硕士论文-安全语义Web服务体系下的服务动态组合研究.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 安全语义Web服务体系下的服务动态组合研究 姓名 江华 申请学位级别 硕士 专业 计算机应用技术 指导教师 王天江 20060508 I 摘 要 随着 Internet技术的飞速发展 人们对 Web 上的资源共享的要求越来越高 Web 服务组合技术为有效地利用分布在 Web 上的软件资源提供了很好的解决方法 使企 业应用集成和动态协作成为真正可能 传统的 Web 服务组合多采用手工来完成 费时费力且很难适应服务的动态性 在分析比较传统 Web 服务和语义 Web 的基础上 对传统的 Web 服务体系结构进行 了改进 给出了一种安全的语义 Web 服务体系结构模型 并以此为基础探讨将 Web 服务和语义 Web 有机结合有利于 Web 服务的发现 执行 解释和组合的自动化的方 法 Web 服务组合通过动态地组合 Internet 上已有的 Web 服务 能很好地利用现有 的信息资源 符合软件重用的要求 同时能很好地适应客户请求的多变性和动态性 同时 在 Web 服务组合过程中 安全问题不容忽视 基于此 结合安全的语义 Web 服务体系提出了一种 Web 服务动态组合安全框架 并以此为基础在 Web 服务组合过 程中 给出了一种改进的服务动态组合算法 该算法建立在 BPEL4WS Business Process Execution Language for Web Services 的基础上 通过构造动态服务组合有向 无环图 并按照服务质量进行优化 选择出一条满足服务组合满意度阈值的路径作 为服务组合结果返回 该方法适用于多个服务联合起来构成其它服务的直接前驱或 直接后继服务的情形 并将 Web 服务的质量评价标准引入到服务组合方法中来 以 此来保证系统的服务质量 从而满足用户的性能需求 最后设计了一个服务动态组合原型系统 并给出一个实例 分析表明该方法能 够保证服务组合的质量和效率 关键词 Web 服务 语义 Web 安全 服务动态组合 II Abstract With the rapid development of Internet technology the needs for resource in the World Wide Web is getting stronger than ever before Web services composition has rendered a very good solution for making good use of software component in the World Wide Web which makes Enterprise Application Integration and dynamically collaborating feasible Web services composition ever almost works manually which is time consuming and can t meet the dynamic of the web services On the basis of analysis and comparing with the web services and semantic web technology a model of secure semantic web services architecture is proposed Some methods for web services discovery execution interpretation and composition using web services technology combining with semantic web technology is suggested By dynamically composing existing web services the existed resources can be utilized well which according with the tide of software reusing and adapting well the constant evolution of client requests At the same time security is another issue for web services composition So a framework of dynamic composition for web services is proposed according to secure semantic web services architecture and based on it an improved algorithm for dynamic services composition is proposed Based on BPEL4WS Business Process Execution Language for Web Services the method constructs a dynamic services composition graph and optimizes it according to quality of service and select a series services satisfied with the threshold of service composition as the result The method is also satisfied with that several services are front or subsequence of the other services The criterion of quality of service for web services is introduced which ensure the quality of service composition At last a prototype system for dynamic composition of services is introduced and a example indicates that the method is effective Key words Web services Semantic Web security dynamic composition of services 独创性声明 本人声明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 除文中已经标明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中以 明确方式标明 本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 江华 日期 2006 年 5 月 11 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保 留并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 人授权华中科技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 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密 在 年解密后适用本授权书 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 江华 指导教师签名 王天江 日期 2006 年 5 月 11 日 日期 2006 年 5 月 11 日 本论文属于 1 1 绪论 1 1 课题背景 近些年来 随着电子商务的迅速崛起 Web 应用也得到了迅速发展 从以往相对 简 单 的B2C business to customer 模 式 逐 步 发 展 到 了 较 为 复 杂 的B2B business to business 模式 其中最引人关注的当数 Web 服务 1 的出现 Web 服务作 为一种新型的分布式计算模型 通过采用 WSDL UDDI 和 SOAP 2 等基于 XML 的 标准协议屏蔽了不同软件平台的差异 具有高度的互操作性 跨平台性和松耦合性 的特点 为软件复用提供了技术基础 Web 服务是自适应 自我描述 模块化的应 用程序 这些应用程序可以跨越 Web 进行发布 定位和调用 从传统的电子商务应 用来看 过于复杂的应用配置和程序代码造成了电子商务应用维护和更新代价过高 而 Web 服务正好能够解决这一问题 成为目前应用环境中最为合理的解决方案 Web 服务是 Web 上数据和信息集成的有效机制 它的出现改变了商业合作伙伴 之间及其与客户之间的协作方式 使企业之间能够资源共享 为企业间提供了一种 更灵活轻便的协作方式 随着电子商务的不断发展以及跨企业应用的规模的日渐壮 大 处理的业务流程也变得越来越复杂 单个 Web 服务提供的功能比较有限 已经 无法满足复杂业务的需求 需要通过将多个不同业务功能的 Web 服务按照一定的业 务流程逻辑组合起来 构建复杂的 Web 服务 才能满足复杂的业务逻辑上的需求 Web 服务组合就是在这种背景下才得以提出来 它是指为了特定的业务目标将多个 独立自治的 Web 服务按照其语义及业务逻辑关系 拼装 起来以实现高层次的功能 聚合 我们把它称之为组合服务 从而更深层次地挖掘 Web 服务的潜力 同时为企 业节约成本并赢得宝贵的时间 服务组合中的业务流程逻辑通常对应于一定的商业 逻辑 被合成的每个 Web 服务只能完成其中的一个任务 因此 需要在 Web 服务组 合的过程中 根据所需业务功能 对 Web 服务的描述进行服务匹配 对所发布的 Web 服务进行服务查找 发现 将满足业务需求的 Web 服务进行功能上的组合 并 按照一定的逻辑顺序进行服务执行 从而完成复合服务才能提供的复杂商业功能 但是现有的协议和标准对 Web 服务的描述仅限于语法层次 不能表达语义信息 2 而且目前对 Web 服务的组合大多数都是手工完成的 耗费人力物力而且无法满足动 态性的要求 3 领域本体使业务流程逻辑能根据用户的请求动态地生成 为 Web 服 务的动态组合提供最大的灵活性和适应性 与此同时 在 Web 服务组合过程中 要 保证组合的顺利完成 就必须要提供它对安全的支持 因此向 Web 服务中添加语义 描述 并利用领域本体的推理能力 在安全的语义 Web 服务体系下实现动态服务组 合是一个非常值得解决的问题 1 2 国内外研究现状 近年来 在 Web 服务的动态组合方面 开展了许多研究项目 也已经取得了很 多的研究成果 包括系统模型的提出 应用工具的实现以及开发平台的构建等各种 形式的 下面我们将对它们的概况作相关阐述 1 SELF SERV SELF SERV 4 系统是采用 P2P 的服务运行模型 它使用状态图 state charts 来标 识服务的组合形式 在该系统中 有一个服务共同体模块 它专门用来提供对具有 某种抽象功能接口的服务实例的封装 每当 Web 服务要注册到服务共同体时 都需 要提供函数映射规则将服务共同体中的抽象函数映射到实际服务的函数 系统运行 时 服务共同体根据服务请求选择其中的某个成员服务运行 组合服务要求的服务 协作是通过在各成员服务间的消息传递来完成的 消息的内容包括函数名和各种参 数信息 状态图的每个状态都有对应的协调器 Coordinator 协调器主要负责 1 何时可以进入该状态 2 进入该状态后做什么 3 何时退出该状态 4 退出状态后通知谁 为了完成协调器需要的功能 在运行时需要从组合服务的状态图中抽取相关信 息到 Precondition表 Postprocessing 表中以描述状态的流转等信息 SELF SERV 作 为一个实现快速组合Web服务的平台 主要应用在P2P 的动态环境中 在SELF SERV 中 有三种不同的服务类型 基本服务 复合服务以及服务共同体 基本服务是指 不依赖于其它 Web 服务 可以在 Web 上被单独访问的服务 如基于 NET 构建的 Web 服务 复合服务是指将多个基本服务作为服务组件单元组合在一起构成的复杂服务 3 复合服务的操作可以看作是具有输入参数 输出参数以及处理流程的结构图 在 SELF SERV中引入服务共同体的概念是为了解决潜在的大量Web服务的动态组合问 题 也就是说服务共同体实质上是一个拥有可替代服务的容器 在服务共同体中 只提供服务的描述 而并不绑定具体的服务提供者 当服务共同体接收到操作执行 请求时 才将操作与服务共同体中具体的成员进行绑定 这种绑定是根据请求的具体参数 成员的特征 历史执行记录以及当前运行状 态来决定的 SELF SERV 中所提出的服务共同体的概念将服务的描述与服务的实现 分离开来 能够根据服务的描述在服务共同体中找到对应的成员进行动态绑定 但 是 SELF SERV 没有将服务的开发与部署分离开来 不能对服务进行动态的部署与 运行 服务只能动态绑定到己经具有该服务实现的服务提供者上 因而缺乏一定的 灵活性 同时 SELF SERV 没有对服务组合的过程进行相应描述 无法体现复合 Web 服务运行过程的动态性 2 eFlow eFIow 5 6 是由 HP 实验室开发的一个 e Service 平台 它为集成多个异构的 e Services并利用组合多个服务的方式来完成复杂的事务处理任务提供了一个平台 eFlow以工作流技术为基础 通过工作流模型来描述服务组合的结构 并由 eFlow 流 程引擎来执行 实现描述 设定和管理组合式的 e Services 组合服务的流程定义是 使用 CSDL Composite Service Description Language 语言进行描述的 e Services 可 根据服务及服务提供者的状态来动态适应瞬息万变的商务环境 在 eFlow 中 一个 复合服务被描述成一个工作流过程 它由一系列的基本服务构成 eFlow主要包括以下部分 1 流程引擎 主要用来维护每个运行的流程实例的状态信息 并系统地处理相 应节点的不同事件 2 服务中介 主要负责查找满足节点需求说明的服务 也可以独立地与其它供 应商的外部服务中介交互来发现服务 3 基本 e Services 服务提供者注册的基本服务 在 eFlow中 服务组合的动态性体现在 1 自适应性的服务流程 eFlow提供动态服务发现 多服务点和普通点等适应 性 并可以实现在运行时动态绑定新服务 在流程实例化或运行时通过配置相关参 数设定其包含的具体服务 4 2 动态的服务流程更改 即在运行时支持更改服务组合流程 在 eFlow 中引 入两类服务流程更改 特殊更改和批量更改 特殊更改只应用于更改单个运行的流 程实例 并不影响其它流程实例及流程的定义 此机制主要用来处理流程执行过程 中的异常情况 而批量更改则应用于更改一个服务流程的一组实例甚至流程定义 所有这些更改通过一个迁移管理来保障 验证原始的服务执行模式和更改后新的服 务执行模式是否保持行为一致性 eFlow提出了一种服务组合模型和体系结构 为实现组合式服务流程的动态性及 适应性提供了一个很好的基础 但是 它的功能主要只集中在由当前的服务组合更 复杂的服务 并没有考虑根据相关参数进行组装的优化 也没有提供运行时的动态 服务组合 3 BPEL4WS 服务组合模型 BPEL4WS Business Process Execution Language for Web Services 7 是由 IBM 微 软和 BEA公司在 2002 年 8 月提出 BPEL4WS 本质上是一种流程描述语言 可以汇 集多个 Web 服务成为一个或者多个 Web 服务复合 BPEL4WS 假定有一个 BPEL4WS 语言的执行环境 并将业务流程区分为抽象流程和可执行流程两个部分 抽象流程 将内部行为封装为不确定的链接 而可执行流程则真正描述流程的行为 抽象流程 有助于描述业务协议 business protocols 可执行流程则可以编译为可调用的服务 BPEL4WS 中将 Web 服务复合描述为一个有向图 顶点代表 Web 服务 边标识服务 之间的依赖关系 这种依赖关系的运行语义可以在 BPEL4WS 文档中指定 BPEL4WS 利用WSDL文档中的端口类型来描述Web服务复合需要什么样的服务以及服务如何 工作 关于合作伙伴的端口描述信息可以在运行时指定 以便合作伙伴的角色可以 在运行时动态指定 在 BPEL4WS 中 采用 WS Coordination和 WS Transaction作为协同协议 提供 一种能跨越不同实现环境的一致 可靠的方法 以协调和组合不同平台下实现的 Web 服务和业务流程 确保得到正确的结果 其中 WS Coordination规范提供了支持现 有的各种标准事务机制的协调框架 这个框架提供了活动的激活 注册和协调方面 的服务 以实现利用预定义的协调上下文 coordination contexts 控制活动的创建 协 调协议的选择和活动的提交处理 WS Transaction规范则定义了可以在协调框架内使 用的原子事务协议和业务事务协议 4 SWORD 5 SWORD 8 是由美国斯坦福大学 SWIG 研究组提出的一种服务组合的模型 它可 以快速地将已有的 Web 服务组合成新的 Web 服务 在 SWORD 中 单独的 Web 服 务根据其输入和输出来定义 给定服务的输入和输出 便可定义一条规则来表示对 于一定的输入 一个服务总能得到特定的输出 SWORD 服务模型通过 ER 模型来描 述 由实体及实体之间的关系组成 实体拥有属性 和传统用于描述数据的 ER 模型 不同的是 SWORD 用来描述 Web 服务的输入和输出 SWORD 本身并不提供实体 关系和相关的语义集 仅仅提供这样一种机制 即将 Web 服务组合的输入和输出描 述为一系列的实体和关系 在用户创建一个 Web 服务组合时 只需以 ER 模式指定 其输入和输出 然后交由 SWORD 处理 如果规则引擎可以确认该服务组合可以由 已有的服务实现 就产生服务组合的复合规划 组合规划包含了用来产生服务组合 所需的服务的执行顺序 简单地说 规则引擎中每一次规则的触发对应于一次服务 调用 当收到对服务组合的请求之后 规划中的服务被执行 这样通过调用 SWORD 实现整个 Web 服务组合的执行 但是 SWORD 使用的是自己定义的一套简单的 Web 服务描述语言而不支持 WSDL 或 OWL S 这种被大家广泛接受的标准 这对它的推 广形成了一定的障碍 5 DOSCM DOSCM 3 是由李曼等提出的一种动态 Web 服务组合方法 该方法利用领域本 体及其推理能力 生成一个优化的服务组合图 然后利用图中后继服务按照关联度 有序的特点 给出了一个自动地得到满足服务请求的服务组合算法 但是该方法仅 讨论了服务组合的一部分情况 即前驱服务的输出语义包含后继服务的输入的情况 无法满足对于多个服务的联合作为一个结点服务语义包含后继服务的情况 并且该 方法用来评价服务组合的质量的标准比较单一 不能够全面地对 Web 服务的质量进 行评价 1 3 课题的主要研究工作 Web 服务作为新一代的分布式计算模型 将语义 Web 技术融入到了传统的 Web 服务中 形成语义 Web 服务更符合当前 Web 服务的互操作和智能组合的要求 本文 从研究语义 Web 服务的理论入手 在分析传统 Web 服务的不足及语义 Web 的优势 的基础上 对下列问题进行了研究 6 1 研究 Web 服务的理论及应用 2 研究语义 Web 的理论及应用 3 提出一种安全的语义 Web 服务体系结构 4 研究 Web 服务动态组合安全框架 5 提出了安全语义 Web 服务体系下的服务动态组合方法 6 设计并实现了一个服务动态组合原型系统 并将 5 中的方法运用于实例并进 行分析 1 4 论文的组织 论文的第二章在分析传统 Web 服务的不足及语义 Web 的优势的基础上 提出了 安全的语义 Web 服务体系结构模型 并探讨将 Web 服务和语义 Web 的有机结合有 利于 Web 服务的发现 执行 解释和组合的自动化的方法 第三章在主要研究了 Web 服务动态组合安全框架 并在此基础上 提出了安全 语义 Web 服务体系下的服务动态组合方法 用以满足多个服务联合起来构成其它服 务的直接前驱或者直接后继服务的情形 大大地扩展了 DOSCM 组合方法的适用范 围 更贴近 Web 服务组合领域的实际情况 同时将 Web 服务的质量评价标准引入到 服务组合方法中来 改进原来方法中对质量评价比较单一的缺陷 取得了一定的成 效 第四章在分析 WIS 系统的扩展需求的基础上 运用服务动态组合算法设计了一 个语义 Web 服务动态组合原型系统 并针对网上定制天气预报实现了一个语义 Web 服务动态组合的演示系统 论文最后总结了本论文的特色和创新之处 并对今后的研究工作进行了展望 7 2 安全的语义 Web服务体系结构研究 Web 服务是近些年出现的一种新兴的分布式计算技术 传统的 Web 应用技术解 决的问题是如何让人来使用 Web 应用所提供的服务 而 Web 服务则要解决如何让计 算机系统来使用 Web 应用所提供的服务 但是随着 Web 应用的迅速发展 采用紧密 的 C S 模式的传统的 Web 服务已经越来越不能满足企业用户对服务动态发现与集成 的需求 为了使业务能够得到自动处理 需要寻求更快 更有效的方法来表示 Web 服务 为此 需要为 Web 服务添加计算机能够理解的语义描述 9 使得计算机之间 能够理解互相通信的内容 便于服务处理程序能够自动处理数据和信息 因此 将 语义 Web 技术融入到了传统的 Web 服务中 形成语义 Web 服务更符合当前 Web 服 务的互操作和智能组合的要求 它将带有语义信息的 Web 服务描述信息运用于实现 自动化的 Web 服务发现 组合 使得 Web 服务发现技术不再拘泥于传统的基于分类 和关键字查询的技术 而是可以进行基于语义的模糊匹配 使 Web 服务发现技术更 加有效和准确 在 Web 服务中有效利用语义信息 进行 Web 服务和语义 Web 的有 机结合可以提高 Web 服务的质量 为 Web 服务的发现 执行 解释和组合的自动化 提供有效的支持 10 2 1 Web 服务 Web 服务是一种新型的 Web 应用程序 解决了不同平台之间 不同程序间的交 互 构成了一个集成中间件平台 它是建立在开放的 Internet 协议之上 能够完成某 种具体业务功能并可以描述的模块化应用构件 这些构件是自适应 自我描述 模 块化的应用程序 可以跨越 Web 进行发表 定位和调用 它可以与其它的应用程序 相互协作 从而完成更大更有意义的业务流程及功能 2 1 1 Web服务的架构及特点 Web 服务使用面向服务的架构 Service 0riented Architecture 11 该架构由三种角 色和三种基本交互构成 三种角色分别是服务提供者 Service Provider 服务请求者 Service Requester 和服务代理 Service Broker 三种基本交互分别为服务发布 查找 绑定及调用 服务提供者将它的服务发布到服务代理的一个目录上 当服务请求者 8 需要调用该服务时 它首先到服务代理提供的目录上去查找该服务 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 在 Web 服务体系 中 使用 WSDL 来描述服务 UDDI 来发布 查找服务 而 SOAP 用来在分布式环 境中执行服务的绑定及调用 其结构如图 2 1 所示 服务提供者 服务代理 服务请求者 发布 查找 请求 图 2 1 Web 服务架构 Web 服务有以下一些特征 1 完好的封装性 Web 服务是部署在分布式环境下的组件 本身具备良好的封装性 Web 服务体 现了 软件就是服务 的思想 即调用服务的用户只能看到其功能列表 不需要了 解 Web 服务是如何实现的 只需要知道如何调用它的服务接口 2 松散耦合 对客户而言 只要 Web 服务的功能接口不改变 Web 服务的任何内部实现变化 对客户来说都是透明的 如 Web 服务从 JAVA 迁移到了 NET 用户是察觉不到的 而当 Web 服务对外的接口发生改变时 用户只需运用 UDDI 重新查找适合的 Web 服 务 绑定所需的服务完成自己的需求 3 功能描述的规范性 Web 服务所提供的功能使用标准的描述语言来描述 WDSL 使得服务请求者和 服务代理能够相互通信 4 使用标准协议规范 Web 服务所有的公共协约使用开放的标准协议进行描述 传输和交换 5 高度可集成能力 由于 Web 服务采取简单的 易理解的标准 Web 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 无论是 CORBA 还是 DCOM 都可以通过 9 这一种标准的协议进行互操作 2 1 2 Web服务的相关技术及标准 Web 服务是应用于分布式异构平台的一项技术 要实现不同的平台 系统之间 的 互操作 必须为它提供一套标准的协议规范 数据表示方法及类型系统 以适用 于不同的平台 编程语言及组件模型等 以下来介绍 Web 服务的几个关键的技术和 相关标准 1 XML eXtensible Markup Language 语言 XML 12 是 Web 服务中表示数据的基本格式 除了易于建立和易于解析外 XML 主要的优点在于它既是与平台无关的 又是与厂商无关的 这两个无关性是对所有 的软件厂商而言其实比技术上的优势更重要 2 SOAP Simple Object Access Protocol SOAP 13 协议是一种在分布式环境下 以 XML为基础的 用来进行数据通信的 轻量级协议 它是在 XML基础上定义的 完全继承了 XML的开放性和描述可扩展 性 可以使用现有的基于 TCP IP 的应用层协议 HTTP SMTP POP3 等 从而获得与 现有通信技术最大程度地兼容 SOAP 的消息路径机制和可扩充的 Header 和 Body 机制又为分布式计算提供了很好的支持 可以预见 不久的将来 SOAP 协议必将广 泛地应用到未来的分布式计算技术当中 3 服务描述言语言 WSDL Web Services Description Language WSDL 14 是应用 XML 来表达的一种规范 将 Web 服务描述为能够进行消息交 换的服务访问点的集合 客户端可以通过这些服务访问点对包含面向文档信息或面 向过程调用的服务进行访问 类似远程过程调用 WSDL首先对访问的操作和访问时 使用的请求 响应消息进行抽象描述 然后将其绑定到具体的传输协议和消息格式上 以最终定义具体部署的服务访问点 相关的具体部署的服务访问点通过组合就成为 抽象的 Web 服务 4 服务发布与发现机制 UDDI Universal Discovery Description Integration UDDI 15 提供了一种让客户端动态发布和查找 Web 服务的机制 通过 UDDI 提 供的标准接口 企业可以发布自己的 Web 服务供其它企业查询 调用 也可以查询 特定服务的描述信息 并动态绑定到该服务上 它本质上是为解决当前在开发基于 组件化的 Web 服务中所使用的技术方法无法解决的一些问题 为 Web 服务在技术层 10 次上提供了三个重要的技术支持 1 标准化的 透明的 专门描述 Web 服务的机制 2 调用 Web 服务的简单机制 3 可访问的 Web 服务注册中心 UDDI 注册中心如同 Internet一样 是为广泛的 分布式的商务媒介环境服务的 UDDI 加强基于 Web 的软件和其他软件的连接能力 UDDI 的注册中心和语汇集将大 大提高基于 Web 的应用和商务流程进行集成的效率 这样企业就可以将他们的精力 集中于解决主要方针 战略等问题 当电子商务朝着计算机对计算机的直接交流的 方向发展的时候 对自动化的商务功能的有效发现就成为应用实现中非常重要的一 环了 UDDI 是一套基于 Web 的 分布式的 为 Web 服务提供信息的注册中心的实现 标准规范 同时也包含一组使企业能将自身提供的 Web 服务注册以使得别的企业能 够发现的访问协议的实现标准 Web 服务允许在 Web 站点上放置可编程的元素 使 得能进行基于 Web 的分布式计算和处理 UDDI 注册中心的创建目的就是为促进企 业的 Web 服务的发展及为企业发现适当的 Web 服务 同时 UDDI 与 XML SOAP WSDL 等是一个不可分割的技术标准体系 2 1 3 传统 Web服务的优势及不足 随着电子商务的迅速崛起和 Web 应用的迅速发展 Web 服务作为一种新兴 Web 应用模式 正在成为电子商务的一种有效解决方案 Web 应用和商务处理的网络化 和全球化 信息处理 信息集成的自动化为 Web 服务的研究与发展提供了广阔的空 间 可以说 Web 服务的出现已经对计算机领域的许多方面都产生了影响 随着对 它的应用的不断深入 人们会发现 Web 服务更多的好处 作为一种崭新的分布式计 算模型 Web 服务本身具有很多其它技术所无法比拟的优势 1 增加业务的灵活性 Web 服务使连接用户 信息和流程更加轻松 因为它 们能够缩短业务流程周期 并在当今瞬息万变的商业环境中加快响应速度 Web 服 务使关键数据可实时应用于更多的应用 为更多的用户所使用 从而向企业提供在 激烈竞争中脱颖而出所必需的灵活性 2 改进业务的决策和效率 集成完全不同的技术孤岛 解锁遗留系统中的信息 以便于实时访问 进而更快 更好地决策 使合作伙伴 渠道和供应商都能直接访 11 问所需的信息和服务 从而优化设计 采购 生产 库存 分配和其他关键的价值 链流程 3 降低集成的成本和复杂性 利用 Web 服务 通过基于标准的开放式集成 可以增加集成的灵活性 与传统的 专有的 EAI 解决方案相比 Web 服务能够大幅 度降低应用集成的 单位连接成本 并为连接多个应用与流程的集成项目带来更 大的投资回报 但是 我们也应当看到 Web 服务在很多方面还有不足 还有很多问题需要去 解决 特别是随着 Web 服务的应用越来越频繁 很多应用都需要服务能够动态执行 但是用于描述传统 Web 服务的 WSDL 并不能很好地表达 Web 服务的语义信息 并 且它所描述的是静态的 Web 服务 不包含任何有关服务执行过程的信息 显然不能 满足客户服务自动化的需求 基于这一点考虑 将具有 下一代 Web 之称的语义 Web 用于 Web 服务中 实现 Web 服务与语义 Web 技术的融合便成为一种自然的选 择 2 2 语义 Web 2 2 1 基本概念及其层次结构 在互联网技术迅猛发展的今天 万维网已经成为人们获取知识的主要手段 但 目前的互联网主要还是设计给人进行阅读和手工处理的 而不是让计算机程序按其 意义进行操作的 这样计算机就没有可靠的方法来处理语义 在检索时就难以实现 准确问答 从而限制了计算机对信息的进一步的自动分析处理能力 由 WWW 的创始人 Tim Berners Lee 提出的下一代因特网的概念 语义网 Semantic Web 16 旨在使Web 上的文本信息具有计算机可以理解的语义 从而满足 智能软件代理 Agent 对 WWW 上异构 分布信息的有效检索和访问 实现网上信息 资源在语义层次上的全方位互联 并在此基础上 实现更高层的 基于知识的智能 应用 解决上述问题的关键在于解决数据库管理的有序性与 Web 上信息无序性之间 的矛盾 即 Web 上的信息缺乏语义而搜索又要求很高的效率和精确性 解决这些矛 盾的基本方法就是变无序数据为有序知识 让计算机理解 Web 上的信息 这就是语 义 Web 所要完成的工作 语义 Web 采用多层次的表示框架 XML eXtensible Markup Language 语言 并引入文档模式描述文档结构 但 XML 没有对结构本身的语义进 12 行描述 如果不知 XML元素的语义 计算机仍不能理解信息 需一个更高的层次来 描述结构的语义 那就是 RDF Resource Description Framework 了 XML让每个人 都能创建自己的标签来对网页或页面的部分文字进行注释 只要程序编写者知道网 页作者是如何使用每一个标签的 就可以将这些标签运用到复杂的应用程序中去 XML 允许用户在文档中加入任意的结构 但无需说明这些结构的含意 含意是由 RDF 来表达的 RDF 定义了元素之间的关系 它的代码中包含了一系列的三元组 每个三元组相当于句子中的主语 谓语和宾语 这些三元组可以用 XML的标签来表 达 在 RDF 中 文档中的声明通常是某个事物 比如人 对于某些值 如出版物 拥有某 些属性 如 是作者 这种结构用于描述由机器处理的大量数据 是非常自然的 表达语义的方法 当然 仅仅有上面两种语言还远远不够 因为两个文档可能对同一概念采用不 同的标识符 程序若要进行两个文档中的信息的比较和合并 就必须了解这两个标 识符表示的是同一事物 在理想的情况下 对于遇到的任何文档 程序必须有办法 来发现这种同意的标识符 即需要计算机能够相互理解并进行简单推理 对该问题 的一个很重要的解决方法就是应用本体 Ontology 见 2 2 2 节 XML RDF Ontology构成了计算机相互理解的基础 在Ontology层之上有更高的为各种Ontology 进行通信提供支持的描述层次 语义 Web 每加一个层次 计算机在知识处理上就增 加一份能力 语义 Web 研究的主要目的就是扩展当前的 WWW 网络 使得网络中的 所有信息都是具有语义的 计算机能够理解和处理的信息 便于人和计算机之间的 交互与协作 因而其研究的侧重点就是如何把 Web 上的信息表示为计算机能够理解 和处理的形式 即带有语义形式 Tim Berners Lee 给出了语义网中的层次关系 它 主要基于 XML和 RDF RDFS 并在此之上构建本体和逻辑推理规则 以完成基于语 义的知识表示和推理 从而能够为计算机所理解和处理 Tim Berners Lee 在 XML2000 国际会议上提出了语义 Web 的层次结构 17 如图 2 2 所示 第一层是 UNICODE 和 URI 该层是整个语义 Web 的基础 其中 Unicode 处理资源的编码 URI 负责标识资源 第二层是 XML NS xmlschema 用于表示数 据的内容和结构 第三层为 RDF rdfschema 用于描述 Web 上的资源及其类型 第 四层为 Ontology vocabulary层 它用于描述各种资源之间的联系 第五层到第七层 是在下面四层的基础上进行的逻辑推理操作 证据层 Proof Layer 支持代理间通讯的 证据交换 它主要基于 XML和 RDF RDFS 并在此之上构建本体和逻辑推理规则 13 以完成基于语义的知识表示和推理 从而能够为计算机所理解和处理 其中核心层 为 XML RDF ONTOLOGY 这 3 层用于表示 Web 信息的语义 语义 Web 的目标是提高互联网的自动化与智能化 关键是实现机器 可理解 是有限制的达到机器之问的对资源描述的共识 语义 Web 技术包含着一系列相关技 术 其中包括基础研究与应用研究 基础研究方面主要包括本体的发展 语义 Web 的形式语义和确信 Trust 与证据 Proof 模型的开发 Trust Proof Logic Ontology Vocabulary RDF RDFSchema Digital Signature XML NS XMLSchema Unicode URI 图 2 2 语义 Web 的层次结构 1 本体层是当前语义 Web 研究的热点问题 当前的语义 Web 研究者都认为本 体层将为语义 Web 提供语义级的共享 是语义 Web 实现的关键所在 2 语义 Web 的形式语义 语义 Web 的目标是实现语义级的互操作 而要实现这 一点 语义网中所用的语一言就必须具有标准的形式语义 3 作为一个开放的分布式系统 语义 Web 允许互联网中的任何人做出声明 而 其中可能存在冲突 因此一个人需要确认源信息给出证据并且这个源信息是值得信 任的 2 2 2 本体 Ontology 本体是最初出现于哲学上的概念 是研究有关存在的本质以及何种事物存在的 理论 在计算机领域 运用本体的概念旨在克服计算机系统之间的 语义鸿沟 便于信息共享和处理 在人工智能界 最早给出 Ontology定义的是 Neches 等人 他 们将 Ontology 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 18 后来由 Gruber 提出的最著 名并被引用得最为广泛的定义是 本体是概念化的明确的规范说明 认为本体 的概念包括四个主要方面 selef desc doc Data Data Rules 14 1 概念化 conceptualization 客观世界的现象的抽象模型 2 明确 explicit 概念及它们之间联系都被精确定义 3 形式化 formal 本体应该是机器可读的 有精确的数学描述 4 共享 share 本体中反映的知识是其使用者共同认可的 尽管对本体的定义有很多不同的方式 但是从内涵上来看 不同研究者对于本 体的认识是统一的 都把本体当作是领域 可以是特定领域的 也可以是更广的范围 内部不同主体 人 机器 软件系统等 之间进行交流 对话 互操作 共享等 的一种 语义基础 并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 和词汇间相互关系的明确定义 本体提供的这种共识更主要的是为机器服务 机器并不能像人类一样理解自然 语言中表达的语义 目前的计算机也只能把文本看成字符串进行处理 因此 在计 算机领域讨论本体 就要讨论本体究竟是如何表达共识的 也就是概念的形式化问 题 这就涉及到本体的描述语言 本体的建设方法等具体研究内容 由于本体具有共享 可重用等特性 具有良好的概念层次结构以及对逻辑推理 的有效支持 并且能从语义和知识的层次上描述信息系统的概念模型 因此从 20 世 纪 90 年代开始 本体引起了人工智能领域的广泛关注 并且被应用到知识工程 知 识表达 自然语言处理 信息检索 信息集成以及知识管理等诸多领域 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 Web 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 Web 中 本体具有非常重要的地位 是解决语义层次上 Web 信息共享和交换的基础 成为语义网的重要技术之一 19 本体中定义的概念在 各个专门领域的实际运用与本体一起构成语义 Web Semantic Web 的基础 一般 Web 上的本体包括分类和一套推理规则 本体通过许多方法增强网络的功 能 通过简单的方法 它们就能改进网上搜索的准确性 使搜索程序只寻找那些指 向精确概念的网页 而不是仅仅通过模糊关键字查到的所有页面 更高级的应用将 使用本体将页面上的信息关联到相关的知识结构和推理规则 有效的应用集成要求通信的系统双方明确地了解交互的信息的含义 即具有明 确的语义 本体技术提供了一种非常好的用于领域知识建模的方法 目前语义 Web 服务的主要方法是利用本体来描述 Web 服务 然后通过这些带有语义信息的描述实 现 Web 服务的自动发现 调用和组合 语义 Web 和 Web 服务是语义 Web 服务的两 15 大支撑技术 OWL S 20 是连接两大技术的桥梁 目前语义 Web 服务的研究主要围绕 OWL S 展开 由于本体具有良好的概念层次结构和知识及语义表达能力 因此在知识的共享 和重用方面发挥了重要的作用 这样 通过使用本体 各软件系统可以共享知识 形成统一认识 2 2 3 语义 Web的优势 在 Web 应用领域 很多问题都涉及到自动化及语义保持的问题 语义 Web 的 出现是对目前 Web 应用的一种扩展 它能够描述一定的语义 使计算机可存取 Web 数据并在一定程度上实现处理的自动化 从而使人类与计算机能够更好地协调合作 从语义 Web 的表示方式上可以看出 它是基于资源描述框架 RDF 和元数据 metadata 对 WWW 上数据的抽象表示 21 22 是本体领域模型的具体表示和应用实例 19 23 而 本体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 为了表示语义信息 DAML扩充了 WSDL 它是基于语义 Web 的 服务描述语言 建立在 XML 和 RDF 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 Web 转换到了语义 Web 24 在语义 Web 中 有效地利用本体 在一定程度上实现了语义 Web 信息处理的自动化 给很多领域的 发展带来了很大的契机 2 3 安全的语义 Web 服务体系参考模型 SSWSA 通过前面对 Web 服务和语义 Web 的介绍 我们可以很明显看出 将二者结合可 以完成更强大的功能 有益于通过利用 Web 上人和机器都能够存取的内容创建智能 自动服务及商务处理基础设施 在 Web 服务中有效利用本体论领域模型进行服务的 概念建模 25 27 可以指导 Web 服务应用的设计 在 Web 服务中有效利用语义信息 进行 Web 服务和语义 Web 的有机结合可提高 Web 服务的质量 为 Web 服务的发 现 组合 解释和执行的自动化提供有效的支持 2 3 1 Web服务的安全需求 Web 服务是基于 XML 的消息的处理接口 它通常是无状态的 遵循请求 响应 的交互作用模型 它提供了一种定位接口和按照一种可以理解的方式交换数据的方 16 法 通过采用 Internet标准协议很好地解决了分布式 异构系统的集成 跨平台的互 操作问题 但是 Web 服务在给企业带来这么多好处的同时 安全成为实现它的核心 问题 28 29 这就迫切需要建立一个安全的 Web 服务体系 在保证不阻止正常数据交 换的前提下 使企业不仅可以保障对应用程序和数据访问的安全 而且还可以对访 问进行控制 虽然对于不同的企业或组织 W e b 服务可能提供不同的内容和形式 但一般来说 一个可靠 可信 安全的 W e b 服务应具有以下几个基本的安全保护措施 完整性 服务提供的信息必须是完整 真实的 保证无论是偶然地还是有意地 信息都不会被篡改 这是 Web 服务最基本的需求 Web 不但提供服务接口 而且在 一定程度上代表着企业或组织的形象 因此 一旦公