基于内容的数据密集型Web服务组合技术的研究
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摘 要
如今，Web 服务已经成为了一项重要的互联网技术。许多企业都采用面向服
务的架构，通过标准的网络协议提供 Web 服务，能够确保不同平台之间的应用服
务可以进行互操作。根据 W3C 的定义，Web Service 是一个用以支持网络间不同机
器互动操作的软件系统。Web 服务具有良好的封装性、松散耦合、高度的可集成
能力等特点，且 Web 服务中所有的技术实现都基于开放的标准协议规范，如 XML、
WSDL、SOAP 协议等。所以，伴随着 Internet 的发展，越来越多的 Web 服务可以
在网上被获取，Internet 上的 Web 服务数量和种类都在快速增长。基于 Web 服务
的相关学术研究也成了业界热点。
本文共研究了四个问题，分别是 Web 服务的发现与查找、Web 服务的可用性
探测、Web 服务的可替换性研究、Web 服务的自适应组合。本文以 Web 服务的发
现与查找为基础，以 Web 服务的可用性探测为保障，以 Web 服务的可替换性研究
为依托，逐步实现 Web 服务的自适应组合。首先我们给出了一个 Web 服务发现与
查找的模型 RVBDM(Return Value Based Discovery Model, RVBDM)。然后在此基础
上，通过不断地添加组件的方式来完成后继研究工作。具体研究内容如下：
(1) 基础——Web 服务的发现与查找：RVBDM 模型中存在一个服务缓存，服
务缓存中缓存着大量的 Web 服务。这些 Web 服务均来自于 UDDI 注册中
心，RVBDM 会自动地、不定期地去更新服务缓存中的内容；也会根据用
户的需求到外界查找 Web 服务。服务缓存中的 Web 服务正是本文的主要
研究对象；
(2) 保障——Web 服务的可用性探测：有了服务缓存中大量的 Web 服务做基础
以后，RVBDM 模型要保证这些服务都是可用的。只有保证 Web 服务是可
用的，才能使得 Web 服务的可替换性和 Web 服务的自适应组合研究更有
意义；
(3) 依托——Web 服务的可替换性研究：当一个 Web 服务不可用时，RVBDM
模型要保证可以得到该服务的可替换服务，以便完成业务环节。如果我们
发现了比现有服务更加高效、更加稳定的 Web 服务时，我们也要用这个更
为高级的 Web 服务替换掉以前的服务；
(4) 目的——Web 服务的自适应组合：有了以上三个环节，才能实现最终目标。
本文循序渐进地、由浅入深地完成以上研究内容；
关键词: Web 服务 发现与查找 RVBDM 自适应组合
ABSTRACT
Nowadays, Web service becomes an important Internet technology. Lots of
enterprises employ service-oriented architecture and provide web services through
standard network protocols. Web service ensures the interoperation of applications on
different platforms. In the W3C definition, Web service is a software system which is
used to support interoperation between different sites in a network. Web service has
many characteristics such as good encapsulation, loose coupling, high capacity of
integrated and etc. Technologies used in Web service are based on open standards
protocol specification, such as XML, DWSL and SOAP protocol. With the development
of Internet, more and more Web services are published over the Internet. Meanwhile,
the quantity and variety of Web services are also increasing rapidly. Web service related
academic research has become a hot issue.
This paper studies four issues, namely Web services discovery, the detection of
Web services’ availability, the replacement of Web services, adaptive combination of
Web services. First, we present a Web service Discovery model RVBDM(Return Value
Based Discovery Model, RVBDM). Then we continue to add components to complete
the follow-up study based on RVBDM. Specific contents are as follows:
(1) Base - Web service discovery: there is a service cache in RVBDM, which has
a large number of Web services. RVBDM update the contents of the cache
service automatically from time to time.
(2) Security - the detection of Web services’ availability: With the large number
of services as a foundation, RVBDM model must ensure that these services
are available.
(3) Relying on - the replacement of Web services: When a Web service is not
available, RVBDM must ensure the unavailable service can be replaced by
another service in order to complete the business procedure. If we find more
efficient service than existing one, we have to use more advanced Web
services to replace the previous service;
(4) Objective -adaptive combination of Web services: Only with these three
components can we achieve the ultimate goal. In this paper, we approach to
the above research in a gradual and progressive way.
Keywords: Web Service, Discovery, RVBDM, Adaptive Combination
目录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 研究背景 .................................................. 1
§1.2 国内外研究现状 ............................................ 2
§1.3 本文的研究思路 ............................................ 3
§1.4 论文结构 .................................................. 4
第二章 基于服务返回值的 Web 服务发现与查找 ........................... 5
§2.1 引言 ...................................................... 5
§2.2 服务发现与查找 ............................................ 6
§2.2.1 语义相似度 ........................................... 6
§2.2.2 服务发现模型 ......................................... 7
§2.2.3 服务缓存 ............................................. 8
§2.2.4 匹配运算器 .......................................... 10
§2.3 算法介绍 ................................................. 11
§2.3.1 基本原理 ............................................ 11
§2.3.2 服务缓存更新算法（服务归类算法） .................... 12
§2.3.3 服务匹配算法 ........................................ 15
§2.4 本章小结 ................................................. 20
第三章 基于 RVBDM 的 Web 服务可用性探测 .............................. 21
§3.1 引言 ..................................................... 21
§3.2 对 RVBDM 的改造 ........................................... 21
§3.3 探测计划与探测原理 ....................................... 22
§3.3.1 Web 服务探测计划 .................................... 22
§3.3.2 探测器的探测原理 .................................... 27
§3.3.3 探测器的结构 ........................................ 29
§3.4 探测算法 ................................................. 30
§3.4.1 探测计划生成算法——PPG(Probe Plan Generation) ...... 30
§3.4.2 探测队列生成算法——PQG(Probe Queue Generation) ..... 32
§3.4.3 探测执行算法——PE(Probe Excution) .................. 33
§3.5 本章小结 ................................................. 35
第四章 Web 服务的可替换性研究 ...................................... 36
§4.1 引言 ..................................................... 36
§4.2 RVBDM 的结构改造 .......................................... 36
§4.3 Web 服务的可替换资源的判定 ................................ 38
§4.3.1 Web 服务的结构 ...................................... 38
§4.3.2 基本原理 ............................................ 39
§4.3.3 判定过程 ............................................ 42
§4.4 算法介绍 ................................................. 47
§4.4.1 Web 服务归类算法——CSTSSG(Clasify Service To SSG) .. 47
§4.4.2 SSG 初始化算法——SSGI(SSG Initiation) .............. 50
§4.5 本章小结 ................................................. 51
第五章 Web 服务自适应组合技术 ...................................... 52
§5.1 引言 ..................................................... 52
§5.2 RVBDM 的结构改造 .......................................... 52
§5.3 Web 服务的自适应组合 ...................................... 53
§5.3.1 Web 服务的组合方法 .................................. 53
§5.3.2 一个 Web 服务组合的例子 .............................. 57
§5.3.3 用户协助扩充和创建服务模板 .......................... 59
§5.3.4 服务模板的自我优化 .................................. 61
§5.4 本章小结 ................................................. 62
第六章 总结与展望 .................................................. 63
参考文献 ............................................................ 65
作者在读期间科研成果简介 ............................................ 68
致谢 ................................................................ 69
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 研究背景
Web Service 是一项新兴的互联网技术，采用面向服务的架构(Service-oriented
Architecture，以下简称 SOA)，通过标准的网络协议提供服务，能够确保不同平台
之间的应用服务可以进行互操作。根据 W3C 的定义，Web Service 是一个用以支持
网络间不同机器互动操作的软件系统。Web Service 通常是由许多应用程序接口
(API)所组成的，它们通过网络中设置的国际互联网的远程服务器端，执行客户所
提交服务的请求并返回相应结果。尽管 W3C 的定义包括多种不同类型的系统，有
些甚至难以区分，不过通常指的是客户-服务器式架构(Client-Server)，这种架构主
要根据 SOAP 协议进行 XML 格式的消息传递。此外，在 Web Service 的发布过程
中，服务提供者会提供一个机器可读的描述，用以识别该服务提供者所能提供的
网络服务。另外，虽然 WSDL 不是 SOAP 服务端点的必要条件，但目前基于 Java
的主流网络服务开发框架往往需要 WSDL 实现客户端的源代码生成。一些工业标
准化组织在 Web Service 定义中强制包含 SOAP 和WSDL。
Web Service 作为新兴的互联网技术，具有以下特征：
(1) 良好的封装性。Web Service 是一种部署在互联网上的对象，对 Web Service
的使用者而言，能且仅能看到该对象提供的功能列表，而不能够也不需
要了解 Web Service 的具体实现，具备对象的良好封装性；
(2) 松散耦合。一个经常发生的情况是一个 Web Service 的实现需要发生改变，
甚至当 Web Service 的实现平台都需要发生转移。当这种情况发生时，Web
Service 的使用者却不需要做太大变更，因为 Web Service 的具体实现与服
务的使用者无关；
(3) 规范的使用标准协议。在 Web Service 中所有的技术实现都基于开放的标
准协议规范，如 XML、WSDL、SOAP 协议等；
(4) 高度的可集成能力。由于 Web Service 采用的是标准的网络协议作为组件
界面的描述和协同描述的规范，任何应用程序都可以通过这些标准的协
议进行互操作，其目的在于使得 Web Service 与软件平台的差异无关，实
现了在现今网络环境下最高的可集成性；
基于上述特点，Web Service 技术得到了成功的推广和应用。目前，Internet 上
基于内容的数据密集型 Web 服务组合技术的研究
2
的Web 服务数量和种类都在快速增长。本文主要研究数据密集型服务
(Data-intensive Web Service, DWS)。DWS 的服务调用者向服务的提供者发出查询
请求，这个请求中包含了调用参数；服务提供者捕获到这个请求后会分离出调用
参数，然后以这些参数作为查询条件到后台数据库中检索满足条件的记录，再将
这些信息反馈给调用者。例如，某个 DWS 是用来查询天气相关信息的，服务的调
用者发送一个查询请求，这个请求中包含了要查询的城市的邮政编码，然后服务
提供者根据邮政编码查询到天气情况后反馈给服务调用者。
在当今的信息社会，人们往往不满足于现在单个 DWS 提供的单一数据查询功
能，各种各样的复杂业务需求，使得单一的应用程序向有协作、有组织的网络集
成化应用程序转变。服务的调用者所需要的信息不能够由单一的 DWS 提供，这时
需要将多个 DWS 结合起来协同工作，把得到的满足条件的信息反馈给调用者。服
务的组合可以为用户提供增值服务，已经成为了一个研究热点。解决 DWS 的组合
问题是实现 Web 服务技术与数据技术成功结合的关键，对建立基于 SOA 的大规模
信息集成具有重要意义。
§1.2 国内外研究现状
(1) DWS 发现技术
UDDI：统一描述、发现和集成协议。定义了 Web 服务的发布与发现的方
法。UDDI 提供了一种基于分布式的商业注册中心的方法，该商业注册
中心维护了一个企业和企业提供的 Web 服务的全球目录，使用 XML 作
为信息描述。一般来说，程序或程序员通过 UDDI 商业注册中心来获得
Web 服务的位置及其技术信息。
Caverlee J., Liu L.等人提出了一种利用 BASIL 模型发现 Web 服务并对 Web
服务排名的方法。
基于语义的 Web 服务发现方法：在需求服务和发布服务之间建立语义相似
度，这样就可以通过语义相似度的大小来选择最佳的目标服务。总的来
说，语义 Web 服务发现包含两种途径，分别是基于相似度度量函数以及
基于约束匹配的方法。它们各有优点和缺点，前者在服务发现速度方面
要好，而后者则是在服务发现精度方面有优势。
其他方法：一些其他发现方法，是对基于语义的发现方法的改进和补充，
如多阶段语义 Web 服务发现方法、基于功能语义的 Web 服务发现方法等。
(2) DWS 可用性
第一章 绪论
3
Web 服务的可用性测量：利用一种新的消息传递机制，从请求者的角度
在服务请求者和服务提供者之间进行消息交互的同时进行 Web 服务可用
性的测量，并提出了一套关于 Web 服务可用性的量化指标，为服务请求
者的选择提供依据。
面向服务网络的 Web 服务可用性：提出了一种可扩展、动态自适应的高
可用性服务模型——HighServer，该模型按 Web 服务间的关系聚集成多个
服务集合，每个服务集合采用生成树的方式组织，根据服务的可用性需
求为每个服务集合确定备份服务的数量。
(3) DWS 的可替换性研究
Dong X., Halevy A.等人提出了一种 Web 服务相似性搜索方法。
基于 Pi-演算的 Web 服务可替换性验证：通过使用交互服务集合的概念归
纳出一个适用范围较广的 Web 服务可替换的充分条件，并基于 Pi-演算对
可替换条件中的兼容性条件进行建模，从 Web 服务可替换性和兼容性的
关系入手，用求逆的方法证明了在语法兼容等条件下可保证服务兼容性
和可替换性的结论。
(4) DWS 的自适应组合
首先，目前对服务组合技术的研究多是针对效用型 Web 服务(Effect Web
Service, EWS)进行的，对 DWS 组合的专门研究还不多[1,7]。在 DWS 组合
中，首先要考虑原子服务的前置条件、 结束条件（或输入条件、输出条
件）、执行功能以及组合服务执行模式等[6,7]。
其次，为了提高 DWS 服务组合的执行效率和正确性，必须考虑 DWS 返
回的数据模式、数据量变化、不同 DWS 返回的数据间的依赖关系等。
§1.3 本文的研究思路
本文共研究了四个问题，分别是 Web 服务的发现与查找、Web 服务的可用性
探测、Web 服务的可替换性研究、Web 服务的自适应组合。文章以 Web 服务的发
现与查找为基础，以 Web 服务的可用性探测为保障，以 Web 服务的可替换性研究
为依托，逐步实现 Web 服务的自适应组合。首先我们给出了一个 Web 服务发现与
查找的模型——RVBDM(Return Value Based Discovery Model, RVBDM)。然后在
RVBDM 的基础之上，不断地添加组件以便完成 Web 服务的可用性探测、Web 服
务的可替换性、Web 服务的自适应组合的相关研究工作。具体的研究思路如下：
(1) 基础——Web 服务的发现与查找：RVBDM 模型中存在一个服务缓存，服
基于内容的数据密集型 Web 服务组合技术的研究
4
务缓存中缓存着大量的 Web 服务。这些 Web 服务均来自于 UDDI 注册中
心，RVBDM 会自动地、不定期地去更新服务缓存中的内容，也会根据用
户的需求到外界查找 Web 服务。服务缓存中的 Web 服务正是本文的主要
研究对象；
(2) 保障——Web 服务的可用性探测：有了服务缓存中大量的 Web 服务做基
础以后，RVBDM 模型要保证这些服务都是可用的；
(3) 依托——Web 服务的可替换性研究：当一个 Web 服务不可用时，RVBDM
要保证可以得到该服务的可替换服务。如果发现了比现有服务更加高效、
更加稳定的 Web 服务时，我们也要用这个更为高级的 Web 服务替换掉以
前的服务；
(4) 目的——Web 服务的自适应组合：有了以上三个环节，才能实现该最终
目标。本文循序渐进地、由浅入深地完成以上研究内容；
§1.4 论文结构
全文共分为六章，主要内容如下：
第一章：引言。简述本文的研究背景及研究内容，并列出了论文的内容结构。
第二章：Web 服务的发现与查找。提出一种以 Web 服务返回值为基础的 Web
服务发现与查找方法，并给出了基本原理及相关算法。同时本章给出了 RVBDM
模型的基本结构与说明。
第三章：Web 服务的可用性探测。本章首先对 RVBDM 模型进行改造，添加
组件——Web 服务可用性探测器。其次，介绍 Web 服务的探测计划与探测原理。
最后，给出了相关算法。
第四章：Web 服务的可替换性研究。在这一章中，我们首先也是对 RVBDM
模型进行改造，添加组件——服务替换资源库。其次，介绍 Web 服务的结构。然
后给出 Web 服务可替换的指标、基本原理和判定过程。最后给出相关算法。
第五章：Web 服务的自适应组合研究。本章首先在前几章对 RVBDM 的改造
基础之上，再次添加组件——服务组合控制器。其次，给出了 Web 服务的组合方
法。然后提出 Web 服务组合的表达式及图形表示，并给出一个 Web 服务组合的例
子。最后，给出了服务模板自我更新和优化的过程。
第六章：总结与展望。总结了本人的工作及研究成果，最后提出了 Web 服务
的自适应组合所涉及的一些尚待解决的问题。
摘要：
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摘要如今，Web服务已经成为了一项重要的互联网技术。许多企业都采用面向服务的架构，通过标准的网络协议提供Web服务，能够确保不同平台之间的应用服务可以进行互操作。根据W3C的定义，WebService是一个用以支持网络间不同机器互动操作的软件系统。Web服务具有良好的封装性、松散耦合、高度的可集成能力等特点，且Web服务中所有的技术实现都基于开放的标准协议规范，如XML、WSDL、SOAP协议等。所以，伴随着Internet的发展，越来越多的Web服务可以在网上被获取，Internet上的Web服务数量和种类都在快速增长。基于Web服务的相关学术研究也成了业界热点。本文共研究了四个问题，分别是...
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