автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Методы и средства организации взаимодействия корпоративных информационных систем на основе сервис-ориентированной архитектуры

На правах рукописи

Дергачев Александр Андреевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОРГАНИЗАЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОРПОРАТИВНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ СЕРВИС-ОРИЕНТИРОВАННОЙ АРХИТЕКТУРЫ

Специальность 05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005558139

005558139

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Алиев Тауфик Измаилович

Официальные оппоненты: Хомоненко Анатолий Дмитриевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО ГГГУПС, заведующий кафедрой «Информационные и вычислительные системы»

Голоскоков Константин Петрович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «СПбГЭУ», заведующий кафедрой «Информационных систем в экономике»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»

Защита состоится 30 декабря 2014 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.227.06 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49., конференц-зал центра интернет-образования.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49 и на сайте fppo.ifmo.ru.

Автореферат разослан « 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета к. ф-м. н., доцент

Ж

И.С. Лобанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В области разработки математического и программного обеспечения вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей одной из важнейших задач является создание и сопровождение программных средств различного назначения, в том числе программного обеспечения, предназначенного для организации взаимодействия программ и программных систем. Одним из направлений исследований, проводимых в данной области, является исследование сервис-ориентированного подхода и технологии веб-сервисов применительно к построению слабосвязанных распределенных систем, обеспечивающих взаимодействие информационных систем предприятий, занятых в различных сферах человеческой деятельности и предоставляющих свои услуги в виде сервисов. При организации взаимодействия провайдера и потребителя услуги через Интернет говорят об организации взаимодействия веб-сервисов, являющихся автономными и самодокументируемыми веб-компонентами, предназначенными для организации межмашинного взаимодействия.

Современные информационные системы масштаба предприятия насчитывают тысячи программных приложений (коммерческих, собственной разработки, унаследованных и т.д.), разработанных для разных программных платформ, таких как Java ЕЕ, Microsoft .NET, CORBA, функционирующих под управлением различных операционных систем - Windows, Mac OS, Solaris. Для их интеграции на уровне данных могут использоваться файлы или базы данных. Для организации взаимодействия на программном уровне могут использоваться удаленные вызовы процедур или системы обмена сообщениями. С развитием интернет-ориентированной деятельности предприятий задача интеграции корпоративных приложении распространилась на интернет-среду и расширилась до организации взаимодействия корпоративных информационных систем.

На уровне Интернет интеграция подразумевает организацию асинхронного взаимодействия независимых друг от друга приложений корпоративных информационных систем предприятий по принципу слабой связи, что позволяет им продолжать работу, не дожидаясь ответа от вызываемой стороны. Это обусловило проявление особого интереса разработчиков интернет-ориентированных интеграционных решений к сервис-ориентированному подходу, который давно и широко используется в корпоративных информационных системах общего назначения, таких как SAP R3, Baan ERP, ORACLE E-Business Suite и других. Его основу составляет сервис-ориентированная архитектура, предполагающая использование слабосвязанных заменяемых программных компонентов, взаимодействующих по стандартным протоколам.

С распространением сервис-ориентированного подхода на интеграционные решения интернет-масштаба стало увеличиваться количество функционально подобных веб-сервисов корпоративных информационных систем предприятий, предоставляющих родственные услуги. В развитии

интернет-ориентированной деятельности предприятий и организации межкорпоративных бизнес-процессов наблюдается тенденция динамического перераспределения бизнес-процессов между исполнителями, образующими по сути единое виртуальное предприятие, а также изменения состава самих исполнителей, что усложняет задачу организации взаимодействия программ и программных систем предприятий и повышает ее значение.

Решаемой научной проблемой в диссертации является разработка методов и алгоритмов, обеспечивающих повышение надежности и эффективности функционирования программных средств организации взаимодействия корпоративных информационных систем, основанных на динамической композиции веб-сервисов.

Современное состояние разработанности темы. Отдельные вопросы организации взаимодействия веб-сервисов нашли отражение в трудах В. Benatallah, Q.2. Sheng, M. Dumas, M. Conti, D. Fensel, P. Grefen, B. Medjahed и других зарубежных авторов. Среди отечественных авторов можно выделить работы A.A. Бабошина, A.M. Кашевника, A.B. Данилина, А.П. Карпенко, В.А. Курчидиса, A.B. Новицкого, A.B. Сорокина, В.А. Филиппова, Б.А. Щукина и других. Подавляющее большинство работ, касающихся темы управления композицией веб-сервисов, не затрагивает вопросов динамической организации слабосвязанных систем.

Объект исследования - слабосвязанные системы, основанные на сервис-ориентированном подходе и анализе показателей качества обслуживания веб-сервисов при выборе композиции веб-сервисов для организации взаимодействия корпоративных информационных систем.

Предмет исследования — методы и алгоритмы построения и реконфигурации композиции веб-сервисов на основе показателей качества обслуживания веб-сервисов.

Целью исследования является повышение эффективности и надежности процессов обработки данных в слабосвязанных системах масштаба предприятия за счет резервирования веб-сервисов корпоративных информационных систем функционально подобными веб-сервисами.

Данная цель достигается решением следующих основных задач:

1. Анализ состояния работ в области систем организации доступа к веб-сервисам и обработки показателей качества обслуживания веб-сервисов, формирование основных направлений диссертационного исследования в части повышепия надежности и эффективности использования веб-сервисов для организации взаимодействия корпоративных информационных систем.

2. Исследование методов вычисления и прогнозирования значений показателей качества обслуживания веб-сервисов в условиях неопределенности состояния сети Интернет, разработка распределенной системы вычисления, хранения и агрегирования значений показателей качества обслуживания веб-сервисов.

3. Исследование способов повышения отказоустойчивости программного обеспечения применительно к веб-сервисам и разработка адаптивного

алгоритма и стратегии повышения отказоустойчивости композиции веб-сервисов на основе избыточности экземпляров веб-сервисов - кандидатов на выполнение требуемых функций.

4. Разработка концепции функционального резервирования веб-сервисов и глобально распределенной программной инфраструктуры адаптивной отказоустойчивой сервис-ориентированной системы организации взаимодействия корпоративных информационных систем в условиях динамически меняющегося состава веб-сервисов и изменения значений показателей качества обслуживания веб-сервисов.

5. Экспериментальное исследование разработанных методов и алгоритмов для подтверждения достоверности полученных результатов.

Область исследования соответствует пп. 3, 9 паспорта специальности 05.13.11 «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей».

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались: математический аппарат теории вероятностей, методы имитационного моделирования, методы объектно-ориентированного проектирования и программирования.

Достоверность и обоснованность результатов исследований обеспечивается сравнением разработанных методов и алгоритмов с результатами исследований на программной модели, результатами экспериментальных исследований и опубликованными материалами других исследователей, а также внедрением полученных результатов. Воспроизводимость экспериментов обеспечивается использованием в них синтезированных наборов данных показателей обслуживания веб-сервисов и свободно распространяемого программного обеспечения.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной.

1. Концептуальная модель программной инфраструктуры для организации взаимодействия корпоративных информационных систем, отличающаяся расширением функционального описания веб-сервисов, позволяющим на случай отказа реализовать избыточность композиции веб-сервисов слабосвязанных систем посредством резервирования функционально подобными веб-сервисами. 2 Метод дискретного представления показателей, отличающийся прогнозированием вероятности попадания значений в заданный интервал и реализацией функции системы анализа показателей в программном обеспечении, выполняющимся на стороне пользователя, что позволяет точнее прогнозировать характер изменения значений интернет-зависимых показателей качества обслуживания веб-сервисов в условиях ограничения вычислительных ресурсов пользователя. 3. Алгоритм адаптивной отказоустойчивой системы организации доступа к функционально подобным веб-сервисам, отличающейся компонентной архитектурой реализации, позволяющий перестраивать композиции веб-

сервисов слабосвязанных систем с учетом изменения состава представленных в сети Интернет функционально подобных веб-сервисов, значений показателей качества обслуживания веб-сервисов и характеристик самой интернет-среды.

Практическая ценность работы.

1. Разработана программная инфраструктура и реализовано программное обеспечение для организации доступа к функционально подобным веб-сервисам, позволяюшее повысить отказоустойчивость композиции веб-сервисов за счет избыточности ее компонентов - веб-сервисов корпоративных информационных систем.

2. Разработанная компонентная архитектура и типовые решения проектирования позволяют автоматизировать процесс разработки программной инфраструктуры и программного обеспечения для адаптивной отказоустойчивой системы организации взаимодействия корпоративных информационных систем посредством веб-сервисов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Концептуальная модель программной инфраструктуры для организации взаимодействия корпоративных информационных систем.

2. Метод дискретного представления показателей качества обслуживания веб-сервисов для прогнозирования вероятности попадания значений показателей в заданный интервал.

3. Алгоритм адаптивной отказоустойчивой системы организации доступа к функционально подобным веб-сервисам.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований, включенные в диссертацию, докладывались на различных конференциях, в числе которых: VI и VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (2009 г., 2011 г.); II, IV и V Научно-практическая конференция молодых ученых «Вычислительные системы и сети (Майоровские чтения)» (2010 г., 2012 г.); I, II и III Всероссийский конгресс молодых ученых (2012 г., 2013 г., 2014 г.); XLII Научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (2013 г.). Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс кафедры вычислительной техники Университета ИТМО.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 4 из них в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.

Личный вклад. Все результаты, представленные в диссертации, получены лично автором.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 115 наименований, и приложения. Общий объем работы 144 страницы, включая 20 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность, сформулированы цели, задачи и методы исследования, представлена новизна, показана научная и практическая ценность, приведены основные результаты работы.

Первая глава диссертационной работы характеризует состояние исследуемой предметной области в плане организации среды взаимодействия корпоративных информационных систем. С развитием сети Интернет организация среды взаимодействия стала немыслима в отрыве от интернет-технологий, в частности - технологии веб-сервисов, основу которой составляет сервис-ориентированный подход к организации взаимодействия по принципу слабого связывания.

С появлением сервис-ориентированной архитектуры (англ. Service-Oriented Architecture, SOA), технологии веб-сервисов и стремительным развитием Интернет перспектива создания глобально распределенных слабосвязанных систем превратилась в реальность. В основе данной архитектуры лежат принципы многократного использования программных компонентов, позволяющие исключить дублирование функциональности программного обеспечения. С точки зрения разработки и интеграции информационных систем SOA является парадигмой организации и использования бизнес-процессов и ресурсов, принадлежащих различным областям производственной и экономической деятельности. Она позволяет структурировать развертывание и организацию информационной технологии в рамках конкретного предприятия или консорциума предприятий, которым необходимо взаимодействовать друг с другом.

При организации взаимодействия информационных систем посредством веб-сервисов для вовлечения в сквозной бизнес-процесс различных предприятий особенно важным является вопрос обеспечения надежности функционирования образующихся при этом слабосвязанных сервис-ориентированных систем. Но сравнению с традиционными автономными и распределенными программными системами создание надежных сервис-ориентированных систем намного сложнее по следующим причинам:

• веб-сервисы рассредоточены по сети Интернет;

• веб-сервисы разработаны и размещены различными владельцами без согласования каких-либо внутренних деталей разработки и реализации;

• производительность веб-сервисов может меняться (например, по причине изменений рабочей нагрузки серверов, внутренних обновлений веб-сервисов, изменения производительности каналов передачи данных);

• веб-сервисы могут стать недоступными без какого-либо предварительного уведомления.

Поскольку инициатор формирования сквозного бизнес-процесса отвечает только за принадлежащее ему программное и аппаратное обеспечение, вопрос обеспечения надежности функционирования может быть решен любыми доступными ему методами и средствами самостоятельно. То же справедливо и

для остальных участников сквозного бизнес-процесса. Обеспечение же надежности функционирования композиции веб-сервисов и образованной ими слабосвязанной системы в целом не входит в компетенцию ни одного из участников и полностью ложится на инициатора образовавшейся композиции. На надежность функционирования сторонних веб-сервисов инициатор композиции повлиять не может, а повлиять на надежность композиции в целом может, обеспечив избыточность функциональных возможностей веб-сервисов композиции за счет резервирования функционально подобными веб-сервисами.

Приводимые в технической литературе методы резервирования программных компонентов (веб-сервисов) сервис-ориентированных систем можно условно разделить на пассивные и активные методы. Пассивные методы используют резервные веб-сервисы только в случае отказа в обслуживании основного веб-сервиса - резервирование замещением. Активные методы используют различные варианты параллельного вызова резервных веб-сервисов из множества функционально подобных - постоянное резервирование. Смешанное резервирование обеспечивает выполнение требуемой функции несколькими различными методами резервирования всб-сервисов.

Проведенное в диссертационной работе исследование проблем сервис-ориентированного взаимодействия и анализ состояния работ в области надежности систем организации доступа к веб-сервисам, обработки и прогнозирования показателей качества обслуживания веб-сервисов показали, что единого технического решения здесь нет. Проблему необходимо прежде всего решить на концептуальном уровне. Необходима разработка концепции создания резерва функционально подобных веб-сервисов, стратегии отказоустойчивости и ее программная реализация для задач, имеющих зависимость от промежуточного состояния веб-сервиса. Должный уровень надежности функционирования композиции веб-сервисов и слабосвязанных сервис-ориентированных систем в целом может быть обеспечен гибкой стратегией отказоустойчивости - совокупностью методов резервирования и алгоритмов выбора резерва, учитывающих требования пользователей и динамику изменения значений показателей качества обслуживания веб-сервисов. Гибкость стратегии отказоустойчивости может быть обеспечена посредством разработки адаптивного алгоритма динамической реконфигурации композиции веб-сервисов на основе показателей качества обслуживания веб-сервисов с учетом динамики изменения их значений и требований пользователей, выраженных локальными и глобальными ограничениями.

Во второй главе определяются понятия, составляющие основу концептуальной модели интеграции веб-сервисов. С учетом рекомендаций действующих стандартов раскрываются определения характеристик и комплексных показателей качества веб-сервисов. Даются определения основных (по результатам исследования предпочтений пользователей) показателей качества обслуживания веб-сервисов (англ. Quality of Web Service, QoWS): время ответа, вероятность отказа, готовность, доступность, стоимость и достоверность. Вводится понятие универсума веб-сервисов - вида

универсального множества Uw, в которое входят все веб-ссрвисы w и множества веб-сервисов W, представленные в сети Интернет: Viv:iv 6 Uw; W/: W с Uw. Раскрывается концепция функционального резерва - множества функционально подобных веб-сервисов F, удовлетворяющих формальному описанию данной предметной области:

р = Vi.¡2...../». А); /,■ = i = 1.....п

где /,• является экземпляром входящего в функциональный резерв веб-сервиса, представленного направленным ациклическим графом;

% = {'l'ij 11 < j < т] - набор функций, предоставляемых j-m экземпляром функционально подобного веб-сервиса;

Ti - требуемая функция, предоставляемая /'-м экземпляром веб-сервиса (корневой элемент графа функций - точка входа, через которую можно получить доступ к функциям /'-го экземпляра);

Y¡ = [Yij 11 < j < 1} отражает зависимости между предоставляемыми веб-сервисом функциями внутри г'-го экземпляра (внутри одного графа);

Л = f/li jll < £ < п Л 1 < j < п Л i Ф у} отражает зависимости между двумя некорневыми функциями, предоставляемыми разными экземплярами веб-сервисов.

Концепция функционального резерва основана на трехуровневой модели расширенного функционального описания веб-сервисов, где первый уровень — уровень предметной области, определен на множестве отношений R, представленном на пространстве имен, понятном пользователю. Форма запроса уровня предметной области на выполнение требуемой функции Т(А), где А — множество аргументов функции, в терминах отношений предметной области может быть записана в следующем виде: У(Л): — A¡ ñ, 04¡), Ак С^, где R¡ — отношение уровня предметной области, A¡ - набор атрибутов; Ск - условие вида Ск = сцвс, где a¡ — атрибут отношения R¡, с является константой, а 9 6 {=,Ф, <,>,<,>}.

Уровень универсума веб-сервисов представляет собой описание всех функциональных резервов VF.F с Uw, где каждый представлен уникальным именем требуемой функции Те в едином информационном пространстве веб-сервисов (пространстве имен универсума веб-сервисов) и может быть записан как набор отношений вида: Ri(_a1, а2,..., яп): — A¡ 4>j {xji. —. Xjm), Л* Ck, где ai — атрибут отношения R¿; x¡ - формальные параметры функции >pj\ Ск - условие вида Ск = х^вс, где с является константой, а в € {=, <, >, <, >}. Это означает, что для получения отношений необходимо вызвать веб-сервисы, которые выполнят соответствующие функции ipj. При этом отношения, принадлежащие разным предметным областям, могу быть определены на одном и том же формальном пространстве имен функций, состав которых может меняться при необходимости определения новых отношений для существующей или новой предметной области.

Уровень функционального резерва, предназначенный для описания реально выполняемых функций каждым входящим в него функционально

подобным веб-сервисом, представлен концептуальной моделью программной инфраструктуры интеграции веб-сервисов, иллюстративно изображенной на рисунке 1. Основными понятиями и компонентами концептуальной модели являются: репозиторий функционального резерва, реестр функционального резерва, системный рсестр универсума, интегратор веб-сервисов, брокер веб-сервисов и координатор веб-сервисов. Концептуально интегратор веб-сервисов представлен разработанными типовыми решениями проектирования — динамический селектор, монитор качества и коммуникатор, позволяющими выполнять реализацию интегратора веб-сервисов как в виде самостоятельного программного компонента, так и в составе промежуточного программного обеспечения или вновь разрабатываемых программных приложений информационных систем. Репозиторий предоставляет пространство для формирования пула экземпляров веб-сервисов алгоритмами адаптивной отказоустойчивой системы (АОС) организации доступа к функционально подобным веб-сервисам, определенной поверх компонентов программной инфраструктуры интеграции веб-сервисов и концептуально представляет стратегию отказоустойчивости — совокупность методов, алгоритмов, показателей и параметров, необходимых для адаптивного управления композицией веб-сервисов.

Концептуальная модель программной инфраструктуры интеграции веб-сервисов отражает состав компонентов и порядок их взаимодействия, не затрагивая детали и средства реализации.

Рисунок 1 - Компоненты инфраструктуры интеграции веб-сервисов

В процессе функционирования интегратор веб-сервисов получает от брокера веб-сервисов адрес координатора функционального резерва. Координатор формирует пул экземпляров, включающий список адресов и значения показателей <Зо\У8 функционально подобных веб-сервисов, на основании которых с учетом предпочтений пользователей будет определена первоначальная оптимальная стратегия выбора отказоустойчивой композиции веб-сервисов. После выполнения плана вызова веб-сервисов на этапе выбора отказоустойчивой композиции интегратор начинает локально накапливать полученные при вызове каждого экземпляра новые значения показателей (ЗоХУБ, возвращая их время от времени координатору. Динамический селектор, входящий в состав интегратора, перестраивает план вызова веб-сервисов выбранной на первоначальном этапе отказоустойчивой композиции на основе требований пользователей и информации о показателях С>о\У8. Монитор качества осуществляет вычисление значений показателей вызываемых экземпляров и обменивается ими с координатором функционального резерва веб-сервисов, который в свою очередь предоставляет монитору качества наборы данных <Зо\У$, полученных от других пользователей веб-сервисов. Коммуникатор осуществляет вызов экземпляров веб-сервисов в соответствии с текущей конфигурацией композиции веб-сервисов.

В третьей главе приводится описание разработанной адаптивной стратегии отказоустойчивости и необходимых для ее функционирования компонентов: параметрической модели стратегии отказоустойчивости, методов вычисления и прогнозирования показателей качества обслуживания веб-сервисов, адаптивного алгоритма, построенного на основе вероятностной оценки динамически меняющихся показателей качества обслуживания веб-сервисов. Приводятся результаты экспериментальной оценки разработанной адаптивной стратегии, полученные на программной модели функционального резервирования и организации взаимодействия веб-сервисов в составе слабосвязанных сервис-ориентированных систем.

Базовые элементы разработанной стратегии отказоустойчивости представлены на рисунке 2. Это последовательные и параллельные элементы-стратегии, являющиеся самостоятельными основными стратегиями отказоустойчивости. К последовательным относятся такие стратегии, как Повтор (рисунок 2а) и Замещение (рисунок 26), так как они затрачивают дополнительное (избыточное) время на повышение отказоустойчивости системы. К параллельным относятся стратегии Один из п (рисунок 2в) и Первый из п (рисунок 2г). Обе последние стратегии основаны на избыточности программных и аппаратных ресурсов.

При вычислении показателя вероятность отказа каждой стратегии в целом будем полагаться на следующие допущения: 1) обращения к веб-сервисам являются независимыми событиями; 2) все отказы веб-сервисов равнозначны. Для оценки временных характеристик стратегии будем использовать среднее значение времени ответа - время между отправкой запроса и получением ответа.

а б в г

Рисунок 2 - Стратегии (а) Повтор, (б) Замещение, (в) Один из п, (г) Первый из п

В случае стратегии с говорящим названием Повтор вызываемый веб-сервис в случае отказа будет заново вызываться определенное (стратегией) количество раз. Формулы для вычисления вероятности отказа р5 и среднего времени ответа Г5 стратегии Повтор в целом будут выглядеть следующим образом:

Р* = РГ

V

^Чрх'-1

г=1

где V- число повторений, рг - вероятность отказа веб-сервиса IV,, -среднее время ответа веб-сервиса Щ.

Например, при среднем времени ответа ^ = 2000 (мс), вероятности отказа рг = 0.1, и количестве повторений V = 3, получим следующие расчётное значение времени ответа и вероятности отказа для стратегии Повтор в целом:

р5 = 0.13 = 0.001

з

= У 2000 * О.Г"1 = 2220 (мс) ¡=1

При использовании стратегии Замещение (рисунок 26) в случае отказа вызываемого веб-сервиса ¡V, будет осуществлена попытка вызова функционально подобного веб-сервиса и т.д. Формулы вычисления вероятности отказа р5 и среднего времени ответа £> при использовании стратегии Замещение будут выглядеть следующим образом:

(I

-П

Рх

где п - количество функционально подобных веб-сервисов, р; -вероятность отказа веб-сервиса И',, - среднее время ответа веб-сервиса IV,, р1 - вероятность отказа веб-сервиса вызванного стратегией Замещение до вызова веб-сервиса (У,-, где / < ¡.

Стратегия Один-из-п (рисунок 2в) после одновременного вызова

нескольких экземпляров функционально подобных веб-сервисов и получения

нескольких вариантов ответа определяет посредством голосования, какой из

ответов принимается за конечный результат работы веб-сервиса. Формулы

вычисления вероятности отказа р5 и среднего времени ответа С5 при

использовании стратегии Один-из-п будут выглядеть следующим образом:

п

р* = ^ <Р1

=п+1

^ = шах({?ЛГ=1)

где п - нечетное количество функционально подобных веб-сервисов, <р£ -вероятность отказа /-го количества функционально подобных веб-сервисов, £, -среднее время ответа веб-сервиса IV;.

Например, при количестве функционально подобных веб-сервисов п = 3 вероятность отказа р5 стратегии Один-из-п в целом будет равна сумме вероятности отказа двух веб-сервисов из трех возможных <р2 и вероятности отказа трех веб-ссрвисов из трех возможных <р3:

V5 = Р1?2(1 - Рз) + РгРзО - Рх) + Р1Рз(1 - рг) + ПРгРз

Стратегия Первый-из-п предполагает одновременный вызов нескольких экземпляров функционально подобных веб-сервисов и использование первого отвечающего требованиям ответа в качестве конечного результата работы веб-сервиса (рисунок 2г). Формулы вычисления вероятности отказа р3 и среднего времени ответа ^ при использовании стратегии Первый-из-п будут выглядеть следующим образом:

Р; =

_ _ГттШ[=а):г>0 ~ 1тах({^}"=1): г = О где п - количество параллельно вызываемых функционально подобных веб-сервисов, ^ - вероятность отказа веб-сервиса IV,, Г£ - среднее время ответа веб-сервиса IV,, г- количество успешно ответивших веб-сервисов.

Непостоянство состава и значений показателей качества обслуживания представленных в сети Интернет веб-сервисов, а также характеристик самой среды Интернет делают применение перечисленных выше стратегий неэффективными по отношению к сервис-ориентированным системам. Например, некоторые веб-сервисы могут стать недоступны, в то время, как новые веб-сервисы могут присоединиться к универсуму веб-сервисов и могут быть включены в соответствующий функциональный резерв. Кроме того, реализации веб-сервисов могут быть обновлены в любое время без уведомления пользователей. Интернет-трафик и загрузка сервера, на котором выполняются веб-сервисы, может меняться со временем. В условиях такой неопределенности необходимо динамическое комбинирование базовых элементов-стратегий.

Комбинированная последовательная стратегия выбора отказоустойчивой композиции веб-сервисов представляет собой комбинацию стратегий Повтор и Замещение (рисунок За). В случае отказа вызываемого веб-сервиса стратегия Повтор-Замещение на основе требований пользователя и показателей качества обслуживания экземпляров функционально подобных веб-сервисов определяет, надо ли повторно вызывать отказавший веб-сервис или перейти к вызову его экземпляра - кандидата на выполнение требуемой функции.

Формулы вычисления вероятности отказа р5 и среднего времени ответа при использовании стратегии Повтор-Замещение будут выглядеть следующим образом:

Р, = ПРГ 1=1

где у, — число повторений для веб-сервиса IV¡, п — количество функционально подобных веб-сервисов, рг - вероятность отказа веб-ссрвиса И7„ - среднее время ответа веб-сервиса IV,.

Комбинированная параллельная стратегия представляет собой комбинацию стратегий Один-из-п и Первый-из-п (рисунок 36). В соответствии с этой стратегией будут одновременно вызваны п экземпляров функционально подобных веб-сервисов и использованы V ответов, удовлетворяющих заданным условиям, для последующего определения голосованием окончательного результата работы веб-сервиса. Эта стратегия идентична стратегии Первый-из-п при И = 1 и идентична стратегии Один-из-п при И = п. Формулы вычисления вероятности отказа р2 и времени ответа при использовании стратегии Один-из-Первых-п будут выглядеть следующим образом:

к

Рз= (р1

^ = '

Гшах({сЛ=1) : г > Ь (тах({^}"=1) : г < Ь где п — количество параллельно вызываемых функционально подобных веб-сервисов, И - нечетное число первых ответивших веб-сервисов, г — количество успешно ответивших веб-сервисов, ср; - вероятность отказа ¿-го количества функционально подобных веб-сервисов, - среднее время ответа веб-сервиса IV¡.

начало

Запрос к веб-сервису И'/

Запросы к веб-сервисам

повтор

Один из первых Ь Ь < п

конец

Запрос к веб-сервису \¥п

С

качало)

Веб-сервис !V) ИНТЕРНЕТ

Всб-сервис \Уп

нет

а б

Рисунок 3 - Комбинированные стратегии (а) последовательная, (б) параллельная

Интегральный показатель эффективности г для каждой стратегии можно вычислить по следующей формуле:

р5 с3 ¿5

где 13 - среднее время ответа стратегии, р8 - вероятность отказа стратегии, сх - стоимость выполнения стратегии, - количество ресурсов, необходимое пользователю для использования данной стратегии, Т -ограничение пользователя по времени ответа, Р - пороговое значение вероятности отказа, допустимое для функционирования программного приложения, I - ограничение вычислительных ресурсов, которыми располагает пользователь для использования данной стратегии отказоустойчивости, ас, ар, ас, а( - весовые коэффициенты, определяющие приоритеты пользователя по отношению к показателям и задаваемым им параметрам (требования и

ограничения пользователя). Идея такого способа подсчета заключается в том, чтобы привести к единому способу представления показатели (Зо\УЭ и требования пользователя, допускающему их интегральную оценку в виде безразмерной величины.

Для оптимального выбора стратегии отказоустойчивости необходимо обеспечить высокую точность прогнозирования времени ответа, для чего необходимо постоянное накопление данных о времени ответа каждого веб-сервиса за как можно больший период времени на стороне приложения пользователя. Хранение и обработка больших объемов может быть затруднительной для ограниченных в вычислительных ресурсах программных приложений, например, мобильных приложений на планшетах и смартфонах. Необходима разработка нетребовательного к вычислительным ресурсам метода прогнозирования и реализация алгоритма решения следующей задачи: пусть существует п функционально подобных веб-сервисов; предполагается, что будут параллельно вызываться к экземпляров из п функционально подобных веб-сервисов, и первый полученный ответ будет использован в качестве конечного результата; необходимо выбрагь оптимальный набор экземпляров функционально подобных веб-сервисов для получения минимального времени ответа стратегии в целом.

Предлагаемое решение основано на дискретном представлении показателей и прогнозировании вероятности попадания значения показателя в заданный интервал. Разобьем выставляемое пользователем ограничение по времени ответа Т на т временных интервалов. По мере поступления новых значение времени ответа веб-сервисов будем относить их к соответствующему интервалу и увеличивать значение соответствующего счетчика попаданий значения показателя в заданных интервал. Таким образом, вместо хранения всех значений времени ответа веб-сервиса локальным приложением пользователя будет хранится дискретное распределение их значений.

Введем для этого следующие обозначения: {И^}р=1 - набор экземпляров функционально подобных веб-сервисов; - счетчик отказов г-го экземпляра веб-сервиса; - набор счетчиков распределения времени ответа для ¿-го

экземпляра функционально подобного веб-сервиса по т временным интервалам; - вероятность принадлежности времени ответа веб-

сервиса к временному интервалу, закрепленному за т-и счетчиком; {М/}™ 1 -

временные метки шкалы прогнозирования, где М] = {7}}^ - набор

значений времени ответа для Ь вызываемых экземпляров веб-сервисов, где к < п. Имея такое дискретное представление можно подсчитать вероятность попадания времени ответа 1-го веб-сервиса с учетом вероятности его отказов в соответствующую категорию по следующей формуле:

2ц

Вероятность попадания в заданный интервал времени ответа для набора из И экземпляров веб-сервисов с учетом вероятности отказа применяемой к ним стратегии отказоустойчивости Первый-из-п можно подсчитать по формуле:

< т

Рассчитав значения Рм для всех возможных сочетаний к экземпляров из п веб-сервисов можно определить оптимальный набор из к экземпляров с минимальным временем ответа стратегии отказоустойчивости Первый-из-п. Располагая такой дискретной моделью представления, можно разработать алгоритм вероятностной оценки времени ответа для различных наборов из И экземпляров, полученных из полного набора п экземпляров.

Объединяющий вышесказанное алгоритм адаптивной стратегии отказоустойчивости представлен на рисунке 4. При незаданном явно типе стратегии 5 необходимо вычислить интегральный показатель для каждой из стратегий и выбрать стратегию с меньшим значением е. Если выбор пал на последовательный тип стратегии отказоустойчивости, то следующей итерацией необходимо вычислить значение показателя, позволяющего сравнить различные последовательные стратегии отказоустойчивости между собой на основе показателей ОоХУБ экземпляров функционально подобных веб-сервисов с учетом требований и ограничений пользователя, указываемых им в качестве параметров стратегии отказоустойчивости.

Для динамического управления количеством повторных вызовов веб-сервиса по достижении порога перехода к вызову резервного экземпляра предлагается ввести понижающий коэффициент /?, который можно рассчитать по нижеследующей формуле:

1 - Ц р1+1 - рЛ Р v\ Т Р )

где ^ является коэффициентом деградации стратегии повторного вызова веб-сервиса, а V - число повторений вызова веб-сервиса. Пока значение /3 больше порогового Я, предпочтителен повторный вызов веб-сервиса. С увеличением числа повторений V значение /3 будет уменьшаться и в конечном итоге станет меньше порогового, что приведет к опросу другого экземпляра функционально подобного веб-сервиса.

При переходе к параллельной стратегии отказоустойчивости необходимо определить оптимальное количество экземпляров функционально подобных веб-сервисов п и количество параллельно вызываемых экземпляров к, где к < п. Используя предложенный в работе масштабируемый метод представления (распределения и прогнозирования) показателей, можно определить эффективность различных комбинаций значений А и п. Количество комбинаций может быть рассчитано по следующей формуле:

п!

Ы (п - Л)!

О":

Далее может быть определена вероятность отказа и выполнено сравнение эффективности использования различных комбинаций значений Л и п. В качестве оптимальной стратегии будет выбрана комбинация с минимальным значением £.

(^Начало

Требования пользователя: Т. Р. /., С Показатели <Зо\¥5: (, р

= {И^-}-о ш = /»„(х,,,) = л; = и!

Цикл по

< ¡-1 \

1 = 2 к /=1 /

I, , р* ,

7 +

Ч

71?

т - у - /1!(п-Л)!

Цикл по {(п,^

к = ш

Р, = / <Р1

. = Гтах({^}7=3):г > Ь * 1тах({гЛ;и):г <Ь

, С. /,

к = т

КОЦИКЛ ПО (5иг)ди1

Запрос к веб-серинсу >'',

' Н Г Р )

^ Конец ^

Рисунок 4 - Алгоритм выбора стратегии отказоустойчивости

Определение эффективности разработанной адаптивной стратегии отказоустойчивости выполнялось на программной модели, реализующей разработанные выше параметрическую модель отказоустойчивости, метод

дискретного распределения времени ответа и алгоритм выбора оптимальной стратегии отказоустойчивости. Стратегии были протестированы с параметрами, представленными в таблице I, для шести пользователей с заданными требованиями к времени ответа - Т, вероятности отказа - Р и ограничения ресурсов - Ь, представленными с результатами эксперимента на рисунке 5. Все стратегии запускались на выполнение 1000000 раз.

Таблица 1 - Параметры эксперимента

Параметры эксперимента . Значение.

Количество подобных сервисов 8

Вероятность физической ошибки

Вероятность логической ошибки 0,005

Вероятность непрерывных ошибок 0,05

Динамика изменения показателей, % 20

.с

с

ш

го

(Ч

га

и

О о

с X

В)

л т

п ш

с: -е-

га -н-

и

<1>

н

1

з:

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 О

Требования пользователя

Рисунок 5 - Эффективность стратегий

Значение интегрального показателя эффективности разработанного адаптивного алгоритма стратегии отказоустойчивости в большинстве случаев оказывается лучше, либо совпадает со значениями интегрального показателя эффективности тестируемых в рамках эксперимента стратегий отказоустойчивости, что говорит о целесообразности его использования в качестве основного алгоритма при разработке АОС организации взаимодействия корпоративных информационных систем.

Стратегии

отказаустойчивости

О Адаптивная

Т=2с Т=3с Т=7с Т=12с Т=15с Р=0.1 Р=0.01 Р=0.02 Р=0-01 Р=0.001 Ь=20 1=10 !-=1 |_=4 1=20

Я Повтор В! Замещение г Один-из-п @ Первый-из-п

В четвертой главе представлена практическая реализация результатов, полученных в диссертационной работе: программная инфраструктура для организации взаимодействия корпоративных информационных систем; архитектура программных компонентов и интеграционного программного обеспечения (рисунок 6); реализация компонентов системы обработки и анализа показателей качества обслуживания веб-сервисов и экспериментальное подтверждение ее эффективности.

Промежуточное программное обеспечение

____.________Л_____._

Компоненты программной инфраструктуры

Стратегии и алгоритмы откгпоу очи 5 чи пост

Динамический сслсетор

Вызов веб-серянса

[ Менеджер 4 запросов к | всб-ссрйнспм

X

Менеджер теетоа :

Слон представления

ИсГЮЛШ(ТСШ> тесто*

Концептуальное расширение функционального описания веб-сервисов

Коммуин« катер

Монитор кзчсстна

Локальные; даниые

Слои

Фасад сеанса Крокер веб-сервисов

Шина 1-ЗВ

Пул пси-ссрвнсов

приложения

Слон

КОМПОЗИЦИИ

Рисунок 6 - Архитектурные слои программной реализации

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты данной диссертационной работы.

В ходе диссертационного исследования наряду с преимуществом сервис-ориентированного подхода к организации взаимодействия программ и программных систем были выявлены основные недостатки существующих методов, алгоритмов и средств организации взаимодействия корпоративных информационных систем на основе сервис-ориентированной архитектуры и веб-сервисов. Большинство из них объясняется несогласованностью поставщиков веб-сервисов при использовании отдельно взятых языков, протоколов и стандартов применительно к разработке как самих веб-сервисов, так и ориентированных на них систем. Решение проблемы на концептуальном уровне дает возможность разработки и реализации программной

инфраструктуры для организации глобально распределенной системы доступа к функционально подобным веб-сервисам и управления динамической композицией веб-сервисов с целью повышения эффективности и надежности процессов распределенной обработки данных в слабосвязанных системах. Для создания такой программной инфраструктуры в ходе диссертационного исследования была разработана концептуальная модель, отражающая общие принципы функционирования и порядок взаимодействия программных приложений корпоративных информационных систем с элементами инфраструктуры. Модель включает в себя концептуальное расширение функционального описания веб-сервисов, понятие функционального резерва, универсума веб-сервисов и описывает единые правила опосредованного взаимодействия поставщиков и потребителей веб-сервисов. Описанные в работе механизмы организации и использования функционально подобных веб-сервисов позволяют реализовать принцип избыточности композиции веб-сервисов и стратегии отказоустойчивости для повышения надежности процессов обработки данных, с учетом промежуточного состояния веб-сервиса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Концептуальная модель программной инфраструктуры для организации взаимодействия корпоративных информационных систем, позволяющая на случай отказа основного веб-сервиса реализовать избыточность композиции посредством резервирования функционально подобными веб-сервисами.

2. Метод дискретного представления показателей, позволяющий прогнозировать вероятность попадания значений показателей в заданный интервал и реализовать функции системы анализа показателей в программном обеспечении, выполняющимся на стороне пользователя, что позволяет точнее прогнозировать характер изменения значений интернет-зависимых показателей качества обслуживания веб-сервисов в условиях ограничения вычислительных ресурсов пользователя.

3. Алгоритм адаптивной отказоустойчивой системы доступа к функционально подобным веб-сервисам, позволяющий перестраивать композиции веб-сервисов с учетом изменения состава представленных в сети Интернет функционально подобных веб-сервисов, значений показателей качества обслуживания веб-сервисов и характеристик самой интернет-среды.

4. Программная инфраструктура и программное обеспечение для организации доступа к функционально подобным веб-сервисам, позволяющее повысить отказоустойчивость композиции веб-сервисов за счет избыточности ее компонентов - веб-сервисов корпоративных информационных систем.

5. Компонентная архитектура и типовые решения проектирования, позволяющие автоматизировать процесс разработки программной инфраструктуры и программного обеспечения для адаптивной отказоустойчивой системы организации взаимодействия корпоративных информационных систем посредством веб-сервисов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях из перечня ВАК

1. Дергачев, A.A. Анализ данных на основе платформы SQL-MAPREDUCE / A.A. Дергачев // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2014. - № 01(89) - С. 66-71. - 0,7 п.л.

2. Дергачев, A.A. Концептуальное расширение функционального описания веб-сервисов / A.A. Дергачев // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2014. - № 02(90) - С. 174-176.-0,35 п.л.

3. Дергачев A.M. Компонентная архитектура системы доступа к веб-сервисам / A.M. Дергачев, A.A. Дергачев // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2014. - № 03(91) - С. 172-174.-035 п.л.// 0,17 п.л.

4. Дергачев A.M. Параметры качества обслуживания web-сервисов отрасли приборостроения / A.M. Дергачев, A.A. Дергачев // Известия вузов. Приборостроение. - 2014. - №4. - С. 27-29. - 0,35 п.л. // 0,17 п.л.

Публикации в других изданиях

5. Дергачев A.A. Выбор композиции веб-сервисов на основе оценки параметров качества обслуживания / A.A. Дергачев, Э.А. Черняк // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. - 2014. - Выпуск 1. - С. 57-58. - 0,23 п.л. // 0,12 п.л.

6. Дергачев A.A. Динамическая реконфигурация систем с сервис-ориентированной архитектурой / A.A. Дергачев, А.Г. Сафронов // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. - 2014. - Выпуск 1. - С. 117-118,-0,23 п.л.//0,12 п.л.

7. Дергачев A.A. Интеграция веб-сервисов на основе онтологии предметной области / A.A. Дергачев, А.Г. Сафронов // Сборник трудов молодых ученых и сотрудников кафедры ВТ. - 2013. - Выпуск 4. - С. 14-17. - 0,46 пл. // 0,23 п.л.

8. Дергачев A.A. Организация взаимодействия корпоративных информационных систем на основе технологии веб-сервисов / A.A. Дергачев, А.Г. Сафронов // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. - 2012. - Выпуск 1. - С. 76-77. - 0,23 п.л. //0,12 п.л.

9. Лукьянов Н.М. Алгоритмы обработки информационных потоков в распределенной системе хранения данных / Н.М. Лукьянов, A.A. Дергачев // Сборник трудов конференции молодых ученых. - 2009. - Выпуск 4. - С. 217-222.-0,7 п.л. // 0,35 п.л.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 Тел. (812) 233-46-69. Объем 1 у.п.л. Тираж 100 экз.