基于工作流和QoS的物联网服务组合技术研究

潘俊虹

（武夷学院数学与计算机学院，福建武夷山354300）



基于工作流和QoS的物联网服务组合技术研究

潘俊虹

（武夷学院数学与计算机学院，福建武夷山354300）

摘要：物联网近年发展迅猛，由感知层RFID采集的数据经过传输层进行处理为应用层提供数据资源。但是海量的数据如何进行组合调度以及物联网环境下对信息的整合都面临较大的挑战。采用Web Services技术，依据Qos指标建立了一种基于工作流的物联网Web服务组合模型，并实现对Web服务的评价和动态组合，可以对物联网Web服务进行重组和优化，从而提高物联网Web服务组合调度的准确度、灵活性、可用性和智能化。

关键词：工作流QoS；物联网；Web服务；动态组合调度

物联网（the internet of things，IOT）顾名思义就是物物相连的互联网。主要是通过射频识别（RFID）、红外感应、激光扫描、全球定位系统等信息传感设备，通过相应的协议，将各种物品互联进行信息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种新型网络［1］。物联网基本架构可以分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层主要有RFID系统组成，感知层搜集物体或者环境信息通过网络层进行数据转发，为应用层提供必要的信息资源。为了增加RFID标记的物品可见性，需要创建具有关联RFID的Web服务，将内部的Web服务连接到集成服务器，然后再通过SOA（service-oriented architecture，面向服务的体系结构）实现服务互联化，最终在异构网络间实现信息的采集、交换与共享。然而由于物联网连接的目标是具有感知功能的物理设备，且企业各自建设的物联网系统没有统一的标准，服务所在环境动态变化等原因，用于传统虚拟实体的Web服务标准无法直接应用现有物联设备。所以需要对传统Web服务模型进行扩展，通过物联网应用中间件技术及多层关键技术融合与集成应用［2］。本文通过基于工作流和服务质量QoS （quaLity of service）动态组合技术构建了一种物联网服务组合模型实现对物联网服务的组合，提高服了服务的准确性和灵活性。物联网Web服务架构如图1所示：

图1 物联网Web服务架构

1 物联网服务组合技术

服务组合技术是基于软件重用的理念，把系统中现有的Web服务，按照一定规则组合从而创建新的满足用户复杂功能需求的高质量服务。Web服务组合已经是业界研究的热点，然而Web服务组合尚未有一个统一定义，研究者也从不同角度出发对其进行了大量研究，按照方法论的角度大致可以分为三种：基于工作流的服务组合、基于智能规划的服务组合、基于软件工程方法的服务组合。其中基于工作流的服务组合技术主要借鉴工作流技术中的建模方法，服务描述语言吸收了工作流模型的成果。目前，基于流服务组合研究主要集中Web执行流程，主要有：BPEL4WS （business process execution Language for Web services）、BPML（business process modeLing Language）、EFLOW等［3］。

2 基于工作流的Web服务组合参考模型

基于工作流的系统执行过程实际上对分散的Web服务进行组合的过程。首先定义业务领域的数据、服务及流程模型。服务层数据模型定义了在服务间交换、提供服务请求所使用的业务层数据。流程模型定义采用了WS-BPEL方式实现业务流程。模型定义完毕后，系统可利用Web服务平台，创建使用原子服务和合成服务的业务流程。Web服务平台具有发现已有服务、注册新的合成服务、安全访问已有服务等功能［4］。基于工作流的Web服务组合参考模型如图2所示：

图2 工作流服务组合参考模型结构图

3 基于工作流的物联网Web服务组合建模

3.1 工作流中的Web服务描述

在物联网中，设备服务作为一个Web服务组件出现在网络中，提供数据采集和设备控制功能。而工作流引擎或者其他上层应用通过建立在HTTP等协议之上的SOAP协议实现对设备接口的调用。在工作流引擎中需要对Web服务的操作、访问该操作的服务位置信息、参数信息等进行描述。对参数的描述包括名称、类型以及是否需要输入参数和输出结果等，以方便工作流引擎可以根据这些信息对各个活动节点进行绑定和对Web服务进行合理有序的调用。因此为了方便系统解读，本文利用XML对Web服务进行如图3所示代码规范化描述：

图3 物联网Web服务描述

3.2 服务流程定义描述

本文通过一个四元组的形式对服务流程定义描述如下：

＜Identity，Description，ActivitySet，TransitionSet＞

其中：Identity表示服务流程定义的唯一标识；

Description表示对改流程定义的描述；

ActivitySet表示流程中的节点集合；

TransitionSet表示服务流程中服务组合的依赖关系。如下图4所示代码描述：

图4 服务流程定义描述

3.3 QoS模型与计算

服务质量QoS（QuaLity of Service）是各种存在服务供需关系场合中普遍存在的概念。用于评估服务提供方满足客户服务需求的能力。在面向物联网环境中，由于Web服务的未知性和随意性，服务质量也就具有很强的不确定性，且随着Web服务数量的不断增加，服务请求在服务功能满足需要的情况下，对服务质量要求越来越高［5］。本文在综合分析了现有的QoS模型的基础上，结合物联网环境下服务的特点选择执行成本（RC）、执行时间（RT）、服务声誉（AC）、可靠性（RE）、可用性（AV）五个参数指标来衡量服务质量和动态组合新的服务。本文采用的QoS计算模型如下：

从上述模型中可以得出服务质量QoS的值为：

QoS=Wrc+Wrt+Wac+Wre+Wav；

W代表使用或定义服务的用户凭借经验构造的不同因素的值，值越大表示性能越优越。在服务查找过程中，用户调用精确的匹配来查找符合要求的服务。在所有查询得到的服务中再通过查询每个服务包含的评价因素值，求得每个服务的QoS值，选取QoS值最大的服务进行绑定，最后在运行时实现调用。

3.4 工作流引擎

本文采用工作流引擎为Apache ODE，该引擎支持BPEL、Xforms、WebService，框架比较灵活。ODE BPEL编译器、ODE BPEL运行时、ODE数据访问对象（DAOs）、ODE集成层（ILs）和用户工具之间耦合度低。引擎是驱动流程流动的主要部件，主要功能包括：流程定义的导入导出、同客户端应用程序和工作列表处理程序之间的交互、软件工具和应用程序的调用、不同工作流管理系统之间的协同工作、管理和监视功能。

4 物联网Web服务组合过程

在上述工作完成之后，本文就可以利用工作流引擎进行调度服务。工作流引擎主要任务是负责解析流程定义，管理流程创建，控制流程运行以及与外部应用系统协同工作。工作流引擎调度执行过程如图5所示：

图5 基于工作流的动态Web服务组合

引擎启动后根据配置信息初始化引擎的配置，然后解析流程定义文件适配成流程模型，并存储到数据库中。引擎执行时首先创建并启动流程实例，将活动节点绑定外部应用。一旦执行到应用活动，则会调用相应的外部处理程序处理并将结果数据返回存储到流程变量然后继续执行直到流程执行完毕。具体执行步骤如下：

（1）服务消费用户提交服务需求，需求包含功能描述、输出要求、参数、Qos信息等；

（2）查询流程定义库是否有相符的流程定义，若有则交给引擎执行，否则进入步骤3；

（3）分析用户提交的服务描述，提取所需的Web服务及各Web服务之间的依赖关系；

（4）根据对流程定义的描述和Web服务之间的依赖关系建立流程模板；

（5）从UDDI服务注册中心查找分析得到的Web服务，并根据QoS计算方法和Web服务依赖关系计算组合服务的QoS属性，选择满足用户需求的Web服务并绑定到流程模板。

（6）将完整的流程定义文件部署到工作流引擎中执行，执行完毕将结果返回用户。

5 小结

本文通过对基于工作流服务组合模型进行扩展，设计了基于流程的物联网服务动态组合建模并实现Web服务的动态组合调度。这种基于流程的服务组合模板、QoS服务规则和服务自定义的策略能够使得物联网服务在中间件不变的情况下满足企业业务逻辑的多样性需求。通过本文的研究，可以建立基于业务的计算无关模型，来描述物联网业务协同并将之转换为一个平台无关服务协同模型，从而达到提高物联网Web服务的灵活性、稳定性和智能化的目的。

参考文献：

［1］刘伟.工作流动态服务组合技术研究［D］.西安∶西北大学，2007∶36-38.

［2］马喜兴.物联网平台中服务组合机制的设计与实现［D］.北京∶北京邮电大学，2007∶28-32.

［3］黄杰.基于工作流的Web服务组合系统［J］.电子测试.2013 （13）∶262-263.

［4］陈廷斌.面向SCM的物联网动态服务及应用中间件技术.大连交通大学学报［J］，2012（1）∶43-46.

［5］田加正.物联网环境下基于Qos的Web服务组合研究［D］.北京∶中国石油大学，2011∶11-14.

（责任编辑：夏婷婷）

A Reserch on IOT Web Service Composition Technology Based on Workflow and QoS

PAN Junhong

（SchooL of Mathematics and Computer Science，Wuyi University，Wuyishan，Fujian 354300）

Abstract：With fast deveLopment of the IOT，the data coLLected by the sensing Layer RFID can be processed to provide data resources for appLication Layer through transport Layer. But how the vast amounts of data are combined scheduLing and the integration of information under the IOT environment are facing greater chaLLenges. Adopting the Web Services technoLogy，the paper estabLished a basis of QoS indexes Internet Web service composition modeL based on workfLow and reaLize the combination of evaLuation and dynamic for Web Service on the IOT to restructure and optimize the Web service，so as to improve the accuracy of the Internet Web service composition scheduLing and fLexibiLity AvaiLabiLity and inteLLigent.

Key words:workfLow；QoS；IOT；Web service；dynamic combined scheduLing

中图分类号：TP393

文献标识码：A

文章编号：1674-2109（2016）03-0059-04

收稿日期：2015-11-10

作者简介：潘俊虹（1980-），男，汉族，讲师，主要从事物联网研究。