（安全技术及工程专业论文）基于Web服务的煤矿安全可视化体系研究.pdf

s u b j e c t ：r e s e a r c ho nv i s u a l i z a t i o ns y s t e m o fm i n es a f e t ys u p p l e m e n t e db y ”匆bs e r v i c e s s p e c i a l t y ：s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g n a m e ：z h e n gx i a o y u e i n s t r u c t o r ：c h a n gx i n t a n ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fa n a l y z i n gd e f e c t so fp r e s e n ts o f t w a r ei nt h ef i e l do fm i n es a f e t y , t h i s t h e s i sb r i n g su pas c h e m eb a s e do nw e bs e r v i c e sa st h es o l u t i o n s u c has y s t e ms e l e c t s m i c r o s o f t n e ta sap l a t f o r mt op r o v i d ew e bs e r v i c e s ，w h i c h ，e i t h e ro nt h e n e tp l a t f o r m ，o r b e t w e e nd i f f e r e n tc l i e n t s ，i sc l e a r l yd e s c r i b e da n dv e r i f i e di nt h er e s e a r c h t h i st h e s i sp u t s v i s u a lg r a p ha c t i v e xi n t oc l a n g u a g ea st h et o o lf o rt h ed e v e l o p m e n to fv i s u a l i z a t i o n ，a n d t w om o d u l e s ，s u p e rc sa n db s ，a r ec h o s e n t h ea c c o m p l i s h m e n to ft h es y s t e mi ns u p e rc sm o d u l ei n c l u d e s ：d e s i g na n di t s r e a l i z a t i o no fm i n es a f e t yv i s u a l i z a t i o n ，a n di t sf u n c t i o no fe d i t i n gb yv i s u a lg r a p ha c t i v e x t h ed a t a b a s ea d o p t e db yt h es y s t e m ，i t sd e s i g na n dr e a l i z a t i o ni nt h es y s t e ma r ed i s c u s s e d c a l c u l a t i o n so fm i n es a f e t ya r ee n c a p s u l a t e di nw e bs e r v i c e sa n dc a nb ec a l l e d i nt h e n e t w o r kt h r o u g hc sm o d e t h ea c c o m p l i s h m e n to ft h es y s t e mi n b sm o d ei n c l u d e s ：a p p l i c a t i o no fv i s u a lg r a p h a c t i v e xt ob sm o d e ；d i s c u s s i o na b o u t d e s i g no fs y s t e mi n t e r f a c e sa n dm o n i t o r i n gf u n c t i o n a tt h ec l i e n ts i d eo fb sm o d e u s e r sc a nb r o w s ea n dd e s i g nm o n i t o rg r a p h i c s b e c a u s et h e v i s u a lg r a p hg r a p h i c si sb a s e do nx m lf o r m a t ，s t o r a g eo ft h ed e t a i l e dd a t ao fg r a p h i c sa r e n o tn e e d e d ，a n dh i g h e re f f i c i e n c yc a nb ea c h i e v e db yc h a n g i n gi t sx m l f i l e d i r e c t l y r e a l t i m em o n i t o r i n gd a t ai sr e c e i v e db yw e bs e r v i c e sa n di sd i r e c t l yu s e dt ou p d a t et h e r e l e v a n tg r a p h i c s k e y w o r d ：w e bs e r v i c e s ；m i n es a f e t y ；v i s u a l i z a t i o n ：v i s u a lg r a p h a c t i v e x ； n e tf r a m e w o r k t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 要料技太擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：崭帮i i日期：沙石年2 7 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：墨p 魂 1指导教师签名：侮以 伽6 年年月2 矿日 1 绪论 1 1 论文的选题背景 l 绪论 煤炭是我国的基础能源和重要原料，在国民经济中占有重要的战略地位。未来几十 年内，煤炭依然是我国的主要能源，以煤炭为主的能源结构将难以改变，这就是中国的 国情。因此，煤炭越来越引起国家的高度重视。近两年来，国务院及国家有关部门对煤 炭产业采取了一系列空前的重大举措，煤炭工业的重要性进一步得到社会的认可。 但是，煤矿安全问题始终是煤炭企业所面临的严峻挑战，虽然我国有关部门己加大 对煤矿安全方面的投资，但煤矿的安全现状仍不容乐观。据统计，2 0 0 5 年全国发生各类 事故7 1 7 9 3 8 起，死亡1 2 7 0 8 9 人，分别比上年下降1 0 7 和7 1 。但煤矿等重特大事故多 发，安全生产形势依然严峻。全国发生一次死亡l o 人以上的特大事故1 3 4 起，同比增加3 起，死亡人数增加1 7 ，其中煤矿5 8 起，增加3 4 9 ，死亡人数上升6 6 6 拉j 。在自然灾 害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件四类突发公共事件中，事故灾难所造成的 生命财产损失尤其触目惊心，社会影响尤其恶劣。如何提高煤矿作业的安全度，最大程 度减少国家财产损失和人员伤亡成了摆在我们面前的一个亟待解决的问题，矿业安全也 就成为大家关注的焦点。而瓦斯爆炸、火灾等重大灾害仍是造成煤矿生产不安全的主要 因素，因此加快煤炭行业的信息化建设、建立煤矿安全生产计算机监测监控系统和设计 合理高效的矿井通风计算机系统对实现安全矿业尤为重要。 19 8 6 年，美国科学基金会首先提出了科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i c c o m p u t i n g ，简称v i s c ) 的概念。科学计算可视化指的是通过计算机硬件和软件系统， 运用计算机图形学、计算机视觉与交互技术和图像处理技术，将科学计算过程中产生的 数据或者计算结果转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形或图像，并在屏幕上显示 出一系列进行交互处理的理论、方法和技术，从而可进行数据探索和分析，以便及时、 正确地理解和把握其中的各种现象和结果【3 j 。随着计算机图形学、数据库技术、可视化 技术及i n t e m e t 的飞速发展，科学计算可视化正在得到广泛推广与应用。 由于煤矿行业的地下作业、危险性较大等特性，更应该重视可视化软件的研制。可 以说煤矿信息化建设方方面面都要用到可视化技术，如矿床地质勘探、矿产资源管理、 煤矿建设与设计决策、煤矿安全生产管理及井下灾害与环境分析等方面。用于煤矿的可 视化软件不但要求具有图形输入、存贮、管理等功能，而且要能实现一定的空间分析， 如围岩稳定性分析、储量计算、通风计算、风网解算等，从而为矿山的生产调度、采掘 设计、通风管理、瓦斯排放等系统服务，为矿山安全生产提供科学的依据【4 儿5 。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 国内外煤矿安全信息化研究现状 近年来计算机和网络通信技术的迅猛发展，i n t e m e t 技术的兴起和广泛应用，有力 地促进了网络环境下计算机技术在煤炭行业和其他科技领域应用的研究，并迅速朝高性 能、多样性、多功能方向发展。二十世纪五十年代后期，数字计算机开始应用于矿业领 域，计算机以其强大的数据处理能力，为矿业领域带来了一次新的革命。德，英，美， 奥等采煤技术先进国家，自2 0 世纪下半叶起已经通过改进采煤方法，采用高效设备， 大力推广自动化技术，在生产，安全等各环节，均实现了自动化生产控制和监测，而且 采用计算机网络技术，实现全矿井生产和安全系统的综合控制，监测和监视，使生产效 率大大提高，安全状况彻底改善，获得了巨大的效果。 就国内煤矿而言，近年来也出现了很多用于矿井监测监控、可视化通风计算管理、 火灾救灾辅助决策等各方面的计算机软件系统，但是现有系统大多存在功能扩展性差以 及维护不便等缺陷，使得它们很难得到大面积的推广，使用范围太受局限，造成极大的 资源浪费；而且技术人员也很难有效地利用它们来辅助决策，多数情况下只能根据经验 做出决定，对安全生产起不到应有的功效。总结起来主要有以下几点【6 1 17 j ： ( 1 ) 软件和系统自身相对封闭，形成信息孤岛，软件无法与基于网络的监测、监 控、调度系统互连，在与其他系统进行集成方面存在不足，不能满足开放式数据共享要 求； ( 2 ) 软件对应用平台的适应性差，一种应用软件只是针对某一种应用平台，一般 情况下无法提供网络应用；这样也就造成了巨大的资源浪费。 ( 3 ) 软件开发严重依赖于编程语言，用不同语言开发的应用难以交互，开发人员 必须在各种编程语言间作出取舍，在同一应用中难以汇集各种编程语言提供的优良性 能，致使软件产品不能满足多方面的需求： ( 4 ) 封闭的应用程序体系结构缺乏灵活性，没有形成足够独立的功能模块，应用 一旦成形，很难再进行变更，对所需的功能无法进行进一步的扩展，同时对已有的功能 模块也难以进行更新升级； ( 5 ) 面向代码而不是面向服务的设计框架缺乏开放性，很难将其应用到网络中、 满足分布式计算的需求。 综上所述，要解决这些传统软件的缺陷所在，新一代软件开发策略必须突破具体平 台( 操作系统、编程语言、应用服务器等) 的限制，使用统一灵活的数据格式，并且使 用开放的标准协议，以满足业务的复杂化和规模的扩展，尤为重要的是，需要有成熟工 具的支持。这个解决方案就是w e b 服务。因此本文提出了基于w e b 服务的煤矿安全可 视化体系的研究。 为实现基于w e b 服务煤矿安全可视化的目标，必须重点解决如下几个问题： 2 1 绪论 ( 1 ) 可视化技术 以前用于煤矿的可视化技术的研究也有很多，但是都没有能够解决在w e b 上实时 绘图的问题。如何解决在w e b 上用户与图形的实时交互、实现使用脚本来处理类似于 鼠标单击以及键盘输入等事件是本文的可视化要研究的问题。 ( 2 ) 接口一致性和松散耦合性 允许异构系统以相同的方式进行互操作。不同系统不需要统一的运行平台支持，可 以使用不同开发语言( j a v a ，c # 等) 和开发工具调用w e b 服务所提供的功能。各个系统 运行在不同的操作系统平台，具有良好的可定制能力和互操作性。用户系统和基于w e b 服务的安全计算平台松散耦合，系统升级和平台迁移互不影响，一定要解决d o c m 、 c o r b a 等分布式计算技术的紧密耦合性带来系统维护代价大的问题。 ( 3 ) 网络级复用 基于w e b 服务的煤矿安全的w e b 服务必须是i n t e m e t 级服务，是可重用的可编程 单元，用户网络程序可以直接通过i n t e m e t 访问我们系统提供的功能。 ( 4 ) 可扩展性 要在网络资源规模不断扩大、应用不断增长的情况下，不降低性能。 1 3 论文的主要研究内容 根据以上分析，基于w e b 服务的煤矿安全可视化体系的研究思路如下：将图形处 理、数据与计算分离，服务器端主要包括w e bs e r v i c e s 服务器( 用来存放实现的数据处 理、计算、实时监控等的w - e b 服务) 、数据库服务器( 用来存放监控设备监测到的数据 和用户输入的相关数据) 等。这些服务器在逻辑上处于不同的位置，但在物理上可以是 同一台主机或不同主机。客户端采用可视化技术，可以是高级c s 或b s 结构。具体研 究内容包括： ( 1 ) 鉴于以上分析的现有煤矿安全相关软件的现实存在的缺陷，研究w 曲服务架 构与实施，以及如何利用w e b 服务来实现异构环境系统集成以达到煤矿安全软件的平 台无关性、信息共享、更容易的扩展与升级等目的。 ( 2 ) 本系统的w e b 服务实现主要基于微软的新一代互联网平台n e t 平台来 构建，因此要研究在n e t 下w e b 服务的具体实现，以及在w e b 应用程序和w i n d o w s 应 用程序中调用w 曲服务的方法。 ( 3 ) 可视化技术：研究w e b 服务模式下可视化模型的通信特征，可视化图元的通 信接口的研究、w e b 服务模式下通信速度和安全性的研究。可视化图元对多源数据的 处理和管理的研究，以及各种实时信息的表现手法的研究。研究在w e b 服务技术的条 件下实现的具体技术方案，并选择一种可行的方案建立可视化模型。 西安科技大学硕士学位论文 1 4 论文的研究意义 在旧的组件技术里，一个服务是一个可以通过编程接口访问的应用，客户通过紧耦 合的分布式协议( 如d c o m 、c o b r a 和r m i ) 访问这些服务，这些协议都具有自己的 私有格式，实现效率较高。但是，这种紧耦合的体系结构限制了服务的重用性和灵活性。 在当今环境下，分布式应用，松散耦合、跨平台是计算机软件的发展趋势。 w e b 服务是一种基于s o a p 协议的新的分布式计算体系。由于s o a p 协议本身是基 于消息的，因此具有此类协议的共同优点，即松散耦合特性。这正是w e b 服务和传统 分布式计算环境相比的最大优点，也是w e b 服务能够在异构而且复杂的i n t e m e t 环境中 使用得基本条件。w e b 服务近几年发展迅速，但在煤矿安全方面的应用还很有限，本文 将在这方面进行尝试。 ( 1 ) 结合w e b 服务的特点，在基于w e b 服务的煤矿安全可视化体系中预计达到以 下目标：提高系统的可集成性；使系统更易于部署；更安全、可靠、易于维护；具有更 好的可扩展性；充分利用w e b 服务的平台无关性、语言无关性、数据无关性，实现在 w e b 服务下的最大集成。 ( 2 ) w e b 服务本身也蕴藏着巨大的商机，它甚至被誉为“一座大金矿”，将引起一 场大的产业应用。近年来，煤矿企业的电子商务应用正在以前所未有的速度发展，基于 w e b 服务的煤矿安全信息模式的提出，达到安全知识和信息共享、分析和决策共享无疑 是一种非常理想的方式，而且这种共享可建立在贸易的基础上，促成煤炭领域新的商务 应用。 ( 3 ) 现在西安科技大学基于底层开发和a u t o c a d 二次开发的通风计算可视化系统 已经比较完善，本文对新的可视化方法基于图形控件的开发方式的探索具有重要意 义。基于v i s u a lg r a p h 控件的开发因其控件小、基于x m l 格式等特点，所以非常适合 在网上传输，而且可以解决在网上实时绘图的问题，这对于将煤矿安全可视化系统从单 机版向网络版过渡探索出了一条可行之路。 因此，本课题的研究是符合煤炭行业：企业现有的需求与发展前景的，在煤炭领域 具有重要的理论与现实意义；同时，也可以给别的领域与学科在w e b 服务方面的研究 与应用提供一些经验作为参考。 1 5 技术路线和开发环境的选择 ( 1 ) 技术路线 架构：基于w e bs e r v i c e s 的面向服务架构 可视化工具：v i s u a lg r a p h 图形控件 实现模式：高级c s 和b s 两种模式 4 1 绪论 ( 2 ) 开发环境 操作系统：m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 应用服务器：i i s6 0 浏览器：i e6 0 数据库：a c c e s s2 0 0 3 开发平台：v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 3 开发语言：c f 1 6 论文的体系结构 论文共分为六章，结构如下： 第一章是绪论。主要讲论文的选题背景、意义，根据对煤矿信息化建设现状的分析 提出本论文要解决的问题，和论文的主要研究内容。最后是对论文整体结构的介绍。 第二章是w e b 服务技术与架构。首先将w e b 服务与其他分布式计算模型做一比较， 然后探讨了w e b 服务的特征、面向服务架构、协议栈及主要实现平台。最后提出本系 统基于w e bs e r v i c e s 的面向服务架构。 第三章是系统所采用的可视化技术。讨论多种可视化方案的优缺点，并最终确定本 系统采用的可视化方案开发语言结合图形控件的开发方式。然后介绍了v i s u a l g r a p h 图形控件的特点和功能。 第四章是系统在c s 模式下的实现。 第五章是系统在b s 模式下的实现。 第六章是结论。对论文主要内容和所作工作的总结。 叵 嗍揪 图1 1 论文体系结构图 系统的技 术支持 系统的具 体实现 工作的总结 西安科技大学硕士学位论文 2w e b 服务技术与架构 2 1w e b 服务与传统分布式计算模型的比较 从前，分布式的应用程序逻辑需要使用分布式的对象模型，诸如：微软的分布式组 件对象模型( d o o m ) 、对象管理集团的公用对象请求代理程序体系结构( c o r b a ) 或s u n 的远程方法调用( r m i ) 。通过使用这种基本结构，开发人员可使用本地模型所提供的丰 富资源和精确性，并可将服务置于远程系统中。虽然这些中间件确实提供了强大的服务 实现手段，但是，这些系统有一个共同的缺陷，那就是它们无法扩展到互联网上。它们 要求服务客户端与系统提供的服务本身之间必须进行紧密祸合，即要求一个同类基本结 构。这样的系统往往十分脆弱：如果一端的执行机制发生变化，那么另一端便会崩溃。 例如，如果服务器应用程序的接口发生更改，那么客户端便会崩溃。 要求提供紧密藕合的基本结构无可厚非，许多应用程序均是基于这种系统构建而成 的。但是，当各个公司需要相互合作、或信息技术提供商扩大业务范围时，便很难实现 单一而统一的基本结构。用户根本无法保证希望与之进行远程通信的管道的另一端具备 所有需要的基本结构。对于它使用的操作系统、对象模型或编程语言，用户可能一无所 知【8 】【2 2 】。 w e b 服务彼此之间是松散藕合的。连接中的任何一方均可更改执行机制，却不影响 应用程序的正常运行。从技术角度讲，人们己转向使用一种基于消息的异步技术来实现 高可靠性的系统性能，通过使用诸如h t t p 、s m t p 以及x m l 来实现统一的连接。w e b 服务是在i n t e m e t 上进行分布式计算的基本构造块。开放的标准以及用户和应用程序之 间的通信协作产生了一种新的环境，在这种环境下，w e b 服务成为应用集成的平台。应 用程序通过使用多个不同来源的w e b 服务构造而成，不管这些服务到底位于何处或者 如何实现，它们都可以相互协同工作。因此，w e b 服务就是由服务组件通过某些网络协 议提供的远程调用接口。w e b 服务通常是使用s o a p 协议，而s o a p 协议本身是一种基 于x m l 的高层协议，它需要绑定在某种底层网络通信协议上。w e b 服务并不是一种新 的服务器组件，而是原来的服务器组件提供了一种新的通过s o a p 协议来调用的统一接 口。服务器组件本身并没有改变，只是在前面增加了w 曲服务接口层，使得客户端可 以在不需要知道服务器组件具体是由什么技术来实现的情况下透明的通过w e b 服务来 调用它【8 】【2 3 】。 6 2 w e b 服务技术与架构 2 2w - e b 服务体系架构模型 2 2 1w e b 服务的定义与特征 2 1 世纪伊始，w e b 服务获得了巨大的成功。许多软件公司纷纷宣布了对w e b 服务 的支持和应用。但目前对w e b 服务仍没有统一明确的定义，有多少支持w e b 服务的公 司，就有可能有多少种w e b 服务的定义。综合起来，可以这样描述w e b 服务： w e b 服务描述了一组操作的接口，利用标准化的x m l 消息传递机制，可以通过网 络访问这些操作。该接口包含了与服务交互所需的全部细节，包括消息格式( 详细描述 操作的输入输出消息格式) 、传输协议和位置；该接口隐藏了实现服务的细节，允许通 过独立于服务实现、独立于软硬件平台、独立于编写服务所用语言的方式使用该服务【9 1 。 w e b 服务具备的特征如下【1 0 】【2 l 】： ( 1 ) 良好的封装性：w e b 服务是一种典型的“黑盒模型”，它可以被多次使用而不 用关心此服务的细节。w e b 服务只对它的使用者提供精确定义的接口。 ( 2 ) 松散的耦合性：由于w e b 服务使用x m l 文档来描述服务的调用通信细节， 因此服务提供者和服务使用者是松散耦合的，即服务的实现发生变更时，服务使用者无 须改变，甚至当服务的接口改变时，服务调用者也无需改变。 ( 3 ) 高度可集成性：由于w e b 服务采取简单的、易理解的标准w e b 协议作为组件 界面描述和协同描述规范，完全屏蔽了不同软件平台的差异，无论是c o r b a 、d c o m 还是e j b 都可以通过这一种标准的协议进行互操作，实现了在当前环境下最高的可集成 性。 ( 4 ) 完全开放的标准化协议：w e b 服务所有公共协约完全使用开放的标准协议进 行描述、传输和交换。一般而言，绝大多数规范将最终由w 3 c 或o a s i s 作为最终版本 的发布方和维护方。 2 2 2w e b 服务的面向服务架构( s o a ) w e b 服务通过定义一组可以通过i n t e r n e t 调用的相关的商业逻辑，从而可以使某企 业将其电子商务应用程序的功能以公开的、统一的方式提供给企业的商业合作伙伴。 w 曲服务通过w s d l ( w 曲s e r v i c e sd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，w e b 服务描述语言) 来描述、 通过s o a p ( s i m p l eo b j e c t a c c e s sp r o t o c o l ，简单对象访问协议) 作访问，在商业注册中 心u d d i ( u n i v e r s a ld e s c r i p t i o n ，d i s c o v e r ya n di n t e g r a t i o n ，统一描述、发现与集成协议) 发布，从而使开发者和应用程序可以搜索并定位到该服务。w e b 服务的架构包含三个清 晰的角色定义，图2 1 显示了它们之间的关系【l 。 西安科技大学硕士学位论文 图2 1w e b 服务体系架构模型 ( 1 ) w e b 服务提供者：从商业的角度看，这是服务的拥有者；从w e b 服务的架构 看，这是拥有服务的平台。 ( 2 ) w e b 服务请求者：从商业的角度看，这是需要某种功能的商业机构；从w r e b 服务的架构看，这是查找、调用服务的应用程序。服务请求可以使用浏览器完成，也可 以是没有用户界面的应用程序发出。 ( 3 ) w e b 服务注册中心：这是可搜索的服务描述注册中心，服务的提供者向这里 发布他们的服务说明，而服务的请求者在这里找到服务，并得到与服务绑定的信息，在 开发时刻实现静态绑定或在运行时刻实现动态绑定。 w e b 服务技术的这种三角形设计模型被称为面向、服务架构( s e r v i c e o r i e n t e d a r c h i t e c t u r e ，简称s o a ) 1 9 j 【1 2 】，它包括下面三种操作功能： ( 1 ) 发布操作：服务提供者需要首先将服务进行一定描述并发布到注册中心服务 器上，服务请求者才能够找到它。在发布操作中，服务提供者需要通过注册服务器的身 份验证，才能对服务描述信息进行发布和修改。 ( 2 ) 查找操作：在查找中，服务请求者可能会直接得到服务说明，也可能会向服 务注册中心查询服务说明的位置。在查找操作中，一般包含两种查找模式：一种是浏览 模式( b r o w s ep a t t e m ) ，即服务请求方可以根据通用的分类标准来浏览或者通过一些关键 字来搜索，并逐步缩小查找的范围，直到找到满足需要的服务，查找结果是一系列服务 的集合；另一种是直接获取模式( d r i l ld o w np a t t e m ) ，即通过唯一的关键字直接得到特定 服务的描述信息，其查找结果是唯一的。 ( 3 ) 绑定操作：在绑定操作中，服务请求者在运行时刻使用服务说明中的绑定信 息，包括服务的访问路径、服务调用的参数、返回结果、传输协议、安全要求等来定位、 连接和调用服务，启动与服务的交互，调用服务的方法。 8 2 w e b 服务技术与架构 2 2 3w e b 服务协议栈 要实现一个完整的w e b 服务，需要一系列的协议、规范来支撑。w e b 服务充分利 用了现有的网络技术、标准或协议，并在必要的时候增加了一些新的技术或标准，用于 接口定义、方法调用、基于i n t e m e t 的构件注册以及各种应用的实现。w e b 服务协议规 范把与w e b 服务实现技术有关的规范都集成到这个框架中。这些规范主要包括了w 3 c 制定的x m l 系列规范、s o a p 规范、w s d l 规范、u d d i 组织制定的u d d i 规范以及 网络层关于数据通信、数据传输协议等。参照w 3 c 提议的w - e b 服务互操作性叠层 ( i n t e r o p e r a b i l i t ys t a c k ) ，将这些w e b 服务的各种典型操作和技术标准构成一个技术间 相互依赖的协议栈，上层功能必须依靠下层的支持【l l 】【1 3 】。如图3 2 所示： s t a t i c - - - ，u d d i http d i r e c t _ u 砌匮困ii l1 w s d l 区困引引 s 区互口iiii 朋脚叵巫习uu 图2 2w e b 服务的协议栈 各层功能可以简述如下： ( 1 ) 网络传输层：w e b 服务协议的基础是网络传输层。服务请求者通过网络传输 层访问w e b 服务。网络传输层的协议主要有h t t p ，f t p ，s m t p 等。其中，h t t p 正 在成为w e b 服务所使用的标准协议，不过，在某些扩展应用领域中，也支持使用s m t p 协议和f t p 协议。 ( 2 ) x m l 消息层：w e b 服务的数据表现协议是x m l 。x m l 为整个w e b 服务上层 协议提供数据和信息描述手段，它是目前数据描述和交换的主要标准。x m l 是整个w e b 服务的核心和构架基础。无论是w e b 服务调用( s o a p 技术) 、w e b 服务接口描述( w s d l 技术) 还是w e b 服务发现( u d d i 技术) ，都使用x m l 作为信息描述和交换的标准手段。 x m l 消息层是在网络传输层之上负责对消息描述进行编码和传递。s o a p 是该层的 主要协议规范。s o a p 可以单独使用，也可以与任何传输协议联合使用。所有的s o a p 消息都支持w e b 服务架构中的发布、查找和绑定等操作。 9 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 服务描述层：服务描述为调用w e b 服务提供了具体的方法，其描述工具是 w s d l ( w e bs e r v i c e sd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，w s d l 基于x m l 格式，用来描述服务实 现和服务接口。在用w s d l 协议描述服务实现之前，我们必须先描述服务接口。 ( 4 ) 服务发布层：服务发布层发布相关服务。在服务发布层，服务提供者直接向 服务请求者发送w s d l 文档。当服务提供者通过e m a i l 的形式发布w s d l 文档时，这 一动作被称为直接发布。同时，服务提供者也可以将w s d l 文档发布到服务请求者所 在的w s d l 注册库，或者注册中心。这些注册库或注册中心采用u d d i 描述。服务请 求者可以通过这些注册库或注册中心来获得w s d l 文档。 ( 5 ) 服务发现层：服务发现是基于服务发布的。如果没有或不存在已发布的w e b 服务，则不可能找到相应的服务。服务请求者在运行或静态时获取服务描述。例如，服 务请求者可通过服务发现层获取一个以本地文件形式存在的服务的w s d l 文档，这个 w s d l 文档是通过直接发布手段发布的，这一操作被称为静态发现。同时，这个服务客 户端也可在运行时通过一个本地w s d l 注册库或公共( 私有) 的u d d i 注册中心发现 该服务的w s d l 文档，这被称为动态发现。 下面对w e b 服务协议栈中的一些关键技术做详细探讨。 ( 1 ) x m l w e b 服务技术的基石【1 4 j 【1 5 j 人们总是喜欢不厌其烦地发表诸如“互联网改变了一切”的陈词滥调。同样地，在谈 论互联网给人类带来的影响时，总是情不自禁地使用广告式的夸张语，以表达对互联网 的推崇。不过，互联网的确彻底改变了应用程序的开发模式和配置方式。将传输软件演 变成一种服务还有待人们的共同努力，x m l 是实现这个梦想的重要手段。 x m l 即e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ( 可扩展标记语言) 。在w e b 服务中，x m l 不是 一个单独的协议层，但它却是w e b 服务的核心技术。确切的说，x m l 为w e b 服务提供 了统一的数据格式，包括消息、服务描述以及工作流描述等不同层次的协议，都采用 x m l 作为定义语言。在一定程度上可以说，是x m l 奠定了w 曲服务革命的技术基础。 象h t m l 一样，x m l 是从所有标记语言的元语标准通用标记语言s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ) 那里派生而来的。设计之初，x m l 的目标之 一是取代h t m l 为新出现的复杂的w e b 应用提供标准的i n t e m e t 语言。然而，由于x m l 的可扩展性、可移植性和结构性等方面的突出优点，它的应用范围早已突破了h t m l 所达到的范围。 x m l 是一种元标记语言，所谓“元标记”就是开发者可以根据自己的需要定义自己 的标记，可以看作是“w e b 上的a s c i i 码”，使用x m l 就好像可以使用自己喜欢的编程 语言来创建任何一种数据结构。例如开发者可以定义如下标记 ，任何满 足x m l 命名规则的名称都可以标记，这就为不同的应用程序打开了大门。而h t m l 是 一种预定义标记语言，它只认识 ：l o h 等已经定义的标记，对于用户自己定义 l o 2w e b 服务技术与架构 的标记是不认识的。 x m l 具有以下特性： 自描述性：这个特性使得计算机在没有人干预的情况下，能够理解数据的含义。 可扩展性：文档通过d t d 或x m ls c h e m a 来定义文档结构，使其它信息系统能 够自动理解文档的内容。 分层结构：这样保证了信息的层次性。比如，一个商品可以有品名、商品代码和 价格，价格又可以有进价和售价等。 异构系统间的信息通信：x m l 格式简单，可以表示任何的文档资料。只要参与 信息交流的系统装有x m l 解析器，就可以解读别的系统传输来的x m l 信息，从而做 到异构系统间的通信。 多样的样式表支持：x m l 把数据内容与数据的表现形式分开，通过x s l 来定义 数据的表现形式。x s l 文档样式表的出现，使用户可以把注意力集中在数据的逻辑结构 上，而不是数据的表现形式上。当想修改数据的表现形式时，只需要修改用于数据表现 的样式表就可以了。同时，也可以通过多样的样式表来格式化数据的表现形式。 x m l 文档是允许用户定义自己的标记，但是必须遵循一组特定的规则。遵守这些 规则的文档被认为是结构完整的。结构完整是x m l 处理器和浏览器阅读这些文件必要 的、最起码的标准。这些规则如下： 文档必须以x m l 声明、即 开始，除去看不见的字节顺序记 号，在它之前不能有任何东西，包括空格。x m l 声明定义正在使用的x m l 的版本、字 符集等信息。 所有的元素都必须有开始标记和结束标记，空元素可以以“ ”结束标记。 x m l 语法是大小写敏感的。 有且只有一个根元素包含其他元素。 元素之间要求严格的嵌套对应，不能交叉嵌套。 属性值必须加引号。 以下是v i s u a lg r a p h 中一条直线的x m l 代码： 8 0 ，7 1 ，6 2 4 1 ，9 5 ，2 西安科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 简单对象访问协议s o a p 8 】【1 6 】 s o a p ( s i m p l eo b j e c ta c c e s sp r o t o c 0 1 ) 是基于x m l 的w e b 服务交换标准协议，它 由i b m 、m i c r o s o f t 、d e v e l o p e m e n t o r 等公司共同起草，并于1 9 9 9 年由w 3 c 公布推荐， 成为异构平台之间的一种分布式消息处理协议，继而成为w e b 服务交换x m l 消息的标 准协议。s o a p 完全继承了x m l 的开放性和描述可扩展性。 s o a p 规范主要由四部分组成： s o a p 信封( e n v e l o p ) ：它构造定义了一个整体的s o a p 消息表示框架，可用于 表示消息中的内容是什么，是谁发送的，谁应该接受并处理它，以及这些处理操作是否 必需等。 s o a p 编码规则( e n c o d i n gr u l e s ) ：定义了一个数据的编码机制，通过这个编码 机制来定义应用程序中需要使用的数据类型，并可用于交换所定义的数据类型衍生的实 例。 s o a p 远程过程调用( r p cr e p r e s e n t a t i o n ) ：定义了一个用于表示远程过程调用 和响应的约定。例如：如何使用h t t p 或s m t p 协议与s o a p 绑定，如何传输过程调用， 在具体传输协议的哪个部分传输过程响应等。 s o a p 绑定( s o a pb i n d i n g ) ：定义了一个使用底层传输协议来完成在网络节点 间交换s o a p 消息的约定。 这四部分在功能上是彼此独立的o 特别的，信封和编码规则是被定义在不同的x m l 命名空间( n a m e s p a c e ) 中，这样有利于通过模块化获得定义和实现的简明性。 ( 3 ) w 曲服务描述语言w s d l t 8 】【1 7 】 w s d l ( w e bs e r v i c e sd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是描述w 曲服务的x m l 格式语言， 它由i b m 、m i c r o s o f t 和a r i b a 等共同起草，与2 0 0 1 年3 月正式提交给w 3 c ，并获得了 批准。 w s d l 是一种用于描述w e b 服务的规范，使用x m l 语法定义了用于描述w e b 服 务各个方面的元素，这些方面包括w e b 服务所在的位置、它支持的传输协议、其中包 含的接口、接口中的方法以及方法的参数类型等。 w s d l 与s o a p 和u d d i 一起工作，支持w e b 服务与i n t e m e t 上的其他w e b 服务、 应用程序和设备的交互作用。w s d l 首先对访问的操作和访问时使用的请求响应消息 进行抽象描述，然后将其绑定到具体的传输协议和消息格式上，以最终定义具体部署的 服务访问点。 2w e b 服务技术与架构 使用w s d l 规范描述某个w e b 服务的文本将是这个w e b 服务的服务说明，称为该 w e b 服务的w s d l 文档。程序可以读懂这个w s d l 文档，并解析出其中的信息。w s d l 文档是对一个w e b 服务位置、协议和接口的详细且明确的说明。它由w e b 服务的开发 者提供，而如今有许多w e b 服务开发工具，譬如n e t 己经可以根据代码自动生成w s d l 文档。 ( 4 ) 统一描述、发现与集成协议u d d i 8 】【1 8 】 u d d i ( u n i v e r s a ld e s c r i p t i o n ，d i s c o v e r ya n di n t e g r a t i o n ) 是统一描述、发现与集成 协议的简称。顾名思义，它是用来描述、发现并集成w e b 服务的一系列技术规范。在 具备了s o a p 和w s d l 以后，对于使用者来说，w e b 服务已经具备了可用性，但在i n t e m e t 上如何查找、定位w e b 服务的问题却没有解决。借助于u d d i ，企业能够发布并搜索 w e b 服务，从而大大降低发布信息和寻找业务伙伴的成本，提高企业的运营效率。 u d d i 注册中心是u d d i 注册服务站点的统称，是u d d i 标准的具体实现，它又分 为公共u d d i 注册中心和私有u d d i 注册中心。公共u d d i 注册中心是面向全球提供注 册服务，在逻辑上它是一个统一体，在物理上则以分布式系统架构实施，访问其中任意 一个站点就等于访问了u d d i 注册中心。而私有u d d i 注册中心是供独立组织、企业或 某一范围内使用的u d d i 注册服务，不面向全球用户提供服务。 u d d i 的核心部件是u d d i 商务注册，即一种描述商务实体及其w e b 服务所使用的 x m l 文件。通过使用诸如h t t p 、x m l 、s o a p 和其他一些规范，u d d i 体现了其跨平 台和开放性的承诺。这使得任何在u d d i 注册中心注册过的企业都能得到一个全球唯一 的标识，以标识该商业实体。 通过u d d i 注册，使得公司能够公开发布自身的描述、服务描述以及服务访问方式 等信息。已注册的企业能够被潜在的交易市场或采购商搜索到，同时，对于合作伙伴之 间的集成也能更为方便地实施。 2 3 开发w 曲服务的主要平台 w e b 服务代表了下一代网络计算和企业应用的必然趋势。因此，各大公司在积极参 与相应技术研究和规范制定的同时也投入了巨大的力量把企业产品和市场战略向w e b 服务转型。其中，m i c r o s o f t 和i b m 首当其冲，而s u n 和o r a c l e 、b e a 等也不甘示弱， 纷纷将其产品线向w 曲服务靠拢。目前，j 2 e e 和n e t 平台是两大基础架构【8 j ： ( 1 ) j 2 e e 平台 在