動態電子商務系統構建中的服務發現和組合問題研究綜述

廣西財經學院 王東紅

東北大學 馮國奇

1.引言

動態電子商務系統是電子商務與計算機科學的交叉研究領域，從國內外目前的研究情況看，這項研究還處在發展階段，有些問題才剛剛提出，研究的深度還不夠深入，計算的手段還很落后，更多的問題還有待歸納總結。

動態電子商務是“著重于B2B的綜合性和基礎設施組成的下一代電子商務，通過調用Internet標準和通用基礎設施，為內部與外部企業創造最佳效益”的電子化解決方案，它為企業提供了內部的商務流程動態重組，以及與外部客戶信息系統間的動態延伸和連接功能[1]。作為實現動態電子商務的主要支撐技術，Web服務是在分布式計算、網格和XML等技術相互融合的基礎上，采用HTTP、SOAP等Internet標準協議與分布式Web組件，進行交互的自包含、自適應和自描述的軟件組件。但是web服務的支撐技術UDDI和WSDL在解決服務的發現和組合問題方面還存在著一定的局限性[2]：首先，在注冊中心UDDI的原始服務描述只能提供有限的關于其服務能力和動態行為的靜態信息；其次，有關Web服務的描述對于原始服務的動態行為信息是不透明的，這樣限制了在服務平臺對其進行預推理；再次，由于WSDL是一種狀態無關的協議，因此需要對執行的每個原子服務進行狀態管理。

近年，學術及工業界對基于web服務的業務過程自動化展開了研究。BPEL4WS就是一種基于XML的工作流定義語言，它使企業能夠描述基于Web服務的業務過程，同時作為補充，還出現了WS-coordination和WS-transaction等規范，共同構成了業務過程自動化框架。然而，BPEL4WS僅限于流程模型的規范化定義及Web服務的協同調用問題，沒有直接解決Web服務的發現和組合問題。此外，它還假設包含在業務過程中的任務是獨立執行的，創建BPEL4WS文檔的企業管理人員掌握了有關的Web服務信息，同時BPEL4WS在定義企業需求方面也存在著一定的局限性，而這一點對實現分布式的業務過程管理至關重要。

所以，為了構建成功的電子商務系統，還需要大量的相關研究工作。在構建基于Web服務的分布式業務過程管理系統首先要解決兩個關鍵問題：首先，必須搜索（發現）包含期望功能及操作需求的Web服務以實現給定目標任務；其次，在發現相關Web服務后，需要一定的機制來簡化結構和語義的不同問題。在實現這兩個任務的時候，面臨著許多問題亟待解決：用于構造完整系統的候選Web服務數量巨大；Web服務的自治性使用戶不能在設計時確定其操作特性，這對整個系統的質量是不可或缺的一部分；由于不同的Web服務采用不同的數據結構和類層次定義接口參數，因此Web服務之間存在著結構和語義的異構性，需要解決不同Web服務或內部業務活動之間的語義集成，及輸入、輸出的互操作性。

下面主要從服務發現和組合兩個研究方面進行分析評論，這也是系統構建過程中最關鍵的難點與熱點問題。

2.服務的發現問題

基于語義的服務發現：UDDI的一個主要缺陷在于其服務發現系統，沒有附加任何語義信息的單純關鍵詞搜索會產生多個不需要的結果，而且在該框架內不能實現近似性。因此缺乏語義信息常常會導致不確定性問題，不能自動獲得結果或服務組合方案。語義Web服務模式能夠實現基于語義的web服務描述，在此基礎上實現服務的自動發現和組合[3]。METEOR-S[4]是美國Georgia大學的LSDIS實驗室主持的關于語義網、工作流和Web服務技術的研究項目，MWSDI（METEOR-S Web Service Discovery Infrastructure）在處理服務實例與用戶查詢請求的匹配時，使用一種簡單的基于服務模板的匹配算法。該算法需要事先定義一系列的服務模板，服務描述文檔和用戶查詢請求都遵循某個特定模板的格式書寫，模板中的各項都要進行相應的本體標注。如果用戶查詢與服務實例使用了相同的服務模板，則進一步對服務模板中的各項作基于本體的匹配推理。MWSDI存在的最大缺點在于，整個P2P網絡共享相同的注冊本體，維護注冊本體的一致性變得十分困難，從很大程度上限制了P2P網絡的自組織能力。OWL提供了功能和外延視圖來表達Web服務的功能，其發現過程基于表達和匹配能力，并提出了一系列的匹配算法[5]。

楊圣文，史美林(2005年)[6]提出了一種基于過程本體論(process ontologies)的Web服務發現技術，通過描述服務過程的匹配來提高服務匹配的查準率和查全率，服務的查找和發現過程就是過程模型中的過程本體論與查詢中所用到的過程本體論相匹配的過程。Orri?ns，B，et al(2003年)[7]提出以RDF和DAML描述服務，用本體上下文關系進行服務發現。TANG Q.C，CHENG H.K(2005年)[8]用DAML+OIL描述Web服務，并給出相應相似度計算方法，該方法未定義輸入輸出和服務質量等參數，在服務發現時存在明顯缺陷。Klein，M.and A（2001年）[9]使用LARKS語言定義Web服務，并用自定義的權重網絡計算Web服務之間的相似度，該算法中自定義的權重網絡需要人工干預，面對海量的Web服務，構造權重網絡的工作量將會成為Web服務發現的瓶頸。此外，蔡月茹等人提出了一種基于P2P技術和語義網技術的服務發現機制，將服務的部署與服務的發布無縫地綁定在一起[10]，張榮、申德榮、吳朝暉等人也都從本體論的角度探討了服務的發現問題[11，12]。

基于QoS的服務發現：服務質量(QoS)描述了一個產品或服務滿足消費者需求的能力。提供有保證的QoS是Web服務在商業應用中獲得成功的關鍵。如何動態地選擇出最適合用戶需求的Web服務正在引起研究領域的關注。文獻[5]提出了一種新的服務發現模型，在服務查找過程中考慮了服務的QoS屬性。該模型對UDDI進行了擴展，增加了一種新的數據結構，用于描述Web服務的QoS屬性。另外，定義了一種QoS證明者角色，用于對服務提供者所宣稱的服務質量進行驗證。Chen H.G.，Yu T，Lin K.J(2003年)[13]提出了一種Web服務QoS架構(QCWS)，在Web服務消費者和提供者之間增加了QoS代理。QoS代理根據收集到的Web服務的QoS信息作為服務發現過程中選擇決策的依據。同時，為了確保服務提供者所宣稱的服務質量，QoS代理在服務調用之前需要與提供者進行協商，通過接納控制機制來避免因為服務器過載而導致的服務質量下降，并防止貪婪的用戶消耗過多的系統資源。Maximilien E.M，Singh M.P(2004年)[14]提出了一種Web服務代理框架(WSAF)和QoS本體來解決服務的動態選擇問題。在WSAF中，服務提供者和服務消費者使用一種XML策略語言來描述服務質量通告和需求。服務代理首先從UDDI查詢滿足功能性需求的服務，然后借助QoS本體和XML質量策略語言進行服務選擇。WSAF能夠在QoS本體的基礎上進行語義分析，提供更加精確的服務匹配。楊圣文，史美林（2005年）[6]提出了一種支持QoS約束的Web服務發現模型(WSDM2Q)，定義了一組描述Web服務QoS屬性和信譽度的分類tModel，引入了QoS量化的概念，采用了QoS協商和反饋機制，支持攜帶QoS描述信息的服務發布以及基于QoS約束的服務發現。

3.服務組合問題

Web服務組合的復雜性主要來源于幾個方面：首先，Web上可得的服務數量劇增，用戶需要對大型服務注冊中心進行搜索；其次，Web可以進行實時創建和更改，因此組合系統要求能夠在運行時發現變化并根據最新信息進行決策；此外，Web服務可以由不同的組織開發，可能會采用不同的概念模型描述同一服務，但是并不存在一種中間語言可以用來以相同的方式定義和評估Web服務。所以，采用自動或半自動工具構建組合Web服務非常關鍵，對此工業界與學術界提出了一定的解決方法。

工業界的相關標準有Web服務的業務流程執行語言BPEL4WS[15]，它描述了如何利用基本的Web服務組織成能完成復雜任務的組合服務，從而完成特定的商業目標。

在學術界，圍繞著服務發現、服務描述、服務的QoS、服務安全、服務組合等方面，也開展了一系列的研究工作[16]。有關服務組合的研究工作主要從工作流和人工智能AI規劃兩個方面開展的。

基于工作流的服務組合：在很多方面，組合服務與工作流非常相似。組合服務的定義包括一系列原子服務及其間的控制與數據流，類似地，工作流需要指定工作項目的流動。因此當前有關柔性工作流、自動過程變更、跨企業集成等方面的研究成果都可以為自動Web服務組合提供方法支持。此外，動態工作流方法提供了根據具體資源或服務綁定抽象節點的方式。

eFlow是由HP公司提出的有關組合服務規范、制定和管理平臺，它采用了靜態工作流產生方法。組合服務采用圖形化的方式進行描述，表示過程中服務執行順序，并沒有涉及復雜的服務接口信息的處理問題[17]。CrossFlow[18]與WISE[19]項目主要是提供組織間工作流管理平臺，需要解決電子商務中業務過程的互連問題，它們考慮了B2B中的關鍵需求，如可靠性與外部可管理性等，但是沒有考慮動態環境中多屬性提供的選擇問題。Liangzhao Zeng(2001)[20]提出了一種基于Agent的跨企業工作流管理系統(WFMS)，它能夠根據用戶需求集成業務過程。集成Agent根據用戶的需求與服務發現Agent進行溝通，定位合適的服務agent并就服務執行問題與之協商。Liangzhao Zeng(2002)[21]提出了一種了基于業務規則推理引擎的能夠實現運行中工作流進行動態組合和修改的動態工作流系統。不過這兩種方法都主要集中考慮動態過程的執行和管理問題。PPM(Polymorphic Process Model)采用了動態（由基于服務的過程環境支持）、靜態（由基于參考過程的環境支持）相結合的服務組合方式[22]。

基于AI的服務組合：DAML-S（亦稱OWL-S）是唯一一個直接聲明與AI規劃方法直接管理的服務語言。由服務執行產生的狀態變更通過DAML-S中ServiceProfile的前提和效果屬性進行指定。

情景演算：Mcllraith等人對Golog語言進行了擴展和改進以處理服務的自動構造問題，這一問題主要是通過提供一種高層次的通用過程程序和客戶化約束來完成[23]。

PDDL(Planning Domain Definition Language)[24]：為了表示基于PDDL的服務組合方法，McDermott引入了一種新的知識類型（操作價值）。DAML-S的研究主要啟發來自PDDL，二者具有很大的相似性。

基于規則的規劃：Medjahed提出了一種根據高層聲明性描述產生組合服務的技術[25]。該方法利用組合性規則確定兩個服務的可組合性，包括四個階段，即規范化階段、匹配階段、選擇階段和產生階段。SWORD[26]是美國斯坦福大學研制的Web服務組合的系統，能夠重用已有的服務，實現新的組合服務。SWORD中的規則引擎可以產生服務組合順序的計劃，通過規則的觸發，進行相關服務的調度，實現復雜的Web服務組合。

其它AI規劃方法：SHOP2是用于服務自動組合的HTN規劃器[27]，它采用DAML-S規范描述服務，他們認為HTN中的任務分解概念與DAML-S過程本體中的過程分解非常相似，并且認為HTN規劃器比Golog等其它規劃語言更加有效。

還有學者采用理論驗證研究者技術實現服務組合，其方法是基于自動演繹和程序綜合，采用了一階語言描述最初可獲得的用戶需求。

此外，不少學者從其它角度研究了服務的組合問題。Boualem等設計了SELF-SERV[28]，通過利用P2P計算架構，提出了服務組合中的服務的協調機制、包裝機制和路由機制進行服務的注冊、發布和消息的交互。ActiveXML[29]是另一個在Web服務集成方面做得很出色的工作，由法國Inria的Abiteboul等提出，通過利用XQuery[30]實現Web服務調用和XML文檔的結合，實現了P2P環境下數據和Web服務的集成，ActiveXML關注的是在文檔中嵌入XQuery以及如何執行這些查詢，從而保證負載平衡等問題。Orri?ns等分析了業務過程模型的基本元素，提出了一種業務規則驅動的Web服務組合方法[7]。Zeng等人依據服務執行費用、執行時間、可靠性、聲譽、及服務可獲得性等規則，對服務運行時質量進行優化，討論了多個獨立Web服務的組合選擇問題[31]。Tang和Cheng從服務中間提供商的角度研究了Web服務的定位及最優定價問題[8]。然而這些研究都沒有考慮現有網絡的資源有限、生命力脆弱、QOS等級較差的特性，忽略了web服務最基本的瓶頸問題。王曉玲等（2005年）[16]描述了服務間的接口信息處理問題，并且把服務組合中的接口信息處理問題轉換為XML數據的處理問題，然后引入基于文法的處理方法來解決接口數據之間的處理問題。SALIMA BENBERNOU，MOHAND-SAID HACID(2005年)[32]，采用規范化術語和約束從句描述服務，提出了基于知識的Web服務發現方法。

4.結束語

綜上所述，從國內外已有研究成果來看，對構成動態電子商務的服務組件的發現及組合方面的研究已經取得了大量的實質性成果，但是對于構建一個完整的動態電子商務系統來說，還存在著以下幾點不足：

(1)但大多數工作都不能處理服務的語義不一致性問題，不能動態實現有效構建動態電子商務系統的目標。在構成動態系統的服務選擇、匹配及組合方面，現有研究沒有充分考慮服務的語法、語義及操作特性等不同方面，需要很多的人工干預，不能實現系統的動態組合，同時導致了系統構建中組合服務評價指標的不當選擇，使得構建的系統在可操作性、有效性、經濟性等方面不能很好地滿足需求。因此，為了有效指導動態電子商務系統的構建，還存在一些關鍵難點問題亟待解決。

(2)目前有關組件服務的發現以及組合等研究主要集中在某一個特定的方面，從構造完整電子商務系統的角度來看，缺少一種系統化的方法和工具支持，不能有效指導系統的全生命周期構建過程。

(3)當前的研究主要集中在服務的發現、滿足特定需求的服務組合以構成基于web服務的分布式業務過程方面，而沒有考慮組合服務在服務平臺執行過程中的動態變化性和開放性，也就是說沒有考慮在不同的領域或執行狀態下服務組合階段和服務執行階段的內在聯系，而這一點對于部署可靠、滿足期望性能的動態、分布式業務過程管理系統（電子商務）至關重要。

[1]饒元,馮博琴.面向Web服務的動態電子商務集成框架[J].計算機集成制造系統,2004,10(11):1454-1458.

[2]Hongbing Wang,Web services:problems and future directions,Web Semantics:Science,Services and Agents on the World Wide Web 1(2004):309-320.

[3]S.McIlraith,T.C.Son,and H.Zeng,“Semantic web services,”IEEE Intelligent Systems.Special Issue on Semantic Web,vol.16,no.2,pp.46-53,2001.

[4]S.Oundhakar,K.Verma.K.Sivashanugam,A.Sheth and J.Miller,Discovery of Web Services in a Multi-Ontology and Federated Registry Environment,International Journal of Web Services Research,1(3),2005.

[5]B.Benatallah,M.-S.Hacid,C.Rey,and F.Toumani,“Towards semantic reasoning for web services discovery,”in Proceedings of the International Semantic Web Conference(ISWC’03).

[6]楊圣文,史美林.一種支持QoS約束的Web服務發現模型[J].計算機學報,2005,28(4):589-594.

[7]Orri?ns,B.,et al,A Framework for Business Rule Driven Web Service Composition[J].Lecture Notes in Computer Science,2003,2814:52-64.

[8]TANG Q.C.,CHENG H.K.,Optimal location and pricing of Web services intermediary[J].Decision Support System,2005,40(1):129-141.

[9]Klein,M.and A.Bernstein.Searching for Services on the Semantic Web using Process Ontologies.in The First Semantic Web Working Symposium(SWWS-1).2001.Stanford,CA USA.

[10]陳德偉,許斌,蔡月茹,李涓子.服務部署與發布綁定的基于P2P網絡的Web服務發現機制[J].計算機學報,2005,28(4):615-626.

[11]張蓉,申德榮,于戈等.基于本體的Web服務查找和合成技術研究[J].計算機集成制造系統—CIMS,2003,9(10):921-925.[12]吳健,吳朝暉等.基于本體論和詞匯語義相似度的Web服務發現[J].計算機學報,2005,28(4):595-602.

[13]Chen H.G,Yu T.,Lin K.J,QCWS:An implementation of QoS-capable multimedia Web services,Proceedings of t he 5t h International Symposium on Multimedia Software Engineering,Taichung,Taiwan,2003:38-45.

[14]Maximilien E.M.,Singh M.P.A framework and ontology for dynamic Web services selection.Internet Computing,2004,8(5):84-93.

[15]Curbera F,et al,Business process execution language for Web services,IBM/BEA/Microsoft Specifications,2002.

[16]王曉玲,郭志懋,周傲英.Web服務組合的基于文法的消息處理[J].計算機學報,2005,28(4):478-485.

[17]Casati F.,Ilnicki S.,Jin L.,Krishnamoort hy V.,Shan M.,Adaptive and dynamic service composition in eflow.Lecture Notes in Computer Science,2000,Vol.1789:13-31.

[18]P.Grefen,K.Aberer,H.Ludwig,andY.Hoffner,“CrossFlow:Cross-organizational work flow management for service outsourcing in dynamic virtual enterprises,” Special Issue on Infrastructure for Advanced E-Services,Bulletin of the Technical Committee on Data Engineering,vol.24,no.1,2001.

[19]A.Lazcano,G.Alonso,H.Schuldt,and C.Schuler,“The WISE approach to electronic commerce,”Journal of Computer Systems Science and Engineering,vol.15,no.5,2000.

[20]Liangzhao Zeng,Boualem Benatallah,and Anne H.H.Ngu,On Demand Businessto-Business Integration”,C ooPIS01,Trento,2001.

[21]Liangzhao Zeng,David Flaxer,Henry Chang,Jun-Jang Jeng,”PLMflow-Dynamic Business Process Composition and Execution by Rule Inference”,TES2002,Hong Kong,2002.

[22]H.Schuster,D.Georgakopoulos,A.Cichocki,and D.Baker.Modeling and composing service-based and reference process-based multi-enterprise processes.In Proceeding of 12th International Conference on Advanced Information Systems Engineering(CAiSE),Stockholm,Sw eden,June 2000.Springer Verlag.

[23]S.McIlraith and T.C.Son.Adapting Golog for composition of Semantic Web services.In Proceedings of the 8th International Conference on Knowledge Representation and Reasoning(KR2002),Toulouse,France,April 2002.

[24]D.McDermott.Estimated-regression planning for interactions with Web services,In Proceedings of the 6th International Conference on AI Planning and Scheduling,Toulouse,France,2002.AAAI Press.

[25]B.Medjahed,A.Bouguettaya,and A.K.Elmagarmid.Composing Web services on the Semantic Web.The VLDB Journal,12(4),November 2003.

[26]Ponnekanti S.R.,Fox A.SWORD:A developer toolkit for web service composition.,Proceedings of the 11th International World Wide Web Conference(WWW2002).

[27]Z.Manna and R.J.Waldinger.A deductive approach to program synthesis.ACM Transactions on Programming Languages and Systems,2(1):90-121,1980.

[28]Benetallah B.,Dumas M.et al.,Declarative composition and Peer2to2Peer provisioning of dynamic services,Proceedings of t he ICDE,San Jose,CA,2002:297-308.

[29]Abiteboul S.,Benjelloun O.et al.Active XML:Peer-to-Peer data and Web services integration,Proceedings of t he VLDB,Hong Kong,2002,1087-1090,

[30]Boag S.,Chamberlin D,Fernandez M.et al.,Xquery 1.0:An XML query language,W3C Working Draft,2002.Http://www.w3.org/TR/xquery.

[31]ZENG L.,BENATALLAH B.,et al,QoS-aware Middleware for Web Services Composition[J].IEEE Transactions on Software Engineering,2004,30(5):311-327.

[32]SALIMA BENBERNOU,MOHAND-SAID HACID,Resolution and Constraint Propagation for Semantic Web Services Discovery,Distributed and Parallel Databases,2005,18,pp:65-81.