服務網絡：Ｗｅｂ服務組合的新基點

摘要：在對Web服務組合的研究工作回顧和總結的基礎上，提出了依據組合過程中服務的復用程度對Web服務組合進行分類的方法，建立了有關服務模式的概念；與此同時，提出服務網絡（services network，SN）的概念來表達服務間的依賴、關系、屬性和能力等語義關聯。結合本體概念和模糊推理，將語義信息和對模糊信息的處理能力引入到服務的發現、匹配、組合過程中，使SN成為支撐動態、靈活、自主的服務組合的新基點.

關鍵詞：服務網絡; 服務組合; 服務模式; Web服務

中圖分類號：TP311文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)05-1378-05

隨著核心Web服務標準（WSDL、SOAP）及補充規范（如安全性、可靠性、事務性等）逐漸被廣泛采納和實現，Web服務也因其高度的互操作性、跨平臺能力和松耦合的特性，成為當前解決異構環境中應用集成的最佳實踐。業務應用所提供的功能被封裝在Web服務中，而這些服務允許被其他應用程序或服務通過包含HTTP、XML、SOAP、WSDL和UDDI在內的Internet標準棧調用。Curbera等人[1]認為：Web服務正從最初的描述、公布、交互向新的階段發展，從而支持健壯的業務交互和精巧的業務協作，即Web 服務組合（Web services composition，WSC）。

服務組合使得開發者可以在面向服務計算（service－oriented computing，SOC）的描述、發現、交互三原則基礎上構建新的應用，允許開發者無縫地訪問眾多分布式服務以及將該應用作為一個模塊被其他應用程序調用的能力。組合可用的基本服務按照最適合特定問題需求的方式鏈接在一起來解決復雜的問題，還促進了應用的快速開發、服務的重用和復雜服務的實現。因此，受到了工業界和學術界的廣泛關注和重視，成為當前基于Web應用的研究熱點。

本文提出了一個能夠為服務的發布、發現、組合、管理等整個生命周期提供支持的概念——服務網絡（SN），其目標是利用本體和模糊推理的機制構建精巧的服務關系網絡，從而有助于動態、靈活、自主的服務組合。

1研究現狀

從應用程序的角度出發，文獻[2]給出了服務組合系統的一般框架，包括服務供應商和服務請求者兩類參與者以及服務呈現、轉換，流程的產生、評估和執行五個步驟。Berardi等人[3]認為，服務組合包含兩個不同的階段，即產生有關調度/協調組件服務獲得新復合服務的詳細規范即服務合成（synthesis）、根據規范協調組件服務以及監視服務間的控制流和數據流的服務編排（orchestration）。

當前研究中的重點大多集中在對服務的交互過程和組合結構進行建模，即流程模型或組合方法的研究上。在該領域，存在著從概括性的抽象方法到那些具有成為工業標準潛力的方案框架的眾多組合方案。關于Web服務組合的分類標準目前主要有兩種：a)根據服務組合自動化的程度分為手動設計組合方式、半自動化組合方式和全自動化組合方式；b)根據服務組合的發生是在設計時刻還是在運行時刻將組合方案區分為動態組合和靜態組合。

1．1自動化程度

依據組合方法的自動化程度，可以將服務組合方案分為根據語義描述進行服務自動擇優匹配和流程規劃全自動化組合方案、完全手工設計組合流程的手動設計組合方案以及介于兩者之間的、需要人為干預的半自動化組合方案。

Web 服務的業務流程執行語言（business process execution language for Web services，BPEL4WS或BPEL；后OASIS組織將其更名為Web services business process execution language，WSBPEL，本文統稱為BPEL）[4]和Web 服務的編排描述語言（Web services choreography description language，WS－CDL）[5]都具有表示業務流程和服務狀態的能力，能夠以標準和系統化的方法來創建服務組合（匯聚服務）。BPEL是對業務流程交互中的Web服務行為進行建模的規范，支持兩種截然不同的使用情形：實現可執行的業務流程和描述不可執行的業務流程——業務協議。而WS－CDL從全局的角度定義各個參與者之間P2P方式的協作、所要交換的信息以及需要共同遵守的順序規則，其目標是能夠精確地描述任意類型的參與方之間的協作。這兩種規范都屬于手工、靜態的組合服務的范疇。

在實踐中，服務組合是一項十分復雜的任務，遠遠超過了人手工處理的能力范圍，也不太可能像對待Java或C++類庫的方式來處理。因此，如何利用半自動或自動方法、工具來動態地構建服務組合，就成了設計和實現該類應用的關鍵。

人工智能和語義Web社區在以計算機可理解的形式增加描述Web服務的屬性和性能的語義信息方面進行了大量的研究。一些研究的目標是使用形式語言和本體來對服務的所有相關方面進行語義描述，從而有助于通過Web進行的服務自動發現、匯聚和調用[6~10]。隨之產生了語義Web服務組合的問題：在簡潔明確的Web服務語義描述框架之上，設計、開發相關的方面和通用接口機制來處理語義Web服務。文獻[11，12]深入討論了解決語義Web服務組合問題的技術、方法。另外一些研究主要集中于利用AI規劃技術來自動地發現和組合Web服務[13~19]以及面向服務應用的驗證[20，21]和運行時刻的監控[22]等。

為了增加基于服務應用的適應能力和靈活性，一些研究將上下文（context）和服務質量（quality of services， QoS）的概念引入到服務組合中，形成了上下文感知（context－aware）[23，24]和服務質量感知（QoS－aware）[25]的組合方案。這在某種程度上也提高了組合過程的自動化程度。文獻[26]從工作流和AI規劃的角度對服務組合的研究成果進行了總結。Dustdar等人[27]討論了現有的組合平臺及各種服務組合策略、方法、框架。文獻[28，29]則就服務組合問題的本質特征及下一步的研究方向進行了詳盡的討論。

1．2復用程度

服務組合的本質是對已有軟件資產的重用。根據對Web服務的復用程度，可將目前主流的服務組合方法分為三類，即服務級（service level）、子流程級（subprocess level）和業務流程級（business－process level）復用。

面向服務級復用的服務組合類似于工作流，可以用代表流程中各個基本服務及執行順序的有向圖[30]或Petri網代數[31]對組合服務建模。其他類似的工作有將Web服務抽象成有窮自動機（finite－state automata，FSA）用于多步服務自動組合的Roman模型[3]；將Web服務抽象成通過輸入隊列接收事件并決定如何（以輸出事件的形式）響應自動機的Mealy模型[32]。另外，還有基于AI規劃和推理的服務自動組合。文獻[14]在Golog語言基礎上，利用提供高層的一般程序和定制約束解決服務自動化組合的問題；文獻[19]將SHOP2規劃器應用于帶有DAML－S描述的Web服務的自動組合；文獻[33]詳細闡述了建立在自動推理和程序合成的基礎上利用理論證明的方法來進行服務合成（service synthesis）的思想；文獻[34]將結構化程序合成（structural synthesis of program，SSP）應用于自動服務組合；文獻[35]則利用線性邏輯的理論證明方法進行服務自動組合；文獻[36]利用模型驅動的方法研究服務組合問題，通過business rules將基本元素組合為復合服務；文獻[37]則在模型驅動的方法中增加利用本體語言描述的語義信息和QoS描述，解決語義Web服務組合的自動化。

子流程級復用則重用業務流程的“片斷”。其思想是將流程片斷模塊化，即將一組活動和相應的控制邏輯封裝成相對獨立的單元——子流程（subprocess）[38]。子流程或者是作為內聯子流程的形式在其他流程內部定義，或被定義成一個單獨的BPEL流程都可以被其他流程（既可以是定義子流程的那個外層流程，也可以是任何其他流程）調用。

業務流程級復用不僅重用服務的功能，還重用和擴展業務流程和（或）復合服務中的控制流和數據流。提高服務組合描述的抽象程度或降低組合服務與具體服務間的耦合程度，是解決復合服務的更改、擴展和特殊化問題、促進服務組合重用的主要手段。文獻[39]用抽象組合服務（abstract composite Web services）概念來描述服務組合，它可以在構建更大或擴展的組合中被特殊化為具體的服務。與此類似的是文獻[40]，作者用獨立于具體實現的服務抽象流程、服務組合流程和翻譯過程來裝配復合服務。Yang[41]利用服務組件將服務接口、相關的業務邏輯和功能單元封裝成一個緊密結合的概念模塊，這些模塊可以被擴展、特殊化，或更一般地繼承。文獻[42]用靈活的綁定（flexible binding）概念來描述組合與其組件之間的關系，促進服務組合的重用。文獻[43]通過類和繼承機制構建等級層次接口，從而達到靈活的重用業務流程的效果。1．3方法的對比

盡管各種模型、建議的最終目的都是試圖自動、靈活地組合Web服務，但是它們并不完全重疊，能力也不完全等價。

與僅利用WSDL端口類型信息來描述服務的BPEL不同，OWL－S是基于OWL（ontology Web language）的Web服務本體，在服務的描述能力和語義信息方面都遠遠超過BPEL。在服務的自動發現、合成方面，由于BPEL沒有提供明確的語義，只能利用包含在WSDL端口類型定義中的結構化的XML來約束伙伴；在明確定義服務的輸入、輸出、前件、作用效果和過程模型的基礎上，OWL－S利用ServiceProfile 和ServiceModel 所提供的足夠語義信息來自動地進行服務的發現和合成。BPEL定義了一套捕獲和處理錯誤的機制，對不能明確完成活動提供補償處理。此外，可以用WS－coordination和WS－transaction擴展 BPEL，從而提供事務性支持。

Wohed等人在文獻[44]中深入地分析了BPEL所支持的工作流模式，并以此為基準對BPEL、 BPML和WSCI在內的五種語言/產品進行對比。Peltz[45]則從編制可執行的業務流程和編排協作協議的角度對比分析BPEL、WSCI和BPML的方法。通過定義抽象流程和可執行流程，BPEL既支持可執行業務流程又支持協作協議。而WSCI和BPML則需要協同工作：BPML支持編制，對可執行的業務流程建模；WSCI支持編排，對Web服務間的交互建模。文獻[46]利用組件服務復雜度、匯聚單個服務成組合服務的能力以及語義三個指標對包括BPEL、OWL-S 、Pi-演算、WCSL、Mealy模型、Roman模型等Web服務描述和組合模型進行了分析和評價。

盡管存在各種各樣的組合方法和框架，但遺憾的是，就目前來講還沒有哪一種方法能注定成為最后的勝利者。傳統的WSDL描述+BPEL靜態組合的方式受到了工業界的廣泛支持；而利用本體+基于AI推理的自動、動態組合技術則代表著服務組合未來的前進方向。

2服務網絡

2．1服務網絡和服務模式

服務網絡是一種利用實體及語義關系來表達服務間的依賴、關系、屬性、能力等知識的三維立體鉸鏈的網絡，如圖1所示。它基于本體概念和語義關聯，描述了服務之間的關系、交互、協作以及服務相應的能力和非功能性需求，如服務質量、服務層協議（services level agreement，SLA）等。其中，節點代表實體，表示概念，具體包括服務、服務的屬性、能力和服務間的關系等概念。在服務網絡中有三類節點：矩形節點表示服務；橢圓節點表示服務的屬性、能力；菱形節點表示關系概念。帶有箭頭的弧則代表了服務概念間的關聯。組合使用菱形節點和弧既可以表示服務與一個或多個服務之間的關系或關聯，又可以表示服務與其屬性、能力等之間的關系。

服務網絡具有兩個邏輯子層，即服務類子層和服務實現子層。服務類子層是為了促進服務的組合、管理而抽象出來的子層。其中的服務節點不代表具體的服務，而側重于表示具有公共屬性的一類服務，即服務集合，稱之為服務類或抽象服務。從匯聚眾多可用服務完成復雜的用戶任務的角度出發，服務匯聚的標準主要是下面類屬關系，即屬于同一個服務類中的服務在功能上屬于泛化與特化的關系。處在服務類子層之下的是服務實現子層。其中的服務節點代表一個個的具體服務，與類子層中的節點形成具體與抽象的關系：服務類描述一類服務的公共屬性（功能性），并對應具體服務子層的一個或多個具體實現，服務組合與哪個實現進行綁定是由網絡狀況、用戶請求、服務的非功能性屬性等共同決定的。

服務模式（services pattern，SP）則是可以被重用的功能代碼，包括服務的組合模式（services composition pattern，SCP）和消息交換模式(message exchange pattern，MEP)。它體現了隨時間進化和發展的問題求解方法，這種求解方法是通過基于模式的復用、組合、編排來實現的：MEP為Web服務間的消息交換定義了一組預定的順序，可分為簡單的基本MEP和復雜的復合MEP；服務組合模式則定義了協調、組合一系列基本服務構建復合服務的模板，代表了服務流的邏輯視圖。

2．2服務關系

服務之間及服務自身的功能性和非功能性約束是服務上下文的語義表述，為服務的描述、發現、組合、管理等提供概念支持。構成服務網絡的基本服務關系包括但不僅限于：

a)類屬關系。一個服務是另一個服務的子類型，指具有共同屬性的不同服務間的分類關系，它體現的是泛化與特化的關系。類屬關系的一個最主要的特征是屬性的繼承性：處于下層（特化層）的服務可以繼承上層（泛化層）服務的所有屬性。利用繼承性下層服務除具有上層服務的所有屬性外，還可以增加一些自己的個性，甚至還能夠對上層服務的屬性加以更改、擴展，形成一種等級、層次性的結構。

subclass－of:是一個子類

b)組合關系，或聚類關系，是具有組織或功能特征的部分與整體之間的關系。它和類屬關系最主要的區別是組合關系不具備屬性的繼承性，有點像是屬性的疊加。

sequence：服務串行地疊加

parallel：服務并發地疊加

c)實例關系。服務是抽象層服務的一個實例，體現服務網絡兩個子層服務之間的抽象與具體關系。

instance－of：是一個實例

d)相近關系。不同服務在功能等方面相似或接近，表示一個服務與另一個服務相似，在某種程度上（以在0~1的一個小數表示的模糊值）可以相互替代。

similar－to：相似

e)時間關系。不同服務/事件在發生時間方面的先后次序關系，不等價于組合關系中的sequence，更側重于時間方面的約束。

before：在前，一個服務在另一個之前發生

after：在后，一個服務在另一個之后發生

f)位置關系。特指服務/服務描述的引用位置。

located－on：在上，一個服務在所示主機上

g)屬性關系。服務所具有屬性、功能等，注重于服務自身功能性屬性的語義描述及非功能性屬性和QoS的描述。

2．3服務網絡的構建

基于服務網絡的服務注冊、發布過程中，一個主要的任務就是將服務加入到服務網絡中，即對服務進行邏輯定位，包括服務關系挖掘、語義協調和服務網絡管理三個子過程。最終生成便于服務發現、組合、管理的網絡結構SN。

1)服務關系挖掘

考慮到服務關系的多樣性、靈活性和復雜性，服務之間的關聯也必將是十分復雜、不便于管理和利用的。為了使服務網絡成為對服務進行管理、增值、（自動化和自適應的）組合、進化的基礎和邏輯錨點，有必要挖掘、整理服務之間最常用的基本服務關系，并在服務網絡中體現出來。挖掘工具從發布的服務中挖據服務關系，將之加入到服務網絡中并加以利用。

服務關系挖掘的另一項重點是將歸納出的服務關系抽象上升為可復用的服務模式，針對各種特定應用、場景和用戶任務，諸如一般管理信息系統（包括供應鏈）、虛擬社區、虛擬校園、虛擬企業等進行深入細致的研究和總結。將各種服務模式整理、歸類，建立服務組合模式庫，研究、構建用于支撐服務組合的模式系統，利用模式管理系統對模式提供整個生命周期的管理。SOC開發人員利用模式簡化應用程序的開發，組合可用的基本服務并按照最適合特定問題需求的模式鏈接在一起來解決復雜的問題。

2)語義協調

盡管接口描述文檔（如Web服務的WDSL文件）可以對接口進行形式化和標準化，使其在語法結構方面統一。但是Internet上的服務數量眾多、動態增長，并且是由不同的服務供應商采用不同的工具或概念模型開發的，這就不可避免地存在語義的異構問題，成為自主、自動的服務組合的巨大障礙。

語義協調解決服務關系及描述之間的語義異構問題，用來識別、處理服務之間的語義關系。在一定意義上，本體的語義協調問題的核心就是本體的整合，是服務網絡管理（包括更新、演變、進化、維護等）的基礎，也是基于服務網絡的服務發布過程中需要解決的核心問題。

3）服務網絡管理

服務網絡管理一個主要的內容是根據語義協調的結果對SN的更新。此外，為了適應不斷變化的需求、面向服務計算的軟件和應用應該動態進化的能力，需要提供對服務整個生命周期的管理。除了前面提到的服務描述、服務發布以及處于核心位置的基于SN的服務組合以外，還要為服務的發現、安全、調用資源、功能管理、基礎服務和相應工具包的管理提供支持。這涉及到：a)服務水平協議（SLA）和QoS的管理、性能和可用性管理；b)管理的可視化，交互式的監視、管理和報告機制；c)服務的適應能力，包括版本控制、消息轉換；d)基于XML的安全和信任機制。

3基于服務網絡的服務組合

基于服務網絡的服務組合涉及服務的發布、發現、應用、管理整個生命周期，包括服務關系挖掘、語義協調、服務組合、服務管理等多個子過程，最終生成建立在便于服務發現、組合、管理的網絡結構之上的動態、靈活、自適應的服務組合解決方案。

服務網絡既不像WSDL規范那樣從服務接口的角度描述服務，也不像本體模型那樣單純地增加服務的語義信息，而是更側重于從與服務世界（所有可能的服務組成的集合）中其他個體關系的角度描述服務。本質上，服務網絡是可用服務的個體在服務世界中的邏輯定位，它描述了一個具體服務在服務世界中的位置以及與其他服務的邏輯關系。基于服務網絡的服務組合過程，即從服務網絡出發，匹配、發現、構建能夠實現用戶任務的服務鏈。除了采用傳統的圖操作算法外，還可以設計實現動態、上下文感知、基于服務質量的新型服務組合算法。

業務規則描述、約束和控制著業務流程的結構、操作和策略，掌管著業務流程中的每一個決策點和運行時組件服務的選擇、綁定，實際成為業務流程或服務組合流中的組合邏輯。由組合邏輯演繹、歸納出的服務模式對用戶任務的分解和服務組合的策略有著重要的影響，對服務的可組合性和組合結構有著指導作用，利用模式可以大大簡化和促進分布式業務流程的組合。

鑒于當前服務發現技術主要是通過精確匹配實現的，不能很好地支持基于不確定信息（如模糊信息）的描述和具有語義約束的模糊匹配的問題，將不確定信息加入基于服務網絡的服務發現體系中，用模糊集合理論和模糊邏輯來研究元素對集合隸屬關系的不確定性的數量大小以及相互關系，增強服務發現的描述和處理能力。在對服務網絡進行管理（服務網絡的插入、刪除、更改、進化）的基礎上，將模糊與OWL相結合的FOWL(fuzzy OWL)， 使OWL增加表達和推理模糊信息的能力，實現能對模糊概念和關系進行推理的模糊推理引擎，對模糊知識進行處理，從而能夠充分地滿足用戶感知的多樣性以及復雜的信息和服務需求。

基于服務網絡的服務組合系統結構如圖2所示。

4結束語

本文目前僅就基于服務網絡的動態服務組合進行了有益的嘗試，包括手工構建一個小型的SN。下一步的工作將主要集中在：a)進一步細化服務網絡的組織、存儲、管理以及自動的服務關系挖掘工具的研究、設計、實現上，即自動地生成服務網絡；b)服務模式的形式化；c)基于服務網絡和服務模式的動態、自主的服務組合算法的設計與實現上。充分表達和刻畫服務之間相對關聯的服務網絡，將會極大地促進服務組合的設計、開發和整個生命周期的管理。

面向服務的應用因其跨平臺和通過Internet調用的能力而受到了人們的普遍重視，成為新一代B2B和EAI（enterprise application integration）架構的基礎。本文提出服務網絡概念，結合本體概念和模糊推理將語義信息和對模糊信息的處理能力引入到服務的發現、匹配、組合過程中，使 SN成為動態、靈活、自主的服務組合解決方案的基礎。

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