Web服務環境下的信任評估模型研究

盧杰驊

摘? 要： 針對復雜業務環境下Web 組合服務的信任評估需要，對服務編制和服務編排兩種組合機制進行了分析，重點針對服務編排提出了一種基于信任有向圖和信任傳遞機制的信任模型，并給出了基于向量運算的信任評估方法。通過仿真實驗，驗證了該信任模型和評估方法的有效性。

關鍵詞： 組合服務; 服務編排; 信任模型; 信任評估

中圖分類號：TP311? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? 文章編號：1006-8228（2019）06-19-04

Abstract： Composite service that contains complex business logic and data interaction requires effective trust evaluation mechanisms. In this paper， Orchestration and Choreography these two mechanisms of service composition are analyzed， focusing on service choreography， a trust model based on trust directed graph and trust transfer mechanism is proposed， and the trust evaluation mechanisms based on vector operation are also proposed. The effectiveness and feasibility of the trust model and trust evaluation method are verified by simulation experiments.

Key words： composite service; service choreography; trust model; trust evaluation

0 引言

隨著SOA、SaaS和云計算思想的不斷推進，服務流程、服務組合等技術得到不斷應用，Web服務逐漸從簡單的功能封裝向能夠自主適應服務調用對象和網絡應用環境的智能化方向發展。而智能化的服務，更多地表現為由多個小粒度、功能單一且結構簡單的服務構造而成的大粒度服務（組合服務）。因此，組合服務將是Web服務的主流形態和表現形式。由于組合服務內部集成了大量基本服務單元并且包含了復雜的業務邏輯和過程約束，導致大粒度服務的協同變得尤為復雜。與簡單服務之間的協同相比，交互次數從單次變為多次反復、交互內容從單一消息到多消息的傳遞、交互過程從無狀態變成有狀態等，這些變化都給組合服務的信任建模與評估都帶來了極大的困難。

當前的Web服務信任研究和應用大多基于細粒度的原子級Web服務，面向組合服務的信任評估機制并不多，如黃龍濤等人針對組合服務提出了一種基于服務編排（Choreography）模式的信任評價機制，基于業務流程的執行路徑和概率對組件服務進行信任集成[1]，Motallebi、林 青、沈宏偉等工作團隊在組合服務的可信研究中都引入了貝葉斯網絡，提出了不同的信任節點設置機制，通過節點可信度計算和節點關聯度分析來預測整體組件服務的可信度[2-4];S.Nepal提出了一種組合服務的信任評估機制，通過計算每個組件服務的信任貢獻度設定其信任分配向量，貢獻度的計算主要依據組件服務的重要性和一致性[5]。

總體來說，當前圍繞組合服務的信任研究還處于初步探索階段，大多還是將組合服務視為一個整體，忽略了服務組件之間的信任關系對整體信任評估的影響，因此無法全面、完整的度量組合服務的可信度。本文在Web組合服務信任模型中引入服務編排組合機制，提出了一種基于信任有向圖和信任傳遞機制的信任模型，并給出了基于向量運算的信任評估方法。

1 信任建模

1.1 服務組合機制

服務組合信任建模的困難主要源于其組件服務間存在的復雜業務邏輯，為此，首先需要對服務組合機制進行深入分析。目前主要有兩種服務組合機制，即服務編制（Orchestration）和服務編排（Choreography）。

服務編制使用一個中心節點來協調不同的Web 服務操作。這個中心節點了解該服務協作的總體目標、涉及的操作以及操作的調用順序。中心節點可以看成是一個可執行的大粒度Web服務，只是需要調用其他的Web服務。參與該協作的服務只需要與中心節點進行交互，不需要了解整個組合的業務流程甚至可能不知道自己參與了組合。OASIS為服務編制制定了標準—Web服務業務流程執行語言WS-BPEL （Business Process Execution Language）[6]。

服務編排定義多個參與者如何在協作中，相互交換信息，進行對等的協作。與編制不同，編排是一種對等模型，業務流程中會有很多協作方，編排并不描述每個參與者是如何處理操作的，而是描述不同參與者之間如何彼此交互。Web服務編排描述語言WS-CDL（Web Services Choreography Description Language）[7]，是W3C推薦的Web服務編排標準。對于編排服務，我們根據服務的內部業務流程將服務間的信任關系形式化為信任關系有向圖，如圖1所示。

圖1中的節點用于表示組件服務和流程控制節點，實線邊表示邏輯依賴，虛線邊表示數據依賴，邊的起點為被依賴組件，邊的終點表示依賴組件。該有向圖能夠清晰的表示出整個服務組合的業務流程，同時還能夠表示出參與該組合的組件服務之間的交互依賴情況，圖中從S到E之間的所有可能路徑即為該組合的業務執行路徑。

1.2 信任傳遞機制

在組合服務中，組件服務之間為了完成一定的業務目標，需要進行直接或間接的交互，對于編制服務而言，由于組件服務只與中心節點交互，因此無需考慮組件之間的信任關系。但對于編排服務，組件服務之間往往是直接進行交互，組件之間存在著一定的依賴關系，特別是當組件之間存在數據依賴關系時，如圖1中，w5對w4數據依賴，即w4的輸出將作為w5的輸入，但是如果w5對w4的信任度較低，w5完全有可能拒絕w4的傳入參數，所造成的結果就是w5與w4所在的執行路徑無法正常執行，也就導致該服務組合不能按照預期為用戶提供滿意的結果，因此對于編排服務組合而言，對存在數據依賴關系的組件服務進行信任關系的度量是非常有必要的。

為此我們建立信任傳遞機制，若A對B的信任度為T1，B對C的信任度為T2，則A對C的信任度為：u=f（T1，T2），其中f為信任傳遞函數。基于信任的傳遞性，我們可以度量兩個從未交互過的組件服務A和B之間的信任度，采用類似路由算法的方法得出A和B之間的信任路徑。在具體測算中，考慮到不同用戶對服務質量的評價是獨立做出的，并且返回評價的真實度受到所有傳遞這條評價的用戶的影響，我們使用概率的乘法公式來融合兩個或兩個以上的信任度。假設A對G的信任度為0.6，G對K的信任度為0.5，那么A對K的信任度為0.3（0.6×0.5）。

2 信任評估

2.1 組件服務的可信度

我們基于Josang提出的形式化信任的概念，基于已知原子服務的受信情況，使用β密度函數定義原子服務的可信度計算公式，公式定義如下：

如果r<1，則θ≠0，如果s<1，則θ≠1。

r表示服務消費者與服務的歷史交互中產生積極交互體驗的次數，s表示服務消費者與服務的歷史交互中產生消極交互體驗的次數，θ為概率密度。

對應的，我們給出表示服務信任度的三元向量，稱為信任向量，，其中ti+di+ui=1，且滿足如下關系：

ti為信任確定度，di為不信任確定度，ui為不確定度。在服務發現和服務組合時，計算所有備選服務的信任向量，通過篩選，選出ti值最高的服務，若同時有多個服務的ti值最高，則選取其中ui值最低的服務。

2.2 不同信任機制的建模方式

對于Web組合服務，除了要對其內部組件服務進行信任評估，還需要對其業務組織進行信任評估。對于編制服務來說，由于所有組件服務都會與中心節點進行交互，那么中心節點與所有組件服務之間的信任關系將決定整個大粒度服務是否能成功運行。而對于編排服務，則需要評估有交互關系的組件服務之間的信任關系。

針對服務編制和服務編排的不同特點，可以采取不同的信任建模方式。對于服務編制，用一個二元組表示其信任度T0=，其中Tc為所有組件服務的信任向量的集合，TR表示所有的組件服務與中心節點之間的信任關系的集合。對于服務編制，由于每個組件服務只與中心節點進行交互，因此，無需考慮執行路徑，只需要評估每個組件服務，以及每個組件服務與中心節點之間的信任關系。

對于服務編排，用一個三元組表示其信任度，Tc=，其中Tc'表示所有組件服務的信任向量的集合，TR'表示所有存在交互關系的組件服務之間的信任關系集合，P表示該服務組合內部所有執行路徑的集合。由于服務編排中存在復雜的組件邏輯關系，需要給出對應的信任運算規則。

2.3 信任運算規則

根據服務之間不同的信任關系，可以通過組件服務的信任向量運算，推導出服務協作即大粒度服務的信任度，運算規則主要包括傳遞、合并及合意。傳遞運算用于服務間的信任推導，合意運算用于計算相互獨立但是對同一個信任內容有信任記錄的服務間的綜合信任度，合并運算用于服務間的相關運算。

在計算服務編排機制的組合服務信任度時，我們首先根據其內部業務邏輯構建由組件服務組成的信任有向圖（如圖1所示），確定所有從初始狀態到結束狀態的執行路徑，然后對每一條路徑結合該路徑上的組件服務以及存在交互關系的組件服務之間的信任關系進行信任評估，最后再根據每條執行路徑的執行概率綜合得出該服務組合的信任度。

3 仿真實驗

當前國內外主流的Web服務發現和組合算法及工具已經有了很好的綜述性梳理[8]，我們選取WSBen搭建仿真實驗環境，它能夠隨機生成包括不同的數據和模型特征的Web服務，服務以WSDL文件形式存在，還能夠隨機生成用來測試發現和組合算法的查詢語句來模擬組合服務。在WSBen的基礎上，通過在Web服務中增加信任屬性和關聯屬性，我們制作了組合服務信任評估原型系統來進行仿真實驗。

首先隨機生成1000個Web組件服務，隨機設置組件服務之間的關聯關系及對應的信任值。然后生成A、B、C三組代表組合服務的樣本訓練集，每個訓練集均由100條查詢語句組成，代表100個隨機產生的組合服務。查詢語句滿足以下條件：①每條查詢語句只有唯一的輸入（服務）和輸出（服務），可從1000個組件服務中隨機抽取;②輸入和輸出對應的組件服務之間不存在直接關聯關系;③查詢語句的復雜度由高到低，訓練集A對應的組合服務的最短路徑（組件服務數）在7個以上，訓練集B在5個以上，訓練集C在3個以上。

應用本文給出的信任模型計算三組訓練集對應的組合服務的可信度，并從三組訓練集間找到“相似”的觀測點（輸入輸出相同、內部業務邏輯不同的組合服務）。比較三個訓練集的觀測點，結果如圖2所示。

從圖2中可以看到三個訓練集在觀測集上的曲線非常擬合，表示針對同一個服務組合對之間的信任預測，盡管有著完全不同的內部業務邏輯，三個訓練集的結果是相近的，這說明本文所給出的組合服務信任模型及信任評估方法是有效的。從圖2中還可以看到三個訓練集的信任度，總體來說C高于B高于A，這也說明隨著組合服務內部業務邏輯的復雜度上升，信任評估存在損耗現象。

4 結束語

在Web服務日趨復雜的發展背景下，本文針對組合服務內部的復雜業務邏輯，對其信任模型以及評估機制進行研究，對服務編制和服務編排兩種組合機制進行了分析，重點針對服務編排提出了一種基于信任有向圖和信任傳遞機制的信任模型，給出了一種基于信任向量的信任運算規則，通過仿真實驗，驗證了該模型的有效性。下一步需要分析信任路徑中的信任損耗問題，通過設置關鍵節點引入信任路由算法來進一步完善組合服務的信任評估機制。

參考文獻（References）：

[1] Longtao Huang， Shuiguang Deng， Ying Li et al. Yin.Data-Dependency Aware Trust Evaluation for Service Choreography[C]//2011 9th IEEE International Conference on Web Services （ICWS）， Washington， DC， USA：IEEE，2011：708-709

[2] Motallebi， M.Ishikawa， F.Honiden.Trust Computation inWeb Service Compositions Using Bayesian Networks[C]//2012 19th IEEE International Conference on Web Services （ICWS），Hawaii，USA：IEEE，2012：623-625

[3] 林青，戴慧臖，任德旺.基于貝葉斯網絡的量化信任評估方法[J].計算機技術與發展，2016.26（12）：132-136

[4] 沈宏偉，邵堃，張陽洋等.基于樸素貝葉斯的信任決策模型[J].小型微型計算機系統，2018.39（2）：275-279

[5] S.Nepal，Z.Malik，A.Bouguettaya.Reputation Propagation inComposite Services[C]//2009 7th IEEE International Conference on Web Services （ICWS）， Los Angeles，USA：IEEE，2009：295-302

[6] WS-BPEL，http：//www.oasis-open.org/committees/wsbpel/[S].

[7] WS-CDL，http：//www.w3.org/TR/2004/WD-ws-cdl-10-20041217/[S].

[8] 丁志軍，周澤霞.Web服務組合測試綜述[J]軟件學報，2018.29（2）：299-319