Web服务与语义Web服务.docx

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1、Web服务与语义Web服务吕勇全(华南师范大学计算机学院广州510631) 摘要：现有的基于XML的Web服务规范或标准没有提供足够的手段来描述Web服务，以支持 发现、组合以及执行Web服务的一般机制。因此，分布的、异构的和动态变化的Web服务的交 互会产生很多问题。为了更有效地适应Web服务的分布的、异构的、不断变化的特点,Web 服务发展到语义Web服务将是一条必然的出路。本文介绍7Web服务与语义Web服务的联系及 区别，并提出了实现语义Web服务的O WL-S本体Web服务描述语言及一种实现基于本体的Web 服务发现框架。关键词：Web服务；语义Web服务；本体Web Service

2、s and Semantic Web ServicesYong-quan Lu(School of Computer, South China Normal University, GuangZhou 510631 China) Abstract :The present XML-based specifications and standards of Web services can not be sufficient to annotate Web services , so as to support generic mechanisms for discovering , compo

3、sing and executing Web services. Thus , the interaction of distributed , heterogenous and ever changing Web services can result in several problems. In order to adapt to distributed , heterogenous and ever changing characteristics of Web services in a more effective way , there is only one way for W

4、eb services to develop into Semantic web services. This paper discribe the contacts and distinctions of Web services and Semantic web services, give a language named OWL-S to annotate Web services, and give a framework based on Ontology to realize Web services and discovery.Key words: Web services,

5、Semantic web services, Ontology0 .引言Web Service是一种全新的技术，被誉为是Internet的第三次革命。Web Service是一种 新的应用程序分支，是自包含、自描述、模块化的应用程序，是在I nternet上进行分布式计 算的基本构造模块。它采用开放的标准以Web的方式向用户和应用程序提供服务，真正做 到了平台和语言独立，只要遵守Web Service标准，我们就可以用任何自己喜欢的语言，在 任何平台上编写Web Service。Web Service向外界暴露一个可以调用的接口，只要Web Service 提供商在网上发布他们的Web Ser

6、vice，用户就可以查找和调用Web Service。在这种环境下， Web Service成为应用程序集成的平台，应用程序可以是通过使用多个不同来源的 Web Service模块构造而成，这些模块相互协同工作，不必关心它们位于何处、采用何种编程工 具以及如何实现。WebServiCe技术将改变未来的软件开发模式，给软件生产方式带来一场 革命，极大地提高软件开发的效率，软件开发将会由组件开发向服务开发转变，专业化的服 务提供商和服务组装商将会应运而生。Web Service服务的价值在于利用Internet实现软件的 实时组装，你可以根据自己的需求通过Internet上的服务组装自己的应用程序

7、，就像组装电 脑硬件一样，而且，只要web Service的调用接口不变，即使实现发生改变，用户应用程序 的源代码也不需要修改和重新编译。当前对描述Web Service的WSDL仅仅描述了它的语法，即服务能做什么和如何绑定、 调用格式，在注册中心的查找是基于关键词的查找，而Web Service目前处于起步阶段，随 着Web Service的广泛应用，网上发布的Web Service将会越来越多，这种查找方式的不足 就暴露出来了。比如一个买Pet的服务，现在有一个卖Dog的请求，如果只能进行关键词的 查找，显然这个服务和请求无法匹配，而且基于关键词的查找很难真正达到用户的要求，比 如用户对服

8、务质量、隐私、安全等方面的要求。问题的根本在于当前的Web服务缺乏清楚 的语义，本文的出发点就是为Web Service标注清楚的语义，将Web服务与语义Web结合 起来提供智能服务。下一代Web是语义Web，其目标是为了让计算机能够明确地解释执行任务，而这正好 能够解决Web服务自动实现的问题。实现语义Web的一个关键因素是开发一种丰富的、能 够很好地编码和描述Web内容的语言，这样的语言必须能够定义良好的语义，对描述复杂 的交互和Web对象之间的制约关系有充分的表达能力，同时在可接受的时间和资源限制下， 能够很好地自动操作和推理。目前己有的描述Web服务的语言均基于XML，包括RDF(Re

9、S。 urCeDeSCriptio nFramework)、RDFSChema、DAML+OIL，以及最近发布的 Web Ontology Language(OWL)。DAML+OIL和OWL是建立在人工智能知识表示基础之上的语言，它们 提供了一种自然的方式来描述在Web词典间的类与之类的关系，以及类与类(或之类与之类 之间)之间关系上的限制。语义Web服务的目标就是以一种明确的、计算机能够理解的语言来描述Web服务的功 能和内容，同时增强己经存在的Web服务操作的性能和鲁棒性，比如Web服务的发现和调 用。语义Web服务也将使大量的自动化任务成为可能，包括自动查找、调用、合成、运行 监控和恢

10、复。1. Web服务随着Internet和Web技术的迅速发展，传统的分布式计算技术如DCOM、CORBA / IIOP 已不能很好地适用于web环境，复杂的应用连接和程序代码造成了应用非常高的维护和更 新代价。如何建立一个适合Web环境的分布计算模型己成为当前乃至以后的一个研究热点。 W3C倡导的Web服务即是这样一个新型的分布式计算模型，它就是为Web这样高度分散化， 高度自治的分布环境量身定做的一个模型。Web服务是描述一些操作的接口，通过标准化 的XML消息传递机制，可以通过网络访问这些操作。该接口隐藏了服务实现的细节，允许 通过独立于服务实现、独立于硬件或软件平台、独立于编写服务所用

11、的编程语言的方式实现 该服务。1.1 Web服务的关键技术SOAP:是一种对象间的访问协议，并不是一种新的对象技术，用于构建Web Services 和服务请求之间的通讯，是 web services的核心和主要通信协议。SOAP包括三个部 分:(1)SOAP 信封(Envelope)； (2) SOAP 编码规则；(3) SOAP RPC表示。UDDI：通用描述、发现和集成协议 UDDI(universal Deseription，Discovery and Integration) 是一套基于分布式web的、为服务提供的信息注册中心的实现标准规范，同时web也包含 一组使企业能将自身提供的

12、信息注册以使得别的Web企业能够发现的访问协议的实现标准.WSDL： WSDL是一种描述网络服务(Network Service)的 XML格式，网络服务是能对面 向文档类型的信息和面向过程的信息进行操作的端点(Endpoint)的集合。对操作和消息的描 述是抽象性的，并在定义端点时，将消息和操作绑定到具体的网络协议和消息格式上。wSDL 是可扩展的，它允许对端点和端点间的消息进行描述，同时不去考虑具体的消息格式或者双 方用于通讯的网络协议。1.2 Web服务交互过程所面临的问题Web服务交互所处的环境是分布的、异构的和动态变化的。这种环境会给Web服务的交 互带来许多问题。由于发布者和请求者

13、处于不同的环境,不可能指望服务发布和服务请求完全相同（语 法相同、语义也相同），或者说恰好存在一个能满足请求者需要的Web服务。由于发布者和请 求者对同一个服务很可能具有非常不同的认识和理解，就很可能导致两种情况:一是服务发 布和服务请求的接口描述相同，但是它们有可能指的是两个功能不同的Web服务;二是服务 发布和服务请求接口描述不同，但是它们很有可能指的是同一个Veb服务。例如，假定Web上 存在一个财政新闻服务,而请求者需要一个查询股票信息的服务。请求者的业务需求也是不断变化的,请求者有可能在不同时间提出不同的服务需求， 也有可能提出不同的特殊要求。比如请求者现在关注的是服务成本、过了一段

14、时间后还有可 能请求者更侧重服务的响应时间或者更关注服务质量等条件；另外，如果Web部署了质量更 好的、更能满足请求者需要的服务;而请求者更希望选择价格低廉、执行速度快的服务。Web本质上是动态的,提供者发布到Web上的服务是不断改变的;在提供者和消费者 交互过程中,请求者所需要的服务是动态改变的。有两种情况，一是能够满足请求者准确需求 的Web服务不一定总在Web上,如何找到满足请求者需求的替代服务是值得考虑的问题;二 是Web上部署了多个功能相同的Web服务，能否灵活高效地选择具有最高质量（QoS）的Web 服务也是要考虑的问题。总之，由于使用Web服务的环境的不同,提供者和请求者之间的语

15、义差异是不可避免的； 另外，动态改变的Web和业务需求所带来的问题，也得通过增加服务的语义来解决。这就要求 SOA具有较强的适应能力，以提供由Web服务交互环境等因素所带来的语义问题的解决机 制。通过增加Web服务的语义描述，使SOA支持语义处理的机制是解决语义问题的一个可行 的方案。2.语义Web服务2.1语义Web简介由于今天的Web的内容基本上都是只有人才能读懂的，而Web上的数据却急剧的上升， 使人难以找到想要的信息，搜索引擎返回的结果也多到人们不能逐一的进行挑选。设计Web 的初衷是使它成为一个信息空间，它应该不仅适用于人与人之间的交流，更应该能使机器加 入进来以帮助人们。为了这个目

16、标，WWW的创始人TimBerners-Lee在2001年正式提出了 语义 web（Semantic Web）的概念。Semantic Web并不是抛弃今天的Web的另一条道路，而是今天的Web的扩展。它使包 含在它内部的信息拥有明确定义的语义，而这种语义能够使机器与人进行更好的合作。具体 地说:“Web”是一个可导航的空间，在其中每一个URL都映射到一个资源。“Semantic”意味 着计算机是可处理的、可理解的，对于数据来说，Semantics告诉了机器在这些数据上所能 做的操作，具有了智能型。根据Berners- Lee的设想，语义网是由一种分层的体系结构构成，如（图一）所示。 这是一个

17、功能逐层增强的层次化结构，由七个层次构成。（1）URI和Unicode。URI是Web的核心概念之一，它能够唯一地标识Web上的任意 一个资源，其思想是在需要的时候通过链接引用资源，因此不需要对资源进行拷贝或集中管 理。Unicode是一种新的字符编码标准，它支持世界上所有的语言。无论在什么平台上，无 论在什么程序中，无论使用什么语言，每个字符都对应于一个唯一的Unicode编码值。因此， 它是语义网多语种支持的基础。自描述 文档1数据规则信任1数据证明数 字 签名逻辑本体RDF+RDF SchemaXML+NS+XML Schema 名称空间UnicodeURI（图一）语义网体系结构（2）

18、XML、名称空间（NS）和XML Schema。XML提供文档结构化的语法，实现了文档 结构与文档表现形式的分离，根据不同的目的同一个文档可以有不同的表现形式XML名称 空间是名称的一个集合，用于文档元素和属性名有效性的验证，由URI引用来标识。XML Schema是约束XML文档结构的语言。（3）RDF（S）。XML实现了文档结构化，但文档信息并不包含任何语义。RDF数据模型 提供简单的语义，RDF属性可以看作是资源的属性，同时又表达了资源之间的关系，因此RDF 数据模型对应于传统的属性二值对，又类似于ER图。RDF Schema为RDF模型提供了一个基 本的类型系统，其目的就是定义资源的属

19、性，定义被描述资源的类，并对类和关系的可能组 合进行约束，同时提供约束违例的检测机制。（4）本体层。虽然RDF（S）能够定义对象的属性和类，并且还提供了类的泛化等简单 语义，但它不能明确表达描述属性或类的术语的含义及术语间的关系。本体层就是要提供一 个能明确的形式化语言，以准确定义术语语义及术语间关系。（5）逻辑、证明和信任。除了本体层定义的术语关系和推理规则外，还需要有一个功 能强大的逻辑语言来实现推理。证明语言允许服务代理在向客户代理发送断言的同时将推理 路径也发送给客户代理。这样应用程序只需要包含一个普通的验证引擎就可以确定断言的真 假。但是，证明语言只能根据Web上已有的信息对断言给出

20、逻辑证明，它并不能保证Web上 所有的信息都为“真”。因此，软件代理还需要使用数字签名和加密技术用来确例eb信息 的可信任性。（6）数字签名和加密。数字签名简单地说就是一段数据加密块，机器和软件代理可以 用它来唯一地验证某个信息是否由特定的可信任的来源提供。它是实现Web信任的关键技 术。公共密钥加密算法是数字签名的基础。语义Web最大优点是可让计算机具有对网络空间所储存的数据，进行智能评估的能力。 这样，计算机就可以像人脑一样“理解”信息的含义，完成“智能代理”的功能。使用语义 Web搜索引擎搜索的结果比Web更为精确。语义Web提供了一种崭新的信息描述和知识表达 的手段，而要在语义层次上实

21、现信息的互操作，就需要对信息涵义的理解达成一致。语义Web 采用了本体（ontology）的思想，本体描述的是具有共识的、概念化的事物，它对实现语 义层次上的知识共享、知识重用发挥着核心作用。2.2语义Web与Web服务的联系综合看来，语义Web的研究现在还主要侧重于知识表示与推理方面，而对于用户来讲， 语义Web应该提供一种丰富完善的服务，一种在知识表示与推理之上的服务，这些服务由 具有智能的主体来提供。而现在的Web Services方面的研究则主要是从商业和应用的角度来 进行的，可以说是对原有技术的一种综合与集成，并不能对服务的语义进行描述，因而要让 计算机去理解这些服务是很困难的，甚至

22、是不可能的。Web Services以服务为目标，语义Web以计算机可理解性和可处理性为目标，如果能够 综合这两方面研究的优点，以服务为导向，进行带有语义的服务描述和推理的研究，最后构 建一种带语义的服务环境，则能够很好地为用户提供丰富完善的服务。2.3语义Web服务的特点语义Web服务和IBM Web服务不同点在于:它强调对Web服务的自动发现，自动调用， 自动合成，互操作，自动执行和监控。自动发现是Web服务的自动定位。Web服务的语义 描述注册到注册中心，具有智能的代理服务器通过推理找到用户(服务消费者)期望的服务。 自动web服务调用:目前很多的Web服务在执行过程中需要人的频繁干预，

23、例如在买车服务 中，用户需要填写买车的表单提交。自动Web服务调用则由代理服务器完成这些工作，用 户只需要让代理服务器知道“我要购买一台物美价廉的大众冰箱”代理服务器会在网上的多 个买家电服务中选择一台能够满足用户需求的服务并完成购买任务。自动Web服务合成和 互操作:这个任务包括了 Web服务的自动选择、合成和互操作。用户的要求中可能需要几个 Web服务结合才可以完成一个任务，例如这样的一个情景:安排一次旅游，包括预定机票、 预定酒店和计划行程。代理服务器可以帮助用户协调各种服务的事务。自动Web服务执行 监控:在一个复杂的服务执行期间，用户需要跟踪和查询服务及其在执行过程中状态的变化。 在

24、语义Web服务中，OWL-S被作为Web服务的描述语言，它解决了 WSDL中并不具有对 Web服务能力(capability)的描述，这种Web服务语义的描述对Web服务的自动发现、自动 调用、自动合成和互操作、自动执行和监控是至关重要的。3.如何实现语义Web服务3.1基于OWL - S的Web服务描述实现语义Web服务匹配的关键步骤是对Web服务进行语义描述.OWL-S就是一种描述 Web服务的本体语言.OWL-S的目标是Web服务能够以一种定义明确的、能够被计算机理 解的形式，Web服务的发现、执行、互操作、组合、执行监控能够被自动完成。OWL-S顶 层服务本体，如(图二)所示。(1)

25、ServiceProfile:描述服务是什么？它主要是给一个需要服务的Agent提供必要的信息 以发现服务，服务的描述说明服务功能、服务适用范围以及服务的质量，从而来决定这个服 务是否满足Agent的需要。(2) ServiceModel:描述服务如何工作？它描述了如何去调用服务以及服务执行时会发生 什么情况。(3) ServieeGrounding:描述如何访问服务?详细描述了一个Agent如何去访问一个服务的 细节。制定通信协议，消息格式，以及其它服务细节如端口号。（图二）OWL-S顶层服务本体3.2基于本体的Web服务搜索框架图（三）给出了基于本体的Web服务发现框架。该方法的基本思想是

26、服务提供者通 过service registing API向服务注册中心发布服务，服务请求者通过service requesting API提 出服务请求合约,然后预处理模块实现对用户的服务请求合约进行预处理，抽取有语义的合约 （如输入输出参量、服务质量等等），并提交给匹配引擎，该模块根据事实库和规则库与Internet 上的服务注册处（即服务库）进行匹配,将匹配结果输入筛选模块，筛选模块又根据制定的筛 选规则对匹配结果进行筛选，提取符合用户要求的服务，返回给用户。（1）ServiceRegistering API/ Service Requesting API : ServiceRegist

27、ering API/ Service Requesting API为用户接口。服务提供者首先应用OWL-S描述Web服务，然后通过 Service Registering API向注册中心注册服务。在服务被注册时,ServiceRegistering API 还要负责对Web服务的OWL-S描述进行语法验证,以保证注册的服务符合注册中心的约束。 服务请求者通过Service Requesting API发布服务请求合约。在该框架中，服务合约也是使 用O WL-S描述的。（2）预处理模块：由于用户提交的服务请求合约不一定全部具有合理的含义该模块实 现对用户的服务请求合约进行预处理，提出有意义的合

28、约描述。即从用户提交的服务请求合 约转换为特定的领域本体提交给匹配引擎。（3）匹配引擎：匹配的过程主要是找到符合用户要求的服务，输入的是具有一定语义的 服务请求合约，输出的是服务清单。该模块主要依据预处理模块提供的服务请求合约和制定 的匹配算法到服务库中匹配服务，找出符合用户要求的服务集合。（4）筛选模块：筛选模块主要是淘汰一些服务使服务清单缩短到可管理的范围，主要根 据用户的QoS制定筛选规则，然后根据该筛选规则对服务清单进行筛选。输入的是用户QoS 合约和服务清单，输出是符合用户要求的、可管理的服务清单。筛选可以采用层次分析法， 或者模糊综合评价法。4.结束语语义Web的目标是让Web上的

29、信息能够被计算机理解，从而实现Web信息的自动处理， 以适应Web信息资源的快速增长，更好地实现人和计算机的交互与合作.改变现有互联网依 靠文字信息来共享资源的模式，达到语义级的共享,从而提高网络服务的智能化、自动化. 本文对Web服务存在的问题进行了分析;对语义Web基本原理和架构做了介绍;在此基础上， 主要是从不同的技术角度、多种指标对语义Web与Web异同进行了分析讨论;并对语义Web 服务的实现做了简要介绍.虽然语义Web展示7Web的美好前景以及由此带来的互联网的 革命,但语义Web的实现仍面临着巨大的挑战，我们期待着语义Web的美好明天将会早日到 来.参考文献1吴乃鑫.本体理论在W

30、eb服务中的应用.合肥工业大学硕士学位论文，2008。 Brainz S M. A Semantic Web Services .IEEE Intelli gent System , 2002 ,17 （1） :76 - 77.3 张针.基于语义的网络服务匹配机制的研究与实现.北京:清华大学,2005.4 刘奎，赵晓静.一种基于本体的Web服务发现框架.计算机技术与发展，第18卷 第2 期,2008年2月.5 付燕宁，金英，刘磊，郑晓娟.基于语义的Web服务体系结构.计算机技术与发展第18 卷，第3期,2008年3月.6 许德正，白晓颖，戴桂兰.Agent技术在Web服务中的应用探讨.计算机科学，第35卷， 2008年11月。