（计算机软件与理论专业论文）基于owls和agent的web服务组合技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着w e b 服务的广泛应用，如何在运行时有效地发现和组合不同组织和异 构平台的w e b 服务是目前研究的重点。但是，传统的w e b 服务主要采用w s d l 描述物理信息，缺乏语义信息，不能以计算机可理解的方式实现服务组合。目前j 语义w e b 的发展为w e b 服务带来了新的活力，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 e b 服务，为w e b 服务的自动发现、组合和调用提供了支持。 本文首先详细介绍了现有的w e b 服务组合技术相关工作，并基于语义w e b 服务的发展现状，给出了w e b 服务分级匹配算法和反向搜索链接动态w e b 服务 组合匹配算法。在此基础上，将a g e n t 引入到w e b 服务组合中，提出了一个基 于o w l - s 和a g e n t 的w 曲服务组合框架并给出了该框架的结构图，同时对其中 的用户接口、w e b 服务发布、w e b 服务匹配、w e b 服务组合部分的关键功能和 架构进行了详细说明。最后，给出了关键部分的流程图和算法描述，并结合一个 会议行程安排服务的实例实现了该框架的原型，阐述了该框架的运作过程，给出 了运行结果图。 该框架在w e b 服务描述中引入了w e b 服务的语义表示形式，从而使得a g e n t 可以参与进来，是一种动态的、灵活的服务组合机制，为解决w e b 服务组合相 关问题提供了一种很好的方案。本文通过最后的实例说明了该框架是正确合理 的。 关键词：w e b 服务，语义w e b ，o w l - s ，a g e n t a b s t r a c t r e s e a r c ho nw e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o n t e c h n o l o g y b a s e do no w l sa n d a g e n t a b s t r a c t w i t he x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fw e bs e r v i c e s ，h o wt oe f f e c t i v e l yd i s c o v e ra n d c o m p o s eh e t e r o g e n e o u sp l a t f o r m sw e bs e r v i c e sd e v e l o p e db yd i f f e r e n to r g a n i z a t i o n s i sc u r r e n tr e s e a r c hf o c u s b u tt r a d i t i o n a lw e bs e r v i c e sm a i n l ya d o p tw s d lt o d e s c r i b ep h y s i c a li n f o r m a t i o na n dl a c ks e m a n t i ci n f o r m a t i o n ，s ot h e yc a n tr e a l i z e w e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o nw h i c hi sc o m p u t e ru n d e r s t a n d a b l e s e m a n t i cw e be n a b l e s a 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 ci 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 d p 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 bs 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 g s e m a n t i cw e b t e c h n o l o g y a n dw e bs e r v i c e su s ea n u 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 bs e r v i c e sa n ds u p p o r ta u t o m a t i c d 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 bs e r v i c e s i nt h i sp a p e r , t h es t a t eo ft h ea r to fw e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o nt e c h n o l o g i e sw a s i n t r o d u c e di nd e t a i l ，t h e nw e bs e r v i c e sh i e r a r c h i c a lm a t c h i n ga l g o r i t h ma n db a c k w a r d s e a r c hc h a i n i n gd y n a m i cw e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o nm a t c h i n ga l g o r i t h mw a s p r o p o s e d b a s e do i lt h ed e v e l o p m e n to fs e m a n t i cw e bs e r v i c e s t h e ni tb r o u g h ta g e n tt ow e b s e r v i c e sc o m p o s i t i o n ，p u tf o r w a r daw e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o nf r a m e w o r kb a s e do n o w l - sa n da g e n t , p r o v i d e dt h ef r a m e w o r k sa r c h i t e c t m ma n dg a v ed e t a i l e d d e s c r i p t i o nt ok e yf u n c t i o n so fu s e ri n t e r f a c e ，w e bs e r v i c e sp u b l i c a t i o n ，w e bs e r v i c e s m a t c h i n ga n dw e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o nc o m p o n e n t f i n a l l y , w eg a v ef l o wc h a r t sa n d a l g o r i t h md e s c r i p t i o no fs o m ek e yp a r t sd e s i g n , i m p l e m e n t e dp r o t o t y p eo ft h e f r a m e w o r kb a s e do nw e bs c h e d u l i n gs y s t e m ，d e m o n s t r a t e dt h ef r a m e w o r k sr u n n i n g p r o c e d u r ea n dr e s u l td i a g r a m t h ef r a m e w o r kp r o p o s e di nt h i sp a p e rb r i n g si nw e bs e r v i c es e m a n t i ce x p r e s s i o n u s i n go n t o l o g y s oa g e n tc a nb ei n 打o d u c e di n t ot h ef r a m e w o r k i ti sd y n a m i cs e r v i c e s i i c o m p o s i t i o nm e c h a n i s m , w h i c hi sg o o ds c h e m er e s o l v e sw e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o n t h er e s u l ti n t e r f a c eo f t h i se x a m p l ec a l lp r o v et h ef r a m e w o r ki sl o g i c a la n dr i g h t k e y w o r d s ：w e bs e r v i c e s ，s e m a n t i cw e b ，o w i ，s ，a g e n t i i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 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。本人授权西北大学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。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：查竺量兰兰指导教师签名： z d d g 年护月仔日加吕年驴舌月f 孑日 西北大学学位论文独创性声明 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，本论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：夺级! z 2 d 曙年口6 月蚜日 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 w e b 服务是基于网络的、分布式的、自描述的、模块化的组件，它执行特定 的任务，遵循一定的技术规范，提供了统一服务发布、发现、调用和组合机制。 随着w e b 服务技术的日益成熟，越来越多的稳定易用w e b 服务共享在网络上， 同时相关标准的制定和业乔厂商的支持也加速了w e b 服务的发展。但是，单个 的w e b 服务能够提供的功能有限，为了更加充分地利用共享的w 西服务，有必 要将多个功能有限的简单服务按照服务描述、约束、可用资源等进行服务组合， 以提供更为强大的服务功能，加快系统开发的速度，快速满足用户的需求。 根据组合方案生成方式的不同，w e b 服务组合方法可以分为两大类：静态组 合和动态组合。静态组合是事先预测客户的需求，在组合规划开始前，用户应该 建立包括一组任务和它们的数据依赖的抽象过程模型，抽象过程的每个任务包含 一个用来搜索w e b 服务来完成任务的查询条件，最常用的是用图来指定过程模 型。如果采用这种方式，那么只有查询和绑定原子w e b 服务的过程是由程序自 动完成的。由于各种w e b 服务可能运行在各个异构系统中，以不同的方式创建、 用不同的编程语言实现、由不同的供应商提供，那么，服务的请求者需要根据特 定的应用背景和需求进行合理的服务组合，然后定义这些服务之间的交互过程， 并且使用硬编码的方式实现服务组合，这样的做法使得w e b 服务组合难以维护 【1 1 。而动态组合是在运行时根据具体的客户需求，通过程序或代理自动地选择、 绑定w e b 服务，更重要的是，它可以自动创建过程模型，根据用户的需求自动 选择并组合相应的组件来完成用户的需求，而无需开发者参与。即系统自动根据 用户需求产生执行路径，只说明活动需实现的功能、所属的服务类别以及多个查 找结果的选择策略等内容，而具体的服务提供者延迟到组合服务的执行过程中来 绑定。如何自动组合网络上已知或者未知的服务，是本文研究的重点。 w e b 服务的自动化和智能化要求不仅仅通过数据类型匹配、关键词匹配来查 找信息，还应通过内容的语义信息来进行w e b 资源的访问。语义w e b l 2 】的引入 第一章引言 为w e b 服务带来了新的活力，语义w e b 的目标是使得w e b 上的信息具有计算机 可以理解的语义，满足软件代理对w w w 上异构分布信息的有效访问和检索。 由于语义的引入，作为集成语义w e b 技术和w e b 服务技术的语义w e b 服务使我 们有望构建自动的w e b 服务发现、匹配、组合和执行机制。 1 2 国内外研究现状及分析 w e b 服务组合是一项非常复杂的任务，它已经超出了人类手工处理的能力。 它的复杂性来自于三个方面：第一，最近几年w e b 服务的数量急剧增长，搜索 空间急剧膨胀；第二，服务可以随时创建和更新，所以组合系统必须能够动态检 测并适应这种变化；第三，w e b 服务存在于异构系统中、运行在不同平台之上， 它们可能是以不同方式创建、用不同的程序语言实现、由不同供应商提供的，不 存在单一的方式来评价w e b 服务。 所以，用一种自动或半自动的方式来建立组合服务工具是至关重要的。w e b 服务组合领域已经提出了几个方法，而且大部分的研究都基于工作流组合和灿 规划。 对于前者，组合服务被认为类似于一个工作流。组合服务的定义包括一组原 子服务以及它们之间的数据流和控制流。目前可适应性工作流的自动进程适应和 跨企业的组合也为w e b 服务组合提供了方法，再者，动态工作流提供了将抽象 节点和具体资源或服务自动绑定的方式。因此基于这种思想的做法的主要原理 是：构建抽象业务流程模型，并在此基础上，根据工作流模型中各任务节点搜索 匹配的原子服务，构建可运行的具体业务流程【。由于有模板的存在，因此对于 流程中服务的搜索顺序不必是顺序的。 另一方面，动态组合方法要求自动产生规划，这类方法大部分和m 规划和 演绎理论有关。这类方法假设每一个w e b 服务可以在规划背景下被它的前提和 结果指定，由计算机系统自动生成一系列的动作来寻找从初始状态到达目标状态 的一组动作序列。首先，一个w e b 服务是一个软件组件，它接受输入数据来产 生输出数据。再者，w e b 服务在执行后会改变当前状态，比如一个网上购书的服 务，需要银行卡号和书名作为输入，前提是银行卡有效且卡上余额大于书的价格， 2 第一章引言 服务输出是一个表明交易正常进行的显示界面，服务结果是卡上余额作了相应减 少。如果用户可以指定组合服务要求的前提和结果，就可以通过使用灿规划器 自动产生规划或进程，而不用事先指定工作流。在规划过程中，业务逻辑可以为 规划环境提供限制。 可以看出，基于工作流思想的方法更倾向于根据数据流来构建包含复杂业务 流程的组合服务，而灿规划方法侧重于组合模型建立过程的自动化，它在规划 上下文中根据服务对世界状态的改变来规划出一系列的流程步骤，并将输入输出 参数等数据流改变作为关于世界的知识【3 1 。 1 2 1 基于流程的组合方法 基于流程的w e b 服务组合主要是从功能执行和数据控制的角度来进行组合， 它有两种方式：编制( o r c h e s t r a t i o n ) 和编排( c h o r e o g r a p h y ) 。编制需要一个总 控过程来控制所涉及到的w e b 服务，并协调w e b 服务不同操作的执行。所涉及 到的w e b 服务并不知道它们是组合服务过程的一部分，只有中央的总控过程知 道它们如何组织和协调。相比之下，编排并不依赖中央的总控协调过程，其中涉 及到的每个w e b 服务都知道何时执行自己的操作，以及和谁交互。编排方式集 中在消息的交换，所有的编排参与者都需要知道业务流程，要执行的操作，要交 互的消息以及交换消息的时机【4 】。编制和编排的关键区别在于：编排是一种对等 模型( p e e r - t o p e e rm o d e l ) ，业务流程中会有很多协作方；而编制是一种层次化 的请求者提供者模型( h i e r a r c h i c a lr e q u e s t e r p r o v i d e rm o d e l ) ，编制仅定义了应调 用什么服务以及应该何时调用，没有定义多方如何进行协作。 其中w s b p e l ( w e bs e r v i c e sb u s i n e s sp r o c e s se x e c u t i o nl a n g u a g e ，以下简称 b p e l ) p j 是为组合w e b 服务而指定的一项规范，它的前身是由i b m 和m i c r o s o f t 共同推出的b p e l 4 w s ，是一种表示业务流程的工业标准语言。b p e l 支持的业 务流程能够指定一组w e b 服务、操作这些w e b 间共享的数据、业务流程涉及哪 些伙伴和他们扮演的角色，一组w e b 服务的共同异常处理，以及关于多样参与 的其它问题。它通过组合消息传递、标准化的集成接口、x m l 及各种w e b 服务 标准来提供流程间的互操作性及流程可控性。b p e l 流程分为抽象流程和可执行 3 第一章引言 流程，分别用于不同场景，但两者共用同一套语法元素。这些语法元素的功能包 括控制流程逻辑执行顺序、执行w e b 服务调用、w e b 服务实现、事件响应、故 障处理、流程实例匹配( 采用相关集) 、变量定义与赋值等。b p e l 流程就是通 过b p e l 语法元素把多个细粒度的w e b 服务编制为粗粒度的、有状态的服务的 流程。b p e l 流程由一系列活动组成，通过伙伴链接( p a r t n e r l i n k ) 来定义与流 程交互的其它服务。b p e l 采用集中控制的方式，缺乏正式的语义，不支持协作， 且自动性和灵活性较弱，不支持在应用运行时的流程模型的调整。 1 2 2 基于协作的组合方法 基于组件协作的服务组合方法编排【6 1 ( w s c d l ) 从全局的观点描述各个参 与者之间p 2 p 方式的协作、交互信息的类型以及需要共同遵守的顺序规则，它主 要关注一组对等服务间的互操作，从需求层面上描述各种w 曲服务参与者之间的 交互过程。一个编排描述指一个多方合约，从全局观点描述协作的服务参与者之 间公共的和互补的可观察的行为。每一个参与者都可以使用这一全局定义构造和 测试与之相符的解决方案。w s c d l 不是一种“可执行的业务过程描述语言 ， 也不是实现语言，它不依赖于任何特殊的业务过程执行语言和支撑平台。 但是编排的灵活性相对较差，不太适合于描述动态的服务组合场景，缺乏形 式化的模型和验证机制。虽然组件协作的服务组合方法可以看作是分布构件组装 的一种扩展，但是由于目前基于分布构件的运行系统并不直接支持对于构件交互 协议的描述和执行，因此该方法的运行系统支持较弱，实用化程度不高。 1 2 3 基于规划的组合方法 o w l - s 的出现为基于触规划的组合方法提供了可能，它将w e b 服务看成 灿中的动作，通过输入输出参数、前提和结果等来描述w e b 服务。并且将w e b 服务的这些描述映射为动作形式化描述，在w e b 服务空间中以构造w e b 服务组 合为目标，根据形式化验证后的模型，动态地选择服务。a i 方法形式化地表示 了本体环境下w e b 服务的能力，使用面向目标的技术对服务组合进行推理规划。 基于舢规划的动态服务组合框架由w e b 服务描述、用户需求描述、领域本 4 第一章引言 体信息、越规划过程及转换器等部分组成。客户目标通常被编码形成初始条件 和领域本体信息作为灿规划的前提；w e b 服务描述被映射为动作定义后作为 灿规划的输入；商业逻辑提供了规划集合的约束川：w e b 本体被用于推理来实 现自动组合任务。 基于越的规划方法包括情景演算规划法、层次任务网规划法、r u l e - b a s e d 规划和其它一些方法。 1 2 3 1 情景演算 情景演算是一种用一阶谓词逻辑描述变化的世界的方法，是描述状态变化和 动作推理的形式化方法，其目的是提供一种逻辑语言为活动建模。它假定世界的 所有变化都是由动作产生的，在一个情景下执行特定的动作将到达另外一个情 景。 m c l l r a i t h s l 于2 0 0 2 年提出了一个形式化的方法，作者将服务组合问题转换 为一个满足目标属性要求的程序执行问题，通过提供高层次的通用进程和自定义 的用户约束来说明w e b 服务组合问题，使用g o l o g 来表示和推理。g o l o g 是基于 情景演算的一阶逻辑的高级编程语言，适用于机器人和工业过程的高级控制，智 能软件a g e n t 编程和任务规划。它利用情景演算的推理机制将复杂行动分解为一 组可执行的原子动作序列，然后通过外部执行器逐条执行该动作序列中的各原子 动作。它将o w l - s 转换到情景演算，运用基于情景演算的逻辑语言来描述w e b 服务约束条件及预期结果，描述组合服务的目标及相关约束，这样软件a g e n t 就可以对w e b 服务进行推理来实施自动w e b 服务发现、执行、组合和互操作。 1 2 3 2 层次任务网规划法 h i e r a r c h i c a lt a s kn e t w o r k ( h t n ) p l a n n i n g t 9 】利用o w l - s 作为w e b 服务的描述 语言，利用任务分解的方法来组建组合服务。h t n 规划器的目标是产生执行某 种任务或活动的动作流。规划域的描述包括一组操作和将任务分解为子任务的方 法，它递归地将子任务再分解成更小的子任务，一直循环这个过程，直到所有的 子任务仅包含原子w e b 服务。s h o p 2 t 1 0 1 就是利用h t n 方法实现w e b 服务组合 5 第一章引言 的系统，s h o p 2 操作描述了完成一个原子任务需要做些什么，s h o p 2 方法说明 了如何将一些复杂任务分解成一组部分有序的子任务，包括使用转换算法将用 o w l - s 描述的w e b 服务映射到s h o p 规划域，同时关注在规划过程中如何处理 本体的表达性和扩展到推理过程，并基于描述逻辑的o w l 推理器，以实现w e b 服务组合和基于用户约束过程过滤，实现了动态服务组合。 1 2 3 3r u l e b a s e d 规划 m c d j a h e d t 】于2 0 0 3 年提出了一种从高层次声明描述来产生组合服务的技 术，使用组合规则来决定两个服务是否可以组合。s w o r d t 挖】就是利用基于规则 的服务组合方法的一个组合服务的开发工具集。它不依赖于服务描述标准如 w s d l 、s o a p 、u d d i 和d a m l - s ，它使用e r 图对w 曲服务建模。它将一个 w e b 服务表示成一个h o r n 规则，代表如果前提为真，结果可以达到。创建组合 服务时，请求者只需要指定组合服务的初始和最终状态，就可以通过一个基于规 则的专家系统，来判断使用现有的服务是否能够实现所需的服务组合，并产生相 应的组合方案，经确认后形成执行的组合服务表示。 基于触的规划方法能动态地链接具体实现的w e b 服务，但是规划的性质受 限于偶然规划。a i 规划的对象不能在初始时得到，而是在运行时产生。这样导 致的问题是：规划时可能会有很多分歧，但是用户只是对特定的分支感兴趣【1 3 1 。 如何快速搜索到特定的规划分支是目前面临的问题之一。灿规划不能根据w e b 服务资源的变化而自动演化，是一种静态建模、动态选择的组合方式。灿规划 和语义w e b 服务组合本身是两个不同的问题，要实现全自动的服务组合，本身 是一个很复杂的过程，因此还有很多问题需要解决。 1 2 4 其它动态w e b 服务组合方法 s i d nc ta l t l 4 】提出了一个w e b 服务组合的半自动化方法，服务匹配的条件是一 个服务的输出和另一个服务的输入是相同的o w l 类或者是它的子类，使用o w l 推理引擎对匹配的服务排序，随着类型在本体树上距离的增加，匹配的优先级也 会降低。当选择出多个服务时，系统会根据用户指定的非功能约束来过滤服务， 6 第一章引言 只有通过非功能约束的服务可以被显示给用户。尽管这个方法很简单，但是它体 现出一种趋势，自动规划器可以和用户共同来完成为用户请求产生组合任务的工 作。 s h a l i lm a j i t h i a t l 5 l 提出了一个使用语义w 曲技术自动进行w 曲服务组合的框 架，它包括两个核心和五个支撑服务。论文描述了这些组成部分和它们的交互， 提供了一种具有高灵活性、容错性强以及可适应性的服务组合机制，区分了以不 同层次的工作流抽象来支持重用的方法，同时细化了高层的用户目标。 李景t h t l 6 】等人提出了在普及计算环境中基于接口语义匹配的动态w e b 服务 组合方法，并给出了基于语义的服务描述、基于语义的服务匹配算法、组合服务 的实例生成算法和控制执行的系统框架。该算法能有效地利用系统资源，降低服 务设计和实现的复杂性，但是该方法缺乏对w e b 服务组合正确性的验证。 韩永国【1 7 】等人提出将组合方案表示为一个有向无环图的动态服务组合方 法，该方法将服务表示成图的节点，服务交互表示成边，以目标服务的输入为指 标集，给出了候选组合方案的构造算法，并且以服务费用为测度，通过费用转移， 提出了基于经典d i j k s t r a 算法的最优服务组合算法，但它没有涉及服务组合时的 语义和服务的安全性问题。 1 2 5 服务组合的关键问题 w e b 服务组合的核心问题是如何有效地组合已有的w e b 服务，更好地满足 用户需求。可以概括为以下几个关键问题【1 8 】【1 9 】： 采用什么样的w e b 服务组合模型作为组合研究的框架基础。 如何根据q o s 进行质量驱动的服务选择。 建立什么样的代价模型以评估w e b 服务组合的代价，具体如何权衡影响 系统性能的各个因素，使得系统性能总体最优。 怎样定义各个组成部分之间的逻辑和时序关系，以便支持动态交互、协 调及状态保持，保证w e b 服务执行的合理有序性。 如何在多个层面上提供更为精确和通用的语义信息支持，以支持服务组 合过程的最大智能化、自动化和高效性。 7 第一章引言 怎样验证和测试组合w e b 服务，确保执行结果的正确性。 如何对q o s 或其它行为进行监控，保证在满足需要的同时，能够高效地 利用资源。 以上问题涵盖了w e b 服务组合过程中需要解决的各个问题，包括闯题描述、 问题描述与具体的w e b 服务之间的匹配问题、运行管理以及性能优化。对于以 上问题，首先需要有可视化辅助工具，自动地把多个w e b 服务依据服务描述、 按照合适的次序连接在一起，并自动生成组合所需要的消息代码。其次，不能仅 仅依赖于u d d i 基于关键字的匹配。另外，也要解决如何将一个或者多个服务的 输出映射到另一个w e b 服务的输入，以便根据上下文产生后续服务的调用。 1 3 本文研究内容 由于w e b 服务合成的复杂性，指望w e b 服务组合能解决所有的问题是不现 实的，根据出发点和关注方面的不同，各个组合方法或多或少解决了某些方面的 问题。基于不同思想的组合方法各有利弊，它们对服务自动组合的最终攻克，以 及对切实可行的商业系统平台和标准的提出，提供了宝贵的借鉴价值。本文研究 基于语义的w e b 服务组合技术，旨在采用合适的标记方法来标记w e b 服务和用 户需求的语义，使a g e n t 能够理解，让a g e n t 根据用户需求来选择并执行多个服 务以完成用户提出的复杂任务。通过对相关研究的分析，本文主要做了以下工作： 研究本体的描述及如何使用o w l 构造本体，并结合o w l 推理，最大 限度地挖掘出概念之间的语义关系，更好地支持基于功能的w e b 服务发 现和组合。 研究o w l - s 的应用及扩展：分析o w l - s 的应用及不足，并对其进行 q o s 属性的扩展。 分级服务匹配算法：通过分级查找，为后续匹配节约了大量的存储空间， 提高了查询效率，同时也能满足用户对查全率和查准率的需求。 反向搜索链接w e b 服务组合匹配技术：在组合过程中，从匹配用户的输 出开始，目标服务的输出匹配用户的输出需求，源服务的输入满足用户 的输入条件。 8 第一章引言 基于o w l - s 和a g e n t 的服务组合框架：该框架为w e b 服务组合提供了 一个整体的解决方案，给出了该框架的结构图，然后对其中的用户接口、 w e b 服务发布、w e b 服务匹配、w e b 服务组合部分的关键功能和特点进 行了详细分析说明，最后，给出了关键部分的流程图和算法描述，并结 合一个会议行程安排服务的实例实现了该框架的原型，阐述了该框架的 运作过程，给出了运行结果图。 1 4 本文组织结构 第一章是引言部分，主要说明了基于语义w e b 服务组合的研究背景；分析 了国内外w e b 服务组合的研究现状；说明了w e b 服务组合要解决的关键问题； 提出了本文的研究内容和主要工作；最后说明了论文的整体结构。 第二章讨论了w e b 服务组合关键技术及相关研究，说明了什么是w e b 服务 以及w e b 服务组合中存在的问题，并结合语义w e b 的发展，提出了语义w e b 服务，引入了o w l - s ，并对它进行了详细描述，最后介绍了a g e n t 相关知识。 第三章讨论了本文w e b 服务发现的分级服务匹配算法和反向搜索链接w e b 组合匹配算法。 第四章提出了本文基于o w l - s 和a g e n t 的w e b 服务组合框架w s c a o a ， 并对其中的用户接口、w e b 服务发布、w e b 服务匹配和w e b 组合部分中的关键 功能模块和流程进行了详细说明。 第五章给出了w s c a o a 的实现方案，给出了关键部分的流程图和算法描述， 并结合一个会议行程安排服务的实例实现了该框架的原型，阐述了该框架的运作 过程，给出了运行结果图。 第六章总结了本文的主要贡献和不足，并讨论了可以进一步研究的方向和问 题。 9 第二章w e b 服务组合关键技术及相关研究 第二章w e b 服务组合关键技术及相关研究 上一章提到语义w e b 服务是语义w e b 和w e b 服务两大技术结合的产物， 其中本体作为研究语义w c b 的重要技术，提供了一种明确的定义语义的方式， 而面向w e b 服务的本体语言o w l - s 则从本体角度对w e b 服务进行语义描述。 本章将从w e b 服务开始，阐述w e b 服务的概念、体系结构和支撑技术；然后解 释语义w e b 的概念、本体以及w e b 本体语言o w l ；最后介绍语义w e b 服务的 描述语言o w 【广s 。 2 1w 曲服务概述 2 1 1w e b 服务定义和体系结构 w e b 服务是一个开放的标准，它是由一系列标准协议通过i n t e m e t 部署的软 件组件，是用于分散和分布式环境下网络信息交换的基于x m l 的通讯协议，其 它应用可以找到并使用它来完成一定的任务。在此协议下，软件组件或应用程序 能够通过标准的h t t p 协议进行通讯。它的设计目标是简单性和可扩展性，这有 助于增强大量异构程序和平台之间的互操作性，从而使存在的应用程序能够被广 泛的用户访问。w e b 具有完好的封装性、松耦合、使用标准协议，因此它具有高 度的可集成能力。以前的许多分布式技术都试图解决数据和应用程序集成问题， 如c o r b a 2 0 1 、d c o m 2 、r m i 2 2 j 等。但是，这些技术要么过于复杂、难于使用： 要么不能穿透防火墙，不能在i n t e m e t 上进行工作，并且不同标准之间不能很好 地实现互操作。w e b 服务则很好地解决了这些问题，它的基本模式如图2 1 所示： 图2 - 1w e b 服务体系结构 l o 第二章w e b 服务组合关键技术及相关研究 从上图可以看出，典型的w e b 服务体系结构包含3 部分： 服务提供者：服务提供者是创建该w e b 服务的实体。服务提供者把他 们机构的某种业务功能展示成一种w e b 服务，供其它机构调用。这需 要完成两件事情，其一，采用标准的格式来描述该服务，这个格式是所 有使用该服务的机构都能够理解的，其二，需要通过服务注册中心将他 们的服务发布到i n t e r a c t 上供其它机构调用。 服务请求者：服务请求者从服务注册中心获得所需要的服务，得到服务 的相关描述和调用细节，然后通过绑定服务提供者给定的接口来使用服 务。 服务注册中心：充当管理者的角色，服务提供者可以在这里列出他们的 服务清单，服务请求者在这里寻找符合他们要求的服务，注册中心保存 了服务提供者的详细信息以及它提供的服务清单以及每种服务的详细 情况和技术细节。对于静态绑定的服务请求者，服务注册中心是w e b 体系结构中的可选角色。因为服务请求者可直接从服务提供者处得到服 务的描述。同时，它也可以从注册中心以外的网络节点得到服务描述， 如：本地文件、f t p 站点、w e b 站点、服务发现与公告文本文件 ( a d v e r t i s e m e n ta n dd i s c o v e r yo fs e r v i c e s ) 或w e b 服务发现文件 ( d i s c o v e r yo fw e b s e r v i c e s ) 。 从图2 - 1 中可以看出，与w e b 服务相关的三种基本操作【2 3 1 为：发布、查找 和绑定。 发布撤销：服务提供者对服务进行一定的描述并通过服务注册中心发 布或者撤销已经注册的服务。 查找：服务如何被服务请求者发现，服务注册中心会提供规范的接口来 接受服务请求者的查询请求。 绑定：如何实现服务调用，发生在服务请求者和服务提供者之间。服务 注册中心给服务请求者反馈所请求服务的详细信息，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，服务请求者 通过使用这些细节来定位和在运行时调用或启动与服务的交互。 上述过程中的关键问题是：服务提供者如何以一种跨平台的方式来描述服 第二章w e b 服务组合关键技术及相关研究 务? 服务请求者如何才能发现服务描述信息? 服务请求者如何在众多的服务中 找到自己想要的服务，如何调用服务? 下面将分别讨论w e b 服务的关键支撑技 术。 2 1 2w e b 服务相关关键技术 w e b 服务区别于其它类似的计算模型的部分原因在于它使用了x m l 和基于 x m l 的标准。x m l t 2 4 1 ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 由标准s g m l ( s t a n d a r d g e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ) 发展而来，是w 3 c 所定义的一种开放的、标准的 技术。数据独立性是x m l 的主要特征，由于x m l 文档只描述数据，易于理解 和阅读，并且具有跨平台和松耦合的结构特点，因此，任何理解x m l 的应用程 序都能够以各种不同的方式对其格式化。所有采用了x m l 的应用程序将可以相 互通信，只要它们能够互相理解对方的x m l 标记。这种高级别的可互操作性使 得x m l 成为w e b 服务所需的一种理想技术。w e b 服务能在各系统之间进行通信， 不论其操作系统和硬件平台是否相同。下面将分别介绍w e b 服务的三个标准协 议：w s d l 、u d d i 和s o a p 协议。 2 1 2 1w s d l 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 ) 2 5 】是一种基于x m l 、用来描述 w e b 服务所提供的方法以及方法如何调用的语言。w s d l 提供了进行互操作时 所必需的调用信息，它以文档的形式描述了交互所涉及的细节。首先，它对操作 和消息进行抽象描述，然后将其绑定到具体的网络协议和消息格式上以定义端 点。相关的具体端点即组合成为抽象端点( 服务) 。调用者使用服务所需的参数和 服务返回的结果均以消息的形式进行传递，这样就可以对w e b 服务在通信中所 涉及的细节进行结构化描述。调用者通过w s d l 可以了解所需知道的数据类型、 消息结构、传输协议等信息，从而调用相关服务。 w s d l 由服务( s e r v i c e ) 、端口( p o r t ) 、绑定( b i n d i n g ) 、端口类型( p o r t t y p e ) 、 操作( o p e r a t i o n ) 、消息( m e s s a g e ) 和类型( t y p e s ) 等7 种元素组成，它们分 层次地描述了w e b 服务的调用细节。 1 2 第二章w e b 服务组合关键技术及相关研究 s e r v i c e ：相关服务访问点的集合，指定每个绑定的p o r t 地址。 p o r t ：指定一个用于绑定的网络地址或用于服务监听的u r l 。w e b 服务 通过该端口与其它应用程序或w e b 服务交互。 b i n d i n g ：为端口类型中定义的操作和输入输出消息指派具体的传输协议 和数据格式规范。 p o r tt y p e ：一个或多个端口所支持的抽象操作的集合。w s d l 支持四种 基本的操作：o n e - w a y 、r e q u e s t - r e s p o n s e 、s o l i c i t - r e s p o n s e 和n o t i f i c a t i o n 。 作为抽象的端口定义，端口类型不包含任何与具体传输协议和数据格式 编码规范相关的内容。 o p e r a t i o n ：服务所支持的一个动作的抽象描述，每个操作一般会引用一 条输入消息和一条输出消息。 m e s s a g e ：待传输或交互数据的抽象定义，消息使用由类所定义的类型来 定义整个消息的数据结构，即消息由一个或多个类型定义及类型的实例 组成。 t y p e s ：使用一些定义系统( 如x s d ) 的消息数据类型定义的容器，通 常用来描述交换消息。 综上所述，w s d l 为用户提供了一个模板，方便他们描述和绑定服务。一个 完整的w s d l 文档是由一个服务接口和一个服务实现文档组成的。由于服务接 口表示服务的可重用定义，它在u d d i 注册中心被作为t m o d e l 发布。而服务实 现文档包含实现一个服务接口的服务描述。实现描述服务的每个实例都是 s e r v i c e 元素定义的，服务实现文档中的每个s e r v i c e 元素都被用于发布u d d i b u s i n e s ss e r v i c e 。 2 1 2 2u d d i u d d i ( 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 y & i n t e g r a t i o n ) 2 6 1 用来发布、发现相关 的w 曲服务，它由m m 、m i c r o s o t t 等公司共同提出，目前已经发展到u d d 3 0 版本。u d d i 是一套基于w e b 的、分布式的、为w e b 服务提供的信息注册中心的 实现标准和规范，同时它也包含了一组协议的实现标准，使得企业能将自身提供 第二章w e b 服务组合关键技术及相关研究 的w 曲服务进行注册，便于别的企业能够发现访问。u d d i 提供了一组基于标准 的规范用于描述和发现服务，还提供了一组基于i n t e r a c t 的实现。u d d i 注册中心 是一个逻辑上的统一体，在物理上则以分布式系统的架构实施，不同站点之间采 用p 2 p ( 对等网络) 结构实现，因此，访问其中任意一个站点就基本等于访问了 u d d i 注册中心。u d d i 注册中心提供的信息分成三组f 2 刀： 白页：商业实体的联系信息，包括实体名、地址、联系方式和已知的企业标 识等企业身份标识。它允许用户基于商业标识来发现服务。 黄页：使用不同分类法来描述服务，包括基于标准分类法的行业类别。 绿页：表示商业实体所提供的服务技术信息，包括w e b 服务规范的引用， 也支持指向基于发现机制的不同文件和u r l 的指针。 使用u d d i 注册中心进行w e b 服务查询时无需身份验证，但在u d d i 操作 入口站点上进行w e b 服务信息的发布时，必须通过该u d d i 操作入口站点的权 限认证。同时，+ 以后的更新、删除都必须通过这个操作入口站点，并使用初始发 布时使用的用户名进行权限认证。 w e b 服务在u d d i 注册中心注册所用的信息模型是u d d i 协议规范中w e b 服务发布和发现的基础。u d d i 定义了4 种核心信息类型：商业实体信息、商业 服务信息、绑定模板信息和技术规范信息。 商业实体信息：b u s i n e s s e n t i t y 元素是对企业的信息建模，包括基本的企 业信息、分类信息和标识信息，这样才能使用户查找和调用服务，它是 项层数据结构。 商业服务：b u s i n e s s s e r v i c