基于QOS本体的动态Web服务组合

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 3.14MB 73 页 15积分
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摘 要
Web 服务机制缺乏对服务的语义描述,难以在逻辑层面上实现基于语义的服
务发现、服务流程组合和服务动态调用。而且 WSDL 和UDDI 技术关注服务功能
和接口的静态描述,忽视对服务进行非功能属性的描述,而非功能属性如服务质
量正是用户在 SOA 环境中动态选择服务所关注和必需的。使用 RDFS 定义 Web
服务本体,并逐层对其进行 Agent 扩展和 QoS 扩展,构建 Web 服务及其质量本体,
克服已有技术只能在设计时对服务接口进行微调以满足用户需求的缺陷,丰富了
Web 服务机制的语义描述,使得 Web 服务能够被机器理解、对用户透明、被代理
自动处理,在语义逻辑上实现 Web 服务之间的交互性,而且用户在选择服务时可以
同时考虑 Web 服务的质量,从而提高服务选择时的灵活性和自主性。
本文利用本体技术增强了 Web 服务的语义表达能力，使服务的发现与执行，
组合与交互更加自动智能化。关注 Web 服务的非功能属性，即服务的 QoS 属性，
研究分析了基于 QoS 的语义网服务组合工作，提出了一个 Web 服务的 QoS 本体
模型，并实现了该模型在语义网组合工作中的应用。
关键词:本体 Web 服务 服务质量 语义描述 QoS
ABSTRACT
Lack of semantic description of service, Web service is impossible to logically realize
the discovery, composition and dynamic implementation of service based on semantics.
WSDL and UDDI, while focusing on static description of the function and interface of
service, neglect to describe its nonfunctional property, whereas such nonfunctional
property as Quality of Service (QoS) is the key factor affecting the users in their
dynamic selection of service in SOA. In this article, RDFS is used to define the Web
service ontology, and an agent extension and a QoS extension are made layer by layer.
As a result, the defect of fine-tune on service interface to meet the users’need with
current technology is overcome. The Web service, enriched by semantic description and
restricted by QoS, is well readable by machine, transparent to users, automatically
processed with agent, interoperable semantically and convenient for users’selection of
service.
This paper uses ontology to enhance the expression ability of Web Services. It
brings more automation and intelligence to the discovery execution, composition and
interaction of Web Services. The paper analyzes the composition of Semantic Web
Services on the basis of QoS, and proposes a QoS ontology model for Web
Services.Also, an application prototype of this model is realized.
Keywords: ontology，Web service，quality of service，
semantic description，QoS
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .................................................................................................................. 1
§1.1 课题研究的目的和意义................................................................................ 1
§1.2 语义网国内外的发展和现状........................................................................ 2
§1.3 论文的主要工作和内容................................................................................ 3
第二章 本体与 Web 服务 ............................................................................................ 6
§2.1 本体.................................................................................................................. 6
§2.2 基于本体的语义网.......................................................................................... 8
§2.3 Web 服务 .........................................................................................................12
第三章 动态 Web 服务组合技术 .............................................................................. 16
§3.1 Web 服务的服务质量(Quality of Service 简称 QoS) ....................................16
§3.2 Web Ontology Language (OWL)概述......................................................... 16
§3.2.1 OWL 简介 .............................................................................................17
§3.2.2 OWL 在语义网中的地位 .....................................................................18
§3.2.3 OWL 文档结构举例 .............................................................................19
§3.3 基于本体的 Web 服务架构 SOA ..................................................................25
§3.4 利用本体对服务的扩展................................................................................ 28
第四章 基于 QoS 本体的动态 Web 服务组合 ......................................................... 29
§4.1 基于 UDDI 的Web 服务发现系统 .............................................................29
§4.2 当前动态 Web 服务组合的解决办法 ............................................................32
§4.3 基于 QoS 本体的 Web 服务动态选择 ...........................................................33
§4.3.1 扩展后的系统结构.............................................................................. 33
§4.3.2 Agent 和Agency 设计..........................................................................36
§4.3.3 Web 服务本体 .......................................................................................39
§4.3.4 QoS 本体设计 .......................................................................................41
§4.3.5 验证算法.............................................................................................. 46
第五章 推理优化具体实现及其实验结果 ................................................................ 49
§5.1 开发环境及技术.......................................................................................... 49
§5.1.1 本体开发及查询技术.......................................................................... 49
§5.1.2 基于本体模型的 Web 服务搜索 ....................................................... 51
§5.2 实验环境及相关组件.................................................................................. 52
§5.2.1 服务本体的创建及存储...................................................................... 52
§5.2.2 评价服务算法的实现.......................................................................... 57
§5.3 试验结果与分析.......................................................................................... 57
第六章 结束语 ............................................................................................................ 66
参考文献 ........................................................................................................................ 67
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 70
致 谢 ............................................................................................................................ 71
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究的目的和意义
在企业级应用开发领域，谈论最多的一个词，恐怕非 SOA(Service-Oriented
Architecture，面向服务架构)
[1]
莫属。SOA 是一种架构模型，它可以根据需求通
过网络对松散耦合的粗粒度应用组件进行分布式部署、组合和使用。服务层是 SOA
的基础，可以直接被应用调用，从而有效控制系统中与软件代理交互的人为依赖
性。
SOA 的关键是“服务”的概念，W3C 将服务定义为：“服务提供者完成一组工
作，为服务使用者交付所需的最终结果。最终结果通常会使使用者的状态发生变
化，但也可能使提供者的状态改变，或者双方都产生变化”。
从计算模型上讲，软件服务是 SOC/SOA 的基本实体，较对象、构件又有了新
的发展，具有较高的抽象级别、更大的粒度与更强的独立性与可用性，更加便于
使用者直接使用。在此基础上，基于软件服务的 SOC/SOA 借助了开放的社会系统
中较为成熟的基于服务的松耦合运营模式的理念，以服务为基本单元封装各类网
络资源，以服务集成为基本手段提供开放环境下的资源共享与集成的高层次抽象
模型，以服务交互和协同为基本支撑，提供松耦合的计算模型
[2]
。
Web 服务质量 QoS
[3]
是Web 服务评价的重要指标。因特网的动态性和不可
预知性引起通信模式的变化、服务攻击、Web 协议的低能性,迫使应用程序争用不
足网络资源,产生对 QoS 标准的需求。Web 服务的服务质量由多种服务质量属性
(QoS Properties) 构成,可以从性能、可靠性、可用性和安全性等多个方面来描述
Web 服务的非功能特性。这些属性是本文能更好的评价服务。
现有的行业标准 UDDI ( Universal Description Discovery and Integration ,统一
描述、发现与集成)
[4]
提供了一种基于分布式的商业注册中心机制,进行服务描述
文件的注册、管理和发现服务。这种方法的主要缺点是对服务的描述缺少灵活性,
使得在服务匹配时只能采用简单的关键字搜索方法,显然不能满足服务发现的需
要。
Web服务通过WWW建立应用程序之间的松散耦合,它用XML语言描述每个服
务接口,并用标准XML消息进行通讯。当前发布和查找服务的技术(WSDL,UDDI)
基于 QoS 本体的动态 Web 服务组合
2
主要依靠服务接口的静态描述,要求使用者在设计时找到并绑定服务。这些技术不
能实现根据非功能的动态标准在运行时选择服务,也无法使组件使用者相信服务是
否能够提供必要的功能和质量。建立在语义Web技术上的匹配技术有助于细粒度的
服务接口和需求,但它们忽略QoS,因此仅适用设计时间
[5]
。
如何描述 Web 服务,实现服务的自动发现和动态组合,是Web 服务领域的研
究热点和难点之一。WSDL (Web service description language)
[6]
目前是工业界和学
术界的一种事实上的接口描述规范.它将 Web 服务描述为一组端口,这些端口主
要描述 Web 服务的动态行为特征,可以实现服务之间的互操作. WSDL 只是语法
层面上的接口描述,虽然定义了输入和输出类型的概念,却不支持在输入和输出
参数之间的逻辑约束。 所以 WSDL 描述的 Web 服务缺乏语义,难以被计算机所
理解,也就不能支持 Web 服务的自动发现。
将本体的概念和相应技术引入 Web 服务技术中,建立 QoS 质量本体，将从根
本上解决以上问题。同时,由于本体具有丰富的语义和广泛的关系,它将变革现有的
Web 服务,使之成为语义 Web 服务,使Web 实现从自动化到智能化的转变成为可
能。也就是说,通过合理的设计,可以充分发挥它们各自的优势,既结合语义 Web 的
语义扩展,也结合 Web 服务的分布特性,最终提供一种基于语义的自动 Web 服务组
合机制。
§1.2 语义网国内外的发展和现状
要实现 Web 服务的自动发现和动态组合,其描述中必须包含足够的语义.基
于语义的描述通常使用一组基本的类和属性,通过提供一个可共享的框架使得
Web 服务成为计算机可理解的实体,从而实现 Web 服务的自动发现、选择和组
合。
Web 服务的动态组合是一项很复杂的工作.首先, Web 服务由不同的组织使
用不同的概念模型开发,其运行方式不可能事先预知;其次, Web 服务能被动态地
创建和更新,组合的系统必须能够动态地检测并自适应于这种变化.只有实现了
自动组合,才有可能实现 Web 服务的有效重用
[7]
.为了解决这个问题,工业界和
学术界提出了很多方法,总的来说可以归纳为三类：
一是基于流程组合服务,以WSFL (Web services flow language), WSCI(Web
services choreography interface), BPEL4WS (business process execution language for
Web services)为代表
[8]
,这类方法主要是从功能执行和数据控制的角度组合,在已
知参与组合的 Web 服务的情况下,提供一种“预定义”流程的静态组合,关于服务
第一章 绪论
3
的推理信息只是输入、输出和意外处理,不足是缺少语义,自动性和灵活性较弱;
二是基于语义的组合方法,以OWL-S
[9]
为例,这类方法通过共享本体实现
Web 服务间的自动识别,通过 IOPE
[10]
模型实现 Web 服务间的关联和组合。目前,
Web 服务的语义描述方面最重要的工作是 OWL-S. OWL-S 通过 3个方面来刻画
服务,即: ServiceProfile, ServiceModel 和ServiceGrounding. ServiceProfile 类似于服
务的黄页,描述服务做什么. ServiceModel 包含服务的动态行为语义,使用服务时
所涉及的控制流和数据流,描述服务是如何工作的. ServiceGrounding 将过程模型
的描述和细节描述层中的通信协议及消息描述联系起来,描述如何访问一个服务,
不属于语义描述的范畴. OWL-S 为Web 服务增加了计算机可理解的语义信息,
IOPE 是其核心的语义模型,从服务的输入、输出、输入的前提条件以及输出的后
果4个方面刻画 Web 服务. OWL-S 的不足在于:建立在 IOPE 基础上的语义存在
一定的局限性,具有相同输入输出的两个服务很有可能代表完全不同的任务,难
以准确地反映 Web 服务的能力
[11]
。
三是基于形式化的方法
[12]
,主要包括 AI 规划、Petri 网、进程代数等
[13]
.这
类方法是对前两类组合技术的补充,主要用于组合模型的分析和正确性验证.如
果将 OWL-S 模型中的服务看作是 AI 中的动作(action), 那么服务的组合就是一个
AI 规划问题. AI 规划是首先对目标问题建模,然后根据形式化验证后的模型,动
态地选择服务.其不足是模型不能根据 Web 服务资源的变化而自动演化,属于静
态建模、动态选择的组合方式.基于 Petri 网的方法侧重于描述服务内部的行为流,
而没有表示出服务与外界的复杂消息交互.目前的研究工作主要是利用 Petri 网进
行服务组合的执行以及组合后的性能分析(如死锁、活锁、能否正确终止等).进程代
数是目前公认的最适合描述 Web 服务的数学理论之一,因为进程的迁移可以刻画
服务的动态行为,进程的互模拟性则可以验证服务的行为能力是否等价.基于形
式化的方法具有严格的描述规范和推理机制,能够保证其描述模型的正确性,但
这也使其在现实的企业环境中难以被推广应用
[14]
.而本文将 QoS 与本体的技术相
结合，是对第二种方法 IOPE 模型的扩充，使其包含足够的非功能性语义，这样
就可以根据用户的要求实现 Web 服务的动态组合，消除了 IOPE 模型的局限性。
§1.3 论文的主要工作和内容
一、研究内容
Web Services 中的 WSDL 、UDDI 都是关于 Web 服务的静态、非功能性的
描述,缺乏一些服务质量方面的描述,这些质量属性是实现满足客户要求进行动态
基于 QoS 本体的动态 Web 服务组合
4
选择服务的关键。服务提供者们为了提高自己的竞争能力、完善所提供的服务,就
需要在 Web 服务中添加服务质量 QoS 说明。但是由于 Web 服务所具有的动态性
和不可预见性,而且不同的 Web 服务应用程序有不同的 QoS 要求,这使得 QoS 的
开发并不简单。
对Web 服务的 QoS 进行语义描述，对服务的提供者与使用者都同样有好处：
服务使用者可以根据 QoS 提供的信息来选择和确定所需要的服务，服务的提供者
则可以通过提高 QoS 来获得更多的商业利益。本文重点通过验证 QoS 本体的可用
性来实现满足用户需求的服务。Web 服务的 QoS 指的是与服务相关的非功能属性，
这些属性描述了 Web 服务的性能。其中可用性包括服务满足消费者需求的可能性,
它主要有平均修复时间 MTTR、最大无故障时间 UpTime 和负载均衡 LoadBalancing
三个子类。
二、论文组织
以本文提出的 Web 服务 QoS 本体模型为基础，可以解决 Web 服务组合中的
最优化选择问题。所谓的最优化选择有两个方面：一是对完成某特定功能的 Web
服务最优化选择；二是对整个组合 Web 服务的最优化选择。由于 Web 服务是一种
第三方提供的应用程序，因此对于完成指定功能的 Web 服务，通常都有多种选择。
这些可供选择的 Web 服务在功能属性上没有差异，但是在非功能属性 QoS 属性上
有所差异，单一 Web 服务最优化选择的目标就是选择具有最优 QoS 属性的 Web
服务来完成相对复杂的任务，这样的组合可以选择多种组合方式，对整个组合 Web
服务最优化选择的目标就是选择具有最优可用性的 Web 服务组合方式，其具体实
现步骤如下：
1) 扩展了 UDDI 注册中心的功能，增加了一个服务组合控制单元和一个 QoS
验证单元。服务组合控制单元的主要功能是：组合简单功能的 Web 服务以满足用
户的复杂请求，该单元包括相应的知识库和规则库以利于组合 Web 服务的重用和
组合推理。QoS 验证单元提供对 Web 服务可用性的控制，服务的发布与查找都要
通过 QoS 验证以确保 Web 服务可用性。
2) 利用该QoS本体模型，对web服务可用性进行语义描述。服务质量本体的
创建流程参考文献
[15]
。该流程采用两条路线并行推进的方法完成 本体的构建：一
条路线确定构成 本体的必要条件，即服务质量的概念是什么，包含哪几个方面，
从而形成服务质量本体最基本的描述语言；另一条路线确定服务质量包含的度量
参数，如可靠性、有效性等，从而形成服务质量本体的参数集。本文主要确定可
用性的度量参数。
摘要：

摘要Web服务机制缺乏对服务的语义描述,难以在逻辑层面上实现基于语义的服务发现、服务流程组合和服务动态调用。而且WSDL和UDDI技术关注服务功能和接口的静态描述,忽视对服务进行非功能属性的描述,而非功能属性如服务质量正是用户在SOA环境中动态选择服务所关注和必需的。使用RDFS定义Web服务本体,并逐层对其进行Agent扩展和QoS扩展,构建Web服务及其质量本体,克服已有技术只能在设计时对服务接口进行微调以满足用户需求的缺陷,丰富了Web服务机制的语义描述,使得Web服务能够被机器理解、对用户透明、被代理自动处理,在语义逻辑上实现Web服务之间的交互性,而且用户在选择服务时可以同时考虑We...

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