李海浩 费琪 卢重阳

摘 要：

在全舰计算环境中，针对应用需求变更，应用服务高效的进行自适应演化才能够充分的利用好各种有限资源。在服务变量定义的基础上，提出了影响服务质量的相关指标;对服务组合的结构路径进行了说明，给出不同结构路径形式下服务质量的计算方法，并提出了组合服务质量模型;对服务变更实例情况进行了分析，最终提出了服务自适应模型算法。

关键词：

全舰计算环境; 组合服务; 自适应

中图分类号： TP 311

文献标志码： A

Research on Self-adaptation Method of Services in Total Ship Computing Environment

LI Laihao1，  FEI Qi2，  LU Chongyang2

（1. No. 91404 Troops of PLA， Hebei Qinhuangdao 066000， China;

2. Jiangsu Automation Research Institute， Lianyungang， Jiangsu 222061， China）

Abstract：

In the total ship computing environment， for the changes of application requirements， the efficient self-adaptive evolution of application services can make full use of various effective resources. Based on the definition of service variables， this paper proposed the related indexes affecting service quality; explained the structural path of service composition， gave the calculation method of services quality under different structural path forms. It also put forward the composite service quality model; analyzed the service change instance. Finally gave the service self-adaptive model algorithm.

Key words：

total ship computing environment; composite service; self-adaptation

0 引言

全艦计算环境是将舰艇装备研发的关键技术，具有标准性、通用性、可裁剪、可移植等特点[1]。全舰计算环境向应用系统以服务的形式提供各类支撑，针对用户需求，支撑服务怎样能够合理、快速、高质量的进行有效组合、重组甚至自适应演化，是公用计算环境应用的重点难点。针对服务各类属性，对服务变量进行了定义，明确了影响服务质量的各类指标;通过组合服务结构的分析和质量计算方法的研究，提出了组合服务自适应优选方法，该方法可为全舰计算环境各类服务的高效组合提供借鉴。

1 服务属性

1.1 服务变量的定义

在全舰计算环境下，功能的实现过程可以总结为三步，首先用户向计算环境提出需求，其次计算环境选择对应用户需求的服务，通过算法将服务调用的顺序、逻辑结构进行组合，最后将组合服务进行执行，并将结果返给用户。当计算环境进行服务选择或组合过程中，用户的需求发生变化，改变原功能需求，针对新需求，会进行服务重组，为量化优化重组的优劣，给出影响服务组合质量的变量因子。

服务S（Service），在全舰计算环境中，由各类计算资源通过虚拟化而成的服务，比如：存储服务、分布式计算服务、通信服务[2]等。通过对服务自适应方法存影响因素的总结和分析[3]，得出S={ID，Function，In/out，State，Qos}。

其中：ID为服务的唯一标示;Function为服务的功能描述;In/out为服务的输入输出;State为服务的状态，使用-1、0和1分别表示服务不存在，服务异常、无法启用和服务正常、可正常使用[4]。

2.2 服务质量的定义

衡量服务质量的优劣是一个复杂且不易量化的问题，很少有规范性的标准[5]。这里提出的Qos只是针对有限的评价指标尝试对服务质量进行量化，根据服务特性，本文给出评价服务质量的7个指标，即Qos={T，Ar，Ad，Ev，Re，Rur，Sa}，其中各参数含义如下。

①时间（T）：从用户提出需求到收到响应结果之间的时间。该时间越长，说明服务代价越高。T由两部分组成，即服务请求识别时间Treq和响应时间Tresp，T=Treq+Tresp。Treq为用户提交请求后，计算环境查找到历史记录是否存在相同或类似的服务请求所花费时间;Tresp为计算环境执行服务所花费时间，包括服务查找、服务组合、服务响应和网络传输等时间。

②可用率（Ar）：服务成功访问率，某服务成功访问次数n与总访问次数N的比值，即Ar=n/N。

③调整性（Ad）：服务由于不同原因无法完成任务时，能够被其他服务替代的能力。某服务因异常被挂起，是否有其他服务替代该服务。该调整参数Ad为有替代服务的数量m与服务总数量M的比值，即Ad=m/M。

④评价值（Ev）：用户对服务的评价，数值可根据需求进行确定，并对未评价的服务设置默认值。评价值是长期累计的结果，会在使用过程中趋于稳定，计算方法为：Ev=1n∑ni=1Ev（i）。

⑤效率（Re）：单个服务工作时间Tsi与组合服务工作总时间Tto的比值，即Re=Tsi/Tto。

⑥资源利用率（Rur）：服务执行所利用的资源主要与环境的CPU和内存有关，为了更加明了的说明过程，这里以CPU的利用率为例进行说明。CPU利用率为服务执行时所占CPU资源的比值，数值可通过性能监视等工具获取。

⑦安全性（Sa）：服务的安全性直接关系上层应用是否能够正确实现，对武器装备的战技指标影响至关重要。全舰计算环境下服务安全值可参考云服务的保密性、完整性、可控性和不可抵赖性等因素[6]设置。

2 服务自适应优选方法研究

服务优选就是在完成用户需求的情况下，综合服务的时间消耗、成功访问率、替代调整能力、评价效果、资源占用率和安全性等方面，得出优化的组合服务的过程。

2.1 组合服务结构分析

根据服务变量定义，组合服务模型为：

F= f（Si）= f{ID（Si），Function（Si），In/out（Si），State（Si），Qos（Si）};

根据服务质量定义，组合服务中任意服务的质量评价模型为：

Q=g（Qos（F））=g{T（F），Ar（F），Ad（F），Ev（F），Re（F），Rur（F），Sa（F）}

通过路径结构分析，任何组合服务的执行路径都可由多个服务根据顺序结构、并行结构、选择结构和循环结构组成[7]，组合服务的执行路径示意图如图1所示。

2.2 组合服务质量计算方法

为分析组合服务质量模型方便，现假设组合服务只由顺序、并行、选择和循环4个单一结构组成，参与四个结构的服务数量分别为：a、b、c、d，现分别对组合服务质量模型中各变量进行计算，结果如表1所示。

组合服务的实现结构往往由多种结构形式组成，且较为复杂，根据表1中计算方法，可将组合服务分解成多级结构，分别迭代对应公式，可最终计算出组合服务质量评价表达式。

其中：a1…a7分别表示服务质量各指标参数的权重。

3 组合服务自适应优选方法

3.1 服务变更实例

用户需求发生变更后，简单的对服务进行删除或替换操作，可能会引发一系列问题。为便于说明，现用S（a/b）表示服务S的输入为a，输出为b，服务变更问题如表2所示。

为保障组合服务变更后的延续性，在服务进行删除或替换操作时，应考虑有效迭代关系，进行关联服务的删除和添加，具体过程如表3所示。

3.2 服务自适应方法

当组合服务接收到用户新需求后，服务自适应算法會对原组合服务进行异常判断，分析出那些服务需要进行修改，并根据服务Qos制定新的组合服务，服务自适应方法分析过程如图2所示。

自适应算法概述如下：

（1） 针对①、②和③，由于能够满足用户需求的服务往往不唯一，算法采用“组合服务质量计算方法”，选取相关服务进行最优组合。

（2） 针对④，分析用户新需求，在原组合服务中确定不满足用户新需求的服务S↓。

（3） 如果S↓是单服务或后续关联服务删除需求，直接将相关服务进行删除操作;如果S↓是单服务替换需求，将S↓确定为被替换服务;如果S↓是后续关联服务替换需求，将S↓及后续关联服务一并确定位被替换服务集S↓i。为了方便后续计算，这里将被替换服务集统一为S↓i，当i=1时，即为单服务替换。

（4） 选择替换服务集CS，将满足新需求的组合服务S↑j添加到CS中。S↓i和S↑j中i和j的值并非完全相同，根据用户新需求确定替换和被替换需求的对应数量。

（5） 若CS为空，在组合服务中向前增加被替换服务变更S↓i，重新调用步骤（1）-（4）。若CS不为空，采用“组合服务质量计算方法”，在CS中选取Q最优的S↑j替换S↓i。

（6） 进行服务异常监控，对运行服务状态进行监控，防止服务异常造成用户响应中断。当监测都某服务异常后，记录发生服务名称、异常发生时间和原因等信息，将异常服务挂起，调用步骤（1）-（5）。

4 总结

全舰计算环境技术的应用，一定程度上提升了装备的战技指标和资源利用率，针对装备用户需求的变更，应用服务自适应组合方法可以有效保障装备的实用性[8]。在全舰计算环境中服务的有效组合在功能属性的基础上，需重点考虑服务质量特性。同时，服务的实时自适应动态演化，可以在一定程度减少人工干预，保证服务能够高质量、高效率的完成用户提交的各类任务请求。

参考文献

[1] 董晓明， 石朝明， 黄坤， 等. 美海军DDG-1000全舰计算环境体系结构探析[J]. 中国舰船研究， 2012， 7（6）： 7-15.

[2] 刘卫宁， 李一鸣， 刘波. 基于自适应粒子群算法的制造云服务组合研究[J]， 计算机应用， 2012，32（10）： 2868-2869.

[3] Bezdek J C. Pattren Recognition With Fuzzy Objective Function Algorithms[J]. Advanced Applications in Pattrern Recognition， 1981.

[4] 张明卫， 朱志良， 张斌，等. 一种基于EQ规则的组合服务运行时自适应方法[J]. 软件学报， 2015，36（4）： 849-866.

[5] 张伟. 美国海军全舰计算环境发展及关键技术[J]. 舰船科学技术， 2016（4）： 149-152.

[6] 丁滟， 王怀民， 史佩昌， 等. 可信云服务[J]. 计算机学报， 2015（1）： 133-149.

[7] Cardoso， Jorge， et al. Quality of service for workflows and web service processes[J]. Web Semantics Science Services&Agents on the World Wide Web， 2004， 1（3）： 281-308.

[8] 朱锐， 王怀民， 冯大为. 基于偏好推荐的可信服务选择[J]. 软件学报， 2011，22（5）： 852-864.

（收稿日期： 2019.12.23）