（计算机科学与技术专业论文）基于规范流网的web服务适配形式化方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 摘要 随着信息技术和网络技术的飞速发展，企业应用要求在网络环境下，重用现 有软件资源，根据特定需求快速灵活地集成新的应用系统。面向服务体系结构 ( s e r v i c eo r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，s o a ) 就是根据这样的需求提出的一种基于w e b 服务的分布式软件系统架构。s o a 主要通过组合现有服务形成新的应用，完成新 的功能，实现系统内部各个模块之间的松耦合，从而提高现有软件资源的可重用 性。由于w e b 服务具有分布式、动态性和异构性等特点，并且w e b 服务是不断演 化的，这些特性使得各个不同组织提供的服务在协作过程中可能会产生不兼容的 情况，服务适配技术就是为了解决这一问题而提出来的。 本文在分析w e b 服务适配技术研究现状的基础上，主要针对现有适配方法不 能处理包含循环的服务、没有考虑服务执行过程中的数据流、适配过程自动化程 度不高等问题，围绕如何对w e b 服务行为建立形式化模型、如何实现w e b 服务的 自动化适配展开研究。 本文的主要工作包括以下五个方面：第一，基于作者所在课题组先前提出的 规范流网的概念，本文研究了规范流网的主要性质和定理，证明了规范流网的规 范性判定定理，据此提出了一种检验流网规范性的算法。第二，为了对服务中的 数据流进行建模，本文介绍了如何在扩充了数据库所和谓词机制的规范流网的基 础上，对w e b 服务行为建立形式化模型。第三，为了正确有效地描述服务中的循 环，本文在规范流网的基础上引入符号化的思想，提出了规范流网的符号化可覆 盖树的概念，并且构造了一种生成规范流网符号化可覆盖树的算法。第四，在w e b 服务形式化建模机制的基础上，本文基于服务的符号化可覆盖树描述提出了一种 新的自动化服务适配算法。如果两个不兼容的服务可适配，该算法自动为其生成 一个适配器，在适配器的帮助下，这两个服务可以正确协同交互；如果不可适配， 算法给出错误原因。第五，在本文提出的三个算法的基础上，设计和实现了一个 支持w e b 服务适配的原型系统( w s a s ) ，实现了两个不兼容服务的自动适配。 本文使用的基于规范流网的建模方法更加真实地描述了现实中的服务。相比 其他建模技术，本文方法对服务行为做了更少的限制。本文引入的符号化思想， 很好地解决了适配过程中如何处理循环的问题。在此基础上，本文提出了一种全 新的自动化服务适配算法，弥补了现有适配算法不能处理循环、没有考虑数据流 等方面的缺陷。本文提出的服务适配方法，对于提高现有服务的可重用性、增强 服务组合的灵活性具有较高的理论价值和应用价值。 主题词：面向服务体系结构，w e b 服务适配，规范流网，符号化可覆盖树， 适配器 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ， e n t e r p r i s ea p p l i c a t i o np r o d u c e dan e wr e q u i r e m e n t ，t h a ti s ，i nan e t w o r k e de n v i r o n m e n t , w ec a na c h i e v ean e wa p p l i c a t i o ns y s t e mv e r yf a s ta n dn e a t l ya c c o d i n gt oas p e c i f i c r e q u i r e m e n tv i at h e r e u s eo fe x i s t i n gs o f t w a r er e s o u r c e s s o a ( s e r v i c e - o r i e n t e d a r c h i t e c t u r e ) i sad i s t r i b u t e ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r ep r o d u c e dt of u l f i l lt h i sr e q u i r e m e n t b a s e do nw e bs e r v i c e s o am a i n l yi n t e g r a t e st h ee x i s t i n gs e r v i c e st of o r man e w a p p l i c a t i o n t o c o m p l e t e t h en e wf e a t u r e s ，w h i c hi sa c h i e v e db yw e bs e r v i c e c o m p o s i t i o nt e c h n o l o g y i tc a l la c h i e v et h eg o a lt h a ti t i sl o o s e l yc o u p l e db e t w e e nt h e m o d u l e so fas o f t w a r es y s t e ma n db e t w e e ns o m es o f t w a r es y s t e m s ，a n dt h eg o a lt o e n h a n c et h er e u s a b i l i t yo fe x i s t i n gs o f t w a r er e s o u r c e s h o w e v e r ，t h ew e bs e r v i c ei s d i s t r i b u t e d ，d y n a m i ca n dh e t e r o g e n e o u sa n dw e bs e r v i c e sa r ea l s oe v o l v i n g t h e s e f e a t u r e sm a yp r o d u c ei n c o m p a t i b i l i t i e sd u r i n gt h ec o l l a b o r a t i o no fs e r v i c e sp r o v i d e db y d i f f e r e n td e v e l o p e mo ro r g a n i z a t i o n s t h es e r v i c ea d a p t a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e n p r o p o s e dt os o v l et h i sp r o b l e m w e a n a l y z et h es t a t u so fw e bs e r v i c ea d a p t a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，t h e nw ed o s o m er e s e a r c hf o c u s i n go nh o wt od e v e l o paf o r m a lm o d e lf o rw e bs e f i v c eb e h a v i o r a n dh o wt oa c h i e v ea u t o m a t i ca d a p t a t i o no fw e bs e r v i c e o u ro b j e c t i v ei st om a k eu pt o s o m ed e f i c i e n c i e so fe x i s t i n gs e r v i c ea d a p t a t i o nm e t h o d s t h e s ed e f i c i e n c i e si n c l u d e ：i t c a nn o th a n d l et h el o o pi n s i d ew e bs e r v i c e ；i td o e sn o tt a k et h ed a t ad e p e n d e n c yd u r i n g t h ei m p l e m e n t a t i o no fas e r v i c e ；n o th i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o nw h e nc o m p l e t i n gt h e a d a p t a t i o np r o c e s s 1 1 1 em a i nw o r k so ft h i sp a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：f i r s t l y ，b a s e do nt h e c o n c e p tr e g u l a rf l o wn e t ( 咖p r o p o s e db yo u rt e a m ，w ei n t r o d u c et h em a i n p r o p e r t i e so fr f n ，p r o v et h et h e o r e mo fr e g u l a r i t yd e c i s i o nf o rr f na n dd e v e l o pa n a l g o r i t h mf o rc h e c k i n gt h er e g u l a r i t yo faf l o wn e t s e c o n d l y ，i no r d e rt om o d e lt h ed a t a f l o wo fw e bs e r v i c e ，o u rt e a ma d d e dt h ed a t ap l a c ea n dt h ep r e d i c a t em e c h a n i s mi n t o 对n b a s e do nt h er e s u l tn e t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sh o wt om o d e lw e bs e r v i c eb e h a v i o r f o r m a l l y t h i r d l y ，i no r d e rt od e s c r i b et h el o o p so fs e r v i c e sa c c u r a t e l ya n dd f f e c t i v e l y ， o nt h eb a s i so fr f n ，w ei n t r o d u c et h ei d e ao fs y m b o l i ca n dd e v e l o pt h ec o n c e p to f s y m b o l i cc o v e r a b i l i t yt r e e ( s c t ) o fr f n w ea l s od e v e l o pt h ea l g o r i t h mt og e n e r a t e t h es c tf o rar f n t h e n ，w ep r o p o s ea na p p r o a c ht og e n e r a t ea na d a p t o rf o rt w o 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 s e r v i c e st h a ta r ei n c o m p a t i b l el ft h e yc a nb ea d a p t e db a s e do nt h ef o r m a lm o d e la n dt h e s c td e s c r i p t i o no fw e bs e r v i c e w i t ht h eh e l po ft h ea d a p t o r ，t h et w os e r v i c e sc a n c o l l a b o r a t ea n dc o o p e r a t ea p p r o p r i a t e l y f i n a l l y ，b a s e do n t h et h r e ea l g o r i t h m s p r o p o s e di nt h i sp a p e r ，w ei n t e g r a t ew s a sp r o t o t y p es y s t e m n l em a i ng o a lo ft h i s s y s t e mi st oa u t o m a t i c a l l yg e n e r a t ea na d a p t o rf o rt w oi n c o m p a t i b l es e r v i c e s t h ef o r m a lm o d e l i n gm e t h o db a s e do nr f nf o rw e bs e r v i c et h i sp a p e ru s e dc a n b em o s tt r u l yd e s c r i b et h er e a ls e r v i c e sa n ds i m p l i f yt h es e r v i c eb e h a v i o ra tt h es m a l l e r d e g r e et h a no t h e rm o d e l i n gt e c h n o l o g y t h es y m b o l i ci d e ai n t r o d u c e di n t oo u rm e t h o d c a na l s od e a l 、析t 1 1t h el o o pi n s i d eaw e bs e r v i c ed u r i n gt h ei m p l e m e n to fw e bs e r v i c e a d a p t a t i o n b a s e do ni t , w ep r o p o s ean o v e la l g o r i t h mf o rg e n e r a t i n ga l la d a p t o r a u t o m a t i c a l l yf o rt w oi n c o m p a t i b l es e r v i c e si ft h e yc a nb ea d a p a t e d ，a n de n a b l i n gt h a t t h et w os e r v i c e sc a ni n t e r a c tp r o p e r l y n l em e t h o dw ep r o p o s e di nt h i sp a p e rm a k ea n i c ec o n t r i b u t i o nt oi n c r e a s et h er e u s a b i l i t yo fw e bs e r v i c ea n de n h a n c et h ef l e x i b i l i 够 o fw e bs e r v i c ec o m p o s t i o nb o t hi nt h e o r ya n di np r a c t i c e k e y w o r d s ：s o a ，w e bs e r v i c ea d a p t a t i o n ，r e g u l a rf l o wn e t ，s y m b o l i c c o v e r a b i l i t yt r e e ，a d a p t o r 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 表目录 表1 1 适配方法比较5 第1 l i 页 国防科学技术大学研究生院硕七学位论文 图1 1 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图目录 实现服务替换功能的适配器3 w e b 服务中的角色及其之间的关系9 w e b 服务技术协议栈1 0 流网中各种元素的图形化表示2 0 基本分一合结构2 1 基本循环结构2 2 两个分合结构消除得到一个单一的新任务节点2 4 一个具有两个o r - j o i n 任务结点e 和f 的规范流网3 3 服务建模实例分析。3 4 循环运行示例3 9 一个s c t 的简单示例4 0 适配器生成过程4 1 服务交互不兼容类型1 。4 2 服务交互不兼容类型2 。4 3 服务交互不兼容类型3 4 3 服务交互不兼容类型4 4 3 服务死锁示例4 6 服务p c 和p s 的规范流网模型4 7 服务p c 和p s 的符号化可覆盖树。4 8 为p c 和p s 生成适配器的过程4 9 w s a s 系统结构5 6 w s a s 的包结构5 7 r e g u l a r i t y c h e c k 包的主要结构5 8 s c t g e n e r a t o r 包的主要结构5 8 a d a p t a t i o n p r o c e s s 包的主要结构。5 9 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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：j 堕篁l 日期：沙夕年z 月夯日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：鱼垦鱼墨 作者指导教师签名：i 黧盘车 日期：力。口夕年p 月亨口日 日期：渊年1 2 月；6 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 应用背景 近年来，计算机网络技术、网格计算和w w w 技术的飞速发展给自治的分布 式软件组件技术提供了广阔的应用前景。特别是，随着电子商务和b 2 b 应用的发 展，企业应用要求可以在i n t e m e t 环境下进行企业内部和企业之间的应用互操作和 应用集成，要求能够根据新的需求，快速灵活地集成各种新的应用系统，并使它 们有机地协同以提供复杂的服务。但是，集成一个新应用的过程往往是耗时耗力 的，因为每一个需要集成的软件实体的设计初衷和初始应用场景都会有所不同， 这就需要对现有软件实体重新进行设计和连接，从而造成巨大的人力财力损失。 为了解决上述问题，业界提出了基于w e b 服务( w e bs e r v i c e ) 的面向服务的 体系结构( 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 s ) 1 ) 。s o a 是一种组织和利用分 布式资源的模式，这些分布式资源可能是不同领域的软件实体。s o a 提出了一种 提供、发现和利用分布式资源的机制，通过这种机制生产出符合目标需求的应用 【2 】。w e b 服务提供标准化的接口描述、服务发现以及通信机制，它是部署在w e b 上的对象，具有对象技术所承诺的所有优点，同时，w e b 服务建立在开放的w e b 规范技术基础上，因此具有比普通的对象技术更好的开放性，是建立可互操作的 分布式应用程序的新平台。w e b 服务把面向构件方法和w e b 技术的优势相结合， 利用标准网络协议和x m l 数据格式进行通信，具有良好的普适性和灵活性。 由于单个简单的w e b 服务往往无法满足实际的应用需求，人们常常需要组合 多个w e b 服务以完成一个较复杂的任务，这个过程称为服务组合。在面向服务的 体系结构中，企业将应用程序的整个功能分为较小的服务单元，多个服务单元可 以由不同的组织或者企业提供，将多个服务单元通过服务组合技术连接起来完成 系统功能。这样不仅可以使应用之间的交互标准化，而且可以为业务流程提供更 多的灵活性。目前，面向服务的体系结构已经解决了如何描述和组织服务的问题。 如何在面向服务的体系结构上实现灵活多变的企业应用集成，成为目前迫切需要 解决的一个主要问题。 现实中，利用互联网巨大的虚拟计算环境，凡按照w e b 服务标准创建的系统， 都可以对w e b 服务动态定位并与网络上其他的w e b 服务交互。通过w e b 服务， 不同语言写成的、在不同平台上运行的各种应用程序可以用标准的方法把功能和 数据提供给外界，从而使快速集成新应用成为可能。但是要将现有服务组合构成 一个新的服务，完成新的功能，还会面临很多困难。w e b 服务具有异构性、动态 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 性、分布式、不断演化等特性，这些特性使得各个不同组织开发提供的服务之间 在协作过程中可能会产生不兼容的情况 3 】。、b 服务交互出现的不兼容主要分为 两种情况：( 1 ) 两个服务拥有相同的消息集合，但是交换的顺序不一样。例如，服 务p 首先发送一个时间再发送一个地点消息，但是服务r 设计的却是首先接收一 个地点再接收一个时间消息，这样p 和r 之间的交互就不能正确完成。( 2 ) 两个服 务拥有不同的消息集合。例如，服务p 要向服务r 发送用户名和密码完成登录， 但是服务r 却只有一个带有两个参数的登录动作，这样两个服务也不能正确交互。 此时我们就说这两个服务行为不匹配或者不兼容。 服务适配技术就是为了解决w e b 服务在协同工作过程中出现的不兼容问题而 提出来的。服务适配技术就是通过某种机制，使得本来不兼容的两个w e b 服务能 够正确协同完成所需功能。服务适配技术可以促进不同组织和平台开发的服务能 够正确交互，从而提高现有软件资源的可重用性，实现复杂系统的高效开发，并 且可以保证系统的正确性、可扩展性和健壮性。因此，服务适配技术受到越来越 多的关注，已经成为s o a 领域的研究热点和焦点。 1 2 研究背景 s o a 以w e b 服务的形式提供独立的可重用功能单元，并且提供一种健全安全 的机制来组织和管理这些功能单元。目前，有关s o a 的研究主要集中在以下几个 方面 4 ：( 1 ) 服务基础。s o a 中的构件都是以服务的形式出现的，服务基础主要研 究服务的各种开发方法，同时制定服务的开发和通信标准、机制等等。服务基础 同时研究如何利用工程化的方法开发服务，如何有效管理和改进服务开发过程。( 2 ) 服务组合。主要研究如何将多个服务组合起来成为一个组合服务以完成相应的功 能，并可以作为基础服务参与其他的服务组合过程从而得到更加复杂的组合服务。 ( 3 ) 服务管理和监控。在s o a 中，如何管理松耦合系统中的服务是一个必然的需求。 由于s o a 中多数服务都是组合服务，那么任何一个构件服务的改变都有可能影响 整个系统功能，因此有必要监控服务变化进而分析变化带来的影响。 我们所关注的服务适配技术属于前述的服务组合研究领域。从字面理解，适 配的意思是改变某个事物的状态或者属性使得其能够适应新的或者特定环境的要 求。在s o a 领域，服务适配技术是指采用某种方案，使得本来不兼容的两个w e b 服务可以正确交互，从而解决w e b 服务之间功能性和非功能性的不兼容问题。功 能性不兼容就是前述的服务行为不兼容，而非功能性不兼容是指譬如q o s 等方面 的不兼容。目前适配的主要方法是在需要适配的服务之间引入一个适配器，在适 配器的介入下，使得原先无法正确协作的服务能够正确完成协同工作。在面向服 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 务的计算中，服务适配技术主要应用于两种情形：第一，用户所需求的功能需要 多个不同平台不同厂商生产的服务来协同完成，但是这些服务本身并不能正确交 互，需要一个适配器来帮助完成。第二，用户正在使用的服务经过升级和更新， 要用新版本的服务替换现有服务。但是，现有的交互协议不再适应新版本的服务， 但用户又不方便修改自己的应用协议，这时引入一个适配器是一种最好的选择。 如图1 1 所示，我们给出了一个实现服务替换功能适配器的例子。 0 竺蝓嬲s 适百己器 图1 1 实现服务替换功能的适配器 服务适配大致可以分为两种类型：静态适配和动态适配。静态适配侧重于分 析技术，主要通过分析服务的静态模型来解决构件服务静态结构的不兼容。静态 适配主要用于服务组合过程中的两个场景：( 1 ) 自动地构造适配器以帮助服务正确 地交互，( 2 ) 为了得到一个可行的组合而修改适配策略。动态适配侧重于开发技术， 目的是使得一个组合服务的执行模型可以根据运行时环境进行调整，这里的运行 时环境包括服务质量保证等多方面的因素。同时进行这两种类型的适配，建立更 加健壮的服务组合框架。 根据服务适配过程的完成方式，还有另外一种服务适配的分类方法，将适配 也分为两种类型：( 1 ) 人工适配。服务适配过程完全由服务开发人员人工完成，当 然也有可能由开发人员借助某种软件工具完成。无论是通过哪种方式完成，人工 适配都是非侵入的，也就是说，不能修改所要适配的构件服务，否则工作的重点 会成为修改、维护构件服务，而非服务适配。( 2 ) 自动适配。所有的适配步骤是由 软件工具自动控制，适配器本身也是通过软件工具自动生成的，这种类型的软件 工具要能够决定是否可以进行适配，并且决定如何进行适配。然后，软件工具根 据确定的适配步骤和适配策略，自动生成适配器。 在现实应用中，服务适配被分为三个层次 5 ：第一、基于标签的适配( 也称为 基于语法的适配) ，这个层次主要关注交互信息的语法层面的不同，例如服务接口 名称不同、参数类型和参数个数不同等等；第二、基于本体的适配，这个层次主 第3 页 删蝓 一 一 讳 一 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 要关注交换消息之间语义层面的不匹配，例如属于不同本体概念的消息交换；第 三、基于行为的适配，主要处理在通信协议上存在的不匹配，例如交换信息的顺 序不兼容。 目前，针对服务适配的不同层次和不同类型的服务适配，人们都提出了相应 的解决方案，这些解决方案应用了很多不同的技术。总结起来，现有的研究w e b 服务组合和适配的技术主要包括以下四类： 第一、基于人工智能领域的规划技术( a ip l a n n i n g ) 6 6 的服务适配。一般来 说，规划技术主要研究如何自动生成方案以解决特定领域的问题。这样的解决方 案由一个动作序列组成，给定一个初始状态或者初始条件，为了达到特定的目标， 选择一个动作集合，根据所生成的方案决定执行顺序和执行时间。在w e b 服务领 域，规划技术定义了一个六元组( w ，s ，a ，_ ，s o ，s g ) ，其中w 是一组w e b 服务集合，s 是这些服务的所有可能状态集合，a 是这些服务所提供的动作集合， 通过执行动作来改变服务状态，j sas 是状态迁移函数，s o 和s g 分别是初始 状态和终止状态。基于这个定义，人们应用规划技术对整个服务组合过程建立模 型，并且开发出了很多方法来实现目标需求。例如，p d d l 语言( p l a n n i n gd o m a i n d e f i n i t i o nl a n g u a g e ) 【7 】是一种非常著名的描述语言，可以用来描述服务组合过程。 p d d l 语言甚至影响了w | e b 服务描述语言o w l s ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g ef o r s e r v i c e s ) 8 的发展。 第二、模型驱动体系结构( m d a ) 9 。模型驱动体系结构是一种软件设计方法， 贯穿软件开发的整个周期，它以系统建模为驱动，提出了一种使用模型来指导系 统设计、开发、维护和修改的方法。利用m d a 中的建模技术可以为w e b 服务组 合和适配建立相应模型。目前，对于m d a 中的模型语言来说，虽然还没有制定标 准，但是u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 已经成为了m d a 事实上的工业标准。 u m l 是一种可以利用图形表示来构造系统模型的通用语言。特别地，可以采用 u m l 建立w e b 服务的平台无关模型，人们同时利用m d a 中的模型转换技术将 w e b 服务模型转换到不同的w e b 服务组合描述平台，如b p e l ，w s c i 等。 第三、图论 1 0 】。在计算机科学研究领域，图论是在分析数学结构时所用的技 术，它通过一个特定的集合对对象间的双向关系进行建模。在w e b 服务研究领域， 图主要用于对一个服务执行过程中的控制流和数据流进行建模，对于单个服务模 型，将服务组合和服务适配问题转换为图的合并和寻找图中特殊路径的问题。图 的简洁直观表示对w e b 服务描述提供了便利，现有的成熟图论理论也为分析w e b 服务组合和适配过程提供了坚实基础。 第四、形式化方法 1 l 】。形式化方法主要研究如何利用一种形式化语言来描述 软件实体，并且基于这种形式化语言描述进行相应的证明和推理。在服务组合和 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 服务适配领域，需要证明的典型性质就是某种服务组合或者适配策略在功能上是 正确的。在过去数年里，服务组合和适配的很多研究成果都利用了形式化方法， 例如尢演算、c c s 和p e t r i 网都被用来对w e b 服务建立并发模型。可以利用形式化 方法良好的数学基础来证明新提出的方法的可行性、正确性。 表1 1 适配方法比较 a i 规划技术m d a 技术图论形式化方法 表达能力较强强大强大较强 适用范围适合特定系统适合多数系统适合多数系统适合多数系统 建模建模建模建模 效率高低 很低 高高 高 验证难度 容易验证 较难验证 较难验证容易验证 上述这些技术各有优缺点，都有各自解决问题的切入点和关注点。模型驱动 使用u m l 描述业务流程，不依赖特定的规范，适用范围广。其缺点是，u m l 标 准的发展和实现该标准的产品发展之间是松散耦合的关系，结果导致u m l 的某些 部分不能被高效地实现。基于规划的方法能动态地生成w e b 服务组合和适配方案、 动态地链接具体实现的w e b 服务，能适应w e b 服务的动态变化，更能满足业务不 断变化的需求。但其生成解决方案的效率普遍比较低，如何提高其效率是一个重 要问题。图论的主要优点是其可以简单、直观地建立系统模型，但是图论的简单 性却限制了其对复杂开放的分布式并发系统进行有效的表示。相比而言，形式化 方法是一种比较全面和均衡的方法，既有强大的表达能力，也可以进行形式化验 证。本文拟利用形式化方法对服务适配技术进行深入研究。 1 3 本文贡献 针对目前w e b 服务适配领域中的关键问题，本文从对w e b 服务建模开始，提 出了一种新的服务适配方法。本文的工作成果主要体现在以下五个方面： 第一、介绍规范流网的定义。基于课题组先前基于p e t r i 网和y a w l ( y e t a n o t h e r w o r k f l o w l a n g u a g e ) 1 2 ，1 3 提出的规范流网定义，本文介绍了它的主要性 质，提出了一个规范性判定定理，同时给出了一种检验流网规范性的算法。针对 目前y a w l 中o r - j o i n 任务使能判定存在的问题，本文着重阐述了规范流网中 o r - j o i n 任务的语义和使能判定算法。 第二、介绍w e b 服务行为建模机制。介绍如何在扩充了数据库所和谓词机制 的规范流网的基础上，对w e b 服务建立形式化模型。我们的建模方法能够自然、 直观地描述服务行为及服务行为中的数据流。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第三、将符号化思想引入服务适配过程。由于服务中可能存在循环，在分析 服务行为时，无法将服务功能中出现变量的所有值都进行测试。为了解决这个问 题，本文引入符号化的思想，提出了规范流网的符号化可覆盖树的概念，并且构 造了生成规范流网符号化可覆盖树的算法。 第四、提出了一种新的服务适配算法。基于w e b 服务的符号化可覆盖树表示， 提出了一个全新的服务适配算法。如果两个不兼容的服务可适配，该算法可以为 其自动生成一个适配器，在适配器的帮助下，两个服务能够正确交互；如果不可 适配，算法返回错误原因。本文提出的适配方法巧妙地解决了w e b 服务适配过程 中如何处理循环的问题，并且考虑了服务行为中的数据流。 第五、设计和实现了一个w s a s 原型系统。在本文提出的三个算法基础上， 设计和实现了一个支持w e b 服务适配的原型系统( w s a s ) 实现了两个不兼容服 务的自动适配。 1 4 论文结构 本文共分六章，各章内容组织如下： 第一章绪论 主要介绍w e b 服务适配的应用背景和研究背景，概述了本文的主要研究成果， 并描述本文的基本结构。 第二章w e b 服务适配技术综述 首先介绍w e b 服务的基本概念、特点和一些基本技术，然后介绍w e b 服务适 配的关键技术和相关定义，分析目前服务适配领域的一些代表性方法及其缺陷。 简述本文中要用到的形式化方法的特点及其在适配领域的应用和发展。 第三章w e b 服务行为建模 逐步介绍规范流网的定义，给出了规范流网的主要性质。提出一种检验流网 规范性的算法。然后介绍如何利用规范流网对w e b 服务行为进行建模，说明了模 型的语义，重点讨论规范流网中o r - j o i n 任务的语义和使能判定方法。 第四章适配过程和适配算法 主要介绍w e b 服务适配的基本过程，引入符号化思想，介绍w e b 服务行为模 型的符号化可覆盖树及其生成算法。在符号化可覆盖树的基础上，提出一种全新 的w e b 服务适配算法。 第五章w s a s 原型系统的设计和实现 定义相关的数据结构，详细描述了本文提出的三个算法。讨论支持服务自动 适配的原型系统的设计和实现，介绍w s a s 系统各个模块的功能，阐述系统的结 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 第二章w e b 服务适配技术综述 随着s o a 研究的不断深入，w e b 服务的一些基础技术已经比较成熟，如何在 这些成熟技术的基础上解决新的问题，特别是相互交互的服务之间的不兼容问题， 是目前关注的焦点。本章主要介绍w e b 服务的基本概念和基础技术，然后引出服 务适配所要关注的关键技术，分析目前服务适配取得的研究成果及尚待解决的问 题。 2 1 1w e b 服务简介 2 1w e b 服务的基本概念 w 3 c 组织在2 0 0 3 年公布的w e b 服务架构草案 1 4 】中将w e b 服务定义为：w e b 服务是为了支持机器之间跨越网络进行互操作而设计的软件系统，它使用机器可 处理的形式描述接口，其它系统使用s o a p ( s i m p l eo b i e c ta c c e s sp r o t o c l ) 1 5 消息 通过服务描述所说明的方式与之进行交互。w e b 服务通过w e b 进行发布、定位和 调用。 w e b 服务的出现使得业务系统集成比以前更快、更容易，而且成本更低，我 们首次拥有了一个真增建立在支持互操作平台之上，基于开放标准的应用解决方 案。其优越性主要表现在以下几个方面： 首先，w e b 服务之间是松耦合的。在w e b 服务实现过程中，服务接口和服务 实现是作为两个分离的实体存在的。当一个w e b 服务的实现发生变动时，调用服 务的外部系统并不需要随之改变，因为对于调用者来说，只关心服务接口，只要 接口不变，w e bs e r v i c e 的内部改变对外部系统是透明的。这种特性使得服务开发 人员能够在完全不影响服务使用者的情况下修改服务实现。 其次，w e b 服务是动态服务。传统的基于分布式对象技术中，组件是事先部 署，并且其消息交互被固定在程序中，因此对任何子系统的改变都可能导致各种 相关应用程序被破坏。而w e b 服务的交互不是固化在服务的实现代码中，而是依 赖服务组合的具体描述，因此w e b 服务可以在运行时动态地集成，容易满足新的 业务需求。一， 最后，w e b 服务是平台无关的。传统的分布式对象技术没有基于开放的标准， 因而受到厂商和平台的约束。而w e b 服务是开放的，采用广泛接受的标准提供了 在不同厂商和平台之间的可交互性。同时，w e b 服务是自描述、自包含和语言独 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 立的，因此实现了真正意义上的厂商独立和平台无关。 图2 1 描述了w e b 服务中所涉及的主要角色和它们之间的关系。服务提供者 通过向服务注册中心注册服务描述，完成服务发布。发布以后的服务就可以通过 网络提供给其他服务使用。服务请求者也就是服务的使用客户，在服务注册中心 搜索查找满足需求的服务，根据找到的服务描述决定服务的调用方式，并且根据 服务描述动态绑定服务提供者，获取相应服务。在w e b 服务的各个角色之间以及 每个角色内部，消息都以x m l 格式传递，因为以x m l 格式表示的消息易于阅读 和理解，并且x m l 文档具有跨平台性和松散耦合的特点。 律静中心 服务请求者 服务提供者 图2 1w e b 服务中的角色及其之间的关系 2 1 2w e b 服务的基本技术和协议 目前工业界比较成熟的w e b 服务技术有很多种，其中统一描述、发现与集成 ( 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 y ，a n di n t e g r a t i o n ，u d d i ) 1 6 ，简单对象访问 协议s o a p ，w e b 服务描述语言( 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 ，w s d l ) 17 】 都是用于描述、发布、发现和调用w e b 服务的基础标准。这三个协议是实现w e b 服务体系结构的基础性标准协议。 u d d i 的目的是在网上自动查找w e b 服务。一旦w e b 服务注册到u d d i ，客 户就可以很方便地查找和定位到所需要的w e b 服务。但是，u d d i 提供的w e b 服 务匹配只是简单的基于关键字的精确语法匹配，其准确率比较低，无法满足服务 发现的需求。 s o a p 提供了标准的r p c 方法以调用w e b 服务。s o a p 规范定义了s o a p 消 息的格式，以及怎样通过h t t p 协议来使用s o a p 。s o a p 是基于x m l 语言和x s d 标准的，其中x m l 是s o a p 的数据编码方式。从本质上来说，s o a p 是一种包含 数据传输方式的通信协议。 w s d l 同样基于x m l ，它用于描述w e b 服务及其操作、参数和返回值。因 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 为基于x m l ，所以w s d l 既是机器可识别的，又是人可阅读的，这是它的一个优 点。但是，w s d l 描述并不包含任何语义信息，而且从机器可识别的角度讲，它 并不是“自描述”的，这就在很大程度上限制了服务匹配的成功率，难以支持自 动化服务组合。另一方面，w s d l 描述缺少行为信息，可能导致难以发现服务组 合过程中构件服务行为不兼容的情况。 w s d l 仅仅描述了w e b 服务的静态接口，不能描述w e b 服务的交互行为。为 了解决这个问题，b e a 和s u n 等公司向w 3 c 提交了w s c i ( w e bs e r v i c e c h o r e o g r