（计算机应用技术专业论文）移动计算中基于语义的web服务发现研究.pdf

河海大学硕士学位论文摘要 摘要 随着k t e m e t 的飞速发展，网络中的信息急剧增多，网络已成为人们获得信 息的必要途径和重要手段。网络中的海量信息既给人们带来方便，也带来了许多 问题。面对信息的海洋，如何从中找到最佳的、最有效的服务就成为了一个十分 棘手的问题，而w 曲服务发现的研究正是为了解决这个问题的。 服务发现是w 曲服务系统架构的重要部分。发现符合用户需求的服务是实 现服务利用、组合自动化的重要前提，服务发现的效果直接关系到服务调用的质 量。本文所作的研究主要是在特定的分布式计算环境( 移动计算) 下实现w 曲 服务的语义描述、发布和发现，论文从结构上分为研究思路的提出、移动计算的 研究、基于刚n s 的w 曲服务发现的研究、语义w 曲服务发现技术的研究、 匹配算法的研究。主要工作包括： ( 1 ) 研究分析了移动计算中位置相关信息服务以及基于o w l - s 的w 曲服 务发现方法，指出了移动计算中w | e b 服务发现机制的不足。 ( 2 ) 研究和分析了现有的服务发现技术，并指出了现有技术的局限性。研 究和分析了目前存在的语义w 曲服务框架的不足之处，设计了一种移动计算中基 于语义的w 曲服务发现与匹配模型，并给出了该模型的功能模块设计和工作原 理。 ( 3 ) 针对移动计算环境的局限性，提出了一种服务发现优化算法，有效地 减少了无线网络的负担，并结合该优化算法研究了加入权重的语义相似匹配算 法，从语义距离角度着手结合语义相似函数来计算服务相似度，设计了一种基于 服务优化的分步匹配算法。 ( 4 ) 构建了移动计算领域的本体库，并基于该本体库给出了一个移动计算 中语义w 曲服务发现系统的实现。并用实例分析了服务发现系统的可行性和验 证了匹配算法的性能。 【关键词】移动计算，位置相关信息服务，o w l s ，语义w e b 服务发现，服务 匹配 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w l 也t l l er a p l dm c r e 硒eo fn 烈w o r ki i l f o m a t l 0 乌i n t e m e th a sb e c o m et 1 1 e e s s 翎t i a lm e 潞f 1 0 rp e o p l et oo b t a i n 访f o r m a t i o n b u tm eh u g ei n f o m l a t i o n0 nt h ew r e b r a i s ean e w 觚dc h a l l l l e n 西n gp r o b l e m ，勰w e u 硒i tb r i l l g sc 0 i e m e n c et 0 廿1 ep e o p l e h o wt o6 n do u t l eb e s t 觚de f 珐c t i v es e 而c e sh 舾b a m ea ni i i l p o n a n tp r o b i 咖， 枷ew 曲s e r v i c ed i s c 0 v e 巧i s j 似p u tf o 刑a r dt 0s o l v ei t s e r v i c e d i s c o v e 巧 i sa n 洒p o n a n tp 耐 o fn l ew 曲s e n ，i c e e 幻r k d i s c 0 v 丽n g l es e r v i c ea c c o r d i i l gw i mc o 撇钉sr e q u i 锄饥ti sm e p r e c o n d i t i o no fm e r e a l i z a t i o no f 种t o m 撕cs e r v i c e 以l i z 撕o n ，c o m b i n 撕o n 圳1 l l e q u a l 时o fs c r “c 鹤c a l l m gi sd 印e i l d e d t j i 圮e 侬斌o fs e 州d i s c 0 v e 阱1 1 1 j st i l e s i s 啪b el o 西c a l l yd i 、，i d e di i i t 0i b u rp a n s ：r e s 髓岫o fi d e a so fm em e s i s 舻s e a r c ho n s 锄a r n j cw 曲s e r v i c e s e r v i d i s c 0 v 盯yt e c h l o g i 鼯锄ds e r 忻m a t c h i n g a l o r ! i n l i i l s n em a i nw o 舨i n c l u d i n g ： ( 1 ) r e s 铭r c h i n ga i l d 锄a l y z i i 唱l o c a t i o n b 雒e di n f 0 肌a t i o ns e i c c si nm o b i l e c o m p u t i n g 锄do w l _ sw - e bs e i c 器d i s c 0 v e 眄m 砒o d s ，d i s c u s s i n gt h e1 a c ko f n 1 0 b i l ec o m p u t i r 培w e bs e r v i c e sd i s c o v e r ym e c h a n i s m 8 ( 2 ) r e s e a r c h i n ga n da n a l 姐n gt 1 1 ed e f i c i e n c i e so fa 盯t 觚n e w o r ko fs e i n a n t i c w e bs e i c ed i s c o v e a n dd e s i 印i n gas 锄锄t i cw 曲s e r v i c e 缸吼e w o r kb a s e do n o w l s 门u d d ii i l1 1 1 em o b i l ec o m p u t i n g 伽m r o 哪e n t ，锄d 证t 1 1 d d u c t i n gt l l ew o r k p 血c i p l e 觚dp r o o e s s ( 3 ) a c c o r d i n gt 0t h el i m i t a t i o n so fm o b i l ec o m p u t i n ge n v i r 0 i l i i l e n t ，m i st l l s i s p r o p o s i i l gas e r v i c e0 p t i m i z 撕o na l g o r i m m ，w k c he f f e c t i v e l y 职d u c et l l eb d e no n 伍ew i r e l e s sn e t w o r k ，粕dc 0 瑚| b i n e dw i t ht h eo p t i m i z a t i o na l g o r i t t oj o 协t h ew e i g l t o fs i m i l a rs 锄眦i cm a t c h i n ga l g o r i t l l m s ，s 锄a n t i cd i s t a n c e 劬mt h ep o i n to fv i e w s i m i l a rt 0p r o c e e dw i ls 锄a n t i c ss i m i l 撕t ，rf h n c t i o nc o m p u t i n gs e n ，i c e s ，d e s i g n i n ga s t 印- b y - s t 印m a t c h i n ga 1 9 0 r i t h mb a s e do nm es e r v i c eo p t i m i z a t i o n ( 4 ) c o n s t r u c i n gao n t o l o g yd a t a b a s eo fm o b i l ec o m p u t i n g ，a 1 1 dd e s i 缈i n ga s e i l l a n t i cw 曲s e r v i c ed i s c o v e r ys y s t e mi n 廿1 em o b i l ec o m p u t i n gb a s e do nm e o n t o l o 鼢，d a t a b a s e 【k e y w o r d s 】m o b i l ec o m p u t i n g ，l o c a t i o n - b a s e di n f o 咖a t i o ns e n ，i c e s ，o w l - s ， s e m a n t i cs e r 访c ed i s c o v e 嘎s e i c em a t c h i n g 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个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或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：塑望郴年 多月乡日 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 生玺翌 印易年月雩日 ( 注：手写亲笔签名) 河海大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章介绍课题研究的背景和意义，讨论了国内外研究现状，分析主要经典算 法的特点，并阐述了本文的主要工作，最后介绍本文的组织结构。 1 1 课题研究背景和意义 近年来，随着互联网的迅猛发展，w e b 服务数量日益增多，w ，e b 应用面临 不能实现w e b 服务自动发布、自动发现、自动选择、自动调用、自动执行等一系 列问题。对于用户提交的应用请求，如何根据语义信息执行发布在w 曲上的相 关服务，并自动地进行这些服务之间的切换，是语义w 曲被提出的动机所在。 将语义引入到服务发现是实现w e b 服务发现的必然手段。 w 曲服务发现是w 曲服务体系架构的重要部分，发现符合用户需求的服务 是实现服务复用、组合的重要前提，服务发现的效果直接关系到服务调用的质量， 影响到服务组合的相容性和可替换性，关系到能否真正实现服务的即插即用。然 而传统的w e b 服务发现方法仍然存在缺陷，查准率和查全率都不能满足用户的 要求，制约w 曲服务的准确、高效的发现。其原因主要体现在以下几个方面： ( 1 ) u d d i 注册中心只能提供基于关键字匹配的检索方式，根据判断广告服 务描述中是否包含请求查询中的关键词来返回结果，在检索结果中会出现很多不 相关的w 西服务，因此查准率不高：另一方面由于其只支持关键词的精确匹配， 并不支持语义约束的模糊匹配，因此容易遗漏大量与检索概念同义或相关的服 务，因此查全率也低。 ( 2 ) 现有广泛采用的w 曲服务描述语言是w s d l ，但w s d l 主要提供的是 w 曲服务的物理信息，即调用具体服务所需的技术细节，如消息格式、参数类型、 操作、协议绑定和服务地址等，缺乏对服务功能的语义描述，机器无法理解和处 理。 ( 3 ) 传统的服务发现技术缺乏对服务查询描述中服务功能信息的提取，不 能很好的描述用户查询请求中所需服务的能力，并且没有采用统一规范来描述服 务请求描述和服务广告描述，不利于实现服务匹配的高效性。 针对目前w 曲服务发现中遇到的问题，研究界提出了将语义w 曲技术应用 到w 曲服务领域，为w 曲服务的描述提供语义信息，即语义w 曲服务( s e n l 锄t i c w 曲s e r v i c e s ) 。结合语义w e b 和w e b 服务技术的服务发现方法为提高服务发现性 能提供了条件，但同时也随之提出新的挑战，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 采用何种服务描述语言来形成规范化的服务语义描述，并能与原有的w 曲 服务体系结构有良好的相容性。 河海大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 如何设计一种语义匹配算法，既能提高服务发现性能，又尽可能地降低 系统响应时间。 ( 3 ) 现有的服务发现技术不能有效地应用于部分特殊环境，如何对服务进行 有效的语义描述和匹配，从而实现服务发现。 w 曲服务的发现可以分为两类：语法层次和语义层次。前者大都采用描述 w 曲服务接口语法的描述语言和基于关键字搜索的匹配机制，查准率低，很难保 证服务组合的兼容性。后者是采用本体论来进行服务的语义描述和依赖逻辑推理 与质量特征比较匹配机制，实现服务发现的自动化和智能化，提高了w 曲服务 发现的查准率和查全率等性能。在基于语义的w i e b 服务发现技术出现之前，w r e b 服务发现技术主要分为两大类：第一类是基于关键字匹配的集中式服务发现 ( u d d i ) ；第二类是分散式的服务发现。 如何在特定环境下实现高效率、自动化的w e b 服务发现技术，充分体现w e b 服务的优点，是本文主要研究的方向之一。以下是本文对目前常用的几种w e b 服务发现技术和w 曲服务发现框架的归纳总结和分析。为本文下一步匹配模型 的设计做了研究基础。 本文基于传统w 曲服务精确匹配查准率和查全率低的现状，在对国内外研 究成果进行分析和比较基础上，将本体论和语义推理引入到w 曲服务的发现与 匹配研究中来，即将移动计算技术、语义w e b 技术和w e b 服务技术进行了有效 结合。然后通过设计实现了一个移动计算中基于语义的w e b 服务发现与匹配模 型，从而将本文所研究的匹配方法通过试验来验证。验证结果表明该匹配方法在 一定程度上提高了移动计算环境中w e b 服务的发现与匹配的性能和效率，为实 现w e b 服务发现与匹配的高效性、自动化和智能化作出了一定的努力。 1 2 国内外研究现状 在试图提高服务发现和匹配性能效率的问题上，学术界已提出不少解决方 法，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 基于关键字匹配的w 曲服务发现技术 目前主流的w 曲服务描述语言和查询手段是w s d l 和u d d i ，u d d i 包含 一组使企业能将自身提供的w 曲服务注册，以使得别的企业能够发现和访问的 实现标准，并且提供了一组基于标准的规范用来描述和发现服务。它提供应用信 息检索技术，将请求和服务为关键字串或文本向量，使用字符串匹配或余弦度相 似度等计算相似度【l 】。这方面的研究有： i b m ，m i c r o s o r ，s u n 公司：u d d i + w s d l 统一描述、发现和集成协议是一套基于w e b 的、分布式的、为w e b 服务提 2 河海大学硕士学位论文第一章绪论 供信息的注册中心的实现标准规范。u d d i 【2 】定义层次信息模型( 包括业务实体 信息b u s i n e s s e n t i t y ，服务信息鼬i n e s s s e r v i c e ，绑定信息b i n d i n 酊锄p l a t e ，技 术规范t m o d e l 和关联关系断言p u b l i s h 既舡鲫r t i o n 等) 和采用预定义分类( 北美 分类法n a i c s ，标准产品体系u n s p s c 或地理分类法i s o 3 1 6 6 6 ) 来管理服务 提供者发布的服务描述w s d l 。w s d l 采用变量类型( 1 卯e s ) 、消息( m e s s a g e ) 、 端口类型( p o r l 卸e ) 、绑定( b i l l d i i l g ) 和端口( p o r t ) 五种主要元素描述接口的 功能，但对服务的行为约束和属性缺乏进一步支持。u d d i 提供关键字匹配功能， 包括精确匹配和模糊匹配( 使用通配符) ，但不能很好的识别抽象语义。u d d i 采用的是集中式拓扑，依赖于多个数据库保持定期复制来保证数据一致性。 ( 2 ) 结合语义w e b 技术扩展服务的语义描述，并研究基于语义的服务匹配， 从而提高服务发现性能。 r ，1 c 锄9 季em e l l o n 大学：a u 舯e n tu d d ir 9 西s 州d d i + d 、m l s ) p 1 针对w s d l 语义描述信息的不足，无法实现服务能力匹配的问题，m 勰s i i i l o p a o l u c c i 提出基于w e b 服务能力的语义匹配思想，它成为后来的语义服务发现方 向研究的核心思想，卸舯e l l tu d d ir e 西s 缸y 借助本体描述语言d a m l 广s p j 来描 述服务的语义，把体现服务功能的输入输出参数作为匹配依据，并根据预定义的 匹配类型来计算服务的匹配程度。a u 舯e n tu d d ir e 百s 仃y 采用集中式和层次式的 数据结构来存储和维护服务描述d 朋v i l s ，依靠基于本体的逻辑推理来匹配服务 功能，具有实现复杂，查准率高但查询效率低的特点。 美国麻省理工学院的m a r k 日e i n 和美国纽约大学的a b 出锄b e m s t e i n 提出 基于过程本体论的服务发现方法。 通过定义过程本体来表述查询请求与w e b 服务，同时定义一种过程查询语 言( p q l ) 检索服务并通过把查询的过程本体与服务的过程本体进行语义匹配实 现服务发现。经实验证明该服务发现方法提高了服务查准率和查全率指标。但由 于过程本体与w s d l 之间无映射关系，需要花大量时间对服务建立索引，并且 p q l 解释器的性能没评估，因此服务发现的高效性不能完全保证。 ( 3 ) 特定应用背景下( 例如：p 2 p 环境、a d h o c 环境) 的服务发现方法研究。 由于基于u d d i 的服务发现机制的局限性，近年来又提出了基于p 2 p 的服 务发现机制l 耳。在p 2 p 服务中，实体既是s e r v e r 又是c l i e i l t ，当一个s e r v e r 收到 一个本地用户的服务请求时，如果它找不到合适的服务，它作为一个客户则会将 服务请求通过邻居传播到网络上。如果一个s e r v e r 在本地找到请求的服务时， 则会将服务的位置和描述作为响应返回给请求者。分散式服务发现技术的最大优 点就是可以避免单点故障。这方面的研究有： 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 g e 0 晒a 大学：m e t e r o s 【5 】f 6 】 m e t e r o s 是美国g e 0 哂a 大学的l s d i s 实验室主持的关于语义网工作流 和w 曲服务技术的研究项目，m w s d l 是m e t e r o s 项目中关于w 曲服务发布 与发现的子项目。m e t e r o s 采用o w i s 【7 】( d a m l s 【8 】的后继版本) 以无歧义 的计算机可以理解的方式来描述w 曲服务的功能和行为，引入p 2 p 技术将多个 注册器连接成分布式网络，共享服务描述信息。使用一个共享的注册本体 ( r e 百s t r i 懿眦o l o g y ) 对注册器按知识领域进行分类，每个注册器必须映射到注册 本体 欧洲原子能研究中心：w s d a ( w 曲s e 州c ed i s c 0 v e 巧心c h i t e c t u i e ) i ，1 w s d a 定义了简单w 曲服务描述语言s w s d l ，即只含w 曲服务名称和服 务接口集，每个服务接口对应一个接口类型，即操作集和参数集，w s d a 采用 元组模式来管理服务简单描述，支持最小化( m i n 曲a l i s t ) 查询( 基于关键字匹 配) 。但w s d a 的服务描述信息发布到注册器连接的任意结构的p 2 p 网络上，如 环形、树形、混合形等。w s d a 认为查询请求可以传播到合适的注册器上进行 查询。 台湾清华大学：n e u r o n l j n e u r o n 【i o 】是台湾清华大学基于结构化p 2 p 系统t o m a d o 实现的服务发现系 统。n e u r o n 采用名值对的方式来描述服务( s e n ，i c en 锄e ，砌b u t e i ：v a l u e i ， a t t 曲u t e 2 ：v a l u e 2 ，砌b u t e i i = v a l u e l l ) 的功能，显然，仅用服务名称来描述w 曲 服务的功能和行为是远远不够的。 n e 啪n 采用分布哈希函数将服务描述映射到t o m a d o 节点上，因此，n e 啪n 具有很好的可扩展性，实现起来也比较简单，并保证了在复杂度o ( 1 0 9 n ) 内精确 定位到服务( n 为注册节点数) ；缺点是服务描述过于简单，不能很好的支持服 务请求者对服务多层次的需求( 比如服务接口，服务质量等) ，不利于服务组合 系统的性能分析、系统监控和动态调整。 ( 3 ) 结合a g e n t 技术以达到实现服务发现的自动化和智能化的目标。 中科院的史忠植等人实现了多主体服务环境m a g e ( m u f t i a g e n t e n v i r 0 咖e 1 1 t ) 【】，该系统利用d l 推理机为多主体系统服务推理提供自动 的主体服务分层机制并自动建立主体服务分层，然后在该服务分层基础上实现主 体服务匹配的自动化、智能化。该系统采用基于描述逻辑的主体服务匹配算法， 运用描述逻辑对本体概念进行推理，从而实现语义相似度匹配。 ( 4 ) 特定领域内的语义服务发现研究。 o l g ac a p r o t t i 和m i k ed e w a r 等运用描述逻辑和o w l 设计出基于数学特定 4 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 领域的w e b 服务匹配算法。它由m o n e t 项目发展而来，利用o w l 语言来建立 数学描述语言( m a m 锄a t i e a l w e b s e i c e s d e s 耐p t i o n ) 。它作为语义w e b 服务发现 在特定领域内的应用具有重要意义。 综观现有的国内外研究，特定环境中的服务发现方法大多都考虑在服务描述 上增加语义信息，并给出各自的语义匹配算法。因此在特定环境下利用语义w e ；b 和w e b 服务技术实现基于w e b 服务功能的语义匹配，是w e b 服务发现领域的重 要研究方向，同时也是解决服务发现性能问题的重要途径。 1 3 本文主要工作 移动计算环境下网络宽带的有限性和不对称性直接影响了客户远程访问数 据的性能；并且在移动计算环境下，设备的断接性也对数据访问带来了不便。因 此如何在移动计算环境中查找到与客户需求匹配的w e b 服务，以及如何构建能 为用户提供不同级别用户的所需w 曲服务，是当前所面临的问题。 w e b 服务发现技术涉及三方面内容：待选服务的组织，即服务发现目标所处 的环境：提供方和请求方对服务的描述，即服务描述采取的模型；评价发布服务和 请求服务描述的相似度方法，即服务匹配算法。本文主要针对后两个方面在移动 计算环境中进行研究。具体的工作是： 1 研究了移动计算中位置相关服务发现方法和基于o w l - s 的服务发现方 法，指出了移动计算中w 曲服务发现机制的不足，并阐述了为何利用基于o w l s 解决发现机制的不足。 2 在结合o w 【广s 和u d d i 的基础上，提出一个移动计算中语义w 曲服务发 现与匹配模型。该模型提供了对服务基本信息、服务文本信息、服务功能性信息 的语义描述，并使用了语义对服务注册进行了分类，以支持基于o w l s 或w s d l 描述的查询请求 3 针对移动计算环境的局限性，提出了一种服务发现优化算法，有效地减 少了无线网络的负担，并结合该优化算法研究了加入权重的语义相似匹配算法， 从语义距离着手结合语义相似函数来计算服务相似度，最后从定性分析和定量分 析两个角度给出了匹配算法的性能评价。 4 构建了移动计算领域的本体库，并用实例证明了设计模型和匹配算法的可 行性。 1 4 本文组织结构 本文由六章和参考文献、致谢组成。六章的内容安排如下： 第一章绪论。本章介绍了本文的研究背景、意义以及国内外研究现状。然 5 河海大学硕士学位论文第一章绪论 后，概括了本文的主要工作和组织结构。 第二章移动计算中的w 曲服务发现机制。本章主要阐述了介绍了移动计算， 重点阐述了移动计算中位置相关信息服务，指出了移动计算中w 曲服务发现机 制的不足，最后阐述了基于o w l s 的w 曲服务发现机制。 第三章移动计算中s w s 发现与匹配模型设计。设计了一种移动计算中 o w l s 几d d i 相结合的语义w 曲服务发现模型，并介绍了模型的主要功能模块 和工作原理，并设计了一种o 虮广s 匹配引擎。 第四章s w s 发现与匹配算法设计。本章阐述了一种基于服务优化为主的分 步匹配算法，首先介绍了该算法的匹配策略，并依次介绍了服务优化算法，服务 基本信息匹配，服务功能匹配，最后对算法进行了定性分析和定量分析。 第五章s w s 发现与匹配系统的实验验证。给出了一个移动计算中语义w 曲 服务发现系统的实现，阐述了领域本体库的创建，数据库建立，服务发布以及服 务的查找与执行流程。最后通过实例验证了本文所设计的模型和算法的可行性。 第六章总结与展望。本章对本文的研究内容做了总结并对下一步研究的工 作做了展望。 6 河海大学硕士学位论文 第二章移动计算中的w e b 服务发现机制 第二章移动计算中的w e b 服务发现机制 本章任务主要是针对移动计算环境的局限性以及移动计算中w 曲服务发现 机制的不足，采用基于o w l - s 的服务发现机制，用于解决移动计算中的w 曲服 务发现。 2 1 移动计算 当今社会，人们正经历着一场对人类具有深远影响的信息革命，其中一个非 常重要的方面就是人与信息之间无处不在的连接和交互。移动计算可以使人们不 受地域限制无处不在的使用移动设备，通过有线或者无线的网络连接实现信息访 问和任务处理。随着当前移动电话和p d a 等移动终端的普及，移动环境日益成熟， 移动作为分布式计算的研究分支，正称为一门新兴的交叉研究领域。和传统的分 布式计算相比，移动计算环境所特有的移动性，网络差别性等，都给人们的信息 访问提出了挑战。 移动计算之所以能得到迅猛的发展，主要来自以下两个方面的交互作用结 果。 ( 1 ) 应用需求的推动 随着社会的快速发展，信息技术已经无处不在，人们对信息的地点，时间， 方式等都提出了更多的需求，这些需求的出现，成为计算机技术进步的源动力。 a 信息服务范围的扩展：人们已经不再满足于传统方式下的互连网络信息使 用方式，随着移动终端的普及，人们希望将活动地点延伸到广阔的地理区域，如 家庭、野外等。人们希望可以通过移动终端和移动网络所提供的服务，能随时随 地的查询数据，甚至于在移动过程中处理数据，如异地办公，移动目标周围信息 查询等。 b 商务领域服务的扩展：随着信息通信技术( i c t ) 的快速发展，传统的“电 子商务( ec o m m e r c e ) 正逐渐转向“移动商务 ( mc o m m e r c e ) ，“移动商务 概念将会带来企业应用模式的彻底变革。行家预测，未来的1 0 年内，移动商务 将给手机、掌上电脑、p d a 等带来越来越强大的商务处理能力。 c 其他数字化服务的扩展：股市行情分析、交通信息、导航系统、天气预报 等接收与查询不应再受时间和地点的限制。在军事领域中，战地医疗、作战配合、 实时指挥等对移动计算也提出了特殊的要求。 ( 2 ) 软硬件技术的飞速发展 近年来，通讯技术和硬件技术发展迅速，而相应的软件技术也获得了巨大的 7 河海大学硕士学位论文第二章移动计算中的耽b 服务发现机制 发展，移动网络接入技术日益成熟，这为移动计算技术的发展提供了可靠的技术 保障。 a 软件技术的发展：各种支持移动计算的操作系统、数据库系统、通讯软件 和中间件等不断完善和发展。 b 硬件技术的发展：随着信息技术的发展，支持移动计算的各种主流硬件设 备的处理能力和存储容量等指标每1 8 个月就翻一番( 摩尔定律) 。 c 无线通讯技术的发展：近年来，随着数字蜂窝通讯系统的发展，无线局域 网、无线广域网、卫星通讯技术都获得了巨大的发展。无线网络的发展正成为新 的i n t e r n e t 研究热潮。 2 1 1 移动计算的概念 移动计算( m o b i l ec o m p u t i i l 蓟是使人们能够在任何时间和任何地点获得所需 信息的技术和设备的总称。简单的定义是：使用便携终端在流动中进行信息处理。 国际上的一些著名i t 市场研究机构纷纷发布市场研究报告，认为移动计算将与 网络基础设施、电子商务、软件重用构成对未来最有影响的四大技术方向l “j 。 可以这样说，移动计算带给人们的不仅仅是工作和活动范围的扩大，而且也是工 作、生活观念和模式的改变，人们将获得更具实时性和准确性的数字信息服务。 从计算技术角度来看，人类已经由网络计算逐步延伸到了移动计算。就一般 的概念，移动计算的含义十分广泛，所涉及的技术包括移动通信技术、小型计算 设备制造技术、小型计算设备上的操作系统技术及软件技术等。移动计算是指无 所不在的、随时随地的可以进行计算的一种方式：主要针对移动设备，比如信息 家电或某种嵌入式设备，如掌上电脑、b p 机、车载智能设备、笔记本计算机、 手表、智能卡、智能手机( 具有掌上电脑一部分功能) ，机顶盒、p o s 销售机、屏 幕电话( 除了普通话机的功能外还可以浏览因特网) 等新一代智能设备。移动计算 设备可以间断或持续地连接网络。与i n t 咖e t ，i n t r a n e t 及e x t r a n e t 连接，使用户能 够随时随地获取相关的各种信息，并做出回应。移动计算提供了经由网络，使用 各种各样的移动计算设备，访问后台数据、应用和服务的功能。无论使用何种移 动计算设备，用户将能轻易访问信息，得到服务。移动计算降低了设备使用的复 杂性，帮助提高在外办公人员的工作效率和人们的同常生活水平。 从软件系统的角度来讲，移动计算是指使用小型计算设备在位置不断移动的 过程中，或在地理位置分布很广的范围内，在不稳定的通信条件下，实现联机事 务处理和企业核心数据访问。这些小型计算设备具有多种通信手段，如移动通信 网络、卫星、无线局域网、微波、电台等，能与互联网或企业内部网相连，但这 种连接不是固定的连接，而是间断的连接。移动计算的软件技术使用户可以使用 河海大学硕士学位论文第二章移动计算中的w e b 服务发现机制 这些设备进行复杂的联机事务处理和信息访问。因为用户所使用的设备体积小， 可用的计算资源( 内存、存储设备和c p 都相当有限，所有大部分处理工作由计 算中心的数据服务器和应用服务器完成。 2 1 2 移动计算环境的组成 随着蜂窝通讯技术、无线局域网、无线因特网、卫星通讯技术的飞速发展， 移动用户数量空前扩张，移动用户希望从任何地点、任何时间都能访问任何数据 项。可以预见，在不久的将来，越来越多的用户会通过移动计算机和无线终端设 备来访问网络上的信息资源。相对分布式计算而言，这时一种更加灵活、更为复 杂的分布式计算环境，我们称之为移动计算环境( m o b i l ec o m p u t i n g e n 访r o n m 锄t ) 【1 3 l 。 注：m u 代表m 0 b i l eu i l i t ( 移动单元) ；m c 代表m o b i l ec l i e i l l ( 移动客户端) ； m s s 代表m 0 b i l es u p p o ns t a t i o i l s ( 支持移动计算的嘲定站点，有无线通信接口) ； f h 代表f 政e d h o s t ( 固定主机，没有无线通信接口 图2 1 移动计算环境的典型体系结构 移动计算环境就是移动设备通过无线或固定网络与固定或其他移动设备连 接的计算环境。在一个移动计算环境中，移动设备( m u ) 通常是通过移动服务支 持站点m s s ( 也称作移动基站b s ) 与固定网络连接的。移动计算环境的典型体系 结构【1 4 1 5 】如图2 1 所示。它包括3 类计算设备： 具有无线通信接口，支持移动计算的固定主机( m s s ) 没有无线通信接口的固定主机( f h ) 9 河海大学硕士学位论文 第二章移动计算中的乳b 服务发现机制 移动计算设备( ( m u ) 所有主机通过固定网络连接在一起，固定网络中每个m s s 负责建立一个无 线网络单元( 如图2 1 中所示的无线广播单元或无线局域网单元) ，单元内的m u 与m s s 之间通过无线网络连接。相对于可靠性不高的无线网络单元，我们将固 定网络部分称为可信部分。这些无线网络单元的覆盖范围取决于它们采用的无线 通信技术，例如无线l a n 单元只能覆盖一幢大楼，而采用卫星通信的无线网络 单元只需几个即可覆盖整个地球。总之，在图3 1 所示的移动计算环境中，m u 可以从任何一个无线网络单元经m s s 联接到固定网络中，从而实现了自由移动 性。 2 1 3 移动计算环境的特点 与基于固定网络的传统分布式计算环境相比，移动计算环境具有以下一 些主要的特剧1 6 1 7 ，1 8 t 1 9 l ： ( 1 ) 移动性 在移动计算环境中，最突出的特征是设备的移动性。一个移动设备可以 在不同的地方联通网络，而且在移动的同时也可以保持网络连接。这种计算 平台的移动性可能导致系统访问布局的变化和资源的移动性。 ( 2 ) 频繁断接性 移动设备在移动过程中，由于使用方式、电源、无线通信费用、网络条 件等因素的限制，一般不采用保持持续联网的工作方式，而是主动或被动地 间歇性入网、断接。 ( 3 ) 网络条件的多样性 移动设备的移动性使得不同时间可用的网络条件( 如网络带宽、通信代 价、网络延迟以及服务质量等) 是变化多端的，甚至相差悬殊：移动设备既可 以联入高带宽的固定网络，也可以工作在低带宽的无线广域网中，甚至根本 无网可上，处于断接状态。 ( 4 ) 无线连接的低带宽 和固定网络相比，无线连接的带宽要小很多，无线w a n 的带宽只有几十 k b p s 。目前最新的无线l a n 产品带宽可达到1 1m b p s ，但是和爆炸式增长的 数据相比，这些带宽是不够的，对于需要传输多媒体数据的应用场合而言更 是如此。 ( 5 ) 网络通信的非对称性 由于物理通信媒介的限制，一般的无线何络通信都是非对称的，表现在 固定服务器节点可以拥有强大的发送设备，而移动设备的发送能力非常有 河海大学硕士学位论文 第二章移动计算中的w e b 服务发现机制 限，于是下行链路( 服务器到移动设备) 的通信带宽与代价和上行链路( 移动 设备到服务器) 相差很大。 ( 6 ) 低可靠性 无线网络与固定网络相比，可靠性较低，更容易受到干扰而出现网络故 障：此外，移动计算机由于其便携性和工作环境，也带来一定的潜在不安全 因素，包括失窃、遗失、损坏等。 ( 7 ) 移动设备的资源有限性 与固定设备相比，移动设备的资源是相对有限的，如c p u 速度、存储容 量、电源能力。移动设备主要依靠电池供电。由于移动计算环境的上述特点， 使得传统的分布式计算技术不能够满足移动计算环境，而必须对其进行扩充 和改造。总之，移动计算作为分布式计算的研究分支，正成为一门新兴的交 叉研究领域。和传统的分布式计算相比，移动环境所特有的移动性，网络差 别性等，都给人们的信息获取和访问提出了挑战。 2 2 移动计算中位置相关服务 随着无线通信技术和移动设备的发展，位置相关应用越来越重要，位置成为 为移动计算中非常重要的约束。用户需要访问跟他们的地理位置相关的应用和数 据，如查找陌生地方的信息本地生活方式数据等这类位置相关信息服务在移 动计算中日益重要，但是现有的空间查询语言不能有效的支持位置相关的数据， 这对内容提供商和无线网络提出了许多挑战。在移动计算中，客户是移动的，客 户的位置可以查询的一部分，查询结果不仅依靠于客户的位置，也依赖于客户的 移动方向。 2 2 1 位置相关服务的概念 位置相关信息服务( l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ，l b s ) 【2 0 】是指使用移动用户的位 置或者外部特定的位置给出合适的l d d 数据应用。位置相关信息服务包括本地目 录服务、旅馆或餐馆预定、紧急事件服务、基于位置的广告、旅游指南等【2 1 1 。 位置的概念可能是一个地标( 南京新街口、夫子庙) ，也可能是一个相对位 置，与位置相关的信息就包括了城镇的名称、街道名称、邮政编码等。因此l b s 的应用服务范围很广，包括附近目标和本文信息访问，例如系统提供服务使轮船 或飞机可以在一定航线上行驶，或者根据车辆的位置对其进行定位，以监督其走 向，或者根据旅客所处的位置进行信息访问，查找宾馆、景点等。这些服务都需要 一些机制来协助，一个是确定位置的机制( 定位机制) ，一个是数字地图机制 ( g i s ，g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 。有了位置再有一个地图，就可以准 河海大学硕士学位论文 第二章移动计算中的w e b 服务发现机制 确的将位置以及路径描绘出来也有一些应用并不需要有定位机制，例如在网上 找一个旅游点以及如何去部署零售网点等，如果被定位的对象( 餐厅、公园、交通 工具特定人员等) 与提供应用服务的系统有一定的距离还需要一个通讯机制以 便位置及其相关信息能互通。 2 2 2 位置相关服务的分类 查询中的位置信息可以是显式的或者隐式的，按照查询访问位置数据不同， 可以分为一下几类【2 2 】： 1 查询中位置属性是显式的。例如“查找南京的大学 ，可以将查询语句 中的位置信息直接和南京绑定。这个查询必须用南京市大学的数据， 其返回结果是固定的。无论发出查询的移动用户在什么地方，其结果 都是一样的。 2 查询中位置属性是隐式的，查询用查询提交时候的位置来计算。隐式 位置在移动计算环境下，一般由m s s 来提供位置服务系统，如g p s 。例 如移动用户在某个固定点提交查询“离我最近的大学 、 3 查询中的位置属性是隐式的，查询结果对应于接收者的当前位置。例 如：行驶在高速公路上的商务人员发出一个查询“查找离我最近的加 油站。如果这个查询用商务人员提交查询时候的位置来处理，很难保 证得到精确的结果。因为当服务器处理查询的时候，高速移动的用户 的位置可能已经发生了很大的改变，所以对于这样的查询处理，只能 给出近似的结果。 4 查询中的位置属性是隐式的，查询在查询到达数据库服务器时被计算。 查询结果应对于查询被计算时用户的当前位置。 按照客户和被查询对象的移动性，位置相关查询服务可以分为以下三类： 1 移动客户查询静态对象：“如查找最近的大学 ，这时移动领域中比较 主流的查询。这类查询中，提交的删是移动，被查询的数据对象是固 定的。这类查询的研究热点在于怎样得到客户的位置和保证结果的有 效性，因为在查询计算期间，客户是保持移动的。 2 静态客户查询移动对象：例如“查询未来l o 分钟通过河海大学后门的 所有公交车。这里，河海大学后门是静态的查询客户，移动的公交车 是被查询的对象，结果依赖于移动公交车的位置。这类查询被认为是 位置相关查询是因为数据对象是移动的。这类查询的研究热点在于如 何更好的为移动对象建立有效的索引技术。 3 移动客户查询移动对象：提交查询的客户和数据对象都是连续移动的， 1 2 河海大学硕士学位论文第二章移动计算中的w e b 服务发现机制 这是三类查询中最难处理的一类。例如移动的用户查询“未来1 0 分钟， 与我相遇的公交车一。这类查询目前还没有很好的解决方法，尤其是对 于城市中距离矢量计算比较复杂的情况。 本文考虑采用o w l - s 本体描述位置相关服务，使得服务具备机器可理解性 和易用性，提高服务发现效率本质上来说，内容提供商的选择可以是基于位置 的，例如：在南京有一个内容提供商完成黄页应用，在北京也有一个。相同的查询 能被送往两个不同的内容提供商，查询对内容提供商是动态的，这样用户就应该 能使用任何服务提供商的l b s 。 除此之外，基于o w l s 的w 曲服务发现为位置相关服务( l b s ) 应用提供 了一个更灵活和透明的服务发现模型，不同的位置标识软件能应用于这个模型， 以便于l b s 支持服务的灵活实现，这些服务能和多个无线网络和内容提供商一起 工作另外，该方法支持复杂的位置绑定，l d q 可以绑定到除了m u 当前位置以外 的其他位置目前，应用中还存在一些查询需要被重复的请求，例如：假定用户仅 仅想找一个苏果超市，他能提交一个查询，这个查询被周期性重复请求，直到他在 5 0 0 米内找到一家苏果超市这个l d q 查询能被基于o 、l s 的方法支持，但是之 前两种方法不容易做到查询可以分段，发送到不同的内容提供商，这些子查询的 结果被合并，最后返回给用户。 2 3o 几s 本文所研究的w 曲服务发现是在特殊的分布式计算环境( 移动计算) 中实 现的，考虑到移动计算环境的局限性，而且o 、礼s 本体得到w 3 c 组织的大力 倡导，已有和正在研发的工具很多，所以本文决定采用o w l 广s 本体描述w 曲服 务，并利用基于o w l s 的w 曲服务发现机制来弥补目前移动计算中w 曲服务 发现机制的不足。 2 3 1o w l s 概述 o w l - s ( o n t 0 1 0 9 yw 曲l a i l g u a g e 矗ws e r v i