（计算机应用技术专业论文）可扩展的语义web服务发现结构与算法设计.pdf

东南大学学位论文独创性声明 帆y 帆1 m 7 帆6 叭0 帆8 m 2 1 9 矾 本人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取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：受选燃日期： 如b ，歹 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：4 坠邀：导师签名：日期：纠。晶学 享问题。因为传统的基于u d d i 的注册中心模式在大规模的应用环境下很容易成为系统 应用的瓶颈，另一方面，现有的基于关键字的w e b 服务匹配算法已经不能满足用户对 服务查全率与查准率的需求。所以随着w e b 服务部署的不断增多，如何在大规模应用 环境下快速、准确的发现w e b 服务已经成为一个关键性的问题。 现有的解决方案主要是引入语义w e b 的技术，用语义信息来描述或者标注w e b 服 务。通过语义信息将w e b 服务进行分类，使用分布式的注册中心来存储不同领域的w e b 服务。语义信息同时可以被用来管理这些注册中心，从而形成一个分布式的w e b 服务 发现体系结构，消除集中式注册中心的瓶颈，增强系统可扩展性。在w e b 服务中引入 语义信息后，还可以使用语义匹配算法计算不同w e b 服务之间存在的语义相似度，帮 助发现与用户请求相关的其它服务。基于语义的w e b 服务匹配算法能够提供更好的查 全率和查准率。 本文首先研究了语义w e b 服务的相关技术以及现有的经典分布式w e b 服务发现结 构和匹配算法，在此基础上主要完成了以下两方面的工作： ( 1 ) 设计了一种自适应性的分布式语义w e b 服务发现架构。引入注册代理的概念，该 架构可以管理分布式的注册中心，通过系统结构的局部调整来提高系统的自适应性和结 构的平衡性。仿真实验结果表明该体系结构在提高了自适应性的同时仍然具有较好的可 扩展性。 ( 2 ) 在经典的基于语义距离的w e b 服务匹配算法基础上，提出了一个改进算法。在仔 细分析支持服务描述的上层领域本体后，该算法分析了本体中的两种较为特殊的关系类 型：具备关系和分离关系；通过将这两种关系对概念的影响综合考虑到语义距离的计算 中改进了匹配的性能。实验数据表明改进的算法更加充分的利用了本体所蕴含的语义信 息，因此具有更好的查全率和查准率。 关键词：w e b 服务发现，语义w e b 服务，语义注册代理，领域本体，语义距离 a b s t r a c t a b s t r a c t e m e r g i n ga san e ww e ba p p l i c a t i o np a r a d i g m ，w e bs e r v i c e i sn o to n l yad i s t r i b u t e d c o m p u t i n gm o d e l b u ta l s oa ne f f i c i e n tm e c h a n i s mo fd a t aa n di n f q i r m a t i o ni n t e g r a t i o no n t h ew e b ，w h i c ha i m st oa d d r e s st h ei n t e g r a t i o na n ds h a r i n go fd a t aa n da p p l i c a t i o n so nt h e h e t e r o g e n e o u sp l a t f o r m t r a d i t i o n a ld i s c o v e r ym e c h a n i s mb a s e do nu d d ir e g i s t r yc e n t e rc a n e a s i l ys u f f e rf r o mp e r f o r m a n c eb o t t l e n e c ki nl a r g es c a l ea p p l i c a t i o n b e s i d e s ，c u r r e n ts e r v i c e d i s c o v e r ym e t h o db a s e do nk e yw o r d sm a t c h i n gc a n n o ts a t i s f yu s e rr e q u i r e m e n t i nr e c a l ia n d p r e c i s i o n t h e r e f o r e ，a st h ei n c r e a s i n go fw e b s e r v i c en u m b e r , ak e yi s s u et oa d d r e s si nw e b s e r v i c ea r e ai st od i s c o v e r yw e b s e r v i c eq u i c k l ya n dc o r r e c t l yi nas c a l a b l ew a y c u r r e n ts o l u t i o n sm a i n l yr e l yo ns e m a n t i cw e bt e c h n i q u et od e s c r i b eo ra n n o t a t ew e b s e r v i c e t h u sw e bs e r v i c e sc o u l db ec l a s s i f i e da n ds t o r e di nd i s t r i b u t e dr e g i s t r yc e n t e r s a c c o r d i n gt ot h e i rd o m a i n s a n ds e m a n t i ci n f o r m a t i o nc o u l db eu s e dt oh e l pm a n a g er e g i s t r y c e n t e r sw h i c ha r eo r g a n i z e da sad i s t r i b u t e ds y s t e m t h i sd i s t r i b u t e ds o l u t i o nc o u l db eu s e d a sas c a l a b l em e c h a n i s mt or e s o l v et h eb o t t l e n e c kp r o b l e m b e s i d e s ，s e m a n t i cr e l a t i o n s h i p s b e t w e e nd i f f e r e n tw e bs e r v i c e sc o u l db ec a l c u l a t e d s u c hr e l a t i o n s h i p sc o u l dh e l pm a t c h i n g s e m a n t i cw e bs e r v i c e sa n dp r o v i d eb e t t e rr e c a l la n dp r e c i s i o n a f t e rs t u d y i n gr e l a t e dt e c h n i q u e si ns e m a n t i cw e bs e r v i c ea r e a ，s o m ec l a s s i cd i s t r i b u t e d w e bs e r v i c ed i s c o v e r ya r c h i t e c t u r e sa n ds e m a n t i cm a t c h i n ga l g o r i t h m s ，w em a i n l yp r o p o s e d t w oi m p r o v e m e n t s ( 1 ) d e s i g nd i s t r i b u t e ds e r v i c ed i s c o v e r ya r c h i t e c t u r ew i t hh i g h e ra d a p t a b i l i t y r e g i s t r y p r o x i e sa r ei n t r o d u c e dt oa c h i e v et h ed a t ad i s t r i b u t i o no fw e bs e r v i c e b e h a v i o ro fr e g i s t r y p r o x i e sa r ec a r e f u l l yd e s i g n e dt om a i n t a i nt h eo v e r a l ls t r u c t u r ei nas e l f - o r g a n i z a t i o nw a y a d i s t r i b u t e db a l a n c e - a w a r ea l g o r i t h mi sd e s i g n e dt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h e r e s u l to fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ep r o p o s e dm e c h a n i s mc a ns e r v ea sas c a l a b l e s o l u t i o nf o rs e m a n t i cw e bs e r v i c ed i s c o v e r y ( 2 ) w e p r o p o s e dab e t t e r m e n to fc l a s s i cw e bs e r v i c em a t c h i n ga l g o r i t h mb a s e do n s e m a n t i cd i s t a n c e t w os p e c i a lr e l a t i o n s h i pt y p e si nd o m a i ns p e c i f i co n t o l o g ya r ec a r e f u l l y a n a l y z e d b yc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft h e s et w or e l a t i o n s h i pt y p e si n t h ec o m p u t i n go f s e m a n t i cd i s t a n c e s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h em a t c h i n ga l g o r i t h mi si m p r o v e d t h er e s u l to f e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h eb e t t e r m e n to fm a t c h i n ga l g o r i t h mh a sb e t t e rr e c a l la n dp r e c i s i o n k e yw o r d s ：w e bs e r v i c ed i s c o v e r y , s e m a n t i cw e bs e r v i c e ，s e m a n t i cs e r v i c er e g i s t r y , d o m a i no n t o l o g y ，s e m a n t i cd i s t a n c e 2 3 本章小结1 4 第三章语义w e b 服务发现结构1 5 3 1 弓i 言1 s 3 2 分布式语义w e b 服务发现结构1 5 3 3 系统的可扩展性和自适应性1 8 3 3 1 分裂一融合机制1 8 3 3 2 改进的分裂机制2 0 3 3 3 负载均衡2 4 3 4 分布式的w e b 服务注册与发现2 s 3 4 1 语义w e b 服务注册2 s 3 4 2 语义w e b 服务发现2 6 3 5 仿真实验及分析。2 9 3 6 本章小结。3 1 第四章语义w e b 服务匹配算法设计3 2 4 1 引言3 2 4 2 经典的语义w e b 服务匹配算法3 2 4 2 1 基于文本的语义匹配算法3 2 1 1 上 】 1 h 1 l 2 4 5 6 6 6 7 d d 1 2 一 一 一 一 一 一 一 5 4 本章小结5 4 第六章总结与展望5 5 致谢5 7 参考文献5 8 作者在攻读硕士学位期间相关研究工作。6 2 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着人们需要软件提供服务的多样化和网络应用需求的日益复杂化，怎样使软件以 灵活的方式进行构建和提供、并以容易理解和使用的结构呈现在用户面前是近几年来业 界研究的热点。网络及企业应用技术需要达到的目标是能够跨多个不同的操作系统、编 程语言和硬件平台来集成不同的软件应用程序。传统上，这个问题是一个紧耦合问题， 客户需要对自己调用的应用有详细的了解，网络上远程调用的应用程序通过自己发出的 函数调用和请求参数与远程网络紧密地联系在一起。大多数系统采用了固定的接口，对 于不断变化的环境或需求，这样做明显缺乏灵活性和适用性。 为此，a r i b a 、i b m 和m i c r o s o f t 提出了w e b 服务( w e bs e r v i c e ) 概念。w e b 服务是 一种开放的规范，通过网络可以对基于规范开发的各种应用进行调用、整合，从而在互 联网上完成更复杂的任务。w e b 服务使用x m l ( 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) 来描述数据，以实现平台无关跨系统交换数据，因此具有了松耦合的特征。而 且，w e b 服务可以在较抽象的层面上工作，即用户不需要关心w e b 服务的具体实现方 式，这样可以按照需要动态地重新评估、修改或处理数据类型。作为一种崭新的分布式 计算模型，w e b 服务是w e b 上数据和信息集成的有效机制，具有高度的互操作性、跨平 台性和松耦合的特点，已成为电子商务的有效解决方案。 w e b 服务发现技术是w e b 服务系统架构中的重要组成部分，它的目标是从互联网上 快速准确的找到用户所需要的服务，从而帮助实现企业和行业异构系统的集成和实现灵 活的业务流程。然而现有的w e b 服务发现技术存在着两个重要的缺陷。一方面，现行 的w e b 服务发现标准u d d i z ( u n i v e r s a ld e s c r i p t i o nd i s c o v e r ya n di n t e g r a t i o n ，统一描述、 发现和集成协议) 提供的基于关键字精确匹配的服务发现方法已经不能满足用户在查全 率和查准率方面的要求。另一方面，随着w e b 服务在网络中应用规模的不断扩大，呈 指数级增长的海量w e b 服务信息使得用户对服务信息的查找、访问，以及服务注册中 心对服务的表示、维护变得越来越困难。传统的u d d i 标准提供基于服务提供者、消费 者和注册中心的三方服务架构下的集中式服务发现，而这种集中式服务发现结构可扩展 性的不足问题已经成为大规模w e b 服务应用的性能瓶颈。 要解决现有w e b 服务发现技术标准存在的这两个主要缺陷，一方面需要将语义引入 w e b 服务领域来帮助克服传统服务匹配方式智能性差、查全查准率低的问题。t i m b e r n e r s l e e 于1 9 9 8 年首次提出了语义w e b ( s e m a n t i cw e b ) 的概念。语义w e b 研究 东南大学硕士学位论文 的目标是扩展当前的w e b ，赋予w e b 中的所有信息以定义良好的语义，让计算机能够 理解和处理，从而使人和计算机能更好地协作，充发挥w w w 这个巨大的分布式信息系 统的潜力。如果用语义w e b 的知识标记手段来描述服务的语义，将使得w e b 服务成为 计算机可以理解的实体，从而支持服务的自动发现、执行和组合等。同时，通过语义信 息来描述w e b 服务可以帮助机器更好的发现不同w e b 服务之间的潜在联系，例如同义 概念、从属概念等，从而克服关键字匹配方式导致的查全率和查准率方面的问题。 另一方面，针对现有w e b 服务发现标准中集中式发现结构的可扩展性问题，新的 u d d i 标准【1 】已经提出了一种分布式注册中心方案一利用u b r ( 现已关闭) 作为根注册中 心来管理多个成员注册中心，每个成员注册中心对应不同的关键字空间。但这种方法仍 然没有彻底摆脱传统的u d d i 方法的局限性。在成员注册中心数目和关键字数量不断增 加的情况下这种方案的可行性也会降低。因为当用户需要特定功能的w e b 服务而不是 特定提供者提供的服务时，只能遍历所有的p o r t a l ，这种方式的效率制约了服务的可扩 展性。因此现在很多研究人员开始重新设计基于语义w e b 服务技术的分布式w e b 服务 发现体系结构。 本文的主要研究目标正是设计一种可扩展的基于语义w e b 服务的分布式服务注册 与发现结构，并设计基于该结构的语义w e b 服务注册与发现机制和具体的语义匹配算 法。 1 2 研究现状 目前在语义w e b 服务方面的基础研究工作主要包括语义w e b 服务描述标准、语义 w e b 服务与u d d i 标准之间的映射等方面。目前通用的语义w e b 服务描述语言标准是 w 3 c 制定的o w l - s l z j ( o n t o l o g yw e bl a n g u a g ef o rs e r v i c e ) 。该标准是由原先的d a m l o s ( d a p r aa g e n tm a r k u pl a n g u a g ef o rs e r v i c e ) 演变而来。 在语义w e b 服务与传统服务发现标准之间的映射的研究方面，m p a o l u c c i 3 】等人提 出了将语义信息引入现有的u d d i 协议之中的方法。 而语义w e b 服务发现问题中的研究热点是语义w e b 服务的匹配算法。基于语义的 w e b 服务匹配算法大致上可以分为三种：基于本体( o n t o l o g y ) 理论的方法、基于文本 集( c o r p u s ) 与统计学的方法和基于辞典的方法。论文中主要讨论研究基于本体论的语 义w e b 匹配算法。 p a o l u c c i 等【4 】提出了经典的弹性语义w e b 服务匹配算法，该算法能够识别请求的服 务与发布的服务之间输入和输出参数的匹配程度。算法利用描述逻辑和本体语言o w l 2 第一章绪论 来实现对w e b 服务的匹配，匹配对象主要是服务s e r v i c ep r o f i l e 中的l o p e 参数。算法采 用分类的方式将匹配结果划分，不同的类别代表不同的匹配程度，并通过分类定义了四 个匹配级别，分别是完全匹配( e x a c t ) ，插拔匹配( p l u gi n ) ，包含匹配( s u b s u m e ) 和 匹配失败( f a i l ) 四个级别。文献【5 】中设计了一个混合的语义w e b 服务分级匹配工具 o w l s m x ，该工具实现了弹性语义w e b 服务匹配算法。 针对弹性语义w e b 服务匹配方法对服务语义信息利用不充分的缺点，很多研究者提 出了改进的语义w e b 服务匹配算法。文献【6 】提出根据概念间的语义距离、概念在本体 中所处的层次深度、概念的兄弟数目等参数来综合计算不同服务的输入输出概念的匹配 程度的算法。j i k eg e 等人【7 】提出了在本体中不同深度的从属关系赋予不同的权重的方法 来改进基于语义距离的匹配算法，从而获得更好的匹配效果。j o r g ec a r d o s o 【8 】提出了使 用本体概念的特征相似度来计算不同概念之间的语义距离的方法，通过这种方法可以计 算在不同本体中的概念的相似度。 而在可扩展的w e b 服务发现架构方面，目前的研究者基本都是在现有的注册中心技 术基础上提出结合语义的新架构来解决可扩展性和w e b 服务查找准确性的问题。 p e r r y e a 等人【9 1 提出将服务注册中心组织成社区( c o m m u n i t y ) 并且预先通过服务之 间的依赖关系生成食物链( f o o dc h a i n ) 来帮助服务发现的过程。 k s i v a s h a n m u g a m 等人【1 0 】通过联盟( f e d e r a t i o n ) 的方式来组织对等的注册中心形 成可扩展的服务发现架构。在这种联盟的方式下一个注册中心可以属于多个联盟，因此 可能出现一些极端的情况，例如一个注册中心可能同时隶属于所有的联盟，或者一个联 盟中包含了所有的注册中心。在这些情况下，该策略不能很好的将注册中心进行有效的 分类，因此也就无法高效的完成用户的服务注册和发现任务。 文献【1 1 】提出了通过建立共享空间( s h a r e ds p a c e ) 的方法来组织语义服务信息。文 献【1 2 】，【1 3 】则希望使用网络爬虫( c r a w l e r ) 来主动的访问各个注册中心来提取所需要的 服务信息。然而采用c r a w l e r 的方式从本质上来说仍然是集中式的发现策略，不能从根 本上解决可扩展性问题。 大部分语义w e b 服务发现架构的研究者专注于通过p 2 p 覆盖网络将服务注册中心组 织起来的方法来提供好的可扩展性1 4 】- 【1 9 】；其中文献【1 4 】中提出了使用注册中心本体 ( r e g i s t r i e so n t o l o g y ) 来管理分布式语义注册中心的方法。 基于p 2 p 的分布式服务发现架构又可以分为结构化和非结构化p 2 p 以及混合p 2 p 结 构三种方式。在非结构化p 2 p 方式下很难解决因系统内请求消息转发次数太多，即泛洪 ( f l o o d i n g ) 而导致的占用带宽过多等问题。文献 1 5 1 9 】中提出的方案采用的是混合式 3 东南大学硕士学位论文 的p 2 p 自组织方式，而q i a n gh e 等人【1 7 】提出的则是通过结构化的p 2 p 方式- - c h o r d 4 s 来 组织注册中心。 这些可扩展架构的一些共同缺点是结构过于复杂，导致可用性不高；此外重要的一 点是很多系统结构在对注册中心进行了初始的领域划分后，这种分类就被固定，难以根 据实际情况进行自组织的调整，缺乏自适应性。这样就需要大量的人工维护成本，而且 可能导致一些不同领域服务发现效率出现差异的情况。为了更好的解决这些问题，我们 认为有必要在现有的标准和研究基础之上提出一种更加简单易行、具有自适应特征的可 扩展w e b 服务发现体系架构来应对w e b 服务应用迅猛发展所带来的可扩展性问题。 1 3 研究内容 本文的主要研究内容包括： 1 ) w e b 服务以及语义w e b 服务的基础理论及相关技术 包括w e b 服务的相关协议，语义网的基础理论，语义w e b 服务的标准，语义w e b 服务匹配算法等方面内容。构建一个领域本体，并依据该本体来实现语义w e b 服务的 描述，为进一步的服务发现提供基础。 2 ) 可扩展的语义w e b 服务发现结构设计及原型系统实现 设计一种基于语义的可扩展的分布式w e b 服务发现机制。通过一种新的分布式语义 注册中心结构来支持可扩展的语义w e b 服务发现。该结构结合现有的语义w e b 服务描 述标准，匹配和发现技术，使用代理( a g e n t ) 管理分布的服务库，将服务库与特定的领 域相结合，通过语义信息组织分布的服务库，并能够在大规模服务数量的情况下为用户 提供快速的语义w e b 服务发现功能。 设计一套自组织的调整机制使该服务发现结构具有良好的可扩展性，自适应性。可 扩展性体现在系统规模扩展的情况下该服务发现机制仍然能够提供良好的性能；自适应 性体现在系统能够根据实际情况调整系统资源的分配，并且通过这种资源调配来保证服 务发现的效率。 3 ) 语义w e b 服务注册与发现算法设计 提出适应于本论文所提出的服务发现结构的分布式的w e b 服务注册与发现算法。该 算法能够支持基于语义的发现，且能够快速的定位分布式的注册中心，避免系统中的消 息泛洪问题。 4 ) 语义w e b 服务匹配算法设计 4 第一章绪论 在分析现有基于本体理论的语义w e b 服务匹配算法的基础上，提出新的基于语义距 离的概念相似度算法，该算法能更好的利用和发掘本体中概念的关联信息。结合该算法， 分布式的系统结构也能够实现基于语义的高查全查准率的w e b 服务发现功能。 1 4 论文组织结构 本文的研究工作源于上述的研究背景及研究内容，主要目的是设计实现新型的可扩 展语义w e b 服务发现体系结构和基于该结构的语义w e b 服务匹配算法。论文组织如下： 第一章论述课题背景、领域研究现状，确定本文的研究目的及研究内容。 第二章讨论w e b 服务和语义w e b 服务的基础理论和相关技术。 第三章分析可扩展的语义w e b 服务发现结构，并设计一套基于该结构的分布式语义 w e b 注册与发现的机制。 第四章提出一个基于本体中概念间语义距离的语义w e b 服务匹配算法，并分析该算 法的性能。 第五章介绍了原型系统，反映上述相关理论研究所获得的实践成果。 最后进行总结和展望。 5 东南大学硕士学位论文 第二章w e b 服务及语义w e b 技术概述 2 1w e b 服务介绍 i b m 对w e b 服务的定义为f 1 6 】：w e b 服务是一种可以通过w e b 发布、定位、调用的 自包含、自描述w e b 应用程序，w e b 服务可以执行简单的请求和复杂的业务流程。当 一个w e b 服务部署之后，其它的应用程序和w e b 服务可以发现并调用部署好的服务。 w 3 c 对w e b 服务的定义如下1 1 8 】：w e bs e r v i c e s 是由u r i 标识的软件系统，其接口和 绑定可以通过x m l 进行定义、描述和发现，w e bs e r v i c e s 支持通过基于i n t e r n e t 的协议 使用基于x m l 的消息与w e bs e r v i c e s 或者其他软件系统直接交互。 w 3 c 对w e b 服务的定义强调了x m l 在定义w e b 服务时的作用。目前对w e b 服务 的普遍认识是：基于标准化的x m l 操作和x m l 消息传递，通过w e b 发布、定位、调用 的自包含、自描述w e b 应用程序。w e b 服务对业务流程的支持也是通过标准x m l 操作 完成的。 本章以下内容分别介绍w e b 服务的架构和相关标准。 2 1 1w e b 服务架构 w e b 服务使用的是s o a 架构( s e r v i c eo r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，面向服务的架构) 。此 架构由三个要素和三个基本操作构成。三个要素分别是服务提供者( s e r v i c ep r o v i d e r ) 、 服务请求者( s e r v i c er e q u e s t e r ) 和服务注册中心( s e r v i c er e g i s t r y ) 三个基本操作是发 布、查找和绑定；如图2 1 所示。 图2 - 1 w e b 服务架构 其基本过程是：服务提供者将它的服务发布( p u b l i s h ) 到服务注册中心；当服务请 求者需要调用该服务时，首先到服务注册中心去搜索( d i s c o v e r y ) 期望的服务，得到如 何调用该服务的描述信息，然后根据这些信息去调用( b i n d i n g ) 服务提供者发布的服务。 6 语义w e b 技术概述 ，u d d i 来发布、查找服务，s o a p 则用来执 w e b 服务相关规范的结构采用了和网络类似的分层结构，上一层需要下一层的支持。 而w e b 服务的安全性，可管理性，服务质量则在各个层次上都有体现。图2 2 表示了 w e b 服务规范的体系结构。 船吼一 圃 咖i i l s 0 j i p l 丌即。f 1 p 。e t c 服务发布 服务发现 7 ( 服务描述 ： 基于m 的消息机制： 同络 图2 - 2 w e b 服务协议栈 如上节所述，w e b 服务的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 ) 协议用于规范服务 请求者和提供者相互通信接口；w s d l ( w e bs e r v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 协议描述w e b 服务的功能接口、消息类型以及调用方式，w e b 服务请求者可以根据w s d l 协议动态调 用w e b 服务；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 ) 协议提供在注册中 心发布服务和查找服务的语法。下面具体介绍这三个协议。 s o a p s o a p 是一种使用x m l 为数据编码格式的，在松散的、分布的环境中交换信息的轻 量级协议矧。s o a p 本身并不定义任何应用语义( 如编程模型) ，它只定义了一种模块化 的封装机制和一种数据编码机制，s o a p 传送信息的基本承载单元是基于x m l 的s o a p 消息，s o a p 可以广泛的作为各种应用的信息传递协议。它是为了解决由于用传统方式 提供w e b 服务所产生的问题而提出的，有助于实现大量异构程序和平台之间的互操作， 从而使存在的应用能够广泛地被用户所访问。s o a p 把成熟的基于h 丌p 的w e b 技术与 x m l 的灵活性和可扩展性结合在了一起。 s o a p 协议包含3 个部分，分别用于定义描述消息内涵和s o a p 处理方法架构的信息 包、定义描述数据类型编码规则的集合、解决描述远程调用和应答的转换机制。 7 东南大学硕士学位论文 每个s o a p 消息包含一个信封元素，信封将整个消息包装起来，它包含了可选的头 元素和必须的主体元素。头元素可以包含有关该消息的信息、供接收消息的节点所使用 的解析指令以及安全信息；主体元素描述该消息的目的，它包含s o a p 的有效负载，即 为接收消息的节点准备的数据和指令。向w e b 服务发送一个s o a p 消息就代表发送一个 r p c 请求，s o a p 规范要求消息主体中包含要调用的w e b 服务方法、该方法的参数以及 目标过程的u r i 。当r p c 执行完后，该w e b 服务可以向调用过程传递消息，即发送一条 包含有过程调用结果的s o a p 消息。任何传输协议都可以用来交换s o a p 消息，只要发 送和接收消息的应用程序理解该协议即可。其最主要的传输协议是h t t p 。 w s d l w s d l 即w e b 服务描述语言，它是用x m l 文档来描述w e b 服务的工业标准，是w e b 服务的接口定义语言，由a r i b a ，i n t e l ，i b m ，m s 等共同提出2 4 1 。 w s d l 用一种和具体语言无关的抽象方式定义了给定w e b 服务收发的有关操作和消 息。w s d l 服务描述是一个x m l 文档，它与w s d l 模式的定义一致。w s d l 文档并不是 完整的服务描述，而只包括了服务描述任务的较低层次，即服务接口的原始技术描述。 本质上，w s d l 描述说明的是w e b 服务的以下三个基本属性： 1 ) 服务做些什么一服务所提供的操作( 方法) ： 2 ) 如何访问服务一与服务交互的数据格式以及必要协议； 3 ) 服务位于何处一协议相关的地址，如u r l 。 图2 - 3 w s d l 文档结构 w s d l 文档以端口集合的形式来描述w e b 服务，w s d l 服务描述包含一组操作和消 息的抽象定义、绑定到这些操作和消息的具体协议、这个绑定的网络端点规范。w s d l 8 第二章w e b 服务及语义w e b 技术概述 文档被分为两种类型：服务接口( s e r v i c ei n t e r f a c e ) 和服务实现( s e r v i c e l m p i e m e n t a t i o n s ) ，文档的基本结构框架如图2 3 所示。 服务接口文档中的主要元素功能分别为： t y p e s ：定义了w e b 服务使用的所有数据类型集合，可被元素的各消息部件引用。 m e s s a g e ：通信消息数据结构的抽象类型化定义，使用t y p e s 所定义的类型来定义整 个消息的数据结构。主要用于数据交换，以文档的方式描述函数参数，要求输入参数和 输出参数分开。 o p e r a t i o n ：对服务中所支持操作的抽象描述。一般单个o p e r a t i o n 描述了一个访问 入口的请求响应消息对。 p o r t t y p e ：对于访问入i ：1 点类型所支持操作的抽象集合。这些操作可以由一个或多 个服务访问点来支持。用于详细描述被调函数，包括函数名、输入参数、输出参数等。 b i n d i n g ：将抽象接1 2 1 的元素转变为具体表示的细节，描述具体操作消息的数据格式 和传输操作的具体协议。 p o r t ：定义为协议数据格式绑定，并描述了一个w e bs e r v i c e 提供的接口。 s e r v i c e ：用于详细描述服务，代表了端口的集合，是相关服务访问点的集合。 其中，p o r t t y p e 描述了w e b 服务是什么，b i n d i n g 元素描述了如何使用w e b 服务， p o r t 及s e r v i c e 元素描述了w e b 服务的位置。 u d d i u d d i 1 1 是w e b 服务描述、发现和集成机制，它规范了分布式w e b 服务信息注册库， 并定义了一种发布、定位有关w e b 服务信息的方式，它包含于完整的w e b 服务体系结 构中，支持创建、说明、发现和调用w e b 服务。u d d i 的主要组成是一个注册中心和访 问该中心的协议和a p i 。用户通过a p i 执行发布和发现操作，u d d i 的a p i 使用s o a p 作 为通信协议。服务请求者通过相关的a p i 查询注册在u d d i 注册中心的信息。因此u d d i 的主要功能是： 1 ) 发布一w e b 服务的提供者按照u d d i 规范在u d d i 注册中心注册其w e b 服务， 包括注册服务实体名，以及服务的描述w s d l 文档的相关信息并发布到注册中心。 2 ) 查找一w e b 服务的请求程序可以通过u d d i 规范的程序a p i 搜索所需服务。 3 ) 绑定一找到需要的w e b 服务后，服务请求方缓存w s d l 描述的服务调用规范 9 东南大学硕士学位论文 文本的副本并绑定服务。 u d d i 方便了w e b 服务描述信息的发布、发现、使用过程。然而u d d i 仅仅支持基 于关键字的w e b 服务发现，其查询的准确性智能化程度都不高，因此在此基础上研究 者将语义信息引入了u d d i ，使其能支持智能化的语义w e b 服务发现。 正是因为以上这些x m l 规范技术集合，使w e b 服务具备了完好的封装性、平台无 关性、松散藕合性、高度的互操作性和高度的可集成能力。 2 2 语义w e b 服务 近年来，两项重要的研究工作推动着w w w ( w o r l dw i d ew e b ) 技术的发展，一是 w e b 服务研究，另一方面则是语义w e b 的研究。在技术上实现两者的结合是一种自然 的选择。w e b 服务研究的主要目标是实现跨平台的应用程序交互以及各程序模块间的通 信与协同；语义w e b 的核心思想是用机器可理解的方式表达数据信息。w e b 服务与语 义w e b 的无缝结合，可以综合两者的优点，为w e b 服务的发现、执行和组合的自动化 提供有效的支持。本节主要讨论语义w e b 的相关技术以及语义w e b 技术与w e b 服务技 术结合所产生的一些标准。 2 2 1 语义w e b 2 0 0 1 年，t i mb e r n e r s l e e 正式提出了语义w e b 的概念【2 6 1 ，它不是一个孤立发展的 概念，而是现有w e b 的扩展与延伸。语义w e b 中信息被赋予定义良好的含义，更便于 计算机和人的协同。它主要的目的就是扩展当前的万维网，使得网络中所有信息都具有 语义，使计算机能够自动理解和处理，便于人机之间的交互。因此语义w e b 研究的重 点是如何把信息表示为计算机能够理解和处理的形式。 w 3 c 也对语义w e b 进行了定义【2 7 】：语义w e b 提供了一个通用的框架，允许跨越不同 应用程序、企业和团体的边界共享和重用数据。语义w e b 以资源描述框架( r d f ) 为基 础。r d f 以x m l 作为语法、u r i 作为命名机制，将各种不同的应用集成在一起。 在语义w e b 的具体实现方面，b e r n e r s l e e 提出了语义w e b 体系结构，如图2 4 所 示，自底向上依次为：u n i c o d e 与u r i ，x m l ，r d f ( s ) ，o n t o l o g y ，l o g i c ，p r o o f 和t r u s t 2 0 1 。 第一层：u n i c o d e 和u r i 。u n i c o d e 是一个字符集，这个字符集基本上包括了世界上所 有语言的字符。u r i ( u n i f o r mr e s o u r c ei d e n t i f i e r , 统一资源定位符) ，用于唯一标识网络 上的一个概念或资源。在语义w e b 体系结构中，该层是整个语义w e b 的基础，其中 u n i c o d e 负责处理资源的编码，u r i 负责资源的标识。 l o 第二章w e b 服务及语义w e b 技术概述 第二层：x m l + n s + x m l s c h e m a ，x m l 是综合了s g m l 的丰富功能与h t m l 的易用性，它 允许用户在文档中加入任意的结构，而无需说明这些结构的含义。n s ( n a m es p a c e ，命 名空间) 由u r i 索引确定，目的是为了避免不同的应用使用同样的字符描述导致的冲突。 x m ls c h e m a 采用x m l 语法，能更好地为有效的x m l