林關(guān)成

(渭南師范學(xué)院 傳媒工程學(xué)院，陜西 渭南 714099)

基于語(yǔ)義Web服務(wù)的建模框架比較研究

林關(guān)成

(渭南師范學(xué)院 傳媒工程學(xué)院，陜西 渭南 714099)

作為一種新興的Web應(yīng)用模式，Web服務(wù)能夠擺脫硬件系統(tǒng)平臺(tái)、操作系統(tǒng)以及編程語(yǔ)言的束縛，為跨平臺(tái)、跨行業(yè)的服務(wù)提供技術(shù)保障。為了改進(jìn)傳統(tǒng)的文本匹配思路和信息組織形式，提高Web服務(wù)的智能化水平，增強(qiáng)服務(wù)定位的精準(zhǔn)性，在分析語(yǔ)義Web服務(wù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從語(yǔ)義層面對(duì)Web服務(wù)的能力和屬性進(jìn)行描述，將語(yǔ)義Web技術(shù)和Web服務(wù)機(jī)制相結(jié)合，闡述了OWL-S、IRS、WSMO主流語(yǔ)義Web服務(wù)建?？蚣艿奶攸c(diǎn)，為服務(wù)用戶(hù)提供本體描述方法。從行為、體系結(jié)構(gòu)和服務(wù)本體的角度比較分析了三大主流語(yǔ)義Web服務(wù)建?？蚣艿漠愅瑫r(shí)，展望了語(yǔ)義Web服務(wù)建?？蚣艿陌l(fā)展趨勢(shì)，有助于語(yǔ)義Web服務(wù)的建模方法及其改進(jìn)。

語(yǔ)義Web服務(wù)；建?？蚣?；服務(wù)描述；體系結(jié)構(gòu)；服務(wù)本體

0 引 言

隨著Web服務(wù)在信息服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，互聯(lián)網(wǎng)上Web服務(wù)的數(shù)量呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)。Web服務(wù)作為一種新興的Web應(yīng)用模式，可以擺脫硬件系統(tǒng)平臺(tái)、操作系統(tǒng)以及編程語(yǔ)言的束縛，為服務(wù)提供者跨平臺(tái)、跨行業(yè)的進(jìn)行服務(wù)提供了技術(shù)保障。然而，當(dāng)前的Web雖然能夠更多地為用戶(hù)提供多種描述文本信息，卻不包含可供機(jī)器間相互理解的語(yǔ)義信息，在傳統(tǒng)的Web服務(wù)模式下要想實(shí)現(xiàn)服務(wù)的自動(dòng)選擇、自動(dòng)配置以及自動(dòng)組合是不太容易的，這不僅限制了機(jī)器在互聯(lián)網(wǎng)信息檢索領(lǐng)域的發(fā)展，也限制了機(jī)器自動(dòng)化的處理能力[1]。

在Web服務(wù)數(shù)量龐大的今天，再依靠傳統(tǒng)的人工方式去組織、管理、分類(lèi)Web服務(wù)已經(jīng)不太現(xiàn)實(shí)，要讓機(jī)器自動(dòng)地處理這些服務(wù)的識(shí)別、組織以及匹配問(wèn)題，需要讓計(jì)算機(jī)具加智能化，必須克服傳統(tǒng)的信息組織形式，摒棄傳統(tǒng)的文本匹配思路，于是語(yǔ)義Web應(yīng)運(yùn)而生[2]。

語(yǔ)義Web的出現(xiàn)給機(jī)器之間的智能交互提供了契機(jī)，通過(guò)語(yǔ)義描述語(yǔ)言使互聯(lián)網(wǎng)上的信息具有語(yǔ)義，從而更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)知識(shí)[3]。將語(yǔ)義Web技術(shù)應(yīng)用于Web服務(wù)領(lǐng)域就產(chǎn)生了語(yǔ)義Web服務(wù)，它是語(yǔ)義Web技術(shù)和傳統(tǒng)的Web服務(wù)機(jī)制相結(jié)合的產(chǎn)物，能夠自動(dòng)處理服務(wù)的選擇、服務(wù)的調(diào)用以及服務(wù)的配置，使Web服務(wù)更加智能化、服務(wù)定位更加精準(zhǔn)、用戶(hù)的體驗(yàn)度更高[4]。

語(yǔ)義Web服務(wù)的實(shí)現(xiàn)，既需要建立、發(fā)現(xiàn)和自動(dòng)調(diào)用Web服務(wù)的形式化描述[5]，又需要用于分析和驗(yàn)證服務(wù)語(yǔ)義的建?？蚣躘6]。當(dāng)前，有關(guān)研究機(jī)構(gòu)各自提出了不同的語(yǔ)義Web服務(wù)建?？蚣?，比較著名的有：METEOR-S[7]，WSMO[8]，IRS[9]以及SWSF[10]等。

文中以語(yǔ)義Web服務(wù)的一般結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)其三大主流建?？蚣躉WL-S[11]，IRS和WSMO[12]從行為、體系結(jié)構(gòu)和服務(wù)本體等方面進(jìn)行比較分析，對(duì)語(yǔ)義Web服務(wù)的建模有一定的參考價(jià)值。

1 語(yǔ)義Web服務(wù)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，圍繞語(yǔ)義Web服務(wù)的研究大多是從行為、體系結(jié)構(gòu)和服務(wù)本體三個(gè)方面展開(kāi)的。行為定義了包括服務(wù)的發(fā)布、配置、發(fā)現(xiàn)、選擇、組合、調(diào)用以及本體管理等支撐語(yǔ)義Web服務(wù)的多種功能；體系結(jié)構(gòu)則定義了包括注冊(cè)機(jī)、推理機(jī)、分解器、匹配子以及觸發(fā)器等一系列實(shí)現(xiàn)上述行為的各種組件；服務(wù)本體定義了服務(wù)的輸入輸出、執(zhí)行的前提條件和執(zhí)行后得到的結(jié)果、服務(wù)的類(lèi)型以及服務(wù)的質(zhì)量等，主要從概念上對(duì)服務(wù)作了最本質(zhì)的描述。

三者相輔相成，從宏觀到微觀構(gòu)成了語(yǔ)義Web服務(wù)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 語(yǔ)義Web服務(wù)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

2 語(yǔ)義Web服務(wù)主流建?？蚣?/h2>

語(yǔ)義Web服務(wù)整合了語(yǔ)義Web技術(shù)和Web服務(wù)機(jī)制，為智能化解決Web服務(wù)問(wèn)題提出了一個(gè)新的發(fā)展方向。其服務(wù)建模是在傳統(tǒng)的Web服務(wù)的基礎(chǔ)上增加語(yǔ)義信息，使得服務(wù)的知識(shí)表示形式既能夠被人理解也能夠被機(jī)器分析處理。除了簡(jiǎn)單服務(wù)、I/O等信息功能，服務(wù)還包括在應(yīng)用環(huán)境下的組合服務(wù)，包括控制流和數(shù)據(jù)流兩部分，通常語(yǔ)義Web服務(wù)建模包括兩種，即對(duì)原子服務(wù)的建模以及對(duì)組合服務(wù)的建模。

當(dāng)前，從事語(yǔ)義Web服務(wù)研究的組織和機(jī)構(gòu)提出了一系列構(gòu)建語(yǔ)義Web服務(wù)的理論和方法，其中最著名的、同時(shí)也得到行業(yè)廣泛認(rèn)可的語(yǔ)義Web服務(wù)框架是：斯坦福大學(xué)、馬里蘭大學(xué)和卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)等機(jī)構(gòu)提出的OWL-S；來(lái)自知識(shí)管理項(xiàng)目KMI工作組的IRS；歐洲委員會(huì)和愛(ài)爾蘭科學(xué)基金等多個(gè)組織提出的WSMO。

2.1 OWL-S

OWL-S是由“DAML(DARPA Agent Markup Language for Services)計(jì)劃”定義的關(guān)于語(yǔ)義Web服務(wù)的基于本體描述的語(yǔ)言體系[13]。通過(guò)對(duì)Web服務(wù)進(jìn)行邏輯化描述，形成相關(guān)的描述方法，以支持機(jī)器和機(jī)器之間的相互理解。以此為核心的OWL-S語(yǔ)言構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)的自動(dòng)處理，比如服務(wù)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)的調(diào)用、服務(wù)的組合及監(jiān)視等。從體系框架來(lái)看，OWL-S本體形成一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，以概念類(lèi)為基本的組織形式，這種概念類(lèi)主要表現(xiàn)為服務(wù)的形式，因此也將這些概念類(lèi)稱(chēng)為服務(wù)類(lèi)，其主要包含三個(gè)基本屬性：表示、支持和被描述，如圖2所示。

圖2 OWL-S的頂層本體

OWL-S包括三個(gè)組件，服務(wù)概要描述服務(wù)是做什么的，即服務(wù)的功能，服務(wù)搜尋代理通過(guò)服務(wù)概要實(shí)現(xiàn)服務(wù)的選擇和匹配，尋找到滿(mǎn)足服務(wù)請(qǐng)求者所需求的Web服務(wù)；服務(wù)基點(diǎn)描述怎樣訪問(wèn)服務(wù)，即服務(wù)的訪問(wèn)方式；服務(wù)模型描述服務(wù)是怎么做的，即實(shí)現(xiàn)服務(wù)的具體細(xì)節(jié)。

WSDL與UDDI使Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，OWL-S則使得Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)智能化。但是，在目前的Web框架下，語(yǔ)義Web并沒(méi)有廣泛應(yīng)用，因此，在缺乏語(yǔ)義的狀況下，縱使OWL-S具有一定的優(yōu)越性，也無(wú)法發(fā)揮最大的功效，很難得到廣泛的應(yīng)用。

圖2中，服務(wù)概要是用來(lái)描述服務(wù)功能的，告訴用戶(hù)服務(wù)的總體信息，在Web服務(wù)發(fā)布機(jī)制中起到了發(fā)布服務(wù)廣告的作用，用戶(hù)看到以后，根據(jù)自己的服務(wù)需求能夠精準(zhǔn)地進(jìn)行服務(wù)判決；服務(wù)模型用來(lái)描述服務(wù)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的運(yùn)行方式以及執(zhí)行流程；服務(wù)基點(diǎn)通過(guò)提供服務(wù)調(diào)用過(guò)程中的通信協(xié)議以及消息格式等具體細(xì)節(jié)，進(jìn)而提供服務(wù)方位方式的具體方案，用戶(hù)通過(guò)服務(wù)基點(diǎn)即可知道如何與Web服務(wù)進(jìn)行存取等通信信息。

2.2 IRS

IRS是Open University開(kāi)發(fā)的一種框架結(jié)構(gòu)，它將各個(gè)Web服務(wù)利用語(yǔ)義描述其功能，通過(guò)語(yǔ)義推理服務(wù)提供對(duì)上下文知識(shí)的理解，支持Web服務(wù)的發(fā)布、定位、組合以及執(zhí)行，其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 IRS框架體系結(jié)構(gòu)

由IRS服務(wù)器、IRS發(fā)布器和IRS客戶(hù)機(jī)三大部分組成，通過(guò)SOAP(Simple Object Access Protocol)[14]協(xié)議進(jìn)行交互。SOAP不僅可以完成服務(wù)通信功能，而且在安全實(shí)現(xiàn)方面有更多的機(jī)制。

IRS服務(wù)器對(duì)語(yǔ)義Web服務(wù)的不同層次進(jìn)行了描述。一方面，它使用OCML語(yǔ)言從內(nèi)部組件知識(shí)層面進(jìn)行描述。另一方面，將知識(shí)層面的描述和特定的Web服務(wù)之間的關(guān)系利用集合進(jìn)行映射。IRS發(fā)布器在IRS服務(wù)器中連接了Web服務(wù)和語(yǔ)義描述。IRS客戶(hù)端負(fù)責(zé)請(qǐng)求需要完成的任務(wù)，調(diào)用恰當(dāng)?shù)腤eb服務(wù)。

2.3 WSMO

WSMO是一個(gè)概念模型，它通過(guò)形式化描述語(yǔ)言對(duì)WSMF[15]進(jìn)行擴(kuò)展，并細(xì)化了WSMF中描述語(yǔ)義Web服務(wù)的本體、目標(biāo)、Web服務(wù)以及中介器4個(gè)要素，其目的是為語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的核心元素提供本體化說(shuō)明和描述，從而更好地支持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、整合以及交互。其整體框架如圖4所示。

本體提供了對(duì)某一領(lǐng)域的正式描述和共享概念，為Web服務(wù)的交互信息提供正式語(yǔ)義，方便Web服務(wù)整合；目標(biāo)描述了當(dāng)客戶(hù)請(qǐng)求服務(wù)時(shí)可能持有的目的，它詳述了客戶(hù)端對(duì)某個(gè)Web服務(wù)的功能要求，也描述其期望的與Web服務(wù)的交互方式；Web服務(wù)描述了其所提供的功能以及在Internet上的業(yè)務(wù)接口；中介器提供了整合多個(gè)Web服務(wù)聯(lián)合作業(yè)中產(chǎn)生的誤匹配問(wèn)題的一般機(jī)制。

圖4 WSMO框架結(jié)構(gòu)

3 語(yǔ)義Web服務(wù)建?？蚣鼙容^分析

3.1 行 為

行為定義了支撐語(yǔ)義Web服務(wù)的各種功能及功能組合，在行為方面，幾種建模的核心框架各有各的優(yōu)勢(shì)。OWL-S通過(guò)良好的服務(wù)框架構(gòu)建，對(duì)服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)選擇、服務(wù)組合、服務(wù)配置以及知識(shí)本體庫(kù)的服務(wù)觸發(fā)能夠提供良好的支持，特別是在服務(wù)發(fā)現(xiàn)方面能夠發(fā)現(xiàn)隱含的深層次的服務(wù)對(duì)象，對(duì)于構(gòu)建整體服務(wù)、形成綜合服務(wù)組合具有重要意義；IRS通過(guò)設(shè)立專(zhuān)用的服務(wù)發(fā)布器，對(duì)于服務(wù)的發(fā)布進(jìn)行專(zhuān)門(mén)處理，在新服務(wù)產(chǎn)生時(shí)可以及時(shí)地發(fā)布新服務(wù)，并且通過(guò)其IRS服務(wù)單元對(duì)專(zhuān)門(mén)服務(wù)對(duì)象提供領(lǐng)域知識(shí)服務(wù)，利用領(lǐng)域知識(shí)調(diào)用來(lái)提供領(lǐng)域內(nèi)的服務(wù)組合。WSMO通過(guò)構(gòu)建專(zhuān)用的服務(wù)發(fā)現(xiàn)架構(gòu)，實(shí)施服務(wù)發(fā)現(xiàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為語(yǔ)義本體服務(wù)的核心元素提供本體化說(shuō)明，使所提供的服務(wù)描述更加詳細(xì)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)更為精確，從而更好地支持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、整合以及交互等行為。

3.2 體系結(jié)構(gòu)

體系結(jié)構(gòu)定義了一系列實(shí)現(xiàn)上述行為的組件。從體系結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，三大建模框架各不相同，各有其側(cè)重點(diǎn)。IRS構(gòu)建了較為完善的體系結(jié)構(gòu)，其核心框架由IRS服務(wù)器模塊、IRS發(fā)布器模塊和IRS客戶(hù)端模塊組成，通過(guò)基于XML的SOAP協(xié)議提供各個(gè)模塊之間的通信，并負(fù)責(zé)通信過(guò)程中的安全保障。IRS服務(wù)器模塊通過(guò)SOAP協(xié)議將功能說(shuō)明文檔映射到具體的Web服務(wù)上。當(dāng)接收到獨(dú)立代碼描述的Web服務(wù)后，IRS發(fā)布器模塊首先將上述代碼描述方式轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)，然后利用映射將IRS服務(wù)器中相應(yīng)的語(yǔ)義描述與解析出的Web服務(wù)建立關(guān)聯(lián)信息，最后，用戶(hù)提出服務(wù)任務(wù)請(qǐng)求，可以通過(guò)任務(wù)觸發(fā)機(jī)制在IRS服務(wù)器上找到并觸發(fā)相應(yīng)服務(wù)。OWL-S沒(méi)有為其服務(wù)本體制定具體的執(zhí)行框架，采用若干組件來(lái)支持OWL-S的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。WSMO建模體系結(jié)構(gòu)的核心是服務(wù)發(fā)布與自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，這些過(guò)程是通過(guò)位于遠(yuǎn)程的服務(wù)注冊(cè)服務(wù)器來(lái)完成的，服務(wù)注冊(cè)服務(wù)器的核心是中介器，它可以控制Web服務(wù)以及服務(wù)發(fā)現(xiàn)過(guò)程的交互。

3.3 服務(wù)本體

服務(wù)本體從概念上對(duì)服務(wù)進(jìn)行本質(zhì)描述。從服務(wù)本體的角度來(lái)看，OWL-S建?？蚣?、IRS建?？蚣芎蚖SMO建?？蚣艿倪壿嫽A(chǔ)和服務(wù)本體構(gòu)建方法不盡相同。從本體模型的角度來(lái)說(shuō)，IRS的服務(wù)本體包括問(wèn)題求解方法本體和任務(wù)本體兩部分，其中任務(wù)本體主要包含基于描述邏輯的領(lǐng)域本體。通過(guò)分離Web服務(wù)的描述與Web服務(wù)的實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)了Web服務(wù)調(diào)用過(guò)程的靈活性，但是這樣的分離也帶來(lái)了一些弊端，主要表現(xiàn)在：IRS服務(wù)本體規(guī)范化要求不高，導(dǎo)致處理本體服務(wù)的靈活性較大，加之本體使用過(guò)程中應(yīng)用領(lǐng)域的差別，使得應(yīng)用領(lǐng)域難以達(dá)到統(tǒng)一，從而無(wú)法完成統(tǒng)一管理本體的目標(biāo)；本體無(wú)法統(tǒng)一也導(dǎo)致不同領(lǐng)域本體之間難以融合，使多領(lǐng)域推理難度加大，降低了推理知識(shí)庫(kù)的適用范圍。WSMO本體是基于一階邏輯的本體，它通過(guò)形式化的規(guī)格說(shuō)明達(dá)到服務(wù)的匹配、組合和調(diào)用目的，雖然其推理能力有所增強(qiáng)，但受到一階邏輯的推理能力制約，其推理功能及服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能受到一定的限制。OWL-S是基于描述邏輯的本體服務(wù)描述，服務(wù)本體采用概念化的表示方法，能夠描述邏輯所具有的具體特性，雖然無(wú)法明顯地表達(dá)任務(wù)的概念，但它是建立在語(yǔ)義Web技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之上的，具有強(qiáng)大的邏輯表達(dá)能力，本體規(guī)范化程度較高，管理較容易。

根據(jù)上述分析與比較，OWL-S基于面向代理的思想規(guī)范了一系列基于OWL的服務(wù)本體；IRS則是從可重用的知識(shí)組件方法演化而來(lái)，易于使用且得到了很多應(yīng)用的支持；WSMO主要采用面向業(yè)務(wù)的方法，致力于解決要求具有信任與安全機(jī)制的電子商務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

從行為的角度來(lái)看，三種方法都有各自的優(yōu)勢(shì)；從體系結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，IRS相比另外兩種建?？蚣茌^為完善，也更為實(shí)用；從服務(wù)本體的角度來(lái)看，OWL-S具有表達(dá)能力強(qiáng)、規(guī)范程度高等優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在分析語(yǔ)義Web服務(wù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從行為、體系結(jié)構(gòu)和服務(wù)本體的角度分析比較了當(dāng)前語(yǔ)義Web服務(wù)三大主流建?？蚣艿奶攸c(diǎn)，對(duì)語(yǔ)義Web服務(wù)的建模具有一定的參考價(jià)值?？傊蠼？蚣芨骶咛厣?，也可相互補(bǔ)充，它們分別為不同的應(yīng)用領(lǐng)域提供不同的Web服務(wù)，在具體的應(yīng)用環(huán)境中究竟采用哪種建?？蚣芤鶕?jù)需要支持的服務(wù)類(lèi)型、體系結(jié)構(gòu)要求以及語(yǔ)義描述形式等功能需求進(jìn)行具體的分析與選擇。當(dāng)然，三種主流建模框架也有各自的缺陷，現(xiàn)有的語(yǔ)義Web服務(wù)建?？蚣苡写M(jìn)一步的完善。

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Comparative Research on Modeling Framework Based on Semantic Web Services

LIN Guan-cheng

(College of Media Engineering,Weinan Normal University,Weinan 714099,China)

As a new mode of Web application,Web Service can get rid of the restrictions,such as the hardware platform,operating system and programming language,and provide technical support for the service of cross-platform and cross-industry.In order to overcome the traditional text matching method and information organization form and improve the intelligent level of Web Service and enhance the accuracy of service matching,it describes the capabilities and attributes of Web Service from the semantic level,combined semantic Web technology and Web Service mechanism,the properties of mainstream semantic Web Service modeling framework is discussed,such as OWL-S,IRS,WSMO,which provides ontology description method for service users on the basis of analyzing the structure of semantic Web Service.Finally,it compares and analyzes the similarities and differences of mainstream semantic Web Service modeling framework from activity,architecture and service ontology.Meanwhile,it prospects the development trend of semantic Web Service modeling framework,which is helpful for the modeling of semantic Web Service and its improvement.

semantic Web Service;modeling framework;service description;architecture;service ontology

2015-04-16

2015-07-23

時(shí)間：2016-01-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179157)；陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(12JK0745)；渭南師范學(xué)院理工類(lèi)人才基金項(xiàng)目(15ZRRC13)

林關(guān)成(1974-)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160104.1510.052.html

TP311

A

1673-629X(2016)01-0163-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.01.035