动态电子商务系统构建中的服务发现和组合问题研究综述

广西财经学院 王东红

东北大学 冯国奇

1.引言

动态电子商务系统是电子商务与计算机科学的交叉研究领域，从国内外目前的研究情况看，这项研究还处在发展阶段，有些问题才刚刚提出，研究的深度还不够深入，计算的手段还很落后，更多的问题还有待归纳总结。

动态电子商务是“着重于B2B的综合性和基础设施组成的下一代电子商务，通过调用Internet标准和通用基础设施，为内部与外部企业创造最佳效益”的电子化解决方案，它为企业提供了内部的商务流程动态重组，以及与外部客户信息系统间的动态延伸和连接功能[1]。作为实现动态电子商务的主要支撑技术，Web服务是在分布式计算、网格和XML等技术相互融合的基础上，采用HTTP、SOAP等Internet标准协议与分布式Web组件，进行交互的自包含、自适应和自描述的软件组件。但是web服务的支撑技术UDDI和WSDL在解决服务的发现和组合问题方面还存在着一定的局限性[2]：首先，在注册中心UDDI的原始服务描述只能提供有限的关于其服务能力和动态行为的静态信息；其次，有关Web服务的描述对于原始服务的动态行为信息是不透明的，这样限制了在服务平台对其进行预推理；再次，由于WSDL是一种状态无关的协议，因此需要对执行的每个原子服务进行状态管理。

近年，学术及工业界对基于web服务的业务过程自动化展开了研究。BPEL4WS就是一种基于XML的工作流定义语言，它使企业能够描述基于Web服务的业务过程，同时作为补充，还出现了WS-coordination和WS-transaction等规范，共同构成了业务过程自动化框架。然而，BPEL4WS仅限于流程模型的规范化定义及Web服务的协同调用问题，没有直接解决Web服务的发现和组合问题。此外，它还假设包含在业务过程中的任务是独立执行的，创建BPEL4WS文档的企业管理人员掌握了有关的Web服务信息，同时BPEL4WS在定义企业需求方面也存在着一定的局限性，而这一点对实现分布式的业务过程管理至关重要。

所以，为了构建成功的电子商务系统，还需要大量的相关研究工作。在构建基于Web服务的分布式业务过程管理系统首先要解决两个关键问题：首先，必须搜索（发现）包含期望功能及操作需求的Web服务以实现给定目标任务；其次，在发现相关Web服务后，需要一定的机制来简化结构和语义的不同问题。在实现这两个任务的时候，面临着许多问题亟待解决：用于构造完整系统的候选Web服务数量巨大；Web服务的自治性使用户不能在设计时确定其操作特性，这对整个系统的质量是不可或缺的一部分；由于不同的Web服务采用不同的数据结构和类层次定义接口参数，因此Web服务之间存在着结构和语义的异构性，需要解决不同Web服务或内部业务活动之间的语义集成，及输入、输出的互操作性。

下面主要从服务发现和组合两个研究方面进行分析评论，这也是系统构建过程中最关键的难点与热点问题。

2.服务的发现问题

基于语义的服务发现：UDDI的一个主要缺陷在于其服务发现系统，没有附加任何语义信息的单纯关键词搜索会产生多个不需要的结果，而且在该框架内不能实现近似性。因此缺乏语义信息常常会导致不确定性问题，不能自动获得结果或服务组合方案。语义Web服务模式能够实现基于语义的web服务描述，在此基础上实现服务的自动发现和组合[3]。METEOR-S[4]是美国Georgia大学的LSDIS实验室主持的关于语义网、工作流和Web服务技术的研究项目，MWSDI（METEOR-S Web Service Discovery Infrastructure）在处理服务实例与用户查询请求的匹配时，使用一种简单的基于服务模板的匹配算法。该算法需要事先定义一系列的服务模板，服务描述文档和用户查询请求都遵循某个特定模板的格式书写，模板中的各项都要进行相应的本体标注。如果用户查询与服务实例使用了相同的服务模板，则进一步对服务模板中的各项作基于本体的匹配推理。MWSDI存在的最大缺点在于，整个P2P网络共享相同的注册本体，维护注册本体的一致性变得十分困难，从很大程度上限制了P2P网络的自组织能力。OWL提供了功能和外延视图来表达Web服务的功能，其发现过程基于表达和匹配能力，并提出了一系列的匹配算法[5]。

杨圣文，史美林(2005年)[6]提出了一种基于过程本体论(process ontologies)的Web服务发现技术，通过描述服务过程的匹配来提高服务匹配的查准率和查全率，服务的查找和发现过程就是过程模型中的过程本体论与查询中所用到的过程本体论相匹配的过程。Orriëns，B，et al(2003年)[7]提出以RDF和DAML描述服务，用本体上下文关系进行服务发现。TANG Q.C，CHENG H.K(2005年)[8]用DAML+OIL描述Web服务，并给出相应相似度计算方法，该方法未定义输入输出和服务质量等参数，在服务发现时存在明显缺陷。Klein，M.and A（2001年）[9]使用LARKS语言定义Web服务，并用自定义的权重网络计算Web服务之间的相似度，该算法中自定义的权重网络需要人工干预，面对海量的Web服务，构造权重网络的工作量将会成为Web服务发现的瓶颈。此外，蔡月茹等人提出了一种基于P2P技术和语义网技术的服务发现机制，将服务的部署与服务的发布无缝地绑定在一起[10]，张荣、申德荣、吴朝晖等人也都从本体论的角度探讨了服务的发现问题[11，12]。

基于QoS的服务发现：服务质量(QoS)描述了一个产品或服务满足消费者需求的能力。提供有保证的QoS是Web服务在商业应用中获得成功的关键。如何动态地选择出最适合用户需求的Web服务正在引起研究领域的关注。文献[5]提出了一种新的服务发现模型，在服务查找过程中考虑了服务的QoS属性。该模型对UDDI进行了扩展，增加了一种新的数据结构，用于描述Web服务的QoS属性。另外，定义了一种QoS证明者角色，用于对服务提供者所宣称的服务质量进行验证。Chen H.G.，Yu T，Lin K.J(2003年)[13]提出了一种Web服务QoS架构(QCWS)，在Web服务消费者和提供者之间增加了QoS代理。QoS代理根据收集到的Web服务的QoS信息作为服务发现过程中选择决策的依据。同时，为了确保服务提供者所宣称的服务质量，QoS代理在服务调用之前需要与提供者进行协商，通过接纳控制机制来避免因为服务器过载而导致的服务质量下降，并防止贪婪的用户消耗过多的系统资源。Maximilien E.M，Singh M.P(2004年)[14]提出了一种Web服务代理框架(WSAF)和QoS本体来解决服务的动态选择问题。在WSAF中，服务提供者和服务消费者使用一种XML策略语言来描述服务质量通告和需求。服务代理首先从UDDI查询满足功能性需求的服务，然后借助QoS本体和XML质量策略语言进行服务选择。WSAF能够在QoS本体的基础上进行语义分析，提供更加精确的服务匹配。杨圣文，史美林（2005年）[6]提出了一种支持QoS约束的Web服务发现模型(WSDM2Q)，定义了一组描述Web服务QoS属性和信誉度的分类tModel，引入了QoS量化的概念，采用了QoS协商和反馈机制，支持携带QoS描述信息的服务发布以及基于QoS约束的服务发现。

3.服务组合问题

Web服务组合的复杂性主要来源于几个方面：首先，Web上可得的服务数量剧增，用户需要对大型服务注册中心进行搜索；其次，Web可以进行实时创建和更改，因此组合系统要求能够在运行时发现变化并根据最新信息进行决策；此外，Web服务可以由不同的组织开发，可能会采用不同的概念模型描述同一服务，但是并不存在一种中间语言可以用来以相同的方式定义和评估Web服务。所以，采用自动或半自动工具构建组合Web服务非常关键，对此工业界与学术界提出了一定的解决方法。

工业界的相关标准有Web服务的业务流程执行语言BPEL4WS[15]，它描述了如何利用基本的Web服务组织成能完成复杂任务的组合服务，从而完成特定的商业目标。

在学术界，围绕着服务发现、服务描述、服务的QoS、服务安全、服务组合等方面，也开展了一系列的研究工作[16]。有关服务组合的研究工作主要从工作流和人工智能AI规划两个方面开展的。

基于工作流的服务组合：在很多方面，组合服务与工作流非常相似。组合服务的定义包括一系列原子服务及其间的控制与数据流，类似地，工作流需要指定工作项目的流动。因此当前有关柔性工作流、自动过程变更、跨企业集成等方面的研究成果都可以为自动Web服务组合提供方法支持。此外，动态工作流方法提供了根据具体资源或服务绑定抽象节点的方式。

eFlow是由HP公司提出的有关组合服务规范、制定和管理平台，它采用了静态工作流产生方法。组合服务采用图形化的方式进行描述，表示过程中服务执行顺序，并没有涉及复杂的服务接口信息的处理问题[17]。CrossFlow[18]与WISE[19]项目主要是提供组织间工作流管理平台，需要解决电子商务中业务过程的互连问题，它们考虑了B2B中的关键需求，如可靠性与外部可管理性等，但是没有考虑动态环境中多属性提供的选择问题。Liangzhao Zeng(2001)[20]提出了一种基于Agent的跨企业工作流管理系统(WFMS)，它能够根据用户需求集成业务过程。集成Agent根据用户的需求与服务发现Agent进行沟通，定位合适的服务agent并就服务执行问题与之协商。Liangzhao Zeng(2002)[21]提出了一种了基于业务规则推理引擎的能够实现运行中工作流进行动态组合和修改的动态工作流系统。不过这两种方法都主要集中考虑动态过程的执行和管理问题。PPM(Polymorphic Process Model)采用了动态（由基于服务的过程环境支持）、静态（由基于参考过程的环境支持）相结合的服务组合方式[22]。

基于AI的服务组合：DAML-S（亦称OWL-S）是唯一一个直接声明与AI规划方法直接管理的服务语言。由服务执行产生的状态变更通过DAML-S中ServiceProfile的前提和效果属性进行指定。

情景演算：Mcllraith等人对Golog语言进行了扩展和改进以处理服务的自动构造问题，这一问题主要是通过提供一种高层次的通用过程程序和客户化约束来完成[23]。

PDDL(Planning Domain Definition Language)[24]：为了表示基于PDDL的服务组合方法，McDermott引入了一种新的知识类型（操作价值）。DAML-S的研究主要启发来自PDDL，二者具有很大的相似性。

基于规则的规划：Medjahed提出了一种根据高层声明性描述产生组合服务的技术[25]。该方法利用组合性规则确定两个服务的可组合性，包括四个阶段，即规范化阶段、匹配阶段、选择阶段和产生阶段。SWORD[26]是美国斯坦福大学研制的Web服务组合的系统，能够重用已有的服务，实现新的组合服务。SWORD中的规则引擎可以产生服务组合顺序的计划，通过规则的触发，进行相关服务的调度，实现复杂的Web服务组合。

其它AI规划方法：SHOP2是用于服务自动组合的HTN规划器[27]，它采用DAML-S规范描述服务，他们认为HTN中的任务分解概念与DAML-S过程本体中的过程分解非常相似，并且认为HTN规划器比Golog等其它规划语言更加有效。

还有学者采用理论验证研究者技术实现服务组合，其方法是基于自动演绎和程序综合，采用了一阶语言描述最初可获得的用户需求。

此外，不少学者从其它角度研究了服务的组合问题。Boualem等设计了SELF-SERV[28]，通过利用P2P计算架构，提出了服务组合中的服务的协调机制、包装机制和路由机制进行服务的注册、发布和消息的交互。ActiveXML[29]是另一个在Web服务集成方面做得很出色的工作，由法国Inria的Abiteboul等提出，通过利用XQuery[30]实现Web服务调用和XML文档的结合，实现了P2P环境下数据和Web服务的集成，ActiveXML关注的是在文档中嵌入XQuery以及如何执行这些查询，从而保证负载平衡等问题。Orriëns等分析了业务过程模型的基本元素，提出了一种业务规则驱动的Web服务组合方法[7]。Zeng等人依据服务执行费用、执行时间、可靠性、声誉、及服务可获得性等规则，对服务运行时质量进行优化，讨论了多个独立Web服务的组合选择问题[31]。Tang和Cheng从服务中间提供商的角度研究了Web服务的定位及最优定价问题[8]。然而这些研究都没有考虑现有网络的资源有限、生命力脆弱、QOS等级较差的特性，忽略了web服务最基本的瓶颈问题。王晓玲等（2005年）[16]描述了服务间的接口信息处理问题，并且把服务组合中的接口信息处理问题转换为XML数据的处理问题，然后引入基于文法的处理方法来解决接口数据之间的处理问题。SALIMA BENBERNOU，MOHAND-SAID HACID(2005年)[32]，采用规范化术语和约束从句描述服务，提出了基于知识的Web服务发现方法。

4.结束语

综上所述，从国内外已有研究成果来看，对构成动态电子商务的服务组件的发现及组合方面的研究已经取得了大量的实质性成果，但是对于构建一个完整的动态电子商务系统来说，还存在着以下几点不足：

(1)但大多数工作都不能处理服务的语义不一致性问题，不能动态实现有效构建动态电子商务系统的目标。在构成动态系统的服务选择、匹配及组合方面，现有研究没有充分考虑服务的语法、语义及操作特性等不同方面，需要很多的人工干预，不能实现系统的动态组合，同时导致了系统构建中组合服务评价指标的不当选择，使得构建的系统在可操作性、有效性、经济性等方面不能很好地满足需求。因此，为了有效指导动态电子商务系统的构建，还存在一些关键难点问题亟待解决。

(2)目前有关组件服务的发现以及组合等研究主要集中在某一个特定的方面，从构造完整电子商务系统的角度来看，缺少一种系统化的方法和工具支持，不能有效指导系统的全生命周期构建过程。

(3)当前的研究主要集中在服务的发现、满足特定需求的服务组合以构成基于web服务的分布式业务过程方面，而没有考虑组合服务在服务平台执行过程中的动态变化性和开放性，也就是说没有考虑在不同的领域或执行状态下服务组合阶段和服务执行阶段的内在联系，而这一点对于部署可靠、满足期望性能的动态、分布式业务过程管理系统（电子商务）至关重要。

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