[硕士论文精品]基于形式化的语义web服务自动组合方法研究

太原理工大学硕士研究生学位论文I基于形式化的语义WEB服务自动组合方法研究摘要语义WEB和WEB服务是WWW发展的两个重要趋势，这两种技术的结合产生了另一个新兴的研究课题语义WEB服务。语义WEB服务是指用语义WEB标记语言来描述服务的语义，使WEB服务成为计算机可以理解的实体，从而支持服务的自动发现、执行和组合等。基于语义WEB的服务自动组合技术，目标是使软件AGENT能根据用户的需求将各种已有的WEB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”。语义WEB服务组合研究领域的一个重要的问题是如何形式化描述语义WEB服务组合，如何验证服务组合的正确性。语义WEB服务组合涉及多个WEB服务通信协作，以及推理，这些特点使得语义WEB服务组合的验证更加困难。而且，语义WEB服务的组合语言作为一种基于本体标记语言OWL的服务组合方法，建模理论基础比较薄弱，组合正确性的保证较弱。而错误的模型会导致运行的失败，运行失败就会给开发带来不必要的损失，因此模型的正确性、无死锁性等问题，在它正式被实施前必须得到形式上的模拟与检验。本文针对上述问题，研究AI规划、有色PETRI网如何形式化及其验证语义WEB服务的自动组合，并提出了一种基于PI演算的语义WEB服务组合的建模方法，利用PI演算的并发计算操作符，将语义WEB服务组合建模为一组并发执行的服务组合，在此基础上验证WEB服务组合的正确性。主要研究内容包括以下五个方面（1）研究AI规划、有色PETRI网如何实现对语义WEB服务的形式化描太原理工大学硕士研究生学位论文II述及其验证方法，得出利用有色PETRI网验证语义WEB服务组合的优点和缺点。（2）在对语义WEB服务组合的模型及其描述语言OWLS和PI演算研究的基础上，提出了一种基于PI演算形式化、验证语义WEB服务的自动组合的方法。该方法可以保证语义WEB服务自动组合的正确性以降低由于WEB服务执行的失败带来的开销。（3）对于用PI演算形式化描述和建模的语义WEB服务组合进行正确性的验证，对于验证后的WEB服务组合给出反馈意见。（4）本文对语义WEB服务组合的验证不是停留在架构层面上，而是直接对语义WEB服务组合语言编写的程序代码进行验证，因此更具有可行性和实用性。（5）利用PI演算形式化、验证语义WEB服务组合，解决了语义WEB服务中基于语义的不同组合序列的模型也能匹配的问题，不仅证明了组合模型的正确性，还证明了需求模型的正确性。关键词PI演算，语义WEB服务，服务组合，形式化，验证太原理工大学硕士研究生学位论文IIIRESEARCHOFAUTOMATICCOMPOSITIONBASEDONFORMALIZATIONFORSEMANTICWEBSERVICEABSTRACTSEMANTICWEBANDWEBSERVICEARETWOIMPORTANTTRENDSOFWWWDEVELOPMENT,THECOMBINATIONOFTHESETWOTECHNOLOGIESRESULTSINANOTHERNEWRESEARCHTOPIC,WHICHISSEMANTICWEBSERVICESEMANTICWEBSERVICEUSESSEMANTICWEBMARKUPLANGUAGETODESCRIBETHESEMANTICSOFWEBSERVICE,ANDMAKESCOMPUTERUNDERSTANDTHEENTITYTOSUPPORTAUTOMATICDISCOVERY,EXECUTIONANDCOMBINATIONTHEGOALOFSEMANTICWEBBASEDAUTOMATICSERVICECOMPOSITIONISTOMAKETHESOFTWAREAGENTAUTOMATICALLYCOMBINEANDCOMPLETETHETASKOFTHEUSERACCORDINGTOTHENEEDSOFUSERSOFVARIOUSEXISTINGWEBSERVICE,SOTHATSERVICECANBEFLEXIBLETOMEETTHENEEDSOFUSERS,TOACHIEVE“ONDEMANDSERVICE”ONEIMPORTANTISSUEINSEMANTICWEBSERVICECOMPOSITIONRESEARCHINGAREAISHOWTODESCRIBESEMANTICWEBSERVICECOMPOSITIONFORMALLYANDVERIFYTHECORRECTNESSOFWEBSERVICECOMPOSITIONAFORMALMODELOFSEMANTICWEBSERVICECOMPOSITIONCANBEUSEDTOCHECKANDVERIFYWEBSERVICECOMPOSITIONSOTHATTHECORRECTNESSOFSEMANTICWEBSERVICECOMPOSITIONCANBEGUARANTEEDSEMANTICWEBSERVICECOMPOSITIONINVOLVESCOMMUNICATIONANDCOLLABORATIONOFSEVERALWEBSERVICE,THESECHARACTERISTICSMAKETHEVERIFICATIONOFTHECOMPOSITIONOFWEBSERVICEMOREDIFFICULTFURTHERMORE,THEONTOLOGYMARKUPLANGUAGEOWLFORWEBSERVICEASTOBEASERVICECOMPOSITIONMETHOD,WHICHISBASEDONSEMANTIC,ISWEAKINMODELING,ANDTHEASSURANCEOFTHEVALIDITYISALSOWEAKSOTHEVALIDITYOFTHEMODELANDTHEPROPERTYOFNODEADLOCKSMUSTBESIMULATEDANDPROVEDBEFOREBEINGIMPLEMENTEDFORMALLY太原理工大学硕士研究生学位论文IVAIMEDATTHISPROBLEM,THISPAPERSTUDIESAIPLANNINGANDCOLOREDPETRINETSHOWTOFORMALIZEANDVERIFYTHEAUTOMATICSEMANTICWEBSERVICECOMPOSITIONASEMANTICWEBSERVICECOMPOSITIONMODELINGMETHODBASEDONPICALCULUSISPRESENTEDTHISMETHODUSESCONCURRENTOPERATORSPROVIDEDBYPICALCULUSTOMODELASEMANTICWEBSERVICECOMPOSITIONASACOMPOSITIONOFASETOFCONCURRENTWEBSERVICETHEN,ONTHEBASISOFTHISSPECIFICATION,THECORRECTNESSOFWEBSERVICECOMPOSITIONPROCESSISVERIFIEDTHEMAINPOINTSOFTHISPAPERAREASFOLLOWS1BASEDONSTUDYINGHOWTOUSEAIPLANNINGANDCOLOREDPETRINETSTOFORMALIZEANDVERIFYTHEAUTOMATICSEMANTICWEBSERVICECOMPOSITION,THEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFVERIFYINGSEMANTICWEBSERVICECOMPOSITIONWITHCOLOREDPETRINETSANDAIPLANNINGAREDRAWEDOUT2BASEDONTHERESEARCHOFTHEMODELANDITSDESCRIPTIONLANGUAGEOFSEMANTICWEBSERVICECOMPOSITIONANDPICALCULUS,ANAPPROACHBASEDONPICALCULUSOFFORMALIZINGANDVERIFYINGTHEAUTOMATICSEMANTICWEBSERVICECOMPOSITIONISPRESENTEDTHISMETHODGUARANTEESTHECORRECTNESSOFSEMANTICWEBSERVICECOMPOSITION,ANDTHECOSTWHICHDUESTOTHEFAILUREOFTHEWEBSERVICEEXECUTIONISDECREASED3AMETHODBASEDONPICALCULUSISBROUGHTFORWARDTOFORMALIZEANDVALIDATESEMANTICWEBSERVICECOMPOSITION,ANDTHENAFEEDBACKRESULTISPRESENTED4INTHISPAPER,THEVERIFICATIONOFSEMANTICWEBSERVICECOMPOSITIONPROCESSDOESNOTSITATARCHITECTURELEVEL,BUTDIRECTLYONSEMANTICWEBSERVICECOMPOSITIONLANGUAGEPROGRAMCODE,THEREFORE,ITWILLBEMOREFEASIBLEANDPRACTICAL5AMETHEDOFSEMANTICWEBSERVICECOMPOSITIONBASEDONPICALCULUSISPRESENTEDTHEPROBLEMTHATATOMICLAYERSERVICEDOESNOTMEETTHEREQUIREMENTSOFTHELOGICALSUBSERVICEISRESOLVEDNOTONLYTHECORRECTNESSOFTHECOMPOSITIONISPROVED,BUTALSOTHECORRECTNESSOFTHEDEMANDISPROVED太原理工大学硕士研究生学位论文VKEYWORDSPICALCULUS,SEMANTICWEBSERVICE,SERVICECOMPOSITION,FORMALIZATION,VERIFICATION太原理工大学硕士研究生学位论文1第一章绪论11研究背景目前，国内外学术界和工业界积极参与对语义WEB服务技术的研究，并对其进行了深入的研究。语义WEB服务能被自动发现、自动执行、自动组合WEB服务的原因是语义WEB服务拥有语义信息；它具有松散耦合和高度可集成的能力；在对语义WEB理论实践和标准规范方面，世界各地的科研人员和研究机构都在做着不懈的努力，特别是W3C的语义WEB服务小组成员在语义WEB服务的发展中做出了卓著的贡献。语义WEB服务本体当前最新的提交版本是OWLS1（WEBONTOLOGYLANGUAGEFORSERVICES），OWLS1是对OWLS的扩展。OWLS是基于OWL（WEBONTOLOGYLANGUAGE）规范的WEB服务本体，主要由NOKIA公司、STANFORD、MIT等大学及美国CMU参与研究，由美国军方NARPA项目支持。OWLS的的前身是DAMLS（DARPAAGENTMARKUPLANGUAGEFORSERVICE）。而目前语义WEB服务中的本体规范除了OWL（WEBONTOLOGYLANGUAGE）以外，主要还有SWSO（SEMANTICWEBSERVICEONTOLOGY）、WSMO（WEBSERVICEMODELINGONTOLOGY）、和WSDLS。项目实现上，有两个主要的项目（1）SWADEUROPE（SEMANTICWEBADVANCEDDEVELOPMENTOFEUROPE）是欧洲语义WEB高级开发组的一个开发项目，他们的开发目的是推动语义WEB的发展，使语义WEB的技术成为网络主流；（2）SWSI（SEMANTICWEBSERVIESINITIATIVE）是由EU（EUROPEANUNION）和DARPA资助的项目，其目的在于建立一个结合WEB服务技术和语义WEB的集成框架，使服务提供者、请求者在服务发现、服务检索、服务匹配、服务调用、服务监控的方面可以达到最大限度的动态集成和自动化。语义WEB服务研究主要表现在基于语义的WEB服务的自动发现和自动组合的推广及其实现框架上。服务组合策略和匹配算法是语义WEB服务理论研究的主要内容。在理论方面很多研究人士给出了大量的学术成果。关于请求重写方式研究了WEB服务发现的问题，其目的是研究用推理的方法使WEB服务自动发现，并且提出了一些很好的的服务匹配算法；关于形式化的方法，例如利用PETRI网理论，AI规划以及进程代数研究语义WEB服务描述本体的OWLS操作语义，实现自动的WEB服务组合问题，还通过形式化的方法太原理工大学硕士研究生学位论文2去实现和验证语义WEB服务的组合的合理性。语义WEB的诞生以及WEB服务所具有的特性，诸如交互时位置透明、平台独立、松耦合、自描述的软件模块与实现异构应用集成的有机结合，使得WEB服务的发现、服务的组合、服务的运行、服务的监督的自动化变成了可能，从而实现了WEB服务的机器处理和可理解。因为单个，孤立WEB服务的实现的功能是有限的，对现有的复杂的应用需求来说，这样的WEB服务已经不能满足人们的需要，所以一定要集成各个可用的已存在的服务，这样就产生了一个功能更强，能激发WEB服务更大潜能的研究领域，即组合服务。而语义WEB赋予信息良好的描述含义，使得人类和计算机能更好地合作。大量的学术界和产业界的人士给出了描述语义WEB服务的标准和技术，这使得在跨应用中WEB服务上的数据能够被自动的发现，组合，处理和应用。WEB服务的自动化组合是WEB整合过程中的关键技术，众多专业人员一开始就对这一技术给予密切关注。关于自动组合的方法，学术界和工业界提出了很多观点，这些观点可归为三大类1，表述如下（1）基于语义的组合方法这类方法（以OWLS为例），WEB服务间的自动识别是通过共享本体来实现的，WEB服务间的组合和关联通过IOPE模型2得以实现。（2）基于流程的组合服务它主要以BPEL4WS（BUSINESSPROCESSEXECUTIONLANGUAGEFORWEBSERVICE）、WSCI（WEBSERVICECHOREOGRAPHYINTERFACE）、WSFL（WEBSERVICEFLOWLANGUAGE）为代表，这种方法主要是从数据控制和功能执行的角度来组合，在已知参加组合的WEB服务的前提下，给出了一种预定义流程的静态组合，服务的推理信息缺少自动性、语义和灵活性，只是简单的输入、输出和意外情况处理。（3）基于形式化的方法该方法主要包括了PETRI网、进程代数、AI规划等，是对前（1）、（2）类组合技术的补充和完善，主要作用在于对组合模型的正确性进行验证和分析。关于PETRI网的方法，其主要侧重于对服务内部的行为流描述，并没有表现出服务与外界的复杂消息交互。当前主要的科研工作是如何利用PERTRI网执行各种服务组合以及分析组合后的性能，比如活锁、死锁、是否可以正确终止等等情况。假如将OWLS模型里的服务看成是AI中的动作，那么该服务组合就是一种AI规划问题。AI规划的过程是首先对目标问题进行建模处理，紧接着根据形式化验证模型的正确性，动态地选择所需服务。不足之处在于模型无法根据WEB服务的资源变化而自动适应演化，属于一种以静态建模，结合动态选择的组合方式。太原理工大学硕士研究生学位论文3进程代数是当前学术界公认的最合适的用于描述WEB服务的数学理论。主要是因为进程的迁移能够描述服务的动态行为，其互模拟性则能够用来验证服务的行为等价。PI演算具备严格的描述规范以及推理机制，可以保证描述模型的正确性。所以本文选择用一种进程代数PI演算来形式化描述语义WEB服务的组合。12研究课题及意义WEB服务是一种具有自描述、自包含、模块化、自主行为的软件组件，部署在INTERNET中，能够被查找、调用和发布。WEB服务是目前一种面向服务的体系结构（SERVICEORIENTEDARCHITECTURE，SOA），WEB服务技术研究的最主要、最直接的目标，是组合已有的服务使WEB的应用更能满足用户的需要。为了实现分布式系统跨语言、跨平台和松耦合的目标，需要面向服务的体系结构连接INTERNET上自主具备执行任务能力的服务。WEB服务是一种新的计算模式，它使服务的数据不再是孤立的，不同的服务之间可以相互调用，为数据集成提供了技术支撑。一个独立的WEB服务只能解决一个简单的问题，所以为了完成一些复杂的服务，必须把多个服务集成起来，这就是所谓的服务组合。现在很多的的专业软件生产商通过重新利用已有的服务以及发布自己的服务，来提高开发效率，并以此来降低开发成本。当用户提出新的请求时，WEB服务首先选择能够满足用户的服务，如果没有的话，就通过协作来选择一组能满足用户的服务。如果没有合适的服务或者没有合适的服务组合满足用户的需求时，就需要进一步分解需求，并继续搜索新的能够使用的服务。WEB服务的特点是结构构造动态化，体系结构松耦合，软件实现虚拟化；它是一个通用的与语言无关，与平台无关的技术层。WEB服务平台涉及以下三个基本角色服务提供者在服务中介处注册并发布服务，同时控制对服务的访问；服务请求者通过在服务中介处查询已发布的服务描述，服务请求者发现合适的服务，并和服务提供者建立绑定以达到使用服务的目的；服务中介负责索引和管理服务，提供发现和存储服务的功能。WEB服务平台涉及三个基本操作是绑定、发现、发布。由于INTERNET上存在大量的可用的WEB服务，而目前的手动或半自动生成一些组合服务超出了人所能及的范围。目前，学术界和工业界的一种已有的接口描述规范WSDL（WEBSERVICEDESCRIPTIONLANGUAGE）描述的只是语法层面上的接口，尽管定义了输入和输出类型的概念，但不支持输入和输出参数之间的逻辑约束。它把WEB服务描述成为一组端口，这些端口能够实现服务之间的互操作，主要描述WEB服务之间的动态行为太原理工大学硕士研究生学位论文4的特征。因此WSDL描述的WEB服务缺乏了语义，很难被计算机理解，因此WEB服务的自动发现也不能得到很好的支持。所以对于如何描述WEB服务，并实现服务的自动发现和动态组合的问题，是当今WEB服务领域的研究难点和热点之一。语义WEB的引入，通过语义组合为自动组合和动态组合中存在的二义性及模糊性提供了技术支撑。建立语义WEB的目标是使计算机能够理解计算机上所存在的知识和信息，并在理解的基础上很好的应用它们。在语义的描述过程中，通常使用的是一组基本的类和属性，为了使WEB服务变成计算机能够理解的实体，我们通常用一个可共享的框架来实现WEB服务的选择、组合和自动发现，并且在描述时必须包含有足够的语义。目前，OWLS是WEB服务的语义描述方面最重要语言规范。OWLS是一种描述WEB服务的本体语言，它通过SERVICEGROUNDING，SERVICEMODEL和SERVICEPROFILE这三个方面来刻画服务。SERVICEMODEL包含有服务的动态行为语义，数据流和使用服务时所涉及的控制流，主要功能是描述服务的具体执行过程，即描述服务是怎么工作的。SERVICEPROFILE相当于服务的黄页，主要描述服务做什么，主要功能是为用户和服务代理提供WEB服务的相关信息来确定是否符合用户的查找要求。SERVICEGROUNDING用来提供让用户和智能软件知道如何存取服务的细节，给出细节描述层和过程模型的描述中的消息描述以及将它们之间的通信协议联系起来，即描述怎么去访问一个服务2。WEB服务通过OWLS增加了计算机能够理解的语义信息，其核心的语义模型是IOPE，通过4个方面刻画WEB服务，即服务的输出、输入、输出的后果以及输入的前提条件。OWLS的不足之处在于在IOPE基础上建立的语义存在一定的局限性，有相同输入输出的两个服务有时会代表完全不同的两个任务，很难准确地去反映WEB服务的能力。动态组合是WEB服务的一项相当复杂的工作。原因如下组合的方式不同导致同种服务不同概念模型的子服务找不到相应实现层的逻辑子服务；被动态地组合和更新，创建WEB服务的系统必须要求能够动态地检测、自适应于这些变化；不同组织的WEB服务使用不同的概念模型来开发，它们的运行方式不能事先预知；应当考虑如何保证组合模型的正确性完整性，以节省由于运行错误模型而带来的不必要的开销。只有实现了自动组合，才有可能实现WEB服务的有效重用。只有对组合模型进行合理的验证，才能保证组合模型的正确性完整性。由此可见，基于语义的自动组合面临以下问题（1）怎样在语义的基础上实现WEB自动服务组合，以及形式化和验证，以确保太原理工大学硕士研究生学位论文5WEB服务执行结果的正确性；（2）如何实现模型正确性的同时，保证需求模型的正确性；（3）如何从众多的服务组合方案中选择最适合用户需求的组合服务，以确保WEB服务的多样性。13论文解决主要问题本课题旨在对语义WEB服务组合的验证进行深入研究，语义WEB服务组合验证能提前发现语义WEB服务组合中存在的缺陷，是提高语义WEB服务组合执行的成功率和增强用户满意度的关键。本文采用PI演算将语义WEB服务行为和语义WEB服务之间的交互行为进行建模。通过PI演算的自动推演、操作语义等理论判断语义WEB服务之间交互的合理性与正确性。PI演算形式化描述比较容易在软件实现层面上进行，有利于语义WEB服务组合语言的形式化描述，从而大大简化了WEB服务组合语言的自动验证；并且PI演算能够根据自己本身的操作算子把子系统组合成一个大的复杂系统，可根据互模拟定义证明两个系统之间的等价关系，这样使得自动检验语义WEB服务组合语言规范的性质具有可行性。鉴于此，本课题的研究内容主要包括以下几点（1）在对大量国内外形式化及其验证语义WEB服务自动组合方法的研究基础上，例如AI规划、有色PETRI网等方法，分析了它们在形式化语义WEB服务组合方面的优点及其不足。（2）在深入研究语义WEB服务描述语言及其PI演算的基础上，给出了语义WEB服务描述语言与PI演算的映射关系。（3）利用PI演算形式化描述和建模的语义WEB服务组合，并通过用MWB工具对组合的正确性、合理性以及无死锁性进行了验证。（4）服务组合过程中会出现组合序列不一致的的问题，即需要进行模糊组合才能满足需求。本文利用PI演算的互模拟解决了该问题，这样不仅对组合的正确性进行了证明，还对需求模型的正确性进行了证明。（5）利用案例证明PI演算形式化描述语义WEB服务组合模型的工作。本文是通过验证语义WEB服务组合语言编写的程序代码来验证语义WEB服务的组合，而不是只停留在架构层面上对其进行验证。太原理工大学硕士研究生学位论文614论文的总体结构本文共分为六章第一章“绪论”，简要介绍本课题的研究背景和国内外研究现状，并介绍了本课题的主要研究工作。第二章“相关技术介绍”，主要包括以下内容介绍了语义WEB服务产生的背景、过程、基础概念以及其体系结构；介绍了语义WEB服务组合的方法和语义WEB服务组合本体OWLS；介绍了语义WEB服务组合的关键技术。这些为语义WEB服务组合的验证奠定了理论基础和依据。第三章“基于AI规划和PERTRI网的语义WEB服务组合”，本章重点介绍了AI规划和PERTRI网的理论基础，通过对这些理论基础的深入学习，分析了语义WEB服务及其组合的AI规划和PERTRI网建模的关键技术，对语义WEB服务及其组合与AI规划和PERTRI网的关系进行了研究，探究了相关问题的解决方法。并总结了该种方法的优点及其缺点。第四章“基于PI演算的语义WEB服务组合”，本章重点对PI演算的理论基础进行了阐述，主要详细介绍了PI演算等价规则、操作语义和语法定义这三个方面，通过对这些理论基础的深入学习，及对语义WEB服务及其组合与PI演算的关系的研究和对其建模的关键技术的分析，得到一个形式化的模型，这是一个相对清晰和合理的WEB服务协作。第五章“基于PI演算检验语义WEB服务组合实例”探究了相关问题的解决方法，通过具体的例子验证语义WEB服务组合是否正确，解决了组合序列不一致导致不能满足用户需求的问题。第六章“总结和展望”，总结了本文所研究的内容，提出了存在的不足之处，并对以后的研究方向提出了建议。太原理工大学硕士研究生学位论文7第二章相关技术介绍21WEB服务组合SOA实现业务过程、开发软件应用的核心技术和方法是服务组合。开发面向服务的松耦合分布应用的基础平台是服务描述、服务通信以及服务查找和服务发布等技术，而在这个平台上进行开发和应用集成的主要手段是服务组合。我们用服务相互之间协作和通信的方法把多个小粒度的WEB服务组合成一个大的服务，使这个大的服务拥有更强功能的过程，就是所谓的WEB服务组合；服务开发者解决比较复杂的问题的方法是通过对功能不同的WEB服务进行有效的组合，从而使现有的服务有更强的功能。这就是对服务组合的基本含义的解释，即对若干个服务按照特定的方式进行逻辑组合，使他们成为一个集技术、过程和方法为一体的逻辑整体的过程就是服务组合。服务组合主要的作用如下服务组合是一个比较复杂性的手段，而它能够使客户不需要知道复合服务的结构和组成，而只关心复合服务的功能和接口，将小粒度服务组合成为具有业务含义、大粒度的的复合服务，从而有效降低了客户使用系统时的复杂性；服务复用是复合服务对其成员服务操作的不同调用方法，所以服务的组合使服务的复用更进了一步；新的增值服务可以通过服务组合生成，从而可以得到使功能得以灵活扩展的系统。服务组合形成的逻辑整体就是一个复合服务，对于这个整体来说，它本身也是一个服务。因为这个整体的功能是由多个服务的功能复合而成的，所以称此为复合服务。而一个成员服务是用来为某个复合服务提供功能的服务，所以称此为该复合服务的一个成员服务。而某个复合服务的一个成员服务其本身也能是由其他服务组成的一个复合服务。WEB服务发展的一个主要趋势是互用性。对于一个简单的、独立的WEB服务我们并不需要进行太多的研究。对于它的调用只是对一个符合XMLRPC或SOAP等类规范的XML消息的调用。将来研究的关键和热点是对已有的WEB服务进行重新组合，生成功能更强的满足用户需求的服务组合。WEB服务组合是一种松耦合的软件架构方法，是在SOA下来实现业务流程的架构方法。原因如下首先，服务组合需要按照服务请求的特定需求和应用背景进行合理的组合，因为在异构系统中，不同供应商提供的、用不太原理工大学硕士研究生学位论文8同程序语言实现、以不同的方式创建的WEB服务运行在不同的平台之上；其次，我们必须按照一定的粒度进行WEB服务的组合，所以可以重用的服务的基本服务或服务组件不能很复杂。只有这样我们才能很好的利用WEB服务，才能使WEB服务的功能发挥到极致。211基本框架WEB服务核心的支撑技术是WSDL、UDDI和SOAP。WEB服务代理、服务提供者和服务请求者以及XML格式的消息传递机制和它们之间的通信等是WEB服务的基本架构。一般查找和发布服务都用UDDI来进行；对WEBSERVICE的规范化的描述用WSDL来进行；在分布式计算环境中，SOAP可以以XML的形式交换类型化和结构化的信息，因为它是轻量级的一个分布式计算协议。其基本架构如图21所示。图21WEB服务架构FIG21THEWEBSERVICEFRAMEWORK这里介绍一个的服务自动组合框架（图22），该框架中不拘泥于特定的特定的服务实现平台和WEB描述语言，而对WEB行为和WEB服务使用形式化的方法进行描述，使这个框架的抽象性很高。本文第三章到第五章的研究都将基于这个服务组合框架展开。服务请求者和服务提供者是服务组合系统的两类参与者。服务请求者的目的是使用服务提供者所提供的WEB服务，服务提供者发布能够供使用的WEB服务。系统框架中主要包含的组件有执行引擎（EXECUTIONENGINE），执行引擎用于执行选定的服务；服务仓库（SERVICEREPOSITORY），用于存储服务的信息；行为模型生成器（PROCESSGENERATOR），行为模型生成器用来分析用户请求者所提出的服务请求，从服务仓库中取得可用的服务，根据需求规划服务组合用来满足用户的需服务注册者服务请求者服务提供者查找WSDL,UDDI绑定发布WSDL,UDDI服务描述服务描述服务太原理工大学硕士研究生学位论文9求；翻译器（TRANSLATOR），翻译器把参与者使用的描述语言转换成为行为模型生成器所使用的内部形式化语言；模型评估器（EVALUATOR），评估器从行为模型服务的质量保证，可满足性等多方面进行评估所有满足用户需求的服务组合。如果满足用户的需求的规划结果有多个服务组合，则需要根据某种特定的策略进行选择最佳的一组个务组合规划。一旦选定一个服务组合规划，则交由服务执行引擎去执行，并且给服务的请求者将服务组合的执行结果反馈回去3。图22自动服务组合框架3FIG22THEAUTOMATICSERVICECOMPOSITIONFRAMEWORK3212WEB服务组合的方法WEB服务组合的方法在很大程度上主要依赖于现有的具体的WEB服务的描述框架。WEB服务组合采用的具体技术和方法依赖于WEB服务描述采用的方式和方法。更具体地说，WEB服务是描述可以提供什么样的信息，以及提供多少信息会对WEB服务组合方法做出限制性的选择。而且WEB服务组合方法的选取也会受到WEB服务描述所提供信息的方式影响。因为，同样的信息其形式表现的不同，而且它作为WEB服务组合的一个方法利用这些信息的难易程度也会有所不同。尽管表现形式的差别并不会影响WEB服务组合算法的计算结果，但是会影响到WEB服务组合算法计算的效率。合适的WEB服务模型和WEB服务描述语言，能有效地为WEB服务组合去提供必要的信息。此外，因为语义WEB服务的目标是以语义WEB为平台的，所以语义WEB服务的描述框架也必太原理工大学硕士研究生学位论文10须可以融入语义WEB的体系结构中4,5,6,7,8。在WEB服务的结构方面，WEB服务属于一个白盒，而在WEB服务的功能方面，WEB服务属于一个黑盒。在WEB服务的结构方面，可以把WEB服务看作为一个进程（PROCESS），该进程又由很多子进程组成，而这些子进程同时构成了该WEB服务所有可能的执行路径（一般情况下执行路径是不会唯一的）。在OWLS中，由WEB服务的服务模型给出这些信息。而在SWSL中，运用了一个已经比较完善的本体PSL（PROCESSSPECIFICATIONLANGUAGE）9来描述服务的模型。在WEB服务的功能方面，用户只能看见外部执行的结果，而不知道内部的行为过程。在WEB服务的外部行为方面，WEB服务既属于一个黑盒，也属于一个白盒。在这种模型下，WEB服务在与外界消息交互的情况下才属于可见的，而在其余的情况下均属于透明的。专门为此设计的描述语言有BPEL4WS10等，进程代数中的各种构造与这些语言中的大部分元素都有着直接的对应关系11。但语义WEB的设计思想与这些语言的目标却没有太大的关联，这些语言的目标是描述WEB服务是“怎样的”，而语义WEB则更关心WEB服务是个“什么样的”。我们一般不把WEB服务交互消息的层次上的程序综合称之为“服务组合”，而是称之为“服务交响”。总而言之，一般情况下对于一个WEB服务的内部结构我们很少去详细地描述，总是为了提高WEB服务结构的描述粒度而从WEB服务的外部行为的角度去描述。我们把在服务组合中的WEB服务更多地看成为一个黑盒，由于WEB服务组合不能被WEB服务验证，所以并不需要清楚WEB服务在行为方面更多的细节。在软件工程中，对系统进行抽象的做法与这是一致的12,13,14。人工智能领域以及语义形式化方法和自动推理领域是WEB服务的自动化组合工作的两个主要领域，当然，还有一小部分工作是来自数据库领域的，这一小部分的工作主要是集中在WEB服务组合方法的效率方面来研究WEB服务组合的。形式化方法和自动推理以及人工智能这两个领域的工作不仅互相交叉，而且又互为补充。为了更好地支持WEB服务的资源智能化的整合，所以人工智能领域中的工作主要包括构建WEB服务描述的本体15,16,17。基于语义的自动组合面临以下问题怎样在语义的基础上实现WEB自动服务组合，从而进行验证，以确保WEB服务执行结果的正确性；如何从众多的服务组合方案中选择最适合用户需求的组合服务，以确保WEB服务的多样性；如何能确保用户需求的正确性。太原理工大学硕士研究生学位论文11在语义WEB服务的自动化组合方法中，语义WEB服务匹配和语义WEB服务组合的联系是很密切的，尽管现有的语义WEB服务匹配算法都只局限于服务参数类型上的匹配，但这不等于说不能服务的外部行为上和从服务的功能上从来进行服务匹配。而事实上，在这类服务组合的算法中，如果把服务组合看作一个状态的搜索过程的话，那么服务匹配也就在一定程度上相当于这个搜索过程中筛选合适后继状态的步骤。在文献18中PAO阐述的思想是基于DAMLS1的输入、输出参数类型的上下位如何匹配。文献19中进一步研究了参数类型之间的各种重叠关系，并提出部分匹配的算法；文献20对于WEB服务数量巨大的特点，在文献19的基础上设计了前项搜索的服务组合算法以及基于矩阵的高效匹配算法。下面先简单地介绍基于PAO的一类服务组合方案方法的原理。我们从输入、输出的角度去看待WEB服务以及查询，如果一个WEB服务S可以满足一个查询Q的话，意味着WEB服务S必须都能够接受对查询Q提供的所有输入；WEB服务S必须至少满足对于查询Q所要求的所有输出的一个输出。在类型之间是否存在互相相交或包含的关系基础上，能够定义一个WEB服务S可以满足一个查询Q的程度，这些分别是（按从高到低的顺序）EXACT，PLUGIN，SUBSUME和OVERLAP。基于人工智能规划的组合方法这类方法是以使用人工智能规划中的动作对WEB服务进行建模，WEB服务组合是利用人工智能中的规划算法来进行组合的。一般情况下与基于服务输入、输出参数的类型匹配的方法来比，这类方法所找到的组合服务通常会更准确，但适用这类方法的WEB服务范围也是很有限的。文献20首先给出了基于有色PETRI网的语义WEB服务形式化的模型，对OWLS的SERVICEMODEL中8种基本的WEB服务组合模式进行了形式化描述，这些组合模式又可以构造出满足用户需求的组合WEB服务。并对服务组合形式化模型的正确性分析和验证进行研究，给出了组合模型语法可达性、正确性、有界性和活性的算法。最后，应用一个具体的实例建模展示出了WEB服务组合的PETRI网建模过程。文献21提出了一种改进的WEB服务自动组装的方法。当需要对一个复合WEB服务进行组装时，需要对复合WEB服务的功能进行需求的分解，从而得到若干个逻辑子服务，利用这些子服务之间的相互交互完成复合WEB服务所要求的功能，也就得到复合WEB服务的内部执行流程。本课题将研究基于PI演算22,23对语义WEB服务及其自动组合进行形式化描述和建模。PI演算研究重点是以进程间的移动通信作为为并发的理论，并且是对CCS24（CALCULUSOFCOMMUNICATIONSYSTEM）的发展。PI演算的基本计算实体为进程和名字，太原理工大学硕士研究生学位论文12通过传递名字来完成进程之间的通信。PI演算不仅可传递CCS中的值和变量，而且还能传递通道名，并且统称这几种实体为名字而不再做区分，从而使得PI演算具有了建立新通道的能力，所以PI演算能够用来描述结构不断变化的并发系统。微软的BIZTALK给出了XLANG中WEB服务与PI演算的元素对应关系，并采用基于流程的描述方法，把WEB服务转换为PI演算的进程，用通道名和动作名来描述服务间的交互。因为PI演算支持传递通道名的特征，所以使得它能够描述结构动态变化的系统，能够使用它描述服务组合的动态变化。在设计阶段，PI演算有助于清晰的描述系统的交互行为，而当系统模型建立后，可利用PI演算推演系统的行为，并且验证模型的正确性，可以发现系统行为缺少同步、存在死锁、不完整等缺点。有MWB等模型工具支持，PI演算能够进行模型的测试和跟踪25。结构动态变化的服务组合描述是被这种建模方法所支持26,27,28。在验证了语义WEB服务的正确性后，在大量实现相同功能的WEB服务中，如何能够中选取出一组服务，使得组合服务较高的用户满意度、具有良好的质量已经成为一个亟待解决的问题。目前，由于对组合服务选取的研究并不多，所以组合服务选取还存在很多的困难。首先，需要基于一定的标准选取组合服务，QOS作为一个能够衡量服务质量的概念，包含了可用性、运行时间、费用、可靠性、信誉度等非功能属性，可以体现服务质量的好坏29。但是对于目前的QOS模型都只着眼于对一般的服务的质量评价，并不可以全面、客观地反映出组合服务的质量。所以在组合服务的选取中，首要的问题是如何设计一个可以反映出组合服务质量的QOS模型；此外，另一个重要的问题是如何把这样一个模型应用到组合服务的选取中。文献30中著名学者CARDOSO指导性地提出了服务质量评价模型中应该包含的因素，具体包含费用、时间和可靠性。文献31中AGGARWAL提出了一个QOS模板的概念，在这个模板中，服务质量的评价因素包含费用、时间等。而同时这个模板可以支持用户按照需要设置各个质量因素的权值，可见具有良好的可扩展性和个性化。文献32中ZENG对评价WEB服务质量应该考虑的因素进行了详细地描述，包括费用、时间、信誉度、可用性和成功率。并且把这个服务的质量模型应用到组合服务的选取中。在这个方法中，组合服务的流程是利用一个图来表示的，为了使得组合服务具有良好的质量，所以通过使用全局优化选取算法的方法进行选取。但是，对于上述的QOS模型都忽略了一个点，就是组合服务的特性，也就是为了向太原理工大学硕士研究生学位论文13用户提供完整的功能，需要把组合服务作为一个有机整体来满足用户对组合服务整体质量的所提出的要求，从而使得所包含的基本服务可以相互协作来完成组合目标。目前，由于只是简单地把组合服务看成是一类比较特殊的服务，所以现有的研究不可以有效地支持组合服务的选取。并且是在没有考虑组合服务的特性的前提条件下，组合服务的质量是利用基本服务的QOS模型来衡量的。组合服务内部各基本服务之间的协作能力很大程度上决定了组合服务能否顺利执行及其满足用户的需求。22语义WEB服务组合相关技术221语义WEB技术根据BERNERSLEE的观点，语义WEB并非是全新的语义WEB，而是针对现有WEB的扩展。它与传统WEB的不同在于，信息的语义在语义WEB环境下能够很好地加以定义，并使得计算机和人类能够更好地协同工作。或者说，语义WEB的目标是让WEB上的信息能够被机器理解，从而实现WEB信息的自动处理，以适应WEB资源的迅速增长，更好地为人类服务。在语义WEB环境下，WEB上定义和链接的数据不仅能显示，而且可以被机器自动处理、集成和重用。只有当数据不仅可以被人而且可以被机器自动地共享和处理的时候，WEB的潜力才能够发挥到极致。对于如何实现WEB服务组合，调用和发现的自动化，存在两个关键问题只有服务之间互相交换的信息能够被理解，基于语义的互操作才能自动地调用服务和组合服务；若干个关键词不能完整的表达出服务的功能，所以对于服务的发现，我们需要根据服务的功能来搜索，而不能只依据关键词进行搜索，只有这样才能搜索到满足用户需求的服务。即使不同服务的输出和的输入参数类型相同，名字相同，我们也不能把它们联系起来。这是因为在没有语义支持的情况下，两个参数的含义是否相同是我们无法保证的。目前，利用本体描述WEB服务是语义WEB服务现有的主要方法，实现WEB服务的自动组合，调用和发现是应用这些带有语义信息的描述实现。语义WEB服务的两大支撑技术是WEB服务和语义WEB。连接两大技术的桥梁是OWLS，目前，OWLS是语义WEB服务的主要研究对象。222语义WEBTIMBERNERSLEE对语义WEB这一概念的提出，所依据的基础是计算机能够理解所太原理工大学硕士研究生学位论文14表示的资源。他将语义WEB定义为“一个可以被机器所理解的网站”。语义WEB对WEB的信息进行了良好的定义，使计算机和人类能够更好地进行交互工作，因此语义WEB只是WEB的扩展。而对信息的含义有一个一致的理解，才能在语义层次上完成信息的互操作。本体论的思想是被语义WEB所应用的一种思想，为了使计算机能够实现更高层的智能应用，为了使计算机对WEB信息能够理解和自动处理，所以描述WEB信息资源的内容时所应用的语言是元数据语言，在技术支撑上所用的技术是结合语义WEB组合的一种技术。而本体给出的应用领域是一个共享的领域，并解释了的应用领域概念，因而使WEB服务的应用更有效，更能满足用户及企业的需求。如下图23所示是语义WEB的基本结构图23语义WEB基本结构33FIG23THEBASICSTRUCTUREOFSEMANTICWEB33第六和第七层的主要工作是进行证明、推理等操作，当然这是建立在下面各层所提供的功能的基础上；第五层LOGIC的主要工作是语义支持，为更高层的逻辑推理做基础，对逻辑描述原语进行定义；第四层ONTOLOGYVOCABULARY是对各类资源之间的联系进行描述；第三层RDFRDFSCHEMA是对WEB上所有的资源以及资源的类型进行描述；第二层XMLNSXMLSCHEMA是用于表示数据的结构和内容；第一层中，URI用来处理标识资源，UNICODE用来负责资源的编码，URI和UNICODE是整个语义网络的基础。223语义WEB服务语义WEB服务就是结合了语义WEB技术的WEB服务。它是WEB服务的主要发展趋势，是一种更为智能化的服务。目前单个的、简单的WEB服务已经不能满足用户的需求，因为当调用，访问和查找这些服务时，需要用户自己来完成这些操作。而且用户必须通过关键词来对这些服务进行访问和查找，计算机不能理解用户所要的需求。但在未来的语义WEB服务上，用户进行的查找是具有语义的，基于本体的，AGENT可以帮助用户搜索满足它们要求的服务。甚至AGENT还能自动地为用户调用、组合和选太原理工大学硕士研究生学位论文15择他们所需要的服务。因此在这种方式下，由AGENT来完成服务的执行、组合和发现，而不需要由人来参与。23WEB本体论描述语言231本体论本体论在哲学意义上注重的是万物的“存在”34。日常用语对本体定义的解释是本体定义了用于描述和表示一个知识领域的通用词汇和概念。技术上对本题的定义是本体是一个工程产品，由“描述部分世界的特定词汇，以及关于词汇与其含义的显性化假设集”组成。换言之，亦即概念化的规范。在人工智能领域，使专门领域的知识表达能够支持自动推理是科研人员一直在研究的焦点35,36。在解决人工智能问题的方面，知识所起的重要地位是成功的确立了OENORAL为代表的知识库系统，发展了学科“知识工程”（KNOWLEDGEENGINEERING），这个学科是研究知识系统和知识库的构建技术的学科。本体定义了用于描述和表示一个范围内知识的通用词汇和概念，因而使含义标准化。本体被需要共享领域信息的人，数据库和应用系统所使用。本体包括了领域中机器可用的基本概念的定义以及概念之间的关系。本体对领域内知识编码，也对跨领域的知识进行编码。因此，它们使得知识可重用。232OWLS语义WEB服务的一个相当实用的研