● 摘要
二十一世纪以来，随着信息和网络技术的快速发展，科学数据的爆炸式增长推动着科学研究从经验、理论、模拟走向以计算和数据为基础，关键技术挑战在于如何更好地捕获、存储、分析、可视化和公众化由不同机构获得的海量科学数据。面向服务的软件技术已被广泛接受，成为互联网环境下资源共享和集成协作的重要技术之一。近年来，基于互联网以服务的方式向公众提供海量科学数据的访问和计算分析成为一种趋势。科研人员不仅可以通过基础数据服务来实现对科学数据的访问和基本处理，还能够采用服务组合方式针对特定研究目标构建科学计算流程来实现复杂的数据分析任务，形成了互联网环境下的以服务为中心的科学计算应用场景。在面向服务中间件中，服务运行平台为Web服务和服务组合流程的部署、执行、监控和管理提供基础支撑环境。互联网科学计算背景下的Web服务和服务组合流程面临着新的应用需求，对服务运行平台提出了新的挑战。首先，服务运行平台需要基于“平台即服务”（PaaS）模式向用户“开放”，支持用户开发、部署和运行自定义的科学计算流程，并且，由于数据服务作为复杂科学计算流程的基本运算单元通常具有较高的并发负载，因而平台需要保障数据服务在高并发下的性能和稳定性。其次，为实现复杂的数据分析任务，科研人员需要组合多个数据服务构建科学计算流程并在服务运行平台中部署执行，因而平台需要提供面向数据处理的服务组合方式，并保障不同用户流程并发执行时的安全性。最后，不同科研机构所共享的数据服务在集成时依赖于标准的Web服务协议来实现互操作，因而平台需要保障Web服务协议处理功能的正确性。针对上述问题，本文以提供互联网科学计算环境下安全、可靠的服务运行平台为目标，重点研究了“平台体系结构及服务高并发处理机制”、“科学计算流程构建及安全执行技术”和“Web服务协议处理正确性验证方法”三项关键技术。主要研究成果如下：(1) 针对互联网科学计算背景下开放式服务运行平台应用需求，提出一种支持PaaS的开放式服务运行平台体系结构PASET，定义了PASET中的各个功能组件及其交互关系，实现了PASET对PaaS模式互联网科学计算实施过程中各步骤的关键支撑技术。并且在PASET基础上给出了一种服务高并发处理机制。在该机制中，首先设计了分阶段的服务消息处理框架，依据Web服务协议栈的层次化特征，将服务请求处理划分为多个阶段，并为每个阶段配置合适的线程资源；然后设计了反馈驱动的自适应配置框架，依据服务实时负载状况对各阶段的线程数量进行动态调整。与现有服务运行平台体系结构相比，PASET支持用户基于平台服务来开发、部署、执行和共享自定义的科学计算流程。并且PASET中的服务高并发处理机制优化了服务执行的资源配置，保障了高并发下的服务性能和稳定性。(2) 针对用户自定义科学计算流程的构建及安全执行需求，提出一种数据驱动的流程构建及安全执行技术。首先给出了一种科学计算流程描述语言DSFL，该语言从数据类型定义、流程访问接口、流程结构和服务资源四个方面来描述科学数据的分析过程。然后给出了一种DSFL的两阶段安全执行机制TaSEM。该机制定义了流程实例执行模型，用于描述和管理流程的执行过程，并将其划分为活动激活和活动执行两个阶段。在此基础上，设计了基于数据表的活动触发算法，用于在活动激活阶段识别流程实例当前状态下可执行的活动。并且设计了基于优先级的资源配置策略，可有效控制流程执行不同阶段的系统资源消耗。与已有流程描述语言相比，DSFL实现了以数据为中心的服务组合流程构建，可有效支持科学数据分析过程中的流式数据并行处理和子流程嵌套重用，并且实现了在可控资源配置下的DSFL流程安全并发执行。(3) 针对Web服务协议处理的正确性保障需求，提出一种Web服务协议处理的正确性验证方法。该方法首先给出了服务协议处理功能的正确性定义，分析了服务请求和响应消息的结构及约束条件。然后给出了一种基于分层扩展状态机的服务协议处理模型HS-WPPM，为Web服务协议栈中各层协议的处理行为建立起统一的表示结构。最后给出了基于逻辑推理的HS-WPPM模型正确性验证过程，证明HS-WPPM模型满足服务协议处理正确性定义中的各项约束，从而验证了平台中的服务协议处理的功能正确性，为跨组织、跨平台的数据服务交互提供了良好的互操作性。(4) 基于PASET体系结构实现了SciSCR科学计算服务平台。在该平台的设计与实现中，首先采用声明式服务协议描述语言SODL对HS-WPPM模型进行描述，并开发了SODL语言的编译执行环境，通过执行HS-WPPM模型的SODL描述文档保障了平台内的协议处理功能实现与HS-WPPM模型的一致性。然后设计并实现了SciSCR平台中各个功能模块的核心类结构和关键算法。最后通过在“统计信息综合分析系统”以及“医学影像管理和综合服务系统”中的应用，检验了SciSCR科学计算服务平台在社会统计信息分析和医学影像分析领域的可用性。