基于服務(wù)上下文的Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制

李武智，張 斌

（解放軍信息工程大學(xué)電子技術(shù)學(xué)院河南省信息安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450004）

0 引 言

Web服務(wù)技術(shù)隨著互聯(lián)網(wǎng)特別是Web應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的，作為一種新的Web應(yīng)用模式，具有簡單、跨平臺(tái)、松耦合、分布式、使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和高度可集成等特性［1］。它能夠在各種異構(gòu)平臺(tái)的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)通用的、平臺(tái)無關(guān)的技術(shù)層，使各種不同平臺(tái)的系統(tǒng)能方便地實(shí)現(xiàn)連接與集成，從而確定了其主流地位。

單個(gè)Web服務(wù)可能只提供一個(gè)具體的功能，而將多個(gè)Web服務(wù)進(jìn)行有機(jī)組合將能夠完成一系列功能復(fù)雜的任務(wù)［2］。這種特點(diǎn)可使更多的 Web服務(wù)以組合的方式呈現(xiàn)，因此服務(wù)組合成為Web服務(wù)發(fā)展的熱點(diǎn)。而服務(wù)組合時(shí)要求Web服務(wù)應(yīng)能夠動(dòng)態(tài)地發(fā)現(xiàn)可調(diào)用的其它Web服務(wù)。但現(xiàn)有服務(wù)發(fā)現(xiàn)技術(shù)很難從龐大的Web服務(wù)注冊(cè)庫中發(fā)現(xiàn)滿足服務(wù)請(qǐng)求者的服務(wù)。因此，Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)成為Web服務(wù)組合過程中研究的重點(diǎn)。

盡管目前已經(jīng)開展了針對(duì)服務(wù)組合過程中服務(wù)發(fā)現(xiàn)問題的研究，形成了多種服務(wù)發(fā)現(xiàn)方法。然而這些方法在解決服務(wù)發(fā)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)及安全問題時(shí)還面臨很多挑戰(zhàn)。如基于UDDI［3］的服務(wù)發(fā)現(xiàn)僅支持關(guān)鍵字的匹配，服務(wù)發(fā)現(xiàn)的效果差［4－5］；基于語義的 Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)，通過語義描述服務(wù)的功能進(jìn)行匹配，而忽視了服務(wù)參與方上下文知識(shí)的表示，動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力不足［6－8］；文獻(xiàn)［9］將基于角色的訪問控制用于服務(wù)發(fā)現(xiàn)階段，角色信息通過訪問控制策略來解決服務(wù)發(fā)現(xiàn)的安全問題，存在角色管理復(fù)雜、服務(wù)發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性差等不足；文獻(xiàn)［10－12］雖然將上下文用于服務(wù)發(fā)現(xiàn)，但其從廣義理解出發(fā)，將服務(wù)發(fā)現(xiàn)所需信息都看作上下文，未具體考慮服務(wù)上下文。

因此，本文根據(jù)服務(wù)組合時(shí)服務(wù)發(fā)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)需求，在利用語義語言對(duì)服務(wù)描述的基礎(chǔ)上利用服務(wù)上下文信息提出一種基于服務(wù)上下文的服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制。

1 Web服務(wù)描述語言

服務(wù)發(fā)現(xiàn)通過對(duì)用戶的服務(wù)請(qǐng)求和注冊(cè)在服務(wù)庫中服務(wù)進(jìn)行便于發(fā)現(xiàn)的描述，并依據(jù)匹配算法對(duì)注冊(cè)服務(wù)進(jìn)行匹配，最后從所發(fā)現(xiàn)的服務(wù)中選擇最佳服務(wù)。

對(duì)服務(wù)進(jìn)行便于發(fā)現(xiàn)的描述需要一種服務(wù)描述語言，本文采用 OWL－S［13］來描述 Web服務(wù)。OWL－S是一個(gè)用OWL描述Web服務(wù)本體的語言，包括3種基本元素：profile服務(wù)、model服務(wù)和grounding服務(wù)。Profile服務(wù)描述服務(wù)的基本信息。它向查詢服務(wù)的請(qǐng)求者提供服務(wù)的抽象描述，從而使其能夠判斷該服務(wù)是否滿足需要。Model服務(wù)是用來描述服務(wù)的內(nèi)部過程。Grounding服務(wù)是用來描述如何訪問服務(wù)。OWL－S為 Web服務(wù)提供了一系列核心的語言結(jié)構(gòu)，使服務(wù)能以一種無二義性的、計(jì)算機(jī)易讀的語言來表達(dá)Web服務(wù)的概念和作用。其從語義的角度描述Web服務(wù)，主要優(yōu)點(diǎn)是引進(jìn)本體語言描述服務(wù)的功能和作用，并支持對(duì)服務(wù)組合上下文的描述，并且OWL－S描述上下文時(shí)易于知識(shí)共享、具有更強(qiáng)的表達(dá)能力，可以使用本體語言提供的推理機(jī)制進(jìn)行上下文推理并便于知識(shí)重用。

2 基于服務(wù)上下文的服務(wù)發(fā)現(xiàn)算法

服務(wù)發(fā)現(xiàn)是通過服務(wù)請(qǐng)求與現(xiàn)有注冊(cè)服務(wù)的匹配來實(shí)現(xiàn)。本文通過對(duì)上下文信息中的服務(wù)上下文匹配，提出一種基于服務(wù)上下文的服務(wù)發(fā)現(xiàn)算法 （a context－based web service discovery algorithm，CBWSDA）。

2.1 上下文信息

在Web服務(wù)組合過程中利用上下文信息進(jìn)行服務(wù)選擇。上下文信息是描述環(huán)境狀態(tài)、資源信息、用戶需求等影響服務(wù)的一些屬性及屬性的值，可分為用戶上下文、資源上下文和服務(wù)上下文。本文主要考慮服務(wù)上下文。

服務(wù)上下文是指描述Web服務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)和執(zhí)行約束，包括允許的服務(wù)實(shí)例、當(dāng)前已經(jīng)初始化的服務(wù)實(shí)例、服務(wù)實(shí)例的預(yù)期完成時(shí)間、組合服務(wù)中的前驅(qū)服務(wù)和后繼服務(wù)、服務(wù)自身性能。服務(wù)上下文的自身性能包括：可靠性、可用性、授權(quán)屬性、響應(yīng)時(shí)間、服務(wù)價(jià)格、正確執(zhí)行率等。

2.2 Web服務(wù)上下文匹配

服務(wù)匹配是Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵，匹配度是服務(wù)請(qǐng)求和服務(wù)之間的相似程度。在上下文匹配中，采用本體樹狀結(jié)構(gòu)的方法建立服務(wù)上下文的本體樹進(jìn)行匹配，利用服務(wù)上下文在本體樹節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算匹配度，并按上下文匹配度大小將匹配結(jié)果以有序方式排列。

將每個(gè)服務(wù)上下文信息記錄為一個(gè)索引項(xiàng)，其中包括服務(wù)標(biāo)識(shí)、服務(wù)名、輸入或輸出，以及響應(yīng)時(shí)間、授權(quán)屬性等。本文利用OWL－S語義描述服務(wù)上下文，依據(jù)服務(wù)上下文的本體概念的上下級(jí)關(guān)系來建立服務(wù)上下文本體樹，將服務(wù)上下文索引項(xiàng)表示為本體樹的節(jié)點(diǎn)。在服務(wù)上下文本體樹中，節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)各個(gè)服務(wù)上下文索引項(xiàng)，邊表示各上下文之間的語義關(guān)系，并且樹狀結(jié)構(gòu)的各節(jié)點(diǎn)可隨著服務(wù)上下文信息的添加、刪除等動(dòng)態(tài)變化。利用服務(wù)上下文感知其在服務(wù)上下文本體樹中語義相似的服務(wù)索引項(xiàng)的節(jié)點(diǎn)，并通過相似服務(wù)上下文在本體樹的節(jié)點(diǎn)位置結(jié)構(gòu)來確定服務(wù)的匹配度。如圖1所示，舉例說明旅行交通服務(wù)上下文本體樹的建立及服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程。圖中旅行交通服務(wù)的飛機(jī)服務(wù)受天氣服務(wù)及景點(diǎn)服務(wù)等上下文因素影響。

圖1 旅行交通服務(wù)上下文本體樹

（1） “機(jī)票服務(wù)”的名稱及內(nèi)容分別由OWL－S服務(wù)profile中Service Name和Text Description描述。“機(jī)票服務(wù)”的OWL－S描述：

＜/owl：Ontology＞

＜profile：Profilerdf：ID＝"AirTicket＿SEARCH ＿PROFILE"＞＜profile：serviceName xml：lang＝"en"＞

"AirTicket"search service

＜/profile：serviceName＞

＜profile：textDescription xml：lang＝"en"＞

This service supply aproperties of a given"Air Ticket"，including its price.

＜/profile：textDescription＞

＜profile：hasInput rdf：resource＝"＃＿AirTicket/＞

＜profile：hasOutput rdf：resource＝"＃ ＿servicecontext"/＞

（2）本體可以通過帶標(biāo)記的有向樹來表示，節(jié)點(diǎn)描述為服務(wù)上下文索引項(xiàng)，根據(jù)本體概念的繼承關(guān)系從大到小建樹。如圖中 “機(jī)票服務(wù)”到 “飛機(jī)服務(wù)”的連線表示子類和父類之間的繼承關(guān)系。

（3）通過比較 “機(jī)票服務(wù)”的語義描述和樹中節(jié)點(diǎn)的本體描述中服務(wù)名稱及內(nèi)容的繼承關(guān)系在樹中確立其節(jié)點(diǎn)位置。

（4）以圖中新添加節(jié)點(diǎn) “機(jī)票服務(wù)”與 “飛機(jī)服務(wù)”、“火車服務(wù)”為例比較，借鑒文獻(xiàn) ［14］計(jì)算匹配度大小的方式，定義服務(wù)上下文匹配度M如下

式中：ai、aj分別對(duì)應(yīng)圖中相比較的兩個(gè)服務(wù)上下文索引項(xiàng)，如m火車和n機(jī)票分別表示它們?cè)诒倔w樹的節(jié)點(diǎn)深度，s火車和d機(jī)票分別表示這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)其最近的共同祖先“按天氣服務(wù)”的深度，l按天氣表示 “機(jī)票服務(wù)”和 “火車服務(wù)”最近的共同祖先的深度等。可計(jì)算得M火車＝2/7、M飛機(jī)＝6/7，則M火車＜M飛機(jī)。同時(shí)其匹配數(shù)值大小在 ［0，1］之間，且0表示不匹配，1表示完全匹配。所計(jì)算的M數(shù)值越大，表示兩個(gè)相關(guān)服務(wù)上下文的匹配度越高。因?yàn)闈M足低匹配度的可選服務(wù)數(shù)量相對(duì)較多，為節(jié)約資源及時(shí)間，定義一個(gè)閥值δ表示服務(wù)匹配的最小匹配度，其初值由服務(wù)管理者根據(jù)服務(wù)數(shù)量折中選取，用戶可依需求自行設(shè)置。當(dāng)M≥δ時(shí)，表示服務(wù)上下文匹配成功，將服務(wù)上下文的索引項(xiàng)按服務(wù)的上下文匹配度大小為服務(wù)請(qǐng)求者提供一個(gè)降序排列的服務(wù)列表。如果M＜δ時(shí)，則不顯示所匹配的服務(wù)，服務(wù)將被淘汰，繼續(xù)匹配其它服務(wù)。

這種服務(wù)匹配方法具有以下優(yōu)勢(shì)：將服務(wù)上下文匹配度作為服務(wù)選擇的重要依據(jù)，使得匹配度較高的服務(wù)被選中的概率較大；服務(wù)上下文各節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化，服務(wù)可選列表依匹配度實(shí)時(shí)更新，確保新加入滿足條件的服務(wù)可被選中。

2.3 服務(wù)發(fā)現(xiàn)算法

根據(jù)2.2節(jié)服務(wù)上下文匹配的方法，本文提出一種基于服務(wù)上下文的服務(wù)發(fā)現(xiàn)算法CBWSDA，該算法的基本思想是通過輸入語義描述的服務(wù)集信息及服務(wù)請(qǐng)求的服務(wù)上下文信息SC、服務(wù)上下文匹配度計(jì)算函數(shù)M以及最小匹配度閥值δ，在生命周期內(nèi)經(jīng)過上下文匹配后，輸出匹配度降序排列的服務(wù)信息列表L或服務(wù)匹配失敗信息。因此，本文提出CBWSDA算法如下：

輸入：服務(wù)集信息及服務(wù)請(qǐng)求的服務(wù)上下文信息SC、時(shí)間周期為T、上下文匹配度計(jì)算函數(shù)M以及最小匹配度δ。

輸出：服務(wù)信息列表L或失敗信息。

Algorithm

1 begin

2 set result（L）＝null，sc∈SC；

3 t＝0，M＝δ；

4 while（t＜＝T）

5 Create SCOntologyTree（）//創(chuàng)建服務(wù)上下文本體樹

6 while（SC≠ ）do

7 ｛

8 for each sc∈SC；

9 semantics describe SC；

10 nodes＝ （all constitute of SC）；//各節(jié)點(diǎn)由服務(wù)上下文索引項(xiàng)組成

11 Traverse （SCOntologyTree）

12 for all sc∈nodes；

13 find （sc.length （），sc.depth （））；//查找相關(guān)各節(jié)點(diǎn)的距離、深度

14 count Match＝M；//使用式 （1）計(jì)算服務(wù)上下文匹配度

15 if（M＞＝δ）

16 ｛

17 add（sc）to L；//添加選擇的對(duì)應(yīng)M的服務(wù)對(duì)列表L

18 sort match（M）；//按服務(wù)上下文匹配度對(duì)列表L進(jìn)行排序

19 return （L）；

20 else

21 return false；

22 ｝

23 end

24 ｝

25 end

3 模擬實(shí)驗(yàn)分析

本文對(duì)基于服務(wù)上下文的服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜缦拢孩俦容^CBWSDA算法與其他服務(wù)匹配算法在執(zhí)行效率上的差異。②比較CBWSDA算法與其他服務(wù)匹配算法在查準(zhǔn)率上的性能差異。

本文選取用于服務(wù)發(fā)現(xiàn)的LS（logic semantic）算法［15］與CBWSDA算法進(jìn)行比較分析，LS算法是基于語義的常用服務(wù)發(fā)現(xiàn)，該算法中將服務(wù)匹配度分為4類：完全匹配、插拔匹配、包含匹配、匹配失敗。通過仿真實(shí)驗(yàn)比較兩種算法在執(zhí)行時(shí)間和查準(zhǔn)率上的差異。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集來自O(shè)WL－S的服務(wù)檢索測(cè)試集owls－TC v4［16］，該測(cè)試集包含了符合OWS－L標(biāo)準(zhǔn)且覆蓋了教育、醫(yī)療保險(xiǎn)、食品、旅行、通信、經(jīng)濟(jì)和軍事等7個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的服務(wù)，選取其中50個(gè)服務(wù)作為實(shí)驗(yàn)所用服務(wù)，使用OWL－S描述所選服務(wù)，利用MATLAB軟件對(duì)算法進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)方法和過程如下：

（1）對(duì)兩種服務(wù)發(fā)現(xiàn)算法定義一致的語義描述請(qǐng)求；

（2）以5個(gè)服務(wù)為基點(diǎn)，數(shù)量每次增加5至50結(jié)束，共從owls－TC v4中選取10組Web服務(wù)；

（3）利用MATLAB軟件分別通過兩種算法對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行20次匹配實(shí)驗(yàn)；

（4）通過MATLAB軟件比較兩種算法在相同服務(wù)數(shù)量下，各次仿真實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行時(shí)間和查準(zhǔn)率，并分析結(jié)果。

最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較如圖2、圖3所示。

圖2 兩種算法執(zhí)行時(shí)間比較

圖3 兩種算法查準(zhǔn)率比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同服務(wù)數(shù)量下，兩種算法的響應(yīng)時(shí)間隨著服務(wù)數(shù)量的增加而增大，同時(shí)其都在服務(wù)請(qǐng)求者可接受范圍之內(nèi)；但CBWSDA算法比LS算法響應(yīng)時(shí)間短，執(zhí)行效率高，能更好地滿足服務(wù)發(fā)現(xiàn)需要。

由圖3可知，在相同服務(wù)數(shù)量下，兩種算法查準(zhǔn)率隨著候選Web服務(wù)數(shù)量的增加而降低，但CBWSDA算法的查準(zhǔn)率降幅較小，其查準(zhǔn)率優(yōu)于LS算法的查準(zhǔn)率，能更好地滿足服務(wù)發(fā)現(xiàn)需求。

4 結(jié)束語

服務(wù)組合是當(dāng)今Web服務(wù)研究的熱點(diǎn)，而服務(wù)組合過程中服務(wù)發(fā)現(xiàn)是服務(wù)組合的重點(diǎn)，為解決服務(wù)組合的發(fā)現(xiàn)問題，本文提出了一種基于服務(wù)上下文的Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，通過OWL－S描述語言和服務(wù)匹配算法對(duì)服務(wù)的上下文進(jìn)行篩選，將符合上下文信息的Web服務(wù)按匹配度大小優(yōu)先返回給服務(wù)請(qǐng)求者，滿足服務(wù)組合過程中服務(wù)選擇的動(dòng)態(tài)性，并通過模擬實(shí)驗(yàn)證明了機(jī)制的有效性和可行性。下一步將深入研究服務(wù)組合過程中服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制的安全問題。

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