Web服务交互过程建模与验证研究.pdf

2023 年 27 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and ApplicationWeb 服务交互过程建模与验证研究包力（内蒙古工业大学，呼和浩特 010080）随着现代经济社会全面进入服务经济时代，现代服务业已经成为了现代经济社会持续发展的新动力1。Web 服务即用户根据实际的生产需求可弹性获取，由云提供商提供的、可扩展的计算资源。然而，单一 Web服务只能提供有限的计算资源。比如，糖尿病患者需要关于如何控制餐后血糖进行信息咨询，这样的信息咨询将在减缓病情发展方面发挥积极作用。影响糖尿病患者餐后血糖的因素有很多，比如胰岛素剂量、每餐热量摄入、日常锻炼等常见因素都可能影响餐后血糖。如果糖尿病患者想预测并干预餐后血糖，就需要这些方面的数据。可用于收集相关数据的常见软件服务有记步服务、热量摄入记录服务、医疗数据分析服务等分属不同的云平台，显然，单一的软件服务无法满足上述需求，需要组合血糖控制咨询服务（负责回答患者问题并提供建议）、记步服务（负责记录患者燃烧的热量）及数据分析服务（负责处理和分析数据）。由这些服务构成的服务组合，将为糖尿病患者提供关于血糖方面的信息咨询。Web 服务组合（以下简称“服务组合”）就是根据客户需求的变化动态增加或释放所需的资源，将跨越不同服务提供商的 Web 服务进行整合，为用户提供增值服务并实现更加复杂的功能。服务组合旨在有效选择、整合来自不同云平台的服务，将跨越云平台边界的服务进行深度整合并实现其功能的扩展与创新，使得这些服务协同工作，为用户提供更加全面、更高质量的功能。跨云服务组合技术将为现代服务业的发展注入新动力。本文组织如下：第 1 节介绍相关研究工作，第 2 节介绍 Web 服务交互模型，第 3 节给出 Web 服务交互模型的行为语义，第 4 节提供了一个案例研究，最后是结论和展望。1相关研究Web 服务组合（Web Service Company）是以业务流程和规则为基础，将若干组件式服务组合成粒度更大的、服务的过程。服务组合方法大体上可分为基于业基金项目：内蒙古自然科学基金项目（2022MS06004）作者简介：包力（1980-），男，博士，副教授。研究方向为软件工程。摘要：Web 服务的正确交互是其成功组合的先决条件，该文提出一种 Web 服务动态交互模型（IWSN），旨在解决 Web 服务的正确交互问题、提升 Web 服务组合的灵活性、保证 Web 服务间的行为兼容性并进一步促进 Web 服务组合在相关领域的应用。IWSN模型基于 Kahn 过程网络（KPN），该网络支持基于数据流和通道的并行计算。基于 Pi-calculus 进程演算定义 IWSN 模型的形式化语义，并讨论 IWSN 模型的性质。最后，通过应用案例演示如何将 IWSN 模型应用于 Web 服务组合及服务交互。关键词：Web 服务；IWSN；进程代数；KPN；服务交互中图分类号院TP311.5文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤27-0008-04Abstract:The correct interaction of Web services is a prerequisite for their successful composition.This paper proposes adynamic interaction Web services network(IWSN),which aims to solve the problem of correct interaction of Web services,improvethe flexibility of Web service composition,and ensure the behavior of Web services.Compatibility,and further promote theapplication of Web service composition in related fields.The IWSN model is based on the Kahn Process Network(KPN),whichsupports parallel computing based on data streams and channels.The formal semantics of the IWSN model is defined based onPi-calculus process calculus,and the properties of the IWSN model are discussed.Finally,an application case demonstrates howto apply the IWSN model to Web service composition and service interaction.Keywords:Web service;IWSN;process algebra;KPN;service interactionDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.27.0028-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期务流程驱动的服务组合和基于即时任务解决的服务组合两大类。一是基于业务流程驱动的服务组合，二是基于即时任务解决的服务组合。在面向 Web 服务的自动化组合方面有许多研究成果。文献2研究了云制造中的服务重构与供需衔接问题，提出了面向云制造的自主性导向（autonomy-ori原ented）服务组合与优化选择方法。为了提高服务选择的准确性，研究者给出了带有波动率分析功能的、基于模糊集的决策方法。针对利用语义 web 服务发现机制发现并选择最合适的候选服务问题，文献3给出一种由 5 个阶段构成的多级工作流编排框架。该框架采用功能属性描述候选服务的行为，并可满足用户目标的动态变化。文献4提出了一种混合 Web 服务自动组合方法，旨在生成具有最佳端到端 QoS 的基于语义输入输出的服务组合，并使参与组合的服务数量最小化。为了使开发者能够高效地进行服务组合，文献5给出了一种可视化的 REST 服务建模框架，该框架由可视化服务组合建模工具和服务开发平台组成。为了提高Web 服务组合测试用例的质量并找出哪条路径导致服务组合失败的概率最大，文献6采用启发式测试用例生成法以获得最优测试路径。2交互Web服务网络2.1Kahn 过程网络Kahn 过程网络（KPN）7是一种基于数据流的计算模型，该模型的优点之一是可以在分布式结构上实现进程的并发通信和执行，这一特点使得 KPN 非常适合于建模 Web 服务交互行为。在 KPN 模型中，并发过程使用节点表示，有序的数据序列使用弧表示（数据序列也称为令牌）。进程通过先进先出的通道相互通信，在KPN 中，使用数据令牌队列表示这些通道。启动 FIFO通道的读取操作需要通信通道中至少存在一个令牌。由于 FIFO 通道的大小是无限的，因此写入操作是非阻塞的。KPN 模型采用异步通信，并且 KPN 计算的输出结果与其执行顺序无关，即进程并发过程中先执行哪个进程对计算结果不产生影响。2.2Web 服务交互网络 IWSN在 IWSN 模型中，Web 服务被建模为 KPN 中的计算进程，Web 服务组合被建模为进程的并发自治网络。进程间通过先进先出的通道进行通信。网络中的每个进程都对消息序列进行自主控制，并且每个进程执行的操作与其他进程的操作并发执行。对于单个进程（服务），其行为建模为其执行的操作。Trace（记录）用于建模进程之间的交互行为，IWSN 模型如图 1 所示。图 1Web 服务交互网络2.3交互 Web 服务网络的定义由于操作是 Web 服务功能的基本单元，IWSN 中Web 服务调用被建模为操作的调用过程，这里使用集合 Operation 表示。IWSN 中，使用进程（Process）建模服务顺序执行操作的集合，即 Process 集合中的一个元素是操作的线性串联。如果一个操作 op1的输出消息是另一操作 op2的输入消息，那么在 op1和 op2之间存在对应关系，这里引入二进制关系 Ro来表示这种类型的关系。在 IWSN 中，符号 T 用来表示进程（Web 服务）的交互记录。定义 1（交互 Web 服务网络）。一个交互 Web 服务网络是一个 6-元组，在这里Service 是 Web 服务的集合;Process 是进程的集合;Operation 是操作的集合;T 表示操作序列的集合;Message 表示出入进程的消息的集合;Ro哿Operation伊Operation 是 Operation 集合上的二元关系。3交互Web服务网络的形式化语义本节给出 Web 服务交互网络的行为语义定义，该语义基于 Pi-演算及其公理化操作语义8。行为语义由2 部分构成，语义转换域和转换函数。首先引入 Pi-演算作为语义转换域，然后给出转换函数定义和转换算法，将 IWSN 模型语义转换为 Pi-演算表达式。设存在可数无限集 N，在 Pi-演算中进程（Process）使用 N 中的元素 P，Q，R（大写字母）表示，进程执9-2023 年 27 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application行的动作使用 N 中的元素 u，v，w，x，y，z（小写字母）表示。Pi-演算表达式使用下面的语法构造P:=0|移Pi|cx.P|（P1|Pn）|x=yP式中：使用数字 0 表示空进程，空进程已经结束，不执行动作;符号移表示非确定性选择，例如，R+P 表达式表示执行进程 R 或 P中的一个;进程顺序执行的表达式为 cx.P，其中 P 是进程，c 是通道名，x 是动作名称，cx.P 从通道 c 读入动作 x，然后执行 P；表达式 P1|Pn表示并行执行进程 P1，P2，Pn；表达式x=yP 表示当通道名称 x 与通道名称 y 相等时，进程x=yP的行为与进程P相同，否则x=yP为空进程。4案例研究4.1车辆保养维修服务案例本节通过汽车保养维修服务案例展示如何应用IWSN 模型建模和验证 Web 服务组合的案例，因为重点建模的服务交互行为，所以服务组合涉及的其他方面的技术细节没有建模。通过这个案例可以看出，即使相对简单的服务组合也会包含复杂的交互行为。业务流程简介如下：汽车保养维修服务（Car MaintenanceProviding Service）接受客户服务（Client Service）的请求，并根据汽车零部件供应商服务（Vehicle PartsProviding Service）和在线金融服务（On-line FinancialService）的响应，检查该请求是否能够得到满足。在这 2个服务确认后，其向客户服务发送一个付款请求。在客户支付了汽车维护费用后，然后将确认消息发送回客户代理。部分消息的含义解释介绍见表 1（在每个含义解释的末尾为每条消息定义了缩写）。下面是基于 Pi-演算的单个 Web 服务的行为及服务交互的描述（表达式中的!符号表示发出消息）。客户服务 Client 的行为描述：Client=!Request.Interactionloop1Interactionloop1=AskInfo.!Pro.Interactionloop1+（Refusal.Client+Accept.!Con.Client）汽车保养维修服务的行为描述：Car=Request.Interactionloop2Interactionloop2=!AskInfo.ProvInfo.Interaction原loop2+!GetPartInfo.PartInfo.Interactionloop2+!GetPaymentInfo.PaymentInfoInteractionloop2+子.（!Refusal.Tour+!Accept.Con.Tour）以下表达式分别是车辆零部件供应商服务和在线金融服务的行为描述：Vehicle=GetPartInfo.!PartInfo.VehicleFinancial=GetPaymentInfo.!PaymentInfo.Financial汽车保养维修组合服务的行为描述：ServiceSystem=（Car|Vehicle|Financial）GetPart原Info，PartInfo，GetPaymentInfo，PaymentInfo其中，消息集合 GetPartInfo，PartInfo，GetPay原mentInfo，PaymentInfo 是一组内部消息，需要使用符号 子 来表示发送和接收操作。表 1部分服务消息含义4.2车辆保养维修服务的形式化验证为了验证服务兼容性，首先需要给出观察等价（Observational Equivalence）的定义。观察等价的定义是判定 2 个服务是否兼容的数学基础，同时，观察等价也可用于验证一个服务是否可以替代另一个服务。定义 2 弱迁移（Weak Transitions）。如果 q=q0寅子q1寅子寅子qn，那么 q圯着q，当 n逸0，其中，子 外部不可见动作的迁移标签；如果 q圯着q，那么 q圯子q；如果 q圯着q1寅aq2圯着q，那么 q圯aq（a屹子）；如果 q圯aq，那么从 q 到 q 是一个弱迁移。定义 3 观察等价（Observational Equivalence）。令 R哿Q伊Q，那么当关系 R 是一个弱等价，如果任何时候 t1Rt2都存在如下迁移关系：如果 t1寅at1，即意味着存在某个 t2 并且 t2圯at2，从而 t1 Rt2；如果 t圆寅at圆，即意味着存在某个 t1 并且 t1圯at1，从而 t1 Rt2；服务消息名称 含义 GetPartInfo 汽车维修提供服务向汽车零部件提供商服务发送可用汽车零部件信息的请求（Get）PartInfo 车辆零部件供应商服务发回相关的车辆零部件信息（Part）Request 客户服务部门对汽车维修安排的请求（Req）GetFinancialInfo 汽车维护提供服务向在线金融服务发送对可用金融信息的请求（GetFi）FiancailInfo 在线财务服务将可用的财务信息发送回汽车维修服务（FiIn）10-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期如果在迁移 t1和 t2上存在一个弱等价关系，即t1Rt2，那么 t1和 t2是观察等价关系，或弱等价关系。定义 4 行为兼容（Behavior Compatibility）。2 个服务 p 和 q 是行为兼容的，记作 compatible（p，q），如果服务 p 与 q 观察等价。根据这个定义，当服务发生交互时，外部观察者不可能区分 2 个过程 p 和 q，并且 2 个服务 p 和 q 行为兼容意味着其存在相反的行为记录。在本案例中，虽然客户端服务也被认为是一个进程，但是客户端进程不包括在 Web 服务组合中。系统的设计目标是按照业务流程生成需求规格，也就是开发的系统需要满足客户的要求，即需要验证车辆保养维修服务是否满足需求规格。因此，服务组合应该与客户端服务在行为上观察等价。客户服务和车辆维修保养服务应该有相反的行为。客户端服务的相反行为是ReverseClient=Request.!AskInfo.Pro.Client+（!Refusal.Client+!Accept.Con.Client）消息集合GetPart Info，PartInfo，GetPayment In原fo，Payment Info 中定义的是外部不可见的内部操作。此时，忽略 ServiceSystem 中的内部操作。将得到了一个系统（这里使用表示），该系统与 Reverse原Client 观察等价。这里对汽车保养维修服务进行可达性分析，通过可达性分析，可能会发现不正确的系统设计，如死锁和关键功能不能满足需求。使用分支时间逻辑计算树逻辑（Computation Tree Logic，CTL）9来验证软件系统是否具有预期属性。首先定义一个逻辑公式来描述系统永远不应该达到的状态，并使用 should_receive 来表示这种状态。对该状态的解释如下。如果在有限数量（可能为 0）的内部执行步骤之后，在客户服务发送请求消息（Req）后，服务客户一定会从汽车保养维修服务接收到响应消息，则系统的 should _receive 值为 true，使用 CTL 描述的系统属性prop Should_Receive：min X=（tt遗tt）遗X5结论与展望本文提出了一种基于 Kahn 过程网络的交互 Web服务模型（IWSN），旨在解决 Web 服务正确的交互问题，同时保证 Web 服务交互过程中的行为兼容性。在介绍 Pi-演算定义的基础上，给出了 IWSN 模型的形式化语义，并给出了 IWSN 模型语义转换算法。在车辆保养维修服务案例中，应用 IWSN 模型描述了业务流程，并给出了服务行为兼容的定义。案例的实验结果证明了提出的方法是可行和适用的。综上所述，基于 KPN 的交互 Web 服务网络具有并发通信机制、可组合性、可执行性等特点，适合于对Web 服务组合过程中的服务交互进行建模。我们未来的工作是实现 Web 服务交互网络的原型系统，为相关技术的市场推广奠定基础。参考文献院1 孟薇.开放型服务经济的发展路径与对策研究J.经济论坛，2017（4）：124-125，152.2 LI C，GUAN J，LIU T，et al.An autonomy-orientedmethodfor servicecompositionandoptimalselectionincloudmanufacturing J.InternationalJournalofAdvancedManufacturing Technology，2018，96（3）：1-22.3 ARULU，PRAKASHS.Towardautomaticwebservicecomposition based on multilevel workflow orchestration andsemantic web service discoveryJ.International Journal ofBusiness Information Systems，2020，34（1）：128-156.4 RODRIGUEZ-MIER P，MUCIENTES M，LAMA M.HybridOptimization Algorithm for Large-Scale QoS-Aware ServiceCompositionJ.IEEETransactionsonServiceComputing,2017，10（源）：547-559.5 孙祖汉，李莹，罗智凌，等.可视化 REST 服务组合框架的设计与实现J.小型微型计算机系统，2017，38（1）：10-14.6 SONG Y，GONG Y.Web service composition on IoT relia原bility test based on cross entropy J.Computational Intelli原gence，2020，3远（源）：员650-1662.7 KAHN G，The Semantics of a Simple Language for ParallelProgramming,Information ProcessingM.N燥则贼澡 匀燥造造葬灶凿，允援蕴援砸燥泽藻灶枣藻造凿，藻凿援（源苑员原源苑缘）：员怨苑源造援8 MILNER R.Communication and Mobile Systems:The Pi-CalculusM.Cambridge University Press,1999.9 CL粤砸运耘 E M，EMERSON 耘 A，SISTLA A P.Automaticverification of finite-state concurrent systems using temporallogic specifications J.ACM Transaction on ProgrammingLan原guages and Syste皂泽，1986，愿（圆）：圆源源原263.ServiceSystem11-