Web服务组合方法综述(中国科技论文在线).pdf

第3卷 第2期 2008 年 2 月 79 中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE Web 服务组合方法综述 邓水光 吴朝晖 浙江大学计算机科学与技术学院 杭州 310027 摘 要 将分布在 Internet 中的 Web 服务进行无缝集成能帮助企业高效的开发分布式应用 实现企业异质异构 资源的快速融合 达到企业服务增值的目的 目前服务组合的研究得到了学术界和工业界的广泛关注 提出了 众多的服务组合方法 本文根据服务组合目标任务的不同将这些方法分成业务流程驱动的服务组合方法和问题 求解的服务组合方法两大类 就当前主要的服务组合方法进行介绍 最后提出服务组合技术发展所面临的问题 和今后的趋势 关键词 计算机应用 Web 服务 综述 服务组合 中图分类号 TP393 文献标识码 A 文章编号 1673 7180 2008 02 0079 6 A survey of Web service composition methods DENG Shuiguang WU Zhaohui College of Computer Science and Technology Zhejiang University Hangzhou 310027 Abstract With the emergence of technologies and standards supporting the development of Web services more and more services are becoming available on the Internet Composing existing services to obtain new functionality becomes essential for both business to business and business to consumer applications Research on service composition has attracted many researchers attention A lot of service composition methods were proposed This paper gives an overview of the research on service composition methods It divides those methods into two categories business process driven methods and task solve oriented methods and then introduces the current methods in details Finally it points out the future direction of service composition technology Key words computer application Web service survey service composition 0 引言 Web 服务作为一种崭新的分布式计算模型已经 在电子商务 企业应用集成等领域扮演着越来越重 要的角色 随着 Web 服务相关标准的持续完善和支 持 Web 服务的企业级软件平台的不断成熟 越来越 多的企业将其业务功能和流程包装成标准的 Web 服 务发布出去 实现便捷快速的寻求合作伙伴 挖掘 潜在客户和达到业务增值的目的 如何有效地组合 分布于 Internet 中的各类服务 实现服务之间的无缝 集成 形成功能丰富的企业级服务流程以达到企业 的商业目标 已经越来越成为 Web 服务发展过程中 基金项目 国家科技支撑计划 2006BAH02A01 国家自然科学基金 60603025 60503018 国家高技术研究发展计划 2006AA01Z171 作者简介 邓水光 1979 男 博士 通信联系人 吴朝晖 1966 男 教授 wzh 第3卷 第2期 2008 年 2 月 80 的一个重要步骤 Web 服务组合的研究正是在这种 背景下被提出来 并吸引了工业界和学术界的广泛 关注 国内外学者围绕 Web 服务组合建模语言 服 务组合方法 服务组合执行 服务组合验证等方面 进行研究 启动了诸多研究项目 如 METEOR S 1 SEFL SERV 2 e Flow 3 等 Web 服务组合问题已经 成为分布式计算 流程管理以及软件工程领域的一 个研究热点 研究成果也层出不穷 本文重点就当 前主要的服务组合方法进行综述 1 Web 服务组合定义与方法分类 Web 服务组合是将若干成员服务组合成大粒度 流程服务的过程 由于目前尚未有统一的定义 不 同的研究人员从不同的角度对 Web 服务组合问题进 行定义 4 7 文献 4 从业务流程的角度出发 认为 Web 服务组合是根据一定的业务规则将服务进行有 机连接 使其相互协作从而完成既定的商务目标 文献 5 从应用集成的角度出发 认为 Web 服务组合 是将来自于不同企业的异质异构信息系统和软件进 行无缝集成 消除信息孤岛 从而形成互通互联的 软件联合体的过程 文献 6 从问题求解的角度出发 认为 Web 服务组合是为达到用户特定目标 在给定 的一些服务中 发现一个能满足这一目标的组合服 务 文献 7 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 Web 服务组合是指当单个 Web 服务无法满足用户需求时 将若干 Web 服务进 行有机合成 以形成大粒度的具有内部流程逻辑的 组合服务的过程 当前 工业界和学术界提出了众多的 Web 服务 组合方法 可根据不同的分类标准进行归类 如根 据 Web 服务组合实现方式可以分为服务编制 Orchestration 和服务编排 Choreography 两大类 两 者的区别在于 服务编制需要一个总控流程来控制 涉及到的 Web 服务 并协调 Web 服务不同操作的执 行 相比之下 服务编排并不依赖中央的总控协调 过程 相反 每个涉及其中的 Web 服务都知道何时 执行自己的操作 和谁交互 此外按照 Web 服务组 合的动态性程度可以分为静态 Web 服务组合和动态 Web 服务组合 根据自动化程度可以分为手动 Web 服务组合 半自动 Web 服务组合和全自动 Web 服务 组合方法 按照 Web 服务组合方法的技术或理论基 础可以分为基于工作流的服务组合和基于人工智能 的服务组合 本文则根据服务组合所解决的问题类 型的不同将其分为 业务流程驱动的 Web 服务组合 和用户即时任务求解的 Web 服务组合 1 业务流程驱动的 Web 服务组合 这类服务组合的目标是实现流程的自动化处 理 它是工作流技术与 Web 服务技术相结合的产物 它以业务流程为基础 通过为业务流程中的每一个 环节 步骤 分别选择和绑定 Web 服务 而形成一 个流程式的组合服务 因此这类服务组合的内部结 构 服务之间的交互关系和数据流等全都受控于业 务流程 其组合过程可以描述为 首先依托建模工 具根据业务逻辑手工创建业务流程模型 之后分别 为流程中的每一个活动从服务库中选取并绑定能执 行该步骤所对应任务的服务 并根据业务流程中的 数据流设置服务之间的参数传递和参数映射 有时 为了提高业务流程的灵活性 使得服务组合具有较 好的容错性和动态性 往往借助服务模板 服务社 区等机制实现服务的动态选取和运行时绑定 2 即时任务求解的 Web 服务组合 这类服务组合的目标是解决用户提交的即时任 务 它是根据完成该任务的需要 即时从服务库中 自动选取若干服务进行自动组装而形成的 这类服 务组合以完成用户任务为目标 与第一类服务组合 相比 它一般不受业务流程逻辑的约束 服务组合 过程自动化程度高 所形成的组合服务是若干服务 的一个临时联合体 一旦用户任务求解结束 这个 临时联合体也随即解散 因此 即时任务求解的 Web 服务组合多用于一次性问题求解 如一次服务的联 合计算 一次用户出行设计 行程安排等问题 即 时任务求解的服务组合过程是建立在服务和用户目 标的形式化表达之上 通过任务规划 逻辑推理 搜索匹配等方法来完成 2 业务流程驱动的 Web 服务组合 业务流程驱动的 Web 服务组合主要是以工作流 为技术基础 工作流是计算机辅助下的流程自动化 或半自动化处理 它通过将流程分解成定义良好的 活动 角色 规则和过程来执行和监控 旨在全面 整合企业资源 提高流程流转效率 8 工作流经过多 年的发展 形成了一套成熟的理论 模型和方法 并被广泛应用于业务流程管理 业务过程重组 企 业应用集成等领域 由于业务流程驱动的 Web 服务 组合是在业务流程的基础上通过服务绑定而形成 因此工作流建模 执行与监控技术为业务流程驱动 Web 服务组合方法综述 第3卷 第2期 2008 年 2 月 81 中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE 的 Web 服务组合提供了较好的技术基础 2 1 工作流与服务组合 文献 3 和 9 均对工作流与服务组合进行了分 析比较 认为工作流与服务组合既有非常相似之处 又有显著的不同点 相似之处在于两者均具有相同 的生命周期 即流程建模阶段与流程运行阶段 在 建模阶段均需要指定数据流和控制流 在运行阶段 都由执行引擎负责解析流程定义并生成实例 通过 调用外部应用或者服务进行执行 尽管工作流与服 务组合存在很多相似之处 但两者在流程模型 建 模过程 执行过程以及对分布式 动态性 安全性 方面的要求不一样 表 1 列举了工作流与服务组合 的不同之处 表 1 工作流与服务组合的比较 Table 1 The comparison between workflow and service composition 工作流 服务组合 服务流 活动 应用 活动 服务 活动 查询条件 固定的应用 不固定的服务 固定执行者 User Role Org 不固定的服务提供商 流程建模阶段 局域范围 INTRANET 广域范围 INTERNET 服务查询 匹配 选取 多样的数据格式 统一的 XML 数据格式 黑盒 式应用调用 半透明式 服务调用 流程运行阶段 服务安全因素 基于工作流的服务组合方法在很多服务组合的 研究文献 原型系统和成型产品中得到体现 1 我们 根据动态性 灵活性等特点将基于工作流的服务组 合的实现方式分为三类 静态服务组合 基于模板 的服务组合和逐步演化的服务组合 这三类组合方 法在动态性 灵活性 实现的难易上各不相同 如 表 2 所示 动态性是指服务组合在建模阶段活动与 服务之间绑定的固化程度 灵活性则包括两个方面 其一是指服务组合流程建模的灵活性 其二是指服 务组合在运行阶段服务绑定的灵活性 由于三种基 于工作流的服务组合的实现方式各有所长 因此在 很多原型系统和成型产品中都采用混合式的实现方 法 以满足不同需求的服务组合 表 2 三类基于工作流的服务组合方法比较 Table 2 The comparison among difference service composition methods based on workflow 方法类别 服务绑定 动态性 灵活性 实现难度 静态服务组合 建模时 差 差 易 基于模板的服务组合 执行前 一般 一般 难 逐步演化的服务组合 执行中 很好 好 难 2 2 静态服务组合方法 静态服务组合要求在建模阶段 为每一个活动 人为的选取某一具体服务 在服务组合执行阶段 执行引擎根据与活动绑定的具体服务进行参数传递 和服务调用 由于静态服务组合在建模阶段已经由 设计者做好了服务绑定 所以减少执行引擎在服务 组合执行期间为活动绑定服务而带来的开销 然而 这也使得服务组合失去了必要的动态性和对异常的 应变能力 一旦事先绑定好的服务变得不可用 或 者存在更佳的可选服务 这种方法就不能实时地为 活动执行提供更好的支持 因此动态性差 此外 对于服务组合设计者而言 要从数量巨大的 Web 服 务中为每一个活动找到一个目标 Web 服务也比较 难 因而灵活性差 所以这种方法适合在少量 Web 服务之间进行组合 2 3 基于模板机制的服务组合方法 第3卷 第2期 2008 年 2 月 82 静态服务组合相比 基于模板的服务组合在动 态性和灵活性上都得到了提高 该方法允许服务组 合设计者为某些活动设定服务模板 而无须指定具 体的服务 3 在服务模板中对希望的目标服务进行描 述 内容包括目标服务的功能 输入 输出 服务 质量等 采用这种方法定制服务组合流程 形成流 程定义 之后 在执行之前需要一个中间过程将抽象 的服务组合定义转变成静态的服务组合流程 这种 方法将服务的选取 匹配 绑定交给中间过程自动处 理 因此减少了服务组合设计者的工作量 具有较 好的动态性和灵活性 但由于服务组合流程中存在 选择分支结构 因而在服务组合执行过程中 有的 路径是不会被执行到 因此这些路径上的活动无须 绑定服务 然而目前基于模板的服务组合方法是在 组合执行前期将每一个服务模板替换为一个具体的 服务 因此一旦服务模板数量较多 将影响 局部 抽象 流程定义转换到静态流程定义的效率 因而 这种方法适用于少量服务模板的服务组合 2 4 基于逐步演化机制的服务组合方法 前面两种基于工作流的服务组合方法要求组合 中的服务绑定在执行之前就完成 如果服务组合流 程中有的活动执行的时间比较长 由于网络环境是 高度动态变化的 因而后续活动事先绑定的服务有 可能在这段时间中变得不可用 或者出现了更佳的 可选服务 则这种执行前的绑定无法满足服务的实 效性 逐步演化的服务组合则是全面解决这一问题 的方法 采用该方法进行服务组合 设计者只需为 每一个活动指定一个服务模板 形成服务组合的抽 象流程定义 具有很好的动态性和灵活性 在运行 阶段 执行引擎根据与当前活动绑定的服务模板进 行服务查询匹配 找到当前可用的最佳目标服务进 行调用 因此服务组合中的各成员服务是随着服务 组合流程的执行逐步绑定 整个服务组合的定义是 逐步动态演化的 利用这种方法不仅能够保证每一 个被选取的服务是当前最佳且可用的服务 从而最 大限度地降低了执行异常的出现 而且将抽象流程 定义的转换工作分散到各活动的执行阶段 从而降 低了引擎在服务查找和绑定时的开销 此外 这种 方法还避免了非执行路径上的服务绑定工作 因此 加速了整个服务组合执行的效率 由于逐步演化的 服务组合同样采用了服务模板 因而在实现上和基 于模板的服务组合一样存在服务的自动发现 匹配 查询的难点 对于业务流程驱动的服务组合方法而言 目前 大多数的工作均基于固定的业务流程模型进行服务 组合 尽管通过引入服务动态绑定 服务模板 服 务社区等概念提高服务组合的动态性 但是这些方 法均无法处理柔性多变的业务流程 这种流程在建 模阶段往往无法确定流程的具体内容 如流程中存 在局部子流程是根据流程实例信息重新组织和建 立 而将柔性工作流建模方法引入到动态灵活的服 务组合中来将是解决这一问题的一个有效方法 11 3 即时任务求解的 Web 服务组合 一般而言 即时任务求解的 Web 服务组合是为 解决用户即时提交的一次任务 它是根据完成该任 务的需要 动态从服务库中自动选取若干服务进行 自动组装 目前 这类服务组合主要包含了两大类 方法 基于 AI 理论的 Web 服务自动组合方法和基 于图搜索的 Web 服务自动组合方法 3 1 基于 AI 理论的 Web 服务组合 服务组合问题可以被视为一个规划问题的自动 求解 即给定一个初始状态和目标状态 在一个服 务集合中寻求一条服务组合的路径以达到从初始状 态到目标状态的演变 由于已有文献对基于人工智 能的服务组合方法进行综述 12 本文不再一一赘述 仅对几个代表性工作进行介绍 1 基于情景演算的服务组合 情景演算是用于 表示动作和变化的理论 它吸收了有穷自动机状态 转移的概念 文献 13 提出了一种基于 DAML S 和 Agent 的 Web 服务自动组合方法 它将用户请求视 为一种既定的初始情景 而将用户需求视为一种目 标情景 然后利用一阶谓词演算的演绎系统来推理 是否能通过服务调用的一系列动作将此初始情景转 变成目标情景 2 基于 PDDL 的服务组合 PDDL Planning Domain Definition Language 是为智能规划问题设计 的标准语言 文献 14 给出了一个将 WSDL 映射到 PDDL 并实现自动组合 Web 服务的工具 WSPlan 它 自定义了描述服务的语义标记 以实现从 WSDL 到 PDDL 的转换 WSPlan 中还可以插入多个规划器 其工作过程可描述为 当开始进行服务组合时 首 先调用能协调规划和执行任务的 Planning Manager 后者选出相关的 WSDL 和声明文件 由 PDDL 我们称这种服务组合的流程定义为 局部抽象 流程定义 因为存在若干活动与抽象的服务模板绑定 Web 服务组合方法综述 第3卷 第2期 2008 年 2 月 83 中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE Generator 转换为 PDDL 然后 Planning Manager 从 多个规划者中选出最适合解决该问题的规划引擎 最后由 ServiceExec 组件执行规划 3 基于层次任务网的服务组合 层次任务网 Hierarchical Task Network HTN 具有任务描述和分 解 任务分派 任务完成的能力以及约束机制和冲 突解决机制 可以高效地对复杂问题进行规划 基 于层次任务网的 Web 服务组合方法是将用户任务分 解成越来越小的子任务 直到分解后的任务是能被 单个服务执行的简单任务为止 文献 7 提出了基于 领域无关的 HTN 规划系统 SHOP2 的 Web 服务自动 组合方法 并且提供了工具将一系列采用 DAML S 描述的服务转化成 SHOP 的一个域 同时也提供了 工具将 SHOP2 的输出规划转化成可以在 DAML S 的执行引擎上直接运行的 DAML S 格式 4 基于定理证明的服务组合 定理证明是指利 用谓词演算和逻辑推理解决问题的过程 文献 15 将 Web 服务的自动组合问题视为基于逻辑的程序合 成问题 采用线性逻辑的定理证明方法来实现 Web 服务自动组合 提出了一个基于多 Agent 的 Web 服 务自动组合框架 该方法以 DAML S 作为 Web 服务 描述语言 并将服务集合中的每一个服务的 Service Profile 转化成线性逻辑中的公理 采用线性逻辑表 达式来表示用户请求 从而将 Web 服务的自动组合 问题转化成在已有公理的基础上 证明代表该用户 请求的逻辑表达式是否成立 而在其证明过程中则 自动构造服务流程的进程表达式 从而实现了自动 服务组合 纵观目前基于 AI 的 Web 服务自动组合方法 它们均基于某种形式化方法或者推理系统 需要对 服务进行预处理和形式化转换 方法复杂度较高 特别是随着规划空间变大 这类方法的复杂度会随 之显著提高 正如语义网的发明人之一 Jim Hendler 在 W3C 的语义 Web 服务兴趣组提到的那样 在利 用 AI 规划实现 Web 服务自动组合之前 还有许多 问题有待解决 如方法的复杂度 可用性 以及在 服务自动组合过程中 如何考虑用户偏好 约束等 因此这些均构成了此类方法进一步研究的内容 3 2 基于图搜索的 Web 服务组合 在基于图搜索的服务自动组合方法中 服务以 及服务之间的关系被表示成关系图 服务组合的过 程被转化为在关系图中进行遍历以寻找从输入到输 出或者从输出到输入的可达路径 文献 16 基于服务 接口参数 输入参数和输出参数 的语义信息 在语义 概念关系的基础上将服务集合构造成服务本体关系 图 在该有向图的基础上 提出了基于接口匹配的 Web 服务自动组合方法 该方法以用户提供的输入 对象为起点 以用户期望的输出对象为终点 采用 前向链的搜索策略 利用改进的单源最短路径算法 Bellman Ford 在服务本体关系图中搜索从起点到终 点的最短路径 但由于服务库中的服务数量多 服 务之间关系纵横交错 使得服务关系图的构建时间 开销很大 关系图变得十分庞大而不易处理 因此 如何缩小搜索空间 避免重复搜索以实现快速组合 是这类方法需要解决的关键问题 文献 17 提出了一 种基于回溯树的服务自动组合方法 该方法采用分 步分治的思想为用户请求的每一个输出对象即时建 立完备回溯树 在建立的过程中选取有效生成路径 最后将路径合成为可运行的组合服务 由于该方法 将搜索的空间受限于回溯树中 大大降低了搜索的 范围和搜索的复杂度 加快了服务组合的效率 基于图搜索的方法提供了一条不同于 AI 规划 的 Web 服务自动组合的有效途经 这类方法无需过 多的形式化表示方法或推理系统 比较容易实施 但由于服务库中的服务数量多 服务之间关系纵横 交错 使得服务关系图的构建时间开销很大 关系 图变得十分庞大而不易处理 因此如何缩小搜索空 间 避免重复搜索以实现快速组合是这类方法需要 解决的关键问题 4 结论 随着 Web 服务相关标准的持续完善和支持 Web 服务的企业级软件平台的不断成熟 Internet 上涌现 出越来越多的服务 如何将这些服务有效地集成起 来 实现更为复杂的 功能更丰富的大规模流程服 务已经日趋重要 本文对当前存在的服务组合方法 进行了综述 尽管相关研究成果众多 但要实现服 务的自动 高效的组合 真正将服务组合技术应用 到实际的 B2B 电子商务 企业应用集成开发 并且 成为最终的企业业务增值服务的解决方案 还需要 解决好以下几个方面的问题 首先 需要解决好服务本身的基础问题 这些 问题包括服务的丰富语义描述 服务的分布式注册 与存储 服务的高效准确的发现匹配 以及服务的 安全可信问题 其次 需要实现服务组合建模语言 的标准化问题 虽然目前存在很多服务组合建模语 言 但是他们缺乏统一的标准 不能实现各建模语 言之间的交互与集成 因此在一定程度上影响了服 第3卷 第2期 2008 年 2 月 84 务组合的应用和实施 为了实现服务的快速 高效 自动的组合 服务组合建模的标准语言既要吸收工 业界所提出的服务组合语言在事务处理 异常处理 流程结构方面的优势 又要融入学术界所提出的服 务组合语言在服务语义 流程语义方面的特点 并 且充分考虑服务组合的安全机制 此外 还需要解 决服务组合的高效可靠的执行问题 由于服务组合 的执行涉及到分布式服务的调用 网络的动态性和 不可控性要求服务组合的执行能有效进行服务探 测 服务评估 服务预见 服务调用 并且能够即 时对异常行为进行处理 最后 需要解决服务组合 执行的实时监控和管理 服务组合的最终目标是通 过服务的执行实现企业业务目标 因此在服务组合 的执行过程中 存在大量的人机交互以便对服务组 合的执行过程进行全面的监控 实时掌握各服务的 执行详情 随着 Web 服务研究的深入 以及 Web 服务应用 的日益推广 我们相信服务组合技术将会在不久的 将来被广泛应用于电子商务 企业应用集成 将成 为企业业务服务增值的重要的途径 参考文献 References 1 Sivashanmugam K Miller J Sheth A et al Framework for semantic web process composition J International Journal of Electronic Commerce 2005 9 2 71 106 2 Sheng Q Benatallah B Dumas M et al 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