基于Petri 的流程中間件研究

廖國棟，肖玉容

（1.亞信科技（南京）有限公司，江蘇 南京 210016；2.江蘇省電信公司，江蘇 南京 320100）

1 Petri 網(wǎng)

一個(gè)Petri 網(wǎng)是特殊的一種定向圖，最初的狀態(tài)叫做最初記號M0。

由2 種節(jié)點(diǎn)組成，叫庫所和變遷。庫所是由圓圈來表示（S-圓圈），而變遷用條狀或者方塊表示（t-方框）。

從庫所到變遷，或則從變遷到庫所的弧形（F-有向弧），稱之為流關(guān)系?；∩蠘?biāo)注它的權(quán)值（正整數(shù)），如一個(gè)弧標(biāo)注的是K，可以解釋為K 條平行線的集合（token 的消耗值）。統(tǒng)一權(quán)值的標(biāo)記通?？梢允÷?。

如果一個(gè)標(biāo)記（狀態(tài)）分配一個(gè)庫所P 一個(gè)非負(fù)的整數(shù)K，我們說P 被標(biāo)記為K 托肯，將K 個(gè)黑點(diǎn)（托肯）在庫所P 中。一個(gè)標(biāo)記用M 表示，一個(gè)m 向量，m 表示庫所的總數(shù)。

M 的第P 個(gè)成分，表示為M（p），是在庫所P 中托肯的總數(shù)。

一個(gè)Petri 網(wǎng)是一個(gè)五元組，PN=（P，T，F(xiàn)，W，M0）其中：P={P1，P2，……，Pm}是定義一個(gè)庫所集合，T={T1，T2，……，Tn}是定義一個(gè)變遷的集合，F(xiàn)∈（P×T）∪（T×P）是定義?。鲃雨P(guān)系）的集合，W：F→{1，2，3，…}是權(quán)值函數(shù)，M0：P→{0，1，2，3，…}是初始標(biāo)記，P∩T=Ф 并且P∪T≠Ф。

一個(gè)Petri 網(wǎng)結(jié)構(gòu)N=（P，T，F(xiàn)，W）沒有任何特殊的最初的標(biāo)記用N 表示。

一個(gè)Petri 網(wǎng)有最初的標(biāo)記是（N，M0）。具體如圖1 所示。

2 基于Petri 的流程中間件

2.1 體系架構(gòu)

petriware 中間件體系架構(gòu)圖如圖2 所示。

對中間件來說，待處理的任務(wù)是一種資源，處理能力（例如部署的業(yè)務(wù)進(jìn)程）也是一種資源，處理任務(wù)所需的CPU，內(nèi)存也是資源，所以面向業(yè)務(wù)層的代理Agent 須向中間件的masterserver 上報(bào)可用的資源（例如啟動業(yè)務(wù)進(jìn)程，或者某個(gè)節(jié)點(diǎn)空閑的內(nèi)存數(shù)都可以作為資源）上報(bào)后，資源作為特殊類型的令牌存在中間件中，根據(jù)petri 圖來消耗資源（例如進(jìn)程被用于處理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，或者內(nèi)存被使用存放零時(shí)數(shù)據(jù))與回收釋放資源（例如進(jìn)程處理完成，內(nèi)存被釋放)。HLA（High level Application）代表具體業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，HLA 和中間件master之間通過Agent 來交互，HLA 通過調(diào)用中間件的API，從而屏蔽了Agent 和中間件在網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交互，使得中間件可以和應(yīng)用程序解耦和。

2.2 功能架構(gòu)

petriware 中間件功能架構(gòu)圖如圖3 所示。

Petri 中間件由Petri 網(wǎng)建模、Petri 網(wǎng)調(diào)度控制、Petri 網(wǎng)接入服務(wù)、監(jiān)控服務(wù)組成，其各功能模塊的功能簡述如下。

2.2.1 Petri 網(wǎng)建模

Petri 網(wǎng)建模以Petri 網(wǎng)數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，提供Petri 網(wǎng)設(shè)計(jì)與配置的可視化設(shè)計(jì)管理工具。

圖1 Petri 網(wǎng)

圖2 中間件體系架構(gòu)

圖3 中間件功能架構(gòu)

（1）Petri 網(wǎng)設(shè)計(jì)。

Petri 網(wǎng)為petir 控制圖的建模提供可視化的操作工具，即實(shí)現(xiàn)Petri 網(wǎng)可見即可得的設(shè)計(jì)工具。

?支持Petri 網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的控制圖設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)基本元素需包括：變遷、有向弧、抑制狐、庫所、令牌。

?支持基本模型元素的拖拽功能；可根據(jù)petri 網(wǎng)設(shè)計(jì)的需要，直接拖拽基本模型元素到編輯頁面上，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)配置。

?支持模型元素的布局拖拽功能。即通過拖拽，調(diào)整模型元素的布局。

?支持能過界面選擇模型元素，進(jìn)行屬性設(shè)置；如雙擊或右鍵菜單，進(jìn)行模型元素屬性的設(shè)置界面。

?支持petri 網(wǎng)復(fù)制功能。即從選擇現(xiàn)有的petri 網(wǎng)模型進(jìn)行復(fù)制，形成的petri 網(wǎng)。

?支持子網(wǎng)的設(shè)計(jì)。子網(wǎng)在父網(wǎng)上體現(xiàn)為變遷，且子網(wǎng)必須有一個(gè)有輸入變遷與一個(gè)輸出變遷。

?支持子網(wǎng)的逐層查看功能，從總圖層層深入，進(jìn)入相關(guān)的子圖查看。即從界面上點(diǎn)擊變遷，進(jìn)行子網(wǎng)進(jìn)行模型瀏覽。鉆取支持逐層查看功能。

（2）Petri 網(wǎng)配置。

Petri 網(wǎng)配置提供petri 網(wǎng)模型各類模型元素配置功能與操作界面。對petri 網(wǎng)各類元素的配置功能，可根據(jù)其運(yùn)行相關(guān)性，分為展示配置與運(yùn)行配置。展示配置定義模型元素的靜態(tài)信息以及運(yùn)行信息展示的方式與格式。運(yùn)行配置定義模型元素運(yùn)行相關(guān)的屬性與規(guī)則。

（3）導(dǎo)入導(dǎo)出。

Petri 網(wǎng)建模后，可根據(jù)需要將其模型導(dǎo)出保存特定格式的XML 文件，其中導(dǎo)出文件包含Petri 網(wǎng)模型元素的元數(shù)據(jù)與布局?jǐn)?shù)據(jù)。如導(dǎo)出的變遷，在文件里包含變遷的名稱、變遷相關(guān)聯(lián)的庫所等。同時(shí)Petri 中間支持將符合格式Petri 網(wǎng)模型XML文件，導(dǎo)入建模工具中，其中導(dǎo)入的Petri 網(wǎng)能正確顯示各類Petri 網(wǎng)模型元素以及元素間的布局。

2.2.2 Petri 網(wǎng)調(diào)度控制

Petri 網(wǎng)調(diào)度控制以Petri 網(wǎng)設(shè)計(jì)與配置為依據(jù)，驅(qū)動令牌在庫所間進(jìn)行流轉(zhuǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯控制與實(shí)現(xiàn)。

（1）Petri 網(wǎng)調(diào)度。

Petri 網(wǎng)調(diào)度是根據(jù)Petri 網(wǎng)的設(shè)計(jì)與配置，輸入相關(guān)初始化令牌數(shù)據(jù)，創(chuàng)建控制實(shí)例，并委托Petri 網(wǎng)控制模塊根據(jù)Petri網(wǎng)的設(shè)計(jì)，驅(qū)動令牌在變遷與庫所之間進(jìn)行流轉(zhuǎn)。

（2）Petri 網(wǎng)控制。

Petri 網(wǎng)控制負(fù)責(zé)接收Peri 網(wǎng)調(diào)度模塊的委托，根據(jù)Petri網(wǎng)的設(shè)計(jì)，驅(qū)動令牌在庫所與變遷之間進(jìn)行流轉(zhuǎn)。其主要的功能為輸入令牌分配與輸出令牌分配：

輸入令牌分配：Petri 網(wǎng)控制負(fù)責(zé)檢測Petri 網(wǎng)內(nèi)各庫所內(nèi)令牌的狀況，根據(jù)Petri 控制論相關(guān)的算法，點(diǎn)火變遷并轉(zhuǎn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)量的令牌傳遞至變遷。

輸出令牌分配：Petri 網(wǎng)控制根據(jù)變遷輸出的令牌，根據(jù)Petri 控制論相關(guān)的算法，將令牌分配至相應(yīng)的庫所。

2.2.3 Petri 網(wǎng)接入服務(wù)

Petri 網(wǎng)接入服務(wù)以標(biāo)準(zhǔn)化的接口，統(tǒng)一規(guī)范應(yīng)用的接入，降低系統(tǒng)應(yīng)用與控制的耦合性。Petriware 中間件對接入Petri網(wǎng)的應(yīng)用的接入功能范圍進(jìn)行定義，并通過定義標(biāo)準(zhǔn)化的功能接口，規(guī)范應(yīng)用的接入，借此解耦Petriware 中間件與應(yīng)用關(guān)聯(lián)度，提升兩者的獨(dú)立性。

Petri 網(wǎng)接入服務(wù)負(fù)責(zé)提供相應(yīng)的操作接口，完成應(yīng)用接入過程的交互，其功能為：應(yīng)用注冊、應(yīng)用清銷、令牌消耗、令牌創(chuàng)建、狀態(tài)檢測。

（1）應(yīng)用注冊。

接入Petriware 中間件的應(yīng)用，需根據(jù)中間件預(yù)先分配的應(yīng)用注冊信息，調(diào)用Petriware 中間件的應(yīng)用注冊接口，完成應(yīng)用的注冊。通過應(yīng)用注冊的應(yīng)用，才通接收到中間件發(fā)送的令牌，或生成令牌發(fā)送至中間件。

（2）應(yīng)用注銷。

應(yīng)用退出前，需根據(jù)中間件預(yù)先分配的應(yīng)用注冊信息，調(diào)用Petriware 中間件的應(yīng)用的注銷接口，完成應(yīng)用的正常退出。

（3）令牌消耗。

應(yīng)用注冊成功后，應(yīng)用調(diào)用中間件提供的令牌消息通知接口，獲取應(yīng)用需處理的令牌信息。

（4）狀態(tài)檢測。

應(yīng)用與中間件，需相互進(jìn)行狀態(tài)檢測，以感知相互的存在，整體提升系統(tǒng)的容錯(cuò)性。即應(yīng)用與中間件，均需提供狀態(tài)檢測接口，以返回各自的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.4 監(jiān)控服務(wù)

以Petri 網(wǎng)為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)進(jìn)行抽象并分層監(jiān)控與管理，展示系統(tǒng)運(yùn)行態(tài)全境，即為系統(tǒng)監(jiān)控、流程監(jiān)控、應(yīng)用監(jiān)控、進(jìn)程監(jiān)控等。

2.3 核心流程

2.3.1 Petri 網(wǎng)建模流程

基于Petriware 中間件的Petri 網(wǎng)建模過程，可簡化抽象為以下流程。

（1）業(yè)務(wù)分析人員根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行業(yè)務(wù)分析。

（2）業(yè)務(wù)分析人員根據(jù)業(yè)務(wù)分析結(jié)果，進(jìn)行業(yè)務(wù)控制設(shè)計(jì)。

圖4 Petri 網(wǎng)建模流程

（3）業(yè)務(wù)分析人員可將業(yè)務(wù)控制設(shè)計(jì)結(jié)果，使用中間件提供的建模工具，進(jìn)Petri 網(wǎng)建模，進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)果表達(dá)。

（4）業(yè)務(wù)分析人員根據(jù)業(yè)務(wù)控制設(shè)計(jì)結(jié)果，對應(yīng)用需求分析。

（5）業(yè)務(wù)分析人員根據(jù)應(yīng)用需求分析結(jié)果，向應(yīng)用開發(fā)廠商提交應(yīng)用需求。

（6）應(yīng)用開發(fā)廠商經(jīng)需求分析、需求設(shè)計(jì)、應(yīng)用開發(fā)與部署。

（7）應(yīng)用開發(fā)與部署結(jié)束后，應(yīng)用開發(fā)廠商根據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，使用中間件平臺的提供Petri 網(wǎng)配置功能，對Petri 網(wǎng)進(jìn)行相應(yīng)的配置。

（8）業(yè)務(wù)分析人員，使用中間件平臺的Petri 網(wǎng)調(diào)度與控制功能，驅(qū)動業(yè)務(wù)邏輯，進(jìn)行業(yè)務(wù)驗(yàn)證。

2.3.2 應(yīng)用接入與處理流程

應(yīng)用接入與處理流程，展示典型應(yīng)用接入Petriware 中間件進(jìn)行處理的流程。以下對此流程進(jìn)行簡要的說明：

（1）應(yīng)用啟動后，根據(jù)應(yīng)用分配的注冊信息，調(diào)用中間件的注冊接口，進(jìn)行應(yīng)用的注冊。

（2）應(yīng)用注冊成功后，應(yīng)用調(diào)用中間件等令牌數(shù)據(jù)接口，等待應(yīng)用處理的令牌。

（3）應(yīng)用接收到令牌通知消息后，調(diào)用中間件的開始處理令牌接口，通知中間件平臺應(yīng)用令牌操作事務(wù)開始。

（4）應(yīng)用進(jìn)行業(yè)務(wù)操作結(jié)束后，調(diào)用中間件的結(jié)束處理令牌接口，通知中間件平臺，用令牌操作事務(wù)結(jié)束。

（5）應(yīng)用在業(yè)務(wù)處理空閑時(shí)，調(diào)用中間件平臺的檢測接口，檢測中間件平臺的狀態(tài)。

（6）應(yīng)用收到外部指令，退出應(yīng)用前，調(diào)用中間件平臺的應(yīng)用注銷接口后，應(yīng)用退出。

3 結(jié)語

圖5 應(yīng)用接入與處理流程

目前由于缺乏流程中間件，流程設(shè)計(jì)與流程實(shí)現(xiàn)基本上是分離的，在業(yè)務(wù)流程建模之后，通過手工編碼實(shí)現(xiàn)建模后的業(yè)務(wù)流程。這樣應(yīng)用軟件在流程變更的成本很高，不僅要修改程序代碼，還要做大量的測試工作來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠。系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)也較困難，流程變更后要升級系統(tǒng)才可以使新的流程生效。

業(yè)務(wù)應(yīng)用流程使用本文設(shè)計(jì)的Petriware 中間件來設(shè)計(jì)開發(fā)，保證業(yè)務(wù)流程的靈活編排。

?使用Petrwarei 中間件，也就強(qiáng)制使用petri 的方法論實(shí)現(xiàn)程序流程，一定程度上防止了程序流程設(shè)計(jì)缺陷。

?Petriware 中間件平臺能合理分配資源，提高系統(tǒng)并發(fā)度，避免系統(tǒng)并發(fā)過程中不必要的競爭和沖突，避免死鎖的出現(xiàn)。

?Petriware 中間件平臺運(yùn)用到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行控制，不僅僅能實(shí)現(xiàn)自動調(diào)度，還可減少人力操作。

?簡化開發(fā)和維護(hù)流程，使流程的變更操作更簡單，只需要在頁面中執(zhí)行簡單的拖拽編輯，就可以使新的流程生效，簡化開發(fā)工作。

［1］侯煜，孫梯全，施琴，等.Petri 網(wǎng)在計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.網(wǎng)絡(luò)與通信，2012（3）.

［2］林闖.隨機(jī)Petri 網(wǎng)和系統(tǒng)性能評價(jià)［C］.2 版.北京：清華大學(xué)出版社，2001.