遷移工作流容錯執(zhí)行模型及其實現(xiàn)方法研究.pdf

1、遷移工作流是一類基于移動agent計算模式的工作流管理技術，它以移動agent為范型構建一個或多個任務執(zhí)行主體（稱作遷移實例），以工作位置映射工作流參與者的網(wǎng)絡節(jié)點和服務，其中，網(wǎng)絡節(jié)點表示遷移實例的工作場所，位置服務包括運行時服務和工作流服務兩部分。遷移實例可以在某個工作位置上利用本地資源和服務執(zhí)行一項或多項任務，并在必要時攜帶任務說明書和當前執(zhí)行結果遷移到另一個能滿足其要求的新工作位置上繼續(xù)工作。為同一個工作流創(chuàng)建的多個遷移實例可以

2、協(xié)同工作，以滿足并行業(yè)務過程管理的需要。 因為遷移實例運行在一個跨機構的異構網(wǎng)絡環(huán)境中，所以其任務執(zhí)行過程容易受不確定性因素的影響，例如主機故障、鏈路故障、通信故障、服務程序和服務資源故障等。上述不確定因素不僅會干擾遷移工作流的正常執(zhí)行，而且可能導致遷移實例夭折，甚至遷移工作流失敗，因此，遷移實例容錯是保證遷移工作流可達性、正確性和可靠性不可或缺的必要機制。遷移實例容錯主要包括三個方面：執(zhí)行容錯、通信容錯和狀態(tài)容錯。 ·

3、執(zhí)行容錯；執(zhí)行容錯是指工作流任務能夠在所有工作位置上都被遷移實例可靠執(zhí)行。在遷移工作流模型中，工作流任務通過遷移實例在工作位置之間的連續(xù)遷移和就地利用服務完成，工作位置不僅要為遷移實例提供運行場所，而且要為遷移實例提供可靠的工作流服務，任何主機物理故障或服務邏輯故障都會干擾遷移實例任務的正常完成。特別是對于某些要求可靠性較高的長事務任務（如訂票、付款）來說，因為涉及到對重要數(shù)據(jù)庫的訪問，需要保證操作的事務屬性，對遷移實例的執(zhí)行過程，需要

4、提供必要的容錯保障機制。 ·通信容錯：通信容錯是指遷移實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，通信是遷移實例之間實現(xiàn)協(xié)作的基礎，只有保證通信信件能夠被可靠地發(fā)送和遞交，才能保證遷移實例協(xié)作的成功。存在兩方面的原因會導致遷移實例間的通信失敗：（1）通信鏈路物理故障，導致信件不能發(fā)出；（2）遷移實例移動，導致信件不能可靠遞交，即當信件到達目標主機時，接收方遷移實例已經(jīng)離開。對于通信鏈路物理故障，可以通過備份鏈路

5、重傳信件。對于因遷移實例移動而導致的信件遞交失敗，可以通過設計合理的遷移實例位置追蹤和信件轉發(fā)機制實現(xiàn)容錯。 ·狀態(tài)容錯：狀態(tài)容錯是指遷移實例的異常狀態(tài)能夠被及時捕獲和恢復。遷移實例的狀態(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。因為并行的多個業(yè)務子過程之間通常具有數(shù)據(jù)和時間關聯(lián)關系，所以，執(zhí)行同一工作流的多個遷移實例之間也具有特定的行為依賴關系。如果某個遷移實例的狀

6、態(tài)出現(xiàn)異常，則可能會引發(fā)其它遷移實例的狀態(tài)異常或執(zhí)行阻塞。因此，狀態(tài)容錯機制不僅要能夠及時地捕獲單個遷移實例的異常狀態(tài)并使其恢復，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。 本文在國家自然科學基金項目的資助下，以遷移工作流系統(tǒng)模型為基礎，吸收其他領域的研究成果，重點研究了遷移工作流的容錯執(zhí)行模型及其實現(xiàn)方法，包括遷移實例的容錯執(zhí)行方法、遷移實例間可靠通信方法、多遷移實例的協(xié)同監(jiān)控和失敗協(xié)調(diào)恢復方法等，并通過具體的

7、應用案例對上述研究成果進行了分析和驗證。本文的主要工作包括： 1.遷移工作流容錯執(zhí)行模型研究 為了實現(xiàn)遷移工作流的可靠執(zhí)行，本文建立了系統(tǒng)級容錯執(zhí)行模型。模型從服務層、實例層、協(xié)作層三個層次描述了系統(tǒng)存在的故障，及相應的容錯實現(xiàn)機制。文中給出了容錯執(zhí)行模型的框架結構，設計了遷移工作流實驗用例，建立了遷移工作流容錯執(zhí)行環(huán)境。 2.遷移實例容錯執(zhí)行模型及其實現(xiàn)方法研究。 為了實現(xiàn)遷移實例的容錯執(zhí)行，本文將工作

8、流任務區(qū)分兩種不同的類型：時間關鍵任務和業(yè)務關鍵任務。時間關鍵任務特指那些對響應時間要求較高的短事務任務，如實時數(shù)據(jù)處理、在線軟件更新等。業(yè)務關鍵任務特指對執(zhí)行可靠性要求較高的長事務任務，如訂票、購物、轉帳等。由于業(yè)務關鍵任務通常涉及數(shù)據(jù)庫的修改，因此需要保證執(zhí)行的“只一次”性和事務屬性。本文針對執(zhí)行業(yè)務關鍵任務的遷移實例，重點研究了一類基于空間復制的容錯執(zhí)行階段構建模型，文中給出了動態(tài)階段的概念，定義了動態(tài)優(yōu)先級，設計實現(xiàn)了階段工作位

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

10、通信效率進行了分析。實驗表明，該通信模型模擬現(xiàn)實世界中的信件投遞過程，簡單易實施，具有較好的可靠性和效率。 4.遷移實例狀態(tài)監(jiān)控模型及其協(xié)調(diào)恢復方法研究。 為了實現(xiàn)遷移實例狀態(tài)容錯，本文針對因某個遷移實例狀態(tài)異常而導致的其它遷移實例狀態(tài)不一致或執(zhí)行阻塞故障，重點研究了一類針對多主體協(xié)同并發(fā)過程的協(xié)同監(jiān)控模型及其相應的檢查點算法，文中給出了協(xié)同監(jiān)控模型定義，設計了監(jiān)控者管理算法，包括監(jiān)控者創(chuàng)建、移動與退出，并描述了監(jiān)控信息

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

12、執(zhí)行過程中對工作位置的不必要重訪，降低了總體運行時間；通過工作位置動態(tài)服務優(yōu)先級的設定和計算，使得工作位置在不同時刻相對于不同的遷移實例具有不同的服務優(yōu)先級，因而能夠更加準確地反映工作位置作為遷移實例運行時環(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定，使得遷移實例既能夠選取到執(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.針對通信鏈路故障和遷移實例移動性導致的通信失敗問題，提出了一種基于服務域劃分

13、的遷移實例容錯通信模型。該模型具有簡單易用、高可靠性和高效率的特點，并且對系統(tǒng)規(guī)模擴大具有良好的適應性。 該模型借助業(yè)務關聯(lián)度的概念把工作位置劃分成不同的服務域，在服務域上設置郵局，在郵局中為本域創(chuàng)建和外域遷來的遷移實例設置信箱，并通過熟人地址簿建立地址緩存機制，以便地址查詢。每個遷移實例都有兩個信箱：源信箱和活動信箱。活動信箱由遷移實例隨身攜帶，以方便信件的直接投遞和提?。辉葱畔涔潭ù娣旁谶w移實例的創(chuàng)建地郵局，用以支持信件直接

14、投遞失敗時的信件轉發(fā)。該模型具有以下優(yōu)點：（1）雙信箱機制。雙信箱機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）熟人地址簿機制。熟人地址簿機制支持高效透明的遷移實例尋址，不僅可以有效降低通信地址查詢時間，而且可以減輕遷移實例通信對創(chuàng)建地的依賴，降低系統(tǒng)在遷移實例注冊、注銷等方面的開銷，增強系統(tǒng)健壯性和提高工作效率。 3.針對遷移實例異常狀態(tài)捕獲與恢復問題，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例的狀態(tài)信息，避免遷移實例夭折造成的工作流執(zhí)行失敗。 該模型將遷移實例狀態(tài)監(jiān)控看作一個多監(jiān)控者的協(xié)同工作過程，多個監(jiān)控者協(xié)同監(jiān)控執(zhí)行同一工作流的所有遷移實例，并通過監(jiān)控者之間的協(xié)調(diào)實現(xiàn)不同層次異常狀態(tài)的捕獲、處理和恢復。該模型具有以下特點：（1）監(jiān)控層次性。監(jiān)控者之間具有層次關系，并與遷移實例之間的層次關系相對應，不但可以針對不同的遷移實例定制監(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進行，通過監(jiān)控者之間的協(xié)調(diào)達到狀態(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。模型在多個監(jiān)控者之間分散監(jiān)控失敗風險，同集中式監(jiān)控相比具有較高的可靠性，同時對每個遷移實例僅分配一個監(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、理尚是一個剛剛開始的研究新領域，因此，無論是理論研究還是應用方面都還遠未成熟。本文進一步的研究工作包括： 1.協(xié)同監(jiān)控模型的進一步完善。本文關于遷移工作流的協(xié)同監(jiān)控模型還處于概念驗證階段，一方面系統(tǒng)對許多參數(shù)做了假定，如僅設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；另一方面實驗案例較單一，沒有結合系統(tǒng)做大量深入的定量分析。下一步的工作將進一步考慮環(huán)境的復雜性和動態(tài)性，完善算法，并在已有的定性分析的基礎上，對整個系統(tǒng)的各