К. М. Лавріщева програмна інженерія підручник Київ, 2008
 Скачать 5.23 Mb.
|
|
5.1.7. Сервісно-орієнтоване програмування Ця парадигма програмування з'явилася як наслідок розгляду програмних компонентів як готових сервісів, визначення для них інтерфейсів взаємодії в рамках нових архітектур ПЗ, зв'язаних із сервісами, у середовищі розподілених систем (CORBA, DCOM і EJB) і веб-сервісів у середовищі Інтернету. Такі архітектури отримали назву сервісно-орієнтованих архітектур – SOA (Service-Oriented Architecture) і зараз активно розвиваються разом із відповідними засобами їхньої підтримки й опису (XML, SOAP, WSDL і ін.) та механізмами взаємодії звичайних сервісів розподілених застосувань і веб-сервісів Інтернету [18]. Тобто у мережному середовищі поняття компонента було розвинуто до форми сервісу. Сервіс визначається як відкритий компонент, що може бути елементом швидкої та дешевої композиції у прикладні застосування. Сервіси пропонуються так званими провайдерами (постачальниками) – організаціями, які реалізують сервіси, надають їхні описи та іншу технічну або комерційну підтримку, якої потребують потенційні користувачі. Описи сервісів мистять у собі інформацію про їхні можливості, інтерфейси, поведінку та якісні характеристики. Завдяки такому опису користувач може знайти сервіси, вибрати потрібні йому що і інтегрувати їх у свою композиційну структуру як готовий ресурс. Наведемо й інше визначення сервісу. Сервіс (service) – це ресурс, що реалізує деяку функцію (у тому числі бізнес- функцію), є повторно використовуваним компонентом і містить у собі технологічно незалежний інтерфейс з іншими ресурсами. Наприклад, сервіси транзакцій, іменування, безпеки в моделі CORBA. Вони утворюють службу сервісів для створення ПС. Архітектура SOA має форму піраміди, що складається з кількох шарів [18]. 1. Підґрунтям піраміди є базові сервіси і базові операції, а саме, публікація, виявлення, вибір і зв'язування, які націлені на створення і використання описів сервісів. 2. Шар композиції – це консолідація багатьох функціональних сервісів у єдиний складений сервіс, а саме, контроль виконання сервісів і керування потоками даних між ними; публікація подій вищого рівня шляхом фільтрації, підсумовування, кореляції подій компонентів; забезпечення цілісності сервісу та накладання обмежень на його компоненти; досягнення якості композиції сервісів, включаючи показники виконання, секретності, контролю доступу тощо. 3. Шар менеджменту сервісу, а саме, керування платформою сервісу, розгортання, ведення статистики виконання, підвищення ефективності, забезпечення прозорості ходу виконання транзакцій, відстеження стану ходу виконання тощо. Переважна форма реалізації сервісів – це веб-сервіси, які зберігаються та ідентифікуються за URL-адресами і взаємодіють між собою за допомогою мережі Інтернетту шляхом віддалених викликів (Remote Procedure Call). Стрімке поширення Інтернету призвело до того, що традиційне єдине інтегроване підприємство минулих поколінь все частіше заміняється мережею бізнесів, які спільно виконують певні функції при тому, що і власність, і менеджмент 128 Розділ 5 розподілені між партнерами. Саме інформаційні потреби розподілених бізнесів викликали до життя веб-сервіси як адекватну форму компонентів типа КПВ. Веб-сервіс має URL-адресу, інтерфейс і механізм взаємодії з іншим сервісом через протоколи Інтернету або зв'язки з іншими програмами, БД і діловими бізнес- операціями. Обмін даними між веб-сервісом і програмою здійснюється за допомогою XML-документів, оформлених у вигляді повідомлень. Веб-сервіси забезпечують розв’язання задачі інтеграції застосувань різної природи,будучи інструментом побудови розподілених систем. Веб-сервіс надається провайдером мережі Інтернету, який має стандартний спосіб взаємодії з розподіленими (.NET, J2EE, CORBA і ін.) і прикладними системами з отримання деякої послуги. Основні засоби опису веб-сервісів: – мова XML для опису і побудови SOA–архітектури; – мова WSDL (Web Services Description Language) для опису веб-сервісів і їхніх інтерфейсів на XML, що стосується типів даних і повідомлень, а також моделей взаємодії і протоколів зв'язування сервісів між собою; – SOAP (Simple Object Access Protocol) для визначення форматів запитів до веб-сервісів; – UDDI (Universal Description, Discovery and Integration) для універсального опису, виявлення й інтеграції сервісів, забезпечення їхнього збереження, упорядкування ділової сервісної інформації в спеціальному реєстрі з покажчиками на конкретні інтерфейси веб-сервісів. Сервісно-орієнтована архітектура – це сукупність взаємодіючих між собою сервісів і веб–сервісів і їхніх інтерфейсів. Будь-який з компонентів SOA створюється за допомогою сервісів безвідносно до конкретних технологій, за які можна брати готові застосування типу «чорна скринька » . Інтеграція компонентів і сервісів в архітектуру SOA містить у собі наступні види: – користувальницьку інтеграцію (user integration) для взаємодії інформаційної системи з конкретним користувачем; – зв'язування застосувань(application connectivity) для забезпечення їхньої взаємодії; – інтеграцію процесів (process integration) для об'єднання бізнес-процесів; – інформаційну інтеграцію (information integration) для забезпечення доступу до інтегрованої інформації і даних. При цьому до створюваної архітектури SOA висуваються наступні вимоги: – наявність існуючих інформаційних систем і поява нових; – поетапне впровадження нових і міграція існуючих інформаційних систем; – стандартизація технології і реалізація інструментів для підтримки сервісних архітектур з повторним використанням застосувань і компонентів; – використання різних моделей і систем (портали, grid-системи й ін. ). Якщо об'єктом сервісно-орієнтованої архітектури є веб-сервіс, то застосовується дві технології, що забезпечує функціональність (Functions) і якість сервісів (Quality of service). Ці технології винесені на рівень IT-стандартів комітету W3C і мають наступні рівні. Технологія забезпечення функціональності веб-сервісів має: – транспортний рівень (transport layer) для обміну даними; – комунікаційний рівень (service communication layer) для визначення протоколів; Розділ 5 129 – рівень опису сервісу (service description layer) і зв'язаних з ним інтерфейсів; – рівень бізнес-процесів (business process layer) для реалізації бізнес-процесів і потоків робіт через механізми веб-сервісів; – рівень реєстру сервісів (service registry layer), який забезпечує організацію бібліотек веб-сервісів для їхньої публікації, пошуку і виклику за їхніми WSDL- описами інтерфейсів. Технологія забезпечення якості веб-сервісів має наступні рівні: – політики (policy layer) для опису правил і умов застосування веб-сервісів; – безпеки (security layer) для опису питань безпеки веб-сервісів і функціонування (авторизація, аутентифікація і розподіл доступу); – транзакцій (transaction layer) для встановлення параметрів звертання до веб- сервісів і забезпечення надійності їхнього функціонування; – керування (management layer) веб-сервісами. Технологічний фундамент веб-сервісів становлять: XML, SOAP, UDDI, WSDL. З їхньою допомогою здійснюється реалізація базових властивостей веб- сервісу і механізму взаємодії між собою веб-сервісів у середовищі SOA, що вміщують компоненти, наведені на рис. 5.11. Рис. 5.11. Компоненти веб-сервісів і взаємодія з різними системами Як видно з рисунку до головних компонентів належать: – провайдер сервісу, що здійснює реалізацію сервісу у вигляді веб-сервісу, прийом і виконання запитів користувачів сервісу, а також публікацію сервісу, відзначеного в реєстрі сервісів; – реєстр сервісів, якій містить у собі бібліотеку сервісів для користувачів сервісу і засоби пошуку і виклику необхідного сервісу за запитами, що надійшли від провайдерів сервісів на надання сервісів; – користувач сервісу (застосування, програмний модуль або сервіс), який здійснює пошук і виклик необхідного сервісу з реєстру сервісів за його описом, а також використовує сервіс, наданий провайдером відповідно до його інтерфейсу. Зв'язок між діючими системами, наведений на рисунку, здійснюється через ХМL-повідомлення мережного середовища, що використовують інтерфейси веб- 130 Розділ 5 сервісів. Посередником між загальносистемними службами розподілених систем і застосувань є провайдер, що звертається до них за сервісом, а інтегратор SOA, що створюються із сервісів і веб-сервісів, називається брокером Для отримання сервісу в архітектурі SOA виконуються наступні операції: 1. Публікація сервісу WSDLз метою забезпечення доступності (через виклик) користувачеві сервісу і його інтерфейсу; 2. Пошукза протоколом SOAP здійснює користувач сервісу в реєстрі сервісів за заданими критеріями; 3. Зв'язування UDDI через опис користувачем необхідного сервісу, який може надаватися в таких моделях як COM, CORBA, DBMS, .JNET тощо. При цьому передбачається, що в реєстрі архітектури SOA міститься опис сервісу з форматом запитів користувача до провайдера, який містить у собі перелік описів сервісів, що можуть бути викликані відповідно до опублікованого інтерфейсу сервісу. 5.1.8. Агентне програмування Поняття інтелектуального і програмного агента з'явилося понад 20 років тому, їхня роль у програмній інженерії увесь час зростає [19–23]. Так, Джекобсон [23] зазначив перспективу використання агентів як менеджерів проектів, розробників архітектури за діаграмами use case і ін. Основний теоретичний базис даного програмування – темпоральна, модальна і мультимодельна логіки, дедуктивні методи доведення правильності властивостей агентів і ін. З погляду програмної інженерії агент — це самодостатня програма, здатна керувати своїми діями в інформаційному середовищі функціонування для одержання результатів виконання поставленої задачі і зміни поточного стану середовища [19]. Агент має такі властивості: – автономність – це здатність діяти без зовнішнього впливу; – реактивність – це здатність реагувати на зміни даних, середовища і сприймати їх; – активність – це здатність ставити мету і виконувати задані дії для досягнення цієї мети; – здатність до взаємодії з іншими агентами (або людьми). З інтелектуальним агентом зв'язані знання, що відображають переконання, намір, зобов'язання і т.п. Ці поняття входять у концептуальну модель і зв'язуються між собою операційними планами реалізації цілей агента. Для досягнення цілей інтелектуальні агенти взаємодіють один з одним, установлюють зв'язок між собою через повідомлення або запити і виконують задані дії або операції відповідно до наявних знань. Агенти можуть бути локальними і розподіленими (рис.5.12). Локальні агенти виконують задані функції у певних серверах і клієнтських комп’ютерах мережі і впливають на загальний стан середовища функціонування. Розподілені агенти розміщуються в різних вузлах мережі, виконують автономно (паралельно, синхронно, асинхронно) притаманні їм функції і можуть впливати на загальний стан розподіленого середовища. Розділ 5 131 Рис. 5.12. Приклад взаємодії агентів у різних середовищах Характер взаємодії між агентами залежить від сумісності цілей, компетентності і т.п. [21]. Основою агентного програмування є: – формальна мова опису ментального стану агентів; – мова специфікації інформаційних, часових, мотиваційних і функціональних дій агента в середовищі функціонування; – засоби інтерпретації специфікацій агента; – інструменти конвертування будь-яких програм у відповідні агентні програми. Агенти взаємодіють між собою за допомогою таких механізмів, як координація, комунікація, кооперація або коаліція. Під координацією агентів розуміють процес забезпечення функціонування агентів при погодженості їхньої поведінки і без взаємних конфліктів. Координація агентів визначається: – взаємозалежністю цілей інших агентів-членів коаліції, а також від можливого впливу агентів один на одного; – обмеженнями, що приймаються для групи агентів коаліції в рамках загального їхнього функціонування; – компетенцією – знаннями умов середовища функціонування і ступенем їхнього використання. Головний засіб комунікації агентів – транспортний протокол ТСР/IP або протокол агентів ACL (Agent Communication Languages). Керування агентами (Agent Management) виконується за допомогою сервісів: передача повідомлень між агентами, доступ агента до сервера і т.п. Комунікаціяагентів – це взаємодія між різними агентами через подання загальних протоколів Інтернету, а також опис повідомлень мовою HTML і декларативними або процедурними (Java, Telescript, ACL і т.п.) мовами. Кооперація агентів – це спільне виконання деяких завдань користувачів. Прикладом активної і скоординованої діяльності агентів з пошуку необхідної інформації є середовище Інтернету. У ньому агенти забезпечують доступ до інформаційних ресурсів, а також виконують аналіз інформації, інтеграцію, фільтрацію і передачу результату запиту користувачеві (рис. 5.13). Кожен агент залежно від свого статусу (агент архіву, агент користувача, агент-диспетчер, інформаційний агент і ін.) виконує визначену функцію, передає один одному завдання на наступну дію з доступу до інформаційного ресурсу для витягу необхідної інформації і передачі її на обробку наступним агентам. Вибрану інформацію агенти обробляють, аналізують, фільтрують і передають результат 132 Розділ 5 клієнтові. Модель середовища взаємодії агентів складається з бази знань і бази даних, моделі інформаційних ресурсів, їхніх властивостей, правил роботи з ними і типів повідомлень. Як результат виконання запиту агенти створюють середовище і в будь-який момент часу вони змінюють свій стан за виконанням різних дій і з урахуванням виникнення нерегулярних станів (тупиків, нестачі ресурсу й ін.). Виходячи з отриманого індексу документу з репозитарію мережний робот–агент встановлює зв'язок з іншими агентами, що мають доступ до інформаційних ресурсів Інтернет, з метою формування відповіді користувачу на його запит. У загальному випадку середовище, у якому діє агент, має визначену поведінку, що може бути відома цілком або частково. Головна особливість пошуку – бути проміжним середовищем, що виконує функції пошуку інформації за допомогою інформаційного агента, брокера, агента-користувача, агента- постачальника й ін. Рис. 5.13. Схема обробки запитів агентами у середовищі Інтернету Стан середовища залежить від інформації, що є у агента, а також від таких його властивостей: дискретності стану, детермінованості (чи ні) дій, динамічності або статичності середовища, синхронної або асинхронної зміни стану і т.п. Для організації пошуку інформації за допомогою агентів створені мультиагентні пошукові системи (МАПС), що обробляють складні багаторазові запити, зв'язані з професійною діяльністю користувачів з пошуку в Інтернеті різного роду семантичної інформації. У цьому пошуку агенти забезпечують більш швидке і точне подання релевантної інформації на запит користувача мережі. МАПС реалізує ефективний обмін інформацією між інформаційним ресурсом і користувачем. Розділ 5 133 У даній структурі МАПС агент архіву забезпечує зіставлення добутої в Інтернеті інформації, заданої в запиті, і при її актуальності система видає відповідь на запит користувача. Якщо інформація не знайдена, агент архіву передає запит агенту-диспетчеру для продовження пошуку. Він аналізує параметри і дані, запитує агента сервера інформаційних ресурсів про необхідну інформацію, що оцінюється на релевантність, і результат передає іншим агентам для подальшого обслуговування. Агент-інтегратор поєднує відповіді на запити різних агентів інформаційних ресурсів у єдиний список для передачі його агентові, що фільтрує цей список, а потім передає його агенту-користувачу. Однією із систем побудови агентів, заснованою на обміні повідомленнями, є система JATLite, що за допомогою Java-класів створює нових агентів, які обчислюють визначені функції в розподіленому середовищі. Система Agent Builder – це система конструювання програмних агентів, які описуються мовою Java і можуть взаємодіяти між собою, мовою KQML (Knowledge Query and Manipulation Language) [19–23]. Побудовані агенти виконують функції: менеджера проекту й онтологій, візуалізації, налагодження й ін. Реалізацію механізмів взаємодій агентів забезпечує система JAFMAS, ряд інших мультиагентних систем [19]. 5.2. Теоретичне програмування Разом з парадигмами прикладного програмування ПС продовжують розвиватися і теоретичне програмування, основано на фундаментальних дослідженнях, математичних теоріях і дисциплінах (логіка, алгебра, комбінаторика). Завдяки цьому забезпечується математичний аналіз й осмислення деяких завдань програмування, а також їх опису з використанням математичної символіки, відсутньої в прикладних МП. Правильність математичного аналізу треба доводити автоматизованими засобами, які розпізнають символи і забезпечують зіставлення з символікою базової мови для одержання необхідних результатів на комп'ютері. Авторами української теоретичної школи програмування, створеної В.М. Глушковим, запропоновані нові парадигми, а саме: – алгебраїчне та інсерційне програмування (А.А.Летичевський і ін.) [24–26]; – експлікативне та номінативне програмування (В.Н.Редько, М.С.Нікітченко), які використовують логічний і математичний апарат для абстрактного конструювання програм [27-29]; – алгебро-алгоритмічне програмування (Г.О. Цейтлін), що поєднує алгебраїчний апарат і теорію алгоритмів [30–31]. Розглянемо ці напрями детальніше. 5.2.1 Алгебраїчне та інсерційне програмування Парадигма алгебраїчного програмування – АП [24, 25] ґрунтується на теорії переписування термів. У цій парадигмі терми представляють дані, а системи переписуючих правил, що подаються за допомогою системи рівностей, – алгоритми обчислень. Елементарний крок обчислення містить у собі включає зіставлення із зразком, перевірку умов і підстановку. Порядок вибору переписуючих правил і підтермів даного терму для зіставлення з лівими частинами рівності визначається стратегією переписування. По суті, стратегія визначає результат обчислень – 134 Розділ 5 терм з точністю до еквівалентності початковому терму. Власне стратегія переписування може бути описана в парадигмі більш низького рівня, наприклад, процедурній або функціональній, що зумовлює інтеграцію парадигм. На теперішній час ідея інтеграції парадигм (процедурної, функціональної, алгебраїчної і логічної) знайшла втілення в системі алгебраїчного програмування (APS) [25], в якій використовуються спеціалізовані структури даних – графові терми – для представлення даних і знань про предметні області. Основою АП є математична модель, що вміщує такі поняття: – агент як транзитивна система, наділена поведінкою; – поведінка агентів задається мовою АL (Action Language) за допомогою операцій, констант, граничних умов і рекурсій; – середовище, яке складається з множини агентів і функцій занурення в нього, що позначається env і має параметром стан середовища й агентні вирази; – правила розгортання функціональних виразів у прості агентні вирази; – транзитивна система, як композиція середовища й системи взаємодіючих агентів, занурених у це середовище. Мова дій АL, як і будь-яка інша мова, має синтаксис і семантику. Синтаксис мови задає правила опису дій, семантика – функцій, які визначаються засобами й виразами мови й ставлять у відповідність заданим виразам значення в деякій семантичній області. Різні семантичні функції можуть давати рівні абстракції й властивості програм. Семантика може бути обчислювальна й інтерактивна. Кожна алгебра дій – це гомоморфний образ алгебри примітивних дій, коли всі складові різні, а їхнє подання однозначне з точністю до асоціативності й комутативності при детермінованому виборі. Розширення поняття транзитивної системи – це множина заключних станів, що відповідають успішному завершенню функціонування системи і відсутності невизначених станів. Головний інваріант стану транзитивної системи – поведінка системи, що задається виразами алгебри поведінки F(A) на множині операцій алгебри дій– префікси a u, недетермінований вибір u + v з u і v поведінкою та властивостями асоціативності й комутативності. Скінченна поведінка системи задається константами , , 0, які позначають відповідно: стан успішного завершення, невизначеного й тупикового. Алгебра поведінки містить у собі відношення , елемент як найменший, і операції поведінки, які монотонні. Усяка транзитивна система має історію функціонування, яка зберігає зокрема один з таких станів: успішне завершення обчислень у середовищі транзитивної системи; «тупиковий» стан, коли кожна з паралельно виконаних частин системи перебуває у стані очікування; та невизначений стан, що виникає при виконанні алгоритму з нескінченними циклами. Алгебраїчне програмування зосереджує увагу на проблемах інтелектуалізації і поведінки агентів у розподіленому середовищі, куди вони занурюються. Це програмування поступово перейшло в інсерційне програмування шляхом вставки, занурення агентів у різноманіття середовищ для перетворення поведінок агентів на основі відповідної моделі, що відповідає розміченій транзитивній системі й бісимуляційній еквівалентності [25]. Дане програмування узагальнює алгебраїчне перетворення множини станів інформаційного середовища на поведінку об'єктів. Отож, інсерційне програмування узагальнює погляд на програму, як на алгебраїчно визначене перетворення множини станів інформаційного середовища, Розділ 5 135 проте замість пасивного середовища (пам'яті) розглядається активне інформаційне середовище, що має спостережувану поведінку [26]. Зміна поведінки цього середовища відбувається внаслідок дії на його об'єкти взаємодіючих агентів. В основі інсерційного програмування – модель поведінки агентів в середовищах, що базується на поняттях транзиційної системи (основного стандарту в поведінковій теорії взаємодіючих процесів) і відношення бісимуляційної еквівалентності агентів щодо до середовища (стан агента ототожнюється з його поведінкою). На відміну від агентного програмування, що концентрує увагу, більшою мірою, на проблемах інтелектуалізації агентів, инсерційне програмування охоплює поведінкові аспекти агентів. Термін «інерційне програмування» походить від англійського insert – вставляти, поміщати, занурювати. Програма в цій парадигмі розглядається як агент, наділений поведінкою, що, занурюючись в середовище, змінює його (середовища) поведінку і має зовнішнього спостерігача, а також інших агентів, що занурюються у це середовище надалі. Написати інсерційну програму – означає визначити функцію занурення (закон функціонування середовища із зануреними в нього агентами), а також початковий стан середовища і агента, зануреного в це середовище. Як базова система програмування для подання станів агентів і середовищ у вигляді структур даних, а також для програмування функції занурення використовується система алгебраїчного програмування АPS. Інерційна програма записується мовою AL за наступними рівнями [26]: 1) опис поведінки ініціалізованого багаторівневого середовища із зануреними в нього агентами; 2) задання функції, яка визначає відношення переходів агентів; 3) опис ядра функції занурення (функції розгортання занурень). Інсерційними програмами моделюються реальні системи з недетермінованою поведінкою агентів і середовищ. Реалізація систем інерційного програмування вимагає застосування програм-симуляторів, а не інтерпретаторів, а також постановки цілей для отримання конкретних результатів. Перший рівень виражається через паралельну композицію агентів з однією областю дій і відповідною комбінацією дій. Інші рівні виражаються через функцію занурення агента в деяке середовище, результат трансформації – нове середовище. Головна діюча особа інсерційного програмування – агент, що наділений поведінкою, і занурюючись у середовище, змінює його. Характерною рисою є недетермінована поведінка агентів і середовищ, як це відбувається в реальних системах. При цьому програма агента вимагає не інтерпретації, а моделювання, оскільки вона зображаються транзитивною системою у вигляді композиції середовища й системи взаємодіючих агентів, занурених у це середовище. Схема створення агентних програм наведена на рис.5.14. У схемі подані операції розробки об’єктів та середовища і опису функцій занурення. Програма – набір параметрів і початкових агентних виразів. Параметри можуть бути фіксовані й змінні, що змінюються при переході від одного середовища до іншого. Особливо це стосується параметрів розгортання. Множина всіх переходів, заключних і «тупикових» станів – перелічувана, навіть якщо функція розгортання має нескінченну множину нетривіальних ітерацій. 136 Розділ 5 Рис. 5.14. Технологічна схема в АП Станом транзитивної системи є обмежені вирази, обумовлені операцією вибору +, співвідношенням x + 0 = a і відношенням переходу з одного стану в інший за правилом u → U(u). Функція розгортання занурень задається на об'єктах середовища й агентів, тобто на агентних виразах. Для коректності функції занурення необхідно, щоб вона залежала тільки від поведінки агента й середовища і була неперервною функцією. Наступним кроком розроблення програм є її реалізація в МП, наприклад у С++, коли уточнюються типи даних і параметри. Потім проводиться верифікація отриманої програми для перевірки правильності її поведінки в заданій моделі. Більш докладна інформація про інсерційне програмування й засоби його автоматизації міститься в [25]. |