生改变，前提是消息模式保持不变。 架构 图 面向服务的体系架构图 图 示为面向服务的体系架构图，面向服务的体系架构以服务作为基本的构造单元，支持异构环境下分布式应用的快速、低成本的组合式开发。面向服务计算的理想境界是形成一个服务协作的世界。面向服务的体系架构包括四个组成部分： 1) 对 源的 一种包装，向外提供了 源的一种统一视图，屏蔽了 源的内部差异。 中国科学院软件研究所硕士学位论文 第二章 务及其监控技术综述 7 2) 责进行服务的注册和发布，并提供服务的查找接口。 3) 服务提供者，将互联网上的 源以服务的形式包装，并向 布。 4) 服务请求者，通过 找服务描述信息，并向 行服务的调用。 源抽象为服务后，屏蔽了语言和平台的差异，解决了异构平台的交互问题，是软件体系架构的重大进步。 然早在 1996 年就被提出，但 广泛采用却是由于近年来 务提供了一套基于 服务传输、描述、查找机制，包括简单对象传输协议 务描述语言 务的发现和集成 ，具有平台无关、互操作性强的特点，很好的解决了异构平台环境的互操作问题。 务的特点符合 系架构的理念， 目前作为 系架构的主要实现方式被广泛采用 。 务为各种 源提供了一种统一和标准方式的封装，以提供某种信息或者完成一个独立的功能；这种封装使用可编程的方式和标准的基于 语言和协议进行描述，并且可以通过自描述的接口进行调用。 中国科学院软件研究所硕士学位论文 网驰服务计算平台监控工具的设计与实现 8 务协议栈 图 务的协议栈 如 图 示 ， 务的协议栈分为网络通讯、消息框架、服务描述、服务 服务组合五个层次。 1) 网络传输层 ： 务不和特定的网络协议绑定， 客户可以通过各种不同的网络协议访问 务。例如， 可以是 应用层协议，也可以是 网络层协议。 务一般与 议绑定。 2) 消息层 ： 该层定义 务的消息 传输 框架， 议是 务中使用最广泛的消息 传输方式 ，一般的 务中间件也称为 擎。除了 务还有一些其他访问方式，比如 式允许用户直接通过 用相应的 务 。 3) 服务描述层 ： 基于 务描述语言，提供功能性描述和非功能性的描述接口。功能性描述 描述了 务的接口，包括可用的操作、操作参数、数据类型和 访问协议。 务的客户端可以使用 务的接口信息，绑定到 务的提供者，并且调用其服务。同时， 供非功能性描述的扩展接口，用户可以描述包括服务可用性、可靠性、可扩展性、安全、认证、（事务）集成等非功能性特性。 中国科学院软件研究所硕士学位论文 第二章 务及其监控技术综述 9 4) ： 务的描述语言 身并未定义的服务 性， 务的 性是有 协 议 族 提 供 的 ， 包 括 、0和 1等。 5) 服务复合层 ： 以上四层均描述了单个服务 的信息，服务组合层提供了对复合服务的支持，目前广泛使用的服务复合语言是 言 一种基于 业务流程编排语言，作为一种 务复合语言，它描述了一系列 务交互过程，同时也描述了一个控制流（即服务交互的顺序）和数据流（即各个组成服务之间的数据交换） 。 它使编程人员专注于业务逻辑，通过对 务的编制 (实现业务流程。同时 用 述 的业务流程是完全可执行 和 可移植的 ，因此 一步分离了业务逻辑与实现细节，提高了业务流程 构建的敏捷性。 图 是一个简单的可执行 程片断。 图 程片断 用活动 (为构造流程的基本元素。在 ，活动被分成两种：一种是基本活动 ( 这些是最基础 、 不基于 不包含 其它活动的活动，主要有： 中国科学院软件研究所硕士学位论文 网驰服务计算平台监控工具的设计与实现 10 1) 赋值 。 2) 同步或 异 步地 调用 一个 务 。 3) 提供一个同步或者非同步呼叫一个 务的接口 。 4) 提示一个错误，一个故障处理可以处理这样的错误。假如一个错误不 被处理的话它最终到达最高层后导致过程的终止 。 5) 等候一个时机或者一段时间 。 6) 无所事事 ，比如在一个错误发生后可以不做反应来消除这个错误 。 另一种是 结构 化 活动 ( 这些活动可以包含 其它活动，可以以此建立复杂的过程 。 结构型活动被用来描述顺序，分支，循环 ，并发 等控制流，主要有： 1) 顺序的 处理一系列活动 ； 2) 在 条件满足的情况下 循环 处理一个活动 ； 3) 在 不同条件 下选择 处理不同活动 ； 4) 平行或者按照随意顺序处理活动 ； 5) 按照外部事件 选择 处理的活动 ； 6) 使用这个结构可以将一组活动组织在一起作为一个处理单位。通过这个组织方法 ， 多个活动可以使用同一个故障处理、事故处理和补偿处理。 此外， 还定义了 概念， 流程中的数据容器，可以被活动读取与赋值；而 用来表示与流程服务交互的其他外部服务 (流程的调用者也被看成是 用 建的应用程序被称为基于流程的应用程序 。这种应用程序结构把应用程序分割成 两层：上层的业务流程是用 写的，它表示应用程序的流程逻辑；下层的 务表示应用程