一種Web服務綜合描述模型

馬于濤 張海粟 劉玉超 陳桂生

①(中國電子設備系統工程公司研究所 北京 100141)

②(武漢大學軟件工程國家重點實驗室 武漢 430072)

③(中國人民解放軍理工大學指揮自動化學院 南京 210007)

④(清華大學計算機科學與技術系 北京 100084)

1 引言

Web服務是一種分布式的應用程序，其接口使用機器可處理的格式描述，用于支持互聯網上可互操作的機-機交互。由于具有語言獨立、跨平臺、封裝良好等特點，Web服務逐漸成為互聯網上一種非常重要的軟件資源，受到研究人員的廣泛關注。“Big”Web服務和RESTful Web服務是目前的兩類主流Web服務[1]：前者依據WSDL (Web Services Description Language)標準定義所提供操作的機器可讀的描述，并使用遵循 SOAP (Simple Object Access Protocol)規范的基于 XML(eXtensible Markup Language)格式的消息進行通信；后者基于REST (Representational State Transfer)架構[2]，使用一組統一的“無狀態”操作來處理互聯網上的資源，實現更為方便。

為了能讓開發者和普通用戶更好地理解和選擇互聯網上豐富的Web服務資源，需要一種更加精確的刻畫手段，從語義層面對Web服務的能力和屬性進行描述，便于計算機“了解”其真正含義。OWL-S(Web Ontology Language for Services)和WSMO(Web Service Modeling Ontology)是目前定義Web服務本體(ontology)的兩種主要規范，為 Web服務的提供者和使用者構建了“共同理解”的基礎。SAWSDL-XMLS (Semantic Annotations for WSDL and XML Schema)[3]則提供了一種語義標注機制，使用定義好的語義模型(如本體)中的概念來標識已有WSDL文檔中的構件(如數據元素、操作等)，達到消除歧義的目的。類似地，SA-REST (Semantic Annotations for REST)使用元數據豐富互聯網上資源的語義信息，便于快速構造“混搭”應用(mashup)[4]。

另一方面，為了從具有相同或相似功能的Web服務集合中篩選出滿足需求的高質量服務，有必要對Web服務的QoS(Quality of Service)進行全面客觀地描述，即用一種量化的手段來衡量其服務質量的好壞，為自動發現和選擇合乎要求的Web服務提供依據。研究人員相繼提出了各自的“Big”Web服務QoS模型和具體指標及相應的評估方法，W3C(World Wide Web Consortium)和 OASIS(Organization for the Advancement of Structured Information Standards)等組織也嘗試將其進行標準化，有力地促進了基于QoS的“Big”Web服務動態發現、選擇、配置和組合等研究的興起和快速發展。為了進一步推動面向服務的網絡應用走向成熟，與應用領域相關的Web服務(包括RESTful Web服務)QoS信息的定制、獲取、存儲和度量等基礎性工作將是今后深入研究的重點[5]。

上述兩方面的研究工作分別從語義理解“能做什么”和質量量化“做得如何”來對 Web服務(后文不再區分“Big”和 RESTful)進行擴展描述，為實現按需服務奠定了基礎。隨著 Web 2.0、社會計算等技術的迅猛發展，大眾用戶(包括開發者和普通用戶)借助評分(rating)、標簽(tag)、評論(comment)等輕量級方式來表征Web服務[6]，反映他們的認知水平、使用體驗和協作能力等社會化特征，這賦予了Web服務更多的社會化特性。對這類信息的提煉和規范化描述，將有助于實現個性化的Web服務搜索和推薦，比如對于符合查詢條件的20個Web服務，使用者往往會優先考慮獲得較高用戶評價的服務。因此，與傳統的對功能和用途的語義理解和質量刻畫的Web服務描述方法相比，本文的貢獻在于從用戶(包括大眾用戶和服務注冊中心管理者)不同的視角出發提出一種綜合描述模型，以多視圖的方式有機融合Web服務的技術特性和社會化特性，輔助服務的個性化搜索和主動推薦，并通過“需求-服務-體驗”的反饋模式提升Web服務的質量。

本文的結構組織如下：第2節介紹Web服務綜合描述模型的設計思路；第3節從邏輯設計的角度構建該模型的概念模型；在此基礎上，第4節從工程應用的角度給出該模型的元模型；第5節給出了一個根據本文所述方法構造的Web服務注冊庫的案例，并與目前主流方法進行了優缺點對比；最后，第6節為結束語。

2 設計思路

目前，服務的提供者通常只關注Web服務的功能特性(如接口、操作、輸入輸出參數、消息等)、一些重要的QoS屬性(如可用性、可靠性等)以及價格等商業特性，卻往往忽視了使用者的偏好、體驗評價等重要社會化信息，導致其描述信息不夠完整，很難針對不同應用領域進行定制和擴展。如何有效發現和充分利用互聯網上可用的Web服務，即從被動的搜索到主動的推薦，仍然是一個挑戰性問題[7]。僅僅提供描述規范來表征Web服務是不夠的，應從情境、內容、流程、使用等方面綜合考慮，通過語義理解、QoS量化等手段與大眾用戶的需求和體驗評價進行關聯，從而形成一個較為完整的綜合性描述模型。

2.1 基本框架

在經典的SOA (Service Oriented Architecture)中，服務的提供者、使用者和注冊中心的管理者分別從不同的角度審視Web服務：對于提供者而言，他們看重的是功能和用途，卻往往忽視了使用者的感受和反饋；對于使用者而言，他們看重的是質量和品質，但是在選擇時往往會受到其他人的影響；對于注冊中心的管理者而言，他們看重的是“各取所需、三方受益”，然而注冊、查詢和推薦等核心功能的實際效果依賴于Web服務特征的刻畫程度。三者和Web服務的關系類似于Amazon的賣家、買家與平臺管理者和商品的關系，其成功的大眾點評模式不僅有助于實現基于用戶體驗的服務主動推薦，也有利于提供者改善服務的功能和質量，因為“軟件是用出來的”[8]，Web服務亦是如此。

綜合描述模型的基本框架如圖1所示。服務的提供者從功能和用途的角度出發，給出基本描述信息，包括流程、操作、消息和資源，并發布相應的描述文件(如 WSDL)；為方便使用者查詢到合適的Web服務，注冊中心的管理者從語義理解和質量評估的角度出發，在專業的基本描述信息基礎上給出語義和QoS信息，從而形成擴展描述，如擴展WSDL添加QoS信息[9]；使用者從體驗和口碑的角度出發，給出大眾點評信息，將其作為擴展描述的延伸形成綜合描述，為提供者改進服務和注冊中心的管理者進行服務主動推薦提供依據。針對SOA，在注冊中心的管理者及基礎設施的支持下，圍繞綜合描述模型，服務的使用者和提供者之間形成了一種“需求-服務-體驗”的反饋模式，促進 Web服務的改進和優化。

圖1 Web服務綜合描述模型的基本框架

2.2 多視圖組織方式

為了進一步細化圖1所示的基本框架，本文采用一種輕量級和靈活的方式——多視圖來組織Web服務綜合描述模型的具體內容。每類視圖用于刻畫與Web服務直接相關的提供者、使用者、注冊中心的管理者等角色對Web服務的不同認識和理解，主要包括如下5部分的內容：(1)適用場景，包括針對的問題、描述的側重點、面向的人群等；(2)主要表達方式，可以是可視化的圖形方式，也可以是文本方式，但應存儲為通用的機器可處理的 XML格式文件，借助XML Schema規范及相關工具來保證構造的XML文檔的合法性和完整性；(3)元素目錄，包括相關術語、關系和約束條件，對于較為簡單的樹型目錄可采用大類-子類-屬性-值的模式進行管理；(4)可變性(variability)指南，即如何根據不同的大眾用戶需求來配置視圖的內容；(5)相關視圖信息。

一方面，考慮到大眾用戶的領域差異和知識背景的不同，在視圖中一般會給出相應的術語和縮寫詞列表及其定義，便于理解；另一方面，為了保證不同視圖間的語義一致性(semantic consistency)，通常會建立相關的術語映射表，方便溝通。為了實現自動化處理，這兩方面的工作可以通過構造領域本體進行語義標識(如SAWSDL或SA-REST方式)來完成，如果面向的領域過于寬泛，還可以細分為子領域或更為具體的某類問題[10]。這樣，就形成了以語義理解為基礎、以視圖模板為核心、面向不同角色的、可配置的Web服務綜合描述模型。在實際使用中，面向具體的領域，大眾用戶根據自己的業務需求靈活選擇相關視圖，配置生成相應的Web服務信息。

3 概念模型的設計

根據Web服務綜合描述模型的設計思路，為了使其具有良好的通用性和可重用性，應首先從邏輯設計的角度出發，為其構造獨立于實際設計或實現考慮(如數據結構、存儲方式等)的概念模型，以明確描述Web服務時需要用到的核心概念及其之間的關系和約束條件。

3.1 頂層概念

圖2顯示的是Web服務綜合描述模型的主要頂層概念，使用ER圖(Entity Relationship Diagram)的方式表示。從SOA的角度看，有3類用戶會關注和使用本文提出的綜合描述模型，即普通用戶、開發者和服務注冊中心的管理者，他們都有自己唯一的標識符和用戶名。對于綜合描述模型而言，它由一系列視圖組成，每個視圖用于描述Web服務的不同方面，包括輪廓(profile)信息、功能信息、非功能信息、商業信息、社會化信息以及其他信息，提供給不同角色的用戶；通過 MDA (Model-Driven Architecture)的方式，綜合描述模型可實例化為具體的Web服務(描述信息)，呈獻給用戶他們感興趣的視圖內容。

圖2 Web服務綜合描述模型的主要頂層概念

3.2 視圖層概念

視圖(概念)是Web服務綜合描述模型的概念模型中的一個重要元素，應對它進行細化分析，視圖層的主要概念如圖3(ER圖方式)所示。雖然在構造不同視圖時會要求其內容盡量不重合，但事實上在服務注冊時建立簡單的語義關聯和基于用戶選擇的“同現”關聯(同一角色的用戶在描述時選擇的所有視圖，兩兩之間稱為同現)，會有助于完善服務的描述信息，實施精準推送[11]。如圖3所示，一個視圖包含一個視圖模板，視圖模板的表示形式取決于用戶，可視化的圖形方式和文本方式均可。為了實現方便，視圖中的元素目錄可轉換為描述項列表，類(如概念“人”)或者屬性(如概念“年齡”作為“人”的屬性)都可作為一個描述項，具有明確的類型和值，用于規范Web服務的描述信息；描述項之間可以進行關聯，構成不同類型的關系，并施加相應的約束條件。此外，可變性指南是根據用戶需求調整視圖內容的規則，可以通過添加、刪除和配置描述項，實現視圖內容的動態重配置，方便用戶使用。

3.3 視圖模板示例

圖4給出了一個視圖模板及其之間語義關聯的例子，其中描述項按＜名稱：類型＞的方式定義。輪廓視圖用于描述Web服務的概要性信息，如類型、提供者、可用性、評分等，這些描述項在其他視圖也有定義，為了保持語義的一致性，建立對應描述項之間的“等同”(sameAs)關系(本質上也是一種語義關聯)。功能視圖用于描述 Web服務的主要用途和接口細節，如操作的輸入輸出、采用的協議等，這些信息可以從 WSDL或 RESTful Web API(Application Programming Interface)描述文件中自動解析獲得。對于普通用戶而言，他們并不關心功能實現的細節，可以通過標簽對Web服務進行標識和分類，便于實現快速搜索。非功能視圖用于描述Web服務的質量信息，包括可用性、可靠性、性能(響應時間、吞吐量等)等一些重要非功能屬性，建立它們(如圖4中所示的可用性)與評論間的語義關聯，有助于收集大眾用戶對Web服務質量的評價，幫助服務的提供者加以改進。商業視圖用于描述Web服務的商業信息，如提供者、信譽、價格、用戶滿意度等，建立評價數與大眾認知度、好評率與用戶滿意度之間的語義關聯，能讓服務的提供者更深入地了解大眾的反響，從而調整自己的商業策略。社會化信息視圖用于描述個性化的大眾點評信息，包括評價者、評分、標簽、評論等[12]，作為主動推薦或精準推送的依據。此外，如果有無法歸為上述5類的描述項，可以統一放置到其他視圖中，這里不再贅述。

圖3 視圖層的主要概念

4 元模型的構建

設計的概念模型，從邏輯上明確了Web服務綜合描述模型包含的實體、實體的屬性、實體間的關系，以及針對模型元素完整性(integrity)的約束。為了支持MDA的開發方式，有必要進一步對Web服務綜合描述模型進行抽象，構造其元模型，即在MOF (Meta-Object Facility)體系下使用 UML(Unified Modeling Language)來構建其元模型，并通過 UML提供的構造型(stereotype)、標記值(tagged value)和約束(constraint)方式[13]進行擴展。

圖5顯示的是使用UML表示的Web服務綜合描述模型的元模型。通過繼承 UML元模型中的命名的元素(NamedElement)類，來構造圖2中的用戶概念對應的類。對于用戶而言，其類型為枚舉變量，共有普通用戶、開發者和注冊中心管理者3種。雖然多個用戶可使用相同的Web服務綜合描述模型，但由于知識背景和興趣愛好不同，他們所關注的內容并不一樣，表現為不同的視圖內容。為了便于管理 Web服務綜合描述模型的內容，這里通過繼承UML元模型中的命名空間(Namespace)類來構造圖2中的Web服務綜合描述模型概念對應的類。在公共的命名空間中，概念沖突和語義不一致性問題更容易得到解決。

視圖是 Web服務綜合描述模型的重要組成部分，其類型是枚舉變量，在本文中共有輪廓視圖、功能視圖、非功能視圖、商業視圖、社會化信息視圖和其他視圖6種，當然用戶也可以利用UML的擴展機制，自行定義內容盡量不重合的各種視圖。此外，視圖有圖形和文本兩種等價的表示方式，為了便于機器處理，建議以基于 XML的文檔為宜。每個視圖有一個視圖模板，用于描述Web服務的各種信息。描述項是視圖模板的核心元素，通過繼承UML元模型中的命名的元素類來構造圖3中描述項概念對應的類。對于描述項而言，其類型也是枚舉變量，對應RDF (Resource Description Framework)/XML支持的所有數據類型。同一視圖中的描述項之間往往存在關系，如圖4中的輸入、輸出就是操作的屬性，它們之間存在“Attribute-of”的關系；類似地，不同視圖中的描述項之間有時也存在關系，如圖4中的語義關聯關系，它們將結構上獨立的視圖串聯起來，便于針對用戶的查詢請求進行語義搜索和推理。

圖4 視圖模板及其之間的語義關聯示例

圖5 使用UML表示的元模型

5 應用案例分析

構造Web服務綜合描述模型，是為了讓服務的提供者、使用者和注冊中心的管理者對所關注的Web服務有更全面的認識，而不僅僅局限于技術性描述和語義理解。集成現有技術和開源工具，開發相應的支撐軟件工具，并搭建Web服務注冊庫平臺，是非常有必要的。接下來，以一個案例來說明模型的實現過程和應用情況。

5.1 模型的實現

按照MDA方式，根據圖5所示的元模型來構造Web服務注冊庫管理應用程序，有如下兩種途徑：

(1)按照圖4所示的視圖模板，為每個視圖編制具體的描述項，繪制成 UML類圖。該類圖是圖5所示的元模型的實例，即一個具體的Web服務綜合描述模型。Eclipse的 EMF (Eclipse Modeling Framework)插件提供了相應的類圖工具，支持從類圖到Java代碼的直接生成，并能自動保持代碼和類圖的一致性。此外，EMF與GEF (Graphical Editing Framework)的無縫集成，使得構造這些模型元素的用戶界面更為便捷。如果管理的Web服務的注冊信息量有限，且描述項的類型較為明確，建議采用這種開發方式。

(2)按照圖5所示的元模型，使用UML工具(如ArgoUML)繪制UML類圖。目前，大多數的UML工具都支持將類圖直接轉換為 XMI (XML Metadata Interchange)格式文件，使用 XSLT(Extensible Stylesheet Language Transformations)能夠較方便地將 XMI中的標簽映射為 XML Schema 的元素[14]，如：UML：Model可轉換為 xs：schema，將命名空間從模型名導出；UML：Class可轉換為全局 XML 元素聲明 xs：element,UML：Attribute可轉換為局部 XML元素聲明 xs：element。在此基礎上，借助 JAXB (Java Architecture for XML Binding)工具能夠方便地操作和管理XML文檔與Java代碼，實現預定的功能。從模型重用和維護的角度講，這種方法比第1種方法好，但在開發的初期階段花費的代價會更大，如將UML元模型映射為XML Schema時，能識別的UML概念越多，編制XSLT的工作量就越大。

圖6 輪廓視圖、功能視圖和非功能視圖的用戶界面

5.2 描述一個Web服務的注冊信息

與武漢大學軟件工程國家重點實驗室合作，在其構建的軟件/服務注冊庫平臺(http：//www.s2r2.org/)環境中實現了 Web服務信息注冊的主要功能。以一個服務提供者為例，自動生成輪廓視圖、功能視圖和非功能視圖的用戶界面，在預先構造的本體支持下，輔助完成各視圖中描述項信息的填寫和注冊存儲，供該平臺的其他用戶查詢和使用。如圖6所示，服務基本信息、輸入輸出功能信息和質量屬性信息分別源自輪廓視圖、功能視圖和非功能視圖，包含服務名稱、輸入輸出參數、可用性等主要描述項，其中服務名稱、輸入輸出參數和操作描述信息自動從提供的WSDL文件中解析生成；依據ISO/IEC 19763-3(本體注冊元模型)標準[15]，構造物流領域本體用于標識輸入輸出參數中術語的明確含義，如利用本體中供應商的子類概念“訂單經理”來定義輸入參數中的術語 OrderAdministrator，方便用戶進行語義查詢。此外，為服務的使用者也提供了社會化信息視圖功能，主要包括標簽、評分和評論3種描述項，即將上線試運行，將為軟件/服務注冊庫平臺轉型成應用/服務超市(App/Service Store)奠定基礎。

目前，Web服務描述語言規范主要有：IBM和微軟等公司倡導的WSDL、美國國防部先進研究項目局DARPA發起的OWL-S(類似的有歐盟推行的WSMO)和歐盟最新發起的USDL (Unified Service Description Language)[16,17],Web服務注冊規范主要有 UDDI。本文所提出的 Web服務綜合描述模型(WSCDM)與上述規范的特點對比，如表1所示。除了OWL-S，其余4種都需要借助本體或元數據來進行語義標識[3,4]，服務質量的信息則需要對基本的描述文件(如WSDL)進行QoS擴展[9]。從涉眾對象(stakeholder)看，WSDL和 OWL-S一般只針對開發者(D); UDDI,WSCDM和USDL還考慮注冊中心的管理者(M)和普通用戶(U)。從支持的服務種類看，WSDL,OWL-S和UDDI一般只針對基于SOAP協議(S)的Web服務，USDL和WSCDM還可支持基于REST架構(R)的Web服務。從自身的組織方式看，WSDL,OWL-S和UDDI側重于單一的技術視圖，因此它們多用于系統的構造，不包含任何社會化信息；USDL和WSCDM包含多視圖，描述信息更豐富，適合進行服務推薦，但前者目前還未包含大眾點評等社會化信息。最后，從規范的認可程度看，WSDL,OWL-S和UDDI已分別是W3C和OASIS的推薦標準，而USDL和WSCDM(針對服務注冊的元模型，ISO/IEC 19763-7)才分別由W3C和ISO開始立項研制。

表1 各種規范的特點對比

5.3 社會化信息對服務選擇的影響

目前，軟件/服務注冊庫平臺中基于上述方法注冊的WSDL文件超過3400個，mashup應用超過4500個。一方面，以自動解析出的標簽作為 Web服務的索引，通過與領域本體中的概念進行語義匹配，提高了關鍵字查詢的準確性[9]。另一方面，大眾的評分和評注信息能輔助使用者從規模較大的候選集中選擇合適的服務，抽取相關的策略和規則有助于類似的服務注冊中心的管理者實現主動推薦。

如果對某個候選Web服務感興趣，用戶一般會查看其詳細信息，因此可以將訪問量作為實際選擇的近似指標。針對WSDL和mashup，各隨機輸入2個關鍵字，獲得相應的候選服務集。使用皮爾遜(Pearson)相關系數來度量社會化信息對服務選擇的影響，如表2所示。其中，*和**分別表示95%和99%的顯著性水平。從表2可以發現：評論數與訪問量成較為明顯的正相關，表明用戶具有“湊熱鬧”的獵奇心理，即用戶看到有評論的Web服務會傾向于查看其詳細信息；評分和好評率與訪問量的正相關性系數更高，表明用戶更傾向于查看大家都認為好的Web服務，體現出富者愈富的“馬太效應”。

表2 實驗數據及結果

進一步地，以評論數和評分為指標，分別將平臺中的所有Web服務劃分為兩組，使用箱線圖(boxand-whisker plot)來展示每組Web服務的訪問量的區別，如圖7所示。圖中，6和3.9分別表示論文撰寫時所有 Web服務的評論數(整數型)和評分(浮點型)的均值；“箱”覆蓋數據集的第1和第3四分位數區間，其中短的粗線表示訪問量的中位數，“箱”兩端的“須”延伸到數據集的最大值和最小值；p值表示觀察到兩組服務的訪問量的差異是偶然的期望概率，使用Kruskal-Wallis測試方法計算。兩組服務的訪問量在整體上的統計差異顯著(顯著性水平高于99%)，而且以評分作為指標的分組對應的訪問量在整體上區分更為明顯，表明在本實驗中用戶確實更傾向于查看(并可能進一步選擇)大眾公認的好服務，為開發主動推薦和精準推送算法提供了重要的實踐依據。

6 結束語

隨著互聯網的快速發展，Web服務的作用日益顯現。服務的提供者、使用者和注冊中心的管理者對Web服務的不同認識和需求，導致其社會化特征越來越明顯，單純關注技術屬性已不能滿足服務搜索和推薦的要求。針對上述情況，本文提出了一種Web服務綜合描述模型，面向互聯網環境中服務資源的特點，從情境、內容、流程和使用等方面綜合考慮其技術屬性和社會化特征，并使用多視圖的方式進行組織，力圖突破傳統的對功能和用途的語義理解和質量刻畫的描述規范，為服務超市中服務的主動推薦奠定基礎。從邏輯設計的角度出發，首先給出了其概念模型，明確描述Web服務時需要用到的核心概念及其之間的關系和約束條件；然后，從工程應用的角度進一步對Web服務綜合描述模型進行抽象，構造其元模型，便于共享和重用；最后，根據一個應用案例，驗證了方法的可行性，并與相關主流規范對比，展示各自的特點。

抽象性、通用性和綜合性是今后Web服務描述規范應具有的特點，進一步的工作包括：(1)對Web服務綜合描述模型進行形式化描述，確保語法和語義的完整性和一致性；(2)以實驗平臺為基礎，收集真實的用戶點評信息，研發面向服務超市的主動推薦算法和工具。

致謝誠摯感謝武漢大學軟件工程國家重點實驗室的何克清教授、李兵教授、馮在文博士、曾誠博士后對本文工作的大力支持和寶貴建議。

圖7 根據評論數和評分分類的訪問量的箱線圖

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