计算机毕业设计论文基于web服务的服务查找技术的研究.docx
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计算机毕业设计论文基于web服务的服务查找技术的研究
基于web服务的服务查找技术的研究
[摘要]随着Internet的发展和电子商务的迅速崛起，基于web的应用模式也迅速发展，应用系统模式开始向着局部化到全球化，封闭式到开放式，B2C到B2B，集中式到分布式的方向发展，其中web服务成为解决这种变化的有效的方案，特别是在现今应用极其广泛的电子商务领域里。
Web服务是一个崭新的分布式计算模型，是web上数据和信息集成的有效机制。
随着Internet上服务数量的剧增，如何实现服务的按需发现，以保证服务的有效复用和集成，对提高网络环境下软件系统的生产效率和质量，以及实现跨组织的业务集成具有重要的意义。
因此web服务查找是web服务中一个至关重要的关键技术，为web服务更高层的应用提供最基础的技术支持。
服务查找也称服务发现或服务匹配，它主要包括两个方面的问题：
服务描述以及服务匹配。
本文就将从这两个方面对服务发现技术进行探讨，着重介绍了当前比较成熟的服务描述语言WSDL以及服务发现系统规范UDDI，并在此基础上，提出了一个基于两层过滤匹配算法的服务匹配框架，通过文本过滤和功能过滤，来弥补UDDI基于关键字的查找在服务的查全率和查准率上的局限性。
在文本过滤中提出了一个二级关键字机制，提高了服务的查全率，功能过滤则通过基于树的结构化匹配算法，提高服务的查准率。
此外，由于WSDL不包含语义信息，在实现服务的自动化发现和集成方面存在着很大的问题，因此本文还探讨了web服务发现的新方向—语义web服务发现中语义web服务描述语言OWL-S以及语义web服务匹配问题，描述了未来web服务发展的新方向。
[关键词]：
web服务，服务描述，服务匹配，语义web服务
ResearchonTechnologyofServiceDiscovery
BasedonWebServices
ComputerScienceandTechnology
Student:
ZhangLingAdviser:
ChenLiangyin
[Abstract]WiththedevelopmentofInternetandrapidrisingofe-commerce,theapplicationmodelbasedonwebhasrapidlybeendeveloping.Themodelofapplicationsystemhasalsobeendevelopedfromthelocaltoglobalization,fromclosedtoopen,fromB2CtoB2B,fromcentralizedtodistributed,thatwebserviceshasbecametheeffectivesolutions,especiallyintheareaofelectroniccommerce.Webservicesareanewdistributedcomputingmodel,andalsotheeffectiveintegrationmechanismofwebdataandinformation.WiththeincreasingnumberofInternetservices,howtomakeservicesdiscoveryeffectivelyguaranteeservicereusesandcompositioncompatibilityareofgreatimportancebothinqualityandimprovementofInternetsoftwareproductionefficiencyandintheimplementationofcross-organizationbusinessintegration.Thereforewebservicesearchingisapivotaltechnologyinwebservices,andprovidesabasictechnicalsupportforthehigherlevelapplication.Servicesearchingisalsocalledservicediscoveryorservicematching,whichmainlyincludestwoissues:
servicedescriptionandservicematching.Thispaperwilldiscussthetwoaspectsofwebservicediscovery,focusingonthecurrentrelativelymatureservicedescriptionlanguageWSDLandUDDI,andonthisbasistoachieveatwo-tirefilteringmatchingforthematchingalgorithm—textfilteringandfunctionalityfiltering.ComparedtotheUDDIdiscoverymechanismbasedonkey-words,thisalgorithmwillbemorepreciseandgeneral.Intextfiltering,Iproposedatwo-tierkeywordmechanismtoimprovetheprecise
Functionalityfilteringcanenhancecomprehensivenessthroughthestructuredmatchalgorithmbasedonthedatastructureoftree.Inaddition,thispaperincludesthenewdevelopmentdirectionofwebservices——semanticwebservicesanditsdescriptionlanguage,matchalgorithms.
[Keywords]:
webservices,servicesdescription,servicesmatching,semanticwebservices
1绪论
本章简要概述了web服务查找技术的研究背景，以及国内外的研究现状，并介绍了论文的整个的结构
1.1研究背景
20世纪80年代，Internet的诞生改变了人们的生活，到90年代，TimBerners-Lee发明了一种可以访问全球Internet资源的技术，这就是现在人们所熟知的万维网（WWW,WorldWideWeb），也即web的产生［1］。
随后所有有关WWW的各种技术都统称为web技术。
经过将近二十年的发展，web技术的应用在Internet中已经完全占据了主导地位。
随着web的迅速普及，基于web的应用也从最初的简单应用延伸到种类日益繁多的复杂应用和计算。
由于web应用所处的Internet环境的开放性和分布性，一种新的计算模型—分布式计算技术出现了。
web应用逐步发展成为由一个或多个软件实体在开放的分布的软件环境中协同工作来完成任务。
web服务作为新一代的开放分布式计算技术，又实现了一种新的计算模式—面向服务的计算，它吸收了分布式计算机技术发展的成功经验，在现有的平台环境中添加了一个中间层，屏蔽了平台之间软硬环境的差异，实现了各个异构平台上的信息共享和相互协作。
web服务是部署在web上的自包含，自描述，模块化的应用，可以在web中被描述，发布，查找以及调用［2］。
web服务具有高度的互操作性，跨平台性，使用协议的规范性，高度可集成性和松散耦合等特征，是一种分布式的软件构件，服务提供者将服务功能接口发布到网络上，服务使用者可以从网络上查找到需要的服务，得到所需的服务后再连接到服务提供者的服务器上，调用它提供的某项功能。
当前web用户的需求正向智能化，个性化和综合化的方向发展，web服务正成为一种为用户提供更加综合，个性化服务的有效解决平台，它很容易的就能将一些现有的应用系统集成为新的系统，因此在电子商务领域应用及其广泛。
但随着web服务的发展和广泛使用，目前网络上的web服务数量正在不断的上升，并且各个服务分布在不同的地域和服务器上，如何在这庞大的web服务群集中，实现服务的按需发现，以保证服务的有效复用和相容组合，对提高分布式网络环境下软件系统的生产效率和质量，以及实现跨组织的业务集成具有重要的意义。
服务发现主要涉及到两个问题：
（1）服务的描述，即服务提供者将以何种形式描述它所提供的服务。
如果服务描述能以一种规范化，通用化的格式来全面的描述服务的各个方面，将为服务匹配带来更便捷的方法，同时也会提高服务发现的精确度和全面性；
（2）服务的匹配算法，即采用何种方法来判定服务提供者和服务请求者之间有关服务的描述的匹配度。
也就是为服务请求者在所发布的服务中找到最匹配的服务。
算法的设计直接影响到服务发现的效率，同时也影响到服务发现的精确度和全面度。
1.2研究现状
随着web服务越来越广泛的应用，web服务发现已经成为面向服务计算领域的研究热点。
针对web服务发现，国内外的研究人员做了大量有意义的研究工作。
1.2.1web服务描述语言的研究现状
作为web服务发现中一个重要的部分，服务描述语言由最初的只描述服务的接口功能的语法级语言发展到提供对服务的行为约束和属性进行支持的语义级语言。
●WSDL［3］
Web服务描述语言目前统一的标准是WSDL，它由IBM,微软，Ariba在2000年9月共同制定，它使用XML进行描述，是对一个web服务的位置，支持的传输协议，接口（包括方法和方法的参数类型）和实现细节等等详细而明确的说明。
WSDL在技术层面上规范了如何对web服务所使用的数据类型进行定义，如何对正在通信的数据进行抽象定义，如何对服务支持的行为进行抽象描述，从而使异构系统相互间的调用成为可能，但是WSDL也仅仅只能提供这些语法层面上的信息，不能解释文档中的元素所表达的语义，这就使得机器无法理解其描述的功能，从而不能满足web服务自动发现的要求。
本文将在第三章详细讨论WSDL文档的结构。
●WSDL-S
WSDL-S最初是由美国Georgia大学LSDIS实验室项目组提出的，目前由IBM工作组和LSDIS实验室共同研究开发，并在2005年10月正式提交到W3C组织。
WSDL-S是通过对WSDL中的元素添加语义标注，对现有的web服务描述语言WSDL进行扩展，达到web服务描述增加语义描述的目的，它是一种轻量级的语义描述方法。
WSDL-S允许采用不同的语义描述语言来对web服务进行语义标注，例如OWL,WSMO甚至UML，因此这使得语义标注体制和具体的语义表达语言分离开来，更具灵活性。
WSDL-S为Web服务的XMLSchema类型和本体之间提供丰富的映射机制。
●OWL-S
OWL-S是国际语义web服务描述语言DAML-S（DARPAAgentMarkupLanguage-service）的后续版本。
DAML-S由BBNTechnologies,Nokia,SRIInternational,CMU,Stanford,Yale等联合提出，其目标是为机器提供精确的，可解释的一系列标识。
ServiceProfile是DAML-S的最重要组成部分，除基本描述外，使用输入（Input），输出（Output），前提条件（Precondition），和结果（Result）等元素来描述web服务的功能和行为。
但是ServiceProfile没有明确的给出通用Web服务质量属性信息，如执行时间，执行代价，安全性和可用性等。
未来服务描述语言将会向更全面的描述服务信息方向发展。
1.2.2web服务匹配技术研究现状
Web服务发现是web服务合成中最重要的部分，而web服务匹配又是web服务发现中最重要的部分。
从总体上看，语义web服务匹配是当前一个活跃的研究领域，研究人员已经提出了多种方案
●IBM,Microsoft，SUN公司提出的UDDI规范［4］（UniversalDescription,Discovery
andIntegration，统一描述，发现和集成）是一套基于web的，分布式的，为web服务提供信息的注册中心实现标准规范。
UDDI定义层次信息模型和采用预定义分类来管理服务提供者发布的服务描述WSDL。
其提供关键字匹配功能，包括精确匹配和模糊匹配（使用通配符），但不能很好的识别抽象语义。
●DAML研究组的Paolucci等人在DAML-S/OWL-S描述技术的基础上，从web服
务调用的角度提出了一个web服务匹配的基本准则及相应的匹配方法。
它们比较请求和服务描述的输入输出结构，当请求的输入集包含服务的输入集时，同时服务的输出集包含请求的输出集时，即认为服务与请求是匹配的
●Georgia大学的研究人员提出的web服务匹配方法综合考虑了语法，语义和操作
相似度，其中语义相似度度量采用基于特征的相似度度量模型（Feature-basedSimilarityModel），即根据概念之间属性的比较度量其相似程度。
●国内的研究主要由中国科学院的史忠植等人提出的基于描述逻辑的主体服务匹
配算法［5］，该算法的特点是将web服务表示为Concept:
Action（概念：
动作）的格式，然后运用描述逻辑对本体概念进行分层推理，从而实现相似度匹配。
1.3论文结构及论文的主要工作
接下来的第二章将会介绍web服务和web服务发现的基本概念，以及web服务的运行机制，即SOA架构。
并说明了web服务发现的两个组成部分：
服务描述和服务匹配，以及web服务发现需要完成的任务；
第三章是本文的重点，在介绍了XML等相关技术的基础上，详细解释了WSDL文档中各个元素的意义，还讨论了现在比较成熟的UDDI技术规范，指出了UDDI服务查找方法存在的问题，为了解决这个问题，提出了一个两层过滤机制的服务匹配算法；
第四章介绍了当前web服务发展的新方向—语义web服务，并讨论了语义web服务发现中的服务描述和服务匹配问题；
第五章是对本文的一个总结以及对未来web服务发展方向的展望。
论文的主要工作是是在UDDI和WSDL的基础上，提出了一个两层过滤模型，通过文本匹配和结构匹配，弥补了UDDI的基于关键字的服务搜索技术的不足。
结构匹配主要对服务的功能操作进行匹配，采用XML子树查找算法，尽可能精确的找到用户需要的服务。
2web服务和web服务发现
本章对web服务的基本概念和运行机制做简单介绍，并说明了web服务发现的任务，以及需要满足的条件。
2.1web服务及其特征
Web服务，从字面上理解就是通过web提供的服务。
我们可以理解web服务是自包含的，自描述的，模块化的应用，它可以在web中被描述，发布，查找以及调用；也可以理解web服务是基于网络的，分布式的模块化组件，它执行特定的任务，遵守具体的技术规范，这些规范使得web服务能与其他兼容组件进行互操作，从而完成协同工作；还可以将其理解为由企业发布的完成其特别商务需求的在线应用服务，其他公司或应用软件能够通过Internet来访问并使用这项应用服务。
从技术的角度来讲，web服务是一种新的技术架构，新的软件应用环境，但是其系统架构和实现技术又完全继承了已有的技术，具有简单性的特点。
W3C对web服务的定义是［6］：
web服务是一个用来支持网络上计算机之间交互的软件系统，它有一个接口，这个接口使用一种机器可操作的格式来描述（如WSDL），其它系统通过一种能使用SOAP消息描述的方式来与Web服务交互。
可以看出，Web服务是一个软件系统，它靠一系列的协议规范来支撑，而这些协议规范完全是基于现有的技术，并没有创造一个完全的新体系，这使得web服务能够被广泛的接受。
从外部使用者角度而言，web服务是一种部署在web上的对象和组件，具备以下特征：
●完好的封装性――web服务是一种部署在web上的对象，自然具有对象技术的特
点：
良好的封装性。
对于使用者而言，他仅仅只能看到服务所提供的一些列功能接口列表。
●松散耦合――这一特性也源自对象技术，由于向外界隐藏了服务的实现细节，所
以当web服务的实现发生变更而调用界面没有改变的时候，调用者是不会有任何感觉的。
对于松散耦合而言，尤其是在Internet环境下的web服务而言，需要有一种适合Internet环境的独立于平台的消息交换协议，而XML/SOAP正是目前最为合适的消息交换协议。
●使用协议的规范性――此特性还是源自于对象技术，但比一般的对象其界面规范
更加规范化和易于机器理解。
对象界面所提供的功能，服务的聚合，跨web服务的事务，工作流等都使用标准的描述语言来描述（如WSDL），对于授权认证，数据完整性，消息源认证以及事务的不可否认性等安全机制也运用规范的方法来描述，传输和交换。
Web服务的所有公共协约完全需要使用开放的标准协议进行描述，传输和交换。
这些标准协议具有完全免费的规范，以便由任意方进行实现。
一般而言，绝大多数规范将最终由W3C和OASIS作为最终版本的发布方和维护方。
●高度可集成能力――由于web服务采用简单的，易理解的标准web协议作为组件
界面和协同描述规范，完全屏蔽了底层不同软硬件环境的差异，实现了网络环境下最高的可集成性。
2.2web服务协议栈和运行机制
Web服务建立在对开放标准XML广泛接受的基础上，web服务使用XML序列化其客户端收发的数据，即使客户端和web服务主机使用不同的操作系统，或者使用不同的程序开发语言，只要客户端可以解析XML，那么它就可以使用web服务返回的数据。
下面将介绍构成web服务的整个协议栈和运行机制，以明白web服务为何会有如此高的平台独立性。
2.2.1web服务协议栈
Web服务是建立在一系列已有的协议规范之上，目前由W3C制定的标准协议主要包括以下三个：
SOAP［8］,WSDL［3］,UDDI［9］。
Web服务的协议技术栈如图2.1所示［7］：
图2.1web服务协议栈
上述结构图中，底层是现有的已经定义好了并且广泛使用的传输层和网络层标准：
HTTP,SMTP，JMS等；中间部分是目前开发Web服务的相关标准协议，包括服务调用协议SOAP，服务描述协议WSDL和服务发现协议UDDI等，这些协议都是建立在XML和DTD或者XMLSchema技术之上的；之外还包括一些其他技术如与事务有关的WS-Coordination,WS-AtomicTransaction.WS-BusinessActivity；与安全有关的WS-Security,WS-Trust；与服务管理有关的WS-Management等。
Web体系结构中最核心的三个协议规范是SOAP,UDDI,WSDL。
与服务发现相关的技术规范主要是WSDL与UDDI，因此，本文着重介绍了WSDL，UDDI的相关技术，并在此基础上，设计一个更加完善的匹配框架。
2.2.2web服务运行机制
前面介绍了构成web服务的一系列协约和规范，那么它们是如何通过相互的合作来运作web服务的呢？
这一小节就将介绍web服务的运行机制，如图2.2［11］：
图2.2web服务运行机制
Web服务的运行主要依赖三个角色（服务提供者，服务发布者以及服务注册中心）
的相互交互来完成。
服务提供者在发布服务之前，把所提供的服务接口以及需要的数据类型及结构用WSDL进行描述，生成相应的WSDL文件，然后通过UDDI注册中心提供的服务发布API，将服务发布出去。
服务请求者则利用UDDI浏览器浏览UDDI注册服务器，并查询满足需求的web服务，取得其地址，并将相应的服务描述文件下载到本地服务器上，当服务请求者需要使用服务提供的服务的时候，就依据WSDL文档中的相应地址发起连接，应用系统通过SOAP协议和Web服务中的远程对象绑定在一起，进行请求的发送和应答的接收。
2.3web服务发现
Web服务发现，又称web服务查找或服务匹配，顾名思义，就是在众多的web服务中
找到自己需要的web服务，它是整个web服务模型的关键。
Web服务发现实质上包含两个主要部分：
一个是服务描述，一个是服务匹配。
对web服务的能力进行描述对服务分类，发现，集成至关重要。
比较全面的服务描述要包括功能性描述（如服务能做什么及必须的消息序列），非功能性描述（如服务分类法，安全，服务质量信息等）和行为性信息（如服务如何交互，服务状态信息的转换）。
WSDL是比较传统的服务描述语言，也是W3C的标准规范，但是它只对服务的功能进行了描述，而对非功能性信息以及行为信息缺乏描述，因此，现在研究人员提出了基于本体的服务描述语言OWL-S，增加了对服务的语义信息的支持。
后面章节将会详细介绍这两种语言以及他们的优缺点；服务匹配过程通过对比已有的服务描述和请求者的需求描述，找到请求者所请求的服务，这是web服务能否很好使用的关键。
服务匹配器的设计必须完全匹配描述中的语法和语义信息，而不是传统的仅仅基于关键字的匹配，同时还需要定义匹配层次，通过模糊匹配，提高服务发现的查全率。
3web服务描述语言及匹配算法
本章主要介绍了当前比较成熟的服务描述语言WSDL,并在此描述语言的基础上，提出了一个两层过滤机制的匹配模型，以全面准确的发现服务。
3.1相关技术
Web服务是建立在一系列已有的技术基础之上，在开始介绍WSDL和匹配算法之前，我们先来了解一些起支撑作用的相关技术。
3.1.1XML
由于WSDL是建立在XML基础之上，所以在这里先介绍XML的相关知识。
XML（eXtensibleMarkupLanguage,可扩展标记语言）是由W3C的XML工作组定义，在XML规范1.0版本中对XML的定义是［19］：
扩展标记语言（XML）是SGML的子集，其目标是允许普通的SGML在web上以目前HTML的方式被服务，接受和处理。
XML被设计成易于实现，且可在SGML和HTML之间相互操作。
可以看出，XML是一种专门在WWW上传递信息的语言，就像HTML一样，但是作为一项新的技术，XML的目的却是想弥补HTML作为网络标记语言的不足，虽然两者都是SGML的子集，但是两者却有着不同的本质。
HTML是面向表示的，而XML是面向内容的；HTML的标注是有限的，而XML的标注是可扩展的，用户可以根据需要任意定义标签；HTML文档不能提供任何关于文档内容，结构的信息，除非扫描整个文档，而XML可以通过DTD，XMLSchema等来说明文档结构；HTML是web显示数据的通用方式，而XML提供了一个直接处理web数据的通用方法，描述的是Internet上共享交换的内容［19］。
XML是一种元标记语言，开发人员可以在其中生成所需的标记。
这些标记必须按照某种通用的规则进行组织，但是标记的含义可以很灵活。
开发人员自己创建的标记必须记录在文档类型定义（DTD）中。
XML定义用于描述特定领域标记的语言必须遵循的元语法结构，它描述了底层语
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