Web服務(wù)故障的分類方法-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯Web服務(wù)故障的分類方法-技術(shù)方案摘要：Web服務(wù)故障分類是實(shí)現(xiàn)故障診斷的基礎(chǔ)。在分析了Web服務(wù)的故障管理流程的基礎(chǔ)上，提出了Web服務(wù)類型和執(zhí)行過程相結(jié)合的Web服務(wù)故障分類方法，構(gòu)建了Web服務(wù)故障樹，根據(jù)故障及其外部表現(xiàn)間的對應(yīng)關(guān)系構(gòu)造了Web服務(wù)故障矩陣，通過分析和驗(yàn)證說明Web服務(wù)分類方法能夠有效支持快速、準(zhǔn)確的Web服務(wù)故障診斷。

隨著Web服務(wù)技術(shù)在分布式應(yīng)用系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，Web服務(wù)正逐步成為Internet環(huán)境中資源封裝的標(biāo)準(zhǔn)形式，Web服務(wù)粗粒度、松耦合等特性在增加業(yè)務(wù)應(yīng)用的靈活性和分布式系統(tǒng)的自適應(yīng)能力同時(shí)，也增加了應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜性。為了提高基于Web服務(wù)的分布式應(yīng)用系統(tǒng)的可用性，故障管理成為Web服務(wù)管理技術(shù)的研究熱點(diǎn)。而科學(xué)、合理的故障分類是及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷故障根源并正確響應(yīng)的基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)故障的自診斷和自恢復(fù)，K.S.MayChan從產(chǎn)生原因的角度將Web服務(wù)故障分為三類，即物理故障、開發(fā)故障和接口故障，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步將這三類故障細(xì)化為若干故障子類，并在故障子類與可觀測的故障現(xiàn)象之間建立了關(guān)聯(lián)關(guān)系，該關(guān)聯(lián)關(guān)系為故障診斷提供依據(jù)，但在三類故障之下所涵蓋的故障子類不夠全面，降低了故障診斷的準(zhǔn)確性；M.G.Fugini從產(chǎn)生層次的角度，將Web服務(wù)故障分為Web服務(wù)執(zhí)行故障、應(yīng)用組合故障、操作數(shù)故障、QoS違反故障及內(nèi)部數(shù)據(jù)故障等六類，并針對這些故障類型提出了兩種故障響應(yīng)方式，在故障類型與響應(yīng)方式間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，該關(guān)聯(lián)關(guān)系為故障響應(yīng)提供依據(jù)，但是六類故障間存在相互交叉界限不清等問題，增加了故障診斷的復(fù)雜性；StefanBrüning則從故障檢測的角度提出了SOA體系結(jié)構(gòu)下Web服務(wù)的故障分類，但是其分類方法主要依據(jù)SOA的執(zhí)行步驟，沒有區(qū)分Web服務(wù)的類型，難以直接用于Web服務(wù)故障診斷。

針對已有Web服務(wù)故障分類存在的不足，本文首先分析了Web服務(wù)的故障管理流程，然后系統(tǒng)梳理了基于Web服務(wù)的分布式應(yīng)用系統(tǒng)故障類型，提出了Web服務(wù)類型和執(zhí)行過程相結(jié)合的Web服務(wù)故障分類方法，構(gòu)建了Web服務(wù)故障樹；并對各類型Web服務(wù)故障的外部表現(xiàn)進(jìn)行了分析，根據(jù)故障及其外部表現(xiàn)間的對應(yīng)關(guān)系構(gòu)造了Web服務(wù)故障矩陣，通過對比分析和實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，充分說明Web服務(wù)分類方法和故障矩陣對于實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的Web服務(wù)故障診斷具有重要作用。

1Web服務(wù)故障管理

Web服務(wù)故障管理的目的是保證Web服務(wù)安全、高效、可靠地運(yùn)行，它是指當(dāng)Web服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)根據(jù)故障產(chǎn)生的故障現(xiàn)象，利用檢測得到的信息，對故障進(jìn)行診斷，并終確定根故障原因，然后再依據(jù)故障知識庫中的相關(guān)知識提供正確的故障響應(yīng)方法。

Web服務(wù)故障管理主要包括故障檢測與診斷FDD（FaultDectectionandDiagnosis）和故障容錯(cuò)控制FTC（Fault-tolerantControl）兩個(gè)部分，管理流程如圖1所示。

圖1Web服務(wù)故障管理流程

故障檢測與診斷從Web服務(wù)中適時(shí)準(zhǔn)確地檢測出故障信息，并對故障產(chǎn)生的原因、類型、位置及其發(fā)展做出判斷；故障容錯(cuò)控制[8]則是根據(jù)不同的故障源和故障特征做出決策方案，并采取相應(yīng)的容錯(cuò)控制措施，對故障進(jìn)行補(bǔ)償、抑制、削弱和消除，以保證Web服務(wù)繼續(xù)安全可靠運(yùn)行，或用降低性能的方法保證Web服務(wù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成其基本功能。故障檢測與診斷為故障容錯(cuò)控制提供必須的診斷結(jié)果。其中，故障診斷過程可以看作是一個(gè)故障類型識別過程，識別系統(tǒng)依據(jù)故障類型和故障矩陣庫所提供的故障原因與可觀測的故障現(xiàn)象的因果關(guān)系逐層分析推理故障原因，終確定根故障原因。

由此可見，故障檢測與診斷是故障容錯(cuò)控制的前提條件，也是故障管理的基礎(chǔ)，而掌握故障的類型及故障類型與故障現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系又是故障檢測與診斷的必要條件之一，因此只有先明確了故障本身的特性才能對其進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確地管理。

2Web服務(wù)故障分類

目前，針對Web服務(wù)容錯(cuò)處理的相關(guān)研究較多，但是對于Web服務(wù)故障的分類方法的研究卻比較少。

現(xiàn)有Web服務(wù)故障分類方法主要采用的分類原則有三類：一是按照故障產(chǎn)生的原因分類，二是按照故障產(chǎn)生的層次分類，三是按照Web服務(wù)的執(zhí)行過程分類。本文提出的Web服務(wù)故障分類方法采用了第三類分類原則，即從Web服務(wù)的類型和執(zhí)行過程相結(jié)合的角度對故障分類。依據(jù)這一分類原則，本文從Web服務(wù)執(zhí)行過程中所有可能產(chǎn)生故障的環(huán)節(jié)入手對故障進(jìn)行分類，相對于前兩種分類原則，該原則具有系統(tǒng)性強(qiáng)、完備性高的特點(diǎn)，得到的故障分類更加全面、具體，并為故障根源分析提供了實(shí)際的、可操作的依據(jù)。

自頂向下，首先建立基于Web服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)的故障樹，明確Web服務(wù)故障的位置；然后深入研究Web服務(wù)故障的分類。

2.1Web服務(wù)故障類型

基于Web服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)，所有在分布式系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的故障類型也都可能在基于Web服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)中產(chǎn)生。基于Web服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)的故障主要可以分為網(wǎng)絡(luò)故障和節(jié)點(diǎn)故障兩大類，每一類又可以分為軟件故障和硬件故障，如圖2所示。Web服務(wù)故障屬于節(jié)點(diǎn)故障中的軟件故障，它與故障樹中的其他故障存在一定的因果關(guān)系。在診斷基于Web服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)故障時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照故障樹的結(jié)構(gòu)自底向上逐層分析應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，定位故障。對于網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)的故障分類和診斷，人們已經(jīng)進(jìn)行了深入研究，在此不再贅述。本文將重點(diǎn)分析Web服務(wù)的故障分類。

圖2基于Web服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)故障樹。

從Web服務(wù)自身的特點(diǎn)來看，Web服務(wù)是部署在Web上的對象或組件，是基于Web服務(wù)提供者、Web服務(wù)請求者、Web服務(wù)中介三個(gè)角色，以及發(fā)布、發(fā)現(xiàn)、綁定三個(gè)步驟構(gòu)建的。Web服務(wù)提供者是Web服務(wù)的擁有者，它為其他服務(wù)和用戶提供功能；Web服務(wù)請求者是Web服務(wù)功能的使用者，利用SOAP消息向Web服務(wù)提供者發(fā)送請求以獲得服務(wù)；Web服務(wù)中介的作用是把一個(gè)Web服務(wù)請求者與合適的Web服務(wù)提供者聯(lián)系在一起，充當(dāng)管理者的角色，如UDDI注冊中心或基于EBXML的注冊中心。

Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)了服務(wù)提供者和消費(fèi)者之間的動(dòng)態(tài)鏈接，是構(gòu)建松耦合分布式系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。動(dòng)態(tài)鏈接性，使Web服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)能夠適應(yīng)快速變化的環(huán)境和需求。然而，與此同時(shí)這種動(dòng)態(tài)特性也引入了新的故障問題，在Web服務(wù)執(zhí)行的整個(gè)過程中，發(fā)布、發(fā)現(xiàn)、綁定和執(zhí)行等環(huán)節(jié)都有可能產(chǎn)生故障，而且如果不及時(shí)處理這些故障，將會(huì)導(dǎo)致Web服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)失效的嚴(yán)重后果。

依據(jù)將Web服務(wù)類型和執(zhí)行過程相結(jié)合對故障進(jìn)行分類的原則，本文提出了如圖3所示的Web服務(wù)故障分類。

圖3Web服務(wù)故障分類

首先，根據(jù)Web服務(wù)的復(fù)雜程度，將Web服務(wù)故障分為原子Web服務(wù)故障和組合Web服務(wù)故障。

然后，按照Web服務(wù)執(zhí)行過程的四個(gè)步驟，可以將原子Web服務(wù)故障分為發(fā)布故障、發(fā)現(xiàn)故障、綁定故障和執(zhí)行故障四個(gè)子類，再依據(jù)故障產(chǎn)生的原因?qū)γ恳粋€(gè)子類進(jìn)一步劃分。依據(jù)組合Web服務(wù)的實(shí)現(xiàn)過程，將組合Web服務(wù)故障分為組合組件故障、組合過程故障和執(zhí)行故障三類，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)故障產(chǎn)生原因再對每類故障進(jìn)行逐步細(xì)化。

下面對原子服務(wù)故障和組合服務(wù)故障分別進(jìn)行說明。首先從原子服務(wù)故障的四個(gè)子類（發(fā)布故障、發(fā)現(xiàn)故障、綁定故障和執(zhí)行故障）出發(fā)，對其所涵蓋的各個(gè)子類進(jìn)行闡述。

（1）發(fā)布故障。

即在Web服務(wù)發(fā)布過程中可能產(chǎn)生的故障。在這一過程中，Web服務(wù)被部署到服務(wù)器上，并向服務(wù)注冊中心注冊服務(wù)功能及訪問接口，此階段可能出現(xiàn)兩類故障，即WSDL文件描述故障和服務(wù)部署故障。

WSDL文件描述故障是指服務(wù)的描述信息不正確。這又存在兩種可能性，一是描述信息本身錯(cuò)誤（服務(wù)描述不正確），二是服務(wù)描述信息與所部署的服務(wù)不匹配（服務(wù)與描述不匹配）。其中，由于描述信息不正確導(dǎo)致的故障，通過檢查描述文件就能夠做出判斷。描述信息錯(cuò)誤也存在兩種情況，一種是格式故障，即服務(wù)描述的格式不正確，如，XML文件漏掉了一些標(biāo)簽；另一種是內(nèi)容故障，如，描述中所指定的算法不存在。

此外，由部署的服務(wù)與提供的描述信息不匹配所導(dǎo)致的故障則存在三種情況，一是描述信息不完整，即服務(wù)所提供的性能多于描述信息中所發(fā)布的內(nèi)容；二是描述中的性能未提供，即服務(wù)本身并未提供描述信息中提到的性能；三是性能描述不正確，即描述的性能與實(shí)際提供的性能不匹配。

服務(wù)部署故障出現(xiàn)在服務(wù)不能在目標(biāo)平臺成功部署時(shí)。這可能是由于以下兩種原因所致，一是服務(wù)與服務(wù)器不匹配，即服務(wù)與服務(wù)器的軟件版本不匹配，所導(dǎo)致的服務(wù)不能執(zhí)行或執(zhí)行受限；二是服務(wù)所需的資源未找到，此時(shí)服務(wù)也許能夠部署成功但卻無法執(zhí)行。部署故障只有通過服務(wù)執(zhí)行過程中的錯(cuò)誤信息進(jìn)行診斷。

（2）發(fā)現(xiàn)故障。

發(fā)現(xiàn)服務(wù)過程中的故障，可能產(chǎn)生于查找特定種類的服務(wù)或返回服務(wù)的過程中。

相對容易判斷的故障是服務(wù)未發(fā)現(xiàn)。產(chǎn)生這種故障的原因有：需要的服務(wù)不存在，或服務(wù)未在發(fā)現(xiàn)服務(wù)中列出。發(fā)現(xiàn)的服務(wù)錯(cuò)誤是比較難診斷的故障。這類故障往往會(huì)導(dǎo)致服務(wù)輸出的結(jié)果不正確。導(dǎo)致這種故障產(chǎn)生的原因有指定了不正確的發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、查找服務(wù)本身發(fā)生故障或提供的說明與實(shí)際提供的服務(wù)不匹配。

（3）綁定故障。

在綁定期間，服務(wù)的消費(fèi)者和服務(wù)的提供者會(huì)就服務(wù)執(zhí)行的條件進(jìn)行協(xié)商。當(dāng)出現(xiàn)授權(quán)拒絕、失敗、審計(jì)問題或缺乏安全性時(shí)，就可能導(dǎo)致綁定被拒絕。而且，客戶端也可能被綁定到錯(cuò)誤的服務(wù)，這可能是因?yàn)榉?wù)的描述信息不正確或者是服務(wù)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤等原因。

（4）執(zhí)行故障。

當(dāng)服務(wù)執(zhí)行完，但輸出的結(jié)果與期待的輸出不匹配時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生執(zhí)行故障。

服務(wù)可能已經(jīng)崩潰，但服務(wù)器通常會(huì)發(fā)現(xiàn)崩潰的服務(wù)并把服務(wù)崩潰的消息通知給客戶端。如果服務(wù)返回的結(jié)果不正確，則可能是因?yàn)檐浖收匣蜉斎氩徽_造成的，而輸入錯(cuò)誤則可能是由轉(zhuǎn)換故障或輸入越界所致。服務(wù)器崩潰和通信故障都會(huì)導(dǎo)致服務(wù)執(zhí)行超時(shí)。

以上各類故障都可能是由超時(shí)導(dǎo)致的。超時(shí)故障可能是由服務(wù)器崩潰或通信故障所造成的，而服務(wù)器崩潰屬于分布式故障的范圍，它可能是由硬件、軟件或網(wǎng)絡(luò)故障所致。

組合Web服務(wù)故障包括組合組件故障、組合過程故障和執(zhí)行故障三個(gè)子類，下面分別說明：

（1）組合組件故障。

組合多個(gè)服務(wù)創(chuàng)建一個(gè)新服務(wù)的能力是Web服務(wù)的基本特點(diǎn)。組合組件故障會(huì)導(dǎo)致組合服務(wù)故障，組合組件故障包含兩種情況：一是組合服務(wù)中的任意一個(gè)原子服務(wù)故障，二是原子服務(wù)與業(yè)務(wù)流程中的需求不匹配，這兩種都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)組合服務(wù)不可用。

（2）組合過程故障。

即在服務(wù)組合過程中產(chǎn)生的故障。在這一過程中，組合引擎按照業(yè)務(wù)流程將多個(gè)Web服務(wù)組合成一個(gè)新的Web服務(wù)，此階段可能出現(xiàn)三類故障，即業(yè)務(wù)流程故障、組合引擎故障和組合超時(shí)故障。

業(yè)務(wù)流程故障是指流程中所定義的組合過程不正確。這又存在兩種可能性，一是流程定義內(nèi)容不一致，二是流程定義內(nèi)容不完整。目前對組合Web服務(wù)的描述大都采用基于BPEL的流程文件定義的，所以對于業(yè)務(wù)流程故障的這兩種情況，通過分析檢查BPEL文件就能做出判斷。

組合引擎故障是指由組合引擎出現(xiàn)的問題導(dǎo)致服務(wù)無法實(shí)現(xiàn)組合的故障。組合引擎負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯并提供數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換等簡單的基礎(chǔ)服務(wù)，其內(nèi)部可使用多種技術(shù)和設(shè)計(jì)模式。這種故障可以根據(jù)組合引擎返回的消息做出判斷，或依賴于組合服務(wù)容器提供的監(jiān)控功能進(jìn)行診斷，如JBI環(huán)境中提供的"JBI運(yùn)行時(shí)"管理。

組合超時(shí)故障可能是由服務(wù)器崩潰或通信故障所造成的，而服務(wù)器崩潰屬于分布式故障的范圍，它可能是由硬件、軟件或網(wǎng)絡(luò)故障所致。

（3）執(zhí)行故障。

組合服務(wù)的執(zhí)行故障與原子服務(wù)類似。包括：原子服務(wù)崩潰、組合服務(wù)崩潰、結(jié)果不正確和執(zhí)行超時(shí)四種情況。

2.2Web服務(wù)故障矩陣

通過分析Web服務(wù)執(zhí)行過程中可能產(chǎn)生的故障類型與故障現(xiàn)象的因果關(guān)系，建立的故障與故障現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣，即故障矩陣，如圖4所示。

圖4Web服務(wù)故障類型與故障現(xiàn)象矩陣。

故障矩陣中的兩個(gè)維度，分別是故障類型。（橫向）和故障現(xiàn)象類型（縱向），位于矩陣下方的則是導(dǎo)致故障產(chǎn)生的終原因。從Web服務(wù)使用者，即用戶的角度看，Web服務(wù)故障可能表現(xiàn)出的故障現(xiàn)象有：Web服務(wù)未響應(yīng)、服務(wù)輸出結(jié)果不正確、服務(wù)生成多個(gè)結(jié)果、服務(wù)生成的結(jié)果不一致、服務(wù)速度慢和服務(wù)結(jié)果輸出超時(shí)等。故障現(xiàn)象與故障之間是多對多的關(guān)系。一種故障現(xiàn)象的出現(xiàn)，可能是由多個(gè)類型的故障所致，同樣，同一類故障也可能會(huì)導(dǎo)致多種故障現(xiàn)象出現(xiàn)。例如，故障現(xiàn)象"Web服務(wù)未響應(yīng)"就可能是由"WSDL描述故障"、"服務(wù)未發(fā)現(xiàn)"、"QoS故障"等所導(dǎo)致。

故障類型與故障現(xiàn)象之間的對應(yīng)關(guān)系由矩陣中的圓點(diǎn)表示，故障類型與故障產(chǎn)生原因之間的關(guān)系則由故障類型箭頭下的連線表示。故障矩陣不僅反映了故障類型與故障現(xiàn)象的因果關(guān)系，同時(shí)也表示了故障類型與故障根源之間因果關(guān)系。

故障矩陣明確了故障現(xiàn)象與故障類型之間的對應(yīng)關(guān)系，是Web服務(wù)故障的根源分析的基礎(chǔ)。例如，當(dāng)出現(xiàn)"服務(wù)輸出結(jié)果不正確"的故障現(xiàn)象時(shí)，如圖4中加粗顯示部分，故障診斷服務(wù)根據(jù)故障矩陣可以將故障類型確定在"綁定到錯(cuò)誤服務(wù)"、"發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤服務(wù)"、"QoS故障"、"執(zhí)行輸入不正確"、"原子服務(wù)與需求不匹配"和"業(yè)務(wù)流程故障"的故障范圍內(nèi)，然后通知駐留在Web服務(wù)上的診斷代理采用與故障類型相關(guān)的檢測方法進(jìn)行檢測，再對檢測返回的結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算得出故障范圍內(nèi)故障類型的出現(xiàn)概率，并依據(jù)出現(xiàn)概率大小確定故障類型為"發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤服務(wù)故障";然后再進(jìn)一步根據(jù)故障矩陣找到可能的故障原因范圍并確定所需檢測的信息，如"WSDL文件格式錯(cuò)誤"、"服務(wù)查詢標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤"等，在對獲得的相關(guān)檢測信息分析后，確定終的根故障原因，如"WSDL文件內(nèi)容沖突".

3分析與驗(yàn)證

3.1對比分析

通過對已有分類方法的分析，可發(fā)現(xiàn)本文提出的Web服務(wù)故障分類方法在劃分的故障類型及對故障根源分析的支持方面都具有明顯優(yōu)勢。各種分類方法對比如表1所示。

3.2實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

在Web服務(wù)故障分類方法和故障矩陣的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于策略的Web服務(wù)故障管理子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)作為Web服務(wù)綜合管理系統(tǒng)的重要組成部分，完成Web服務(wù)故障的監(jiān)測和診斷功能。子系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

表1分類方法的比較

圖5基于策略的Web服務(wù)故障管理體系結(jié)構(gòu)。

Web服務(wù)故障管理功能是以Web服務(wù)的形式對外提供的。故障管理服務(wù)負(fù)責(zé)整個(gè)Web服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的管理控制，依據(jù)管理員定義的一系列管理策略接收和處理被管Web服務(wù)提供的相關(guān)信息，完成Web服務(wù)故障監(jiān)測、診斷和響應(yīng)的功能。故障管理服務(wù)包括故障監(jiān)測模塊、故障診斷模塊、故障響應(yīng)模塊、策略管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)庫和故障管理接口模塊、策略數(shù)據(jù)庫、故障矩陣庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、響應(yīng)知識庫，位于底層的是被管對象層，它由各個(gè)Web服務(wù)被管對象及各自的故障管理代理（Agent）組成，故障管理代理負(fù)責(zé)收集Web服務(wù)被管對象的信息和響應(yīng)故障管理服務(wù)發(fā)來的輪詢信息。

故障監(jiān)測模塊，是按