馮汝康

（內(nèi)蒙古自治區(qū)煙草公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010）

0 引言

隨著軟件工業(yè)的發(fā)展，軟件產(chǎn)品的實現(xiàn)過程和技術(shù)愈發(fā)復(fù)雜化。為實現(xiàn)軟件的高度重用性，基于組件的軟件開發(fā)（Component Based Software Development，CBSD）方法被提出［1］，同時Web 服務(wù)的廣泛使用和面向服務(wù)架構(gòu)（Ser?vice-oriented Architecture，SOA）的快速發(fā)展導(dǎo)致大量不同類型的功能組件出現(xiàn)。如何在數(shù)量眾多的功能組件中發(fā)現(xiàn)滿足應(yīng)用系統(tǒng)需求的功能組件并實現(xiàn)動態(tài)綁定是亟待解決的問題。

目前，已有大量文獻(xiàn)對功能組件進(jìn)行了研究。例如，文獻(xiàn)［1-4］研究了基于組件的軟件開發(fā)技術(shù)、平臺框架設(shè)計以及發(fā)展現(xiàn)狀；文獻(xiàn)［5-9］重點研究了語義網(wǎng)絡(luò)的含義、表示方法、邏輯推理等基本概念以及相關(guān)工具，同時還研究了依據(jù)組件功能進(jìn)行語義描述與推理的方法；文獻(xiàn)［10-14］重點研究了基于UDDI 和jUDDI 實現(xiàn)功能組件管理框架的算法；文獻(xiàn)［15-20］重點研究了基于OQS 的Web 服務(wù)發(fā)現(xiàn)、功能組件選擇與動態(tài)綁定算法，并闡述了如何優(yōu)化算法性能。本文在以上研究成果的基礎(chǔ)上研究Web 服務(wù)的多種調(diào)用方法，基于Web 服務(wù)調(diào)用框架（Web Service In?vocation Framework，WSIF）的功能組件統(tǒng)一調(diào)用語義網(wǎng)絡(luò)及OWL-S，提出基于語義推理的功能組件動態(tài)綁定框架。

1 Web服務(wù)

萬維網(wǎng)協(xié)會（Worldwide Web Consortium，W3C）給出了Web 服務(wù)的定義，即可以跨平臺操作，將因特網(wǎng)、外聯(lián)網(wǎng)以及內(nèi)聯(lián)網(wǎng)連接的分布式服務(wù)器上的應(yīng)用集成到一起的服務(wù)［2-3］。Web 服務(wù)是單一、組件化的程序功能模塊，能夠在網(wǎng)絡(luò)，特別是萬維網(wǎng)上進(jìn)行描述、發(fā)布、定位及調(diào)用。Web服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)包含3 個角色，分別為Web 服務(wù)提供者（Provider）、Web 服務(wù)請求者（Requester）和Web 服務(wù)管理者（Registry），以及3 個操作，分別為發(fā)布、查找、綁定。3個操作分別使用3 種完全不同的技術(shù)，其中發(fā)布服務(wù)采用UDDI 統(tǒng)一描述、發(fā)現(xiàn)和集成，查找服務(wù)采用UDDI 和WS?DL 的組合，綁定服務(wù)采用WSDL 和SOAP。無縫的互操作得以實現(xiàn)正是由于Web 服務(wù)提供者和請求者均支持和使用SOAP 規(guī)范。

2 Web服務(wù)調(diào)用與WSIF

Web 服務(wù)是基于WSDL、SOAP 等統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的應(yīng)用程序，其通常在底層通過綁定Http 等成熟的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行交互，因此調(diào)用Web 服務(wù)可以通過編寫Http 請求消息實現(xiàn)，通常使用HttpClient、Xfire、axis2 生成stub 以及Apache的Web服務(wù)項目中開源的子項目WSIF［4］實現(xiàn)。

WSIF 對外提供簡單的接口，用戶使用WSIF 調(diào)用Web服務(wù)，無需知道該Web 服務(wù)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)［21］。WSIF 還提供了一組基于WSDL 文件的調(diào)用接口，即只要是使用WSDL文件描述的服務(wù)都可以使用WSIF 調(diào)用，如Web 服務(wù)、本地Java類、EJBs、JMS services 等類型的組件。

3 語義描述

語義網(wǎng)絡(luò)是人工智能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種知識表達(dá)形式，互聯(lián)網(wǎng)中的語義網(wǎng)絡(luò)即Semantic Web，其通過將自由文本內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以便計算機(jī)程序自動處理Web 內(nèi)容［22］。語義推理則是計算機(jī)基于語義網(wǎng)絡(luò)對不同概念進(jìn)行推理，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在關(guān)系，以實現(xiàn)智能化處理。

3.1 語義網(wǎng)絡(luò)

語義網(wǎng)絡(luò)通過給萬維網(wǎng)上的文檔（如HTML）添加通用的語義（Meta data）信息，使計算機(jī)能夠理解文檔所包含的語義而自動處理。例如文獻(xiàn)［5］中將語義網(wǎng)絡(luò)看成Web 向結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的演進(jìn)，給出的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 OWL與OWL-S

Fig.1 Semantic Web architecture圖1 語義Web體系結(jié)構(gòu)

OWL 是一種語義Web 本體描述語言，包括3 個子語言，分別為OWL Full、OWL DL 和OWL Lite。文獻(xiàn)［6］在DAML-S 的基礎(chǔ)上提出一個用于描述Web 服務(wù)屬性和功能的OWL 本體規(guī)范OWL-S，而采用OWL-S 描述的Web 服務(wù)是計算機(jī)可以理解的。OWL-S 主要從3 個方面對Web服務(wù)進(jìn)行刻畫，分別為ServiceProfile、ServiceModel、Service?Grounding，其中ServiceProfile 描述服務(wù)做什么，Service?Model描述服務(wù)如何工作以及具體的邏輯執(zhí)行順序等，Ser?viceGrounding 描述如何訪問服務(wù)以及與服務(wù)具體實例相關(guān)的屬性［23］。

3.3 功能組件語義描述

功能組件語義描述十分重要，有了相關(guān)語義信息的描述，在發(fā)現(xiàn)功能組件時便可以進(jìn)行語義匹配，提高匹配質(zhì)量。

使用OWL-S 描述Web 服務(wù)的語義信息，其他類型的功能組件可以封裝為Web 服務(wù)，然后通過使用OWL-S 描述封裝后Web 服務(wù)的語義信息間接描述相應(yīng)功能組件的語義信息。封裝對于Web 服務(wù)組件本身的功能、參數(shù)類型都沒有影響，只是改變了對外發(fā)布信息的形式和調(diào)用方式，因此可以直接將描述Web 服務(wù)功能的OWL-S 文件用于描述具有相同功能的其他類型功能組件。在描述其他語義信息，如接口、參數(shù)、組件模型等，只需填入相應(yīng)的信息，便可以借助Jena 等開源軟件包提供的推理功能實現(xiàn)基于語義的推理。

Jena 是一個開源的基于Java 開發(fā)的Web 工具包，其提供了基于語義推理的API，用于解析RDF、RDFS 及OWL 本體，同時還包括一個基于規(guī)則的推理引擎，用戶可以定制推理規(guī)則。Jena 的接口說明及詳細(xì)使用方法參見文獻(xiàn)［7］。

4 基于語義推理的功能組件動態(tài)綁定

功能組件數(shù)量眾多，具有同一種功能的組件也有很多，調(diào)用時需要進(jìn)行功能組件動態(tài)綁定，主要包括兩個步驟：一個是基于語義推理的功能組件發(fā)現(xiàn)，即發(fā)現(xiàn)滿足應(yīng)用系統(tǒng)需求的所有功能組件；另一個是動態(tài)綁定最優(yōu)功能組件，即依據(jù)功能組件此時的負(fù)載程度與服務(wù)質(zhì)量，選擇一個負(fù)載最低、服務(wù)質(zhì)量最高的功能組件進(jìn)行綁定［8］。在Web 服務(wù)上的兩個操作已有很多研究成果，例如文獻(xiàn)［9］提出一種基于Web 服務(wù)質(zhì)量評價模型和負(fù)載平攤策略的Web 服務(wù)動態(tài)綁定算法?；谝陨涎芯砍晒?，本文提出基于語義推理的功能組件動態(tài)綁定框架，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Fig.2 Framework structure of dynamic binding of functional compo?nents圖2 功能組件動態(tài)綁定的框架結(jié)構(gòu)

4.1 基于jUDDI的功能組件管理

UDDI 是一種目錄服務(wù)，企業(yè)可以使用它對Web ser?vices 進(jìn)行注冊和搜索，用戶能夠通過它快速、便捷、動態(tài)獲取Internet 上的服務(wù)［24］。Apache jUDDI 是采用Java 開發(fā)的一個開源UDDI 項目，其提供了基本的服務(wù)管理功能，包括服務(wù)信息存儲、服務(wù)注冊以及基于關(guān)鍵字匹配的服務(wù)發(fā)現(xiàn)，然而jUDDI 缺少對語義的描述，目前已有很多擴(kuò)展UD?DI可使其支持語義描述的方法［10-12］。

本文通過修改jUDDI 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在tModel 中添加一項指向語義描述文件存放位置（對于網(wǎng)絡(luò)上的資源可以是URI 地址）。將各種功能組件注冊到本地jUDDI 上，從其上發(fā)現(xiàn)功能組件并進(jìn)行動態(tài)綁定［13］。具體修改內(nèi)容為：①添加語義文件鏈接項，在tModel 數(shù)據(jù)表中添加一個SEMAN?TIC_URI 項；②修改源代碼，將源代碼中出現(xiàn)OverviewDoc和OverviewURL 的地方都添加上SemanticDoc 和Semanti?cURI 的對應(yīng)代碼；③在org.apache.juddi.datatype 中編寫Se?manticDoc 類和SemanticURI 類；④在org.apache.juddi.han?dler 中編寫SemanticDocHandler 類和SemanticURIHandler類；⑤修改相應(yīng)的類，添加與OverviewDoc 和OverviewURL相似的代碼。

此外，為了可以在jUDDI 上存儲和統(tǒng)一管理其他類型的功能組件，本文在Web 服務(wù)信息模版的基礎(chǔ)上添加相應(yīng)功能組件信息。表1 中列出了幾項本地Java 類與Web 服務(wù)在注冊時所需信息的對應(yīng)關(guān)系。

4.2 功能組件發(fā)現(xiàn)

功能組件發(fā)現(xiàn)是指從注冊在組件代理系統(tǒng)上的功能組件中發(fā)現(xiàn)滿足應(yīng)用系統(tǒng)需求的功能組件。本文在對jUDDI進(jìn)行擴(kuò)展的基礎(chǔ)上，對功能組件進(jìn)行統(tǒng)一語義匹配。

Table 1 Information correspondence relationship表1 信息對應(yīng)關(guān)系

首先基于公共領(lǐng)域本體庫和Jena 的推理機(jī)制，推理出應(yīng)用系統(tǒng)請求文件中三代以內(nèi)的相關(guān)關(guān)鍵字，形成請求關(guān)鍵字集；然后使用jUDDI 對這些關(guān)鍵字進(jìn)行功能組件發(fā)現(xiàn)，得到功能組件候選集合，最后進(jìn)行語義匹配。具體步驟為：①解析應(yīng)用系統(tǒng)請求XML 文件，獲得與功能相關(guān)的關(guān)鍵字；②在領(lǐng)域本體中推理查詢?nèi)詢?nèi)的關(guān)鍵字，形成請求關(guān)鍵字集合；③基于關(guān)鍵字匹配進(jìn)行功能組件發(fā)現(xiàn)，對于請求關(guān)鍵字集合中的每個關(guān)鍵字，在jUDDI 中進(jìn)行匹配，獲得進(jìn)行語義服務(wù)匹配的候選功能組件集合；④采用OWL 文件解析器解析出輸入/輸出、前提/效果元素，再分別送入IOPE 匹配器中進(jìn)行IO 和PE 匹配，具體匹配方法參見文獻(xiàn)［14］；⑤IOPE 匹配器根據(jù)功能組件輸入、輸出、前提、效果的匹配度排序形成一個候選功能組件集合；⑥如果沒有找到滿足應(yīng)用系統(tǒng)需求的功能組件，則將該應(yīng)用系統(tǒng)請求文件發(fā)布到ESB 和網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行更大范圍的服務(wù)發(fā)現(xiàn)。

4.3 功能組件動態(tài)綁定

功能組件動態(tài)綁定是指在通過功能組件發(fā)現(xiàn)得到的滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能需求的功能組件候選集合中選擇一個功能組件進(jìn)行實際調(diào)用以響應(yīng)用戶請求。其選擇依據(jù)多種多樣，可以是功能組件的負(fù)載程度、質(zhì)量高低（響應(yīng)時間、可靠性、可信度等質(zhì)量屬性）。動態(tài)綁定流程如圖3所示。

Fig.3 Flow of dynamic binding圖3 動態(tài)綁定流程

具體步驟為：①對候選功能組件集合中的每個功能組件進(jìn)行預(yù)調(diào)用處理，記錄功能組件通用QoS 屬性（如功能組件當(dāng)時的負(fù)載程度、響應(yīng)時間等）的取值，并將這些取值存儲到QoS 屬性庫中；②如果有當(dāng)時可用的本地功能組件則選擇該功能組件，否則計算功能組件的QoS 質(zhì)量總值［15-20］，并依據(jù)服務(wù)質(zhì)量高低進(jìn)行等級排序，從集合中刪除服務(wù)質(zhì)量等級相對較低的功能組件；③根據(jù)功能組件評價結(jié)果確定最優(yōu)綁定功能組件；④進(jìn)行實際綁定，調(diào)用相應(yīng)的功能組件。

本地功能組件在服務(wù)質(zhì)量方面與網(wǎng)絡(luò)上的功能組件相比有很大優(yōu)勢，如果候選功能組件集合中有該功能組件，則優(yōu)先綁定本地實現(xiàn)的功能組件；當(dāng)有不同類型的本地功能組件時，則綁定與應(yīng)用系統(tǒng)同屬統(tǒng)一平臺的功能組件。

4.4 實際案例數(shù)據(jù)比較

以向卷煙零售戶推送卷煙訂單服務(wù)為例，該服務(wù)需要綁定獲取零售戶銷售周期、零售戶單品卷煙銷售情況、零售戶單品卷煙庫存情況、零售戶資金情況，然后形成并推送訂單服務(wù)。采用傳統(tǒng)方法與本文方法構(gòu)建應(yīng)用的時間分別見表2、表3。傳統(tǒng)方法共需要37.5min，基于語義推理的功能組件動態(tài)綁定框架共需要7min，可見該框架框建應(yīng)用系統(tǒng)的效率比傳統(tǒng)方法提高了4倍。

Table 2 Time consumption of traditional method表2 傳統(tǒng)方法耗時

Table 3 Time consumption of dynamic binding framework of func?tional components for semantic reasoning表3 基于語義推理的功能組件動態(tài)綁定框架耗時

5 結(jié)語

本文研究了Web 服務(wù)的多種調(diào)用方法，并在WSIF 功能組件統(tǒng)一調(diào)用、語義網(wǎng)絡(luò)及OWL-S 的基礎(chǔ)上，提出了基于語義推理的功能組件動態(tài)綁定框架。該框架能動態(tài)發(fā)現(xiàn)并綁定滿足需求的功能組件，根據(jù)需求快速構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)，免去了人工比對服務(wù)描述、重新綁定功能組件的步驟，提高了應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建效率。目前該框架還有很多需要優(yōu)化和解決的問題，下一步將重點研究語義推理與功能組件匹配算法，進(jìn)一步提高匹配效率。