張娓娓，李苗鈺，石 梅，朱省吾，黃 位，郭 軍

(1.西北大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)研究中心，陜西 西安 710127；2.西安思源學(xué)院，陜西 西安 710019；3.西北大學(xué) 信息學(xué)院，陜西 西安 710127；4.西北大學(xué) 京東人工智能與物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合研究院，陜西 西安 710127)

0 引 言

隨著人類社會(huì)進(jìn)入信息化時(shí)代，科技信息的數(shù)量規(guī)模呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)廣泛傳播。科技信息資源種類繁多、數(shù)量巨大，包括常見的技術(shù)專利、科技文獻(xiàn)、科學(xué)儀器數(shù)據(jù)、技術(shù)報(bào)告等，也包括一些行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)部的科技資源，比如電力、電信、機(jī)械電子、金融、氣象等行業(yè)特有的科技資源[1-2]。為了有效利用這些科技資源，各種科技信息服務(wù)平臺(tái)和資源庫(kù)隨之大量涌現(xiàn)，如國(guó)內(nèi)比較著名的有萬(wàn)方數(shù)據(jù)、維普期刊、超星數(shù)字圖書、知網(wǎng)數(shù)據(jù)等，國(guó)外的數(shù)字科技資源種類更加豐富，著名的有Elsevier、Springer、Wiley在線圖書、IEEE數(shù)據(jù)庫(kù)、ACM數(shù)據(jù)庫(kù)等，此外一些專業(yè)機(jī)構(gòu)也提供部分科技資源，如國(guó)家專利局。相比于傳統(tǒng)的紙質(zhì)文獻(xiàn)資料，這些基于云計(jì)算和虛擬化技術(shù)構(gòu)建的資源庫(kù)，可以讓人們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)快速檢索需要的資料，為科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)提供了極其便利的條件。但是，由于科技資源的業(yè)務(wù)服務(wù)比較分散，加之各種科技資源庫(kù)相互獨(dú)立，并且科技項(xiàng)目、科技成果、技術(shù)專利歸屬不同部門，造成科技資源條塊分割，共享和協(xié)同服務(wù)難度很大。例如，為了申請(qǐng)一個(gè)科研或開發(fā)項(xiàng)目，人們需要了解和這個(gè)項(xiàng)目相關(guān)的科技資料，包括項(xiàng)目相關(guān)的中英文文獻(xiàn)、專利、相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者的著作等。有時(shí)，這些資料沒(méi)有相應(yīng)的資料庫(kù)，人們需要通過(guò)一些通用的搜索引擎工具，例如Google和百度進(jìn)行搜索，然后過(guò)濾相關(guān)性不高的信息，獲得有價(jià)值的信息；有些資源雖然有專業(yè)的資料庫(kù)，例如常見的CNKI、IEEE、ACM等文獻(xiàn)資料庫(kù)，但是，由于這些資料庫(kù)相互獨(dú)立，人們需要分別登錄訪問(wèn)，查找感興趣的信息，很不方便，而且要完成以上這些工作，需要消耗人們大量的時(shí)間和精力。為了節(jié)省查找資料的時(shí)間和精力，讓科技人員快速準(zhǔn)確地找到所需要的信息，構(gòu)建一個(gè)有效的分布式科技資源庫(kù)和業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)是工業(yè)界非常關(guān)心的問(wèn)題，也是學(xué)術(shù)界面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)課題。

基于云計(jì)算技術(shù)和虛擬化資源池理論，該文提出一種分布式科技資源池服務(wù)架構(gòu)，并從形式化軟件開發(fā)的角度出發(fā)，利用Pi演算作為描述工具，討論這種分布式科技資源池的外部交互行為，給出科技資源庫(kù)的外部交互行為的描述，以便進(jìn)一步通過(guò)Pi演算的規(guī)約規(guī)則預(yù)測(cè)系統(tǒng)的行為，為系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 相關(guān)工作

1.1 云計(jì)算與虛擬化技術(shù)

云計(jì)算是近年來(lái)信息技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新技術(shù)，它融合了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的并行計(jì)算、分布式計(jì)算、虛擬化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、負(fù)載均衡等先進(jìn)技術(shù)，能夠高效地管理和調(diào)度地理分布廣、數(shù)據(jù)類型多的信息資源，并提供有效的服務(wù)，是當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點(diǎn)之一[1-8]。云計(jì)算環(huán)境中資源管理包括對(duì)云環(huán)境中的資源組織、數(shù)據(jù)存取等系統(tǒng)建模。云計(jì)算資源調(diào)度包括資源調(diào)度算法以及相關(guān)的資源發(fā)現(xiàn)、描述、定位、組織、分配、監(jiān)測(cè)、更新等。Google公司作為云計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，擁有最為完整和先進(jìn)的云計(jì)算技術(shù)。Google通過(guò)創(chuàng)建多級(jí)分布式的數(shù)據(jù)中心，使用分布式文件系統(tǒng)GFS(Google File System)較好地解決了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問(wèn)難題。Google的資源調(diào)度系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶的地理位置查詢距離當(dāng)前位置最近的資源并且考慮當(dāng)前資源的服務(wù)能力，選擇合適的資源分配給用戶使用；Amazon公司在云計(jì)算領(lǐng)域也擁有獨(dú)特的技術(shù)，它把各類資源組建成一個(gè)完全分布式、去中心化的云計(jì)算平臺(tái)，其資源調(diào)度算法依據(jù)用戶的特征、需要使用資源的種類、資源數(shù)量、資源使用時(shí)間等信息為用戶合理安排所需要的資源；另一個(gè)重要的云計(jì)算參與者是VMware公司，其主要考慮通過(guò)對(duì)物理資源的虛擬化來(lái)提高資源利用率，VMware的數(shù)據(jù)中心虛擬化管理軟件可以提供虛擬化基礎(chǔ)構(gòu)架、資源管理和應(yīng)用程序等多種服務(wù)。目前，分布式、去中心化和虛擬化技術(shù)為構(gòu)建云服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施IaaS提供了基本的指導(dǎo)原則[9-11]，也是該文構(gòu)建科技信息服務(wù)資源池的主要理論依據(jù)。

1.2 Pi演算理論

Pi演算理論起源于20世紀(jì)80年代，由圖靈獎(jiǎng)得主Robin Milner參照物理學(xué)大統(tǒng)一理論提出[12-13]，用演算中的歸約表示由進(jìn)程間的相互通信形成的動(dòng)態(tài)演化。Pi演算最初是一種描述和分析通信系統(tǒng)的并發(fā)性以及移動(dòng)性的計(jì)算模型，用動(dòng)態(tài)演化結(jié)構(gòu)表示過(guò)程間的間歇性相互作用。由于Pi演算對(duì)于動(dòng)態(tài)并發(fā)行為具有很好的描述分析能力，因而被廣泛應(yīng)用于并發(fā)系統(tǒng)的分析驗(yàn)證。

關(guān)于Pi演算的研究工作主要分為兩大類：一類是理論研究，另一類是應(yīng)用研究。其中，早期的工作以理論研究為主[12-14]，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都開展了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[14]用Pi演算的通道和表編程概念，分析同構(gòu)分布式環(huán)境下的多任務(wù)調(diào)度算法；文獻(xiàn)[15]則對(duì)復(fù)雜分支和同步模式進(jìn)行了Pi演算描述和理論分析。Pi演算的應(yīng)用研究也十分活躍，文獻(xiàn)[16]基于 Petri網(wǎng)建?？缃M織業(yè)務(wù)過(guò)程模型的內(nèi)部視圖，進(jìn)而使得跨組織業(yè)務(wù)過(guò)程協(xié)同的驗(yàn)證轉(zhuǎn)換成Pi演算的推演；文獻(xiàn)[17]應(yīng)用Pi演算對(duì)醫(yī)院信息系統(tǒng)中的耗材計(jì)劃管理流程建模，并應(yīng)用MWB對(duì)流程進(jìn)行驗(yàn)證；文獻(xiàn)[18]應(yīng)用Pi演算對(duì)服務(wù)交互流程進(jìn)行建模描述，但其模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單；文獻(xiàn)[19]運(yùn)用Pi演算對(duì)移動(dòng)通信服務(wù)機(jī)制進(jìn)行研究，通過(guò)模型檢測(cè)驗(yàn)證服務(wù)的有效性。這些理論和應(yīng)用研究工作表明，對(duì)于分布式并發(fā)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的分析描述，Pi演算仍然是一個(gè)非常有效的分析工具。該文正是利用Pi演算這種獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，描述科技服務(wù)資源池的交互行為，進(jìn)而驗(yàn)證交互服務(wù)業(yè)務(wù)的有效性和可靠性。

2 分布式科技資源池應(yīng)用架構(gòu)

在傳統(tǒng)中心數(shù)據(jù)庫(kù)和C/S和B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，用戶請(qǐng)求服務(wù)時(shí)，服務(wù)器都會(huì)分配固定的資源節(jié)點(diǎn)。但是，隨著用戶數(shù)量增加，節(jié)點(diǎn)的負(fù)載能力就會(huì)出現(xiàn)不足。而且，一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效就可能停止整個(gè)服務(wù)。所以，這種中心節(jié)點(diǎn)(服務(wù)器)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)難以適應(yīng)大規(guī)模服務(wù)計(jì)算的需求。另一方面，考慮到網(wǎng)絡(luò)中存在大量的空閑節(jié)點(diǎn)，其計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源并沒(méi)有得到充分有效的利用，如果將用戶請(qǐng)求的各類資源節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)資源池，在響應(yīng)用戶服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，根據(jù)資源池中的資源情況，統(tǒng)一協(xié)調(diào)地分配給用戶，替代傳統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)和分散孤立節(jié)點(diǎn)的模式，就可以平衡資源節(jié)點(diǎn)的負(fù)載壓力，提高資源的服務(wù)效率。

云計(jì)算和虛擬化技術(shù)為分布式科技資源服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建提供了成熟可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，通過(guò)云計(jì)算技術(shù)可以將不同地域分布的各種科技資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理，而虛擬化技術(shù)屏蔽了繁瑣復(fù)雜的內(nèi)部訪問(wèn)數(shù)據(jù)和調(diào)用資源細(xì)節(jié)，為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的讀寫操作、分布式文件存儲(chǔ)、彈性資源服務(wù)等[9]。依據(jù)云計(jì)算思想和虛擬化技術(shù)，該文提出了一種分布式科技資源池應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示，自下而上描述為四層模型：物理層、虛擬(資源池)層、匯聚層、應(yīng)用層，下面將對(duì)各層功能做詳細(xì)的描述。

圖1 分布式科技資源池應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)

物理層：物理資源層是科技資源服務(wù)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施層，是承載各種科技資源的物理實(shí)體，由分布在不同地區(qū)、不同規(guī)格的物理設(shè)備組成，主要包括計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及基礎(chǔ)軟件等。

虛擬層：實(shí)際上也是資源池層，通過(guò)采用虛擬化技術(shù)，將各種資源抽象為一個(gè)大容量的池化模型，資源的分布與組織相對(duì)上層是透明的，資源池按需為服務(wù)分配所需的資源。

匯聚層：為上層用戶提供一個(gè)高效的資源匯聚平臺(tái)，匯聚層通過(guò)判斷用戶所需資源特性選擇相應(yīng)的匯聚策略，執(zhí)行相關(guān)的匯聚算法，可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)資源匯聚、數(shù)據(jù)匯聚和軟件構(gòu)件的匯聚。

應(yīng)用層：主要面向科技資源服務(wù)的應(yīng)用需求，通過(guò)虛擬的云計(jì)算門戶對(duì)外界提供各種業(yè)務(wù)應(yīng)用、管理應(yīng)用和其他交互應(yīng)用等。

3 資源池?cái)?shù)據(jù)匯聚行為分析

在分布式科技資源池應(yīng)用系統(tǒng)中，匯聚層是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，資源的匯聚是最重要的任務(wù)，其中數(shù)據(jù)匯聚是最復(fù)雜的工作。因?yàn)樵诳鐓^(qū)域的分布式資源匯聚時(shí)，既要考慮資源的空間分布關(guān)系，還要考慮資源的時(shí)間并發(fā)關(guān)系。為了達(dá)到時(shí)間空間有效匯聚，需要對(duì)匯聚過(guò)程和方法進(jìn)行描述分析，獲得理論上的性能驗(yàn)證。形式化方法通常具有良好的定義和表達(dá)，是模型驗(yàn)證的首選方法。因此，該文采用Pi演算這一形式化工具，對(duì)科技服務(wù)資源池的數(shù)據(jù)匯聚行為進(jìn)行分析描述。首先給出Pi演算的定義，然后模型描述驗(yàn)證數(shù)據(jù)匯聚方法在時(shí)間空間上的合理性和有效性。

3.1 Pi演算的代數(shù)定義

圖2 Pi演算的圖形表示

定義：設(shè)N是一個(gè)表示名稱的可數(shù)無(wú)限集合，用a,b,x,y…表示N中的元素；A是一個(gè)代理(或過(guò)程)的集合，用P,Q,R表示A中的元素，則Pi演算的語(yǔ)法可定義如下：

這里，x(y).P和(y)P中的y被稱為約束名稱，P是它們的轄域。在P中出現(xiàn)的非約束名稱稱為自由名稱，P中的自由名稱的集合表示為fn(P)，約束名稱的集合表示為bn(P),P中名稱的集合用n(P)表示。

公式中操作符的含義如下：

(1)0表示這個(gè)過(guò)程不做任何動(dòng)作；

(3)x(y).P表示名稱x收到任何名稱后，執(zhí)行P并用收到的名稱替換y;

(4)τ.P表示從τ.P不可見的演化到P，即可認(rèn)為τ是一個(gè)內(nèi)部動(dòng)作；

(5)(y)P表示名稱y的作用范圍是P；

(6)P|Q表示P和Q獨(dú)立執(zhí)行并且可通過(guò)共有的名稱相互通信；

(7)P+Q表示P和Q只能有一個(gè)執(zhí)行；

(8)A(x1,x2,…,xn)表示過(guò)程A中的自由名稱；

(9)!P表示可無(wú)限重復(fù)執(zhí)行P，即認(rèn)為!P=P|P|P...或!P=P|!P。

3.2 數(shù)據(jù)匯聚行為的Pi演算描述

在描述數(shù)據(jù)的匯聚行為時(shí)，主要考慮從已經(jīng)建立好的獨(dú)立的科技資源庫(kù)中提取數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，其業(yè)務(wù)流程框架如圖3所示。在圖3中，空間分布的獨(dú)立資源節(jié)點(diǎn)由資源匯聚調(diào)度中心統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)資源需要經(jīng)過(guò)前期清洗之后才能進(jìn)入虛擬資源池，以保證較低的數(shù)據(jù)重復(fù)率和錯(cuò)誤率，資源匯聚過(guò)程既要考慮空間高效性，也要考慮時(shí)間準(zhǔn)確性。用戶對(duì)資源的訪問(wèn)可以是直接的，也可以是間接的資源鏈接地址，資源調(diào)度算法會(huì)給出一個(gè)優(yōu)化的資源服務(wù)方案。

圖3 數(shù)據(jù)資源匯聚基本框架

假設(shè)目前已經(jīng)有n個(gè)獨(dú)立的科技資源庫(kù)，分別用P1,P2,…,Pn表示，即把每一個(gè)獨(dú)立資源庫(kù)看做一個(gè)進(jìn)程，則P1,P2,…,Pn的Pi演算描述如下：

…

其中，ti,ci表示從時(shí)刻ci開始的一段時(shí)間ti,也就是當(dāng)從時(shí)刻ci開始在時(shí)間段ti產(chǎn)生新數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)程Pi發(fā)起和進(jìn)程Q的通信(Q是集成的資源池)，并把時(shí)間段ti內(nèi)的數(shù)據(jù)匯聚到Q中，然后把通信權(quán)轉(zhuǎn)入下一個(gè)進(jìn)程。

集成后的資源庫(kù)也稱為資源池，用Q表示，把集成后的資源池Q也看作一個(gè)進(jìn)程，則Q的Pi演算描述如下：

Q=x.Q

最后，集成資源池與獨(dú)立資源庫(kù)交互行為可用Pi演算描述為：

S=Q|P

則系統(tǒng)的交互行為利用Pi演算的規(guī)約規(guī)則可推演如下：

3.3 客戶訪問(wèn)集成資源的Pi演算描述

客戶訪問(wèn)數(shù)據(jù)是資源池服務(wù)的基本交互業(yè)務(wù)。服務(wù)過(guò)程通常由用戶進(jìn)程發(fā)起請(qǐng)求，供應(yīng)商服務(wù)進(jìn)程提供響應(yīng)，業(yè)務(wù)流程如圖4所示，圖中箭頭代表了信息的流向。為了保證不同類型數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，一般可以開辟不同的傳輸通道，圖中把發(fā)送通道和接收通道分開表示。以上資源訪問(wèn)交互活動(dòng)可以用Pi演算描述如下：

圖4 基本資源池服務(wù)交互流程

這里，UP是用戶進(jìn)程，SP是服務(wù)商進(jìn)程，res和req是邏輯獨(dú)立的用戶進(jìn)程通道和服務(wù)進(jìn)程通道，msg代表產(chǎn)生的消息，< >表示有方向地傳遞消息。

在構(gòu)建和集成分布式科技資源池服務(wù)系統(tǒng)時(shí)，考慮到系統(tǒng)的負(fù)載及用戶的訪問(wèn)速度，需要分別在不同區(qū)域建立集成資源的備份。當(dāng)用戶訪問(wèn)中心資源庫(kù)(資源池)時(shí)，可以根據(jù)用戶的位置把用戶的訪問(wèn)定位到不同區(qū)域的備份上，從而提高服務(wù)效率。例如，當(dāng)客戶進(jìn)程訪問(wèn)中心資源庫(kù)Q時(shí)，Q可以把Q1的鏈接發(fā)給客戶進(jìn)程，讓客戶進(jìn)程訪問(wèn)Q1，如圖5所示，也就是需要把圖5(a)的結(jié)構(gòu)變?yōu)閳D5(b)的結(jié)構(gòu)。在圖5(a)中，進(jìn)程Q和Q1之間的連接是私有的，也就是Q和Q1之間的連接名稱的作用范圍只限于Q和Q1，而進(jìn)程C在一開始并不知道這個(gè)鏈接?？梢园堰@個(gè)鏈接名考慮為Q1的網(wǎng)址，在剛開始，客戶進(jìn)程C并不知道進(jìn)程Q1的網(wǎng)址，但進(jìn)程Q知道，可以讓進(jìn)程Q把Q1的網(wǎng)址通過(guò)它和C的管道發(fā)給C，這樣進(jìn)程C就可以獲得Q1的網(wǎng)址，因而進(jìn)程C可以和進(jìn)程Q1實(shí)現(xiàn)通信。

圖5(a)Pi演算描述為：

S=(z)(Q|Q1)|C

圖5(b)Pi演算描述為：

S'=Q'|C'|Q1

通過(guò)Pi演算的演化規(guī)則，可以得到：

也就是說(shuō)，通過(guò)Pi演算的演化規(guī)則可以從圖5(a)到達(dá)圖5(b)，交互過(guò)程是可行的，不會(huì)出現(xiàn)死鎖等問(wèn)題，以上分析也體現(xiàn)了Pi演算對(duì)移動(dòng)行為的描述能力。

(a)初始訪問(wèn)結(jié)構(gòu) (b)變遷訪問(wèn)結(jié)構(gòu)圖5 客戶訪問(wèn)中心數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)的變遷圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)科技資源服務(wù)業(yè)務(wù)需求，提出了一種科技資源池服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)模型，討論了用Pi演算對(duì)數(shù)據(jù)集成及數(shù)據(jù)訪問(wèn)的外部交互行為的描述方法。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)交互行為的Pi演算描述，說(shuō)明了訪問(wèn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)遷移。下一步的工作，可以依據(jù)所建立的Pi演算描述，用支持Pi演算規(guī)約規(guī)則的工具進(jìn)一步驗(yàn)證交互行為中的一些特性。例如通過(guò)數(shù)據(jù)集成模式外部交互行為的描述，進(jìn)一步使用Pi演算的動(dòng)態(tài)演化規(guī)則，可以判斷中心數(shù)據(jù)庫(kù)能否在某段時(shí)間內(nèi)保證對(duì)所有的獨(dú)立數(shù)據(jù)源的訪問(wèn)，并且在某一個(gè)時(shí)刻只能與一個(gè)獨(dú)立資源交互。通過(guò)分析推理可知，Pi演算作為一種過(guò)程代數(shù)，非常適合描述系統(tǒng)的并發(fā)行為及動(dòng)態(tài)遷移行為。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)建立具有并發(fā)性以及動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的科技信息服務(wù)系統(tǒng)時(shí)，在系統(tǒng)投入使用前，用Pi演算對(duì)其行為進(jìn)行描述并分析，有助于在系統(tǒng)開發(fā)初期及早發(fā)現(xiàn)其中存在的問(wèn)題。