（计算机软件与理论专业论文）考虑非功能因素的语义web服务选择.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着w e b 服务技术的广泛应用，如何更好地按照用户需要发现、返回 最优服务已成为急待解决的问题。目前对该问题的研究主要集中在基于语 义的w e b 服务功能匹配，但在实际应用中非功能因素已成为人们选择服务 的重要依据( 如用户选择网上购书服务时可能要求该服务支持信用卡付款， 服务的响应时问低于2 秒) 。笔者曾参与了一个基于w e b 服务的流通x m l e d i 项目，也体验到了w e b 服务选择问题的难度，所以结合该项目对此 课题展开了研究。 本文介绍了现有w 曲服务发现机制和相关的语义知识，分析了目前语 义w e b 服务选择技术的研究成果，在此基础上对非功能因素的描述和匹配 展开论述。针对非功能因素的语义描述，提出了w 曲服务菲功能本体描述 的三层结构：顶层用于匹配的p r o f i l e 、中间层的非功能本体描述语言以及 底层的通用非功能本体词汇集，并对各层展开了详细描述。其中中间层的 菲功能本体描述语言以实现对非功能因素的灵活表述，丽底层的通用非功 能本体词汇集对通用非功能本体词汇进行了组织和描述以避免歧义和提高 匹配时的效率。在此基础上实现了对匹配层的描述。针对非功能因素的语 义匹配，结合前面提出的w b 6 服务非功能本体语义描述以及o w l - s 对w e b 服务功能的描述，提出了一种全面考虑w e b 服务非功能因素和功能特征的 匹配算法。该算法充分考虑了服务发现的时间效率，通过对服务非功能属 性的匹配，实现了最佳服务的选择。 论文最后在上述各部分研究成果的基础上，给出一个考虑了非功能因 素的语义w e b 服务选择系统的设计和实现，为本文的研究提供了效果测试 的条件。并通过一个实例来验证整个匹配模型的可行性。 关键词：w e b 服务，w e b 服务选择，非功能因素，语义 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e 、i d es p r e a do f t h ew e bs e r v i c et e c h n o l o g y i th a sb e c o m e = r g e n tf o r u s e r st ds o l v et h ep r o b l e mi nh o wt of i n da n dr e t u r nt h eb e s ts e n r i t h ep r e s e n t s t u d yo rt h i sp r o b l e mm a i n l yf o c u s e so nt h ef u n c t i o nm a t c h i n go fw e bs e n d c e h o w e v e r , n o n - f u n c t i o n a lp r o p e r t ya l s op l a y sa ni m p o r t a n tp a r t t a k et h er e a d e r s w e b - o r d e r i n gp r o c e s s f o re x a m p l e , t h e ym a ya s kf o rt w o p r o p e r t i e s a s n o n f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t ：c r e d i tc a r ds u p p o r ta n dr e s p o n d i n gt i m ew i t h i n2 s e c o n d s 1 1 l ea u t h o ru s e dt om e e td i 壬i c u l t i e so nw 曲s e r v i c es e l e c t i o ni nt h ep r o j e c t o fw e bs e r v i c eb a s e d ) 【m l e d is y s t e m , a n di st h u sm o t i v a t e dt os t a r tt h er e s e a r c h o nt h es e m a n f i c s - b a s a ds e l e c t i o no fw e bs e r v i c e sc o n s i d e r i n gn o n - f u n c t i o n a l f a c t o r s 1 k sp a p e rt h r o u g h l ya n a l y z i e se x i s t i l l gr e s e a r c hr e s u l t s 撕钉i n t z o d u c e dt h e r e l a t e dk n o w l e d g eo n ，c bs e r v i c ed i s c o v e r ya n ds e m a n t i ct e c h n o l o g y t h e nw e 如加d i s c u s st h ed e s c r i p t i o na n dm a t c h i n go fn o n - f u n c t i o n a lf a c t o r sb a s e do nt h e a b o v ea n a l y s i s f o rt h es e m a n t i cd e s c r i p t i o no fn o n - f u n c t i o n a lf a c t o r si nw e b s e r v i c e ，w ep r o p o s eat h r e el a y e r ss u - u c t u r eo f n o n - f u n c t i o n a lo n t o l o g yd e s c r i p t i o n ： t h et o pl a y e rf o rt h em a t c h i n gp r o f d e ，t h em i d d l el a y e rf o rt h en o n - f u n c t i o n a l o n t o l o g yd e s c r i p t i o nl a n g u a g ea n dt h eb o t t o ml a y e rf o r t h eu n i v e r s a ln o n - f u n c t i o n a l o n t o l o g yv o c a b u l a r y s p e c i f i c a l l y ，t h ef i r s t t w ol a y e r sf u l f i l l e dt h ef l e x i b l e d e s c r i p t i o na n db e t t e rm a t c h i n go nn o n - f u n c t i o n a lf a c t o r s ，w h e r e a st h el a s to n e a v o i dd i f f e r e n tm c a r t i n g sa n di m l 。f o v et h ee f f i c i e n c yo f m a t c h i n gb yo r g a n i z i n ga n d d e s c r i b i n gt h eu n i v e r s a ln o n - f u n c t i o n a lo n t o l o g yv o c a b u l a r y f o rt h es e m a n t i c m a t c h i n go fn o n - f u n c t i o n a lf a c t o r si nw e bs e r v i c e ，w ep r o p o s ea na l g o r i t h mb a s e d o nt h en o n - f u n c t i o n a lo n t o l o g ys e m a n t i cd e s c r i p t i o na n dt h eo ，l s b e s i d e st h e r e g a r d so ft h ee 伍c i e n c yo fs e l w i c es e l e c t i o n , t h i sa l g o r i t h mt a k e st h em a t c ho nt h e n o n - f u n c t i o n a la n df u n c t i o n a lp r o p e r t i e sa sm a j o rc o n c e r na n dt h u sp r o v i d e sa b e t t e rs e l e c t i o n f i n a l l y ，w eb r i n go u tad e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es e m a n t i cw e b s e r v i c es e l e c t i o ns y s t e m , w h i c h - c o n s i d e r st h en o n - f u n c t i o n a lf a c t o r sa n dp r o v et h e f e a s i b i l i t yo f s e m a n t i cw e b s e r v i c es e l e c t i o nm e c h a n i s m 。 k e y w o r d s ：w e bs e r v i c e ，w e bs e r v i c es e l e c t i o n ，n o n - f u n c t i o n a l f a c t o r , s e m a n t i c s v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：遂迎e t 期：之逊矽 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：型：! ：7 上海大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第_ _ 章绪论 w w w 是2 0 世纪9 0 年代最引人注目的科技成就，它彻底改变了人们发布 信息和获取信息的方式。而w e b 服务的出现则被视为网络的又一次革命，代表 了电子商务的未来。w e b 服纠1 】是一种新兴的分布式技术，g a 砌e r 将w e b 服务 定义为“通过标准i n t e r n e t 技术与另一台计算机进行动态交互的松散耦合软件组 织”。它具有自包含、自描述、模块化的特点，可以在网络中被描述、发布、 查找以及通过w e b 来调用。w e b 服务改变了传统的w e b 应用方式，使w e b 正 在从一个信息存贮者和提供者变成服务提供者：通过标准的接口、完善的服务 描述，以最佳方式帮助w e b 用户完成特定目标。w e b 服务的两个关键技术是 w e b 服务的描述和发现。前者提供了标准性和简单性，使w e b 服务能互操作； 后者则使服务使用者能找到合适的功能，并使w e b 服务的自动组合成为可能。 由于w e b 服务具有完好的封装性、松散的耦合、基于和使用开放标准协议、 能够跨平台集成应用等优点，而且多个w e b 服务的协作能满足用户动态地、即 时提出的任务执行、信息提供、商业交易等需求，因此w e b 服务技术正被广泛 认可和采纳。目前，服务提供商和w e b 服务的数量正急剧增长，互联网及w e b 上提供的服务已成为了整个盯业发展的动力。但是w e b 服务在为应用开发者 和用户带来了前所未有的优势自勺1 司时，也存在一些问题急待解决，比如用户面 对如此庞大的w e b 服务群，如何从中正确、高效地找到符合自己功能需求的服 务? 特别地，在数量众多的功能相似的服务中，用户如何定位最佳服务，以满 足自己在诸如w e b 服务的服务质量、价格、安全等方面的需求? 同时，随着 w e b 服务的广泛应用，人们对w e b 服务技术也有了更高的要求，比如w e b 服 务发现、调用和组装过程的自动化、智能化。这些问题的解决与否将决定了w e b 服务技术的推广和应用。 上海大学项士学位论文 l 1 1 现有w e b 服务发现技术及其缺陷 w e b 服务发现与传统的信息检索有很多相似之处，但前者具有更高的复杂 性和实现技术的不成熟性，将有更广阔的应用领域。工业标准的服务发现大多 基于框架和关键字迸行精确匹配，学术上为了克服这种服务发现的缺点，大多 考虑有效利用语义信息和本体论，以服务发现的自动化和智能化为目标。实际 应用中，w e b 服务发现技术的结构有以下几种： i ) 直接检索：这种情况仅适用于服务请求者已经掌握所要调用服务的相 关信息，故无法满足w e b 服务技术应用的需要。 2 ) 集中式架构：此架构提供一中心目录，服务提供者在其中注册服务， 发布服务公告及弓i 用。典型的架构是u d d i 。这是业界目前所采用的 主流架构标准，同时也是本文针对的重点。 3 ) 分布式架构；如p 2 p 发现机制，提供了良好的可扩展性和灵活性，但 是效率无法保证。典型的发现标准有w s - i m p e e t i o n t 2 1 。 从技术上看，w e b 服务发现可分为三类 3 1 ： 1 ) 基于关键字的，类似传统的搜索引擎的工作方式。 2 ) 基于框架的，根据分类法和功能将服务归类，服务发现归结为结构化 查找。 3 ) 基于语义的，视w e b 服务为功能体及其关系，用语义w e b 及本体论 描述w e b 服务，服务的发现过程就是本体论过程模型中本体论的匹 配。 如图1 1 是目前业界推荐的基于u d d i 标准的w e b 服务发现模型。 2 誊i 一 上海大学硕士学位论文 圈1 iw e b 服务发现模型 由该图可知w e b 服务发现主要建立在三个角色的交互上，它们是：服务提 供者、服务注册处和服务请求者，而交互的内容包括发布、查找和绑定三个操 作。这些角色和操作都围绕w e b 服务的两个产品展开，它们是服务本身和服务 说明。整个交互过程是：服务提供者将它的服务发布到服务注册中心，当服务 请求者需要调用该服务时，他首先到服务注册中心去搜索该服务，得到如何调 用该服务的信息，然后根据这些信息去调用服务提供者发布的服务。 服务提供者 服务提供者是创建该w e b 服务的实体。典型的情况下，服务提供者把他们 机构的某种业务功能展示成一种w 曲服务，供其他机构调用。比如网上图书销 售服务，它需要做两件事来完成w e b 服务的功能。首先，要采用标准的格式来 表述该服务，这个格式是所有使用该服务的机构都能够理解的。其次，为了能 使更广泛的读者知道这项服务，w e b 服务提供者需要把他们的服务的详细资料 发布到一个任何人都能访问的服务注册中心去。 服务请求者 任何使用服务提供者提供的服务的机构都叫服务请求者。服务请求者可以 从服务提供者所做的描述了解某项w e b 服务的功能。为了检索w e b 服务的细节， 服务请求者可以在服务注册表中查找。更重要的是服务请求者能够从服务提供 者的描述中获得一种机制，这种机制可以绑定服务提供者的w e b 服务，反过来 又调用该服务。 w e b 服务注册 w e b 服务注册处于中心位置，服务提供者可以在那里列出他们的w e b 服务 的清单，服务请求者可以在那里搜索w e b 服务。服务提供者通常在服务注册表 中发布他们w e b 服务的功能，供请求者查找，然后再绑定到他们的w e b 服务。 典型的情况下，如公司的详细资料，它提供的w e b 服务以及每种w e b 服务的详 细情况包括技术细节等信息都保存在服务注册中心中【4 】。 从图1 1 中也可以看出，要使w e b 服务起作用必须有三种基本的操作，即 查找( f i n d ) 、绑定( b i n d ) 和发布( p u b l i s h ) 。因此，需要建立应用程序之间的通 上海大学硕士学位论文 信。不管应用程序是用什么语言写的，也不管应用程序运行在哪种平台上等等。 为了做到这一点，需要有一个三种操作都遵守的标准和一个服务提供者描述他 们的服务的标准方法，这种方法也必须是与语言无关的。w 3 c 组织提供了w e b 服务的三个相关协议标准，包括服务调用协议s o a p 、服务描述协议w s d l 和 通用服务发现，集成协议u d d i 。 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 ) 嘲是一种在松散的、分布的环境中 交换信息的轻量级协议。s o a p 协议是一种基于x m l 的不依赖于传输协议的表 示层协议，可以对等地交换结构化、类型化的信息。它本身并不定义任何应用 语义( 如编程模型) ，它只是定义了一种简单的机制，即可以通过模块化的封装 机制和对应用定义的数据进行编码的编码机制来表示应用语义，用于应用程序 以对象形式方便地交换数据。 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 ) 【6 】通过一套x m l 语法描述，将 w e b 服务定义为一个能交换消息的通信端点集合。w s d l 定义了描述w e b 服务 接口及其实现特征的x m l 语法，即w s d l 提供一个抽象的语言以利用服务各 自的参数和数据类型来定义被发布的操作，该语言同时涉及服务的定位和绑定 细节的定义。 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 ) 【。7 】是一套信息注册 中心的规范，所有w e b 服务注册信息都存储在u d d i 商业注册中心，以便查找。 u d d i 规范提供了在w e b 上描述并发现w e b 服务的框架。它包括了s o a p 消息 的x m ls c h e m a 和u d d i 规范a p i 的描述，它们两者一起建立了基础的信息模 型和交互框架，并通过服务注册以及使用s o a p 访问这些注册信息，使之具有 了发布和查找各种w e b 服务描述信息的能力。 虽然上述机制能够实现一定程度的w e b 服务发现，但随着w e b 服务市场的 发展，它早己不能满足需要。其缺陷主要表现在如下方面： 1 ) 仅以语法语言表达w e b 服务，缺乏语义信息，不利于计算机直接阅读 和处理。 2 ) 仅采用关键字匹配技术，在查全率和查准率上都无法得到保证。 3 ) 服务的检索只是对服务功能描述的关键字匹配，无法充分反映服务所提 4 上海大学硕士学位论文 供功能的信息。 4 ) 针对大量相似服务，缺乏对非功能性因素( 如服务质量、服务价格、付 款方式等) 的支持，难以实现最佳服务的发现。 i i 2 语义w e b 与w e b 服务的结合 语义w e b 是对未来w e b 的展望，被描述为“对现有w e b 的扩展，在此w e b 上的信息都有良好定义的语义，使得计算机和人能很好地工作在一起” 8 1 。当 前基于h t m l 的w e b 网页是设计给人看的，计算机并不能理解其中信息的含 义。而语义w e b 的研究目标是扩展当前的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这些信息，从而使人和计算机能更好 地协作，充分发挥w w w 这个巨大的分布式信息系统的潜力。语义w e b 的研 究不仅将使w w w 由信息的海洋变为知识的海洋，也为w w w 上的另一种重 要资源一w 曲服务带来了新的活力。如果用语义w e b 的知识标记手段来描述 w e b 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w e b 服务的自动发现、执行和组合等。 w e b 服务发现的研究目标是服务发现的高效率和自动化，在服务发现技术 中，利用语义描述和服务本体论是达到该目标的有效途径；而如何用o w l 等 语义标记语言描述服务，如何将语义w e t ) 、本体论和语义推理应用到w e b 服 务的查找和匹配中极具研究价值。从这个意义上说，语义w e b 服务发现是语义 w e t ) 在w e b 服务中的一种应用。 对w e b 服务发现技术来说，语义w e b 无疑是一种根本的解决方案，它力 图将人类的智慧转化为机器的智能，使其能代表人类工作，智能a g e n t 技术代 表了这类研究的成果。但是，实现语义w e b 的目标相当困难，在语义w e b 还 未实现的情况下，考虑如何利用语义w e b 研究领域对w e b 资源语义化的成 果，使w e b 服务的语义信息能够有效地被描述和发现、推理，是当前提高w e b 服务发现水平、解决w e b 服务发现和集成中的问题的捷径。 当前的语义w e b 服务技术还停留在研究和试验阶段，主要是有一些关键f - - j 题尚未解决。例如：1 ) 如何在现有的业界标准上实现w e b 服务的语义注解；2 ) 上海大学硕士学位论文 如何给出一套评价w e b 服务优劣的标准；3 ) 如何根据服务领域、数据语义和 功能语义将服务模板与服务注册库中的服务公告进行基于语义的相似性匹配， 形成候选服务集，然后按照用户的约束条件从该服务集中选择最优服务；4 ) 如 何将所选最优服务进行有机组合，以完成复杂的业务逻辑。 1 1 3 考虑非功能因素的w e b 服务匹配 本文中的非功能因素是指除与w e b 服务所实现功能相关以外的属性的集 合，比如w e b 服务的服务质量、价格的高低、赔偿率、付款方式、安全因素、 配置信息等。随着越来越多的w e b 服务被部署，w e b 服务的服务质量、价格等 非功能方面越来越引起人们的关注。在功能相似的前提下，提供有保证的服务 质量、有竞争力的价格是w e b 服务在商业应用中获得成功的关键。人们选择服 务不仅基于它的功能描述( 服务接口) ，还越来越多地考虑它的非功能特性。特 别地非功能特性已成为区别一个w e b 服务或服务提供商成功与否的重要因素。 目前，一些研究机构已对该课题展开研究。但这些研究主要集中在为w e b 服务开发服务质量本体词汇、辨别各种各样的服务质量参数功能特性上，而非 功能属性的表述则是通过属性类型和值对来实现。但是w e b 服务的非功能属性 不是简单的类型一值对就能完全表达的，为此需要一个更灵活的、具有更强描 述能力的并能被广泛应用的解决方案以描述各种类型的非功能属性。这种描述 应该是机器可理解的，从而能支持匹配的自动化和推理功能。 1 2 课题研究的目的和意义 服务的描述和发现以及更高层的服务组合存在诸多核心问题有待解决。这 些问题归结为如何有效地将w e b 服务的功能及非功能特征表示出来，进一步 的，这些表示一定是计算机可以理解的形式。使其能自动智能地根据服务功能 性进行推理，并有效的集成相关服务的功能，完成用户任务。事实上，w e b 服 务不同于以往的w e b 应用程序的地方是它强调了功能的分割及其模块化，而 不是传统的面向过程的思想。这样，迫切需要w e b 基础设施能理解w e b 服务 的功能性及行为，使w e b 服务能在智能w e b 上自动的被发现和集成，甚至扩 6 上海大学硕士学位论文 展已有的功能性。作者研究该课题的目的就在于解决对w e b 服务的完整描述问 题，在此基础上实现选择过程的自动化、智能化和高效性。 w e b 服务选择是w e b 服务应用的第一步，也是w e b 服务被广泛应用和走 向市场化的关键所在。因而可以说w e b 服务选择技术是w e b 服务体系中的重 中之重，是靠4 约w e b 服务技术能否发展并成熟的瓶颈，在w e b 服务描述的基 础上研究有效的w e b 服务选择十分重要。 1 3 论文的主要研究内容 本文的目标是为w e b 服务选择过程建立一个完整的模型，改模型应具有如 下特点： 1 ) 匹配过程的自动化、智能化。 2 ) 不仅能为用户找到满足功能需求的w e b 服务，而且能根据用户对非功 能属性的要求返回最佳服务。 3 ) 同时兼顾了匹配过程的效率。 为实现如上目标，本文将从以下几个方面来推进当前的研究： 1 ) w e b 服务功能和非功能特性的语义描述：目前w e b 服务的功能描述主 要采用语义w e b 服务描述模型o w l - s 来实现。两非功能特性的描述尚 无一个统一的标准，本文将在结合c h e nz h o u 、l i a n g n c h i 扩】0 0 以及d i m i u i o sl 佼s 础醯f 1 1 】等人的研究的基础上提出一种w e b 服务 非功能本体描述语言以及通用本体词汇集。 2 ) 匹配的层次和算法：为了提高匹配过程的效率，有必要对匹配过程建立 层次，以缩小匹配的目标范围。在此基础上，提出相应算法以实现w e b 服务功能和非功能特性的完整匹配。 1 4 论文的组织结构 本文的整体结构如下： 第一章是绪论部分，主要介绍w e b 服务及其语义发现方面的研究背景知识， 7 上海大学硕士学位论文 阐述了论文的研究意义和主要工作，说明了论文文章结构。 第二章介绍分析了语义w e b 服务匹配过程中涉及的关键技术。主要包括对 本体、本体描述语言及w e b 服务本体o w o s 的描述。 第三章分析非功能因素在w e b 服务匹配过程中的必要性和重要性，并提出 了非功能因素本体的三层结构及其本体描述语言，从两为非功能因素的语义匹 配建立了基础。 第四章在前面第二、三章对w e b 服务建立完整语义描述的基础上，考虑匹 配的效率，设计了一种高效、灵活的匹配算法，从而建立了一个完整的充分考 虑了非功能因素和功能因素的语义w e b 服务匹配模型。 第五章对前面所提模型进行了具体设计和实现，并通过一个实例对该模型 进行验证。 第六章是对全文工作的总结和对进一步工作的展望， 8 上海大学硕士学位论文 第二章语义w e b 相关技术 语义w e b 和w e b 服务是目前两个新兴的研究热点，它们都有着广阔的应用 前景。对w e b 服务技术而言，它虽然正被广泛采纳但也遭遇一系列问题急待解 决，如匹配的精确性、匹配和组合过程的自动化。而语义w e b 由于机器的可理 解性正好为w e b 服务提供了一个可行的解决方案。考虑到本文中不管是w e b 服务的功能匹配还是非功能匹配都是基于语义来实现的，本章将对语义w e b 相 关技术作一个介绍。 2 1 语义w e b “语义”意味着机器可处理的，对于数据来说，语义告诉了机器在这些数 据上所能做的操作。随着w e b 应用的迅速发展，w e b 应用面临着自动化及语 义保持的问题。对于用户提交的应用请求，如何根据语义信息执行分布在w e b 上的相关服务，并自动地进行这些服务问的切换，是语义w e b 被提出的动机 所在。使机器可存取w e b 数据并实现处理的自动化是语义w e b 的目标。就语 义w e b 本身而言，它是目前w e b 应用的扩展。语义网的发明人t u n b e m e r s l f 1 2 i 提出了语义网的一种层次化的结构，如图2 1 ： 图2 1w e b 服务发现模型 9 上海大学硕士学位论文 它主要基于x m l 1 3 】和r d f ( r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) r d f s ( r d f s c h e m a ) 【1 4 】1 1 5 1 ，并在此基础上提供本体和逻辑推理规则，以完成基于语义的知 识表示和推理，从而能为计算机所理解和处理。接下来介绍语义w e b 中的一些 相关技术。 2 1 1 本体( o n t o l o g y ) 本体是一个哲学上的概念。从哲学的范畴来说，本体是客观存在的个系统 的解释或说明，关心的是客观现实的抽象本质。g r u b e r 曾给出了本体的一个最为 流行的定义1 6 1 ，即“本体是概念模型的明确的规范说明”。后来，b o r s t 在此基础 上，绘出y o n t o l o g y 的另外一种定义；“o n t o l o g y 是共享概念模型的形式化规范说 明”t t r l 。本体提供了对特定领域知识的共享、普遍的理解，无论是人还是机器 之间都能够有效地进行语义上的理解和通信，对于实现语义w e b 所需要的语义层 次上的知识共享、知识重用有巨大优势。因此在语义w e b 中，本体具有非常重要 的地位，是解决语义层次上w e b 信息共享和交换的基础，成为语义网的重要技术 之一。 本体构建觌则 出于对各自问题域和具体工程的考虑，构建本体的过程各不相同。目前没有 一个标准的本体的构造方法。最有影响的是g r u b e r 在1 9 9 5 年提出的5 条规则【1 8 】： ! ) 明确性_ 秘客观性；即本体应该用自然语言对所定义的术语给出明确、客 观的语义定义。 2 ) 完全性：即所给出的定义是完整的，完全能表达所描述的术语的含义。 3 ) 一致性：即由术语缛出的推论与术语本身的含义是扭容的，不会产生矛 盾。 4 ) 最大单调可扩展性：向本体中添加通用或专用的术语时，不需要修改已 有的内容。 5 ) 最小承诺：对待建模对象给出尽可能少的约束 当前对构造本体论的方法和方法的性能评估还没有一个统一的标准，因此， 还是一个需要迸一步研究的方向不过在构造特定领域本体论的过程中有一 1 0 上海大学硕士学位论文 点是公认的，那就是该领域专家的参与。 本体语言 本体论的建立需要使用描述语言来实现。对于w e b 上的应用而言，需要一 个通用的标准语言来表示本体论，以避免在各种描述语言之间的转换。x m l 己 被认为是w e b 上数据交换的标准语言。现有的r d f s 、o i l 1 9 】例1 2 1 1 和o w l c z 2 口3 】 等都可被认为是基于x m l 的本体论描述语言。r d f s 主要用来定义r d f 所需的 基本结构，例如类( c l a s s e s ) 和属性( p r o p e r t i e s ) ，但由于其轻量级的设计，在 支持语义w e b 时存在着明显的不足，特别是在数据类型、枚举的一致表达等方 面存在缺陷。o w l 作为一种新的模式语言，旨在提供更强大的表达能力，目前 版本的o w l 还综合了o i l 等其他研究项目的成果。 o w l s 1 2 4 正是使用o w l 语言建立的w e b 服务的本体论。本文就利用 o w l s 描述服务的特点来实现服务匹配。本章2 2 中在对本体论技术和o w l 语言进行一定介绍的基础上，还将给出o w l - s 的详细描述。 构建本体的步骤 具体构建一个本体一般分为以下几步： 1 ) 定义本体中的类( c l a s s ) ，这里的类是指特定领域的概念。 2 ) 把这些类组织成一个层次化的结构。 3 ) 填充属性( p r o p e r t y ) 在相应的类上的值。 4 ) 定义属性和描述这些属性对相应类的限制。 2 1 2o w l 语言 语义w e b 的研究将使得访问w e b 资源不再仅仅依靠关键字来查找和访问， 而是根据内容来访问。w e b 服务作为w e b 上的一类越来越最重要的资源，同样 要求语义w e b 对其提供广泛的语义支持，从而实现语义w e b 服务。o w l - s 就 是一种用来描述w e b 服务属性和功能的o w l 本体规范，它使用一系列基本的 类和属性来描述服务，提供了一个可共享的框架。它的目标是使得w e b 服务成 为计算机可理解的实体，从而便于实现以下任务：服务的自动发现、选择、调 用、互操作、组合、执行监控等。 上海大学硕士学位论文 o w l 是建立在r d f s 基础上的新的本体语言，是d a m l + o i l 2 习嗍语言 的延伸，其基本语法和功能都与d a m l + o i l 接近，但丰富了语义定义机制， 添加了更多的用于描述属性和类的词汇，例如类之间的不相交性( d i s j o i n t n e s s ) 、 基数( c a r d i n a l i t y ) 、等价性、属性更丰富的类型，具有丰富的语义和关系逻辑表 示功能。 o w l 提供了三种表达能力递增的子语言鲫：o w ll i t e 、o w ld l 、o w l f u l l ，以分别用于特定的实现者和用户团体 0 w ll i f e ：提供最小的表达能力和最强的语义约束，适用于只需要层次式 分类结构和少量约束的本体，例如词典。因为其语义较为简单，o w ll i t e 比较 容易被工具支持。 o w ld l ：该子语言得名于它的逻辑基础一一描述逻辑。o w ld l 处于 0 w lf l l l l 和o w ll i t e 之间，兼顾表达能力和可计算性。o w ld l 支持所有的 o w l 语法结构，但在o w lf l 】1 l 之上加强了语义约束，使得能够提供计算完备 性( c o m p u t a t i o n a lc o m p l e t e n e s s ，即任何结论都能确保通过计算得到) 和可判定 性( d e c i d a b i l i t y ，所有结论都保证在有限时间内得到) 。 o w lf u l l ：提供最丰富的表达能力和最大的r d f 语法自由度，支持o w l 的全部语法结合，但没有可计算性保证。o w l 允许本体扩大预定义词汇的含义， 但o w lf l l l l 基本上不可能支持计算机自动推理。 2 2o w l s w e b 服务和语义w e b 都属于w e b 上的本体论研究，其共同目标都是通 过利用w e b 上人和机器都能够存取的内容，仓建智能自动服务及商务处理基础 设施。考虑以上二者的结合，实现功能互补是一种自然的选择。首先，用于描 述w e b 服务的w s d l 并不能很好地表达w e b 服务的语义信息，不包含服务 执行过程的信息，从而不支持动态性和自动化。其次，从语义w e b 的角度看， 一系列本体论能够通过a g e n t 使w e b 服务自动地被发现、激活及执行，并且 本体论为服务及服务间关系的描述提供了强有力的手段。语义w e b 服务是语 义w e b 和w e b 服务的结合，可为w e b 服务的发现、执行、解释和组合的自动 上海大学硕士学位论文 化提供有效的支持。 目前，语义w e b 服务的主要实现方法是利用本体来描述w c b 服务，然后 通过这些带有语义信息的描述来实现服务的自动发现、调用和组装。o w l 框 架下的o w l - s 是国际上语义w e b 服务描述模型方面的主要研究成果，它是 b b n t e e h n o l p i e s ，n o l d a ，s r ii n t e r n a t i o n a l ，c m u ，s t a n f o r d ，y a l e 等联合定义 的一种描述w e b 服务的标记模型，为提供机器可解释的、精确的、关于w c b 服务属性和能力的描述而提供了一系列标记符。它是基于o w l 语言为描述 w e b 服务而定义的一个本体，主要通过服务p r 0 丘l c ( s e r v i p r o f i l e ) ，服务模 型( s e r v i c e m o d e l ) 和服务绑定( s e r v i c e g r o u n d i n g ) 三个类来描述服务做什么、 服务如何做、服务如何访问等三方面的语义，从而允许服务的自动发现、执行、 组合和运行的监视。o w l - s 顶层本体结构如图2 2 所示： 图2 2w e b 服务发现模型 s e r v i c e 类为声明w e b 服务提供了一个结构化的模板；对于每一个发布的 服务都存在一个s e r v i c e 实例。属性p r e s e n t s 、d e s c r i b e d b y 和s u p p o r t s 都是s e r v i c e 类的属性。类s e r v i c e p r o f i l e 、s c r v i c e m o d c l 和s e r v i c 础o u n d i n g 是这些属性各 自对应的类。s e r v i c e 的每一个实例都提供了一个s e r v i e c p r o f i l e 的子类，它被 s e r v i c e m o d e l 子类描述，并支持s e r v i c e g r o u n d i n g 子类。具体的p r o f i l e s ，m o d e l s 和g r o u n d i n g s 会随着服务类型和s e r v i c e 子类的不同而变化很大。但是三个类 中的每个类都会提供服务的必要信息，下面简单说明一下这三个子类，后面几 节将对它们进行详细的介绍。 上海大学硕士学位论文 s e r v i c e p r o f f l e 告诉我们“服务做了什么”，它主要是为一个寻找服务的a g e n t 提供有关信息类型来帮助a g e n t 决定该服务是否能满足a g e n t 的需求。 s e r v i c e p r o f i l e 还可以用来描述a g e n t 的需求，从而一个匹配者可以做出双向的 表达； s e r v i e e m o d e l 告诉我们“服务是怎么工作的”，也就是描述了服务在执行时 将会发生什么。对于那些非平凡的服务( 一些组合服务) ，该描述可能被一个 a g e n t 依照以下4 种不同的方式使用： 1 ) 对于该服务是否符合要求进行更深层次的分析。 2 ) 由多个服务给出组合服务的描述用于完成一个任务。 3 ) 在服务制定阶段，完成多个参与者之间的协同 4 ) 监控一个服务的执行。 s e r v i c e g r o u n d i n g 指定了一个a g e n t 如何访问一个服务的细节。通常它会指 定消息格式、通信协议、以及其他如端口号等和服务相关的细节。另外， s e r v i e e g r o t m d i n g 必须指定对于在s e r v i c e m o d e l 中说明的抽象类型，在进行信 息交换时的数据元素的明确的表达方式( 也就是说这些数据是如何序列化传输 的) 。 总的来讲，s e r v i e e p r o f i l e 提供了一个a g e n t 发现服务所需的信息，而服务 的s e r v i e e m o d e l 和s e r v i c e g r o u n d i n g 一起为a g e n t 能够进一步使用服务提供了 足够的信息。 2 2 1s e r v i c e p r o f i l e 服务市场上进行一个交易需要有三方参加：服务请求者，服务提供者和基 础组件。服务请求者相当于买方，他需要寻找一个服务来完成他的任务；服务 提供者相当于卖方，他提供服务请求者需要的服务。在l m t e n a e t 这个开放的环 境下，服务请求者一般预先不知道提供者的存在，所以他需要依托一些基础组 件如一些注册中心来找到他需要的服务。注册中心的角色在于帮助请隶者和提 供者就服务做出匹配。在o w l s 结构中，s e r v i c e p r o f i l e 提供了一个方式来描 述服务提供者提供的服务和服务请求者所需的服务。 1 4 上海大学硕士学位论文 s e r v i c e p r o f i l e 的最大特点就是双向性，服务提供者可以用p r o 日e 描述服务 的功能，服务请求者可以用p r 0 丘l e 描述对服务的需求。这样服务发现时，匹配 器可以利用这种双向的信息进行匹配。在本文中考虑到匹配双方在非功能属性 描述需求的不同( 比如服务请求者描述自己对服务的非功能需求时，对每个非 功能属性均设有i s n e c e s s a r y 选项，以表达服务请求者对该非功能属性的重视程 度，而服务提供商描述服务时则不需该属性。) ，对s e r v i c e p r o f i l e 中到非功能 本体的链接作了如下修改：对服务请求者描述所需服务的需求，则链接到 n f r e q u e s t p r o f i l e ( n o n - f u n c t i o n a lr e q u c 斌p r 0 6 l c ) 本体( 详见后) ；对服务提 供商描述服务的特性，则链接到n f w s p r o f i l e ( n o n - f u n c t i o n a lw e bs e r v i c e p r o f i l e ) 本体。 另一方面，s e r v i c e p r o f i l e 是r e g i s t r y - m o d e l - n e u t r a l 的，也就是说，p f o 岔e 支持各种各样的注册模式，最常用的注册模式比如u d d i 的基于服务注册中心 的集中式解决方案。而在特殊情况下( 比如某个服务供不应求) ，可以建立服务 请求的注册中心，对每个服务请求进行注册。当服务响应完一个请求后，从注 册中心中取出下一个进行响应。这与u d d i 是完全相反的一个过程。由于 s e r v i c ep r o f i l e 是双向的，它完全支持这种方式