Web服务组合国内外研究进展分析研究 计算机科学与技术专业

2004年以来，Web服务作为跨组织应用集成的支持技术得到业界的广泛支持，面向服务架构(ServiceOrientedArchitecture,SOA)成为信息技术的新热点。SOA的一个重要理念是将“单独、独立、封装”的服务组合成为更大型的服务，实现软件重用、发挥服务的潜力。因此，Web服务组合受到学术界和企业界的极大关注，涌现出大量的WSC研究。WSC源于软件重用，其基本思想是使用系统中已有的Web服务，通过它们一定顺序的组合或组合顺序的改变，创建出新的或更高质量的服务满足用户需求。目前对WSC尚无统一定义，研究者从不同角度和侧重点做了不同的定义。总的来说，其定义可归纳为两个：(1)基于过程模型：从WSC内在因素的角度，将其定义为一个依赖于特定控制流和数据流结合起来的、能够完成一定任务的Web服务集合，如AgFlow[1]。(2)基于构件单元：从构件的角度，将WSC定义为一个由自治且能相互协作的自描述单元所组成的系统[2]。上述定义分别强调了WSC两个不同的研究角度。近年来Web服务的理论和技术取得了长足的发展,其保证互操作性的协议栈下层在学术界和工业界已基本达成一致.作为新一代的开放系统技术,Web服务与CORBA、Java等技术相比,在保证互操作上更为成功。从技术上说,Web服务的价值在于服务重用,而重用的目的则是使服务增值。至于保证服务通信和重用的基础则是互操作协议栈的下层一致性.除了服务本身的重用外,组合不同的Web服务以产生不同于各个单一Web服务的功能,也是研究的重点之一。但是,如何使得Web服务真正进入实用的阶段,使得Web服务实现跨组织、跨管理域的系统集成和自动交互,还面临着诸多的问题;其中一些问题是在传统的中间件应用中已经解决了的,而另外一些则是新问题[3],比如Web服务如何组合、能否自动组合以及组合的正确性验证,即是否与期望中的服务等价等问题。为了解决服务组合的这些问题,学术界和工业界提出了多种方法;总体来说,其思路可以分为两类:一类是用流程组合服务的思想,比如BPEL4WS,这类方法的建模和验证常使用Petri网和进程代数[4]等形式化方法;另一类是借助人工智能的思想,如语义Web[5],常基于时序逻辑等方法。大体从语义服务组合方向主要可以分为三类：1)基于人工智能领域的服务组合，2）形式化推导方法和自动推理，3）基于逻辑描述（非功能性描述）方法，其分为动态逻辑和静态逻辑描述。从服务评价方式可分为两类：a）偏向服务组合权重的服务质量（QoS）相关的方法，b)采用具有语义的评价因子的方法。国内外对于服务的研究已经延伸到复杂的系统过程，包括服务科学，服务管理（预测服务需求、规划服务），支持服务系统的IT系统设计和构建及服务执行等[6]。面向服务架构（Service-OrientedArchitecture，SOA）有利于软件复用和系统集成。Web服务作为SOA，通常但非唯一采用的实现方式，研究覆盖到服务封装、提供、管理、使用、建模、仿真及控制等环节，包括静态、动态组合及基于分级评价的服务发现[7-10]。将多个松散耦合的简单Web服务按照服务描述、约束及可用资源等进行组合，可重用并增值服务。开放的网络化应用和“软件作为服务”的理念必将导致基于Internet环境下软件系统的主要形态、运行方式、生产方式和使用方式发生巨大的变化.未来网络软件的一种趋势表现为构造若干Web服务动态组合(composition)、渐趋稳定的软件应用系统[3].Web服务是一种新型的Web应用程序,具有自包含、自描述、模块化和松耦合等特点,可以通过Web发布、查找和调用.简单地说,Web服务是“一次发布,到处可用”的新型Internet组件,支持服务复用和组合,对提高网络软件生产效率和产品质量具有重要意义。在动态、多样的Internet服务市场中,发现合适的服务是实现服务共享、复用的重要前提.Web服务发现的效果直接关系服务复用的质量,影响到服务组合的相容性(compatibility)和可替换性(substitutability),关系到能否真正实现服务的“即插即用”。因此,Web服务发现作为面向服务体系结构的一个重要组成部分,倍受工业界和学术界关注,并以查准率、查全率和匹配效率作为评价其效能的主要指标。，。[12]常见的服务描述有：(1)OWL-S：由描述服务能力、服务工作过程和服务访问细节的ServiceProfile,ServiceModel和ServiceGrounding3部分组成。ServiceProfile涵盖了以及服务QoS语义，满足计算机推理需求；ServiceModel则定义了WSC的内部流程。因此被当前的绝大部分的WSC研究所使用。(2)WSDL：描述服务URL和命名空间、服务类型、有效函数、函数参数、参数类型以及函数返回值和返回值类型等Web服务的通信和调用方法的XML文件。它是Web服务的事实标准，但它仅通过“端口”规约了服务的功能特性，必须扩充增加{}和QoS语义才能支持WSC。(3)自定义语义：为实现WSC推理而定义的非标准简单描述语言。如Sword[11]中基于规则的服务描述——将服务描述成在特定输入下产生特定输出的“规则”。随着OWL-S的发展，这种服务描述已逐渐淡出。OWL-S即网络本体服务语言，由DAML-S发展而来，是OWL的应用。OWL-S主要包括4个任务：自动Web服务发现，触发，组合和互操作，执行监控。为达到此类目标，OWL-S通过一组规范的知识本体来描述服务，并将该本体划分为3个组成部分：服务轮廓，即服务能提供什么；服务模型，即服务如何工作；服务基点，即服务如何被访问。在OWL-S的服务模型中，定义一个过程模型，包括2个部分：(1)过程，从服务的组成过程(如输入、输出、前提和效果等)来描述服务，使服务能够进行规划、动态组合以及交互操作；(2)过程控制模型，实现智能主体对一个服务请求的执行控制。通常把这2个部分称为过程本体和控制本体，通过过程本体可以定制广泛服务，通过控制本体可以监控服务执行。在控制本体结构中，原子过程是能够直接被调用的Web服务，不可分割且可以单步执行。与之相比，简单过程也是单步执行，但它既不能被调用，也不需要与服务基点相结合。组合过程是由原子过程或组合过程通过控制结构连接起来的。WSMO是一个规范化描述语义Web服务的本体框架。其结构的特点是弱耦合和强仲裁,自治组件之间依靠中间层完成互操作,主要通过定义4类关键组件本体来描述服务:①目标组件,描述了用户通过一个语义Web服务希望达到的目标类型。②Web服务组件,描述已发布Web服务的语义层的功能性属性描述,并且描述语义Web服务间如何通讯和组合。③中间层组件,描述WSMO各组件本体间的映射关系、连接组件,并处理异质和不匹配性的问题。④本体集,提供其它组件中使用信息的规范化定义和描述。WSMO的研究可谓自成体系,ESSI组织完全抛弃了W3C推荐的OWL(Web本体语言标准),重新定义了WSML语言(Web服务模型语言)和WSMX体系结构(Web服务执行环境)作为对WSMO的支撑。目前WSMO工具集的研究,主要包括2005年6月推出的基于WSMO的语义Web服务编辑器WSMOStudio;2005年6月推出的根据WSMO建立语义Web服务应用API和实现参考的WSMO4J;2005年11月推出的关于WSML语言的一系列工具,如WSML推理工具WSMLDLReasoner和WSML语言校验工具WSMLValidator。OWL-S是Darpa组织继DAML-S后推出的新一代语义Web服务描述框架。OWL-S框架使用W3C组织推荐的Web本体语言OWL为其语言基础,目前版本OWL-S1.1,2004年11月已被提交到W3C组织审议。作为第一个提交到W3C审议的语义Web服务领域的规范,OWL-S得到了W3C的一致好评。OWL-S的推出旨在支持语义Web服务的自动组合和调用,帮助用户和代理查询、发现、调用、组合和监控语义Web服务。OWL-S将OWL提高到了支持基于性能的语义Web服务发现的层次。但是,OWL-S的推出并不是为了替代现有的Web服务领域的标准,只是在其上扩展出一层语义层。事实上,OWL-S根据WSDL来调用服务并且扩展UDDI实现服务发现。OWL-S的工具集的研究主要包括Mindswap组织推出的系列OWL-S工具,包括OWL-SAPI,OWL-S校验工具和OWL-S翻译器。OWL-SAPI提供应用于Java编程接口的OWL-SAPI,完成读、写和处理基于OWL-S的服务描述,目前该OWL-SAPI可以支持多个版本的OWL-S框架创作的服务描述的读操作(主要包括OWL-S1.0,OWL-S0.9和DAML-S0.7)。OWL-S校验工具用来进行OWL-S本体语法和结构正确性的验证,保证基本的错误可以被避免。OWL-S翻译器可以在不同版本的OWL-S语言间进行翻译,主要是把OWL-S的较低的版本0.7,0.9和1.0转换成OWL的0.9或1.0的版本。Malta大学也推出了基于J2SE(1.4及以上版本)的OWL-S编辑器。OWL-S是一种被当前的绝大部分的WSC研究所使用的服务描述方法，它由描述服务能力、服务工作过程和服务访问细节的ServiceProfile，ServiceModel和ServiceGrounding三部分组成。ServiceProfile涵盖了以及服务QoS语义，满足计算机推理需求；ServiceModel则定义了WSC的内部流程。WSDL是一种描述服务URL和命名空间、服务类型、有效函数、函数参数、参数类型以及函数返回值和返回值类型等Web服务的通信和调用方法的XML文件。它是Web服务的事实标准，但它仅通过“端口”规约了服务的功能特性，必须扩充增加{P,E}和QoS语义才能支持WSC。图2OWL-S的顶层服务本体[1]ZengLZ,BenatallahB,NguA,etal.QoS-awareMiddlewareforWebServicesComposition.IEEETrans.onSoftwareEngineering,2004,30(5):311～327.[2]HamadiR,BenatallahB.APetriNet-basedModelforWebServiceComposition.Proceedingsofthe14thAustralasianDatabaseConferenceonDatabaseTechnologies.Adelaide:ACMPress,2003.[3]AntonioJ,SilvaC.QualityofServiceandSemanticCompositionWorkflows[Ph.D.Dissertation].DepartmentofComputerScience,UniversityofGeorgia,GA,2002.[4]MassimoP,TakahiroK,TerryP,etal.ImportingtheSemanticWebinUDDI.In:Proceed2ingsofWebServices,E-businessandSemanticWebWorkshop(CAiSEWorkshop),Toronto,Canada,2002,225～236.[5]SivashanmugamK,VermaK,MulyeR,etal.Speed2R:SemanticP2PEnvironmentforDiverseWebServicesRegistries.FinalPresentation,CSCI:8350,EnterpriseIntegration,DepartmentofComputerScience,UniversityofGeorgia,GA,2002.[6]徐晓飞,王忠杰,莫同.服务工程方法体系.计算机集成制造系统,2007,13(8):1457～1464.[7]CanforaG,FasolinoA,Frattolillo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