一種基于Ａｇｅｎｔ與分布式緩存的服務(wù)組合體系結(jié)構(gòu)

摘要：基于UDDI技術(shù)的普遍的Web 服務(wù)發(fā)現(xiàn)、匹配、執(zhí)行平臺有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的速率及服務(wù)響應(yīng)延遲問題，本文提出了一種基于multi-agent與分布式緩存技術(shù)的服務(wù)組合的體系結(jié)構(gòu)，分布式緩存可以提供一種高效的搜索方式，進(jìn)而比較安全、快速的滿足用戶請求。文章的最后探討了Web服務(wù)組合的發(fā)展趨勢以及有待于進(jìn)一步要做的工作。

關(guān)鍵詞：代理；上下文信息；服務(wù)組合；螞蟻算法；信息素

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)36-2913-03

A Architecture of Services Composition Based on Agent and Distributed Caches

SUN Hua-feng

(Department of Computer Science and Engineering， Jiangsu Teachers University of Technology， Changzhou 213001)

Abstract: The universal web service discovering， matching， executing platform which are based on UDDI may bring serious speed and service response delay problems. In this paper， a kind of service composition architecture based on agent and distributed cashes is presented， distributed cashes can provide an effective searching method， which can satisfy the request of user securely. At last， development trend of web service composition and the work further to do are discussed.

Key words: agent; context-oriented; service composition; ant algorithm; pheromone

1 概述

近年來，隨著電子商務(wù)的迅速崛起，Web應(yīng)用從局部發(fā)展到全球化，從B2C(business-to-customer)發(fā)展到B2B(business-to-business)，再到P2P，從集中式發(fā)展到分布式，web services作為一種新興的Web應(yīng)用模式，是一個嶄新的分布式計(jì)算模型，是Web上數(shù)據(jù)和信息集成的有效機(jī)制。計(jì)算機(jī)的性能得到了極大提高，但目前的互聯(lián)網(wǎng)仍然是以C/S模式為主，Web技術(shù)服務(wù)器成為信息的主要來源，整個Internet系統(tǒng)依附于這些少量的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的大量的邊緣節(jié)點(diǎn)上的資源無法被充分利用，形成大量的信息孤島。對待網(wǎng)絡(luò)指分布式系統(tǒng)中的各個節(jié)點(diǎn)是邏輯對等的，這種計(jì)算機(jī)技術(shù)的目的就是希望能夠充分利用互聯(lián)網(wǎng)中所蘊(yùn)含的潛在資源[1]。

但由于P2P網(wǎng)絡(luò)中高度的動態(tài)性、異構(gòu)性以及分布式的資源，導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)資源變得非常困難。尤其隨著節(jié)點(diǎn)的增加，對資源模型的有效性和擴(kuò)展性提出了更高的要求[2]，目前已有一些模型，比如：1）以Napster為代表的集中式資源發(fā)現(xiàn)模型；2）以Gnutella為代表的集中式資源發(fā)現(xiàn)模型；3）以Chord[3]，CAN為代表的基于DHT的資源發(fā)現(xiàn)模型等。這些模型由于對共享資源缺乏啟發(fā)性的機(jī)制，且先前搜索結(jié)果對以后的搜索沒有起到借鑒的作用，因此它們更加關(guān)注資源的管理，同時，它們在源對等體與目標(biāo)對等體間可能產(chǎn)生巨大的網(wǎng)絡(luò)阻塞，增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。因此，當(dāng)前比較熱門的議題就是：如何利用現(xiàn)有的Web服務(wù)體系結(jié)構(gòu)來提高Application Server的實(shí)時響應(yīng)速度來既快又安全的響應(yīng)用戶的需求。

2 基于multi-agent與分布式緩存的服務(wù)組合體系結(jié)構(gòu)

2.1 multi-agent技術(shù)

Agent是一個具有智能性、自治性等特征的軟件實(shí)體，它能與所處環(huán)境進(jìn)行交互并完成用戶交給的任務(wù)。移動代理(Mobile agent，MA)是一個能在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中自主地從一臺主機(jī)遷移到另一臺，并可與其他代理或資源交互的程序，它可以自主地決定去哪兒、做什么、存活多久[4]。適合在P2P網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行資源發(fā)現(xiàn)的特征如下：

1）自治與協(xié)作：在P2P系統(tǒng)中，每個節(jié)點(diǎn)是一個獨(dú)立與自治的實(shí)體，節(jié)點(diǎn)的動態(tài)加入、離開以及異質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，因此，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)改變與配置自身是很有必要的。Agent的這個特征可以滿足此需求。此外，multi-agents形成了一個agent組織，可以通過彼此協(xié)作來高效地解決問題。

2）MA的遷移：MA可在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行遷移，并使用節(jié)點(diǎn)提供的資源與服務(wù)來完成用戶給定的任務(wù)，這樣MA通過本地通信來進(jìn)入高效的工作，即將計(jì)算移往數(shù)據(jù)而不是把數(shù)據(jù)移往計(jì)算，因此，它可以減少網(wǎng)上原始數(shù)據(jù)的流量，大大減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，消除網(wǎng)絡(luò)延遲，有效節(jié)約帶寬。

3）異步性：網(wǎng)絡(luò)中的信息量巨大，在其中進(jìn)行分布式的信息檢索往往需要大量的時間，同時由于P2P網(wǎng)絡(luò)中存在大量的移動設(shè)備，它們通常依賴于昂貴而脆弱的網(wǎng)絡(luò)連接，如果要求移動設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間必須保持連續(xù)的連接，既不經(jīng)濟(jì)，在技術(shù)上也不可行。為解決這一問題，可將任務(wù)嵌入到MA中，MA被派遣到網(wǎng)絡(luò)上后，移動設(shè)備就不必與網(wǎng)絡(luò)保持連接，MA可以獨(dú)立創(chuàng)建它的進(jìn)程，異步、自主地完成資源發(fā)現(xiàn)任務(wù)。之后移動設(shè)備連接上網(wǎng)絡(luò)，收回MA，取得資源發(fā)現(xiàn)的結(jié)果。如圖1所示。

圖1 MA的異步性

圖2 Web服務(wù)組合體系結(jié)構(gòu)圖

4）健壯性與容錯性：由于MA具有對錯誤和事件動態(tài)作出響應(yīng)的能力，因此減少了健壯和容錯的分布式系統(tǒng)的難度。當(dāng)某個P2P對等點(diǎn)上的信息發(fā)現(xiàn)錯誤時，可以在正在運(yùn)行的MA發(fā)出警告，它們可以在很短的時間內(nèi)移動到網(wǎng)絡(luò)的對等上，并且繼續(xù)執(zhí)行。

2.2 分布式緩存

本文假設(shè)一個多agent系統(tǒng)，有N個節(jié)點(diǎn)或agents，每個agent上提供一定數(shù)量的資源，例如本系統(tǒng)的IA，假定有R個不同的資源類型，每個agent可以在本地存儲部分所知的中間agent。假設(shè)，每個agent保存一個大小為K的私有緩存表，比如agent A存儲著K個不同資源的緩存信息，分別對應(yīng)K個提供資源的Agent，在A緩存中的agent稱為A的鄰居。

最后，節(jié)點(diǎn)緩存構(gòu)成了一個有向圖G（V，E），稱為緩存在網(wǎng)絡(luò)，圖中的每個節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于一個agent的緩存，節(jié)點(diǎn)A到每個鄰居都有一個邊。由于一個節(jié)點(diǎn)可提供2個或多個資源，因此該agent可能會出現(xiàn)在不同的agent緩存表中。從而，每個節(jié)點(diǎn)最多有K個鄰居，可能存在一個節(jié)點(diǎn)的出度小于K。

2.3 上下文(context)

上下文就是與用戶和所處的環(huán)境之間的交互相關(guān)的任何信息[5]。這個信息可能是關(guān)于圍繞用戶所處的環(huán)境、對象或形勢的。例如web services實(shí)例的上下文信息：前一個web service實(shí)例、下一個web service實(shí)例、開始時間、結(jié)束時間等的信息。web services的上下文信息：允許實(shí)例的數(shù)量、正在運(yùn)行的實(shí)例的數(shù)量、下一個服務(wù)實(shí)例的可利用性等的信息。組合服務(wù)的上下文信息:前一個web service、當(dāng)前web service、下一個web service、開始時間等。 在執(zhí)行的時候，代理就是通過這些上下文信息來做決定的，進(jìn)而提高準(zhǔn)確性和效率的。許多研究人員已經(jīng)嘗試定義上下文，這里是 Schiliit et al.提出的三種上下文：計(jì)算類，用戶類，物理的設(shè)備類。

2.4 服務(wù)組合體系結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了2類agent：（1）靜態(tài)agent，駐留在每個對等體上，記錄環(huán)境、資源與緩存信息；（2）移動agent，通過遷移到別處并與靜態(tài)agent交互完成資源、上下文信息的發(fā)現(xiàn)和獲得。同時設(shè)計(jì)了2類靜態(tài)agent，一類負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)擁有資源的對等體，另一類負(fù)責(zé)搜索對應(yīng)對等體上的資源，每個agent的功能描述如下：

1）Control Agent(CA)：每個對等體上都有此靜態(tài)agent，它負(fù)責(zé)創(chuàng)建其他Agents接受用戶的請求并把搜索結(jié)果返回給用戶。

2）Explore Agent(EA)：被CA創(chuàng)建。它具有遷移的能力，負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)擁有請求資源的

對等體，并向CA返回對等體的地址，等待CA指令，執(zhí)行操作。

3）Search Agent(SA)：也是由CA創(chuàng)建并且被CA派遣。從CA上得到遷移路徑后，

遷移到對等體上去搜索資源，并把結(jié)果返回CA。

4）Information Agent(IA)：是靜態(tài)的，它記錄并提供本地資源信息，并保存用戶每次

的搜索結(jié)果和一個緩存表，這些結(jié)果信息可以被EA和SA利用。

基于以上技術(shù)，提出了一種服務(wù)組合的體系結(jié)構(gòu)，并描述了agent間的交互過程，如圖2所示。代理web services組合的目標(biāo)是去決定配置這個組合規(guī)范的代理的合適的類型和角色。目前，有4種類型的代理被提出和應(yīng)用如上面描述所示。不同的服務(wù)代理分別去意識和檢查各自服務(wù)的上下文，分別客觀性的應(yīng)用了4個代理相對應(yīng)的上下文：組合服務(wù)上下文、服務(wù)上下文及信息上下文。

3 算法與策略

研究結(jié)果表明如果發(fā)現(xiàn)一個節(jié)點(diǎn)提供較多的共享資源，那么該共享資源的利用率就明顯提高。根據(jù)這個特點(diǎn)，通過agent的自治與響應(yīng)來充分利用先前的經(jīng)驗(yàn)非常重要。另外，探測新節(jié)點(diǎn)適應(yīng)P2P的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)也很重要。螞蟻系統(tǒng)中的信息素與本地啟發(fā)式信息反映了上述的特征。

3.1 螞蟻算法

螞蟻算法可以用來求解如TSP、分配問題、JSP問題等復(fù)雜的最優(yōu)化難題。研究表明，蟻群總能找到一條從食物到巢穴之間的最短路徑。這是因?yàn)槲浵佋趯ふ衣窂綍r會在路徑上釋放一種特殊的信息素，形成信息素軌跡。螞蟻能夠感知信息素并選擇信息濃度較高的路徑，而其他的路徑上激素濃度會隨著時間的流逝而揮發(fā)。這種趨勢使得蟻群找到最短路徑成為可能。

3.2 基于螞蟻算法的資源發(fā)現(xiàn)策略

螞蟻算法是從以信息素為表現(xiàn)形式的歷史經(jīng)驗(yàn)信息和本地啟發(fā)式信息綜合考慮的，不同的參數(shù)值控制這2個方面的影響程度.另外，這個最佳方案是由一群螞蟻得出的，信息素為螞蟻的異步通信提供了一個特殊通道。

基于multi-agent技術(shù)，在P2P系統(tǒng)中使用通過信息素的學(xué)習(xí)機(jī)制以及通過本地啟發(fā)式信息的探測機(jī)制去解決資源發(fā)現(xiàn)問題是可行的。具有某種記憶存儲和學(xué)習(xí)能力的agent很適合做智能螞蟻，資源發(fā)現(xiàn)過程就是自主學(xué)習(xí)與知識積累的過程。通過學(xué)習(xí)，EA能夠完成節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)，SA利用他的結(jié)果去發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)上的資源。

另外，P2P網(wǎng)絡(luò)中的資源發(fā)現(xiàn)和螞蟻系統(tǒng)中食物的定位有很大的不同。例如，在螞蟻系統(tǒng)中，食物是固定的，但愿在P2P系統(tǒng)中，有很多分布式的資源，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c狀態(tài)都在動態(tài)改變。因此，除了向其他節(jié)點(diǎn)學(xué)習(xí)外，Agent也應(yīng)該能夠探測新加入的擁有共享資源的節(jié)點(diǎn)。針對P2P網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性，本文采用了探測機(jī)制。

4 結(jié)束語

通過這種以服務(wù)為中心、比較注重上下文的體系結(jié)構(gòu)，大大促進(jìn)了web services的可重用性、靈活性、高效性。本文使用agent與緩存技術(shù)來解決P2P網(wǎng)絡(luò)中的資源發(fā)現(xiàn)問題，通過multi-agent間的協(xié)作與交互完成資源發(fā)現(xiàn)。信息素構(gòu)建了一種特殊的通信通道使agent可能學(xué)習(xí)先前的經(jīng)驗(yàn)，而且，具有探測新節(jié)點(diǎn)的能力，可以反映P2P網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)特征。

今后還有一些問題需要解決：1）進(jìn)一步研究，采用精確的方法去評估主機(jī)的負(fù)載狀況并監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；2）尋找一種更高效的緩存表的更新策略，以求上下文信息能夠得到更好的應(yīng)用；3）解決P2P與Agent的安全；4）更進(jìn)一步地研究與驗(yàn)證在其他網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，如無線網(wǎng)絡(luò)；5）可以在web services中有效利用語義信息，進(jìn)行web services和語義Web的有機(jī)結(jié)合可提高web services的質(zhì)量；語義web services是語義Web和web services的結(jié)合，可為web services的發(fā)現(xiàn)、執(zhí)行、解釋和組合的自動化提供有效的支持。

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