基于接口和行为语义的Web服务发现与适配研究

摘要

服务计算(Service-Oriented Computing，SOC)正引领着分布式计算和软件开发的最新一轮发展浪潮，它彻底改变了软件应用系统设计、交付和消费的方式，囊括了一系列的技术集合，用于指导以服务为基本功能单元、以服务重用为软件开发理念、以面向服务的架构为设计原则的应用系统开发方式。服务计算的核心思想是通过服务重用构建随需应变的松耦合的分布式应用系统，而服务重用的关键则在于如何发现符合应用需求的基础服务。随着Web服务相关标准的持续完善以及支撑Web服务的企业级应用平台的不断成熟，越来越多的企业和组织加入到软件服务化的行列中来，发布在网络上的服务呈现出爆炸性增长的趋势，这也使得如何以快速、准确和高效的方式发现目标服务成为一个迫切需要解决的问题。本文围绕语义Web服务发现中的服务模型与元数据组织、基于接口和行为语义的服务发现方法以及对发现结果的语义适配这三大关键问题展开研究，主要工作与贡献包括如下四个方面：
　　 ⑴研究了Web服务模型与元数据组织问题，提出了Web服务接口和行为语义模型，以及基于自动分类识别和倒排索引的服务元数据组织方法。Web服务描述模型和语言以及服务元数据的组织管理是研究服务发现问题的基础。本文提出了面向原子服务的接口语义模型和面向复合服务的行为语义模型，增加了对消息间产生依赖关系的描述；并进一步使用π演算对语义Web服务模型进行形式化建模。提出对服务元数据进行基于自适应BP神经网络的自动分类组织和基于倒排索引的索引组织，以实现更高效的服务发现。
　　 ⑵研究了语义Web服务发现和匹配方法，提出了基于接口语义匹配的原子服务发现方法和基于行为语义等价的复合服务发现方法。Web服务发现是实现服务计算核心理念--服务重用的关键技术。对于原子服务的接口语义匹配问题，提出了基于倒排索引的单实例匹配和多实例组合两阶段原子服务发现方法。该方法考虑输入和输出消息间的产生依赖关系以提高单个原子服务匹配服务请求的查全率，并挖掘多个原子服务接口间的即时组合作为匹配服务请求的备选方案，同时提出使用倒排索引机制来提高基于接口匹配的两阶段原子服务发现的效率。对于复合服务的行为语义等价问题，提出了基于π演算互模拟理论的服务行为等价判定标准和方法。该方法定义了基于两种服务行为视图的强模拟、弱模拟和上下文兼容模拟总共6种行为等价标准；进一步基于服务演化过程的抽象表达--推演树，给出了自动推导服务间行为等价关系的方法。一系列应用实例和仿真实验说明了所提的语义Web服务发现方法的应用性。
　　 ⑶研究了Web服务适配方法，提出了基于接口关联的语义层服务适配方法。Web服务适配是对服务发现结果的进一步优化和调整。本文分析了语义层Web服务互操作中存在的问题及场景。针对这些问题，提出在适配说明书中，通过消息映射指明两个服务的输入/输出消息之间的关联关系；通过活动映射指明两个服务活动之间的对应关系；同时，在考虑消息语义对服务交互影响的前提下，说明对无映射消息的处理方法。基于待适配服务的描述说明书及生成的适配说明书，通过模拟两者的交互，以增量的方式合成具体的适配器。
　　 ⑷研究了Web服务发现的系统框架，实现了Web服务发现的原型系统。Web服务发现的系统框架从抽象层面刻画了Web服务发现系统的主要组件、功能和过程，基于此框架，设计和开发了Web服务发现原型系统--钱塘服务社区。在该系统中，实现了本文提出的Web服务元数据分类组织、基于接口语义匹配的原子服务发现方法和复合服务的行为等价判定方法。

目录

文摘

英文文摘

致谢

图目录

表目录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 服务计算

1.1.2 Web服务发现

1.2 研究动机与研究意义

1.3 研究内容与主要贡献

1.4 本文的组织结构

第2章 研究基础与现状

2.1 语义Web服务发现研究框架

2.2 语义Web服务描述模型

2.2.1 基于XML的服务描述模型

2.2.2 基于形式化方法的服务描述模型

2.3 语义Web服务发现方法

2.3.1 基于接口语义匹配的服务发现

2.3.2 基于行为语义匹配的服务发现

2.4 语义Web服务适配方法

2.4.1 消息接口层服务适配

2.4.2 行为协议层服务适配

2.4.3 服务质量层服务适配

2.5 本章小结

第3章 语义Web服务模型与元数据组织

3.1 问题分析

3.1.1 消息间的产生依赖关系

3.1.2 服务描述的形式化建模

3.1.3 服务元数据的组织

3.2 语义Web服务模型

3.2.1 原子服务：服务接口语义模型

3.2.2 复合服务：服务行为语义模型

3.2.3 基于π演算的Web服务形式化建模

3.3 Web服务元数据组织

3.3.1 Web服务元数据分类组织

3.3.2 Web服务元数据索引组织

3.4 本章小结

第4章 基于接口和行为语义的Web服务发现

4.1 基于接口语义匹配的原子服务发现方法

4.1.1 单实例匹配的Web服务发现

4.1.2 多实例组合的Web服务发现

4.1.3 应用实例

4.2 基于行为语义等价的复合服务发现方法

4.2.1 服务行为等价相关定义

4.2.2 服务行为等价的判定方法

4.2.3 应用实例

4.3 实验仿真与结果分析

4.3.1 基于接口语义匹配的原子服务发现方法

4.3.2 基于行为语义等价的复合服务发现方法

4.4 本章小结

第5章 Web服务发现结果的语义适配方法

5.1 语义层服务适配问题概述

5.2 Web服务接口语义适配方法

5.2.1 适配器说明书

5.2.2 适配器生成

5.2.3 应用实例

5.3 本章小结

第6章 Web服务发现原型系统

6.1 系统框架

6.2 Web服务发现原型系统--钱塘服务社区

6.2.1 服务注册

6.2.2 基于分类和QoS信息的可视化服务概览

6.2.3 交互式服务行为等价检测工具

6.3 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 本文工作总结

7.2 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果

攻读博士学位期间参与的科研项目

作者简历