遷移工作流容錯(cuò)執(zhí)行模型及其實(shí)現(xiàn)方法研究.pdf

1、遷移工作流是一類基于移動(dòng)agent計(jì)算模式的工作流管理技術(shù)，它以移動(dòng)agent為范型構(gòu)建一個(gè)或多個(gè)任務(wù)執(zhí)行主體（稱作遷移實(shí)例），以工作位置映射工作流參與者的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和服務(wù)，其中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)表示遷移實(shí)例的工作場(chǎng)所，位置服務(wù)包括運(yùn)行時(shí)服務(wù)和工作流服務(wù)兩部分。遷移實(shí)例可以在某個(gè)工作位置上利用本地資源和服務(wù)執(zhí)行一項(xiàng)或多項(xiàng)任務(wù)，并在必要時(shí)攜帶任務(wù)說明書和當(dāng)前執(zhí)行結(jié)果遷移到另一個(gè)能滿足其要求的新工作位置上繼續(xù)工作。為同一個(gè)工作流創(chuàng)建的多個(gè)遷移實(shí)例可以

2、協(xié)同工作，以滿足并行業(yè)務(wù)過程管理的需要。 因?yàn)檫w移實(shí)例運(yùn)行在一個(gè)跨機(jī)構(gòu)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，所以其任務(wù)執(zhí)行過程容易受不確定性因素的影響，例如主機(jī)故障、鏈路故障、通信故障、服務(wù)程序和服務(wù)資源故障等。上述不確定因素不僅會(huì)干擾遷移工作流的正常執(zhí)行，而且可能導(dǎo)致遷移實(shí)例夭折，甚至遷移工作流失敗，因此，遷移實(shí)例容錯(cuò)是保證遷移工作流可達(dá)性、正確性和可靠性不可或缺的必要機(jī)制。遷移實(shí)例容錯(cuò)主要包括三個(gè)方面：執(zhí)行容錯(cuò)、通信容錯(cuò)和狀態(tài)容錯(cuò)。 ·

3、執(zhí)行容錯(cuò)；執(zhí)行容錯(cuò)是指工作流任務(wù)能夠在所有工作位置上都被遷移實(shí)例可靠執(zhí)行。在遷移工作流模型中，工作流任務(wù)通過遷移實(shí)例在工作位置之間的連續(xù)遷移和就地利用服務(wù)完成，工作位置不僅要為遷移實(shí)例提供運(yùn)行場(chǎng)所，而且要為遷移實(shí)例提供可靠的工作流服務(wù)，任何主機(jī)物理故障或服務(wù)邏輯故障都會(huì)干擾遷移實(shí)例任務(wù)的正常完成。特別是對(duì)于某些要求可靠性較高的長(zhǎng)事務(wù)任務(wù)（如訂票、付款）來說，因?yàn)樯婕暗綄?duì)重要數(shù)據(jù)庫的訪問，需要保證操作的事務(wù)屬性，對(duì)遷移實(shí)例的執(zhí)行過程，需要

4、提供必要的容錯(cuò)保障機(jī)制。 ·通信容錯(cuò)：通信容錯(cuò)是指遷移實(shí)例之間的通信信件能夠被可靠地發(fā)送和遞交。在遷移工作流模型中，通信是遷移實(shí)例之間實(shí)現(xiàn)協(xié)作的基礎(chǔ)，只有保證通信信件能夠被可靠地發(fā)送和遞交，才能保證遷移實(shí)例協(xié)作的成功。存在兩方面的原因會(huì)導(dǎo)致遷移實(shí)例間的通信失?。海?）通信鏈路物理故障，導(dǎo)致信件不能發(fā)出；（2）遷移實(shí)例移動(dòng)，導(dǎo)致信件不能可靠遞交，即當(dāng)信件到達(dá)目標(biāo)主機(jī)時(shí)，接收方遷移實(shí)例已經(jīng)離開。對(duì)于通信鏈路物理故障，可以通過備份鏈路

5、重傳信件。對(duì)于因遷移實(shí)例移動(dòng)而導(dǎo)致的信件遞交失敗，可以通過設(shè)計(jì)合理的遷移實(shí)例位置追蹤和信件轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。 ·狀態(tài)容錯(cuò)：狀態(tài)容錯(cuò)是指遷移實(shí)例的異常狀態(tài)能夠被及時(shí)捕獲和恢復(fù)。遷移實(shí)例的狀態(tài)包括正常執(zhí)行狀態(tài)和異常狀態(tài)，異常狀態(tài)主要是指遷移實(shí)例因某些物理故障或受到安全攻擊而變得不可追蹤或不可用。因?yàn)椴⑿械亩鄠€(gè)業(yè)務(wù)子過程之間通常具有數(shù)據(jù)和時(shí)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，所以，執(zhí)行同一工作流的多個(gè)遷移實(shí)例之間也具有特定的行為依賴關(guān)系。如果某個(gè)遷移實(shí)例的狀

6、態(tài)出現(xiàn)異常，則可能會(huì)引發(fā)其它遷移實(shí)例的狀態(tài)異?；驁?zhí)行阻塞。因此，狀態(tài)容錯(cuò)機(jī)制不僅要能夠及時(shí)地捕獲單個(gè)遷移實(shí)例的異常狀態(tài)并使其恢復(fù)，而且要能夠分析狀態(tài)異常的波及范圍，有效限制異常狀態(tài)的蔓延。 本文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助下，以遷移工作流系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，吸收其他領(lǐng)域的研究成果，重點(diǎn)研究了遷移工作流的容錯(cuò)執(zhí)行模型及其實(shí)現(xiàn)方法，包括遷移實(shí)例的容錯(cuò)執(zhí)行方法、遷移實(shí)例間可靠通信方法、多遷移實(shí)例的協(xié)同監(jiān)控和失敗協(xié)調(diào)恢復(fù)方法等，并通過具體的

7、應(yīng)用案例對(duì)上述研究成果進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。本文的主要工作包括： 1.遷移工作流容錯(cuò)執(zhí)行模型研究 為了實(shí)現(xiàn)遷移工作流的可靠執(zhí)行，本文建立了系統(tǒng)級(jí)容錯(cuò)執(zhí)行模型。模型從服務(wù)層、實(shí)例層、協(xié)作層三個(gè)層次描述了系統(tǒng)存在的故障，及相應(yīng)的容錯(cuò)實(shí)現(xiàn)機(jī)制。文中給出了容錯(cuò)執(zhí)行模型的框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了遷移工作流實(shí)驗(yàn)用例，建立了遷移工作流容錯(cuò)執(zhí)行環(huán)境。 2.遷移實(shí)例容錯(cuò)執(zhí)行模型及其實(shí)現(xiàn)方法研究。 為了實(shí)現(xiàn)遷移實(shí)例的容錯(cuò)執(zhí)行，本文將工作

8、流任務(wù)區(qū)分兩種不同的類型：時(shí)間關(guān)鍵任務(wù)和業(yè)務(wù)關(guān)鍵任務(wù)。時(shí)間關(guān)鍵任務(wù)特指那些對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求較高的短事務(wù)任務(wù)，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、在線軟件更新等。業(yè)務(wù)關(guān)鍵任務(wù)特指對(duì)執(zhí)行可靠性要求較高的長(zhǎng)事務(wù)任務(wù)，如訂票、購(gòu)物、轉(zhuǎn)帳等。由于業(yè)務(wù)關(guān)鍵任務(wù)通常涉及數(shù)據(jù)庫的修改，因此需要保證執(zhí)行的“只一次”性和事務(wù)屬性。本文針對(duì)執(zhí)行業(yè)務(wù)關(guān)鍵任務(wù)的遷移實(shí)例，重點(diǎn)研究了一類基于空間復(fù)制的容錯(cuò)執(zhí)行階段構(gòu)建模型，文中給出了動(dòng)態(tài)階段的概念，定義了動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了階段工作位

9、置選取策略和動(dòng)態(tài)階段構(gòu)建算法。性能和效率分析表明，該模型能夠減少階段提交的時(shí)間和通信開銷，提高容錯(cuò)執(zhí)行的效率。 3.遷移實(shí)例容錯(cuò)通信模型及其實(shí)現(xiàn)方法研究。 為了實(shí)現(xiàn)遷移實(shí)例間的通信容錯(cuò)，本文針對(duì)通信過程中因遷移實(shí)例移動(dòng)而導(dǎo)致的信件不能可靠遞交故障，重點(diǎn)研究了一類基于服務(wù)域劃分和“郵局-郵箱”原理的遷移實(shí)例可靠通信模型，文中給出了通信模型的定義及體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了遷移實(shí)例的命名和尋址方式，給出了主要的通信算法，并對(duì)模型特性和

10、通信效率進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)表明，該通信模型模擬現(xiàn)實(shí)世界中的信件投遞過程，簡(jiǎn)單易實(shí)施，具有較好的可靠性和效率。 4.遷移實(shí)例狀態(tài)監(jiān)控模型及其協(xié)調(diào)恢復(fù)方法研究。 為了實(shí)現(xiàn)遷移實(shí)例狀態(tài)容錯(cuò)，本文針對(duì)因某個(gè)遷移實(shí)例狀態(tài)異常而導(dǎo)致的其它遷移實(shí)例狀態(tài)不一致或執(zhí)行阻塞故障，重點(diǎn)研究了一類針對(duì)多主體協(xié)同并發(fā)過程的協(xié)同監(jiān)控模型及其相應(yīng)的檢查點(diǎn)算法，文中給出了協(xié)同監(jiān)控模型定義，設(shè)計(jì)了監(jiān)控者管理算法，包括監(jiān)控者創(chuàng)建、移動(dòng)與退出，并描述了監(jiān)控信息

11、的獲取與處理過程以及基于監(jiān)控的檢查點(diǎn)過程。性能和效率分析表明，監(jiān)控模型能夠?qū)嵤?duì)遷移實(shí)例有效的監(jiān)控，通過監(jiān)控者的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)后全局一致性狀態(tài)。 本文工作的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在： 1.針對(duì)工作位置故障導(dǎo)致的遷移實(shí)例執(zhí)行過程受阻問題，提出了一種基于空間復(fù)制的容錯(cuò)執(zhí)行階段構(gòu)建模型。該模型有效降低了空間復(fù)制法的時(shí)間和通信開銷，提高了遷移實(shí)例執(zhí)行容錯(cuò)方法的可用性。 該模型通過合理規(guī)劃遷移實(shí)例的任務(wù)執(zhí)行階段，避免了遷移實(shí)例

12、執(zhí)行過程中對(duì)工作位置的不必要重訪，降低了總體運(yùn)行時(shí)間；通過工作位置動(dòng)態(tài)服務(wù)優(yōu)先級(jí)的設(shè)定和計(jì)算，使得工作位置在不同時(shí)刻相對(duì)于不同的遷移實(shí)例具有不同的服務(wù)優(yōu)先級(jí)，因而能夠更加準(zhǔn)確地反映工作位置作為遷移實(shí)例運(yùn)行時(shí)環(huán)境的適合程度；通過盡可能選取上一階段使用過的工作位置的策略設(shè)定，使得遷移實(shí)例既能夠選取到執(zhí)行環(huán)境中最優(yōu)的工作位置，又減少了階段提交的通信開銷。 2.針對(duì)通信鏈路故障和遷移實(shí)例移動(dòng)性導(dǎo)致的通信失敗問題，提出了一種基于服務(wù)域劃分

13、的遷移實(shí)例容錯(cuò)通信模型。該模型具有簡(jiǎn)單易用、高可靠性和高效率的特點(diǎn)，并且對(duì)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大具有良好的適應(yīng)性。 該模型借助業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)度的概念把工作位置劃分成不同的服務(wù)域，在服務(wù)域上設(shè)置郵局，在郵局中為本域創(chuàng)建和外域遷來的遷移實(shí)例設(shè)置信箱，并通過熟人地址簿建立地址緩存機(jī)制，以便地址查詢。每個(gè)遷移實(shí)例都有兩個(gè)信箱：源信箱和活動(dòng)信箱?；顒?dòng)信箱由遷移實(shí)例隨身攜帶，以方便信件的直接投遞和提取；源信箱固定存放在遷移實(shí)例的創(chuàng)建地郵局，用以支持信件直接

14、投遞失敗時(shí)的信件轉(zhuǎn)發(fā)。該模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）雙信箱機(jī)制。雙信箱機(jī)制可以有效避免遷移過程中發(fā)生的信件丟失，并保證信件的“僅一次（exactly-once）”提交；（2）熟人地址簿機(jī)制。熟人地址簿機(jī)制支持高效透明的遷移實(shí)例尋址，不僅可以有效降低通信地址查詢時(shí)間，而且可以減輕遷移實(shí)例通信對(duì)創(chuàng)建地的依賴，降低系統(tǒng)在遷移實(shí)例注冊(cè)、注銷等方面的開銷，增強(qiáng)系統(tǒng)健壯性和提高工作效率。 3.針對(duì)遷移實(shí)例異常狀態(tài)捕獲與恢復(fù)問題，提出了一種層次型

15、協(xié)同監(jiān)控模型（HCM3）。該模型可以有效捕獲和處理遷移實(shí)例的狀態(tài)信息，避免遷移實(shí)例夭折造成的工作流執(zhí)行失敗。 該模型將遷移實(shí)例狀態(tài)監(jiān)控看作一個(gè)多監(jiān)控者的協(xié)同工作過程，多個(gè)監(jiān)控者協(xié)同監(jiān)控執(zhí)行同一工作流的所有遷移實(shí)例，并通過監(jiān)控者之間的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)不同層次異常狀態(tài)的捕獲、處理和恢復(fù)。該模型具有以下特點(diǎn)：（1）監(jiān)控層次性。監(jiān)控者之間具有層次關(guān)系，并與遷移實(shí)例之間的層次關(guān)系相對(duì)應(yīng)，不但可以針對(duì)不同的遷移實(shí)例定制監(jiān)控內(nèi)容和監(jiān)控手段，而且能夠診

16、斷并處理在遷移實(shí)例層和過程層發(fā)生的異常情況，協(xié)調(diào)不同層次間的監(jiān)控者行為；（2）監(jiān)控并發(fā)性。監(jiān)控可以在不同層次上同時(shí)進(jìn)行，通過監(jiān)控者之間的協(xié)調(diào)達(dá)到狀態(tài)的一致，在一定程度上解決了集中式監(jiān)控的單點(diǎn)瓶頸問題，提高了監(jiān)控效率；（3）監(jiān)控可靠性與監(jiān)控效率。模型在多個(gè)監(jiān)控者之間分散監(jiān)控失敗風(fēng)險(xiǎn)，同集中式監(jiān)控相比具有較高的可靠性，同時(shí)對(duì)每個(gè)遷移實(shí)例僅分配一個(gè)監(jiān)控者，避免了過多冗余監(jiān)控者帶來的額外開銷。 由于遷移工作流的特殊性，也由于遷移工作流管

17、理尚是一個(gè)剛剛開始的研究新領(lǐng)域，因此，無論是理論研究還是應(yīng)用方面都還遠(yuǎn)未成熟。本文進(jìn)一步的研究工作包括： 1.協(xié)同監(jiān)控模型的進(jìn)一步完善。本文關(guān)于遷移工作流的協(xié)同監(jiān)控模型還處于概念驗(yàn)證階段，一方面系統(tǒng)對(duì)許多參數(shù)做了假定，如僅設(shè)定有限種類的故障類型，而且不考慮監(jiān)控者的失敗情況等；另一方面實(shí)驗(yàn)案例較單一，沒有結(jié)合系統(tǒng)做大量深入的定量分析。下一步的工作將進(jìn)一步考慮環(huán)境的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，完善算法，并在已有的定性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的各