Optimization of QoS-Aware Service Compositions

Abstract

Aktuell zeigt sich im Bereich der Entwicklung von verteilten Geschäfts-Applikationen ein starker Trend zur Erstellung von Service-orientierten Architekturen (SOA). Ein großer Vorteil bei der Nutzung von SOAs ergibt sich durch die Komponierbarkeit von Services.<br />Somit lassen sich aus einzelnen, atomaren Services zusammengesetzte (composite) Services erstellen. Im Bereich von Web services hat sich WS-BPEL als Standard für die Spezifikation von zusammengesetzten Web services etabliert. BPEL bietet jedoch nur einen relativ statischen Ansatz, da alle Services zur Design-Zeit bekannt sein müssen, wodurch dynamische Adaptionen zur Laufzeit nicht möglich sind. Dadurch wird gerade einer der Vorteil von Services, nämlich getrennte Schnittstellen und Implementierungen zu haben, zunichte gemacht.<br />Aus diesem Grund gibt es verstärkt Forschungsaktivitäten im Bereich der Entwicklung von SOA-Laufzeitumgebungen, die Unterstützung für die Definition von composite Services ausschließlich durch Verwendung von Schnittstellen (abstrakten Services) bieten. Beim Aufruf eines solchen composite Services ist die Laufzeitumgebung dafür verantwortlich, an jede Schnittstelle eine von potentiell vielen verschiedenen Implementierung dynamisch zu binden. Als Auswahlkriterium bieten sich dazu Quality of Service (QoS) Daten an, welche von der Laufzeitumgebung überwacht werden. Man spricht in diesem Fall von so genannten QoS-aware service compositions.<br />Aufgrund der potentiell hohen Anzahlen an abstrakten Services, aus denen sich ein composite Service zusammensetzt, und der jeweils vorhandenen Implementierungen sowie der Notwendigkeit, dass der Aufruf des composite Services nicht zu lange verzögert werden sollte, sind optimale Lösungsverfahren nicht zielführend. In dieser Arbeit wurden daher Algorithmen entwickelt, welche speziell für die genannten Anforderungen maßgeschneidert sind. Basierend auf den Konzepten von drei Metaheuristiken (Genetische Algorithmen, Simulated Annealing und Tabu Search), wurde ein hoch flexibles, erweiterbares und generell einsetzbares Framework zur Optimierung von QoS-aware service compositions implementiert.<br />Diese Arbeit bietet eine Einführung in die drei verwendeten Metaheuristiken und gibt den aktuellen Stand der Forschung in Hinsicht auf Optimierung von QoS-aware service compositions wieder. Anschließend folgt eine detaillierte Beschreibung der entwickelten Algorithmen und der Implementierung des Frameworks. Eine ausführliche Evaluierung zeigt schließlich, dass die Algorithmen sich überaus gut bewähren und den gewünschten Anforderungen absolut gerecht werden.<br />

Currently, there is a strong trend of creating service oriented architectures (SOA) for the development of distributed business applications. One of the main advantages of using SOAs is the ability to create compositions. By this, multiple atomic services are arranged and interconnected to build a composite service. In the area of Web services, WS-BPEL has been established as standard for the specification of composite Web services. BPEL however only provides a relatively static approach, as all Web services need to be known at design time, which of course prevents dynamic adaptions at runtime. By this, one of the advantages of services, namely the separation of interfaces and implementations, is virtually eliminated.<br />Based on the aforementioned drawbacks, a lot of research efforts are invested in the development of specialized SOA runtime environments that support the definition and deployment of composite services consisting of an arrangement of interfaces (abstract services) only. When such a composite service is eventually invoked, the runtime is responsible for dynamically binding one of potentially several implementations to each interface of the composite service. In case Quality of Service (QoS) values, which are monitored by the SOA runtime, are used as selection criterion, one uses the term of QoS-aware service composition.<br />A composite service potentially consists of a lot of abstract services.<br />Also for each service a large number of implementations might be available. In combination with the requirement, that the invocation of the composite service should not be delayed for a long time, solvers finding the "absolutely" optimal result are not appropriate. Thus, in this work sophisticated algorithms were developed to satisfy these special requirements. Based on the concepts of three metaheuristics (genetic algorithm, simulated annealing and tabu search), a highly flexible, extensible and generally applicable framework for the optimization of QoS-aware service compositions was implemented.<br />This thesis introduces the concepts of the three used metaheuristics and gives an overview over current research activities regarding QoS-aware service composition optimization. Afterwards a detailed description of the developed algorithms and implementation of the framework follows. A comprehensive evaluation eventually shows that the algorithms perform very well and are absolutely suitable for the optimization of QoS-aware service compositions.