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1、Web服务及其质量的本体描述摘要：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技术关注于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，克服了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
2、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。关键词：本体；Web服务；服务质量；语义描述分类号 TP393.4Description of Web Service and its Quality with OntologyAbstract: Lack of semantic description of service in Web Service, it is impossible to logically realize discovery, composition and dynamic implementation of service base
3、d on semantics. WSDL and UDDI, which focus on static description of function and interface of service, neglect to describe the non-functional property, whereas such non-functional property as Quality of Service is the key factor which impacts the users on dynamic selection of service in SOA. RDFS is
4、 used to define a web service ontology, and then a Agent extension and a QoS extension are made respectively at increasing level. As a result, the defect of the fine-tune on service interface to meet users need with the current technologies is overcome. Moreover Web Service, enriched by semantic des
5、cription and binded by QoS, is more readable by machine, transparent to user, automatically processed with Agent, interoperational semantically and convenient for users selection of service self-determinatedly.Keywords: Ontology; Web Service; QoS; Semantic description1 语义网与Web服务作为传统Web的扩展，语义网（Semant
6、ic Web）上的信息具有良好定义的含义，使得计算机之间、计算机与人之间能够更好的合作。根据Tim.Berners-Lee提出的语义网层次化描述体系，本体（Ontology）层是语义网的核心1，也就是说语义网建立和运作的基础，是知识的概念化和形式化以及相应的推理规则和推理过程2。Web服务（Web Service）技术作为Web网络中多种异购应用之间的标准交互机制，为开放环境中发布、发现、调用、绑定、组合Web服务提供了一整套方法3，核心技术包括：以XML作为数据传输和交换的标准格式；以SOAP4作为发送和接收数据的基本消息协议；以WSDL5作为服务的描述协议；以UDDI6作为服务的登记发布协
7、议。2 本体在Semantic Web Service中的应用Web服务基本上采用标准化分类的方式描述服务的功能、提供者以及如何访问服务，如何与之交互。这种机制对服务的描述能力非常有限，特别是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。为了克服上述缺陷，人们将目光投向语义网。图1展示了本体使语义网和Web服务相结合形成智能网的技术路线图7。基于本体的一些服务描述语言如OWL-S（以前称作DAML-S），旨在支持一些工具和代理技术在语义网环境中更加智能地实现Web服务8。王欣等在参考文献3中应用OWL-S对Web服务概貌、过程、绑定等实现了语义描述。
8、Semantic WebIntelligent WebWWWWeb ServiceRDF(s)OWLHTMLURIHTTPOWL-SRulesWSDLSOAPUDDIStaticDynamicSemanticSyntax图1 本体联结语义网和Web服务形成智能网的技术路线图Kaarthik Sivashanmugam等在参考文献9中提出,为了增强Web服务机制的语义性，提升其概念化程度，不仅要在对服务本身的数据内容、功能、执行过程等进行语义描述，同时还要对服务质量（QoS）构建本体，因为服务质量在Web服务的整个生命周期（描述与开发、发现与调用、组合、执行）中起着至关重要的作用。本文将使用本体
9、定义语言RDFS1011定义Web服务及其质量本体的类体系以及类属性和类关系。具体地将用到RDFS中的Class（本体类）、Property（本体类的属性）、subClassOf（类的层级关系）、range（本体类的属性允许的取值范围）、domain（属性隶属于某个本体类实体）等关键词，构建一个Web服务与服务质量结合在一起的本体，并采用逐层扩展方式扩充Web服务及其质量本体的内容，丰富其语义描述，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，从而提高选择服务时的灵活性和自主性。3 Web服务
10、本体3.1 Web服务本体的基本描述图2描述了一个最抽象的服务本体（Service Profile Ontology）。本体类Service具有四个基本的对象属性，其中对象属性implementation对应于另外一个类WSDL。WSDL提供了一种描述Web服务的框架，可以采用WSDL对一个服务的执行过程（这个服务能为用户干什么）进行详细描述。对象属性interface的取值是URI，即通知用户可以通过特定的唯一标识符发现、调用特定的服务。另外一个对象属性isFree则描述该服务当前是否在服务注册中心注册并被其提供，取值为布尔值（true或false）。Service类的一个重要对象属性ser
11、viceType将一个服务实体进行分类，图中根据服务类型将服务分为商务、休闲、计算、政务等。为什么要分类呢？我们可以设想一个情景：Consumer_A要通过电子商务平台购买服装，这时Web服务注册中心UDDI有两个注册服务Provider_B和Provider_C可以提供给Consumer_A，Consumer_A该如何选择呢？一个办法就是Consumer_A说明自己的需求意向，Web服务供给机制会将用户的需求与服务进行匹配，最合适的一个服务将提供给用户。而另一个比较简单的办法就是Consumer_A考察Provider_B和Provider_C的serviceType属性，如果Consume
12、r_A只是想在周末购物，Provider_B正好属于休闲类型的服装零售商，而Provider_C属于商务类型的服装批发商，那么Consumer_A会主动选择Provider_B提供的服务。服务相对于用户的需求意愿更能保持一种稳定的状态，所以采用这种描述方法，可以给用户很大的自由度选择想要的服务，使用户处于一种主动的地位直观、方便地做出决定，这也体现了服务以用户需求为中心的思想。Class: ServiceClass: WSDLClass: ServiceTypeClass: ComputationClass: BusinessClass: RecreationClass: Government
13、Property: implementationProperty: interfaceProperty: isFreeProperty: serviceTypexsd: booleanClass: URIsubClassOfdomaindomaindomaindomainrangerangerangerange图2 Web服务本体的基本描述3.2 Web服务本体的Agent扩展之所以称图2构建的是一个最抽象的本体，是因为在这样的一个框架上还可以对服务本体进行一系列扩展。图3在图2的基础上对本体类Service进行了Agent扩展，如虚线框所示。Class: ServiceClass: Agen
14、tBehaviorClass: AutoBehaviorClass: InterBehaviorClass: ServiceAgentClass: AgentProperty: proxiesProperty: behaviorsBasicPropertydomainsubClassOfrangerangedomaindomainsubClassOf图3 Web服务本体的Agent扩展图中的核心本体类是ServiceAgent，它的一个对象属性proxies指代一个Service类，实现其代理功能。ServiceAgent继承于父类Agent，因而具有了behaviors属性。具体地说，beh
15、aviors被分成AutoBehavior和InterBehavior两类，实现如下功能：（1）ServiceAgent参照Web服务本体完成自身的配置，配置过程可以使用Jython（Python in Java）12形成脚本描述，这些脚本描述可以视为AutoBehavior的一部分；（2）用户应用程序生成、配置并激活一个本地代理，ServiceAgent的InterBehavior负责与用户代理交互；（3）依据用户代理的需求，ServiceAgent要选择服务实体并为每个服务实体动态地生成一个proxy对象，这个过程也可视为AutoBehavior的一部分；（4）用户需要的服务开始运行的信息
16、通过InterBahavior被ServiceAgent接受并直接传递给proxy对象，相应的Service作出响应（执行一系列过程或者输出需要的数据）；（5）前面的过程都在Agent的监控之下进行。可见，对Web服务本体进行Agent扩展，增加了服务的自治性和动态性：服务本体能灵活地加入到代理机构中或从中删除；服务本体在保持相对独立的情况下能进行交互式操作；服务本体能作为仲裁人衡量用户和特定的应用对Service的需求。3.3 Web服务本体的QoS扩展Web Services中当前的WSDL和UDDI技术关注于服务功能和接口的静态描述，其目标就是支持用户发布、查询、调用这些服务。这些技术的
17、一个明显缺陷在于忽视对服务进行非功能属性的描述，而这些非功能属性如服务质量（Quality of Service，简称QoS）正是用户在SOA环境中动态选择服务所关注和必需的。对Web服务本体进行QoS扩展，克服了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13，不仅扩展了Web Services的语义，而且用户在选择服务时可以一并考虑Web服务的质量，从而提高服务选择时的灵活性和自主性。图4描述了进行QoS扩展（如虚线框所示）后的Web服务本体。扩展在本体类ServiceType及其子类上进行，主要变化是对每一个ServiceType类及其子类添加一个对象属性hasQoS，从而
18、与QoS和Quality这两个服务质量的核心本体类联系起来，进而在Web服务本体上扩展了每一种类型服务的服务质量。服务质量本体类的具体含义和内容，在下一节详细介绍。Class: ServiceClass: ServiceTypeClass: BusinessClass: GovernmentClass: QoSClass: QualityProperty: hasQoSProperty: hasQualityProperty: serviceTypedomaindomaindomaindomaindomainrangerangerangesubClassOfsubClassOfsubClass
19、Of.图4 Web服务本体的QoS扩展4 Web服务质量本体建立QoS本体旨在使service agent能选择满足用户服务质量偏好的Web服务。服务提供者和消费者都分别能根据自己特定的要求使用QoS本体表达自己的规则和兴趣，而代理则能依据这些本体的语义描述动态地为两者建立联系，并监控两者间的交互，实现有限服务资源的高效利用。Web服务质量本体的创建流程参考文献14。该流程采用两条路线并行推进的方法完成QoS本体的构建：一条路线确定构成QoS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（QoS Ontology Language）；另一条路线确定
20、服务质量包含的度量参数，如可靠性（Reliability）、有效性（Availability）等，从而形成服务质量本体的参数集（QoS Ontology Vocabulary）.4.1 Web服务质量本体的概要描述Web服务质量本体的概要描述（QoS Profile Ontology Language）是对服务质量最抽象的描述，也是对Web服务质量本体进行扩展的基础，如图5所示。图中描述了服务质量最基本的概念，同时对与服务质量相关的概念做了定义，具体包括：（1）Quality类：Quality类是对某一领域内的Web服务在可测度的、非功能性方面的抽象，是Web服务质量本体的核心。（2）Aggr
21、egateQual类：该类由其他质量类聚合而成，比如性价比就是由性能和价格两个相矛盾的质量实体组成。（3）QRelationship类：该类描述了质量实体间的相互关系，比如性能和价格一般存在对立的关系，而且性能和价格与产品的质量都有很强的关联。（4）QAttribute类：该类表明一个质量实体在数量上所属的类型，比如性价比可以定义为01之间的浮点数，而且值越大说明质量越好，因而性价比在浮点数01上具有连续单调性，即monotonic&float&non-discrete。（5）QMeasurement类：该类是在主观上和客观上对质量实体的度量，每一次度量都有一个有效期，而且在这个有效期内度量值
22、要能够经得起检验。QMeasurement类包含的内容很多，将作为对Quality类的扩展在4.2小节中介绍。（6）relatedQual属性：某一个质量实体可能与另一个实体间有关联，relatedQual属性则用递归的方式指出另一个实体是什么。Class: QualityClass: QAttributeClass: DecayingAttriClass: MonotonicAttriClass: DiscreteAttriClass: ValuedAttriClass: QRelationshipClass: ValueDirClass: InverseClass: OppositeCla
23、ss: ParallelClass: ValueImpactClass: StrongClass: MildClass: WeakClass: QMeasurementClass: aggregateQualProperty: measurementProperty: hasAttriProperty: relatedQualProperty: hasRelationProperty: aggregateQualdomainrangesubClassOf图5 Web服务质量本体的概要描述4.2 Web服务质量本体的度量参数集4.1小节中我们构建了一般意义上的Web服务质量本体，但是这样的本体还
24、不能应用到Web Services中，因为它不具备衡量一个服务实体质量优劣的各项度量参数。鉴于此，我们对QMeasurement进行扩展，使其具备更丰富、更具体的度量含义。表1只列举了主要的度量参数（Ontology Vocabulary），其中第二级是第一级的子类，第三级又是第二级的子类。其他一些参数包括Capacity、Availability、Cost、Scalability、Accessibility、Accuracy、Integrity、Rights and Property。这些参数比较直观，含义比较容易理解，本文不再赘述，详见参考文献15。表1 QMeasurement扩展的主要
25、度量参数第一级第二级第三级QMeasurement(Quality-Parameter)Configura-tionRegulatorySupportedStandardStabilityPerformanceErrorRateJitterRsponseTimeThroughoutLatencySecurityConfidentialityAuditabilityAuthenticationAuthorizationEncryptionNon-RepudiationReliabilityMTBFMTTR5 总结在SOA环境中，Web服务机制本着“计算机就是网络，软件就是服务”的思想，正促使着万
26、维网从一个文本、图片、音频、视频的信息提供者向服务的提供者转变2。语义网作为WWW研究的重点，其核心层本体有广泛的应用领域。将本体与Web服务及服务质量相结合，具有如下优点：（1）从Web服务机制的角度看，语义网中最重要的Web资源之一是网络服务，使用本体技术构建Web服务及其质量的本体，最显著的提高是增强了Web服务机制的语义性，软件代理可以自动地发现、调用、合成、提供网络服务，并对网络服务的执行进行监控，从而赋予软件代理更多的智能、移动性和互操作性，为形成大规模的基于代理的分布式计算环境打下基础16。（2）从Web服务供给与需求的角度看，对Web服务尤其是它的质量进行本体描述，并将二者整合
27、起来，使Web服务的提供者和用户直接受益15。将服务质量连同服务一同考虑，服务供给方一方面会为提高服务质量而不断努力，另一方面会全方位地为用户着想，不仅要为其提供高质量的服务，而且还要为其提供个性化的服务。服务需求方则在比较透明的服务消费环境中改变自身的弱势地位，在一定程度上增强了主动性和主导性。（3）从信息组织的角度看，Web服务及其质量的本体描述是适应于数字化、网络化环境的一个特殊的信息对象。之所以特殊，是因为这样一个由本体描述的信息对象不仅封装了信息内容（封装在服务本体内），还封装了关于内容的描述信息、组织机制、管理控制机制（评价、效用、隐私、权益等封装在服务质量本体内）等，这种封装机制
28、体现了“每一类信息对象的描述信息、组织机制、管理控制机制等本身也是信息对象，从而形成逐层递归的数字化对象网络，并通过关联关系对各个层次的对象进行关联、解析、组织”的现代信息环境下信息组织的思想。基于本文构建的Web服务及其质量本体，下一步的工作可以从下面两个方面依次开展。首先站在服务提供方的立场，兼顾考虑用户以前的行为习惯及其对服务质量的要求，建立一套基于Web服务及其质量本体的主动获取用户服务需求的算法。然后，在此算法的基础上试图提出一个基于本体和代理的动态选择、合成服务的框架。参考文献：1 Berners-Lee T, Hendler J, Lassila O. The semantic
29、web. New York: Scientific American, 2001,284(5):34-432 朱礼军,陶兰,黄赤.语义万维网的概念、方法及应用.计算机工程与应用,2004,40(3):79-833 王欣,张晓林.应用OWL-S实现Web服务的语义描述.现代图书情报技术,2005,120(2):15-194 SOAP Version 1.2 Part 1: Messaging Framework, W3C Recommendation 24 June 2003. 2006-4-30. http:/www.w3.org/TR/2003/REC-soap12-part1-200306
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31、F模型及其推理机制. 2006-4-28. 8 DAML Services Introduction. 2006-4-30. http:/www.daml.org/services/owl-s/9 Kaarthik Sivashanmugam, Kunal Verma, et al. Adding Semantics to Web Services Standards. 2006-4-28. http:/lsdis.cs.uga.edu/library/download/SVSM03-ICWS-final.pdf10 RDF Vocabulary Description Language 1.
32、0: RDF Schema W3C Recommendation 10 February 2004. 2006-4-30. http:/www.w3.org/TR/rdf-schema/ 11 张晓林.Semantic Web与基于语义的网络信息检索.情报学报,2002,21(4):413-42012 http:/www.jython.org13 K.Sycara,et al. Automated Discovery, Interaction and Composition of Semantic Web Services. J. Web Semantic,2003,1(1):27-4614
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