A novel specification and composition language for services

Abstract

Service-Oriented Architecture (SOA) has emerged as a prominent design style that enables an IT infrastructure to allow different applications to participate in business processes, regardless of their underlying features, by encapsulating them as platform-independent entities that become available via a certain network, primarily the Internet. In order to effectively discover and use the most suitable services, service description should provide a complete behavior model, describing the inputs and preconditions that are required before execution, as well as the outputs and effects of a successful execution. Such service specifications are indispensable in a variety of activities, such as conformance and verification checks, adaptation evaluation and deducing composability of services. Service specifications rely on the expression of conditions that should hold before and after service execution. Such specifications are prone to a family of problems, known in the AI literature as the frame, ramification and qualification problems. These problems deal with the succinct and flexible representation of non-effects, indirect effects and preconditions, respectively. Research in services has largely ignored these problems, at the same time ignoring their effects, such as compromising the integrity and correctness of services and service compositions and the inability to provide justification for unexpected execution results. To address these issues, this thesis proposes the Web Service Specification Language (WSSL), a novel, semantics-aware language for the specification and composition of services, independent of service design models. WSSL's foundation is the fluent calculus, a specification language for robots that offers solutions to the frame, ramification and qualification problems. Further language extensions achieve three major goals: realize service composition via planning, supporting non-deterministic constructs, such as conditionals and loops; include specification of QoS profiles; and support partially observable service states. To investigate WSSL's applicability and demonstrate its benefits, we analyze correctness of the composition extension, decidability and complexity of the underlying theory, as well as compatibility with other related languages in service science. Moreover, an innovative service composition and verification framework is implemented, that advances state-of-the-art by satisfying several desirable requirements simultaneously: ramifications and partial observability in service and goal modeling; non-determinism in composition schemas; dynamic binding of tasks to concrete services; explanations for unexpected behavior; QoS-awareness through pruning and ranking techniques based on heuristics and task-specific goals and an all-encompassing QoS aggregation method for global goals. Experimental evaluation is performed using synthetically generated specifications and composition goals, investigating performance scalability in terms of execution time, as well as optimality with regard to the produced composite process. The results show that, even in the presence of ramifications in some specifications, functional planning is efficient for repositories up to 500 specifications. Also, the cost of functional discovery per single service is insignificant, hence achieving good performance even when executed for multiple candidate plans. Finally, optimality relies mainly on defining suitable problem-specific heuristics; thus, its success depends mostly on the expertise of the composition designer.

H Υπηρεσιοστρεφής Αρχιτεκτονική έχει αναδειχθεί σε εξέχοντα τρόπο σχεδίασης που καθιστά τις υποδομές Πληροφοριακής Τεχνολογίας ικανές να παρέχουν σε εφαρμογές τη δυνατότητα συμμετοχής σε επιχειρησιακές διεργασίες, ανεξάρτητα από τα υποκείμενα χαρακτηριστικά τους. Για την αποτελεσματική εύρεση και χρήση των πιο κατάλληλων υπηρεσιών (ή συνθέσεων υπηρεσιών) αναφορικά με τις ανάγκες ενός καταναλωτή, ο πάροχος θα πρέπει να προσφέρει πλήρεις προδιαγραφές για τις υπηρεσίες, περιγράφοντας τις εισόδους και συνθήκες που απαιτούνται πριν την εκτέλεση, καθώς επίσης και τις εξόδους και αποτελέσματα που προκύπτουν από μια επιτυχή εκτέλεση. Τέτοιες προδιαγραφές υπηρεσιών είναι απαραίτητες σε μια πληθώρα από δραστηριότητες όπως σε ελέγχους συμμόρφωσης και επαλήθευσης σωστής λειτουργίας, στην αξιολόγηση αποτελεσμάτων προσαρμογής υπηρεσιών και στον προσδιορισμό της δυνατότητας σύνθεσης ενός συνόλου υπηρεσιών. Οι προδιαγραφές υπηρεσιών βασίζονται στην έκφραση συνθηκών που πρέπει να ισχύουν πριν και μετά την εκτέλεση της υπηρεσίας. Τέτοιες προδιαγραφές είναι επιρρεπείς σε μια οικογένεια προβλημάτων, που είναι γνωστά στο πεδίο της Τεχνητής Νοημοσύνης ως το πρόβλημα πλαισίου, το πρόβλημα επιπτώσεων και το πρόβλημα προϋποθέσεων. Τα προβλήματα αυτά σχετίζονται με τη σαφή και ευέλικτη έκφραση των μη-αποτελεσμάτων, έμμεσων αποτελεσμάτων και προϋποθέσεων εκτέλεσης μιας ενέργειας. Η έρευνα στο πεδίο των υπηρεσιών έχει αγνοήσει αυτά τα προβλήματα σε μεγάλο βαθμό, αγνοώντας ταυτόχρονα και τις συνέπειές τους, όπως για παράδειγμα το να διακινδυνεύεται η ακεραιότητα της παρεχόμενης υπηρεσίας και η αξιοπιστία του παρόχου, καθώς επίσης και η αδυναμία αιτιολόγησης στην περίπτωση μη-αναμενόμενων αποτελεσμάτων εκτέλεσης. Για την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων, η παρούσα διατριβή προτείνει τη Γλώσσα Προδιαγραφών Υπηρεσιών (WSSL), μια νέα γλώσσα για προδιαγραφές και σύνθεση υπηρεσιών, ανεξάρτητη από μοντέλα σχεδίασης υπηρεσιών. Η θεμελίωση της γλώσσας βασίζεται στο λογισμό των μεταβλητών ιδιοτήτων (fluent calculus), ο οποίος που παρέχει λύσεις στα προβλήματα πλαισίου, επιπτώσεων και προϋποθέσεων. Εκτός από το βασικό συντακτικό και τη σημασιολογία της γλώσσας, παρέχονται επεκτάσεις στις εξής κατευθύνσεις: υλοποίηση σύνθεσης υπηρεσιών λαμβάνοντας υπόψη μη-ντετερμινιστικά πρότυπα, προδιαγραφή προφίλ Ποιότητας Υπηρεσιών (ΠΥ) σύμφωνα με διαθέσιμα μοντέλα και μεταμοντέλα περιγραφής ΠΥ και υποστήριξη αβεβαιότητας στην περιγραφή των καταστάσεων που συνθέτουν το μοντέλο συμπεριφοράς της υπηρεσίας. Για να διαπιστωθεί η χρησιμότητα της γλώσσας και να αναδειχθούν τα σημαντικά της οφέλη, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα καινοτόμο σύστημα σύνθεσης και επαλήθευσης υπηρεσιών βάσει προδιαγραφών, το οποίο προάγει την έρευνα στο πεδίο της σύνθεσης υπηρεσιών ικανοποιώντας ταυτόχρονα μια σειρά από σημαντικές απαιτήσεις: περιγραφή δευτερευουσών συνεπειών και υποστήριξη αβεβαιότητας, υποστήριξη μη-ντετερμινιστικών δομών ελέγχου, δυναμική αντιστοίχηση υπηρεσιών, δυνατότητα παροχής επεξηγήσεων σε περίπτωση μη αναμενόμενης συμπεριφοράς και υποστήριξη χαρακτηριστικών ΠΥ. Τέλος, εκτελέστηκε μια εκτενής πειραματική αξιολόγηση του συστήματος, όσον αφορά τη δυνατότητα κλιμακωτής απόδοσης και το βαθμό βελτιστοποίησης της τελικής σύνθεσης. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης δείχνουν ότι η διαδικασία εύρεσης συνθέσεων βάσει λειτουργικών στόχων είναι αποδοτική για αποθετήρια που περιέχουν μέχρι 500 διαφορετικά έγγραφα προδιαγραφών, ακόμα και με την προσθήκη έμμεσων αποτελεσμάτων, ενώ η εύρεση του βέλτιστου πλάνου εκτέλεσης σχετίζεται σε μεγάλο βαθμό με την πραγματογνωμοσύνη του σχεδιαστή συνθέσεων υπηρεσιών αναφορικά με τον ορισμό κατάλληλων ευρετικών κανόνων.