（计算机软件与理论专业论文）普适环境下语义web服务组合框架的研究与实现.pdf

华东师范大学硕士学位论文普适环境下语义w e b 服务组合框架的研究与实现 摘要 随着普适计算概念的提出和推广，越来越多的普适计算设备融入到人们的生活 与工作环境中，提供各种各样的服务功能。因此如何有效地整合这些服务功能，简 单、方便、有效地构造复杂的服务组合应用已经成为普适计算中的一个研究热点。 现有的普适环境中的服务组合框架如u p n p ，g n i ，o s g i 等在服务描述中通常 仅包含语法信息，而缺失语义信息；此外，这些服务组合框架不能体现普适环境中 服务组合应用通常具有的上下文感知性，以及服务组合的动态性等特点；现有框架 中采用的集中式与点对点式的管理方式，在服务组合效率方面也很难令人满意。 本文结合语义w e b 和w e b 服务的相关研究，提出了一种普适计算环境下使用 o w l s 作为服务描述方法的层次结构的语义w 曲服务组合框架h i s c 。该框架可以 解决现有服务组合框架中存在的一些问题。本文引入基于语义距离的服务相似度的 计算方法，改进了以往的语义w e b 服务匹配算法只有粗粒度匹配结果这一缺陷；此 外，本文扩展了o w l s ，使之能够支持上下文感知服务的描述，并在此基础上实现 了h i s c 中基于上下文本体信息推理的服务动态重组；最后，通过软件模拟的方 法，验证了本文提出的h i s c 中层次结构的管理方式在服务组合方案形成速度以及 服务动态重组效率方面相较于集中式与点对点式管理的服务组合框架的优越性；同 时实现一个基于i - i i s c 的应用系统原型，验证了设计的有效性。 关键词：普适计算，语义w e b ，服务组合，0 w l - s ，上下文感知，本体推理 华东师范大学硕士学位论文普适环境下语义w e b 服务组合框架的研究与实现 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c eo fp e r v a s i v ec o m p u t i n g , m o r ea n dm o r ep e r v a s i v ec o m p u t i n gd e v i c e sw h i c h p r o v i d ev e r s a t i l es e r v i c ef u n c t i o n sh a v eb e e nb r o u g h tf o r t hi no u tw o r k i n ga n dl i v i n ge n v i r o n m e n la m a j o rc h a l l e n g ei np e r v a s i v ec o m p u t i n gi sh o wt oi n t e g r a t ea l lt h e s ep r o v i d e ds e r v i c e se f f e c t i v e l ya n d m e a n i n g f u l l yt of o r mn o v e ls e r v i c ec o m p o s i t i o na p p l i c a t i o n s w i t h i nm a n yp r e s e n ts e r v i c ec o m p o s i t i o nf r a m e w o r k ss u c ha su n 屺j 玳lo s g ia n de t o t h e s e r v i c ed e s c v i p 畦o i l sc o n t a i nt h es y l t t a xi n f o r m a t i o nb u tt h es e m a n t i co n e b e s i d e st h ec e n t m l 扬e da n d p o m tt op o m tw a yo fs e r v i c em a n a g e m e n t sa r eu n s u i t a b l ef o rt h ec o n t e x t - a w a r es e r v i c ec o m p o s i t i o n a p p l i c a t i o n si nt h ep e r v a s i v ee n v h 0 1 a m e n t f l j i t h e r m o r et h ep r e s e n ts e r v i c ec o m p o s i t i o nf r a m e w o r k sa r e u n a b l et o s u p p o r tt h ed y n a m i cs e r v i c er e - c o m p o s i t i o ni nt h ep e r v a s i v ee n v i r o n m e n t t h es e r v i c e c o m p o s i t i o ne 伍c i e n c yo f f o r m e r t w oa p p r o a c h e si sf a rf i x ) ms a t i s f a c t o r y b a s eo nt h er e l a t e dr e s e a r c hi ns e m a n t i cw 曲靶r v i w ep r o p o s eah i e r a r c h i c a ls e m a n t i cw e b s e r v i c ec o m p o s i t i o nf r a l i l e w o r k ，h i s cw h i c hu t i l i z e so w l - sa st h es e r v i c ed e s c f i i p t i o ns p e c i f i c a t i o n a f t e rt h a tf o c u s i n gt h es e r v i c em m c h i n gi s s u ei nt h es e r v i c ec o m p o s i t i o nf r a m e w o r k , t h i sp a p e r p r o p o s e saw e bs e r v i c em a t c h i n ga l g o r i t h mu s e di nh i s ca m o n gw h i c ham e t h o dt oc a l c u l a t et h e s e r v i c es i m i l a r i t yb a s e do ns e m a n t i cd i s t a n c ei si n 扛o d u c e dt og e taf i n eg r a n u l a r i t ym a t c h i n gr e s u l t o t h e rt h a ns i m p l yt r u eo rf a l s ew h i c ha t h eo n l yt w or e s u l ti nf o r m e ra p p r o a c h e s a d d i t i o n a l l yo w ls d e s c r i p t i o ni s e x t e n d e di nt h i sp a p e rt om o d e lac o n t e x t - a w a r es e r v i c eb a s e do nw h i c ht h e i m p l e m e n t a t i o no f d y n a m i cs e r v i c em - c o m p o s i t i o nu s i n gc o n t o x to n t o l o g yr e a m n i n gi sg i v e ni nh i s c a tl a s tt h es o r w a r es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e di no r d e rt ov a l i d a t et h a tt h eh i e r a r c h i c a ls e m a n t i c w 曲s e r v i c ec o m p o s i t i o nf r a m e w o r ki m p r o v e st h es e r v i c ec o m p o s i t i o ne f f i c i e n c yc o m p a r e dw i t ht h e c e n t r a l i z e da n dp o i i i tt op o i n to n e s k e c o r d s ：p e r v a s i v ec o m p u t i n g , s e m a n t i cw e b ， r e a s o n i n g 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他 个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：缝整 甘期：塑晕! ! ：2 授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位敝作者张徐挝导黼：碱磐 晚料吼毕7 o r i g i n a l i t yn o t i c e i np r e s e n t i n gt h i st h e s i si np a 币a lf u l f i l h n e n to f t h er e q u i r e m e n t sf o rt h em a s t e r sd e g r e ea l e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y , 1w a r r a n tt h a t t h i st h e s i si so r i g i n a la n da n yo ft h et e c h n i q u e s p r e s e n t e di nt h et h e s i sh a v eb e e nf i g u r e do u tb ym e a n yo ft h er e f e r e n c e st ot h ec o p y r i g h t , t r a d e m a r k , p a t e m , 髓缸唧r i g h t o fp r o p r i e t yr i g h to f o t h e r sh a v eb e e ne x p l i c i t l ya g k n o w l c d g e d a n di n c l u d e di nt h er e f e r e n c e ss e 以o na tt h ee n do f t h i st h e s i s s 咖a 。一垒塾 c o p y r i g h t n o t i c e ih e r e i na g r e et h a tt h el i b r a r yo f e c n us h a l lm a k ej bc o p i e sf r e e l ya v a i l a b l ef o ri n s p 硎o n if u r t h e ra g r e et h a te x t e m i v ec o p y i n go f t h et h e s i si sa l l o w a b l eo n l yf o rs c h o l a r l yp u r p o s e s ，i n p a r t i c u l a r , s t o r i n gt h ee n n t e n to f t h i st h e s i si n t or e l e v a n td a t a b a s e s , a sw e l la sc o m # i n ga n d p u b l i s h i n gt h et i t l ea n da b s t r a c to f t h i st h e s i s c o n s i s t e n tw i t h ”f a i ru s e ”硒i n s c r i b e di nt h e c o p y r i g h tl a wo f t h ep e o p l e sr e p u b l i co f c h i n a 华东师范大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 i 普适计算的历史和现状 普适计算概念是由p a l oa l t o 研究中心的m a r kw e i s e r 1 】最早提出的，其核心概念 是强调计算能力同环境融为一体，即计算机本身从人们的视线里“消失”。在普适环 境下，人们能够在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理计算和 通信技术的迅速发展。在普适环境下，计算机融入到了人们日常工作生活的各个方 面。如何能够便捷、灵活、有效地设计与构建一个使得用户随处获得所需计算能力 和通信能力的都无所不在的生活、工作与休闲环境，并且使普通用户能够方便地使 用普适环境中提供的服务，成为当今研究者所关注的课题。伴随着信息技术的不断 发展，尤其是微型化的嵌入式设备、无所不在的通信网络都为实现普适计算思想提 供了最大的可能，而普适计算的研究也越来越受到计算机科学界与产业界关注与重 视，也取得了不少的研究成果。 普适计算强调人与计算环境的紧密联系，使计算机和网络更有效地融入到人们的 生活。普适计算现在的研究目标正是创造一个看不到计算机的以人为本的信息服务 的崭新的世界。随着普适计算设备种类和数量的增加，越来越多的设备对外提供各 种各样的功能。在面向服务架构中，将软件模块对外提供的功能用服务的形象组织 管理。因此我们需要一种把各种设备上提供服务组合起来的方法，提供单个设备无 法完成的服务功能。组合服务就是把孤立的、相对简单的、业已存在的服务组合成 为具有复杂的、新增的功能的过程。这对于减少服务的开发时间，提高服务的使用 效率，降低服务开发成本具有重要意义。服务组合问题的解决是实现以人为本的普 适计算的一个关键问题。 1 1 1 普适计算的概念的提出和背景 计算机与网络技术的发展，也推动了计算模式的变革，从主机计算( m a i n f r a m e c o m p u t i n g ) 、桌面计算 ( d e s k t o pc o m p u t i n g ) 到正在发展之中的普适计算 ( p e r v a s i v e ，u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) 。 主机计算： 早期的计算机系统一般体积庞大、造价昂贵，所有的资源和服务都集中在大型机 华东师范大学硕士学位论文第1 章绪论 上。除了连接到主机的字符终端用于简单的键盘输入显示输出外，整个信息系统的 存储、处理、备份、打印等服务功能都由一台集中的主机来完成。对主机资源的管 理有专门的管理员操作。到了7 0 年代末期，基于u n i xv m s 等分时操作系统的小型 机部分取代了原来的大型主机系统。一个企业可以同时拥有几台小型机分别完成不 同的服务。小型机分时系统提供了更强的灵活性，但仍没有完全脱离传统的终端主 机模式。这种计算模式体现了多对一的特点，多个用户同时使用一台主机设备。 桌面计算： 8 0 年代开始兴起的个人计算机和网络技术最终改变了传统的终端主机模式。首 先由于p c 机和工作站性能不断提高而成本不断下降，从而使很多原来需要大型主 机来完成的功能在客户端就可以轻易实现。局域网络( l a n ) 技术可以把客户端与 同一个企业内的多台服务器连接起来，互联网技术更可以使客户端连接到世界上的 各个角落。多台客户机和多台不同功能的服务器通过网络进行互连，构成了分布式 客户服务器模式。这种计算模式体现了一对一的特点，一个用户使用一台p c 设备 进行操作，进一步通过该p c 可以使用网路上的其他设备。 普适计算： 随着计算机及相关技术的迸一步发展，通信能力和计算能力的价格正变得越来 越便宜，所占用的体积也越来越小，各种新形态的传感器、计算互联设备发展，在 我们周围出现了越来越多的计算设备，如p c 机、笔记本电脑、p d a ，手机等等。 人们开始希望能随时、随地、无困难地享用计算能力和信息服务，由此带来了计算 模式的新变革，这就是计算模式的第三个时代一普适计算。 通过个人网络( p a n ) 、局域网络( l n ) 、广域网( w a n ) 计算可以把用户和 多种计算设备连接，用户可以通过网络随时、随地、使用多种设备方便得使用网络 中的各种信息设备和资源。这种计算模式相对于前两种计算模式给用过户带来了全 新的体验，把过去以设备为中心的计算模式改交成以用户为中心的计算模式，体现 了以人为本的应用理念，使用户可以更加方便的使用计算资源，不用过多浪费精力 关注于具体的设备和资源的差异、维护和管理。这种计算模式体现了一对多的特 点，一个用户使用多个设备，可以要求多个设备协同地为用户提供服务。普适计算 作为一种在概念上强调和环境融为一体的计算方式，让计算机从人们的视线中消 失，用户和周围环境在潜意识上进行交互。在普适计算模式下，人们能够在任何时 间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理。如同我们每天开关电灯却不会 意识电力来自于何方一样，计算的发展仍然如此。普适计算方式的发展使得我们在 各个角落享受着数字计算的好处，却不会意识到计算的能力来自于哪里，这点不同 2 华东师范大学硕士学位论文第l 章绪论 于今天我们通常需要直接使用个人计算机或者其他数字设备前才能得到计算服务。 1 1 2 普适环境的主要特征 “最具有深远意义的是那些在人们的注意力中消失的技术，这些技术已经渐渐融 合到人们的日常生活中，以至于难以区分”，这句话表明了m a r kw j i s d l 】对于普适 计算的设想。普适计算的核心目标就在计算和通信无所不在的条件下建立以人为中 心的计算环境。首要解决的本质问题是以人为中心的计算模式，即自上而下地构筑 自动适应用户及其任务需要的计算体系。与之前出现的主机计算，个人计算，网络 计算相比，普适计算的主要特征在于： 透明自动的访问方式，用户往往体会不到自己正在使用周遭环境种的计算设备与 计算能力。 无所不在，用户不会被限制在某台个人计算机前使用，而是在一个具有计算能力 的环境中活动，随时随地地享受各种个性化的计算服务。 自由的交换方式，用户同计算设备之间的交互不仅仅是通过键盘鼠标和显示器等 传统个人计算机的输入输出设备。语音、表情以及肢体动作都能成为交换手 段。 构建普适环境主要涉及到嵌入式小型设备的设计制造技术，以及嵌入式小型设备 上运行的操作系统等软件技术，数字多媒体技术，无线移动通讯技术。各种移动设 备( 如智能手机、笔记本计算机、掌上电脑等) 、信息家电( 如数字电视、机顶盒 等) 、嵌入式设备和传统意义上的个人计算机都通过网络相互连接并按照各种通讯协 议实现信息共享，成为构建普适环境的一个部分。 1 1 3 普适计算的应用案例与前景 许多世界著名的研究机构和商业公司都各自开展普适计算方面的研究计划和项 目，例如m i t 的0 ) 【y g e n f 2 1 研究计划，卡内基梅隆大学的a u m 【3 】研究计划和伊利诺 斯大学的g a i a 4 项目，i b m 公司w a t s o n 研究中心的d r e a m s p a c e 5 1 项目，微软公司 的e a s y l i v i n g 6 项目等。 1 2 普适计算中服务组合的研究现状 斯坦福大学服务组合项目s w o r d 7 1 是一个w e bs e r v i c e 服务组合的开发工具 华东师范大学硕士学位论文第l 章绪论 包，该开发工具包，把基本服务定义成以输入输出的动作模型，通过用户给出输入 输出的描述，系统通过规则推理可以构造出组合方案，并且涉及了组合服务运行时 数据流的流动问题。服务的描述不具有语义特征，不能解决复杂的组合方案，没有 说明如何选择组合服务的实例，和如何控制服务的执行和数据流动问题。 h pp a l oa l t o 实验室的e f l o w t 8 】系统，是开发和管理组合服务的平台。组合服务 被描述成一个组合基本服务和其他组合服务的过程方案，一个组合服务被模型化为 一个定义了结点执行顺序的图结构，结点包括服务结点、裁决结点和事件结点。服 务结点代表可以调用的基本服务或者组合服务，裁决结点指明执行流程的规则，事 件结点可发送和接受几种类型的事件。弧上可以标记转换断言，确定是否进入下一 个结点。过程实例是过程方案的一次执行，一个方案可以对应多个实例，多个实例 可以并行执行。该系统还提供了在运行时刻动态修改组合方案的功能。服务的描述 不具有语义特征，没有给出如何构造组合方案和方案如何实例化为组合实例。 u cb e r k e l y 的n i n j ap a t i l s 【9 】，提出了一种通过给出源的输入接1 ：3 和目的的输出接 口构造一条组合服务路径的方法，并且提出了路径恢复的策略提高组合服务的可靠 性。该系统把服务定义为操作者，服务之间的通信连接定义为连接器，通过操作者 和连接器的组合该系统可以适合多种的网络传输协议。该系统主要用于各种接入设 备的信息的转化和通信协议的适配问题。没有语义特征，不能支持复杂的组合服务 的构造和执行、服务组合的模拟和验证。 新南威尔士大学的s e l f s e r v 1 0 1 ，以基于状态图的陈述式语言描述组合服务， 提供了独立与实现的抽象描述服务的服务共同体，实现了i 2 p 方式的服务执行的控 制算法。没有语义特征，没有明确之处方案的形成过程。 斯坦福大学的m c i l r a i t h 1 l 】提出的系统通过一种逻辑语言g o l o g 可以定义通用的 组合方案和用户可定制的方案，并且执行该方案。该系统提出了在语义层次上定义 组合服务的思路。使用复杂，没有用户需求到组合方案的欧射方法。 马里兰大学的a 舶m i l 【a 【1 2 】系统。该系统以d a m l s 定义组合方案，提出分布式 引擎控制组合实例执行的思路，该思路适应了普及计算动态多交的网络环境。相对 于其他系统首先提出了针对无线、动态网络环境考虑组合实例执行的闯题。 乔治亚大学的一篇关于w e b 服务组合博士论文【1 3 1 ，主要解决了组合的q o s 的评 价算法和基于本体的服务的查找问题。 波士顿大学的p b a s u 1 4 j 等对a d - h o c 环境下的服务组合进行的研究，主要提出 了针对组合方案构造可执行的服务实例的算法。解决了a d h o e 网络中服务方案到 服务实例的映射问题。 4 华东师范大学硕士学位论文第l 章绪论 1 3 。本文的研究内容 本文研究的出发点是针对目前普适环境中服务组合框架中服务描述、发布、匹 配以及运行阶段中的不足与缺陷，通过引入领域本体这一从语义和知识层次上表示 知识的工具，来弥补其缺乏语义描述信息的缺点。本文提出一种普适环境下语义服 务组合框架h i s c 的设计方案，重点研究了h i s c 的语义服务的描述方式，服务匹配 与排序以及服务动态重组。针对服务组合框架中的这三个方面分别提出了一种层次 结构的服务发布管理方式，基于o w l s 的语义服务的匹配算法和基于语义距离的 语义服务匹配度的计算方法，以及基于上下文推理的服务动态重组设计。 简言之，本文的研究工作主要有： 1 ) 研究普适环境中服务组合框架的主要技术和存在的不足； 2 ) 结合集中式和点对点式两种服务管理方式的优点，提出了一种新的层次结构的服 务发布管理方式； 3 ) 对本体的定义、构造方法和相关理论进行了深入研究，讨论了本体在语义w e b 服务匹配中应用，提出了一种基于o w l - s 语义服务描述的服务匹配算法，使用 基于语义距离的服务相似度计算方法实现了细粒度的服务匹配； 4 ) 研究如何使用上下文信息推理，实现上下文感知服务的自动重组。 5 ) 使用软件模拟的方法，评估服务组合框架的性能，并实现了一个基于h i s c 的应 用系统原型。 1 4 本文组织结构 第一章引言 介绍了普适环境下服务组合框架的研究背景、意义及研究现状，并指出本文的主要 研究工作。 第二章普适环境中的服务组合技术 研究了现有的普适环境中的服务组合框架的设计和技术特点，以及语义w 曲服务在 服务组合方面的应用。 第三章普适环境中层次结构服务组合框架的设计 讨论了普适环境中动态服务组合的关键问题，提出了一种层次结构的服务组合框架 h i s c 的整体设计。 第四章基于o w l - s 的语义服务匹配算法 华东师范大学硕士学位论文第l 章绪论 详细阐述了h i s c 框架中服务匹配算法以及基于语义距离的语义w e b 服务相似度计 算方法。 第五章基于上下文推理的服务动态重组 研究了如何在h i s c 框架中利用上下文本体信息推理，实现服务运行状态下，服务 组合方案的自动重组。 第六章h i s c 框架的性能测试与验证 使用软件模拟评估了h i s c 框架的服务组合与动态重组的性能，给出一个基于h i s c 的应用系统原型实现。 第七章总结与展望 对本文进行总结与展望。 6 华东师范大学硕士学位论文 第2 章普适环境中的服务组合技术 第2 章普适环境中的服务组合技术 随着企业需求的不断变化，s o a ( s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，面向服务架 构) 是作为一种解决企业商务信息系统构建的设计方法被提出的。s o a 让企业应用 彻底摆脱面向技术的解决方案的束缚，轻松应对企业商业服务变化、发展的需要。 作为一种用于系统集成的软件架构，服务组合是s o a 中的核心问题。使用b p e l 等 工作流描述语言能够实现服务组合，实现复杂的业务功能。面向服务架构在普适环 境中也有着广泛的应用，各种技术标准层出不穷。而语义w e b 的提出使得计算机不 仅能够存储提供数据，还能够理解数据的意义。语义w e b 服务的本体描述设计 o w l - s 结合了语义w e b 和w e b 服务两大技术热点。本章将就上面提及的普适环境 下服务组合相关技术展开讨论。 2 1 面向服务架构的提出与研究现状 s 0 a 【哪o 】是指为了解决在i n t e r a e t 环境中业务集成的需要，通过连接能完成特定 任务的独立功能实体实现的一种软件系统架构。s o a 本身就是一种面向企业级服务 的系统架构，简单来说，s o a 就是一种进行系统开发的新的体系架构，在基于s o a 架构的系统中，具体应用程序的功能是由一些松耦合并且具有统一接口定义方式的 组件( 即s e r v i c e ) 组合构建起来的。因此，基于s o a 的架构也一定是从企业的具 体需求开始构建的。但是，s o a 和其它企业架构的不同之处就在于s o a 提供的业 务灵活性。业务灵活性是指企业能对业务变更快速和有效地进行响应、并且利用业 务变更来得到竞争优势的能力。对企业级系统架构设计师来说，创建一个业务灵活 的架构意味着创建一个可以满足当前还未知的业务需求的1 1 r 架构。 传统的应用集成方法( 点对点集成、企业消息总线或中间件的集成( e a i ) 、基 于业务流程的集成) 大都很复杂、价格昂贵、缺乏灵活，使得这些集成方法难于快 速适应基于企业现代业务变化不断产生的需求。基于面向服务架构( s o a ) 的应用 开发和集成可以很好的解决其中的许多问题。s o a 描述了一套完善的开发模式来帮 助客户端应用连接到服务上。这些模式定制了系列机制用于描述服务、通知及发现 服务、与服务进行通信。 不同于传统的应用集成方法，在s o a 中，围绕服务的所有模式都是以基于标 准的技术实现的。大部分的通信中间件系统，如r p c 、c o r b a 、d c o m 、e j b 和 7 华东师范大学硕士学位论文 第2 章普适环境中的服务组合技术 r m i ，也同样如此。可是它们的实现都不是很完美的，在权衡交互性以及标准定制 的可接受性方面总是存在问题。s o a 试图排除这些缺陷。因为几乎所有的通信中间 件系统都有固定的处理模式，如r p c 的功能、c o r b a 的对象等等。然而，服务既 可以定义为功能，又可同时对外定义为对象、应用等等。这使得s o a 可适应于任 何现有系统，并使得系统在集成时不必刻意遵循任何特殊定制。 s o a 是在计算环境下设计、开发、应用、管理分散的逻辑( 服务) 单元的一种 规范，它要求开发者从服务集成的角度并超越应用软件，来考虑复用现有的服务， 或者检查如何让服务被重复利用。s o a 鼓励使用可替代的技术和方法( 例如w e b 服 务或消息机制) ，通过把服务联系在一起而非编写新代码来构架应用，这种消息机制 的应用允许公司仅通过调整原有服务模式而非被迫进行大规模应用代码的开发，使 得企业的信息系统在商业环境许可的时间内对变化的市场条件做出快速的响应。 s o a 不是一定需要w e b 服务来实现，并且一个基于w e b 服务开发出来的应用 也不代表就是一个基于s o a 构架应用。w e b 服务只是服务实现的一个典型，是实 现企业s o a 的一个组件( 非必需组件) 。s o a 为基于服务的分布式系统提供了概 念上的设计模式。w e b 服务则是基于标准的、可经济实惠地实现s o a 的一项技 术。 w 西服务是为了支持网络上机器与机器之间的互操作性而设计的一种软件体系 结构。w e b 服务一般具有一个用机器可处理的格式( 特定的例如：w e b 服务描述语 言w s d l 【峒) 来描述的接口；其它系统通过s o a p 1 7 1 ( s i m p l eo b j e c ta c c e s s p r o t o c o l ，简单对象访问协议) 消息描述的指定的方式来使用该w e b 服务。 w 西服务是基于x m l 和s o a p 网络协议的有关中间件的一种新框架。w e b 服 务技术提供相应的w e ba p i ，这些w e ba p i 能在标准协议的基础上开发相关应用， 利用x m l 和网络传递信息，完成应用之间的通讯；我们可以使用标准的网络协议 访问文字信息、数字图片、电子邮件、应用程序等网络资源。它基于面向服务的体 系结构，代表了一种更为松散的分布应用结构，能够屏蔽平台的差异；w e b 服务技 术的发展不仅反映了分布式计算领域的巨大进步，同时也是模块化应用程序的最新 技术发展趋势。w e b 服务技术核心的标准有x m l 、s o a p 、w s d l 和u d d i 嘲 ( 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) 。 2 2 服务组合在面向服务架构中的应用现状 单一的w e b 服务只能提供有限的功能。w e b 服务的发展趋向于w e b 服务的组 8 华东师范大学硕士学位论文第2 章普适环境中的服务组合技术 合，组合的本质是通过流程定义使一组独立的w e b 服务相互协作，组织成新的上层 的更为抽象的服务，实现应用的集成，从而满足复杂的业务需求。由此可以看出， w e b 服务组合的实质就是b p m ( b u s i n e s sp r o c e s sm a n a g e m e n t ，业务流程管理) 【1 9 1 。目前随着w e b 服务技术的逐步成熟，涌现出不少的b p m 相关业界标准，比如 w f m c sx p d l ( x m l - b a s e dp r o c e s sd e f i n i t i o nl a n g u a g e ) 、b p m i sb p m l1 2 0 1 ( b u s i n e s sp r o c e s sm o d e l i n gl a n g u a g e ，商业流程建模语言) 、e b x m l 的b p s s l 2 i 】 ( b u s i n e s sp r o c e s ss p e c i f i c a t i o ns c h e m a ) 、b p e l 4 w s 【捌( b u s i n e s sp r o c e s se x e c u t i o n l a n g u a g ef o rw e bs e r v i c e s ，w e b 服务的业务流程执行语言) 等。 b p e l 是基于w e b 服务技术的工作流语言，由m i c r o s o f t ，1 1 3 m 和b e a 在 2 0 0 2 年共同推出，在2 0 0 3 年推出了b p e l a w s1 1 版后被o a s i s ( 结构化信息标 准促进组织) 实现标准化，并组建了w e b 服务业务流程执行语言技术委员会 ( w s b p e lt c ) 。现在b p e l2 0 版本也即将正式推出。b p e l 为指定基于w e b 服 务的业务流程行为定义了一种表示方法。作为一种可执行流程的实现语言，b p e l 能够将现有的多个服务复合起来，对它们加以编排和协调，使它们按照一定业务流 程组成新的服务。b p e l 可以指定多个w e b 服务的调用顺序，这些w e b 服务问共 享的数据，业务流程涉及的伙伴、角色，并进行逻辑约束、异常处理、并行处理、 数据转换等，还允许w e b 服务间长期运行的事务处理。b p e l 所表示的流程通过 使用w e b 服务接口来访问流程。它的应用方式有两种田】。一种是使用抽象流程， b p e l 流程可以定义业务协议角色。每个角色都有自己的抽象流程。抽象流程对待 数据处理的方式反映了描述业务协议公共部分所需的抽象程度。也就是说抽象流程 仅处理有关协议的数据。b p e l 提供了把有关协议的数据识别为消息属性的方式。 另一种就是定义可执行业务流程，通过流程的逻辑和状态来控制w e b 服务的执行顺 序和交互1 2 4 1 。由于b p e l 通过x m l 语义来定义w e b 服务的业务流程行为，脱离 了开发平台的约束。利用合作伙伴之间的交互实现流程与服务之间的调用。合作伙 伴可作为服务的提供者，也可作为流程的请求者，或者参与到流程的双向交互中。 利用b p e l 可以灵活的构造复杂的分布式系统，系统可以由不同架构不同平台的 w e b 服务组成，根据运行时的状态动态地决定流程的走向。 2 3 普适环境下面向服务的软件架构 在普适环境中，设备及服务都具有多样性并且变化频繁，在这样的环境下，将 各种设备所提供的功能用s o a 的软件设计实现方式加以管理组织就成为了一个十分 9 华东师范大学硕士学位论文第2 章普适环境中的服务组合技术 具有研究价值的课题。普适环境中的众多设各提供了五花八门的各种功能，如果不 加以合理的规划统筹，用户在进入一个纷繁复杂的计算环境后，根本无法“透明” 地使用这些设备所提供的功能，这是与普适环境的设计宗旨是背道而驰。s o a 的软 件设计组织架构为规范普适环境中的各种计算资源提供了很好的借鉴，各大软件公 司和国际标准化组织也提出多种普适环境下的面向服务的软件架构，如j i n i ， u p n p ，o s g - i 等等。在以下各节中，对这些当前主流的面向服务的软件架构进行了 细节的分析。 2 3 1 j i n i j i n i 以j a v a 技术为核心，通过使用一个简易的“即插即用”模型，能够随时改 变硬软件的配置，从而提供了一个支持快速配置的普适环境1 2 5 】。j i n i 技术的独特之 处在于它能够使各种数字设备无需配置、安装或者人工干预，就能够在一个临时的 称为服务联盟的设备集合中共同工作。联盟中的任何设备无论大小都可以自行管 理，共同组成一个服务网络，联盟中的每一个成员都可以为其它成员提供资源或服 务，同时又可以从其它成员那里获取自己所需的资源和服务，j i n i 提供一套完善的 机制使得硬件设备或者软件组件能够随时加入或者退出联盟。 j i n i 技术被设计成可以运用在任何有能力连入网络的器件上，而不论该器件运 行什么软件或运行在哪种硬件设备之上。j i n i 技术是以网络器件中的一个构件的面 貌出现的，它为器件如何连入网络、共享信息和与网络进行互操作建立了一套规 则，而同时又保持了对用户的完全透明。j i n i 本身与平台无关，采用它的器件不再 受到所用软件、处理器、设备驱动器，或传统网络协议的制约，其唯一要求只是一 个j a v a 虚拟机， j i n i 的诸多特性，都是建立在几个基本概念之上，这几个概念包括：发现、查 找、租借、远程事件和事务。发现是用于寻找网络中联盟并加入联盟的过程，是 j i n i 完成自发创建联盟功能的部分。一个j i n i 实体( 服务或应用) 在使用其它 j i n i 服务之前，必须先找到一个或多个j i n i 联盟，查找途径是寻找跟踪该群体共 享资源的查找服务。j i n i 发现协议是j i n i 程序寻找j i n i 联盟的途径，一旦找到 某个联盟，j i n i 实体就会遵照加入协议的规范加入到该联盟中，并在联盟中公布自 己的服务。j i n l 支持多个发现协议，包括组播请求协议、组播通告协议、单播发现 协议。查找提供用于寻找一个联盟中已知服务的功能，类似于一个名字服务器。在 实际中，通常是一个长时间运行的进程，用于跟踪加入到j i n i 联盟中的所有服 务。租借是j i n i 中最重要的概念之一。租借技术使j i n i 具有自修复能力，保证了 l o 华东师范大学硕士学位论文 第2 章普适环境中的服务组合技术 一个联盟在某些关键服务失败的情况下，一段时间之后可以恢复。租借还保证了长 时间运行的服务不会积累其联盟的信息，若没有租借，长时间运行的服务会无限制 的增长。租借的基本思想是：不再保证可以在无限制的时间内访问资源，资源只在 一段固定的时间内“借给”某使用者，j i n i 租借要求那些证明确实与某部分资源密 切相关的使用者继续占有相应资源。远程事件用于j i n i 服务彼此通报状态变化。 事务用于保证多个服务的共同执行，消除分布式系统中部分失败带来的危害，改善 了服务的健壮性。 2 3 2 i 刀p n p u p n p 全名是u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ，主要是微软推行的一个标准。其主要目标 在于任何设备只要一连接上网络，所有在网络上的设备马上就可以知道有新设备的 加入，而且这些设备彼此之间能互相沟通，实现真正的即插即用。u p n p 使用 t c p i p 协议作为通信协议，采用x m l 语言描述设备提供的服务和能力。 u p n p 网络设备可以使用多种传输介质，包括无线频率( r f ，无线) 、电话线、 i r d a 、以太网以及i e e e1 3 9 4 。u p n p 使用开放的标准协议，如t c p i p 、h t t p 和 x m l 。但是，由于多种原因( 包括成本、技术要求或兼容支持) ，其它的技术也可 能与网络设备一起被使用。这些包括网络技术，如h a v i 、c e b u s 、l o n w o r k s 、e i b 或x 1 0 。通过u p n p 网桥或代理，这些技术也可以加入到u p n p 网络中。u p n p 的体系结构闭如图2 1 所示。 圈四回口 图2 - 1u p e p 体系集构 u p n p 协议模型和o s i 的七层网络模型一样采用了层次化的架构，该协议建立在 标准的i p 协议集的基础上，巧妙地借用了诸如h r r p 协议和x m l 技术，在这些己 经成功应用于目前互联网，曾在推动互联网高速发展中起了举足轻重作用的成熟技 华东师范大学硕士学位论文第2 章普适环境中的服务组合技术 术上傲一些变化，使其具有新的生命力，u p n p 中还加入了一系列独有的高层协议， 如：简单服务发现协议s s d p 、简单对象访问协议s o a p 、通用事件通知架构协议 g e n a 等。图3 2 展示了u p n p 协议栈模型。 图2 - 2u t n p 协议栈模型 下面对u p n p 协议栈模型中的各层协议做一个简介，具体的协议消息体格式定 义以及工作过程将在下面的章节中结合u p n p 设备的工作流程进行详细说明。 u p n p 特定协议 设备生产商( u p n pv e n d o r s ) 、论坛工作委员会( u p n pf o r u mw o r k i n g c o m m i t t e e s ) 和设备架构层( u p l l pd e v i c ea r c h i t e c t u r e ) 指定了协议栈的高三层协 议。u p n p 论坛的工作委员会定义了一类设备所公共的特性，设备生产商定义了他们 设备的个性化特征和功能。 i 玎t p ，h t t p u 与h t t p 姗协议 这三个协议是u p n p 协议中的重要基石。h t t p u 和h t t p m u 协议是标准h t t p 协议的两种变体，它们的基本格式沿袭了h t t p 协议，定义它们是为了通过u d p i p 而不是t c p i p 发送消息。h t t p u 在u d