（计算机软件与理论专业论文）基于模糊petri网的语义web服务组合建模与验证.pdf

基于模糊p e t r i 网的语义w e b 服务组合建模与验证 摘要 随着互联网技术与应用的迅速发展，w e b 服务作为一种新兴的w e b 应 用模式及远程访问标准，很好地解决了异构平台上的数据和应用的整合与 共享问题。但是，传统的w e b 服务缺乏语义信息，语义w e b 使得网络中 的所有信息都是有语义的，使计算机能够理解和处理。语义w e b 技术和 w e b 服务的结合产生了语义w e b 服务。语义w e b 服务使用无二义性、计 算机可以理解的语言来描述w 曲服务，为w e b 服务的自动发现、组合和 调用提供了支持。 本文在对现有的w e b 服务组合方法分析之后，依据语义w e b 服务的 特点，提出了模糊p e t r i 网的语义w e b 服务组合形式化模型，并根据语义 w e b 服务之间的依赖关系，构建服务的全局依赖模型，然后采用基于p c t r i 网的推理方法，从中提取出语义w e b 服务组合模型，实现组合模型的自动 推理生成。 然而，服务组合过程是一个复杂且易出错的过程，在组合服务执行之 前对组合服务进行有效的验证是十分必要的。本文在分析了服务组合结构 正确性验证的基础上，进行了基于模糊p e t r i 网的服务组合可靠性验证，以 保证服务组合的正确性和可靠性。 关键词：语义w e b 服务，模糊p e t r i 网，依赖关系，组合模型，验证 m o d e l i n ga n dv e r i f i c a t i o no fs e m a n t i cw e b s e r v i c e c o m p o s i t i o nb a s e do nf u z z yp e t r in e t a b s t r a c t a san e ww e ba p p l i c a t i o nm o d e la n dr e m o t ea c c e s ss t a n d a r d ，w e b s e r v i c e sh a v eg o o dp e r f o r m a n c ei h a p p l i c a t i o nc o m m u n i c a t i n ga n dd a t a s h a r i n gb e t w e e nd i f f e r e n tp l a t f o r m s b u tt r a d i t i o nw e bs e r v i c e sl a c ks e m a n t i c i n f o r m a t i o n s e m a n t i cw e be n a b l e sa l li n f o r m a t i o ni nw e bh a v i n gs e m a n t i c i n f o r m a t i o na n dc a nb eu n d e r s t o o da n dp r o c e s s e db yc o m p u t e r s e m a n t i cw e b s e r v i c e sw h i c hi sc r e a t e db yc o m b i n i n gs e m a n t i cw e bt e c h n o l o g ya n dw e b s e r v i c eu s eu n a m b i g u o u s ，c o m p u t e r i n t e r p r e t a b l el a n g u a g et od e s c r i b ew e b s e r v i c ea n ds u p p o r ta u t o m a t i cd i s c o v e r y ，c o m p o s i t i o na n di n v o c a t i o no fw e b s e r v i c e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c o fs e m a n t i cw e bs e r v i c e s ，t h i st h e s i s p r e s e n t saf o r m a lm o d e lf o rse m a n t i cw e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o nb a s e do n f u z z yp e t r in e ta f t e ra n a l y s et h ee x i s t i n g m e t h o do fw e bs e r v i c e a n d a c c o r d i n gt ot h es e m a n t i cw e bs e r v i c e sd e p e n d e n c yr u l e st op r e s e n tg l o b a l d e p e n d e n c ym o d e l t h e naf o r m a lr e a s o n i n ga l g o r i t h mw a sp r o p o s e dt o p e r f o r mw e bs e r v i c ec o m p o s i t i o nr e a s o n i n ga u t o m a t i c a l l y h o w e v e r , t h ep r o c e s so fs e r v i c e sc o m p o s i t i o ni sc o m p l e xa n df a l l i b i l i t y , i ti se s s e n t i a lt o v e r i f yt h es e r v i c e sc o m p o s i t i o nb e f o r ei m p l e m e n t a t i o n t h i st h e s i sa n a l y s e ss t r u c t u r ec o r r e c t n e s sv e r i f i c a t i o no fs e r v i c e sc o m p o s i t i o n ， a n dt h e np r e s e n t sr e l i a b i l i t yv e r i f i c a t i o nb a s e do nf u z z yp e t r in e tt oe n s u r e t h ec o r r e c t n e s sa n dr e l i a b i l i t yo ft h ec o m p o s i t i o n k e yw o r d s ：s e m a n t i cw e bs e r v i c e s ，f u z z yp e t r in e t ，d e p e n d e n c yr u l e s ， c o m p o s i t i o nm o d e l ，v e r i f i c a t i o n i i 表格清单 表2 1 1 语义基本关系表8 表5 1 1 库所直接可达集3 8 表5 2 2 库所的相关库所集3 8 v 插图清单 图2 1 1w e b 服务发展趋势7 图2 1 2 语义w 曲服务高层本体9 图2 1 3 服务轮廓参考框架1 0 图2 1 4 服务模型图一1 0 图2 1 5o w l s 与w s d l 的映射关系1 l 图2 3 1 消息集中模式1 6 图2 3 2 消息分布模式1 7 图3 1 1 基本p e t r i 网模型1 9 图3 2 1 模糊p e t r i 网基本结构一2 1 图4 1 1 单前驱依赖一2 5 图4 1 2 并前驱依赖2 5 图4 1 3 或前驱依赖2 6 图4 1 4 并后继依赖2 6 图4 1 5 或后继依赖2 7 图4 4 1 实例的服务全局依赖模型：3 0 图4 4 2 反向推理后服务依赖子模型3 2 图4 - 4 3 实例服务组合模型3 3 图5 2 1 服务组合可靠性验证实例3 7 图5 2 2 服务组合可靠性验证图一3 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，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，也不包含为获得金魍王些太堂 或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：芰杉 签字日期： 7 。矿节 | 学位论文版权使用授权书 1 净 本学位论文作者完全了解金坦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权金罡王些太堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：殳衫 菩字日期：l l 夕：7 年丫月z 厂日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签 签字日期：加 电话： 邮编： 舻 印月ub 致谢 值此论文完成之际，我谨向所有关心和帮助过我的老师、家人、同学 以及朋友致以最真诚的谢意! 衷心感谢我的导师袁兆山教授，在我备感迷茫、徘徊不前的时候给我 指明前行的道路，给予我谆谆教诲和无微不至关怀。他渊博的知识、严谨 的治学态度和精益求精的工作作风给我留下最深刻的印象，是我以后学习 的楷模。 感谢计算机与信息学院的各位领导和老师给予的关心和帮助。 感谢在各方面帮助过我的实验室的同窗，是你们的鼓励和支持使我坚 定了信心，对于你们的帮助我表示衷心的感谢。 感谢我的父母与亲友，他们无私的爱和奉献是我在硕士生学习阶段中 最大的支持。他们以自己生活中的一言一行教育我、鼓励我要对自己有信 心，要不断超越自我，迎接新的挑战，他们是我学习工作生活中永远的榜 样。他们的关爱和支持，永远是我不断进取的动力! 最后，感谢参加论文评审和答辩的各位老师在百忙之中抽出时间对论 文进行评阅和指导! i i i 作者：吴亮 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 面向服务的体系结构概述 近年来随着软件开发技术的不断发展，需要在极端异构的互联网环境 下集成独立开发的应用程序，因此产生了一种新的体系结构需求，这种体 系结构应该可以通过一组通用的标准协议用于接口定义、方法调用并解决 面向w e b 的分布式计算等问题。由此出现的面向服务体系架构 s o a ( s e r v i e c s o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ) 是一种新兴的软件构架形式，可以用于 设计下一代企业应用程序，它提供一个整合的和可监控各种松散耦合服务 的平台，体现了良好的通用软件体系结构的原则【l 】。 s o a 已逐渐成为继面向过程，面向对象等技术以后的主流软件构架， 是目前计算机软件领域研究的热点。与其他软件开发技术相比，它的基本 思想是用服务来封装应用逻辑，服务与服务之间通过公共的通信协议进行 交互。s o a 的基本粒度单体是服务，它不同于组件形式，是以用户的业务 概念来定义的，这使它存在于比组件更加靠近业务逻辑的抽象层次中，因 此对它的需求相对不易改变。服务之间松散偶合，使得不同服务之间可以 跨网络，跨平台，甚至跨编程语言以服务的形式进行交互、组合，从而提 高软件的重用性和扩展性。 1 2w e b 服务及语义w e b 服务 w e b 服务作为软件服务的一种实现方式，目前已被广泛接受和成功使 用。w e b 服务是能够通过网络描述、发布、定位和调用的自描述的模块化 程序【2 1 。它是目前s o a 最好的实现平台，因为一方面从分布式技术的特性 来看它最能满足标准化交互、松散耦合和高度自治的要求；另一方面，w e b 服务技术与s o a 共同发展并不断的从s o a 中汲取理念，向s o a 的发展需 求靠拢f 引。 w e b 服务是服务提供者、服务注册中心和服务请求者三种角色之间的 交互，其交互涉及服务发布、查找和绑定操作【4 】。服务提供者将已描述的 w e b 服务发布到服务注册中心，服务请求者向服务注册中心查找需求的服 务，服务注册中心维护已有的w e b 服务并绑定相关服务的请求者与提供 者，实现不同w e b 服务的交互。w e b 服务有一系列的标准和规范，其主要 标准包括w s d l ，s o a p 和u d d i ，主要用于服务的描述，服务之间的通 信和服务之间的发现等。 然而，传统的w e b 服务技术由于缺乏机器可理解的服务描述，并不能 完全满足s o a 的服务按需集成、按需执行的自动化需求。语义w e b 服务 ( s e m a n t i cw e bs e r v i c e ) 的出现就是为了弥补w 曲服务技术在这方面的不 足。语义w e b 服务是由语义w e b 和w e b 服务结合而来，是基于语义的智 能的w e b 服务f 5 】。w e b 服务以服务为目标，语义w e b 以计算机可理解性和 可处理性为目标。综合这两方面的优点，在w e b 服务中加入语义的支持， 以服务为向导，进行带有语义的服务描述和推理的研究，构建一种带有语 义信息的服务环境，实现功能的互补性。相对于传统w e b 服务，语义w e b 服务所要解决的问题是定位用户真正需要的服务，按照用户的需求将松散 的服务自动组织，以完成用户的目标。在服务的执行语义不能得到保证的 时候及时判定和处理，从而实现w e b 服务的自动发现和自动组合。 目前，语义w e b 服务的主要方法是利用本体来描述w e b 服务，其主 要描述语言o w l s 1 6 j ( o n t o l o g yw 曲l a n g u a g ef o rs e r v i c e ) 是d a r p a 组织 继d a m l s 后推出的新一代语义w e b 服务描述框架，它是一种具有显式 语义的无歧义的机器可理解的标记语言。它使用一系列基本类和属性来描 述服务，旨在支持语义w e b 服务的自动组合和调用，试图利用语义描述和 逻辑推理最终实现服务的自动化和智能化。o w l s 是w 3 c 组织极力推广 和扩展的服务描述标准。o w l s 的高层本体主要包括服务轮廓( s e r v i c e p r o f i l e ) 、服务模型( s e r v i c em o d e l ) 和服务基点( s e r v i c eg r o u n d i n g ) 三 个部分，分别支持服务的发现、服务的组合执行和服务的调用。 1 3w e b 服务组合及研究现状 w e b 服务作为新兴的分布式计算技术，已被广泛的接受，许多企业已 将自身的业务以服务的形式提供给用户。然而在服务的设计过程中，为了 分散和简化应用逻辑，提高服务的可重用性，单个的w e b 服务往往比较简 单其功能有限，不能满足日趋复杂的实际应用需求。因此，将各种单一的 w 曲服务组合起来，形成功能更为强大的符合用户需求的复合式服务是十 分必要的。 w e b 服务组合其实是通过服务查找以及服务之间的接口集成，将多个 自治的w e b 服务根据应用需要进行组合，从而提供新的、功能更强的w e b 服务。从“粒度”意义上讲，w e b 服务组合是对w e b 服务进行更大规模的 封装，并把该封装的结果作为一个w e b 服务提供给用户；从“顺序 意义 上讲，w e b 服务组合是一个满足用户需求的w e b 服务调用序列1 7 。 目前随着w e b 服务的不断发展，w e b 服务组合已经成为当前的研究热 点。根据不同的研究角度和侧重点，w e b 服务组合方式有不同的分类方法， 根据人工参与的程度，一般可将w e b 服务组合分为人工的、半自动的和自 动的。而根据服务组合的动态性及参与组合的w e b 服务的绑定时间，可分 2 为静态w e b 服务组合和动态w e b 服务组合。静态w e b 服务组合是在业务 流程建模时绑定任务，即传统的工作流任务绑定形式，意味着请求者应在 组合计划实施之前创建一个抽象的过程模型，而动态w e b 服务组合在建模 时并不与具体的w e b 服务实现绑定，而是静态绑定任务的功能描述，在执 行时动态绑定任务的实现性描述 j 。 服务组合的生命周期分为服务组合建立阶段和运行阶段，服务组合建 立阶段主要解决从用户需求到抽象的组合方案的映射问题及如何由抽象 的组合方案映射到具体服务的问题，以得到可运行的服务组合实例；服务 组合运行阶段主要是实现用户期望的结果，该阶段涉及的问题主要是运行 过程中如何运行和监控组合实例。综合各种分类方法，根据w e b 服务组合 方法所依赖的技术基础，将其归纳为基于业务流程驱动的组合方法和基于 人工智能( a i ) 理论的w 曲服务组合方法，下面将对这两类方法进行介绍。 1 ) 业务流程驱动的w e b 服务组合方法 这类服务组合方法是以业务流程为基础，利用w 曲服务组合与流程模 型的相似性，使用较为成熟的流程建模工具和语言对w e b 服务业务流程进 行建模，并最终将业务流程中的每一个环节分别选择和绑定w e b 服务，从 而形成一个流程式的服务组合方案。由于基于流程的服务组合方法直观地 反映了组合服务的执行过程并且易于实现，因此在当前服务组合研究和应 用中得到广泛的采用。 ( a ) 基于工作流的服务组合 基于工作流的服务组合方法要求事先知道流程的具体结构以及流程中 每个活动要求实现的功能与要达到的目的。此类方法中，工作流被用作分 布活动的协调引擎或服务组合的建模定义工具，存在抽象服务( a b s t r a c t s e r v i c e ，a s ) 和实体服务( c o n c r e t es e r v i c e ，c s ) 两个概念【9 j ，a s 作为c s 的 抽象，代替具体活动形成抽象的服务流程定义，建立工作流模型，并在执 行前进行服务匹配绑定，将抽象的服务流程转换为实际的组合方案。 目前，已经出现不少基于工作流的建模语言，主要有b p e l 4 w s 【i u j ( b u s i n e s sp r o e e s se x e c u t i o nl a n g u a g ef o rw e bs e r v i c e ) ，w s f l ，b p m l 等。文献【1 1 】给出了这几种建模语言在工作流应用上的区别，并指出 b p e l 4 w s 比其它的过程建模语言更具有表达能力。b p e l 4 w s 作为w 曲服 务商业流程执行语言，提供了组合工作流的框架。b p e l 4 w s 的流程是一个 流程图，用来表达特定业务的处理逻辑和方法，流程的每一步称为一个活 动。b p e l 4 w s 的作用是对可执行过程和抽象过程进行建模，完成w 曲服务 调用、操作数据、抛出故障或终止一个流程等工作的不同活动，从而创建 出复杂的流程 1 2 】。但b p e l 4 w s 不支持在应用运行时流程模型的调整。 工作流技术对w e b 服务组合的研究产生了很大的影响，基于工作流的 服务组合方法在很多文献和原型系统中得以应用。典型的原型系统有 m e t e o r s 【13 1 、s e l f s e r v 1 4 】等。其中，m e t e o r s 是由佐治亚大学大 规模分布式信息系统实验室开发的w e b 服务组合平台，该平台包括w e b 服务发现基础设施( m w s d i ) 和w e b 服务组合框架( m w s c f ) ，侧重于 使用语义技术提高服务组合的程度与灵活性，使用语义流程模板描述组合 服务，生成多种语言描述的可执行流程。采用b p e l 4 w s 作为工业标准设 计抽象的w e b 服务组合过程，针对给定的过程和服务模板，服务发现引擎 将返回和该服务模板匹配的一个服务集合，根据约束关系选择最优的待组 合服务，最后在运行时，将抽象的过程和服务模板转换成一个可执行的w e b 过程。但是该项目缺乏对服务组合的有效控制及存在动态性不够的问题。 ( b ) 基于形式化方法的w 曲服务组合 基于工作流的组合方法是一种朴素直观的组合模型，其理论基础较为 薄弱，缺乏形式化的验证，难以确保组合的正确性和完备性。借鉴工作流 技术的基础，引入形式化工具能提高对w e b 服务组合的模型分析和验证能 力。目前，在w e b 服务组合的研究领域，主要的形式化工具有进程代数和 p e t r i 网等。 进程代数是一种描述和推理进程行为、对动态实体进行建模的形式化 语言，具有严密的形式化语义，因此被引入到w e b 服务组合的研究中。其 中，支持通道名称传递的兀演算由于适用于描述结构动态变换的并发系统， 而成为进程代数在w e b 服务组合研究中的代表。石演算可用于推演w 曲 服务组合的系统行为，并能为分析验证w e b 服务方案提供支持f l 引，x l a n g 和w s c d l 都是通过建立万演算和w s d l 基本元素的对应关系而提出的 w 曲服务描述语言。但是，基于7 r 演算的方法缺乏直观图形的支持。 p e t r i 网是一种基于图的形式化描述模型，用于分析离散的并发系统。 因为p e t r i 网模型的“安全、死锁、可达 等定义在描述并发、冲突、同步 等流程现象上极具优势，并具有直观的图形化描述，因此将w 曲服务组合 的描述映射为服务状态p e t r i 网模型，建立形式化的组合模型，对w e b 服务 组合的分析和验证有积极的意义。目前，较多的是将b p e l 4 w s 所描述的进 程映射到一个p e t r i 网而得到一个形式化模型，用于模型的验证【1 6 儿1 7 j 。 形式化方法对于建模和验证是一种有效的方法，所以对w e b 服务组合 的形式化描述和验证是一个重要的研究方向。对于w e b 服务及其组合来 说，对形式化方法研究的主要目标是使w e b 服务组合在实际运行之前，对 错误进行检测和修改，并且可以形式化验证服务流程的设计是否满足要 求。 2 ) 基于a i 的服务组合 基于a i ( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 的服务组合是将w 曲服务看成a l 中的 4 动作，通过输入输出参数、前提和结果等来描述w e b 服务，在服务组合时 将w e b 服务的这些描述映射为动作的形式化描述，在w 曲服务空间中以构 造w e b 服务组合为目标，通过形式化的推理来得出w 曲服务的组合序列， 动态形成服务组合方案。a i 方法形式化地表示了本体环境下w e b 服务的能 力，并使用面向目标的技术对服务组合进行推理规划【l 引。目前，基于a i 理论的w e b 服务自动组合方法，主要有h t n 规划、情境演算、基于规则的 规划等方法。 ( a ) 层次任务网h t n ( h i e r a r c h i c a lt a s kn e t w o r k ) 规划 h t n 是采用分层分解的方法将复杂问题分层分解，将高层行动分解为 一个低层行为的偏序集的规划方法 1 9 】。基于h t n 的组合系统在执行服务组 合时将用户的需求任务分解为子任务的集合，子任务再分解成更小的子任 务，直到所有的子任务仅包含原子w 曲服务。在每一轮任务的分解过程中， 都会检验是否违反给定的约束条件，如果在不违反任何给定的约束条件 下，用户的需求目标任务能被成功分解成原子任务集，则规划问题成功求 解。 最早提出将h t n 技术用于w e b 服务组合领域的是2 0 0 3 年马里兰大学 j h e n d l e r 及e s i r i n 等人提出来的，开发的原型系统为s h o p 21 2 们。h t n 规划 方法在预先定义活动的描述后，使得服务描述和h t n 任务网络之间的变换 很自然。h t n 规划的优点是能够处理非常大的问题领域，支持模块化，易 于扩展，尤其适合于服务的自动组合，该方法的主要不足之处是需要提供 明确的任务描述规划器，而在动态的环境中可能难以获得任务描述。 ( b ) 情景演算 情境演算属于一阶逻辑语言规划方法，是关于状态、动作和动作作用 于状态结果的形式化谓词演算【2 1 1 。在情境演算中，世界上的所有变化都是 动作执行的结果。情景演算最基本的思想就是通过把动作和情境( s i t u a t i o n ) 具体化化，以方便进行一阶逻辑推理。所谓情景，形式上就是参与规划的 个体所处的状态。在情景演算中，用流( f l u e n t ) 来抽象个体的某一特性随情 景变化的过程，而个体的状态则就是个体在特定情境下所具有的特性。 情景演算通常包含两类公理，一类是动作的前提公理，用于指定各个 动作能够被触发的条件；另一类是流的后继公理，用于指定各个状态在每 个动作执行之后的变化情况。 ( c ) 基于规则的组合方法 基于规则的组合主要有四个阶段：用组合服务的说明语言描述目标服 务；利用组合规则匹配服务组合；如果在匹配阶段，产生多于一个的组合 方案，则服务请求者在组合质量参数的基础上选择一个组合方案；方案产 生阶段，一个详细描述组合服务的方案产生并提交给服务请求者。组合规 5 则定义了如何产生组合方案，考虑了w 曲服务的句法和语法特性【2 引。 基于a i 的w 曲服务组合特点是能够动态产生w 曲服务的组合方案，服 务组合过程的自动化程度高。但是规划的复杂度较高，并且世界信息的不 完备性和不断变化性使的规划问题变得十分复杂，而a i 规划和w 曲服务组 合本身是两个不同的问题，要建立两者之间的映射，还有很多问题需要解 决。同时，如何验证生成的w e b 服务组合方案的正确性，如何在w e b 服务 组合过程中考虑用户偏好和约束等问题，如何在w 曲服务组合运行中进行 异常恢复处理等一系列问题都有待进一步研究。 1 4 本文研究内容 目前的基于p e t r i 网的w e b 服务组合研究主要是将现有的服务组合流程 转化为p e t r i 网模型，从而对服务组合的内在结构进行验证。本文根据语义 w e b 服务组合自身的特点结合p e t r i 网理论，分析了服务之间接e l 匹配的依 赖关系，在此基础上建立基于模糊p e t r i 网的服务组合形式化模型，并在领 域本体支持下对基于o w l s 的语义w 曲服务进行接口匹配，构建基于p e t r i 网的w e b 服务全局依赖关系图，然后按照p e t r i 网的推理规则，进行基于矩 阵运算的正向、反向推理算法来自动生成服务组合模型。并在此基础上对 w e b 服务组合模型进行结构正确性及组合性能进行验证分析。 1 5 论文组织 全文一共分为六章。本章为绪论，主要介绍了研究的背景、研究的现 状和涉及到的相关概念，说明了论文的主要研究内容和研究思路。 第二章：语义w 曲服务组合理论基础。介绍了语义w 曲服务的描述、匹 配及服务组合的相关理论。 第三章：p e t r i 网理论。介绍了p e t r i 网及模糊p e t r i 网理论基础，并提出 基于模糊p e t r i 网的形式化语义w 曲服务组合模型。 第四章：基于模糊p e t r i 网的语义w e b 服务组合。分析了服务匹配依赖 的基本关系，并建立模糊p e t r i 网的服务基本依赖关系模型。在服务发布阶 段，根据服务接口的匹配依赖关系建立服务全局依赖模型，在此基础上采 用正向推理和反向推理方法。在服务全局依赖模型中提取满足用户需求的 服务组合模型，实现服务组合模型的自动推理生成。 第五章：服务组合的验证。对已建立的语义w e b 服务组合模糊p e t r i 网 模型进行结构正确性及组合性能进行验证。 1 6 小结 本章对w e b 服务及语义w 曲服务相关概念进行阐述，对现有的w e b 服务 组合方法进行了分析和分类，并在结合当前服务组合研究现状的基础上， 概括了本文的研究思路和主要研究内容。 6 第二章语义w e b 服务组合理论基础 2 1 语义w e b 服务 语义w e b 的核心思想是信息要以机器可理解的方式来表示，从而提高 信息服务的质量，并开拓各种新型的智能化的信息服务，提供信息语义关 系的表达方式，以满足w e b 应用对信息互操作性的要求【z 引。机器可理解并 不意味着机器能够理解人类的语言，只是说明机器根据明确定义的信息， 通过执行明确定义的操作，解决明确定义的问题。 语义w e b 服务是用标记语言增强语义描述的w e b 服务，语义描述使外 部代理( a g e n t ) 和程序能够自动发现、调用和组合w e b ) 报务，使w e b 艮务成 为计算机可以理解的实体，是一种更为智能的服务，也是w e b ) j 艮务未来的 发展趋势，如图2 1 1 所示。语义w 曲服务研究的根本任务就是对w 曲服务 进行描述，使w e b 服务成为计算机可理解的、对服务请求者透明的和易处 理的实体。 动态 静态 无语义支持 图2 1 1w 曲服务发展趋势 语义支持 2 1 1 本体基础 本体的概念最初起源于哲学领域，它在哲学中的定义为“对世界上客 观存在物的系统描述，即存在论”，是客观存在的一个系统的解释或说明， 关心的是客观现实的抽象本质。后来随着人工智能的发展，被赋予了新的 定义。将本体的概念进行了引申为“本体是共享概念模型形式化的规范说 明”【2 引，这个定义体现了o n t o l o g y 的四层含义： 1 ) 概念模型( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) ，通过抽象出客观世界中一些现象的 7 相关概念而得到的模型，其表示的含义独立于具体的环境状态。 2 ) 明确的( e x p l i c i t ) ，所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确 的定义。 3 ) 形式化( f o r m a l ) ，本体是计算机可理解的形式化的抽象。 4 ) 共享( s h a r e ) ，本体中体现的共同认可的知识，反映的是相关领域 中公认的概念集。 本体的目标是获取相关的领域的知识，提供对该领域知识的共同理 解，确定该领域内共同认可的词汇，并从不同层次的形式化模式上给出这 些词汇( 术语) 和词汇之间相互关系的明确定义。本体提供的这种领域知识 的共识主要是为机器服务，使计算机能够对信息自动处理。因此，在计算 机领域讨论本体，就要讨论本体究竟是如何表达共识的，也就是概念的形 式化问题，即怎样构建本体，如何描述本体。 本体中基本的建模元语包括类或概念、关系、函数、公理和实例 2 5 】。 其中，类或概念表示对象的集合，包括工作描述、功能、行为和推理过程 等；关系是领域中概念之间的交互作用，从语义上讲，基本的关系主要有 4 种，如表2 1 1 所示；公理是领域中公认的永真断言；实例则代表元素即 与概念对应得对象。 表2 1 1 语义基本关系表 关系名关系描述 p a r t o f 表示概念之间部分和整体的关系 k i n d o f 表示概念之间的继承关系，即父类与子类之间的关系 i n s t a n c e o f 表示概念的实例与概念之间的关系，即对象和类之间的关系 a t t r i b u t e o f 表示一个概念是另一个概念的属性 总体来说，本体解决的是领域中本质上有什么对象、过程、属性和关 系等问题，在语义w e b 服务中，利用本体来描述服务主要是为了更好的进 行服务之间的匹配，进而实现w 曲服务的自动化。 2 1 。2 基于本体的语义w 曲服务描述模型o w l s 语义w 曲服务的描述方法是语义w 曲服务的一个研究重点，它是将语 义w e b 技术和w e b 服务技术结合起来，引入本体技术来增强对w e b 服务的功 能属性和非功能属性的语义和关系进行精确和一致的描述。语义w e b 服务 描述语言的出现，为服务的发现和组合提供了统一的形式化语义基础，使 得w 曲服务的描述成为机器可理解和可处理，从而为语义的自动化处理及 服务的大规模应用奠定基础。现在主要的描述语言有o w l s 和w s m o 2 6 j ， 其中o w l s 的应用更为广泛，已经成为语义w e b 服务的主流描述语言。 o w l s ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g ef o rs e r v i c e s ) 是美国军方d a r p a 组织 8 继d a m l s 后推出的新一代语义w e b 服务描述框架，它是一种用来描述w e b 服务的属性和功能的o w l 本体规范，使用一系列基本类和属性来描述服 务，以w 3 c 组织推荐的w e b 本体语言o w l 为基础，主要定义了语义w e b 服 务的三个高层本体：服务轮廓( s e r v i c ep r o f i l e ) ，服务模型( s e r v i c em o d e l ) 和服务基点( s e r v i c eg r o u n d i n g ) ，如图2 1 2 所示。 p r e s e n t s d e s c r i b e b y s u p p o r t s 服务轮廓描述 服务模型描述服务访问描述 图2 1 - 2 语义w - e b 服务高层本体 s e r v i c ep r o f i l e ：描述一个服务是做什么的，主要支持服务的发现。它 主要描述了服务提供者的信息和服务的功能信息，此外还可以提供服务所 属分类和服务质量( q o s ) 信息。s e r v i c ep r o f i l e 既可由服务提供者描述所 提供的服务，又可由服务请求者描述所需的服务。服务的功能信息主要通 过h a s i n p u t 、h a s o u t p u t 、h a s p r e c o n d i t i o n 、h a s e f f e c t 属性即i o p e 来描述服务。 i o p e 是o w l s 中一个非常重要的概念。i n p u t s 和o u t p u t s 是指服务的输入和 输出，可以理解为数据的变换；p r e c o n d i t i o n s 和e f f e c t s 是指服务的前提条件 和效果，即服务执行前应该满足的条件和服务执行后实际产生的效果，可 以理解为状态的改变。但所有的i o p e 实例都在s e r v i c em o d e l 的过程中创 建，s e r v i c ep r o f i l e 中的实例只是简单的指向这些i o p e 实例。 s e r v i c ep r o f i l e 也提供用户自定义机制，用来进行语义扩展，描述其他 的服务特性。s e r v i c ep r o f i l e 属性描述的参考框架如图2 1 3 所示。 9 图2 1 3 服务轮廓参考框架 s e r v i c em o d e l ：基于过程描述服务是如何工作的。s e r v i c em o d e l 主要 是服务提供者用来描述服务的内部流程。o w l s 把每个服务看成是一个过 程，一个过程可以具有任意多的输入、输出、前提条件和结果。s e r v i c em o d e l 模型中有三种过程：原子过程( a t o m i cp r o c e s s ) 、简单过程( s i m p l ep r o c e s s ) 图2 1 - 4 服务模型图 1 ) 原子过程可直接调用，没有子过程，是一步可以执行完成的过程， 它接收输入然后执行并返回输出结果。每一个原子过程必须对应一个 1 0 g r o u n d i n g ，以使服务请求者可以据此构造消息。 2 ) 简单过程不可直接调用，也没有对应的g r o u n d i n g ，但它可以看作 像原子过程一样是一步执行的过程。简单过程用于抽象功能，如提供复合 过程的简化表示，封装复合过程的内部细节。 3 ) 复合过程由一些原子过程或其它的一些复合过程通过控制构造符组 合而成。其控制构造符包括： s e q u e n c e 定义一组顺序执行的过程列表； s p l i t 定义一组可以同时执行的过程； s p l i t + j o i n 可以定义部分的同步； u n o r d e r e d 不指定特定的执行顺序，但必须全部执行； c h o i c e 定义从m 个过程中选出n 个执行过程； i f - t h e n e l s e 定义根据条件选择执行过程； i t e r a t e 定义反复执行的过程； r e p e a t u n t i l 、r e p e a t w h i l e 定义在一定条件下循环执行的过程。 s e r v i c eg r o u n d i n g ：描述访问服务的具体细节，例如协议、消息格式、 序列化、传输、寻址等，s e r v i c eg r o u n d i n g 可看作是与服务交互需要的服 务描述元素从抽象到具体的映射。由于w s d l 是已有的工业界广泛采用和 支持的消息格式规范，o w l s 选择利用w s d l 作为s e r v i c eg r o u n d i n g 机制 的语义w e b 服务的o w l s 描述及其应用基础。可以利用o w l s 和w s d l 这 两种语言规范互补的优势来描述服务。一方面，用w s d l 来表示服务的具 体描述，可以重用w s d l 的文档和基于w s d l 的支持消息交换的软件；另 一方面，用o w l s 的过程模型来表示服务的抽象描述，可以充分利用o w l 类型机制的丰富表达力。这样，o w l s w s d l 的s e r v i c eg r o u n d i n g 用o w l 类来描述消息的抽象类型，然后通过w s d l 绑定来描述消息的格式。o w l s 与w s d l 之间的映射关系如图2 1 5 所示。 l i 一一f ，i 一1 一，。、- ，j 图2 1 5o w l s 与w s d l 的映射关系 一个o w l s 原子进程相当于一个w s d l 的操作( o p e r a t i o n ) ，不同类型 的操作与o w l s 进程的关系如下所述： 1 )一个带有输入和输出的原子进程对应于w s d l 的请求一响应 ( r e q u e s t r e s p o n s e ) 操作； 2 ) 一个带有输入，但没有输出的原子进程，对应于w s d l 的单向操作 ( o n e w a yo p e r a t i o n ) ； 3 ) 一个带有输出，但没有输入的原子进程对应于w s d l 的通知 ( n o t i f i c a t i o n ) 操作； 4 ) 一个带有输出和输入的复合进程，并且是规定先发送输出，后接 受输入，对应于w s d l 的恳请响应( s o l i c i t r e s p o n s e ) 操作。 o w l sg r o u n d i n g 没有要求在一个原子进程与一个w s d l 操作之间的 一对一的对应( 尽管这是最通常的情况) 。为了允许w s d l 支持提供的同一 个操作的多个定义，o w l s 允许在一个原子进程和多个w s d l 操作之间的 一对多( o n e t o m a n y ) 的对应。还有可能在这些情况下，为了维护一个一 对一的对应，而使用多个( 不同名称的) 原子进程。 一个o w l s 原子进程的输入集合和输出集合对应于w s d l 的消息 ( m e s s a g e ) 的概念。更准确地说来，o w l s 的输入对应于一个w s d l 操作 的输入消息的部分( p a r t s ) ，而o w l s 的输出对应于一个w s d l 操作的输出 消息的部分( p a n s ) 。一个o w l s 原子进程的输入和输出的类型( o w l 类) 对应于w s d l 的可扩展的“抽象类型”( a b s t r a c t t y p e ) 的概念( 同样地， 可以被用作w s d l 规范里的消息部分( m e s s a g ep a r t s ) ) 。 2 2 语义w e b 服务的发现和匹配 在w 曲服务框架中，用户请求某种服务时，首先必须发现所需的服务， 因此服务过程的前提是服务发现( s e r v i c ed i s c o v e r y ) 。服务发现是定位服务 提供者以及检索服务描述文档的过程，并且是整个w e b 服务模型的关键。 在w e b 服务架构中，w e b 服务的发现其实是通过服务注册中心找寻满足服 务请求者需求的服务提供者的过程。基本步骤如下： 1 ) 服务提供者的服务描述：服务提供者根据其所提供的服务进