全立新

（湖南財政經濟學院信息管理系，湖南長沙410205）

基于關系數(shù)據(jù)庫的Web服務本體存儲

全立新

（湖南財政經濟學院信息管理系，湖南長沙410205）

Web服務與本體結合是語義Web服務應用的基礎，而關系數(shù)據(jù)庫是當前本體存儲的主要方式，研究基于關系數(shù)據(jù)庫的Web服務存儲是語義Web服務的重要內容之一.在比較現(xiàn)有基于關系數(shù)據(jù)庫本體存儲模式優(yōu)劣的基礎上，總結歸納了基于關系數(shù)據(jù)庫Web服務本體存儲的七條原則，給出了一種基于關系數(shù)據(jù)庫存儲Web服務本體的關系模式設計，并在SQLService 2008系統(tǒng)中實現(xiàn).提出了Web服務本體的存儲方案，并與OWL-S具有兼容性，可為Web服務大規(guī)模的存儲、Web服務的語義查詢及Web服務信息的管理提供依據(jù)和借鑒.

Web服務本體；關系數(shù)據(jù)庫；OWL-S；存儲模式

SOA是一種以服務為中心的分布式軟件架構方法，已成為軟件工程技術發(fā)展的重要趨勢[1].Web服務發(fā)現(xiàn)是SOA基礎核心問題.Web服務發(fā)現(xiàn)的過程是以用戶需求為目的，精準、有效地從Web服務庫中匹配到能夠滿足用戶需求的Web服務過程.目前，Web服務發(fā)現(xiàn)技術按匹配方式分類主要分為三類[2-3]：第一類是基于關鍵字的匹配方式，此類方式類似于傳統(tǒng)的信息檢索的工作方式，其查準率和查全率都不高；第二類是基于分類法的匹配方式，根據(jù)分類法對Web服務進行功能歸類，用結構化查找的方式進行查找，其查準率要高于第一類，而查全率不高；第三類為基于語義的匹配方式，此方式在Web服務中加入語義信息使之成為語義Web服務，從而增強Web服務的計算機可讀性.研究證明，第三類方式擁有極高的查全率和查準率.

基于語義匹配方式的巨大優(yōu)勢使之成為服務發(fā)現(xiàn)熱門的研究方向，而Web服務本體及描述語言是語義Web服務發(fā)現(xiàn)的關鍵技術.Web服務存儲方式的不同，查找的策略和效率也將不同.所以，研究Web服務本體存儲是一項基礎且有現(xiàn)實意義的工作.本文將提出一種基于關系數(shù)據(jù)庫的Web服務本體存儲方法.

1 Web服務本體語言OWL-S[4]

OWL-S最早于2001年5月提出，它是一種Web服務語義標記語言，是用來描述Web服務屬性和功能的OWL本體規(guī)范，主要是為了解決Web服務描述和發(fā)現(xiàn)以及業(yè)務組合的語義表示.圖1所示為OWL-S描述的服務的頂層本體[4].

圖1 服務頂層本體

由圖1知，服務本體包括ServiceProfile、Service?Model和ServiceGrounding三個方面的基本信息，它們分別表示“服務是做什么的”“服務是如何工作的”“服務是如何被訪問的”.Service類表示一個發(fā)布的Web服務，presents、describedby、supports則是Ser?vice類的三個屬性，分別與ServiceProfile、Service?Model和ServiceGrounding三個類映射.

1）ServiceProfile：描述了服務的功能信息、基本信息、QoS信息等.Profile是ServiceProfile子類，通過haslnput、hasoutput、haspreocndition、hasEeffet等屬性來描述服務功能信息；通過serviceName、isPresented?By、textDescription等屬性來描述服務基本信息；通過serviceParameter、serviceCategory等屬性來描述服務特性信息.

2）ServiceModel:OWL-S將服務看作一個過程，Process作為ServiceModel的子類，詳細描述了服務的工作過程與細節(jié).Process主要分為AtomicPro?cess、SimpleProcess和CompositeProcess三種類型.其中，AtomicProcess是不可再分且能直接調用的最小粒度的服務，必須提供一個ServiceGrounding信息；SimpleProcess不可直接調用，不需要提供Service?Grounding信息，它的作用是提供SimpleProcess的視圖或簡化CompositeProcess，而CompositeProcess可以由其他AtomicProcess或SimpleProcess通過控制構詞組合而成的服務.

3）ServiceGrounding：描述了如何訪問服務的相關信息，如協(xié)議、接口、消息格式、序列化、和尋址等信息.OWL-S采用WSDL作為Grounding，Grounding是ServiceGrounding的子類.

2 基于關系數(shù)據(jù)庫本體存儲模式分析

目前，對本體存儲文獻較多，但對Web服務本體存儲的研究文獻很少.Web服務本體作為本體的一個子集與通常說的本體存在許多共性.在對關系數(shù)據(jù)庫存儲本體研究中，有不少研究者對關系模型和本體模型進行了異同研究，提出了多種運用關系模式來存儲本體信息的方法，歸納起來主要有水平模式、垂直模式、分解模式和混合模式四種[5-9].下面將對這四種模式進行技術分析與比較：

1）水平模式：用一個二元表存儲，本體中類的每一個屬性對應表中一列，表的一條記錄對應本體的一個實例，表中列的個數(shù)就是所有本體屬性之和.優(yōu)點是簡單易于理解.缺點是可讀性很差，數(shù)據(jù)冗余高，維護代價很大，不支持大規(guī)模本體的存儲，信息查詢復雜.

2）垂直模式：用一個三元組的表，表中三列分別RDF的主體、謂詞和賓語，表中一條記錄就是RDF的一個三元組.優(yōu)點是模式穩(wěn)定，增刪改操作簡單.缺點是查詢效率非常低，當查詢需要進行多次表的連接時，SQL語句非常復雜，不適合大規(guī)模本體存儲.

3）分解模式：將本體按照類或者按照屬性進行分解.按照類分解就是對本體中的每一個類都設計一個表，類的屬性對應表中的一列.這種模式簡單，當本體中類很多時，數(shù)據(jù)庫性能不高，維護性差.按照屬性分解就是每一個屬性創(chuàng)建一張表，該表只有兩列，分別存儲此屬性的定義域和值域.這種模式雖然比較簡單，但可用性很差，查詢處理代價非常大.分解模式的可維護性差，非常不適應類數(shù)量和屬性的變化.

4）混合模式：將多種模式結合起來而形成.

通過上述分析，混合模式比較適合Web服務本體不斷變化的存儲要求.

3 基于關系數(shù)據(jù)庫的Web服務本體存儲的設計

3.1 基于關系數(shù)據(jù)庫的模式設計原則

通過前文分析，選取Web服務本體存儲模式應遵循以下七個原則：

1）滿足關系數(shù)據(jù)庫設計原則[10].因為采用關系數(shù)據(jù)庫來存儲本體信息，故應遵循關系數(shù)據(jù)庫設計原則.

2）方便用戶使用原則.Web服務本體中的關系模式要清晰，要有利開發(fā)人員設計SQL查詢語句.

3）關系模式穩(wěn)定性原則.語義Web服務本體是不斷變化的，如果設計的關系模式是穩(wěn)定的，就不會增加關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的維護代價.

4）語義查詢高效原則.Web服務本體的主要應用之一就是方便查詢，該原則是重要指標.

5）兼容性原則.目前OWL-S是語義Web服務的官方描述語言，得到眾多廠家支持，應考慮關系模式與OWL-S文件信息兼容.

6）語義信息完整原則.語義完整性是語義Web服務基于關系數(shù)據(jù)庫存儲的重要指標，應該能夠存儲Web服務本體的顯性知識和隱性知識，保證語義Web服務信息的完整性.

7）語義推理高效原則.在設計關系數(shù)據(jù)庫模式時，應考慮關系數(shù)據(jù)庫能夠進行Web服務高效本體推理以及推理結果的存儲問題.

3.2 基于關系數(shù)據(jù)庫的模式設計

根據(jù)3.1節(jié)總結出的語義Web服務本體存儲的一般原則，設計一種支持基于關系數(shù)據(jù)庫Web服務本體存儲的混合模式RDWOMM，具體設計思路如下：

1）RDWOMM為一個通用的語義Web服務存儲模式，需要對不同業(yè)務領域的Web服務本體信息進行存儲，考慮到與OWL-S兼容，并且能保證這些不同的Web服務本體之間不會互相沖突，根據(jù)原則5，設計webServiceOntology表來存儲Web服務本體頭部相關信息.

① webServiceOntology表關系模式：webServi?ceOntology（ontid,ontname,nsid,comment,priorVer?sion,label,imports），其中，ontid存儲本體唯一標識（Int類型，主鍵），ontname存儲本體名稱（字符類型），nsid記錄命名空間ID（Int類型），comment存儲本體注釋（字符類型），priorVersion存儲本體版本控制信息（字符類型），label存儲本體標簽（字符類型），imports存儲本體導入信息（字符類型）.為節(jié)省篇幅，以下字段名稱相同，字段含義和數(shù)據(jù)類型也相同，后文將不再解釋.

②通過命名空間來區(qū)別不同的Web服務本體對象和對象屬性.表示命名空間的字符串一般較長，根據(jù)原則1，單獨創(chuàng)建nameSpace表來存儲命名空間，nameSpace表的關系模式：nameSpace（ontid, qualifiednames,nsname），其中，qualifiednames存儲命名空間前綴和限定名稱（字符類型），nsname存儲命名空間字符串（字符類型），ontid與qualifiednames字段構成主鍵.

2）類、屬性和實例構成了OWL-S本體的基本組成元素，這三者之間不會有交集，根據(jù)原則2、3，分別將對這三種資源信息用不同的表進行存儲.

3）在Web服務本體中的類class分為簡單具名類、限制具名類和并集復合類三種.簡單具名類沒有對象屬性限制或基數(shù)限制，限制具名類有對象屬性的限制或基數(shù)限制，復合類的OWL-S中只用并集運算.考慮到OWL-S類的特點，根據(jù)原則1、4設計四個表（classes，simpleclasses，RestrictionClasses和unionOfClass）來實現(xiàn)OWL-S類的存儲.

①classes存儲所有的類基本信息（包括簡單類、限制類和復合類），它的關系模式：classes（ontid，cid，cname），其中，cid存儲類ID（int類型），cname存儲類名稱（字符類型），由ontid和cid構成主鍵.

②simpleClass存儲簡單類的定義，它的關系模式：simpleClass（cid,upperCid），其中，upperCid存儲父類的ID（int類型），由cid和upperCid構成主鍵.

③RestrictionClass存儲限制類的定義，它的關系模式：restrictionClass（cid,upperCid,propertyId,re?strictionType,value），其中，upperCid存儲父類的ID（int類型），propertyId存儲屬性對象ID，restriction?Type存儲限制類型名稱，可以取allValuesFrom,som?eValuesFrom,hasValue,minCardinality,maxCardinali?ty,Cardinality,intersection等值（字符類型），value存儲約束值（字符類型），由cid，upperCid和propertyId構成主鍵.

④unionOfClass存儲并集復合類的定義，它的關系模式：unionOfClass（cid,unionOfcid,parseType），其中，unionOfcid存儲參與并集運算的類ID（int類型），parseType存儲解析器類型名稱ID（int類型），cid與unionOfcid構成主鍵.

4）OWL-S本體對象的屬性分為對象屬性和數(shù)據(jù)屬性，是查詢和使用的高頻術語，根據(jù)原則4，單獨為它們建表，分別是對象屬性表（objectProperty）和數(shù)據(jù)屬性表（dataProperty）.

①objectProperty存儲對象屬性的定義，它的關系模式：objectProperty（ontid,opid,objectProperty?Name,domain_cid,range_cid），其中，opid存儲對象屬性編號（Int類型），objectPropertyName存儲對象屬性名稱（字符類型），domain_cid存儲定義域類ID（int類型），range_cid存儲值域類ID（int類型），ontid和opid構成主鍵.

②dataProperty存儲數(shù)據(jù)屬性的定義，它的關系模式：dataProperty（ontid,dpid,dataPropertyName,do?main_cid,dataTypeId），其中，dpid存儲數(shù)據(jù)屬性編號（Int類型），dataPropertyName存儲數(shù)據(jù)屬性名稱（字符類型），dataTypeId參照dataType表，存儲數(shù)據(jù)類型編號（int類型），ontid和dpid構成主鍵.

③dataType存儲本體中定義的數(shù)據(jù)類型，它與dataProperty表聯(lián)系使用可節(jié)省硬盤空間.其關系模式：dataType（dataTypeId,dataTypeName），其中，dataTypeId存儲數(shù)據(jù)類型編號（int類型，主鍵），dataTypeName存儲數(shù)據(jù)類型名稱（字符類型）.

5）OWL-S的實例分為類實例和屬性實例，它們也都是Web服務相關查詢頻率很高的部分，根據(jù)原則2、4可以建立classIndividual、datapropertyIndividu?al、objectpropertyIndividual三個表.它們分別存儲類、數(shù)據(jù)屬性和對象屬性的實例，用來實現(xiàn)對類的實例查詢和對實例所擁有屬性值的查詢.

①classIndividual中存儲類實例的標識，通過此表可以查詢Web本體中類的所有實例或者某個實例所屬的類信息.它的關系模式：classIndividual（on?tid,ciid,cid,classIndividualValue），其中，ciid存儲實例ID，int類型，classIndividualValue存儲實例值（字符類型），由ontid、ciid和cid構成主鍵.

②objectPropertyIndividual存儲對象屬性的實例標識，通過此表可以查詢實例之間關系或者某個對象屬性的所有實例等信息.它的的關系模式：ob?jectPropertyIndividual（ontid,opid,opiid,ciid1,ciid2），其中，opiid存儲對象屬性實例編號（int類型），ciid1存儲定義域對象實例，ciid2存儲值域對象實例，由ontid、opid和opiid構成主鍵.

③dataPropertyIndividual存儲某個類具體的實例特征值信息，通過此表可能查詢類所特有的不同于其他類的特征信息，它的關系模式：dataProperty?Individual（ontid,dpid,dpiid,ciid,rangevalue），其中，dpiid存儲數(shù)據(jù)屬性編號（int類型），ciid存儲定義域類編號（int類型），rangevalue存儲具體值字符串（字符類型），由ontid、dpid和dpiid構成主鍵.

6）Web服務本體中層次關系的查詢頻率高，根據(jù)原則4、6、7，故單獨建subClassPropertyDef表，用于定義直接層次關系，表subClassProperty定義推理得到的層次關系，兩表關系模式完全相同.sub?ClassPropertyDef表關系模式：subClassPropertyDef（ontid,supercid,subcid,subType），其中supercid存儲父類ID（int類型），subcid存儲子類ID（int類型），subType取值class，property其一（字符類型），表示是子類層次還是子屬性層次關系，由ontid、supercid、subcid三者構成主鍵.

7）Web服務本體中ObjectProperty、DatatypePro?perty、TransitiveProperty等屬性特征是一元關系.屬性特征的查詢相關頻率不高，根據(jù)原則4、6，將一元關系組織在表propertyUnitaryRelations和unitary?Name中.

①propertyUnitaryRelations的關系模式：proper?tyUnitaryRelations（ontid,opid,unid），其中，unid（Int類型）取值參照unitaryName表中的主鍵，由ontid、opid和unid構成主鍵.

②unitaryName（unid,unitaryName），其中，unid存儲一元關系名稱編號（Int類型，主鍵），unitary?Name存儲地元關系名稱（字符類型），可選取值為ObjectProperty、DatatypeProperty、TransitiveProperty、SymmetricProperty、FunctionalProperty或InverseFunc?tionalProperty，等等.

8）Web服務本體中disjointWith，equivalent?Class，equivalentProperty等描述類、屬性、實例之間二元關系的使用和查詢頻率都不高，根據(jù)原則4、6、7，把這些二元關系單獨建表classPropertyIndividual?BinaryRelationDef和classPropertyIndividualBinaryRe?lation.兩表關系模式完全相同，前者存儲直接定義的二元關系記錄，后者存儲推理所得二元關系記錄，推理所得記錄由兩表的觸發(fā)器控制.

classPropertyIndividualBinaryRelationDef的關系模式：classPropertyIndividualBinaryRelationDef（on?tid,binaryRelationType,res1id,res2id），其中，bina?ryRelationType取值equivalentClass，equivalentProper?ty，sameAs，disjointWith，differentFrom，allDifferent，inverseOf等，分別代表本體概念，屬性和實例的等價關系，不等價關系和對象之間的互逆關系（字符類型），res1id和res2id根據(jù)binaryRelationType值，存儲類或屬性或實例的ID值（int類型），ontid、res1id和res2id構成主鍵.

綜合上述設計，得到的RDWOMM關系模式主要包括:webServiceOntology,nameSpace,classes,sim?pleClass,restrictionClass,unionOfClass,objectProper?ty,dataProperty,dataType,classIndividual,objectProp?ertyIndividual,dataPropertyIndividual,subClassProper?tyDef,subClassProperty,propertyUnitaryRelations,uni?taryName,classPropertyIndividualBinaryRelationDef, classPropertyIndividualBinaryRelation等18個關系.由于關系設計是按實例、屬性和類為基本關系展開的，可能應對Web服務本體的屬性擴展，即本體的變化不影響RDWOMM的關系模式結構變化，RD?WOMM相對穩(wěn)定，可適合本體大規(guī)模存儲.

另外，RDWOMM中的關系已經優(yōu)化，對于1∶1關系進行了合并，對n∶m之間關系拆分成多個1∶n關系，在RDWOMM中關系之間只存在1∶n關系，比如：nameSpace與webServiceOntology是1∶n關系，外鍵是nsid，受篇幅限制，不能羅列所有1∶n關系，讀者可以從圖2中方便找出所有關系之間1∶n關系和外鍵.RDWOMM幾乎涵蓋Service服務本體的全部語義信息.

4 語義Web服務存儲系統(tǒng)的實現(xiàn)

本文選用MicrosoftSQLServer2008作為數(shù)據(jù)庫實驗環(huán)境，實現(xiàn)了上述設計.首先創(chuàng)建了一個RD?WOMM的數(shù)據(jù)庫，用于保存上述設計的18個關系和其他數(shù)據(jù)對象.然后，在RDWOMM下依次創(chuàng)建各個表，可以用手工創(chuàng)造，也可以用SQL代碼創(chuàng)建（代碼太多，略），再后，創(chuàng)建不同表之間的關聯(lián)，實現(xiàn)這些關聯(lián)是完整性約束[10]，最后，創(chuàng)建相應表的觸發(fā)器代碼（代碼略）.圖2是本文設計在SQLServer2008實現(xiàn)后生成的各表之間的關聯(lián)視圖.

圖2 基于關系數(shù)據(jù)庫存儲Web服務本體的各表關系圖

從圖2分析知，該數(shù)據(jù)庫對OWL-S類、屬性、實例的處理，對類的關系、屬性的關系、屬性的特征、類和屬性關系等的處理.同時，該模式結構穩(wěn)定，能夠適應規(guī)模較大的Web服務本體存儲，不管是Web服務本體實例信息的擴大還是本體類、屬性等信息的增減，都不會改變該數(shù)據(jù)庫結構.

本文設計了3個具有代表性的查詢操作，具體查詢方案如下.

1）查詢指定Web服務提供商的所有Web服務：該操作主要查詢本體中的serviceProcuduct關系，用三元組可以表達為：.

2）查詢指定功能的所有Web服務：該操作主要查詢本體中textDescription關系，用三元組可以表達為：.

3）查詢指定功能，指定輸入輸出參數(shù)類型的Web服務：該操作主要查詢本體中textDescription、hasInput和hasOutput關系.用三元組可以表達為：，，.

受篇幅限制，沒有列出具體的SQL代碼.

5 結語

本文是在前人研究的基礎上，結合他們的利弊，同時，針對OWL-S語言特點，提出了一種基于關系數(shù)據(jù)庫的Web服務本體存儲模式.該模式穩(wěn)定性很好，存儲OWL-S語義信息較完整，能在Microsoft SQLServer2008中比較好地實現(xiàn)根據(jù)語義查詢Web服務等功能.為了對系統(tǒng)進一步優(yōu)化，還利用了RDB中成熟的外鍵約束、索引、視圖、觸發(fā)器和存儲過程等技術，提高Web服務本體存儲和查詢效率.但是本方案還存在一些不足，一是還不能把OWL-S本體文件不失語義的導入到關系數(shù)據(jù)庫（會損失比如Label標簽等非功能性信息），二是還沒有實現(xiàn)Web服務本體信息導出功能，三是對于屬性的推理信息處理不完全.

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【編校：李青】

OntologyWebServicesBasedonRelationalDatabase

QUANLixin
（DepartmentofInformationManagement,HunanUniversityofFinanceandEconomics,Changsha,Hunan410205,China）

ThecombinationofWebservicesandontologyisthefoundationofthesemanticWebserviceapplication,and relationaldatabaseisthemainwayofstorageofontology.ThestudyofWebservicesbasedonrelationaldatabasestorage isoneoftheimportantcontentsofthesemanticWebservices.Onthebasisofcomparisonofexistingontologystoragemod?els,sevenprinciplesaboutthestorageofWebservicesontologybasedonrelationaldatabaseweresummarized.Arelation?alpatternforWebservicesontologybasedonrelationaldatabasestoragewaspresentedanditwasimplementedinthe SQLService2008system.TheWebservicesontologystoragesolution,whichiscompatiblewiththeOWL-S,alsovery meaningfultomassstorageofWebservices,semanticqueryandthemanagementoftheWebserviceinformation,wassug?gested.

Webservicesontology;relationaldatabase;OWL-S;storagepattern

TP311

A

1671-5365(2015)12-0019-06

全立新.基于關系數(shù)據(jù)庫的Web服務本體存儲[J].宜賓學院學報,2015,15(12):19-24.

QUANLX.OntologyWebServicesBasedonRelationalDatabase[J].JournalofYibinUniversity,2015,15(12):19-24.

2015-07-15修回：2015-08-27

湘科技計劃一般項目“動態(tài)電子商務環(huán)境下語義Web搜索的條件表達式研究”（2011FJ3119）；湘教育科學“十二五”規(guī)劃2013年度一般資助課題“基于語義Web服務的教育資源云服務應用研究”（XJK013BXX004）

全立新（1969-），男，副教授，碩士，研究方向為語義Web服務及應用

時間：2015-08-2717:17

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.z.20150827.1717.001.html