（计算机软件与理论专业论文）基于语义本体的web服务发现机制的研究.pdf

虫銮盔耋耍主堂垡迨耋 摘要 w e b n 务改变了传统的w e b 应用模式，通过标准的接口、完善的服务描述，以 最优方式帮助w e b 用户完成特定目标。当前w e b 服务的研究重点是w e b 服务发现技 术。w e b 服务发现使服务使用者能够找到合适的功能，并使w e b 服务的自动组合成 为可能。 目前主流的w e b n 侵务技术如w s d l u d d i 仅提供服务的基本关键字和基于框架 的发现机制，在服务的查全率和查准率有着明显的不足。而w e b 服务的特性启发 我们以机器可处理的结构化形式语义化的描述w e b h r 务功能，将w e b 服务的发现问 题转换为基于语义的推理过程，从而可以语义w e b 领域的成果有效的发现w e b 服 务。基于语义的w e b 服务发现直接支持w e b 服务发现、执行和组合过程的自动化。 另一方面，w e b 语义化研究有了很大进展：语义w e b 是w 3 c 提出的下一代w e b ， 增强了w e b 资源的语义表示，使机器能自动处理w e b 数据r d f 和o w l 是体实现语义 w e b 的基本语言，目前己成为w 3 c 推荐标准；面向w e b 服务的本体论语言如o w l - s 则从本体论的角度对w e b 服务的进行语义描述 本文从w e b 服务的功能性角度出发，扩展w e b 服务的语义描述，进而讨论基于 语义本体实现w e b 服务自动发现。论文比较全面的介绍了w e b 服务及发现机制、语 义w e b 、本体和o w l 的相关知识背景，探讨了语义w e b 在w e b 服务发现技术中的应用， 提出了一种基于语义本体的应用集成平台，并研究了如何在其中实现结合语义本 体技术的w e b 服务发现。 关键词：服务发现，w e b 月l 务，语义w e b 本体 a b s t r a c t w e bs o l v i c e sh a v ec h a n g e dt h et r a d i t i o n a lm o d eo f w e ba p p l i c a t i o n s n ew e b s e r v i c e sh e l pu s e r sa c c o m p l i s ht h e i rt a s ki nab e s tn l a n u e rb yt h es t a n d a r d i z e d i n t e r f a c e sa n dc o m p r e h e n s i v es e r v i c ed e s c r i p t i o n sp r o v i d e d t h ek e yr e s e a r c ho f w e b s e r v i c et e c h n o l o g i e si sd i s c o v e r yo f w e bs e r v i c e i ta l l o w st h es e r v i c er e q u e s w rt o f i n do u tt h em o s ts u i t a b l ef u n c t i o n a l i t y , a n dm a k et h ea u t o m a t i cc o m p o s i t i o no f w e b s e r v i c ep o s s i b l e t h ec u r r e n td i s c o v e r yt e c h n o l o 西e so f w e bs e r v i c es u c ha sw s d l u d d ia r e k e yw o r d - b a s e do rf r a m e - b a s e d ，w h i c hh a v eo b v i o u sd i s a d v a n t a g eo np r e c i s i o na n d 。r e c a l l h o w e v e r , t h ec h a r a c t e r i s t i co f w e bs e r v i c es u g g e s tu st od e s c r i b et h es e n m n t i c s o f t h ew e bs e r v i c ei nas t r u c t u r a lf o r mw h i c hc a l lb em a c h i n e - p r o c e s s a b l e t h e nt h e p r o b l e mo f w e b s e r v i c ed i s c o v e r yc a nb et r a n s f o r m e di n t ot h es e m a n t i cb a s e d r e a s o n i n gp r o c e s s ，a n dw e1 3 a ne x p l o i tt h ea d v a n t a g e so f s e m a n t i cw e b o nt h eo t h e rh a n d ，r e s e a r c ho nt h es e m a n t i cw e bi sp r o g r e s s i n g ：s e m a n t i cw e b i st h en e x tg e n e r a t i o no f w e bt e c h n o l o g yw h i c he n h a n c e ss e m a n t i cr e p r e s e n t a t i o no f w e br e s o u r c e s s ot h ec o m p u t e rc a np r o c e s sw e bd a t aa u t o m a t i c a l l y t h eb a s e s e m a n t i cw e b l a n g u a g er d fa n do w l h a sb e c o m et h er e c o m m e n d a t i o no f w 3 c ，a n d o t h e rw e bs e r v i c e - o r i e n t e dl a n g u a g e ss u c ha so w l st r yt od e s c r i b ew e bs e r v i c e s e m a n t i c sf r o mo n t o l o g yp e r s p e c t i v e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do f w e bs e r v i c ea n di t sd i s c o v e r y m e c h a n i s m ，s e m a n t i cw e b ，o n t o l o g ya n do w l a f t e rt h a tt h i sp a p e rd e s c r i b e sa s e m a n t i cw e bs e r v i c e - b a s e da p p l i c a t i o ni n t e g r a t i o np l a t f o r ma n dd e s i g n si t sd i s c o v c r y m e c h a n i s mo f w e bs e r v i c e sw i t hs e m a n t i co n t o l o g yt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：s o r v i o ed i s o o v e r y w e b8 e r v i c e s e m a n t i cw e b o n l ：o i o g y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：至趁日期：2 翌生堡： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：圭绌导师签名： _ w 日期：釜竺曼：! ：! 第一章绪论 1 1 引言 w e b 服务技术嘲是随着互联网的发展而出现并不断发展、成熟，从集中式发 展到分布式。w e b 服务作为一种新兴的w e b 应用模式，是一个崭新的分布式计算 模型，是w e b 上信息和应用集成的有效机制。在商务应用中，w e b 服务能够解决 传统电子商务应用的高维护代价和更新代价问题，成为目前应用环境中最为合理 的解决方案 随着互连网络的广泛应用和高速发展，各种功能的w e b j i 务不断出现，其数 量也日益俱增。w e b 已, 从静态页面的存储发展到了今天的交互式的、自动的、智 能的w e b 服务存储。多个w e b 服务的协作能满足用户动态地、即时地提出的信息提 供、任务执行、商业交易的需要。w e b 服务为应用开发者和终端用户带来了前所 未有的优势。由于w e b 服务采用被广泛接受的标准如s o a p “嘲等，w e b 服务应用模 式简化了商业应用的开发和交互，实现了代码重用和松耦合嘲。此外，它还提供 给终端用户直观的浏览界面，使得他们来选择，设定和组装自己的w e b j t 务。但 是与此同时，面对表现形式和复杂性都可能不相同的服务，如何正确、高效地从 如此众多的w e b 服务中找到自己所需的服务则变得越来越具有挑战性。由于w e b 数量的急剧增多，用户将面临大量功能相似的服务选择，如何从众多的功能相似 的w e b 服务中发现最佳服务同样也成为当今w e b 服务的热点研究之一。而这些正是 研究w e b 服务发现的目的。因此，进行提高w e b 服务发现的能力的研究具有重要意 义。高效的w e b 服务发现技术成为用户有效利用w e b j 匣务的关键。为此，众多研究 人员针对提高w e b l 虽务发现高效性和准确性展开了研究。目前，基于w e b 服务发现 的研究主要体现在如下几个方面：( 1 ) 扩充w e b j 艮务的语义信息描述，以提供2 j w e b 服务发现的支持；( 2 ) 在服务描述的基础上研究支持智能化的语义匹配，以提供 对服务准确发现；( 3 ) 支持基于语义的w e b 服务发现的相关研究热点，如服务择优、 服务质量评价等问题。 ， 1 2w e b 服务发现面临的问题 w e b 服务发现，就是客户以某种方式在这些不同类型的w e b 服务中找到其想 出奎奎堂堡圭兰垡垒塞 要的服务，以执行w e b 服务请求“捌。而w e b 服务发现离不开w e b 服务描述技 术的支持。w e b 服务的描述提供了标准性和简单性，使w e b 服务能互操作，它也 是进行w e b 服务被正确定位后的其它步骤的基础。目前在w e b 服务的描述和发现 方面，仍然存在着许多技术缺陷，制约着w e b 服务的准确、高效的发现。主要体 现在以下一些方面“： 1 ) 以语法性的语言描述的w e b 服务，主要是面向用户直接阅读的，不利于计 算机直接阅读和处理： 2 ) 不同团体对同一领域事物的认识和表示往往不同，使得来自服务提供者 与服务请求者关于同w e b 服务的描述存在着冲突，这种认识上的差异所产生的 百e b 服务描述差异具体表现在：( a ) 不同的服务描述使用多种术语或者词汇表达 同一概念；( b ) 同一概念在不同的服务描述中表达不同的含义； ( c ) 各服务描述 使用不同的结构来表达相同或者相似的信息； 3 ) 以关键字匹配的方式扭力为主的检索，根据发布服务描述中是否包含请求 查询中的关键词来返回结果，由于许多不相关的服务也会在它的描述中包含查询 关键词，在检索的结果中往往会出现很多不相关的w e b ) j 艮务，随着服务数量的增 大，检索的准确率就越低。同时这种关键字匹配的方法，查询关键词与发布服务 描述中的关键词可能是语义相同但是非语法相同的，遗漏了大量与检索概念同义 或相关的内容信息，因此检索在查全率方面不高，难以达到期望效果； 4 ) 服务的检索只是对服务功能描述的关键词匹配，无法充分反映服务所提 供服务的功能信息，造成服务检索结果不理想； 5 ) 针对大量相似服务的发现，缺乏高效的w e b 服务择优策略以实现最佳服务 的发现。 1 3w e b 服务发现与语义本体相结合 作为w e b 服务技术的关键之一，服务发现对实现w e b 服务至关重要。如前所述， 基于w e b 的应用为客户提供了不同类型的w e b 服务，w e b 服务发现是以某种方式在 这些w e b 服务中找到其想要的服务。w e b 服务发现是w e b 服务系统架构中的一个重 要部分。而传统的服务发现技术是通过精确匹配实现的，不能较好地支持基于概 率和语义约束“州的模糊匹配，使得服务执行的整个过程受到影响，而且语义冲 突问题也没有可行的解决方案。 2 山东大学硕士学位论文 目前主流的w e b 服务技术如w s d l u d d i m 仅提供服务的基本描述和基于框架 的发现机制啪“1 ，显然不能满足w e b 服务自动发现甚至组合的要求。而且针对服 务发现过程中的重要步骤：查询条件与服务描述的匹配3 ”，仅提供了基于框架 和精确匹配的方法，远不能自动准确的发现所查找的功能性。 服务发现研究中的一个重点是如何将请求条件与服务描述进行匹配。技术信 息如语法，类型等的匹配很简单；更复杂的是将请求功能型描述与w e b 服务本身 的功能性对比，这直接关系到服务发现的准确与否，目前的研究集中在将功能性 的描述转换为服务的目标、输入输出模式和状态条件，然后再进行匹配。典型的 语义标记语言有r i ) f 及其上的0 w l 即1 。 w e b j 匣务发现技术是w e b 服务体系中的重中之重，是制约w e b 服务技术能否发 展并且成熟的瓶颈，在w e b 服务描述的基础上研究有效的w e b 服务发现十分重要。 随着w e b 服务技术的迅速发展，w e b 服务面临着自动化及语义化的问题。对于 用户提交的应用请求，如何根据语义信息高效的搜索所需要的w e b 服务，并且执 行分布在各处的相关服务，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。它能够描述一定的语义，使计算机及人 类能够更好地协调合作。从语义w e b 的表示方式来看，可以认为它是r d f 和元数据 对w e b 上数据的抽象表示，是本体论领域模型的具体表示和应用实例”。而本体 论是一组概念及这些概念间关联描述的集合，它描述了包括客观事物及它们之间 联系的领域知识。基于语义w e b 的服务描述语言如d a m l - s ，o w l ”，建立在x m l 和r d f 的基础上，为机器提供了读取数据以及对数据进行解释和推理的能力，使 得面向人的w e b 转换到了语义w e b 。 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 b 、本体论和语义推理应用至l j w e b 服务的查找和匹配 中则具有极高的研究价值。从这个意义上说，w e b j 匣务发现是语义w e b 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l 虱将人 类的智慧转化为机器的智能，使其能代表人类工作。实现语义w e b 的目标相当困 山东大学硕士学位论文 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。 1 4 主要研究内容和意义 为了有效地实现w e b 服务的应用价值需要解决如下关键问题踟：如何发现满 足需要的服务；如何选择最佳服务等。以上问题的解决，都将为最终实现w e b 服 务的潜能提供先进的、便利的和可靠的技术基础。本文融合了己有服务发现策略 的优势，提出了一种简单、实用、可实现服务准确匹配的服务发现策略。基本思 想吼”：( 1 ) 所有服务基于w e b 服务本体定义，实现对服务的语义描述，保证发布 的服务满足相同的描述规范；( 2 ) 扩展服务描述语义信息；( 3 ) 在服务匹配过程 中，基于语义本体，应用服务匹配算法获得满足服务请求的w e b 服务集；( 4 ) 最 后，基于w e b 服务择优策略。棚对得到的服务集进行筛选，以提供给服务请求者最 佳的服务。为此，本文针对如下几个关键问题展开研究： ( 1 ) w e b 报务语义描述的研究 主要研究如何运用语义本体定义和表示w e b 服务。服务描述旨在为服务提供 者和服务请求者提供标准的方式来描述，是服务发现的基础。本文参考w e b 服务 本体o w l - s o ，分别设计了相关的服务本体和领域本体，并运用到既定的w e b 服务 匹配算法中，为更好地实现高效、准确的服务发现提供了基础。 ( 2 ) w e b 服务语义匹配研究 一一 根据智能化和高效性的要求，研究怎样基于语义描述和本体论对发布服务描 述与请求服务描述进行匹配。服务的匹配是服务发现的一个关键问题。目前，为 了提高服务发现过程中服务匹配的能力，许多方法都考虑有效利用本体论技术， 对服务进行语义匹配。本文在w e b 瑕务语义描述的基础上，提出了以基于功能的 w e b 服务语义相似匹配和服务输入输出信息匹配为主的服务发现模型，对其做了 详细的阐述。该匹配方法充分利用了w e b n 匣务中存在的潜在的语义，在服务功能 语义描述基础上，通过对服务功能的输出、输入进行语义相似匹配，很大程度上 提高了服务检索的查准率和查全率。当存在大量功能相似服务时，通过相似度的 筛选，实现最佳服务的发现 本文在这种背景下进行了尝试性研究，主要做了以下的探索： 4 山东大学硕士学位论文 i ) 提出一种基于语义本体的应用集成平台，着重研究平台内部服务发现机 制的设计； 2 ) 运用语义本体定义和描述w e b 服务，扩展w e b 服务的语义描述信息，使服 务注册和服务请求使用相同的语义信息模板； 3 ) 设计基于语义本体的服务匹配算法，获得满足服务请求需要的服务集 合； 4 ) 设计服务语义匹配度的定义和计算方法，以支持对可选服务集合的择优 机制。 1 5 本文的组织结构 本文共分为七章。第一章提出了当前w e b 服务发现技术面临的问题和提出将 服务发现技术和语义本体技术相结合的思路；第二章探讨了w e b 服务模型和协议 栈结构，以及对服务发现技术的要求；第三章介绍了如何运用语义w e b 、本体和 o w l 对w e b 服务扩展语义信息描述；第四章提出了一种基于语义本体的应用集成 平台框架，以及在此框架内部本文的研究重点；第五章阐述了在该平台中结合语 义本体技术的服务发现机制的设计方案；第六章描述了服务匹配组件的择优机 制；第七章总结本文的研究，并对未来的工作做出了展望。 第二章基于语义w e b 的应用集成平台 针对w e b 服务的自治性、异构性和动态性，用户希望拥有新一代的应用集成 技术和工具以帮助其利用现有的w e b 服务快速、动态地创建各种新的应用。但当 前的w e b j 艮务应用集成技术缺乏灵活性，被集成的各部分之间都是基于接口的匹 配而融合在一起的，一旦提供某一部分技术的企业退出，或者接口发生变化，就 可能使得原来的应用集成系统无法正常的工作，必须重新制定集成的方案。因此， 对于可支持动态组织的、不断变化需求的和灵活的企业i t 环境而言，它们并不 能起到强大的推动作用。 本文的研究着眼于将w e b 服务技术与语义本体技术相结合，提出了一种基于 语义w e b 的应用集成平台的框架( s e m a n t i cw e bs e r v i c e b a s e da p p l i c a t i o n i n t e g r a t i o np l a t f o r m ，s w s a 口) 。该框架以成为标准的w e b 服务作为集成的元素， 并利用语义和本体技术对w e b 服务赋予语义定义与描述，建立了一个基于语义的 w e b 服务注册与发现平台，并且可以通过组合不同的w e b 服务动态的集成出新的 应用。 2 1w e b 服务发现技术 2 1 1w e b 服务模型与协议栈 w e b 服务是一系列采用松耦合方式，并且可以重复使用的分布式软件组件。 它在i n t e r n e t i n t r a n e t 上通过标准的x m l 协议“”和信息格式来发布和访问商业 应用服务。w e b j 艮务使用标准的、规范的x m l 进行描述，该描述包括消息格式( 详 细描述操作) 、传输协议和位置，它隐藏了实现服务的细节，支持松散耦合。它 能够快速地开发、发现、发布和动态地绑定应用服务。从外部使用者的角度而言， w e b 服务是一种部署在w e b 上的对象组件，它具备以下特征伍“： 1 ) 良好的封装性：w e b 服务既然是一种部署在w e b 上的对象，自然具备对象 的良好封装性，对于使用者而言，他能且仅能看到该对象提供的功能列表。 2 ) 松耦合性：这一特征也是源于对象组件技术，当一个w e b 服务的实现发 生变更的时候，调用者是不会感到这一点的，对于调用者来说，只要w e b j 民务的 调用界面不变，w e b 服务的实现任何变更对他们来说都是透明的。当w e b j r 务的接 6 山东大学硕士学位论文 口发生改变的时候，w e b 服务的使用者可以通过到u d d i 中自动重新查找、绑定而 适应这种改变。 3 ) 使用协约的规范性：作为w e b 服务，其所有公共协约完全需要使用开放的 标准协议进行描述、传输和交换。这些标准协议具有完全免费的规范，以便由任 意方进行实现。一般而言，绝大多数规范将最终i 扫w 3 c 或o a s i s 旧作为最终版本 的发布方和维护方。 4 ) 高度可集成能力：由于宵e b 服务采取简单的、易理解的标准w e b 协议作为 组件界面描述和协同描述规范，完全屏蔽了不同软件平台的差异，我们可以在任 何平台下使用任何程序设计语言来编写程序调用w e b 服务。因此，无论是c o r b a 、 d c o m 还是e j b 都可以通过这一种标准的协议进行互操作，实现了在当前环境下最 高的可集成性。 这样就可以使应用程序开发者不必再担心系统基础架构，可以把注意力集中 在编写有用的应用程序上；减少开发应用程序的时间和花费；使企业能够更快速 地响应不断变化的市场或者更快地适应竞争压力；还能够帮助客户和商业用户访 问高度个性化的应用程序。 从面向应用的角度描述w e b 服务的基本模型架构陆”，w e b 服务模型由3 个 参与3 个基本操作构成。3 个参与者分别是服务提供者、服务请求者和服务代理， 而3 个基本操作分别为发布( p u b l i s h ) 、发现( d i s c o v e r ) 和绑定( b i n d ) 。如图 2 1 所示： 图2 - 1w e b 服务的模型 服务提供者将其服务发布到服务代理的一个目录上；当服务请求者需要调用 某个服务时，它首先利用服务代理提供的目录去搜索所需的服务，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。当服务请求者 7 当銮态兰堡圭堂丝丝窒 从服务代理得到调用所需服务的信息之后，通信是在服务请求者和提供者之间直 接进行，无须再经过服务代理。w e b 服务架构通过一系列标准和协议实现，例如 使用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 ) “”来描述服务，使用 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 yi n t e g r a t i o n ) 陆”来发布、发现服务， 而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 ) “”被用来执行服务调用。在w e b 服务 架构的各模块间以及模块内部，消息以删l 格式传递。其原因在于，以x m l 格式表 示的消息易于阅读和理解，并且列l 文档具有跨平台性和松藕合的结构特点。从 应用的角度看，从工作流到查询数据库，直到外部系统交换信息，x m l 格式表示 的消息封装了词汇表，可以同时在系统内部和外部使用；它还有较好的弹性和可 扩展性，允许使用附加的信息，并且x m l 标签提供了可访问的入口，从而增强了 互操作性，为信息的自动处理提供了可能。 实现一个完整的w e b 服务体系需要有一系列的协议规范来支撑。w e b 服务的协 议栈结构。1 如表2 - 1 所示。其中，最下面两层是已经定义好的并且广泛使用的传 输层和网络层的标准：i p 、h t t p 、s m t p “”等。而中间四层是目前开发的w e b 服 务的相关标准协议，包括服务调用协议s o a p 、服务描述协议w s d l 和服务发现集 成协议u d d i ，以及服务工作流描述语言w s f l “”等。侧面的垂直层是各个协议层的 公用机制，这些机制一般由外部的正交机制来完成。这几个垂直条在协议栈的每 一层都必须得到解决。每一层的解决方案可以彼此独立。 服务流程层 w s f l 等 服务发现集成层 u d d i 服服 服务描述层 w s d l 务 安 务 全 管质 消息传输层 s o a p 理 量 性 传输层 啪阿p ，f t p 、s m t p 网络层i p v 4 、i p v 6 表2 - 1w e b 服务的协议栈结构 w e b b 艮务中的关键问题有两个：w e b 服务的描述和霄e b 服务的发现。w e b 服务的 描述提供了标准性和简单性，使w e b 服务能互操作，它也是进行w e b 服务被正确定 位后的其它步骤的基础，因为服务描述文档是w e b 服务的元数据。w e b 服务描述定 义t w e b 睦务体系中所有的特定类型，包括服务基础支撑类型和特定服务类型的 s 山东大学硕士学位论文 功能、行为、其它属性的类型信息。目前大多数w e b 服务描述都是语法性的，如 w s d l 。w s d l 规范从语法上对w e b j i 务的接口和实现等技术细节进行了描述，但并 不能很好地表达w e b 服务的语义信息：而实际应用中要求服务的执行具有动态性， 并且能够达到自动化。 w e b 服务发现则是使服务使用者找到合适的功能，并使w e b 服务的自动组合 成为可能。不同类型的w e b 服务可能具有不同的形式，并且它们的复杂程度不相 同。w e b 服务发现，就是客户以某种方式在这些不同类型的w e b 服务中找到其想 要的服务，以执行w e b 服务请求。 2 1 2 服务发现的要求 服务发现是定位服务提供者以及检索服务描述信息的过程，并且是整个w e b 服务模型的关键。就发现模式而言，服务发现有两大类：有目的的和无目的的。 “有目的的”发现是为了完成特定的任务，寻找其最佳操作流程的过程。“无目 的的”发现是被动接受服务信息或者为了得到可能的可用服务，而遍历有可能无 限空间的服务集合。除发现机制支持的模式以外，信息传播点的选择和发现成本 是评价服务发现技术的重要指标。无论是集中式发现架构还是分布式架构，都应 该满足服务集成和组合的性能和成本要求。 为了让用户更让机器能有效和自动的寻找和选取合适的w e b 服务，首先要理 清达到这个目的所要满足的基本及高级需求，即必要条件，在此基础上才能深入 探讨有针对性的解决方案。 首先来看服务发现的基本过程，在前文所述w e b 服务模型架构中，w e b 服务发 现其实是通过服务代理者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 ) 服务提供者描述其提供的服务( 服务描述) 2 ) 服务代理对服务描述进行分类并发布( 服务发布) ； 3 ) 服务请求者询问服务代理是否存在具有合适功能性的服务提供者( 请求者 需求描述) ； 4 ) 服务代理将服务请求者的需求与存储的服务描述进行匹配并返回结果( 服 务匹配) ； 由此，服务请求者就能够根据查找到的目标服务描述中的调用信息来调用该 9 坐壅奎主堡兰丝丝茎 w e b 服务了。 为了达到高效性，整个发现过程必须达到一些基本的需求。接下来，分析一 下上面提到的服务发现过程中四个步骤的各自的基本需求： 1 ) 服务描述的要求： 对w e b 服务的功能进行描述对服务分类、发现、集成至关重要，服务描述必 须满足以下条件： 包含功能性的描述，如服务能做什么以及必须的消息序列； 包含非功能性的描述，包括服务分类法、安全、服务质量等； 包含行为性的信息，如服务交互，服务状态转换信息； 不仅能被人理解，而且机器也能解释服务描述，这要求服务描述同时 包含语法和语义信息，以便在不同层面支持w e b 服务的使用： 对服务描述的这些要求使服务描述的自动推理和组合成为可能，语义本体是 实现这种功能的一种技术。通过使用r d f 0 w l 等描述服务的本体，并按语义层次 组织起来，就能对这些概念进行自动推理。 2 ) 服务发布的要求： 服务的发布是使服务可用的基本操作。发布的服务可以是面向终端用户的或 者面向外部系统的技术性服务。主要的要求有： 提供面向编程的发布接口和w e b 发布接口以及一定级别的自动化发布 功能，以适应不断增长的服务数量； 服务代理的匹配算法应具有有效的分类法，以便对服务描述良好的管 理、准确的匹配。 3 ) 请求者需求描述的要求： 服务请求描述是服务发现过程重要的一部分，必须能准确地描述需求。为了 能使服务请求与已发布服务能在语义基础上进行匹配，需求描述必须遵循与服务 发布时相同的服务描述规范。请求者需求描述准确与否直接决定了服务发现结果 的优劣，对需求的描述必须与服务本身的描述的要求一致。 4 ) 服务匹配的要求： 服务匹配过程通过对比已有的服务描述和请求者需求，找到服务请求者请求 的服务功能，这是w e b 服务能否很好使用的关键，必须支持以下特性； t 0 山东大学硕士学位论文 全面匹配描述中的语法和语义信息，而不是传统的基于关键字匹配。 这点对避免语法语义等价性的不一致很重要，同时可以满足终端用 户和外部系统的不同需求，前者仅需要语义等价即可，后者因为要对 w e b 服务组合、集成，需要更深层次的技术层面的语法等价性，而实 际匹配中要遵循语义匹配语法匹配的顺序进行； 匹配过程支持w e b 服务绑定。这意味着必须提供面向编程的接口或w e b 接口以满足不同要求； 支持w e b 服务的自动组合及集成。因为服务组合使单一功能集成以提 供满足用户需求的组合w e b 服务，服务描述必须提供某种声明性的信 息反映使用服务的前提和结果从而支持自动服务组合。 2 1 3 目前的服务发现技术 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 框架和关键字进行精确匹配，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哪： 1 ) 直接检索：效率和实用性不高，仅用于测试或内部； 2 ) 集中式架构：此架构提供一个中心目录，服务提供者在其中注册服务， 发布服务公告及引用。典型的架构是u d d i ； 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。 从服务匹配机制上看，w e b 服务发现可以分成以下三类： 1 ) 基于关键字的，类似于传统的搜索引擎的工作方式； 2 ) 基于框架的，根据分类法和功能归类服务，服务发现归结为结构化查找： 3 ) 基于语义本体的，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。 可以采用信息检索中的某些评价标准来评伽e b 服务发现技术的性能，例如 查准率( p r e c i s i o n ) 和查全率( r e c a l l ) m 。目前主要w e b 服务发现技术及其比较 见表2 2 ： 服务发现技术 查准率查全率 实现难度 基于关键字低高一般 基于框架高低一般 基于语义本体 高 高 难 表2 _ 2w e b 服务发现技术比较 大多数服务发现技术都是表中前两种技术的结合，如u d d i 。基于语义本体的 方法是对前两者的进一步改进，所有服务的功能信息都进行语义描述。但是服务 的语义描述和服务的语义推理都具有很高的计算复杂性，使得该方法并不能应用 到实际中。利用o w l - s 的w e b 服务发现技术模型定义了服务本体和领域本体，并将 w e b 服务通过索引建立到本体上，与前面2 种技术相比，这种技术中的语义查询以 x m l 格式定义，具有高查准率和高查全率的特点，这也是本论文讨论的内容。 2 2 语义w e b 、本体和o w l 语义w e b 是由w w w 的创始人t i mb e r n e r s l e e 作为第二代w e b 的概念提出来的。 “语义”的意思是指“机器可处理的”圆。 2 2 1 语义w e b 及其分层结构 语3 ( w e b 是指w e b 上的能够被机器处理的相互联系在一起的信息网格，是对现 有的w e b 进行扩充使其中信息的语义能得到形式化表达，从而使这些信息容易被 计算机所自动处理。对语义的描述就是元数据，通过添加元数据，w e b 为各种智 能和自动化的w e b 应用奠定了基础。语义w e b 主要实现以下目标讶： 1 ) 表达意义：将w e b 资源的含义以一种结构化的形式表达出来，改变目前w e b 内容面向人工处理的表示方式，使计算机能自动处理w e b 的语义，理解其含义， 能代替人类自动处理信息，从这个角度看，语) 辽w e b 集成了w e b 的普遍性和尽可能 分散的特点； 2 ) 知识表示：与人工智能中的知识表示有联系也有很大的区别，其中重要 的不同点是传统知识表示是集中式控制的，也即概念定义是全局的，这种方式无 法适应w e b 高度分布式的结构。语义w e b 针对w e b 的特点提出了基于o n t o l o g y 的知 识表示，能很好的支持高度分布式应用如w e b 服务描述与发现； 3 ) 本体( o n t o l o g y ) ( 概念知识说明) ：本体是语义霄e b 的基础，它是用来描述 山东大学硕士学位论文 语义信息的元数据。在语义w e b 中，人们都可以定义自己的语义表述，但是在与 其它服务交互时需要有一种机制声明所定义的概念，否则就不可能解释元数据的 含义。本体论定义了对象的类以及这些类间的关系，还定义了推理规则，以文档 的形式随语义描述一起发布，已经发布的本体论语言标准是o w l ； 4 ) 知识的演化：语义w e b 中人们可以很方便的根据自身需要定义概念知识， 而语x w e b 规定了统一的语义标记语言，可以将这些层出不穷的概念组织在一起， 大大加快w e b 知识的优化和更新。 目前w e b 所面临的问题主要是元数据信息的处理及语义的缺乏，导致了w e b 的信息只是机器可读的，而不是机器可理解的。语义w e b 的目的就是要提供一种 具有语义支持的计算平台，这样可以以一种机器可以处理的方式来表示和处理信 息。语5 ( w e b 是一种逻辑上一致的数据，是一种体系结构，图2 2 是语5 ( w e b 的体 系结构协”。 图2 - 2 语) 迁w e b 的体系结构 在语义化w e b 的分层结构中，u n i c o d e 和u r i 是整个语义化w e b 的语法表示基 础，u n i c o d e 提供了资源编码，而u r i 用于标识资源。第二层x l i l + x m l - n s + 瑚l s 提 供了表示数据内容和结构的语法；第- - n 第五层是语义化w e b 提供语义交互支持 的核心，其中r d f + r d f s 提供了描述w e b 资源的数据模型及类型原语，这样可以表 示论断、定义模式，而o n t o l o g y 层是在r d f s 基础上定义的概念和关系抽象描述， 用于描述应用领域的知识，而第五层主要定义逻辑描述原语，为更高层的逻辑推 理提供语义上的支持。第六和第七层主要是在下面各层提供的功能基础上进行逻 辑推理、证明等操作嘲。 ， 当奎奎堂堡圭兰堡丝苎 在第三层之上的本体层w 3 c 尸, 经定义了描述语义w e b 的标准：o n t o l o g yw e b l a n g u a g e ( 0 l ) “。，在此基础之上，可以进行领域扩展，描述特定应用环境 下的w e b 语义本体。 2 2 2 本体的定义与构建原则 o n t o l o g y 是一个哲学上的概念，从哲学的范畴来说，o n t o l o g y 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。在人工智能界，最早 给出o n t o l o g y 定义的是n e c h e s 等人，他们将o n t o l o g y 定义为“给出构成相关领域 词汇的基本术语和关系，以及利用这些术语和关系构成的规定这些词汇外延的规 则的定义”。 1 9 9 3 年，g r u b e r 给出t o n t o l o g y 的一个最为流行的定义，即“o n t o l o g y 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，给出了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”。s t u d e r 等对上述两 个定义进行了深入的研究，认为o n t o l o g y 是“共享概念模型的明确的形式化规范 说明”。这个概念包含4 层含义嘲： 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( 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 ) ：o n t o l o g y 是计算机可处理的； 一 4 ) 共享( s h a r e ) ：o n t o l o g y 中体现的是共同认可的知识，反映的是相关领 域中公认的概念集，它所针对的是团体而不是个体。 本体论的目标是捕获相关的领域的知识，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。 对于语义w e b 而言，用分类法组织的本体最有意义。对于用分类法组织的本 体，归纳出5 个基本的建模元语嘲： 1 ) 类( c l a s s e s ) 或概念( c o n c e p t s ) ：指任何事务，如工作描述、功能、行为、 策略和推理过程。从语义上讲，它表示的是对象的集合，其定义一般采用框架结 构，包括概念的名称，与其它概念之间的关系的集合，以及用自然语言对概念的 1 4 山东大学硕士学位论文 描述； 2 ) 关系( r e l a t i o n s ) ：在领域中概念之间的交互作用，形式上定义为n 维笛 卡儿积的子集。如子类关系( s u b c l a s s o f ) 。在语义上关系对应于对象元组的集 合； 3 ) 函数( f u n c t i o n s ) ：一类特殊的关系。该关系的前n - 1 个元素可以唯一决 定第n 个元素。形式化的定义为f ：c c 2 木。广 g 。如m o t h e r o f 就是一个函 数，m o t h e r o f ( x ，y ) 表示y 是x 的母亲； 4 ) 公理( a x i o m s ) ：代表永真断言，如概念乙属于概念甲的范围； 5 ) 实例( i n s t a n c e s ) ：代表元素。从语义上讲实例表示的就是对象； 出于对各自问题域和具体工程的考虑，构造o n t o l o g y 的过程各不相同。目前 没有一个标准的o n t o l o g y 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 规则嘲： 明确性和客观性：即o n t o l o g y 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； 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； 一致性：即由术语得出的推论与术语本身的含义是相容的，不会产生 矛盾； 最大单调可扩展性：向0 n t o l o g y 中添加通用或专用的术语时，不需要 修改已有的内容； 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