（计算机软件与理论专业论文）基于本体的动态web服务组合的研究与应用.pdf

大连理丁大学硕士学位论文 摘要 w e b 服务是近年来蓬勃兴起的一种分布式计算模型，能够实现在不同平台、不同程 序设计语言编写的应用程序或应用程序组件之间无缝的互操作。随着w e b 服务标准的 完善和支持w e b 服务平台的逐步成熟，网络上可用的服务越来越多，基于w e b 服务的 应用也越来越多，但是现有的服务大都是单个而且功能简单的服务，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。传统的方法是客户 端根据需要人为的选择一些合适的w e b 服务，然后定义这些w e b 服务之间的交互过程， 并对其进行硬编码来完成w e b 服务组合。但是由于w e b 服务的数量越来越庞大，通过 人工进行服务组合是不现实的，而且服务的质量也得不到保障。所以必须对w e b 服务 进行动态组合。w e b 服务动态组合是指程序或代理自动挑选和组装适当的w e b 服务来 完成任务，而只需用户在高层次上给出一个格式正规的任务描述即可。 本文研究的是基于语义的w e b 服务自动组合技术，目标是能根据用户的需求将各种 己有的w e b 服务自动地组合起来、协同工作完成用户的任务，使服务可以灵活地满足 用户的需求，实现“按需服务 。 本文首先提出了一种结合基于推理和语义相似度计算的概念匹配策略，并给出了服 务匹配的规则及算法。接着提出了一种反向匹配的服务组合算法，然后给出了动态执行 服务组合的方法及异常处理机制。最后，本文设计并部分实现了一个动态w e b 服务组 合模型，建立了实验用的领域本体和服务本体，从实验结果可以看出，该模型可以正确 的根据用户的输入输出，在较短的时间内组合出满足用户要求的服务组合。 关键词：语义w e b 服务；服务发现；服务组合；0 w l s 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f d y n a m i cw e b s e r v i c ec o m p o s i t i o n b a s e do no n t o l o g y a b s t r a c t w e bs e r v i c ei sak i n do fd i s t r i b u t e dc o m p u t i n gm o d e l ，w h i c hd e v e l o p sv e r yp r o s p e r o u s l y r e c e n t l y ；j tc a l l r e a l i z et h es e a m l e s so p e r a t i o nb e t w e e nt h ea p p l i c a t i o na n da p p l i c a t i o n g r o u p w a r ei nd i f f e r e n tp l a t f o r ma n dd i f f e r e n tp r o g r a m m i n gl a n g u a g e w i t l lt h ep e r f e c to ft h e w e bs e r v i c ec r i t e r i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fi t sp l a t f o r m , m o r ea n dm o r es e r v i c e sa r e b e c o m i n ga v a i l a b l eo nt h ei n t e m e t , a n da l s ot h ea p p l i c a t i o n sb a s e do nt h ew e bs e r v i c e ；b u t m o s to ft h e ma r es i n g l ea n dm o n o t o n y ，w h i c hc a nn o tm e e tt h ea c t u a la p p l i c a t i o nd e m a n d v e r yw e l l w en e e dt oc o m p o s ev a r i o u sw e bs e r v i c e st oc o m p l e t eac o m p l e xt a s k t r a d i t i o n a l m e t h o di st oc h o o s es o m es u i t a b l ew e bs e r v i c ea r t i f i c i a l l yb a s e do nt h ed e m a n d ，t h e nd e f i n e t h ei n t e r a c t i v ep r o c e s sb e t w e e nt h e s es e r v i c e s a n dc o m p l e t et h ec o m p o s i t i o no fw e bs e r v i c e t h r o u g hh a r dc o d ea st h el a s ts t e p b u tw i n lt h ei n c r e a s i n go fw e bs e r v i c e i ti su n p r a c t i c a lt o c o m p o s et h es e r v i c e sm a n u a l l y ，a n dt h eq u a l i t yo fs e r v i c ec a nn o tb ee n s u r e de i t h e r s ow e m u s tc o m p o s ew e bs e r v i c e sd y n a m i c a l l y d y n a m i cw e bs e r v i c e sc o m p o s i t i o nm e a n st h a tt h ep r o g r a mo ra g e n tc a l lp i c ka n d a s s e m b l es u i t a b l ew e bs e r v i c et oc o m p l e t et h et a s ka u t o m a t i c a l l y ，w h i l ej u s tn e e das t a n d a r d d e s c r i p t i o ng i v e nb yt h ec u s t o m e rf r o mh i g h e rl e v e l t h i st h e s i si sf o c u so nt h ed y n a m i cs e r v i c ec o m p o s i t i o nb a s e do nt h es e m a n t i cw e b t h e a i mi st oc o m p o s et h ev a r i o u sw e bs e r v i c e sa u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ed e m a n do f c u s t o m e r s ，a n dt oc o m p l e t et h et a s kc o r p o r a t e l y ；t h i sc a nm a k et h es e r v i c e sm e e tt h ed e m a n d o ft h ec u s t o m e r sn e a t l y i nt h i st h e s i s ，f i r s to fa l l ，ak i n do fs e r v i c em a t c h i n gs t r a t e g yb a s e do nr e a s o m n ga n d s e m a n t i cs i m i l a r i t yc o m p u t i n gh a db e e nb o u g h to u t ，a n das e r v i c ec o m p o s i t i o na l g o r i t h mo f b a c k w a r dm a t c h i n gw a sb o u g h to u ta sf o l l o w i n g ，a n dg a v et h em e t h o do fe x e c u t i o na n d e x c e p t i o nh a n d l e a tt h ee n do ft h et h e s i s ，am o d e lo fd y n a m i cs e r v i c ec o m p o s i t i o nh a db e e n d e s i g n e da n dr e a l i z e dp a r t l y ，a n dd o m a i no n t o l o g ya n ds e r v i c eo n t o l o g yf o re x p e r i m e n th a d b e e nb u i l t f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ec a nd i s c o v e rt h a tt h i sm o d e lc a nc o m p o s ew e b s e r v i c ev e r ye f f i c i e n t l ya n dc o r r e c t l yb a s e do nt h eo u t p u ta n d i n p u t k e yw o r d s ：s e m a n t i cw e bs e r v i c e s ；s e r v i c e sd i s c o v e r y ；s e r v i c e sc o m p o s i t i o n ；o w l s 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：兰立签垡丝碰查碰必鲤重丝迓丝皇塑 作者签名：奎皇垒 日期： 呈丝2年上月l 日 大连理工大学硕+ 研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目生王筮丛鱼趁：查遄必丝叁丝盛丝望； 作者签名：查王尘日期： 星丝2年l 月l 日 导师签名： 盆乏日期：缁年上月厶日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 w e b 服务是计算机网络发展的一个新的阶段，也是目前研究的热点。w e b 服务是基 于x m l 的一种新技术，它解决了各种异构系统之间数据传输不兼容等问题，并且伴随 w e b 服务而产生的s o a p ，w s d l ，u d d i 等技术越来越完善，使得基于w e b 服务的解 决方案非常具有竞争力。然而，随着业务量的增加，对w e b 服务的需求也是不断变化 的。在i n t e m v t 上的w e b 服务日益增加的情况下，如何实现w e b 服务的自动发现和动 态组合，以满足用户灵活多变的需求，真正实现“按需服务”成了w e b 服务发展的重 点。本章的主要内容是介绍目前w e b 服务组合发展的情况，已经产生的技术以及存在 的困难。并对自己所做的工作和本论文的组织结构作了简单的介绍。 1 1服务组合的概念和意义 近年来，随着w e b 服务标准的持续完善和支持w e b 服务的企业级软件平台的不断 成熟，特别是s o c 和s o a 概念的蓬勃兴起和应用，越来越多的企业和商业组织参与到 软件服务化( s o f t w a r ea sas e r v i c e ，s a a s ) 的行列中来，纷纷将其业务功能和组件包装成 标准的w e b 服务发布出去，实现快速便捷的寻求合作伙伴、挖掘潜在客户和达到业务 增值的目的。然而，目前网络上发布的服务大多都是结构简单、功能单一的服务，无法 满足企业复杂应用的需要。如何有效的组合分布于网络中的各种功能服务，实现服务之 间的无缝集成，形成功能强大的企业级流程服务以完成企业的商业目标，已经成为w e b 服务发展过程中的一个重要步骤，也是关系到s o c 与s o a 能否成功得到应用和实施的 关键所在。 w e b 服务组合的研究正是在这种背景下被提出来的，由于目前尚未有统一的定义， 不同的研究人员分别从不同的角度和侧重点对w e b 服务组合问题进行定义。文献【lj 从业 务流程的角度出发，认为w e b 服务组合是根据一个明确的过程模型，将不同企业提供 的w e b 服务相互连接来实现商务协作的活动。文献【2 j 从企业功能的角度出发，认为w e b 服务组合是企业将来源于不同单位的基本服务集成起来为客户提供一个增值服务的能 力，它除了共享企业间的业务过程管理需求并提供合成服务的安全性、可靠性与可扩展 性外，还需要处理组合过程中服务调用的顺序、服务间的数据流以及事务处理等。文献 例从满足客户需求的角度出发，认为w e b 服务组合是通过动态发现、集成，并按特定的 顺序执行已存在的服务来创建新的客户服务，以满足客户需求的过程。文献【4 j 从目标的 角度出发，认为w e b 服务组合是为达到用户特定目标在给定的一些服务中，发现一个 基于本体的动态w e b 服务组合的研究与应用 能满足这目标的组合服务。文献【5 】从任务规划的角度出发，认为服务组合是将大型任 务分解成若干子任务后，分别为每一个子任务寻找完成该子任务的服务的过程。 在综合以上观点之后，本文认为w e b 服务组合是指当单个w e b 服务无法满足用户 需求时，将若干w e b 服务进行有机合成，以形成大粒度的具有内部流程逻辑的组合服 务，并通过执行组合服务而达到业务目标的过程。 服务组合能够重用已有的服务，实现功能更强大的复合服务。从用户的角度来说， 复合服务能够更好的匹配用户的要求，同时将调用各单独服务的逻辑隐藏在流程内进 行，对于服务的调用也就更方便、更简练。从开发者的角度来说，对服务进行组合可以 有效的节省开发时间成本。从服务提供者的角度来说，能够降低提供各种服务的配置成 本和运行成本。从各单独服务的角度来说，服务组合能够为服务的调用提供结构化的表 示，将业务逻辑映射到流程描述中，而不是映射到服务内，使得服务能够有更广泛的同 时也是更专一的功能实现。 研究服务组合，是为了从语义、语法上将服务进一步抽象的表达。从服务组合的运 行流程上来看，服务组合实际是在用户和已存在服务之间的一个中间层。它一方面要能 理解客户的需求，一方面要能理解已存在服务的调用格式，本来在这两者之间就存在很 大的距离，并且随着用户对服务的速度、功能、质量要求越来越高，单个服务的就更加 难以满足要求。所以，研究服务组合就是可以连接这两部分，消除这其中的“鸿沟”。 研究服务组合也是实现对异构服务的关联的手段。当今各个已存在的服务可能由不 同的提供商提供、用不同语言编写、运行在不同平台、不同的网络环境，我们需要将这 些细节对用户隐藏，只给用户( 或上一层服务调用者) 提供一个统一的语法接口，同时保 留各个服务的语义的独特性。服务组合不仅是从应用的角度上将这些异构环境下的服务 统一起来，而且提供了服务间的交互手段，大大增加了不同服务的表现方式。 1 2 w e b 服务组合的研究方向 w e b 服务倡导以服务及其组合为基础构造应用的开发模式，提出了一种标准化、松 耦合和透明的应用集成方式，有助于提高应用系统的互操作能力、敏捷性和集成能力。 与此同时，它也带来了新的不确定性，并且对系统的部署、性能、事务、监控、访问控 制、语义基础设施与元数据管理、生命周期管理的方式提出了诸多挑战性要求。为此， 来自不同领域的学者和工程技术人员开展了大量的研究和实验工作。目前，关于服务组 合的研究内容主要有： ( 1 ) 服务交互和组合的语言。如微软推出的x l a n g 语言，i b m 推出的w e b 服务流 语言w s f l ( w e bs e r v i c ef l o wl a n g u a g e ) ，微软和i b m 以及其它公司联合推出的w e b 服 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 务业务流程执行语言w s b p e l ( w e bs e r v i c eb u s i n e s sp r o c e s se x e c u t i o nl a n g u a g e ) 。w 3 c 推出的w e b 服务编排定义语言w s - c d l ( w e bs e r v i c ec h o r e o g r a p h yd e f i n i t i o n l a n g u a g e ) 。 ( 2 ) 服务语义研究。文献【6 】通过对服务添加语义信息，并利用本体知识库对相关服 务信息进行概念、定义上的统一认识，建立服务之间的关联，达到灵活组合并提高组合 质量，减少错误的目的。 ( 3 ) 服务组合结构及其形式化研究。最基本的服务组合结构包括顺序、选择、循环 和并行。顺序结构允许两个服务串行执行；选择结构在多个服务组合分支中选择一个加 以执行；循环结构允许一个服务被重复执行多次；并行结构将导致多个服务组合分支都 被执行。研究工具和方法主要是p e t r i 网【7 】和进程代别8 】等等。 ( 4 ) 服务的动态组合问题。即根据用户动态定义的组合目标、语义描述和约束，以 及可用资源和服务，在运行时创建组合方案。文献【9 , 1 0 】在图论和集合论的基础上研究了 服务组合的构造算法。文献【l l j 讨论了服务组合中基于用户需求的动态服务选择问题。此 外，还有服务组合负载平衡旧和q o s 方面的研究( 1 3 , 1 4 j 。 1 3 著名研究项目 知名度较高的服务组合研究项目主要包括耶实验室的e f i o w 、斯坦福大学的 s w o r d 、澳大利亚新南威尔士大学与昆斯兰科技大学联合研制的s e l f s e r v 、美国乔 治亚大学的m e t e o r - s 以及i b m 印度实验室的s y m p h o n y 。下面我们从组合服务建模 方法、服务的表示、系统的动态性支持以及系统所采用的协调机制等几方面对这些项目 的研究特色做简要介绍。 ( 1 ) e f l o w 项目 e f l o w 是一个基于e s p ( e s e r v i c ep l a t f o r m ) 的组合服务描述、执行与管理平台，采用 基于业务流程的服务组合方法。该项目采用基于图的模型来描述组合服务的业务流程， 该组合服务模型由系统中的流程引擎解释执行实现服务组合。e f l o w 继承了工作流领域， 特别是动态工作流的研究成果，以支持自适应的动态服务组合为其主要特色。e f l o w 中 支持动态服务发现，通过为组合服务模型的服务结点指定“服务选择规则 来描述执行 特定活动的组件服务的属性要求。例如e f l o w 可以指定对于查询到的候选服务按照其某 个属性进行排序，再选择一个“最好 的服务。此外，e f l o w 还在动态会话选择与动态 流程修改方法提供了一定的支持。 e f l o w 是通过解释执行“模型”来实现服务组合的早期尝试之一，其系统设计和实 现具有明显的工作流管理系统的特点。尽管它没有基于标准的w e b 服务技术，其服务 基于本体的动态w e b 服务组合的研究与应用 选择规则的定义也仅适用于封闭的服务空间，但是它对于后来服务组合系统的构造具有 十分重要的启发意义。 ( 2 ) s w o r d 项目 s w o r d 项目的研究目标是为信息提供服务的自动或半自动组合提供组合服务开发 工具包。s w o r d 将服务表示为基于实体关系的世界模型中一条对于给定输入产生特定 输出的规则。如果希望创建一个新的组合服务时，开发者需要基于世界模型描述组合服 务的输入和输出，并提交给s w o r d 。s w o r d 使用基于规则的专家系统判断使用现有 的服务是否能够实现所需的组合服务，并产生相应的组合方案。组合方案经开发者确认 后即形成执行的组合服务表示，其中包含由指定输入产生指定输出所需访问的服务的序 列。当组合服务收到用户请求时，其中的服务依次被调用，从而产生相应的应答。 s w o r d 是基于砧规划的服务组合方法的典型代表，虽然它基于一种抽象的服务 表示模型，但是它的思想对于使用w s d l 的w e b 服务也是适用的。但是j 下如s w o r d 的开发者所承认的那样，s w o r d 只能处理简单的服务组合问题。对于具有复杂业务语 义的服务，为之建立世界模型本身就是一项十分艰巨的任务。因此通常认为s w o r d 仅 是一个标志性的实验室项目。 ( 3 ) s e l f s e r v 项目 s e l f s e r v 的开发者认为，可伸缩性对于开放环境中的服务组合至关重要，因此 s e l f - s e r v 在基于状态图建模组合服务的基础上，提出了基于p 2 p 的执行模式实现组 合服务的运行。s e l f s e r v 实现组合服务的分布式协调的途径是，编译组合服务模型， 为每个活动产生它的协调者( c o o r d i n a t o r ) ，协调者中维护了该组合服务的路由表，用于 记录该活动的前驱和后继的位置。s e l f s e r v 在服务执行之前将协调者部署到各个活 动所在的结点，执行时每个协调者根据其配置的路由表按序激活它的后继协调者，从而 使得组合服务的执行分布到多个结点。应该说这种p 2 p 的执行模型对于集中式引擎的性 能和单点失效问题是一个改进。 s e l f s e r v 的另一个研究成果是关注了基于服务非功能属性的动态组件服务选择 问题。它提出了服务社区( s e r v i c ec o m m u n i t y ) 的概念用于对功能上可替代的服务进行分 类，服务社区中的服务具有不同的非功能属性，即q o s 属性。该项目的研究者在一个考 虑了服务价格、服务时间、可靠性、可用性和声誉等质量度量的q o s 模型的基础上，提 出了q o s 驱动的服务选择问题，并给出了基于多属性决策的局部选优的组合服务选择方 法，以及基于全局规划的全局组合服务选择方法。 ( 4 ) m e t e o r - s 项目 一4 一 大连理1 ：大学硕士学位论文 m e t e o r s 是著名的工作流管理系统m e t e o r 项目的扩展，是一个基于语义的服 务组合研究项目，侧重于结合语义w e b 技术提高服务组合的自动程度与灵活性。 m e t e o r s 的研究者认为，目前服务组合多关注基于组件服务的接口描述创建业务流 程，这种方法过于严格，不利于动态调整组合服务的参与者。因此，m e t e o r - s 的研究 中识别了组合服务的各个阶段中涉及的4 种语义，即数据语义、功能语义、执行语义和 q o s 语义，为w e b 服务增加语义标注。在组合服务建模方法上，m e t e o r - s 提出使用 “语义流程模板用于描述业务流程的语义需求。语义流程模板是可配置的组合服务模 型，其定义使用本体，从而允许描述丰富的活动需求，模板根据相应的语义实例化为可 执行的流程。在服务的选择过程中，m e t e o r s 基于候选服务的上述4 种语义标注，综 合选取“最好”的服务参与组合。 ( 5 ) s y m p h o n y 项目 s y m p h o n y 项目的研究重点在于探索组合服务的分布协调。s y m p h o n y 的研究者认 为，使用分布的协调机制可以提高系统的并发性，有利于获得组合服务系统性能上的提 升，包括吞吐率、可扩展性及响应时间等，避免集中式引擎成为系统的瓶颈。为了实现 分布式协调，s y m p h o n y 使用程序分析技术将组合服务模型分解为多个子模型，每个子 模型也是一个完整的组合服务。代码分解算法首先使用数据流分析技术判断最大并行可 能，然后通过一个开销函数计算最有效的代码分解，从而使得组件服务之间传递的数据 最少而并行性最大。s y m p h o n y 的研究和实现工作基于b p e i a w s 语言和i b m 的a l p h a 项目b p e l 4 j 。 1 4 动态服务组合面临的挑战 在开放网络环境中实施服务组合面临诸多技术挑战： 首先，组合服务的正确性保证问题。组合服务是多个自治组件服务的聚合体，由于 各个组合服务具有独立的开发、维护和演化过程，如何保证自治组件服务之间的协同行 为的正确性至关重要。组合服务正确性的保证需要精确建模组合服务行为，使得能够通 过离线的分析和验证过程来避免错误的运行时行为。 第二，组件服务的按需选择问题。网络环境的开放性使得可用的服务构成一个不断 成长、动态变化的服务空间，这使得组件服务的选择成为令人既兴奋又头痛的问题。服 务在功能和非功能层面上具有多样性，在运行时刻根据特定的环境状况和用户需求动态 地选择适当的组件服务是动态服务组合的重要要求。同时，潜在的巨大的候选组件服务 集合对于服务选择的有效性和高效性提出了挑战。因此，如何刻画服务选择需求、如何 有效地支持运行时刻的服务选择是动态服务组合技术的关键问题之一。 一5 一 基于本体的动态w e b 服务组合的研究与应用 第三，高效的组合服务协调问题。组合服务通常部署在广域网环境下，具有开放的 用户群体，且其组件服务往往属于不同的自治组织，具有广泛的地理分布性。因此，高 效、灵活的组合服务协调机制对于保证组合服务系统的可伸缩性尤为重要。 1 5 本文的工作和组织结构 本文首先提出了一种结合基于推理和语义相似度计算的服务匹配策略，接着提出了 一种反向匹配的服务组合算法，然后给出了动态执行服务组合的方法及异常处理机制。 最后，本文设计并部分实现了一个动态w e b 服务组合模型，建立了实验用的领域本体 和服务本体，从实验结果可以看出，该模型可以正确的根据用户的输入输出，在较短的 时间内组合出满足用户要求的服务组合。 本文的组织结构如下： 第一章主要介绍了w e b 服务组合的意义，研究方向、研究现状以及所面临的挑战。 第二章主要介绍了语义w e b 服务的相关知识。 第三章介绍了w e b 服务发现相关算法。 第四章介绍了w e b 服务组合和执行的相关算法。 第五章介绍了动态w e b 服务组合模型的设计与实现 第六章实验分析，通过实验验证了服务组合模型的正确性和有效性。 大连理：【大学硕士学t 规论文 2 语义w e b 服务 2 1w e b 服务 w e b 服务是s o a 中所强调的服务概念的一种具体表现形式和功能载体，它是一种 基于w e b 环境的具有自适应、自描述、模块化并且良好互操作能力的应用程序。然而， 目前对于w 曲服务的概念和内涵，不同的组织都有着不同的理解和认识。 i b m 认为w e b 服务是采用x m l 描述的一组可通过x m l 进行消息传递的操作，而 这些操作可经由网络访问而完成目标任务。服务的描述提供了与该服务进行交互所必须 的所有细节，包括消息格式、传输协议和位置。 m i c r o s o f t 认为w e b 服务是一个向其它应用提供数据和服务的应用逻辑单元。应用 程序通过无处不在的w e b 协议和数据格式访问w e b 服务，如h r r p 、x m l 和s o a p ， 而无需关心每个w e b 服务是如何实现的。 s u n 认为w e b 服务是软件构件，这类构件具有被发现、可重用和再组合的特性， 用于解决用户的问题或要求。 w 3 c 组织2 0 0 4 年初在w e b 服务体系结构( w e bs e r v i c e sa r c h i t e c t u r ew s a ) 对w e b 服务的定义如下：w e b 服务是一个软件系统，被设计来支持网络上机器之间的可互操作 的交互，它有一个清晰的、机器可读的、通用的标准描述( w s d l ) ，其他系统以该描述 中说明的方式与它交互。具体使用s o a p 消息以及其他w e b 相关标准，w e b 服务具有 完全开放、松散耦合、标准协议规范和高度可集成能力等特征。w e b 服务体系结构关 注于全球w e b 服务网络中w e b 服务之间的互操作，主要目标集中在互操作性、可扩展 性、安全性、w e b 集成、实现和管理几个方面。w e b 服务具有以下的特点： ( 1 ) 松散耦合：由于w e b 服务的所有实现都被完好的封装，在用户看来是透明的， 因此，当w e b 服务的实现方式发生变化时，只要w e b 服务发布的接口不变，w e b 服务 的使用者不会觉察到。 ( 2 ) 互操作性：任何w e b 服务都可以与其它w e b 服务进行交互，w e b 服务通过s o a p 实现相互间的访问，同时不必考虑w e b 服务的实现语言，运行环境等具体细节。 ( 3 ) 完好的封装性：w e b 服务是一种部署到w e b 上的封装良好的对象，它只对使用 者提供接口。 ( 4 ) 使用协约的规范性：w e b 服务对象的界面是使用标准的描述语言描述的，这一 描述文档被存于公共的( 或私有的) 注册库里，这样就能方便地发现服务的界面；同时对 于w e b 服务的组合、事务处理、工作流等信息的描述也需要使用标准的描述语言；安 大连理丁大学硕十学位论文 ( 3 ) 服务注册中心：这是可搜索的服务描述注册中心，服务提供者在此发布他们的 服务描述。在静态绑定开发或动态绑定执行期间，服务请求者查找服务并获得服务的绑 定信息( 在服务描述中) 。服务请求者也可以从服务注册中心以外的其它来源得到服务描 述。 服务提供者定义w e b 服务的服务描述并把它发布到服务请求者或服务注册中心。 服务请求者使用查找操作来从本地或服务注册中心检索服务描述，然后使用服务描述与 服务提供者进行绑定并调用w e b 服务实现或同它交互。 2 2 本体 2 2 1 本体的概念 为了使计算机能够理解语义信息，并且自动发现和绑定语义匹配的w e b 服务，以 实现w e b 服务的自动组合，这时会涉及到本体( o n t o l o g y ) 这个概念。 本体论最初起源于西方哲学，“o n t o l o g y 一词来自希腊文。它是指关于n o 的l o g o s 即研究存在的学问。从哲学意义上看，本体论关注的是存在，即世界在本质上有什 么样的东西存在，或者世界存在哪些类别的实体。 随着信息技术的发展，本体论逐渐被引入到人工智能领域，用来表示人们大脑中的 共享知识和概念。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，o n t o l o g y 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。 虽然本体早在2 0 世纪6 0 年代就为计算机领域所使用，但对于本体的概念和定义一 直缺乏统一的看法。s t u d e r 等人将本体定义为“共享概念模型的明确的形式化规范说明 i l5 1 ，这个概念包含四层含义：概念模型、明确、形式化和共享，具体描述如下： ( 1 ) 概念模型：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，概念模 型表现的含义独立于具体的环境状态。 ( 2 ) 明确：概念和概念的约束都有明确的和无歧义的定义。 ( 3 ) 形式化：本体能通过本体语言编码，使计算机可读，并可以被计算机处理。 ( 4 ) 共享：本体体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域内公认的概念集。 总的来说，本体的目标是捕获相关领域的共有知识，提供对该领域知识的共同理解， 确定该领域内共同认可的术语，并从不同层次的形式化模型上给出这些术语和术语间相 互关系的明确定义，实现对领域知识的推理。从知识共享角度来说，本体是通用意义上 的概念定义集合，是在各种知识系统间交换知识的共同语言。 一9 一 基于本体的动态w e b 服务组合的研究与应用 p e r e z 等人用分类法组织了本体【1 6 】，归纳出5 个基本的建模原语( m o d e l i n g p r i m i t i v e s ) ： ( 1 ) 类( c l a s s e s ) 或概念( c o n c e p t s ) ：指任何事物，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( f l a m e ) 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，形式上定义为力维笛卡儿积的 子集：r ：c ，c g 。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 厶 1 7 ：1o ( 3 ) 函数( f u n c t i o n s ) ：一类特殊的关系。该关系的前刀1 个元素可以唯一决定第y 个 元素。形式化的定义为只a x 已x g 厂- g 。如m o 历e r o f 就是一个函数，m o 砌e r o a x ， 力表示y 是x 的母亲。 ( 4 ) 公理( a x i o m s ) ：代表永真断言，如平行线永不相交。 ( 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。 另外，从语义上讲，本体的基本关系共有4 种： ( 1 ) p a r t - o f , 表达概念之间部分与整体的关系。 ( 2 ) k i n d - o f , 表达概念之间的继承关系，类似于面向对象中的父类与子类之间的关 系。 ( 3 ) i n s t a n c e - o l 表达概念的实例与概念之间的关系，类似于面向对象中的对象和类 之间的关系。 ( 4 ) a t t r i b u t e - o f , 表达某个概念是另一个概念的属性。如“价格”是桌子的一个属性。 在实际建模过程中，概念之间的关系不限于上面列出的4 种基本关系，可以根据领 域的具体情况定义相应的关系。 2 2 2w e b 本体语言o w l o w l 的全称为o n t o l o g yw e bl a n g u a g e ( w e b 本体语言) ，是w 3 c 推荐的语义w e b 中本体描述语言的标准。与之作用相似的还有r d f ，r d fs c h e m a ，d a m l + o i l 等，它 们均是基于) a l 的本体描述语言。o w l 基于x 1 l 和r d f ，是d a m l + o i l 的延伸。 o w l 通过提供一个具有形式语义的附加词汇表，使得它比由x m l ，r d f 和r d fs c h e m a 支持的w e b 内容更具有机器可解释性。o w l 采用面向对象的方式来描述领域知识，即 通过类和属性来描述对象，并通过公理( a x i o m ) 来描述这些类和属性的特征和关系。 o w l 基本语法中包括类( c l a s s ) 、属性( p r o p e r t y ) 、个体( i n d i v i d u a l ) 等几个基本概念： 大连理1 ：大学硕十学位论文 类( c l a s s ) 提供了组织具有相似特征的资源的一种抽象方式。每一个o w lc l a s s 联系 到一个i n d i v i d u a l 的集合，这个集合叫做它的外延，集合中的i n d i v i d u a l 叫做它的i n s t a n c e 。 可以通过指定一个c l a s s 名字或说明一个匿名的c l a s s 的外延来描述一个c l a s s 。另外， 可以使用r d f ：s u b c l a s s o f 将c l a s s e s 组成一个层次化的结构。 属性( p r o p e r t y ) 提供描述c l a s s 间关系的抽象机制，它可看作c l a s s 之上的二元关系。 而p r o p e r t y 之间可以通过s u b p r o p e r t y o f 形成层次化的关系。o w l 里有两类p r o p e r t y 。 o b j e c t p r o p e r t y 的值域是c l a s s 的i n d i v i d u a l ，d a t a t y p ep r o p e r t y 的值域是数值类型的值( 整 数、字符串，日期等，由x m ls c h e m a 定义) 。在o w lf u l l 里，o b j e c tp r o p e r t y 和d a t a t y p e p r o p e r t y 不互斥，因为数值类型的值也可以看作是一个i n d i v i d u a l 。 个体( i n d i v i d u a l ) 描述数据的个体，是组成c l a s s 的元素，被称为类的实例。i n d i v i d u a l 通过使用r d f t y p e 来将自己绑定到某个c l a s s 上。 针对不同的应用范围( 不同的推理和计算能力) ，o w l 提供了三种表达能力递增的子 语言： o w l l i t e ：从语法上来说，o w l l i t e 是三个之中最简单的一个，当你的本体中类 的层次结构很简单，并且只有简单的约束( c o n s t r a i n t ) 时适合使用它来描述本体。例如， 在需要把一个已存在的辞典( t h e s a u r i ) 移植到另一个差不多简单的概念层次时，o w l l i t e 可以做得又快又好。 o w l d l ：和o w l l i t e 相比，o w l d l 的表达能力要丰富许多，它的基础是描述 逻辑( d e s c r i p t i o nl o g i c s ，即d l 的由来) 。描述逻辑是一阶逻辑( f i r s t o r d e rl o g i c ) 的一个 可判定的变种，因此可以用来进行自动推理，计算机从而可以知道本体中的分类层次， 以及本体中的各种概念是否一致。 o w l f u l l ：o w l - f u l l 是o w l 的三种子语言中表达能力最强的一个，适合在那些 要非常强的表达能力，而不用太关心可判定性( d e c i d a l i t i t y ) 或是计算完全性的场合下使 用。不过也正是由于表达能力太强这个原因，用o w l f u l l 表示的本体是不能进行自推 理的。 对于o w l 的三种子语言，在使用时如何做出选择，有以下几点需考虑：选择o w l l i t e 还是o w ld l 主要取决于用户需要整个语言在多大程度上给出约束的可表达性；选 择o w ld l 还是o w lf u l l 主要取决于用户在多大程度上需要r d f 的元模型机制( 如定 义类型的类型和为类型添加属性) ；在使用o w lf u l l 而不使用o w ld l 时，由于o w l f u l l 没有可计算性的保证，它对推理的支持是不完全的，目前o w lf u l l 还有待进一步 的完善。 基于本体的动态w e b 服务组合的研究与应用 2 3 语义w e b 当前的万维网( w 业已成为人们获得信息、取得服务的重要渠道之一。但是， 目前万维网的页面设计仅仅针对人类自身，适合人类自身的使用，不便于计算机的自动 处理和理解，即现在网页信息的表现方式( 包括h t m l 文件、自然语言文本、图像、声 音等) ，这些都只适应于人类自身的需求。但是，这些信息固有的歧义性、非规范性、 动态性和不确定性都会引起信息所表达意思的多样性，从而无法被计算机正确理解。万 维网中的信息，如果要让计算机进行自动处理和理解，就必须首先将这些信息加工成计 算机可以理解的信息后才能进行处理。 语义w e b 是由w w w 的创始人t i mb e m e r s l e e 在2 0 0 1 年正式提出的1 1 7 】，它是对 万维网本质的变革，它的主要任务是使数据能被计算机自动的处理和理解，其最终目标 是让用户对因特网上的海量信息达到几乎无所不知的程度，计算机可以在这些海量信息 中找到你所需要的任何信息，从而将万维网中现存的信息发展成一个巨大的全球信息 库、知识库。它研究的主要目的就是扩展当前的万维网，使得网络中的信息具有语义， 能够被计算机理解，便于人和计算机之间的交互与合作，其研究重点就是如何把信息表 示为计算机能够理解和处理的形式，即带有语义。 根据t i mb e m e r s l e e 的设想，语义网是由一种分层的体系结构构成的，如图2 2 所 示。这是一个功能逐层增强的层次化结构。 其中，最底层是统一资源标识符( u n i f o r mr e s o u r c ei d e n t i f i e r ，u r i ) 和统一字符编码 ( u n i c o d e ) ，这是w e b 上资源标识和字符表示的标准。其上一层包括：可扩展性标识语 言x m l 和定义x m l 语法结构的x m ls c h e m a ，以及允许在文档中合成不同词汇的 x m l 命名空间( n a m e s