Denk-Uç Mimarisi Tabanlı Bir Süreç Eşleme Ortamı Gerçekleştirimi

Transkript

1 Denk-Uç Mimarisi Tabanlı Bir Süreç Eşleme Ortamı Gerçekleştirimi Remzi Çelebi 1, İbrahim Cereci 2, Hüseyin Ellezer 3, Cem Baylam 4, Hürevren Kılıç 5 1,2,3,5 Bilgisayar Mühendisliği Bölümü Atılım Üniversitesi, İncek, Gölbaşı, Ankara {rcelebi,icereci,hellezer,hurevren}@atilim.edu.tr 4 Cybersoft Enformasyon Teknolojileri Ltd.Şti. Silikon Binaları 1. Kat, ODTÜ Teknokent, Ankara cem.baylam@cs.com.tr Özetçe Tek-girdili geçiş sistemi ve amaç durum kümesi ikilisinden oluşan süreç (process) tanımlamasını takiben polinom zamanlı bir süreç eşleme algoritması geliştirilmiştir. Geliştirilen algoritma kullanılarak denk-uç (peer-to-peer) mimarisi ve Gnutella protokolü temelli bir süreç eşleme ortamı gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirimde orta-katman olarak Java Agent Development Framework (JADE) kullanılmıştır. Gerçekleştirilmiş ortam basit arayüz değişiklikleri ve ilgili durum ontololojilerinin tanımlanması yoluyla herhangibir uygulama alanı için kolaylıkla özelleştirilebilir. 1. Giriş Denk-uç sistemlerinin (peer-to-peer systems) bireyler ve/veya kuruluşlar arasındaki internet tabanlı ticareti geliştirme potansiyeli vardır. Internetin dağıtık ve merkezi olmayan yapısı denk-uç sistemlerinin şu ana kadar olduğu gibi sadece içerik paylaşımı amacıyla değil süreç eşleme amacıyla da kullanabilirliğini akla getirmektedir. Sahip olunan bireysel veya kurumsal yetenekleri tanımlayan iş süreçlerinin yerel gösterimi ve geliştirilecek eşleme algoritmaları sayesinde webtabanlı ortamlarda otomatik işbirliği mekanizmalarının gerçekleştirimi mümkündür [1][2]. Sözkonusu merkezi olmayan süreç eşleme ortamlarının gerçekleştirimlerinde dikkate alınması gereken üç temel soru şunlardır: 1) İş yetenek ve hedeflerini süreç formunda nasıl gösterimleyebiliriz (Gösterim problemi)? 2) Tanımlanmış süreç ve amaç-durum tanımlamalarının işbirliğini gerektirdiği ya da gerektirmediği hakkında karar verecek otomatik eşleme mekanizması (veya algoritması) ne olmalıdır (Eşleme problemi)? 3) Süreçlerarası etkileşime olanak tanıyacak etkin mimari ve protokol ne olabilir (Ortam problemi)? İlk sorunun cevabıyla ilgili olarak, UDDI [3] ve WSDL [4] gibi ham dizgi gösterimi ve eşlemesine dayanan yaklaşımların süreç durum ve dinamiklerini tanımlamada yetersiz kaldığı görülmektedir. Alternatif bir gösterim şekli ise durum sistem bilgisini de dikkate alan kontrol literatüründeki ayrık olay sistemi tanımlamasına uyduğu düşünülen ayrık sonlu özdevinir (automaton) gösterimidir. Örneğin, WSCL [5] yaklaşımında, girdi/çıktı dizileri mesaj tipleri alfabesinin oluşturduğu ayrık sonlu durum özdeviniri formunda tanımlanmıştır. [6] da ise iş süreçleri notlandırılmış (annotated) ayrık sonlu durum özdeviniri şeklinde tanımlanmıştır. İkinci soruya cevaben [6] da, verilen iki Webservisinin eşlenebilirliği karşılık gelen iki özdevinirin tanımladıkları dillerin kesişim kümesinin boş olup olmadığı ile ilişkilendirilmiştir. Kesişimin boş küme olması eşlemenin varolmadığı, boş küme olmaması ise eşlemenin mümkün olduğu şeklinde yorumlanmıştır. Üçüncü sorunun cevabıyla ilgili olarak [5] yaklaşımı herhangi bir mimari ya da protokol önermemekle birlikte [7] de önerilen mimari istemci/sunumcu tabanlı sunumcu merkezli, dağıtık olmayan eşleme motoru niteliğindedir. Bildiğimiz kadarıyla literatürde denk-uç tabanlı protokol ve mimariye dayanan gerçekleştirilmiş bir süreç eşleme gerçekleştirimi yoktur. Bu makalede, [8] de önerilmiş olan tek-girdili geçiş sistemi modelini kullanan alternatif bir süreç gösterim şekli tanımlanmıştır. Önerilen gösterim şeklinde, ayrık sonlu durum özdeviniri yaklaşımlarından farklı olarak, verilen gösterimin tam-olmamasına olanak tanınmaktadır. Diğer bir deyişle, süreç tanımlamasını oluşturan tüm durumların erişilebilir olması şart değildir. Eşleme operasyonu, verilen süreçlerin durum düzeyinde bireştirimlerini takiben amaç durumlarının erişilebilirliği testi şeklinde tanımlanmıştır. Önerilen yaklaşımda amaç-durumlarının erişilebilirliği süreçler arası eşlemenin varlığı şeklinde yorumlanmıştır. Makalenin ikinci orjinal katkısı, sözkonusu süreç eşleme ortamı yazılımının önerilen algoritma, denk-uç mimarisi ve Gnutella 0.4 protokolü baz alınarak gerçekleştirilmiş olmasıdır. Protokol gerçekleştiriminde orta-katman olarak Java Agent Development Framework (JADE) kullanılmıştır [9]. JADE erkinleri (agents) farklı durum ontolojilerini kullanabilen ve Gnutella 0.4 protokolüyle konuşan denk-uçlar şeklinde tasarlanmışlardır. Kısım 2 de, önerilen süreç gösterimi ve eşleme algoritmasına ilişkin formal tanımlamalar verilmiştir. Kısım 3 te geliştirdiğimiz denk-uç mimarisi tabanlı süreç eşleme sisteminin detayları anlatılmıştır. Son kısım, varılan sonuçları içermektedir. 2. Süreç Gösterimi ve Eşleme Tanım 1: Z sonlu sayıda elemandan oluşan durum kümesi; S ise Z durum kümesi, V denk-ucun yeteneklerini gösterimleyen sonlu küme, δ: V durum geçiş

2 fonksiyonu ve I başlangıç durumundan oluşan (, V, δ, I) şeklinde tanımlı tek-girdili geçiş sistemi olsun. P S olacak şekilde P S kümesi denk-ucun amaç durum kümesi olsun. Buna göre (S, P S ) ikilisine denk-ucun ilgili süreci denir. Girdi değerinin varlığından dolayı tek-girdili geçiş sistemi açık bir sistemdir. Şekil-1 de çizge-benzeri gösterim şekliyle örnek süreç tanımlamaları görülmektedir. Gösterimdeki düğümler sistem durumlarını tanımlamaktadır (x i ). Kalın kenarlı düğümler başlangıç durumu, kesikli düğümler amaç durumlarıdır. Sürecini icra eden herhangi bir denk-ucun amacı başlangıç durumundan başlamak üzere kendi amaç durumlarından herhangi birine erişebilmektir. Şekil-1 i, Z = {x 1, x 2, x 3, x 4 }, S = (, V, δ, I) öyle ki S = {x 1, x 2, x 3 }, S V = {v 1S }, S δ = {((x 1, v 1S ) x 2 )}, S I ={x 1 } ve P S = {x 3 } olacak şekilde tekrar tanımlayabiliriz. Benzer şekilde, Q = (, V, δ, I) öyle ki Q = Z, Q V = {v 1Q, v 2Q, v 3Q }, Q δ = {((x 1, v 1Q ) x 4 ), ((x 2, v 2Q ) x 3 ), ((x 3, v 3Q ) x 4 )}, Q I ={x 3 } ve P Q = {x 2 } dir. Şekildeki hem S hem de Q sistemleri için ilgili denk-uçların P S ve P Q ile tanımlı kendi amaç durumlarına erişmeleri mümkün değildir. Diğer bir deyişle, tek başına süreç (S, P S ) yi veya süreç (Q, P Q ) yu icra edebilecek başarılı bir denk-uç yoktur. 1 v 1S 2 (a) Süreç (S, P S ). 2 v 2Q Tanım 4: Yetenek-ayrışık iki adet tek-girdili geçiş sistemi S ve Q verilmiş olsun, bireşim(s, Q) işlemi T adlı tek-girdili geçiş sistemini üretir öyle ki T = S Q, T V = S V Q V, T δ = S δ Q δ ve T I = S I. Bireşim işleminin kapalılık ve birleşme özellikleri vardır ancak değişme özelliği yoktur. Bireşim işlemi basitçe, düğümleri aynı tanım kümesinden durumlar olan çizgelerin örtüşümüdür. Gerçekleştirilen yazılımda farklı tanım kümeleriyle tanımlı durum ontolojileri dikkate alınabilmektedir. Şekil-1(c) S ve Q sistemlerinin bireşimiyle elde edilen T sistemini göstermektedir. Tanım 5: (Girdi ile çıkarımlanmış davranış). S = (, V, δ, I) sistemi ve ψ V * girdi dizisi verilmiş olsun. S sisteminin ψ dizisinin varlığında I den başlayan davranışı ξ (ψ) = ξ [0], ξ [1], * şeklinde tanımlanır. Tanımlamada ξ[0] = I dir ve herbir i indis değeri için ξ[i+1] = δ(ξ[i], ψ[i]) dir. Örneğin, Şekil-1(c) deki sistem için, v ls, v 2Q girdi dizisi l, 2, davranışını üretir ve aşağıdaki şekilde gösterimlenir: 1 v 1 S Tanım 6: (Açık sistemlerde erişilebilirlik). S = (, V, δ, I) sistemi ve P verilmiş olsun. Açık sistemlerde erişilebilirlik problemi şu soruyla tanımlanır: Öyle bir ψ V * girdi dizisi var mıdır ki ξ(ψ) davranışı P durumuna erişsin? 2 v 2 Q 3 1 v 1Q 4 (b) Süreç (Q, P Q ). v 3Q δ(x) gösterimi, x durumunun ardışık takibeden durumları kümesi olsun. Yani, δ(x) = {x': v δ(x, v) = x'}. Bu gösterim δ(f) = {(δ(x) : x F} şeklinde F durumlar kümesi için genişletilebilir. 1 v 1S v 1Q 2 4 v 2Q v 3Q (c) Süreç (T=Bireşim(S, Q), P S ). Şekil 1. Örnek süreç tanımlamaları ve bireşim işlemi Tanım 2: İki adet tek girdili geçiş sistemi, S ve Q verilmiş olsun. S ve Q sistemlerine S V Q V = olması halinde yetenek-ayrışık denir. Tanım 3: Süreç (S, P S ) ve süreç (Q, P Q ) verilsin. P S = P Q olması halinde bu süreçlere amaç-denk denir. Şekil-1 deki S ve Q sistemleri yetenek-ayrışıktır. (S, P S ) ve (Q, P Q ) süreçleri ise amaç-denk değildirler. Genel olarak, herhangi bir tek-girdili geçiş sistemi kendisiyle yetenek-ayrışık değildir. Herhangi bir süreç ise kendisiyle amaç-denk tir. Aşağıdaki algoritma verilen bir tek-girdili geçiş sistemine ait erişilebilir durumlar kümesini hesaplar. Algoritma Erişilebilenler Girdi: Tek-girdili geçiş sistemi, S = (, V, δ, I). Çıktı: I den başlayıp erişilebilen tüm durumlar kümesi, F. F 0 := I tekrarla F k+1 :=F k δ(f k ) F k+1 = F k olana dek F * :=F k dön F * Algoritma polinom zamanlı basit bir çizge tarama algoritması olup, karmaşıklığı O(.log( )* V ) dir [8]. Tarama şekli, herbir F k kümesi en fazla k adet geçişten sonra erişilmiş durumları içerecek şekilde enine-öncelikli (breadthfirst) özelliktedir. Şekil-1 deki sistemler için Erişilebilenler(S), { 1, 2 } kümesini ve Erişilebilenler(Q) ise {, 4 } kümesini döner. Benzer şekilde, Erişilebilenler(T) nin çıktısı { 1, 2,,

3 4 } dir. Bireşim işlemi ve erişilebilenler algoritmasını tanımlamamızı takiben her bir denk-uca gömülü olan ve uç tarafından çalıştırılan eşleme algoritmasını tanımlayabiliriz. Algoritma Eşleme Girdi: Yetenek-ayrışık S ve Q sistemlerinden oluşan (S, P S ) ve (Q, P Q ) süreçleri. Çıktı: Eşleme sonucu. T = bireşim(s, Q); T = bireşim(q, S); yönlen eşleme sonucu 0 : ((P S erişilebilenler(t)) = ) ve ((P Q erişilebilenler(t )) = ); 1 : ((P S erişilebilenler(t)) ) ve ((P Q erişilebilenler(t )) = ); 2 : ((P S erişilebilenler(t)) = ) ve ((P Q erişilebilenler(t )) ); 3 : ((P S erişilebilenler(t)) ) ve ((P Q erişilebilenler(t )) ); sonu; dön eşleme sonucu; Algoritmada, denk-uç p tarafından tarafından sahip olunan süreç (S, P S ) ve denk-uç r tarafından tarafından sahip olunan süreç (Q, P Q ) olsun. Buna göre aşağıdaki şekilde kodlanmış dört farklı eşleme sonucu elde etmek mümkündür. 0 eşleme yok; 1 sadece denk-uç p nin süreci r ninkiyle eşlenebilir; 2 sadece denk-uç r nin süreci p ninkiyle eşlenebilir; 3 karşılıklı eşleme, yani hem p hem de r nin süreçleri birbirleriyle eşlenebilir. Şekil-1(c) deki eşleme örneğinin sonucu eşleme((s, P S ),(Q, P Q )) = 1 dir. 3. Denk-Uç Tabanlı Süreç Eşleme Sistemi Geliştirilen denk-uç tabanlı sistem JADE orta-katmanı üzerinde yapılandırılmıştır. JADE kullanımındaki temel sebep JADE in denk-uç sisteminin gerçekleştirilmesine olanak tanıyan zengin mesaj-kotarma altyapısıdır. Ayrıca JADE hem kablolu hem de kablosuz ortamlarda birlikte-çalışabilirliği (inter-operability) desteklemektedir. Çok-erkinli sistemlerin kalıtsal olarak denk-uç sistemleri olduğu ve denk-uç erkin (peer-to-peer agent) sistemlerindeki erkinlerin denk-uçlar olarak modellenebileceği bilinmektedir [10]. Çok-erkinli sistemler perspektifinden bakacak olursak gerçekleştirilen denk-uç sistemi rekabet içinde olmayıp işbirliği içinde olan bir erkin sistemidir. Şekil-2 de görüldüğü gibi sistem JADE orta katmanı üzerine oturan bir yerpaylaşım (overlay) şeklinde tasarlanmıştır. Denk-uçlararası etkileşim protokolü olarak Gnutella 0.4 protokolü kullanılmıştır. Gerçekleştirilmiş Gnutella mesajları ping, pong, sorgu (query) ve çarpan-sorgu (query-hit) dur ve bu mesajlar JADE tarafından desteklenen standart FIPA Erkin Kontrol Dili - EKD (Agent Control Language- ACL) sözdizimine gömülmüştür. EKD sözdiziminde her mesaj alıcısı tarafından gerçekleştirilmesi amaçlanan eylemi (action) tanımlayan performatif ile başlar. Mesajın kalan kısmı gönderici (sender), -ile cevapla (reply-with), alıcı (receiver), yayınla (broadcast) gibi yerleşik öznitelikleri (attribute) veya kullanıcı tarafından tanımlanabilen özel öznitelikleri içerir. Eşlenmek istenen süreç tanımları Şekil-3 te görülen genel amaçlı kullanıcı arayüzü vasıtasıyla girilebilmektedir. Bu arayüz kullanıcı ilgi alanına göre kolaylıkla amaca uygun olacak şekle uyarlanabilir. Sistemde bulunan denk-uçların komşularından haberdar olması Gnutella protokolünün temel ping ve pong mesajlarını kullanmak suretiyle güncellenen yerel bir arama (look-up) tablosu kullanılarak sağlanmıştır. Protokolün sorgu tipindeki mesajları ise süreç tanımlamalarını eşlenme potansiyeli olan komşu denk-uçlara geçirmek amacıyla kullanılmıştır. Yukarıda tanımlanan eşleme algoritması herbir denk-uca gömülmüş ve yerel çalıştırım sonucuna göre ilgili Gnutella 0.4 eylemi (sorgu veya çarpansorgu) sorguyu alan denk-uç tarafından yerine getirilmektedir. Aşağıdaki örnekler EKD sözdizimi kullanılarak gerçekleştirilmiş mesajları içermektedir. Ping gerçekleştirimi: (QUERY-REF :sender peer2 :receiver peer5 :reply-with ping :-originator "peer1" ) Şekil 2. Gerçekleştirimin sistem-düzeyindeki görünümü Ping mesajının kullanım amacı bir denk-ucun herhangi bir andaki denk-uç komşuluk yapısından haberdar olabilmesidir. Mesaj, mevcut ve hedeflenen denk-uçları tanımlayan gönderici (sender) ve alıcı (receiver) yerleşik özelliklerinden oluşur. Ping mesajları, Sorgu-Referans (Query-Ref) performatifinin ile cevapla kısmında tutulan bilgi kullanılarak cevaplanır. Tanımladığımız -kaynak (-originator) özniteliği ping

4 mesajının orjinal kaynağını gösterir. Yine tanımladığımız -ttl özniteliği sürecin yaşam süresini belirleyen ve sekme (hop) birimiyle tanımlı değeri barındırır. Pong gerçekleştirimi: (INFORM :sender peer5 :receiver peer2 :in-reply-to ping :-originator "peer5" :-receiver "peer1") Pong mesajı ping mesajına cevaptır. Pong mesajı, ping çekilmiş denk-ucun mesajı gönderen orjinal kaynağa kendisinin halen sisteme bağlı ve canlı halde olduğu hakkında bilgi vermesini hedefler. Ayrıca, orjinal ping kimlik bilgisini de barındırır. Örnekte görülen Alıcı (Receiver) ve -alıcı (receiver) öznitelikleri arasındaki fark, ilkinin o anki pong mesajını alacak komşu denk-ucu belirtmesi, ikincisinin ise mesajın hedeflenen nihai alıcısını tanımlıyor olmasıdır. Geliştirilen sistemde DS erkini doğrudan denk-uç sistemlerindeki ÖnYüklemeSunumcusu (BootStrapServer) olarak kullanılmıştır. ÖnYüklemeSunumcusu nun temel görevi mevcut denk-uç ağının bir parçası olmak isteyen yeni denk-uçlara, ağda bulunan denk-uçların listesini dönmektir. 4. Sonuçlar Tam-olmayan süreç tanımlamalarına olanak tanıyan bir süreç gösterim şekli ve süreç eşleme işlemine olanak tanıyan eşleme algoritması önerilmiştir. Bunu takiben, merkezi olmayan, denk-uç tabanlı bir süreç eşleme sistemi geliştirilmiştir. Sistem istenilen bir uygulama alanına, yapılacak kullanıcı arayüzü değişiklikleri ve ilgili durum-ontolojilerinin tanımlanması suretiyle kolaylıkla uyarlanabilir. İleride, yeteneklere maliyet ve amaçlara fayda değerleri atamak yoluyla mevcut süreç tanımlaması geliştirilebilir. Bu sayede denk-uçlar arasında olası müzakere mekanizmaları için açılım da sağlanabilir. Sorgu gerçekleştirimi: (CFP :sender peer1 :receiver peer5 :content "((Reachable owner:peer1 process:a1))" :language fipa-sl :ontology Task-description-ontology :-orginator "peer1" ) Sorgu mesajı süreç eşleme işleminin başlatıcısı olarak kullanılmıştır. Öneri Çağrısı (Call For Proposal - CFP) performatifinin göndericisi sistemde kendi süreç tanımını eşleyebileceği bir denk-uç bulabilmeyi hedefler. Mesajın içerik kısmı standart FIPA-SL dilinde yazılmıştır. Örnekteki mesajın içeriği, a1 sürecinin sahibi olan peer1 in alıcı denk-ucun süreciyle eşleme yapma amacında olduğunu göstermektedir. Ontoloji (Ontology) yerleşik özniteliği mevcut sürecin ilgili durum-ilgi alanı (state-domain) nı tanımlamaktadır. Çarpan-sorgu gerçekleştirimi: (PROPOSE :sender peer5 :receiver peer1 :content "((Propose :proposer peer5 :matchresult 2 :process a3))" :in-reply-to query :language fipa-sl :ontology Task-description-ontology :-orginator "peer5" :-receiver "peer1") Çarpan-sorgu mesajı sorgu mesajına cevaptır. İçerik kısmı bir eşleme olması durumunda önerenin (proposer/owner) kimlik bilgisini, eşleme tipini ve önerenin süreç tanımını içerir. Ontoloji özniteliği sorgu örneğinde olduğu gibi mevcut sürecin ilgili durum-ilgi alanını tanımlamaktadır. Tipik bir JADE kurulumunda, özel amaçlı bir sistem erkini olan ve ana içerenin (container) içinde yaşayan Dizin Sağlayıcı - DS (Directory Facilitator - DF) bulunur. Şekil 3. Süreç tanımlama giriş ekranı arayüzü. 5. Kaynakça [1] K. Sycara, J. Lu, M. Klusch, and S. Widoff, Matchmaking among heterogeneous agents on the internet, in Proceedings of the 1999 AAAI Spring Symposium on Intelligent Agents in Cyberspace, Stanford University, USA March [2] I. Constantinescu, and B. Faltings Efficient Matchmaking and Directory Services, Proceedings of the IEEE/WIC International Conference on Web Intelligence, October 2003, pp [3] I. Ariba, I. Corporation, and M. Corporation, Universal description, discovery and integration, September 2000,

5 [4] E. Christensen, F. Curbera, G. Meredith, and S. Weerawarana, Web services description language (WSDL) 1.1, March [5] A. Banerji, C. Bartolini, D. Beringer, V. Chopella, K. Govindarajan, A. Karp, H. Kuno, M. Lemon, G. Pogossiants, S. Sharma, and S. Williams, Web services conversation language (WSCL) 1.0, March [6] A. Wombacher, P. Fankhauser, B. Mahleko, and E. Neuhold, Matchmaking for Business Processes Based on Choreographies, International Journal of Web Services Research, 1(4), Oct-Dec 2004, pp [7] A. Wombacher, B. Mahleko, and E. Neuhold, IPSI-PF: A business process matchmaking engine based on annotated finite state automata, Inf. Syst. E-Business Management, 3(2), 2005, pp [8] O. Maler, Control from Computer Science, Annual Reviews in Control, 26, 2002, pp [9] F. Bellifemine, A. Poggi, G. Rimassa, JADE: A White Paper, 3 September [10] O. Shehory, Robustness challenges in peer-to-peer agent systems, Agents and Peer-to-Peer Computing, Second Intl.Workshop, AP2PC 2003, LNAI 2872, pp